Domácí galvanický článek pro autonomní napájení. Galvanické prvky. Typy a zařízení. Práce a vlastnosti Z čeho se skládá galvanický článek?

Galvanické články a baterie

Galvanický článek neboli galvanický pár je zařízení sestávající ze dvou kovových desek (z nichž jedna může být nahrazena koksovými deskami), ponořených v jedné nebo dvou různých kapalinách a sloužících jako zdroj galvanického proudu. Určitý počet voltaických prvků navzájem spojených známým způsobem tvoří galvanickou baterii. Konstrukčně nejjednodušší prvek tvoří dvě desky, ponořené v hliněné nebo skleněné sklenici, do kterých je nalita kapalina odpovídající typu desky; desky by neměly mít kovový kontakt v kapalině. D. prvky se nazývají primární pokud jsou nezávislými zdroji proudu, a sekundární, pokud se stanou účinnými až po více či méně dlouhodobém vystavení zdrojům elektřiny, které je nabíjejí. Při zvažování původu galvanických prvků je třeba začít u voltaického sloupce, předchůdce všech následujících galvanických baterií, nebo u voltaické pohárkové baterie.

Sloupec napětí. K jeho složení Volta vzal páry nepodobných kovových kruhů, složených nebo dokonce připájených na základně, a kartonové nebo látkové kruhy navlhčené vodou nebo roztokem louhu draselného. Zpočátku se používaly stříbrné a měděné hrnky a pak obvykle zinek a měď. Byl z nich vyroben sloup, jak je znázorněno na schématu. 1, totiž: nejprve se položí měděný plech a na něj se položí zinkový plech (nebo naopak), na který se položí navlhčený kartonový kruh; toto tvořilo jeden pár, na který byl navrstven druhý, opět složený z měděných, zinkových a kartonových kruhů, položených na sebe ve stejném pořadí jako v prvním páru.

Pokračováním v aplikaci následujících párů ve stejném pořadí můžete vytvořit sloup; sloup zobrazený v ďáblu. 1, vlevo, sestává z 11voltových párů. Je-li sloup instalován na desku z izolační, tedy nevodivé látky, například skla, bude počínaje jeho středem jedna polovina sloupu (na našem obrázku dno) nabita kladná elektřina a druhá (horní část na výkresu) - záporná. Intenzita elektřiny, uprostřed nepostřehnutelná, se zvyšuje, jak se blíží ke koncům, kde je největší. Dráty jsou připájeny k nejnižší a nejvyšší desce; uvedení volných konců drátů do kontaktu způsobí pohyb kladné elektřiny ze spodního konce sloupu přes drát k hornímu a pohyb záporné elektřiny v opačném směru; vzniká elektrický neboli galvanický proud (viz toto slovo). Volta považoval dvě desky nepodobných kovů za pár a kapalině připisoval pouze schopnost vést elektřinu (viz Galvanismus); ale podle názoru uvedeného později se pár skládá ze dvou odlišných desek a vrstvy kapaliny mezi nimi; proto lze horní a spodní desku pilíře (obr. 1 vpravo) odstranit. Takový sloup se bude skládat z 10 párů a pak jeho nejspodnější deska bude měděná a jeho horní deska bude zinek a směr pohybu elektřiny nebo směr galvanického proudu zůstane stejný: od spodního konce pilíře (nyní ze zinku) na horní (na měď). Měděný konec pólu se nazýval kladný pól, zinkový konec se nazýval záporný pól. Následně se ve Faradayově terminologii nazývá kladný pól anoda, negativní - katoda. Sloup Voltaic lze položit vodorovně do žlabu, uvnitř pokrytý izolační vrstvou vosku nataveného s harpiem. V dnešní době se voltaický sloup nepoužívá kvůli velké pracnosti a času potřebného k jeho montáži a demontáži; ale v minulosti používali pilíře složené ze stovek a tisíců párů; Profesor V. Petrov jej používal v Petrohradě v letech 1801-2. Volta během svých experimentů se sloupem, někdy sestávajícím ze 4200 párů (viz Galvanismus), sestrojil svůj aparát v jiné formě, která je ve formě pozdějších baterií. Voltova baterie (corona di tazze) se skládala z hrnků umístěných po obvodu kruhu, do kterých se nalévala teplá voda nebo solný roztok; v každém šálku byly dvě různé kovové destičky, jedna naproti druhé. Každá destička je spojena drátem s nepodobnou destičkou sousedního pohárku, takže od jednoho pohárku ke druhému se po celém obvodu pláty neustále střídají: zinek, měď, pak opět zinek a měď atd. V místě, kde se kruh uzavírá , v jednom šálku je zinkový plech, ve druhém - měď; podél drátu spojujícího tyto vnější desky proud poteče z měděné desky (kladný pól) na zinkovou desku (záporný pól). Volta považoval tuto baterii za méně vhodnou než tyč, ale ve skutečnosti to byla forma baterie, která se rozšířila. Struktura voltaického sloupu se ve skutečnosti brzy změnila (Cruikshank): podlouhlá dřevěná krabice, rozdělená napříč měděnými a zinkovými deskami spojenými dohromady, na malé oddíly, do kterých se nalévala kapalina, byla pohodlnější než obyčejný voltaický sloup. Ještě lepší byla bedna rozdělená na přihrádky dřevěnými příčnými stěnami; Na obou stranách každé přepážky byly umístěny měděné a zinkové pláty, které byly navrchu připájeny, kde navíc bylo ponecháno očko. Dřevěná tyč procházející všemi ušima sloužila ke zvednutí všech talířů z tekutiny nebo k jejich ponoření.

