Что такое гальванический элемент почему происходит разделение зарядов

Гальванический элемент

Гальвани́ческий элеме́нт — химический источник электрического тока, основанный на взаимодействии двух металлов и (или) их оксидов в электролите, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока. Назван в честь Луиджи Гальвани.

Содержание

История изучения гальванических процессов

Явление возникновения электрического тока при контакте разных металлов было открыто итальянским физиологом, профессором медицины Болонского университета Луиджи Гальвани в 1786 году. Гальвани описал сокращения мышц задних лапок свежепрепарированной лягушки, закрепленных на медных крючках, при прикосновении стального скальпеля. Наблюдения были истолкованы первооткрывателем как проявление «животного электричества».

Итальянский физик и химик Алеcсандро Вольта, заинтересовавшись опытами Гальвани, увидел совершенно новое явление — создание потока электрических зарядов. Проверяя точку зрения Гальвани, А. Вольта проделал серию опытов и пришел к выводу, что причиной сокращения мышц служит не «животное электричество», а наличие цепи из разных проводников в жидкости. В подтверждение А. Вольта заменил лапку лягушки электрометром и повторил все действия. В 1800 году А. Вольта впервые публично заявляет о своих открытиях на заседании Лондонского королевского общества, что проводник второго класса (жидкий) находится в середине и соприкасается с двумя проводниками первого класса из двух различных металлов. Вследствие этого возникает электрический ток того или иного направления. Русский ученый Петров в 1802 году использовал гальванический элемент для построения электрической дуги.

Виды электродов

В состав гальванического элемента входят электроды. Электроды бывают:

Обратимые электроды

Ионоселективные мембранные электроды

Характеристики гальванических элементов

Гальванические элементы характеризуются: э.д.с., емкостью, энергией, которую он может отдать во внешнюю цепь, сохраняемостью.

Классификация гальванических элементов

Широкое распространение получили марганцево-цинковые элементы, не содержащие раствора электролита (сухие элементы, батарейки). Так, в солевых элементах Лекланше цинковый электрод служит анодом, электрод из смеси диоксида марганца с графитом служит катодом, графит служит токоотводом. Электролитом является паста из раствора хлорида аммония с добавкой муки или крахмала в качестве загустителя.

Щелочные марганцево-цинковые элементы, в которых в качестве электролита используется паста на основе гидроксида калия, обладают целом рядом преимуществ, в частности существенно большей ёмкостью, лучшей работой при низких температурах и при больших токах нагрузки.

Солевые и щелочные элементы широко применяются для питания радиоаппаратуры и различных электронных устройств.

Также существуют щелочные аккумуляторы. Наибольшее применение получили никель-кадмиевые и никель-металлгидридные аккумуляторы, в которых электролитом служит KOH.

В различных электронных устройствах (мобильные телефоны, планшеты, ноутбуки), в основном, применяются литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы, характеризующиеся высокой ёмкостью и отсутствием эффекта памяти.

Применение

См. также

Литература

Ссылки

Химические источники тока
Гальванический элемент	Гальванический элемент Даниеля | Щелочной элемент | Ртутно-цинковый элемент | Сухой элемент | Концентрационный элемент | Воздушно-цинковый элемент | Нормальный элемент Вестона
Электрические аккумуляторы	Свинцово-кислотный | Серебряно-цинковый | Никель-кадмиевый | Никель-металл-гидридный | Никель-цинковый аккумулятор | Литий-ионный | Литий-полимерный | Литий-железо-сульфидный | Литий-железо-фосфатный | Литий-титанатный | Ванадиевый | Железо-никелевый
Топливные элементы	Прямой метанольный | Твердооксидный | Щелочной
Модели	Батарея | Электрический аккумулятор | Топливный элемент
Устройство	Анод | Катод | Электролит

Полезное

Смотреть что такое «Гальванический элемент» в других словарях:

ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ — химический источник тока, в котором электрическая энергия вырабатывается в результате прямого преобразования химической энергии окислительно восстановительной реакцией. В состав гальванического элемента входят два разнородных электрода (один… … Большой Энциклопедический словарь

ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ — источник тока, в котором электрическая энергия возникает за счёт химической реакции. Гальванический элемент состоит из 2 электродов, помещённых в электропроводную жидкость (электролит). Применяются почти исключительно «сухие» элементы, в которых… … Краткая энциклопедия домашнего хозяйства

Гальванический элемент — ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ, химический источник тока; вырабатывает электроэнергию в результате прямого преобразования химической энергии окислительно восстановительной реакций. Различают гальванический элемент одноразового (первичные элементы),… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

гальванический элемент — элемент Химический источник тока, состоящий из электродов и электролита, заключенных в один сосуд, предназначенный для разового или многократного разряда. [ГОСТ 15596 82] EN cell basic functional unit, consisting of an assembly of electrodes,… … Справочник технического переводчика

ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ — первичный источник постоянного электр. тока, в к ром хим. энергия, освобождающаяся при хим. процессах, превращается в электрическую. Технический железнодорожный словарь. М.: Государственное транспортное железнодорожное издательство. Н. Н.… … Технический железнодорожный словарь

гальванический элемент — – система, в которой химическая энергия окислительно восстановительного процесса превращается в электрическую. Общая химия : учебник / А. В. Жолнин [1] … Химические термины

ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ — устройство, в котором электрическая энергия получается за счёт самопроизвольной хим. реакции. Простой хим. источник тока состоит из двух электродов отрицательного (напр. цинк) и положительного (напр. медь, оксиды металлов, уголь), погружённых в… … Большая политехническая энциклопедия

гальванический элемент — химический источник тока, в котором электрическая энергия вырабатывается в результате прямого преобразования химической энергии окислительно восстановительной реакции. В состав гальванического элемента входят два разнородных электрода (один … … Энциклопедический словарь

гальванический элемент — elektrocheminis elementas statusas T sritis chemija apibrėžtis Cheminis elektros energijos šaltinis, kuriame elektrocheminių reakcijų energija verčiama elektros energija. atitikmenys: angl. electrochemical cell; element; galvanic cell; voltaic… … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

Гальванический элемент — 2. Гальванический элемент Элемент Galvanisches Element Химический источник тока, состоящий из электродов и электролита, заключенных в один сосуд, предназначенный для разового или многократного разряда Источник: ГОСТ 15596 82: Источники тока… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Источник

Принцип работы гальванического элемента

Все о гальваническом элементе

Концентрационный гальванический элемент – это источник тока в состав которого входит 2 однотипных металлических электродов помещенных в смесь солей этого металла в различных концентрациях.

Цинк и медь обладают разной активностью и поэтому их заряд по величине будет различным. В итоге уровень электродов также не однозначен. Это позволяет им перемещаться и производить электрический или гальванический ток. Он начинает протекать, когда любой человек или изобретатель тока хранящего аппарата присоединяет нагрузку. В качестве нее может быть лампочка, приемник, компьютерная мышка и другие электрические устройства.

Схема гальванического элемента

Под схемой подразумевают его состав и устройство. Он может быть выполнен из нескольких химических элементов с применением вспомогательных приспособлений. Ниже об строение гальванического элемента будет рассказано кратко. Подробнее о нем читайте в этой статье!

Устройство гальванического элемента

Самый простой энергетический накопитель состоит из:

Устройство и принцип работы гальванического элемента

Металл, погруженный в раствор электролита, называется электродом.

Электроды — это система двух токопроводящих тел — проводников первого и второго рода.

К проводникам первого рода относятся металлы, сплавы, оксиды с металлической проводимостью, а также неметаллические материалы, в частности графит; носители заряда — электроны.

К проводникам второго рода относятся расплавы и растворы электролитов; носители заряда — ионы.

Устройство, состоящее из двух электродов, называется гальваническим элементом.

Рассмотрим гальванический элемент Якоби—Даниэля (схема приведена на рис. 2). Он состоит из цинковой пластины, погруженной в раствор сульфата цинка, и медной пластины, погружен­ной в раствор сульфата меди. Для предотвращения прямого взаимодействия окислителя и восстановителя электроды отделены друг от друга пористой перегородкой.

В гальваническом элементе электрод, сделанный из более активного металла, т.е. металла, расположенного левее в ряду напряжений, называют анодом, а электрод, сделанный из менее активного металла — катодом.

