§ 22. Гальванические элементы

Гальванические элементы являются источниками постоянного напряжения и называются первичными элементами. Электрическая энергия, получаемая в этом случае, образуется в результате химических реакций, происходящих внутри элемента. Рассмотрим принцип действия простейшего гальванического элемента.

Элемент (рис. 48) состоит из сосуда с раствором серной кислоты (H₂SO₄), в которую погружены две разнородные пластины: цинковая и медная. Как показал опыт, цинк в этом случае заряжается отрицательно, а медь - положительно. Элемент имеет два вывода - полюса: положительный (анод) и отрицательный (катод).

Рис. 48. Простейший гальванический элемент: 1 - медь, 2 - цинк, 3 - сосуд, 4 - раствор серной кислоты

Цинковая пластина, опущенная в раствор серной кислоты, будет растворяться в ней. Способность цинка легко отдавать свои электроны приводит к тому, что атом цинка, оставляя два своих электрона пластине, переходит в раствор в виде положительного иона. Между цинковой пластиной и раствором возникает некоторая разность потенциалов, которая приостанавливает дальнейшее растворение цинковой пластины.

Опустим в раствор медную пластину. Обладая меньшей способностью растворения, медь по отношению к раствору будет иметь иную разность потенциалов, чем цинк. Таким образом, между медной и цинковой пластинами образуется разность потенциалов.

Разность потенциалов (э.д.с.) между пластинами (электродами) медно-цинкового элемента равна 1,1 в.

При замыкании полюсов элемента металлическим проводником электроны цинковой пластины будут переходить на медную пластину. Вследствие потери электронов потенциал между цинковой пластиной и раствором уменьшается и новая порция ионов цинка перейдет с пластины в раствор, причем сама пластина вновь обогащается электронами. Положительные ионы цинка, попав в раствор, соединяются с отрицательными ионами кислотного остатка SO₄^-- и образуют молекулу цинкового купороса ZnSO₄.

Положительный ион водорода Н₂⁺⁺, подходя к медной пластине, берет у нее свободные электроны и, нейтрализуясь, выделяется в виде пузырьков, покрывающих медную пластину. В результате указанного процесса цинковая пластина, растворяясь в кислоте, пополняется электронами, а медная пластина, отдавая электроны, сохраняет положительный заряд и покрывается пузырьками водорода. Во внешней части цепи происходит движение электронов от цинковой пластины к медной, внутри электролита отрицательные ионы движутся от меди к цинку, а положительные ионы - от цинка к меди. Показания амперметра, включенного в цепь работающего медно-цинкового элемента, быстро уменьшаются. Это объясняется тем, что медная пластина совместно с водородом, который покрывает эту пластину, образует своеобразную гальваническую пару, своего рода особый элемент, э.д.с. которого направлена против э.д.с. самого элемента. Это явление носит название поляризации. Вследствие сильной поляризации медно-цинковый элемент не нашел себе применения на практике.

К числу неполяризующихся элементов относится угольно-цинковый элемент. В качестве электродов у него служат угольная и цинковая пластины, электролитом - раствор нашатыря (NH₄Cl). Угольный стержень опущен в мешочек с перекисью марганца (МnO₂), которая устраняет поляризацию и называется деполяризатор о м. э.д.с. элемента 1,45 в. Во время работы угольно-цинкового элемента водород, выделяющийся из раствора, вступает в реакцию с перекисью марганца:

в результате чего получается вода, и поляризации элемента не происходит.

Часто угольно-цинковые элементы выполняются в виде так называемых сухих элементов.

На рис. 49 изображен сухой элемент с марганцевой деполяризацией. Элемент помещен в цинковую коробку 2, которая одновременно является отрицательным полюсом элемента. Коробка сверху оклеена картоном. В середине коробки находится угольный стержень 5, являющийся положительным полюсом элемента. Вокруг угольного стержня расположен деполяризатор 4, состоящий из размолотых зерен перекиси марганца, графита и сажи, замоченных в растворе нашатыря. Деполяризатор помещается в мешочке из миткаля. Для изоляции деполяризатора от цинка на дно цинковой коробки положена картонная прокладка 1.

Рис. 49. Угольно-цинковый элемент с деполяризатором: а - внешний вид сухого элемента, б - разрез сухого элемента

Снаружи мешочек с деполяризатором окружен пастой 5, состоящей из дешевых сортов муки, пропитанной раствором нашатыря. Для предохранения пасты от загнивания и высыхания в ее состав вводят хлористый цинк. Сверху мешочек с деполяризатором прикрывают картонной прокладкой 6, поверх которой насыпают слой опилок 7, прикрытый также картонной прокладкой.

От цинковой коробки и угольного стержня делаются два отвода. Для отвода газов, образующихся во время работы элемента, в верхней части его располагают стеклянную трубку 8. Верхнюю часть элемента заливают смолой 9.

Сухие элементы с марганцевой деполяризацией имеют э.д.с. 1,4-1,6 в и внутреннее сопротивление 0,1-0,5 ом.

Наибольшее количество электричества в ампер-часах, которое может отдать элемент в процессе работы, называется емкостью элемента.

Гальванические элементы применяются для питания батарейных радиоприемников, некоторых физических и электроизмерительных приборов, переносных осветительных приборов, сигнализации.

Гальванические элементы и другие химические источники энергии на схемах условно обозначают, как показано на рис. 50.

Рис. 50. Условное изображение химических источников напряжения