Prvky s jednou kapalinou. Brzy poté se začaly vyrábět samostatné páry nebo prvky, které bylo možné různými způsoby spojovat do baterií, jejichž výhody se ukázaly zvláště jasně poté, co Ohm vyjádřil vzorec pro sílu proudu v závislosti na elektrobudící (neboli elektromotorické) síle prvků a na odporech, kterým proud čelí, jako u vnějších vodičů a vnitřních prvků (viz Galvanický proud). Elektrická budicí síla prvků závisí na kovech a kapalinách a jejich složkách a vnitřní odpor závisí na kapalinách a velikosti prvků. Pro snížení odporu a zvýšení intenzity proudu je nutné zmenšit tloušťku vrstvy kapaliny mezi nepodobnými deskami a zvětšit velikost ponořeného povrchu kovů. To se provádí v Prvek Wollaston(Wollaston – podle správnější výslovnosti Wulsten). Zinek je umístěn uvnitř ohýbané měděné desky, do které jsou vloženy kusy dřeva nebo korku, aby se desky nedotýkaly; ke každé z desek je připájen drát, obvykle měď; konce těchto drátů jsou přivedeny do kontaktu s předmětem, kterým chtějí procházet proud tekoucí ve směru od mědi k zinku podél vnějších vodičů a od zinku k mědi vnitřními částmi prvku. Obecně proud protéká uvnitř kapaliny z kovu, na který kapalina působí chemicky silněji, do jiného, ​​na který působí méně silně. V tomto článku slouží oba povrchy zinkového plechu pro tok elektřiny; Tento způsob zdvojení povrchu jedné z desek se později začal používat při uspořádání všech prvků jednou kapalinou. Prvek Wollaston využívá zředěnou kyselinu sírovou, která se působením proudu rozkládá (viz Galvanická vodivost); výsledkem rozkladu bude oxidace zinku a vznik síranu zinečnatého, rozpuštění ve vodě a uvolnění vodíku na měděné desce, která se tím dostane do polarizovaného stavu (viz Galvanická polarizace a Galvanická vodivost), čímž se sníží proud pevnost. Proměnlivost tohoto polarizovaného stavu je doprovázena proměnlivostí síly proudu.

Z mnoha prvků s jednou kapalinou nazýváme mediální prvky(Smee) a Grene, v první - platina nebo platinované stříbro mezi dvěma zinkovými deskami, všechny ponořené ve zředěné kyselině sírové. Chemické působení je stejné jako u Wollastonova prvku a je polarizováno vodíkem v platině; ale proud je méně proměnlivý. Elektrická budicí síla je větší než u mědi-zinku.

Grenetův živel sestává ze zinkové desky umístěné mezi dvěma dlaždicemi vyřezanými z koksu; kapalina pro tento prvek se připravuje podle různých receptur, vždy však z dichromodraselné soli, kyseliny sírové a vody. Podle jednoho receptu je třeba na 2500 gramů vody vzít 340 gramů jmenované soli a 925 gramů kyseliny sírové. Elektrická budicí síla je větší než u Wollastonova prvku.

Při působení prvku Grenet vzniká jako v předchozích případech síran zinečnatý; ale vodík, spojující se s kyslíkem kyseliny chromové, tvoří vodu; v kapalině se tvoří chromový kamenec; polarizace je snížena, ale ne eliminována. Pro prvek Grenet je použita skleněná nádoba s rozšířenou spodní částí, jak je znázorněno na Obr. 7 tabulka "Galvanické články a baterie". Nalije se tolik tekutiny, že zinková deska Z, který je kratší než koks S, bylo to možné vytažením tyče k ní připojené T, odstranit z kapaliny na dobu, kdy má prvek zůstat neaktivní. Svorky V, V, spojený - jeden s ráfkem tyče T, a proto se zinkem a druhý s okrajem uhlí jsou přiřazeny ke koncům vodičů. Ani desky, ani jejich rámy nemají kovový kontakt; proud teče po spojovacích vodičích vnějšími předměty ve směru od koksu k zinku. Prvek uhlík-zinek lze použít s roztokem kuchyňské soli (ve Švýcarsku pro telegrafy, hovory) a poté platí 9-12 měsíců. bez péče.

Element Lalande a Chaperone, vylepšený Edisonem, sestává z desky ze zinku a další desky lisované z oxidu mědi. Kapalina je roztok žíravého draslíku. Chemickým působením je oxidace zinku, který pak tvoří sloučeninu s draslíkem; Oddělený vodík, oxidovaný kyslíkem oxidu zinečnatého, se stává součástí výsledné vody a měď se redukuje. Vnitřní odpor je nízký. Vzrušující síla není určena přesně, ale je menší než u Danielova elementu.

Prvky se dvěma kapalinami. Protože uvolňování vodíku na jednom z pevných těles vodíkových prvků je důvodem, který snižuje sílu proudu (ve skutečnosti elektricky buzený) a činí jej nestabilním, umístěte desku, na kterou se vodík uvolňuje, do kapaliny schopné darovat kyslík ke spojení s vodíkem by měl zajistit konstantní proud. Becquerel jako první zkonstruoval (1829) měděno-zinkový prvek se dvěma kapalinami pro jmenovaný účel, když ještě nebyly známy prvky Grenet a Lalande. Později Daniel(1836) navrhl podobný prvek, ale pohodlnější k použití. K oddělení kapalin jsou potřeba dvě nádoby: jedna skleněná nebo glazovaná hliněná nádoba, obsahující válcovou, hliněnou, mírně vypálenou, a tedy porézní nádobu, do které se nalije jedna z kapalin a vloží se jeden z kovů; do prstencového prostoru mezi oběma nádobami se nalévá další kapalina, do které je ponořena deska z jiného kovu. V prvku Daniel je zinek ponořen do slabé kyseliny sírové a měď je ponořena do vodného roztoku síranu měďnatého (modrého). Obr. 1 v tabulce znázorňuje 3 Danielovy prvky spojené do baterie;

