Гальванические элементы

§ 28. ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Проводники первого рода (твердые) и второго рода (жидкие электролиты) совместно используются в

гальванических элементах, служащих источниками постоянного тока.

В гальванических элементах во время их работы происходит движение ионов и оседание на электродах элемента, выделяющего­ся из электролита вещества.

Простейшим гальваническим элементом является медно-цинко-вый. В стеклянный сосуд,, наполненный раствором серной кислоты H₂SO₄ в воде Н₂0, погружены медная  Cu и цинковая Zn пластины, которые представляют собой положительный и отрицательный полюсы элемента.

При замыкании цепи элемента каким-либо проводником внутри этого элемента будет протекать ток от цинковой отрицательной пластины к медной положительной, а во внешней цепи — от медной к цинковой. Под действием тока внутри элемента положительные ионы водорода Н₂  движутся по направлению тока, отрицательные ионы кислотного остатка SO₄ — в противоположном направлении. Приходя в соприкосновение с медной пластиной, положительные ионы водорода отдают ей свои заряды, а водород в виде пузырьков газа скопляется на ее поверхности. В это же время отрицательные ионы остатка серной кислоты отдают свои заряды цинковой пласти­не. Таким образом происходит непрерывный заряд пластин элемен­та, поддерживающий разность потенциалов (напряжение) на его зажимах.

Выделение водорода на медной пластине элемента ослабляет его действие, поляризует элемент. Явление поляризации состоит в том, что скопляющийся на положительном электроде водород создает в совокупности с металлом электрода дополнительную раз­ность потенциалов, называемую электродвижущей силой поляри­зации. Эта э. д. с. направлена противоположно электродвижущей силе элемента. Кроме того, пузырьки водорода, покрывающие часть медной пластины, уменьшают ее действующую поверхность, а это увеличивает внутреннее сопротивление элемента.

Поляризация в рассмотренном элементе настолько значитель­на, что делает его непригодным для практических целей. Устране­ние явления поляризации в современных элементах осуществляется посредством поглотителей, вводимых в состав элемента и носящих название деполяризаторов, которые предназначены для поглощения водорода и не допускают скопления его на положительном полюсе элемента. Такими деполяризаторами могут служить химические препараты, богатые кислородом или хлором.

Э. д. с. гальванического элемента зависит от химических и физических свойств веществ, его составляющих и, как показывает опыт, не зависит ни от формы и размеров элемента, ни от его внутреннего устройства. Но внутреннее устройство и размеры от­дельных частей элемента имеют большое влияние на величину его внутреннего сопротивления, так как они зависят от расстояния между полюсами (при уменьшении этого расстояния внутреннее сопротивление элемента уменьшается), от размера погруженной в жидкость поверхности полюсов (при увеличении этой поверхности внутреннее сопротивление уменьшается), от химического состава жидкости элемента. Необходимо отметить, что внутреннее сопротивление  гальванических элементов не является величиной постоянной (по мере работы элемента оно постепенно возрастает).

В зависимости от способа деполяризации гальванические эле­менты могут быть подразделены на два типа: элементы, в которых в качестве деполяризатора применяют раствор какой-либо соли, например медно-цинковые, и элементы, в которых анод окружен перекисью марганца, например, угольно-цинковые. Гальванические элементы указанных двух типов широко применяют в электротех­нике.

Э. д. с. медно-цинкового элемента рав­на 1,1 в, а внутреннее сопротивление в зависимости от времени работы — 5 - 10 ом.

В угольно-цинковом элементе положи­тельным полюсом служит угольная  пластина, а отрицательным — цинковый стержень. Деполяризатором в этом элементе является    спрессованная    под    большим давлением  смесь, называемая  агломератом. Она состоит из перекиси марганца и графита. В качестве электролита в угольно-цинковом элементе применяют водный раствор хлористого аммония NН₄Cl. Элек­тродвижущая    сила    угольно-цинкового элемента 1,4—1,5 в в начале разряда при среднем значении 0,9 - 1,1 в, а внутреннее сопротивление в зависимости от конструкции элемента— 0,25 -0,7 ом в начале разряда и 1,4—5 ом в конце.

Угольно-цинковые элементы выпускает отечественная промыш­ленность в виде так называемых сухих элементов стаканчикового и галетного типов, весьма удобных для переноски и перевозки.

В сухих элементах стаканчикового типа (рис. 24) положитель­ный полюс 8 с агломератом 2 помещают внутри цинковой короб­ки 9, которая служит отрицательным полюсом элемента. Простран­ство между стенками цинковой коробки и агломератом заполняют, пастой 1, состоящей из раствора хлористого аммония и картофельной муки. Над агломератом укладывают картонную прокладку 3,1 на которую насыпают прослойку 4 из опилок; сверху опилки закры­вают картонной прокладкой 5. Затем элемент заливают смолой 7, в которую вставляют трубку 6. Назначение этой трубки — удалять образующиеся внутри элемента газы.