На поверхности цинкового электрода (анода) возникает двойной электрический слой и устанавливается равновесие:

Zn0 – 2ē ←→ Zn2+.

В результате протекания этого процесса возникает электродный потенциал цинка.

На поверхности медного электрода (катода) также возникает двойной электрический слой и устанавливается равновесие:

Cu2+ + 2ē ←→ Cu0.

В результате возникает электродный потенциал меди.

Так как потенциал цинкового электрода имеет более отрицательное значение, чем потенциал медного электрода, то при замыкании внешней цепи, т.е. при соединении цинка с медью металлическим проводником, электроны будут переходить от цинка к меди. В результате этого процесса равновесие на цинковом электроде смещается вправо, поэтому в раствор перейдет дополнительное количество ионов цинка. В то же время равновесие на медном электроде сместится влево и произойдет разряд ионов меди.

Таким образом, при замыкании внешней цепи возникают самопроизвольные процессы растворения цинка на цинковом электроде и выделения меди на медном электроде. Данные процессы будут продолжаться до тех пор, пока не выровняются потенциалы или не растворится весь цинк или не высадится на медном электроде вся медь.

Итак, при работе гальванического элемента Якоби—Даниэля протекают следующие процессы:

1. Анодный процесс, процесс окисления:

2. Катодный процесс, процесс восстановления:

3. Движение электронов во внешней цепи.

4. Движение ионов в растворе: анионов SO42– к аноду, катионов Cu2+ к катоду. Движение ионов в растворе замыкает электрическую цепь гальванического элемента.

Суммируя электродные реакции, получим:

В результате протекании данной реакции в гальваническом элементе возникает движение электронов во внешней цепи и ионов внутри элемента, т.е. электрический ток. Поэтому суммарную химическую реакцию, протекающую в гальваническом элементе, называют токообразующей реакцией.

Электрический ток в гальваническом элементе возникает за счет окислительно-восстановительной реакции, протекающей так, что окислительные и восстановительные процессы оказываются пространственно разделенными: на отрицательном электроде (аноде) происходит процесс окисления, на положительном электроде (катоде) — процесс восстановления.

Необходимым условием работы гальванического элемента является разность потенциалов электродов. Максимальная разность потенциалов электродов, которая может быть получена при работе гальванического элемента, называется электродвижущей силой (ЭДС) элемента. Она равна разности между потенциалом катода и потенциалом анода элемента:

ЭДС элемента считается положительной, если токообразующая реакция в данном направлении протекает самопроизвольно. Положительной ЭДС отвечает и определенный порядок в записи схемы элемента: записанный слева электрод должен быть отрицательным. Например, схема элемента Якоби—Даниэля записывается в виде:

Гальванический элемент: схема, принцип работы, применение

Для того чтобы составить схему гальванического элемента, необходимо понять принцип его действий, особенности строения.

Потребители редко обращают внимание на аккумуляторы и батарейки, при этом именно эти источники тока являются самыми востребованными.

Химические источники тока

Что собой представляет гальванический элемент? Схема его основывается на электролите. В устройство входит небольшой контейнер, где располагается электролит, адсорбируемый материалом сепаратора. Кроме того, схема двух гальванических элементов предполагает наличие катода и анода. Как называется такой гальванический элемент? Схема, связывающая между собой два металла, предполагает наличие окислительно-восстановительной реакции.

Простейший гальванический элемент

Он подразумевает наличие двух пластин либо стержней, выполненных из разных металлов, которые погружены в раствор сильного электролита. В процессе работы данного гальванического элемента, на аноде осуществляется процесс окисления, связанный с отдачей электронов.

На катоде – восстановление, сопровождающееся принятием отрицательных частиц. Происходит передача электронов по внешней цепи к окислителю от восстановителя.

Пример гальванического элемента

Для того чтобы составить электронные схемы гальванических элементов, необходимо знать величину их стандартного электродного потенциала. Проанализируем вариант медно-цинкового гальванического элемента, функционирующего на основе энергии, выделяющейся при взаимодействии сульфата меди с цинком.