válce ohýbané ze zinku jsou umístěny ve vnějších skleněných sklech, měděné pláty, také ve tvaru válce nebo ohýbané jako písmeno S, jsou umístěny ve vnitřních hliněných válcích. Můžete jej umístit opačně, tedy měď do vnějších nádob. Proud teče z mědi na zinek vnějšími vodiči a ze zinku na měď kapalinou v samotném článku nebo baterii a obě kapaliny se rozkládají současně: v nádobě s kyselinou sírovou vzniká síran zinečnatý a vodík jde na měděnou desku, současně se síran měďnatý (CuSO 4) rozkládá na měď (Cu), která se ukládá na měděné desce, a samostatně neexistující sloučeninu (SO 4), která chemickým procesem tvoří vodu s vodíkem dříve, než stihne které se uvolňují ve formě bublin na mědi. Porézní jíl, snadno smáčivý oběma kapalinami, umožňuje přenos chemických procesů z částice na částici oběma kapalinami z jednoho kovu na druhý. Po působení proudu, jehož trvání závisí na jeho síle (a to částečně na vnějších odporech), jakož i na množství kapalin obsažených v nádobách, se veškerý síran měďnatý spotřebovává, jak ukazuje změna barvy jeho řešení; pak začíná oddělování vodíkových bublin na mědi a zároveň polarizace tohoto kovu. Tento prvek se nazývá konstantní, což je však třeba chápat relativně: za prvé i u nasyceného vitriolu je slabá polarizace, ale hlavní je, že vnitřní odpor prvku nejprve klesá a pak se zvyšuje. Z tohoto druhého a hlavního důvodu je na začátku působení prvku zaznamenán postupný nárůst proudu, a to tím výraznější, čím méně je síla proudu zeslabována vnějšími nebo vnitřními odpory. Po půl hodině, hodině i déle (doba trvání se prodlužuje s množstvím kapaliny se zinkem) začne proud slábnout pomaleji, než se zvyšoval, a po několika dalších hodinách dosáhne své původní síly a postupně dále slábne. Pokud je zásoba této soli v nerozpuštěné formě umístěna do nádoby s roztokem síranu měďnatého, pak to pokračuje v existenci proudu, stejně jako nahrazení výsledného roztoku síranu zinečnatého čerstvou zředěnou kyselinou sírovou. U uzavřeného prvku však hladina kapaliny se zinkem postupně klesá a s mědí se zvyšuje - okolnost, která sama o sobě oslabuje proud (z tohoto důvodu zvýšení odporu) a navíc naznačuje přechod kapaliny z jednoho nádoba do jiné (přenos iontů, viz Galvanická vodivost, galvanická osmóza). Síran měďnatý prosakuje do nádoby se zinkem, ze kterého zinek uvolňuje měď čistě chemicky, čímž dochází k jejímu vysrážení částečně na zinku a částečně na stěnách hliněné nádoby. Z těchto důvodů dochází k velkému odpadu síranu zinku a mědi, který je pro proud nepoužitelný. Danielův element je však stále jedním z nejstálejších. Hliněné sklo, i když je smáčené kapalinou, představuje velký odpor vůči proudu; použitím pergamenu místo hlíny lze výrazně zvýšit proud snížením odporu (prvek Carré); pergamen lze nahradit zvířecí bublinou. Místo zředěné kyseliny sírové můžete na zinek použít roztok kuchyňské nebo mořské soli; excitační síla zůstává téměř stejná. Chemické účinky nebyly studovány.

Meidingerův prvek. Pro častý a spojitý a navíc dosti konstantní, ale slabý proud lze použít Meidingerův prvek (obr. 2 tabulky), který je modifikací Danielova prvku. Vnější sklo má nahoře nástavec, kde je na vnitřním břitu umístěn zinkový váleček; Na dno sklenice je umístěna další malá, ve které je umístěn válec svinutý z měděného plechu, nebo je na dno vnitřní nádoby umístěn měděný kruh, který je následně naplněn roztokem síranu měďnatého. Poté se navrch opatrně nalije roztok síranu hořečnatého, který vyplní celý volný prostor vnější nádoby a nevytlačí roztok vitriolu, protože má vyšší specifickou hmotnost. Nicméně difúzí kapalin se vitriol pomalu dostává k zinku, kde se vzdává své mědi. Pro udržení nasycení tohoto roztoku je uvnitř prvku umístěna převrácená skleněná baňka s kousky síranu měďnatého a vodou. Vodiče vycházejí z kovů; jejich části, které jsou v kapalině, mají gutaperčový obal. Absence hliněné nádoby v prvku umožňuje jeho dlouhodobé používání bez změny jeho částí; ale jeho vnitřní odpor je vysoký, musí se velmi opatrně přemisťovat z místa na místo a obsahuje mnoho síranu měďnatého, který je pro proud nepoužitelný; do baňky i malého prvku se umístí asi 1/2 kilogramu vitriolu. Je velmi vhodný pro telegrafy, elektrické hovory a další podobné případy a může stát měsíce. Prvky Callot a Trouvé-Callot podobné Meidingerovým prvkům, ale jednodušší než ty druhé. Kresten v Petrohradě zařídil i užitečnou úpravu Meidingerova prvku. Thomsonův prvek ve formě misky nebo tácu je upravená Danielova; porézní ploché membrány z pergamenového papíru oddělují jednu tekutinu od druhé, ale bez membrán se obejdete. Siemens prvek A Halske také patří do kategorie Daniel's. Prvek Minotto. Na dně skleněné nádoby je měděný kruh, na který jsou nality krystaly síranu měďnatého a nahoře je silná vrstva křemičitého písku, na kterém je umístěn zinkový kruh. Vše je naplněno vodou. Na telegrafních linkách vydrží 1 1/2 až 2 roky. Místo písku si můžete vzít prášek z živočišného uhlí (Darsonval). Trouvé prvek. Měděný kruh, na kterém je sloupec kruhů z průchozího papíru, napuštěného síranem měďnatým na spodní straně a síranem zinečnatým na horní straně. Malé množství vody smáčení papíru aktivuje prvek. Odpor je poměrně vysoký, akce dlouhá a konstantní.

hájový prvek, platina-zinek; platina je ponořena do silné kyseliny dusičné, zinek do slabé kyseliny sírové. Vodík uvolněný působením proudu je oxidován kyslíkem kyseliny dusičné (NHO 2), který se mění na anhydrid dusnatý (N 2 O 4), jehož uvolněné červenooranžové páry jsou škodlivé pro dýchání a kazí veškerou měď. části aparátu, které jsou proto raději z olova. Tyto prvky lze použít pouze v laboratořích, kde jsou digestoře, a v běžné místnosti by měly být umístěny v kamnech nebo krbu; mají vysokou budicí sílu a nízký vnitřní odpor - všechny podmínky pro vysokou proudovou sílu, která je tím konstantnější, čím větší je objem kapalin obsažených v prvku. Obr. 6 v tabulce ukazuje takový plochý prvek; mimo něj vpravo je ohnutý zinkový plech spojený s platinovým plechem prvku Z druhý prvek, v jehož záhybu je plochá hliněná nádoba PROTI pro platinu. Vlevo je platinový plech upnutý na zinkový prvek a patřící ke třetímu prvku. U této formy prvků je vnitřní odpor velmi malý, ale silný účinek proudu netrvá dlouho kvůli malému množství kapalin. Proud teče z platiny přes vnější vodiče do zinku, podle obecného pravidla uvedeného výše.

Bunsenův prvek(1843), uhlí-zinek, zcela nahrazuje předchozí a je levnější než on, protože drahá platina je nahrazena koksovými dlaždicemi. Kapaliny jsou stejné jako v prvku Grove, elektrická budicí síla a odpor jsou přibližně stejné; směr proudu je stejný. Podobný prvek je znázorněn na Obr. 3 stoly; uhelná dlaždice označená písmenem S, s kovovou svorkou se znaménkem +; toto je kladný pól nebo anoda prvku. Ze zinkového válce Z se svorkou (záporný pól nebo katoda) je deska s další svorkou, přiložená na uhlíkovou desku druhého prvku v případě baterie. Grove jako první nahradil platinu ve svém živlu uhlím, ale na jeho experimenty se zapomnělo. Darsonval element, uhlík-zinek; pro uhlí směs kyseliny dusičné a chlorovodíkové, každý 1 objem, se 2 objemy vody obsahující 1/20 kyseliny sírové. Prvek Fora.- Místo koksové tyčinky se používá láhev z grafitu a hlíny; Nalévá se tam kyselina dusičná. Tato zjevně vnější změna Bunsenova prvku činí použití kyseliny dusičné úplnější.