На выходящий из смолы угольный электрод насаживают мед­ный колпачок с винтом и гайкой для присоединения проводника. К верхней части цинковой коробки (отрицательному полюсу) при­паивают изолированный гибкий проводник. На дно коробки укла­дывают изолирующую прокладку 10.

В галетном элементе отрицательным электродом является цин­ковая пластина, положительным — спрессованный в виде галеты порошок двуокиси марганца с углем. Между электродами помещают картонную пластинку, пропитанную раствором нашатырного спирта. Наружная поверхность цинковой пластины покрыта слоем канифоли с частицами графита для электропроводности.

В качестве изоляции используются хлорвиниловые пленки. Галетные элементы компактны и их активные материалы (особенно цинк) используются лучше, чем в стаканчиковых элементах.

В окисно-ртутных элементах отрицательным электродом яв­ляется цинк, а положительным — окись ртути. Их преимущество по сравнению с угольно-цинковыми элементами состоит в хорошей сохранности при повышенной температуре, меньшем изменении напряжения при разряде и большой удельной энергии на единицу объема, что особенно ценно для использования в переносной аппа­ратуре в условиях теплого климата.

В настоящее время широко применяют элементы ВДЛ, электро­дами которых служит цинк и активированный пористый уголь, адсорбирующий кислород из воздуха, а электролитом — раствор едкого калия. Достоинство этих элементов  - малое изменение на­пряжения при разряде. Вследствие герметичности элементов ВДЛ не происходит заметного ухудшения свойств едкого калия, поэтому они могут храниться неограниченное время. После полного разряда элемента угольный электрод сохраняет работоспособность и эле­мент может быть восстановлен путем замены цинка и электролита. Такое восстановление элемента можно производить дважды. Э. д. с. элемента ВДЛ 1,4 в, напряжение при нормальном режиме разряда 1,2—1,25 в, напряжение в конце разряда 0,9 в.

Ввиду дефицитности и высокой стоимости цинка желательно использовать в качестве отрицательного электрода какой-либо другой металл, например железо.

В последние годы разработаны железо-угольные щелочные эле­менты ВДЖ, применяемые для питания радиоустройств в трудно­доступных для обслуживания местностях. Однако замена цинка железом привела к уменьшению э. д. с. элемента. Начальное на­пряжение элемента ВДЖ 0,75 в, напряжение в конце разряда 0,45 в. Элементы ВДЖ выдерживают длительное хранение и нор­мально работают при температуре 0° С,

Для составления батарей гальванические элементы соединяют между собой последовательно, параллельно и смешанно. При по­следовательном соединении положительный полюс первого элемен­та соединяется с отрицательным полюсом второго элемента, поло­жительный полюс второго — с отрицательным третьего и т. д.

Если батарея состоит из n последовательно соединенных элемен­тов с э. д. с. каждого элемента Е₀ и с внутренним сопротивлением r₀ ом, то э. д. с. батареи Е=nЕ₀, а  внутреннее сопротивление ее  r = nr₀

 При параллельном соединении элементов положительные полюсы всех элементов соединяют между собой и отрицательные полюсы также соединяют между собой. В результате получают два общих полюса батареи: положительный и отрицательный. Если батарея состоит из m параллельно соединенных элементов с э. д. с. Каждого элемента E₀ в и с внутренним сопротивлением r₀ ом, то

э. д. с. батареи Е = Е₀, а внутреннее сопротивление ее

Для составления батареи из смешанно соединенных элементов разделяют все элементы на группы с одинаковым числом их в каж­дой группе. Элементы в каждой группе соединяют параллельно или последовательно, а группы между собой в первом случае — после­довательно, а во втором — параллельно.

Если n — число групп или элементов в группе, соединенных поcледовательно, m — число групп или элементов в группе, соединен­ии параллельно, Е₀ — э. д. с. каждого элемента, а r₀ —внутреннее сопротивление, то э. д. с. батареи Е = nЕ₀, а ее внутреннее сопротив­ление .

Пример 1. Четыре гальванических элемента, у которых э. д. с. каждого Е_{0 = 1,6}  в и внутреннее сопротивление r₀=8 ом, соединены параллельно. Определить силу тока в цепи, если батарея замкнута на внешнее сопротивление 6 ом.

Решение. Э. д. с. батареи E=1,6 в, внутреннее сопротивление ее =2 ом. 4

Следовательно, сила тока в цепи   .

.Пример 2. Последовательно соединены 10 гальванических элементов, каждый из которых имеет э. д. с. 1,2 в и внутреннее сопротивление 5 ом. Определить силу тока в цепи, если батарея замкнута на внешнее сопротивление 30 ом.

Решение. Э. д. с. батареи E=10x1,2= 12 в. Внутреннее   сопротивление ба­тареи r== 10x5=50 ом. Следовательно, сила тока цепи   =0,15 а.