Этот гальванический элемент, схема которого будет приведена ниже, называют элементом Якоби-Даниэля. Он включает в себя медную пластинку, которая погружена в раствор медного купороса (медный электрод), а также он состоит из цинковой пластины, находящейся в растворе его сульфата (цинковый электрод). Растворы соприкасаются между собой, но для того, чтобы не допускать их смешивания, в элементе используется перегородка, выполненная из пористого материала.

Принцип действия

Как функционирует гальванический элемент, схема которого имеет вид Zn ½ ZnSO4 ½½ CuSO4 ½ Cu? Во время его работы, когда замкнута электрическая цепь, происходит процесс окисления металлического цинка.

На его поверхности соприкосновения с раствором соли наблюдается превращение атомов в катионы Zn2+. Процесс сопровождается выделением «свободных» электронов, которые передвигаются по внешней цепи.

Реакцию, протекающую на цинковом электроде, можно представить в следующем виде:

Восстановление катионов металла осуществляется на медном электроде. Отрицательные частицы, которые попадают сюда с цинкового электрода, объединяются с катионами меди, осаждая их в виде металла. Данный процесс имеет следующий вид:

Если сложить две реакции, рассмотренные выше, получается суммарное уравнение, описывающее работы цинково-медного гальванического элемента.

В качестве анода выступает цинковый электрод, катодом служит медь. Современные гальванические элементы и аккумуляторы предполагают применение одного раствора электролита, что расширяет сферы их применения, делает их эксплуатацию более комфортной и удобной.

Разновидности гальванических элементов

Самыми распространенными считают угольно-цинковые элементы. В них применяется пассивный угольный коллектор тока, контактирующий с анодом, в качестве которого выступает оксид марганца (4). Электролитом является хлорид аммония, применяемый в пастообразном виде.

Он не растекается, поэтому сам гальванический элемент называют сухим. Его особенностью является возможность «восстанавливаться» на протяжении работы, что позитивно отражается на продолжительности их эксплуатационного периода. Такие гальванические элементы имеют невысокую стоимость, но невысокую мощность. При понижении температуры они снижают свою эффективность, а при ее повышении происходит постепенное высыхание электролита.

Щелочные элементы предполагают использование раствора щелочи, поэтому имеют довольно много областей применения.

В литиевых элементах в качестве анода выступает активный металл, что позитивно отражается на сроке эксплуатации. Литий имеет отрицательный электродный потенциал, поэтому при небольших габаритах подобные элементы имеют максимальное номинальное напряжение. Среди недостатков подобных систем можно выделить высокую цену. Вскрытие литиевых источников тока является взрывоопасным.

Источник

Принцип работы и виды гальванических элементов

Схема гальванического элемента Даниэля-Якоби

Обозначение гальванического элемента на принципиальных электрических схемах
Гальвани́ческий элеме́нт

— химический источник электрического тока, основанный на взаимодействии двух металлов и/или их оксидов в электролите, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока. Назван в честь Луиджи Гальвани. Переход химической энергии в электрическую энергию происходит в гальванических элементах.

История изучения гальванических процессов

Луиджи Гальвани
Явление возникновения электрического тока при контакте разных металлов было открыто итальянским физиологом, профессором медицины Болонского университета (г. Болонья, Италия) — Луиджи Гальвани в 1786 году: Гальвани описал процесс сокращения мышц задних лапок свежепрепарированной лягушки, закреплённых на медных крючках, при прикосновении стального скальпеля. Наблюдения были истолкованы первооткрывателем как проявление «животного электричества».

Итальянский физик и химик Алессандро Вольта, заинтересовавшись опытами Гальвани, увидел совершенно новое явление — создание потока электрических зарядов. Проверяя точку зрения Гальвани, А. Вольта проделал серию опытов и пришёл к выводу, что причиной сокращения мышц служит не «животное электричество», а наличие цепи из разных проводников в жидкости. В подтверждение — А. Вольта заменил лапку лягушки изобретённым им электрометром и повторил все действия. В 1800 году А. Вольта впервые публично заявляет о своих открытиях на заседании Лондонского королевского общества, что проводник второго класса (жидкий) находится в середине и соприкасается с двумя проводниками первого класса из двух различных металлов… Вследствие этого возникает электрический ток того или иного направления. Русский учёный Петров в 1802 году использовал гальванический элемент для построения электрической дуги.