Sosnovský prvek.- Zinek v roztoku hydroxidu sodného nebo hydroxidu draselného; uhlí v kapalině skládající se z 1 dílu kyseliny dusičné, 1 dílu kyseliny sírové, 1 dílu kyseliny chlorovodíkové, 1 dílu vody. Vyznačuje se velmi vysokým elektrickým budicím výkonem.

Callanův prvek.- uhlík Bunsenových prvků je nahrazen železem; budicí síla zůstává stejná jako při použití uhlí. Železo není vystaveno kyselině dusičné, je v pasivním stavu. Místo železa lze užitečně použít litinu s určitým obsahem křemíku.

Poggendorffův prvek se liší od Bunsenova prvku nahrazením kyseliny dusičné kapalinou podobnou té, která se používá v prvku Grenet. Ke 12 hmotnostním dílům dichromanu draselného rozpuštěného ve 100 dílech vody se přidá 25 dílů silné kyseliny sírové. Budicí síla je stejná jako u Bunsenova prvku; ale vnitřní odpor je větší. Kyslíku v uvedené kapalině odevzdaného pro oxidaci vodíku je méně než v kyselině dusičné při stejném objemu. Absence zápachu při použití těchto prvků v kombinaci s dalšími výhodami způsobila, že použití bylo nejpohodlnější. Polarizace však nebyla zcela odstraněna. Imshenetsky element, uhlík-zinek. Grafitová (uhlíková) deska v roztoku kyseliny chromové, zinek v roztoku soli sulfidu sodného. Vysoký budicí výkon, nízký vnitřní odpor, téměř úplné využití zinku a velmi dobré využití kyseliny chromové.

prvek Leclanche, uhlík-zinek; místo oxidační kapaliny obsahuje prášek (velký) peroxidu manganu na uhelné desce smíchaný s koksovým práškem (obr. 5 tabulka) ve vnitřní hliněné nádobě propustné pro kapaliny; V jednom z rohů speciálně tvarované baňky je umístěna zinková tyčinka. Kapalina - vodný roztok čpavku - se nalévá zvenčí a proniká do hliněné nádoby na uhlí (koks), smáčí peroxid manganu; horní část nádoby je obvykle naplněna pryskyřicí; jsou ponechány otvory pro únik plynů. Budicí síla je mezi Danielovým a Bunsenovým prvkem průměrná, odpor je vysoký. Tento prvek, ponechán zavřený, dává proud rychle klesající síly, ale pro telegrafy a domácí použití vydrží po přidání kapaliny jeden až dva roky. Při rozkladu amoniaku (NH 4 Cl) se chlor uvolňuje na zinek, přičemž s uhlím vzniká chlorid zinečnatý a amoniak. Peroxid manganu, bohatý na kyslík, postupně přechází do sloučeniny s nižším oxidačním stupněm, ale ne ve všech částech hmoty vyplňující hliněnou nádobu. Pro úplnější využití peroxidu manganu a snížení vnitřního odporu jsou tyto prvky uspořádány bez hliněné nádoby a dlaždice jsou lisovány z peroxidu manganu a uhlí, mezi které je umístěn koks, jak je znázorněno na obr. 4 stoly. Tyto typy prvků mohou být uzavřené a snadno přenosné; sklo je nahrazeno rohovinou. Geff tento prvek také upravil a nahradil roztok amoniaku roztokem chloridu zinečnatého.

Element Marie-Devi, uhlí-zinek, obsahuje s uhlím těstovitou hmotu síranu rtuťnatého (Hg 2 SO 4), zvlhčeného vodou, umístěnou v porézní hliněné nádobě. Na zinek se nalije slabá kyselina sírová nebo dokonce voda, protože ta se již ze rtuťové soli uvolní působením proudu, ve kterém se oxiduje vodík a s uhlím se uvolňuje kovová rtuť, takže po nějaké době se prvkem se stává zinek-rtuť. Elektrická excitační síla se nemění při použití čisté rtuti místo uhlí; je o něco větší než u prvku Leclanche, vnitřní odpor je velký. Vhodné pro telegrafy a obecně pro přerušovaný proud. Tyto prvky se také používají pro lékařské účely a preferují se nabití oxidem síranu rtuťnatého (HgSO 4). Forma tohoto prvku, vhodná pro lékařské a jiné účely, je vysoký válec z rohovinové pryže, jehož horní polovina obsahuje zinek a uhlí a spodní polovina obsahuje vodu a síran rtuťnatý. Pokud je prvek otočen dnem vzhůru, působí, ale v první poloze negeneruje proud.

Prvek Warren Delarue- zinek-stříbro. Z válečku s roztaveným chloridem stříbrným (AgCl) vloženého do tuby pergamenového papíru vyčnívá úzký proužek stříbra; zinek má tvar tenké tyčinky. Oba kovy jsou umístěny ve skleněné trubici uzavřené parafínovou zátkou. Kapalina je roztok čpavku (23 dílů soli na 1 litr vody). Elektrická budicí síla je téměř stejná (trochu větší) jako u Danielova prvku. Stříbrný kov se ukládá z chloridu stříbrného na stříbrný proužek prvku a nedochází k žádné polarizaci. Baterie z nich vyrobené sloužily k pokusům o průchodu světla ve zředěných plynech (V, Warren Delarue). Geff dal těmto prvkům zařízení, které je usnadňuje přenášení; používá se pro lékařské indukční cívky a pro stejnosměrné proudy.

Prvky Duchaumin, Partz, Figier. První je zinek-uhlík; zinek ve slabém roztoku kuchyňské soli, uhlí - v roztoku chloridu železitého. Nestabilní a málo prozkoumané. Partz nahradil zinek železem; roztok kuchyňské soli má hustotu 1,15, roztok chloridu železitého má hustotu 1,26. Lepší než předchozí, i když elektrická budicí síla je menší. Figier používá jednu kapalinu v železo-uhelném prvku, získanou průchodem proudu chloru přes nasycený roztok síranu železnatého. Niodový prvek, uhlík-zinek. Zinek je tvarován jako válec obklopující porézní jílový válec obsahující koksovou desku pokrytou bělidlem. Prvek je utěsněn zátkou naplněnou voskem; otvorem v něm se nalije roztok kuchyňské soli (24 dílů na 100 dílů vody). Elektrická budicí síla je velká; při stálém, poněkud delším působení na vnější malý odpor brzy slábne, ale po hodině až dvou nečinnosti prvku dosáhne své předchozí hodnoty.