Вольтов столб

Вольтов столб это прибор, который был изобретен известным итальянским физиком Алессандро Вольта в 1799 году

Википедия о приборе Вольтов столб

Вот, что пишет народная энциклопедия о Вольтовом столбе.

Цитата: Так был изобретён «элемент Вольта» — первый гальванический элемент. Для удобства Вольта придал ему форму вертикального цилиндра (столба), состоящего из соединённых между собой колец цинка, меди и сукна, пропитанных кислотой. Вольтов столб высотою в полметра развивал напряжение, чувствительное для человека. Конец цитаты

Контактное электричество Вольта Вольта изучал труды итальянского анатома Л. Гальвани, который ранее обнаружил сокращение мышц лягушки при соприкосновении их с различными металлами. Гальвани назвал это явление «животное электричество». Вольта предположил, что электричество вырабатывает не ткань лягушки, а контакт различных металлов в определенной среде. Вольта провел такой эксперимент. Он использовал четырех человек. Первый держал в руке мокрую цинковую пластину, второй рукой он касался языка второго человека, второй человек касался другой рукой глаза третьего человека, третий человек держал в руке разрезанную лягушку, четвертый держал лягушку в одной руке и серебряную пластину в другой. Первый и четвертый человек касались разными пластинами. В момент контакта пластин второй человек ощущал кислый вкус на языке, третий видел яркий свет в глазу, а тело лягушки начинало сокращаться. Алессандро Вольта назвал это явление «контактным электричеством». Вольта пришел к выводу, что для появления электричества необходима и жидкость, которая воздействует на металлы. Вольт ввел классификацию проводников. Металлы он отнес к проводникам первого класса, а жидкости — к проводникам второго класса.

Изобретение Вольтова столба Вольта изготовил один из первых гальванических элементов, состоящий из металлических пластин и жидкости. Вольта использовал несколько цинковых и медных пластин цилиндрической формы и суконные круги, пропитанные кислотным раствором. Чередуя металлические пластины и и суконные круги, он получил вертикальный гальванический элемент. На концах этой конструкции возникал электрический ток. Это устройство было названо «Вольтовым столбом».

В то время еще не удалось дать химическое объяснение этому процессу. Сам Вольта объяснял появление электричества соприкосновением двух металлов, которое вызывало электродвижущую силу, при этом электричество накапливалось на концах различных пластин.

Вольта понял, что процесс создания электричества возможен только в присутствии жидкости, без жидкости пластины не давали тока. Вольта предположил, что жидкость выполняет роль разделителя между металлами, не давая развиваться встречному потоку частиц. Так и был изобретен первый гальванический элемент.

Вольта развивал и модернизировал свое изобретение. Электрическая мощность столба напрямую зависела от количества использованных элементов. Самым лучшим по мощности и устойчивости «столбом» оказался «прибор из цепи чашек». Чашки были заполнены электролитом (состоящим из соленой воды), и между собой чашки соединялись медными и цинковыми дугами. Фактически, он выполнял последовательное соединение гальванических элементов. На концах такой системы возникал достаточно сильный ток. Вольта придумал и другие варианты соединения элементов столба или нескольких столбов в одну систему.

До нашего времени сохранились некоторые приборы, построенные по принципу Вольтова столба.

Сам Вольта получил всемирное признание за изобретение, которое изменило мир.

Виды электродов

В состав гальванического элемента входят электроды. Электроды бывают:

Обратимые электроды

Ионоселективные мембранные электроды

Характеристики гальванических элементов

Гальванические элементы характеризуются электродвижущей силой (ЭДС), ёмкостью; энергией, которую он может отдать во внешнюю цепь; сохраняемостью.

Ошибка, ставшая открытием

В 1786 г. итальянский медик Луиджи Гальвани, препарируя лягушку, закреплённую на столе медными крючками, дотронувшись до неё стальным скальпелем, заметил, что у мёртвой лягушки сократились мышцы лапок. Гальвани решил, что так проявляется «животное электричество». Вывод Гальвани опроверг его соотечественник Алессандро Вольта, доказав, что лапка лягушки показала наличие электричества, полученного от контакта двух разнородных металлов, меди и стали, с жидкостями тела лягушки. Вольта погрузил соединённые проволокой медную и цинковую пластинки в кислоту. Цинк стал растворяться в кислоте, на меди образовались пузырьки, а по проволоке пошёл электрический ток, который Вольта обнаружил, приложив к ней электроскоп — прибор, показывающий наличие электричества.

Алессандро Вольта

Классификация гальванических элементов

Использованные источники питания различных типов и размеров
Гальванические первичные элементы

— это устройства для прямого преобразования химической энергии, заключенных в них реагентов (окислителя и восстановителя), в электрическую. Реагенты, входящие в состав источника, расходуются в процессе его работы, и действие прекращается после расхода реагентов. Примером гальванического элемента является элемент Даниэля—Якоби.

Широкое распространение получили марганцево-цинковые элементы, не содержащие жидкого раствора электролита (сухие элементы, батарейки). Так, в солевых элементах Лекланше: цинковый электрод служит катодом, электрод из смеси диоксида марганца с графитом служит анодом, графит служит токоотводом. Электролитом является паста из раствора хлорида аммония с добавкой муки или крахмала в качестве загустителя.

Щелочные марганцево-цинковые элементы, в которых в качестве электролита используется паста на основе гидроксида калия, обладают целым рядом преимуществ (в частности, существенно большей ёмкостью, лучшей работой при низких температурах и при больших токах нагрузки).

Солевые и щелочные элементы широко применяются для питания радиоаппаратуры и различных электронных устройств.

Литий-ионный аккумулятор сотового телефона

Вторичные источники тока (аккумуляторы)

— это устройства, в которых электрическая энергия внешнего источника тока превращается в химическую энергию и накапливается, а химическая — снова превращается в электрическую.

Одним из наиболее распространённых аккумуляторов является свинцовый (или кислотный). Электролитом является 25—30 % раствор серной кислоты. Электродами кислотного аккумулятора являются свинцовые решётки, заполненные оксидом свинца, который при взаимодействии с электролитом превращается в сульфат свинца (II) — PbSO4.

Также существуют щёлочные аккумуляторы: наибольшее применение получили никель-кадмиевые и никель-металлгидридные аккумуляторы, в которых электролитом служит гидроксид калия (K-OH).

В различных электронных устройствах (мобильные телефоны, планшеты, ноутбуки), в основном, применяются литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы, характеризующиеся высокой ёмкостью и отсутствием эффекта памяти.

Электрохимические генераторы (топливные элементы)

§ 75. Правило Вольты. Гальванический элемент.

Явление, установленное Гальвани и Вольтой, – разделение зарядов, т. е. возникновение э. д. с. на границе соприкосновения различных проводников, – было использовано для построения гальванического элемента. Однако, как выяснил Вольта, нельзя получить гальванический элемент, если составить замкнутую цепь из одних только проводников первого рода (уголь и металлы), которые не претерпевают никаких химических изменений при прохождении тока (§40). Это показывает следующий опыт.

Прикрутим к концам железной проволоки по куску медной проволоки и свободные медные концы присоединим к чувствительному гальванометру (рис. 114). Мы получим замкнутую цепь, состоящую из железной, двух медных проволок и проволоки (в виде нити или катушки), представляющей собой основную часть гальванометра. Таким образом, эта цепь состоит целиком из металлов (проводников первого рода). В этих условиях даже весьма чувствительный гальванометр не обнаруживает тока. Тока не будет и в том случае, если вместо железной проволоки мы возьмем цинковую или еще какую-либо иную, если вместо скручивания мы спаяем два проводника, т. е. введем слой третьего металла – олова, или составим более сложную цепь, содержащую не два разных металла, а три, четыре и вообще любое их число. Это значит, что в цепи, состоящей из произвольного числа любых металлов, э. д. с. равна нулю (правило Вольты).