Suché prvky. Tímto názvem lze označit prvky, ve kterých není přítomnost kapaliny patrná, když je nasávána do porézních těles prvku; bylo by lepší jim zavolat mokré. Patří mezi ně výše popsaný měděno-zinkový prvek Trouvé a prvek Leclanche upravený Germainem. Ten využívá vlákno extrahované z kokosových ořechů; připravuje se z něj hmota, která silně absorbuje kapalinu a plyny, působí suchým dojmem a teprve pod tlakem nabývá vlhkého vzhledu. Snadno přenosný a vhodný pro cestování telegrafních a telefonních stanic. Plynové prvky (uhlík-zinek), které obsahují sádru, pravděpodobně napuštěnou chloridem zinečnatým nebo čpavkem (utajeno). Budicí síla je přibližně stejná jako u elementu Leclanche, nějakou dobu po začátku jeho působení; vnitřní odpor je menší než u Leclanche. V suché Leclanche-Barbierově cele je prostor mezi vnějším zinkovým válcem a vnitřním dutým válcem z aglomerátu, který obsahuje peroxid manganu, vyplněn sádrou, nasyceným roztokem neznámého složení. První, poměrně zdlouhavé testy těchto prvků pro ně byly příznivé. Prvek želatina-glycerin Kuzněcovová je tam měď-zinek; sestává z kartonové krabice napuštěné parafínem se dnem polepeným cínem uvnitř i vně. Na cín se nasype vrstva drceného síranu měďnatého, na který se nalije želatinovo-glycerinová hmota obsahující kyselinu sírovou. Když tato hmota ztuhne, nasype se vrstva drceného amalgamovaného zinku, opět naplněná stejnou hmotou. Tyto prvky tvoří baterii jako voltaický sloup. Určeno pro hovory, telegrafy a telefony. Obecně je počet různých suchých prvků velmi významný; ale ve většině, kvůli tajnému složení kapalin a aglomerátů, je soud o nich možný pouze praktický, ale ne vědecký.

Prvky s velkým povrchem a nízkým odporem. V případech, kdy je potřeba žhavit krátké, spíše tlusté dráty nebo dlahy, jako např. při některých chirurgických operacích (viz Galvanokaustika), se používají prvky s velkými kovovými plochami ponořenými do kapaliny, což snižuje vnitřní odpor a tím zvyšuje proud. Wollastonova metoda zdvojení povrchu je aplikována na složení povrchů z velkého počtu desek, jak je znázorněno na Obr. 2, kde y, y, y- desky ze stejného kovu jsou umístěny v mezerách mezi deskami ts, ts, ts, ts jiný kov.

Všechny desky jsou vzájemně rovnoběžné a nedotýkají se, ale všechny stejnojmenné jsou spojeny vnějšími vodiči v jeden celek. Celý tento systém je jednotný prvek ze dvou desek, z nichž každá má povrch šestinásobný, než je znázorněno, s tloušťkou vrstvy kapaliny mezi deskami, která se rovná vzdálenosti mezi každým dvěma deskami znázorněnými na obrázku. Již na počátku tohoto století (1822) byly sestrojeny přístroje s velkým kovovým povrchem. Patří mezi ně velký prvek Gare, zvaný deflagrátor. Dlouhé délky zinkového a měděného plechu, oddělené flanelovými nebo dřevěnými tyčinkami, se srolují do válce, ve kterém plechy nepřijdou do vzájemného kovového kontaktu. Tento válec je ponořen do vany s kapalinou a vytváří velmi vysoký proud, když působí na velmi malý vnější odpor. Plocha každého listu je asi 50 metrů čtverečních. stop (4 metry čtvereční). V dnešní době se obecně snaží snížit vnitřní odpor prvků, ale dávají jim zvláště velký povrch pro některé konkrétní aplikace, například v chirurgii pro odříznutí bolestivých výrůstků horkým drátem nebo destičkou, pro kauterizaci (viz Galvanokaustika ). Protože se vodiče s nízkým odporem zahřívají, lze proud získat přesně snížením vnitřního odporu. Proto je velké množství desek umístěno v galvanokaustických prvcích, uspořádaných podobně jako na Obr. 2 texty. Zařízení nepředstavuje žádné speciální funkce, ale je přizpůsobeno pro pohodlné používání; takové jsou například uhlíkovo-zinkové články nebo Chardin baterie s chromovou kapalinou, používané v Paříži, Lyonu, Montpellier a Bruselu. Operátoři by měli být upozorněni na nutnost použití měřiče proudu s velmi nízkým odporem (ampérmetr nebo ampérmetr), aby se zajistilo, že baterie je před provozem v dobrém stavu.

Normální prvky musí si zachovat svou elektricky budicí sílu nebo mít konstantní rozdíl potenciálů po co nejdelší dobu, když jsou otevřeny, aby sloužily jako normální měrná jednotka při vzájemném porovnávání elektricky budicích sil. Pro tento účel navrhl Rainier pár měď-zinek, ve kterém je povrch mědi ve srovnání se zinkem velmi velký. Kapalina je roztok 200 dílů suché kuchyňské soli v 1000 dílech vody. Za těchto podmínek je polarizace mědi velmi slabá, pokud je tento prvek zaveden do obvodu s vysokým odporem a na krátkou dobu. Normální prvek Latimer Clark sestává ze zinku v roztoku síranu zinečnatého, rtuti a soli sulfidu rtuťnatého (Hg 2 SO 4). Normální prvek Fleming, měď-zinek, s roztoky síranu měďnatého a síranu zinečnatého o určité, vždy konstantní hustotě. Normální prvek London Post and Telegraph Office, měď-zinek, s roztokem síranu zinečnatého a krystaly síranu měďnatého s mědí je velmi vhodný. Elektrickou budicí sílu Flemingova prvku viz štítek na konci článku.

sekundární prvky, nebo baterie, pocházejí ze sekundárních pilířů Rittera (viz Galvanismus), které zůstaly bez zvláštní pozornosti 50 let. Ritterův sloup sestávající z měděných desek ponořených do nějaké kapaliny se po působení voltaického sloupce na něj polarizoval a poté mohl sám generovat proud, jehož směr byl opačný než primárnímu proudu. V roce 1859 Plante zkonstruoval prvek sestávající ze dvou olověných plátů, stočených do spirály jako Gare deflagrátor, bez vzájemného kovového kontaktu a ponořený do slabé kyseliny sírové. Připojením jednoho olověného plátu k anodě (kladnému pólu) a druhého ke katodě baterie nejméně 2 Bunsenových nebo Poggendorffových článků zapojených do série, a tak procházejícím proudem tekoucím v kapalině z olova na olovo, což způsobí oddělení kyslíku na olověné desce, připojené k anodě, a vodíku na desce připojené ke katodě. Na anodové desce se vytvoří vrstva peroxidu olova, zatímco katodová deska je zcela zbavena oxidů. Vzhledem k heterogenitě desek tvoří páry s velkou elektrickou budicí silou, dávající proud v opačném směru než předchozí. Velká budicí síla vyvíjející se v sekundárním prvku a směřující opačně k budicí síle primární baterie je důvodem požadavku, aby primární baterie převyšovala první. Dva Poggendorffovy prvky zapojené do série mají budicí sílu asi 4 volty, ale prvek Plante jen asi 2 1/2. K nabití 3 nebo 4 paralelně zapojených Planteho článků (viz Galvanické baterie) by ve skutečnosti stačily předchozí 2 Poggendorffovy články, ale jejich působení by bylo velmi pomalé na oxidaci tak velkého povrchu olova; k současnému nabíjení například 12 paralelně zapojených prvků Plante tedy potřebujete působení 3-4 Bunsenových prvků s budicí silou 6-8 voltů po dobu několika hodin. Nabité Plante články zapojené do série vyvinou elektrickou budicí sílu 24 voltů a produkují například více žhavení než nabíjecí baterie, ale účinek sekundární baterie bude kratší. Množství elektřiny uváděné do pohybu sekundární baterií není větší než množství elektřiny, které jí prošlo z primární baterie, ale procházející vnějšími vodiči při větším rozdílu napětí nebo potenciálu je spotřebováno za kratší dobu.

Rostlinné buňky se po různých praktických vylepšeních nazývaly baterie. V roce 1880 přišel Faure s nápadem pokrýt olověné desky vrstvou červeného olova, tedy hotového oxidu olovnatého, který se působením primárního proudu dále oxidoval na jedné desce a deoxidoval na ostatní. Způsob uchycení červeného olova si ale vyžádal technická vylepšení, která v podstatě spočívala v použití olověné mřížky, ve které jsou prázdné články naplněny zkouškou červeného olova a litharge ve slabé kyselině sírové. Baterie Fitz-Gerald používá dlaždice z oxidu olovnatého bez jakékoli kovové základny; Obecně je bateriových systémů hodně a zde je obrázek pouze jednoho z nejlepších (obr. 8 tabulky). Olověná mřížka Hagen je složena ze dvou proti sobě otočených výstupků, které zabraňují vypadávání kousků oxidu olovnatého z rámu; speciálně vyobrazené řezy podél linií ab A CD Hlavní výkres vysvětluje strukturu tohoto rámu. Jeden rám je vyplněn červeným olovem, druhý litargem (nejnižší oxidační stav olova). Lichý počet, obvykle pět nebo sedm, talířů je spojeno stejným způsobem, jak je vysvětleno u čerta. 2; v prvním případě 3, ve druhém 4 jsou pokryty litargií. Z ruských techniků těžili z konstrukce baterií Jabločkov a Chotinskij. Tyto sekundární prvky, které představují jednu technickou nepříjemnost - velmi velkou hmotnost, našly různé technické aplikace, mimo jiné pro domácí elektrické osvětlení v případech, kdy k tomuto účelu nelze použít stejnosměrný proud dynam. Baterie nabité na jednom místě lze přenést na jiné. Nyní se nabíjejí nikoli primárními prvky, ale dynamy, v souladu s některými speciálními pravidly (viz Dynama, Elektrické osvětlení).

Složení galvanických baterií. Baterie je složena z prvků třemi způsoby: 1) sériové zapojení, 2) paralelní zapojení, 3) kombinované z obou předchozích. Na Obr. Tabulka 1 ukazuje sériové zapojení 3 Danielových prvků: zinek prvního páru, počítáno zprava, je spojen měděnou páskou s mědí druhého páru, zinek druhého páru s mědí třetího. Volný konec mědi prvního páru je anoda nebo kladný pól baterie; volný konec třetího páru je katoda nebo záporný pól baterie. Pro paralelní spojení těchto stejných prvků musí být všechny zinky navzájem spojeny kovovými páskami a všechny měděné plechy musí být spojeny páskami nebo dráty do jednoho celku odděleného od zinku; komplexní zinkový povrch bude katodou, komplexní měděný povrch bude anodou. Působení takové baterie je stejné jako působení jediného článku, který by měl povrch třikrát větší než jeden článek baterie. Konečně třetí způsob připojení může být aplikován na alespoň 4 prvky. Spojením dvou paralelně získáme dvě komplexní anody a stejné dvě katody; Spojením první komplexní anody s druhou komplexní katodou získáme baterii dvou prvků s dvojitým povrchem. Do prdele. 3 texty zobrazují dvě různé komplexní sloučeniny 8 prvků, každou reprezentovanou dvěma soustřednými kruhy oddělenými černými mezerami. Aniž bychom zacházeli do podrobností, poznamenáváme, že vzhledově se způsob složení těchto baterií liší od právě popsaných.

V (I) jsou 4 prvky zapojeny do série, ale na jednom konci jsou dva vnější zinky spojeny kovovým páskem KK, a na opačné straně jsou dvě vnější měděné desky spojeny deskou AA, což je anoda, zatímco QC - katoda komplexní baterie, ekvivalentní 4 prvkům s dvojnásobným povrchem zapojeným do série. Obrázek 3 (II) ukazuje baterii ekvivalentní dvěma prvkům čtyřnásobné plochy zapojených do série. Případy, kdy jsou potřeba baterie, složené určitým způsobem, jsou zcela objasněny Ohmovým vzorcem (galvanický proud), s výhradou pravidla z něj vyplývajícího, že pro dosažení nejlepšího účinku na kterýkoli vodič s daným počtem galvanických prvků, je nutné z nich poskládat baterii tak, aby uvnitř ní byl odpor roven odporu vnějšího vodiče, nebo se mu alespoň co nejvíce přibližoval. K tomu musíme ještě dodat, že při sériovém zapojení roste vnitřní odpor úměrně počtu zapojených párů a u paralelního naopak úměrně tomuto počtu odpor klesá. Proto se na telegrafních vedeních, které představují velkou odolnost vůči galvanickému proudu, baterie skládají z prvků zapojených do série; při chirurgických operacích (galvanokaustika) je potřeba baterie paralelně zapojených prvků. Zobrazeno v pekle. 3 (I) baterie představuje nejlepší kombinaci 8 článků pro působení na vnější odpor, který je dvojnásobkem vnitřního odporu jediného článku. Pokud by byl vnější odpor čtyřikrát menší než v prvním případě, pak by měla baterie vypadat jako pekelná. 3 (II). Vyplývá to z výpočtů pomocí Ohmova vzorce. [O prvcích a bateriích viz dílo Niodeta (v ruském překladu D. Golova - „Elektrické prvky“ 1891); méně podrobné: "Die galvanischen Batterien", Hauck, 1883. Články v časopise "Electricity", 1891 a 1892]