Рис. 114. В замкнутой цепи, составленной только из проводников первого рода, ток не возникает: и – спаи двух металлов

Правило Вольты стоит в глубокой связи с тем обстоятельством, что металлы (проводники первого рода) не испытывают химических изменений при прохождении тока (§ 40). Если бы правило Вольты не соблюдалось, то мы могли бы устроить цепь, в которой ток шел бы в течение длительного времени и совершал бы разнообразную работу, например вращал бы мотор, без уменьшения запаса энергии этой цепи. Действительно, внутренняя энергия такой цепи не может уменьшаться, ибо вещества, ее составляющие (металлы), не изменяются. Но если внутренняя энергия цепи не уменьшается и к цепи не подводится извне тепло, то по закону сохранения энергии не может и совершаться работа, т. е. в цепи не может поддерживаться длительный ток.

Нетрудно понять, почему в замкнутой цепи из различных проводников первого рода не идет ток, т. е. э. д. с. равна нулю, хотя на границах соприкосновения отдельных проводников возникает, как мы указывали, э. д. с. В такой цепи есть несколько мест соприкосновения различных металлов, по крайней мере два или больше (рис. 115). Следовательно, в цепи возникает несколько различных э. д. с., отличающихся еще и по направлению (знаку), так что общая (результирующая) э. д. с. равна алгебраической сумме всех отдельных э. д. с. Поскольку опыт показывает, что в такой цепи нет тока (что можно предвидеть на основании закона сохранения энергии), то, следовательно, алгебраическая сумма всех э. д. с. в замкнутой цепи, составленной из проводников первого рода, равна нулю. Однако явление меняется, если хотя бы один из участков цепи оказывается проводником второго рода. Изменение химического состава этого проводника при прохождении тока может быть началом ряда химических превращений, в результате которых внутренняя (химическая) энергия тел, составляющих цепь, будет уменьшаться, и за счет этой энергии может поддерживаться ток в цепи. Действительно, Вольта, погрузив медную и цинковую пластины в раствор серной кислоты, осуществил первый гальванический элемент, и поныне называемый элементом Вольты (рис. 116). Соединяя каким-либо проводником, например металлической проволокой, медную и цинковую пластины (электроды) элемента Вольты, мы получим в этой замкнутой цепи электрический ток.

Рис. 115. Цепи, составленные из нескольких проводников первого рода: а) контакт двух различных проводников; б) контакт трех различных проводников

Рис. 116. Элемент Вольты. Цепь, в которой два различных металла (медь и цинк) соприкасаются с электролитом (раствором серной кислоты)

Элемент Вольты содержит все необходимые для любого гальванического элемента части: два различных проводника первого рода (цинк и медь), соприкасающиеся с проводником второго рода (раствор серной кислоты). Но практически по причинам, которые будут выяснены в § 77, этот элемент неудобен, так как э. д. с. его, вначале равная 1,1 В, при работе элемента быстро падает. Поэтому на практике чаще применяют другие элементы, отличающиеся от элемента Вольты иным подбором проводников первого и второго рода.

Пластины гальванического элемента, между которыми возникает разность потенциалов, называются полюсами (или электродами). Тот полюс, у которого потенциал выше, называется положительным (или анодом), другой – отрицательным (катодом). В элементе Вольты положительным полюсом служит медь.

Рис. 117. Элемент Даниеля: слева – отдельные его части; справа – в собранном виде

В § 77 мы увидим, что в большинстве гальванических элементов при длительном их использовании возникают вторичные процессы, изменяющие даваемое этими элементами напряжение. Однако некоторые гальванические элементы отличаются исключительным постоянством напряжения и поэтому находят широкое применение при электрических измерениях в качестве эталона напряжения. Служащие для этого элементы изготовляются по точным» установленным международными соглашениями рецептам, определяющим химический состав и концентрацию их электролитов. Они называются нормальными элементами. В настоящее время чаще всего употребляется нормальный элемент Вестона, дающий при 18°С напряжение 1,0187 В.

Заметим, что э. д. с. того или иного гальванического элемента определяется только подбором металлов и электролитов и совершенно не зависит от площади электродов, соприкасающихся с электролитом. Причины этого станут вполне ясны, когда мы разберем процесс возникновения э. д. с. в элементе.

Источник