Porovnání galvanických článků mezi sebou. Poznámky k tomu byly částečně uvedeny v popisu prvků. Přednost galvanického článku se měří silou proudu, který vyvíjí, a dobou jeho působení, totiž součinem první veličiny druhou. Pokud vezmeme ampér jako jednotku proudu (viz Galvanický proud) a hodinu jako jednotku času, pak můžeme měřit výkon galvanického článku v ampérhodinách. Například baterie mohou v závislosti na své velikosti poskytnout 40 až 90 ampérhodin. Metody měření práce dodávané elektrickým proudem, ekvivalentní práci tzv. parního koně po dobu jedné hodiny, viz Práce, Energie elektrického proudu.

V prvních experimentech vědců byly do nádoby s kyselinou spuštěny dvě kovové desky: měď a zinek. Desky byly spojeny vodičem, načež se na měděné desce objevily bublinky plynu a zinková deska se začala rozpouštět. Bylo prokázáno, že vodičem prochází elektrický proud. Tento výzkum zahájil italský vědec Galvani, od kterého byly pojmenovány galvanické články.

Poté vědec Volta vyvinul válcovou formu tohoto prvku ve formě svislého sloupce, včetně sady prstenců z mědi, zinku a látky, vzájemně spojených a napuštěných kyselinou. Půl metru vysoký vertikální prvek vyvinutý Voltem produkoval napětí, které člověk cítil.

Galvanické články jsou zdroje elektrické energie, které produkují elektrický proud chemickou reakcí dvou kovů v elektrolytu. Chemická energie se v galvanických článcích přeměňuje na elektrický proud.

Typy a vlastnosti zařízení

Baterie se široce používají k napájení různých elektronických zařízení, nástrojů a digitálních zařízení a dělí se do tří hlavních typů:

1. Solný.
2. Alkalický.
3. Lithium.

Solné galvanické články

Takové baterie patří mezi mangan-zinkové baterie a jsou v současnosti nejpoužívanější.

Výhody solných baterií jsou:

• Přijatelné elektrické parametry pro mnoho aplikací.
• Snadné použití.
• Nízká cena díky nízkým výrobním nákladům.
• Jednoduchá výrobní technologie.
• Levné a dostupné suroviny.

Tento typ baterií je dlouhodobě nejoblíbenější díky poměru kvality a ceny. Výrobní závody však v posledních letech výrobu galvanických solných článků omezují a dokonce je odmítají vyrábět, protože výrobci elektronických zařízení zvyšují požadavky na napájecí zdroje.

Nevýhody solných baterií jsou:

• Krátká trvanlivost, ne více než 2 roky.
• Prudký pokles vlastností s klesající teplotou.
• Prudký pokles kapacity, když se provozní proud zvýší na provozní hodnoty moderních spotřebitelů.
• Rychlé snížení napětí během provozu.

Galvanické solné články mohou na konci vybíjení unikat, což je spojeno s únikem elektrolytu v důsledku zvětšení objemu kladné elektrody, která elektrolyt vytlačuje. Aktivní hmota kladné elektrody se skládá z oxidu manganičitého a elektrolytu. Saze a grafit přidané do aktivní směsi zvyšují elektrickou vodivost aktivní směsi. Jejich podíl se pohybuje od 8 do 20 % v závislosti na značce baterie. Pro zvýšení životnosti okysličovadla je aktivní směs nasycena elektrolytem.

Záporná elektroda je vyrobena z čištěného zinku, který je odolný vůči korozi. Obsahuje malý podíl kadmia nebo olova, které jsou inhibitory koroze. Dříve se chlorid amonný používal jako elektrolyt v bateriích. Podílí se na reakci tvorby proudu a vytváří propustnost iontů. Tento elektrolyt však nevykazoval dobré výsledky a byl nahrazen chloridem zinečnatým s nečistotami chloridu vápenatého. Prvky manganové kyseliny fungují déle a vykazují lepší výsledky při nižších teplotách.

U solných galvanických článků je záporným pólem zinkové těleso 7. Kladná elektroda 6 je vyrobena z aktivní lisované hmoty napuštěné elektrolytem. Uprostřed této hmoty je uhlíková tyč 5, ošetřená parafínem pro udržení vlhkosti v elektrolytu. Horní část tyče je kryta kovovým uzávěrem. Separátor 4 obsahuje hustý elektrolyt. Plyny vznikající při provozu na baterie vstupují do plynové komory 1. Horní část baterie je překryta těsněním 3. Celý galvanický článek je uzavřen v pouzdře 2 z lepenky nebo fólie.

Alkalické baterie

Alkalické baterie se objevily v polovině minulého století. Oxid manganičitý v nich působí jako oxidační činidlo a zinkový prášek jako redukční činidlo. To umožňuje zvětšit plochu. K ochraně proti korozi se dříve používala amalgamace. Ale po zákazu rtuti se používají čištěné zinkové prášky s přídavkem dalších kovů a inhibitorů koroze.

Účinnou látkou v anodě alkalické (alkalické) baterie je čištěný zinek v práškové formě s přídavkem hliníku, india nebo olova. Katodová aktivní směs zahrnuje oxid manganičitý, acetylenovou čerň nebo grafit. Elektrolyt alkalických baterií tvoří hydroxid sodný nebo hydroxid draselný s přídavkem oxidu zinečnatého.

Prášková anoda dokáže výrazně zvýšit využití aktivní směsi, na rozdíl od solných baterií. Alkalické baterie mají výrazně vyšší kapacitu než solné baterie při stejných celkových rozměrech. V chladném počasí si vedli dobře.

Zvláštností konstrukce alkalických prvků je zinkový prášek, proto je místo zinkového skla pro kladný výstup použito ocelové pouzdro. Aktivní směs kladné elektrody se nachází v blízkosti vnitřní stěny ocelového pouzdra. Alkalická baterie má schopnost pojmout aktivnější směs kladné elektrody, na rozdíl od solné baterie.

Do aktivní směsi je vložen celofánový separátor navlhčený elektrolytem. Středem baterie prochází mosazná záporná elektroda. Zbývající prostor mezi separátorem a záporným vedením proudu je vyplněn anodovou pastou ve formě práškového zinku napuštěného hustým elektrolytem. Typicky se jako elektrolyt používá alkálie nasycená speciálními sloučeninami zinku. To umožňuje zabránit spotřebě alkálií na začátku provozu prvku a snížit korozi. Hmotnost alkalických baterií je vyšší než u solných díky ocelovému pouzdru a vyšší hustotě aktivní směsi.

V mnoha základních parametrech jsou alkalické galvanické články lepší než články solné. Proto se v současnosti zvyšuje výroba alkalických baterií.

Lithiové baterie

Lithiové galvanické články se používají v různých moderních zařízeních. Jsou dostupné v různých velikostech a typech.

Existují lithiové baterie a ty, které se od sebe značně liší. Baterie obsahují na rozdíl od jiných typů článků pevný organický elektrolyt. Lithiové články se používají v místech, kde jsou vyžadovány střední a nízké vybíjecí proudy a stabilní provozní napětí. Lithiová baterie může být nabita několikrát, ale baterie k tomu nejsou určeny a používají se pouze jednou. Nesmí se otevírat ani dobíjet.

Základní požadavky na výrobu

• Spolehlivé utěsnění pouzdra. Únik elektrolytu a průnik jiných látek z vnějšího prostředí nesmí být povolen. Porušení těsnosti vede k jejich požáru, protože lithium je vysoce aktivní prvek. Galvanické články s porušeným těsněním nejsou vhodné k použití.
• Výroba musí probíhat v uzavřených prostorách s argonovou atmosférou a kontrolou vlhkosti.

Tvar lithiových baterií může být válcový, diskový nebo prizmatický. Rozměry se prakticky neliší od ostatních typů baterií.

Oblast použití

Lithiové galvanické články mají oproti jiným prvkům delší životnost. Rozsah je velmi široký:

• Vesmírný průmysl.
• Letecká výroba.
• Obranný průmysl.
• Dětské hračky.
• Lékařská technologie.
• Počítače.
• Fotoaparáty a videokamery.

Výhody

• Široký rozsah provozních teplot.
• Kompaktní velikost a hmotnost.
• Dlouhodobý provoz.
• Stabilní parametry v různých podmínkách.
• Velká kapacita.

Nedostatky

• Možnost náhlého požáru při nedodržení návodu k použití.
• Vysoká cena oproti jiným typům baterií.

Princip fungování

Působení galvanických článků je založeno na skutečnosti, že dva různé kovy v elektrolytickém médiu na sebe vzájemně působí, což vede ke vzniku elektrického proudu ve vnějším obvodu.

Takové chemické prvky se dnes nazývají baterie. Napětí baterie závisí na typech použitých kovů a počtu prvků v ní obsažených. Celé bateriové zařízení je umístěno v kovovém válci. Elektrody jsou kovové sítě potažené redukčním činidlem a oxidačním činidlem.

Baterie nemohou obnovit ztracené vlastnosti, protože přímo přeměňují chemickou energii oxidačního činidla a redukčního činidla na elektrickou energii. Během provozu baterie se chemická činidla postupně spotřebovávají a elektrický proud klesá.

Záporný pól baterie je vyroben ze zinku nebo lithia, ztrácí elektrony a je redukčním činidlem. Další kladný terminál hraje roli oxidačního činidla, je vyroben z oxidu hořečnatého nebo solí kovů. Složení elektrolytu za normálních podmínek neumožňuje průchod elektrického proudu. Když je elektrický obvod uzavřen, elektrolyt se začne rozpadat na ionty, což způsobuje vzhled jeho elektrické vodivosti. Elektrolyt se nejčastěji skládá z roztoku kyseliny nebo sodných a draselných solí.

Kyzyl, TSU

ABSTRAKTNÍ

Téma: "Galvanické články. Baterie."

Sestavil: Spiridonova V.A.

I ročník, IV gr., FMF

Zkontroloval: Kendivan O.D.

2001

I. Úvod

II. Galvanické zdroje proudu

1. Typy galvanických článků

III. Baterie

1. Kyselé

2. Alkalické

3. Utěsněný nikl-kadmium

4. Zapečetěno

5. Baterie technologie „DRYFIT“.

ZAVEDENÍ

Chemické zdroje proudu (CHS) po mnoho let

pevně vstoupil do našich životů. V každodenním životě spotřebitel jen zřídka věnuje pozornost

pozor na rozdíly mezi použitými HIT. Pro něj jsou to baterie a

baterie. Obvykle se používají v zařízeních jako např

baterky, hračky, rádia nebo auta.

V případě, kdy je spotřeba el

je velká (10Ah), používají se baterie, hlavně kyselé,

stejně jako nikl-železo a nikl-kadmium. Používají se v

přenosné počítače (laptopy, notebooky, palmtopy), nositelná zařízení

komunikace, nouzové osvětlení atd.

V posledních letech byly takové baterie široce používány

záložní zdroje pro počítače a elektromechanické

systémy, které ukládají energii pro případná špičková zatížení

a nouzové napájení životně důležitých systémů.

GALVANICKÉ PROUDOVÉ ZDROJE

Jednorázové zdroje galvanického proudu

jsou jednotným kontejnerem, ve kterém

obsahuje elektrolyt absorbovaný aktivním materiálem

separátor a elektrody (anoda a katoda), proto se nazývají

suché prvky. Tento termín se používá ve vztahu k

všechny články, které neobsahují tekutý elektrolyt. K obyčejným

Suché prvky zahrnují prvky uhlík-zinek.

Suché články se používají pro nízké proudy a přerušované

provozní režimy. Proto jsou takové prvky široce používány

telefony, hračky, poplašné systémy atd.

Působení jakéhokoli galvanického článku je založeno na výskytu redoxní reakce v něm. Ve své nejjednodušší formě se galvanický článek skládá ze dvou desek nebo tyčí vyrobených z různých kovů a ponořených do roztoku elektrolytu. Takový systém umožňuje prostorově oddělit redoxní reakci: na jednom kovu dochází k oxidaci a na druhém k ​​redukci. Elektrony jsou tedy přenášeny z redukčního činidla do oxidačního činidla prostřednictvím vnějšího okruhu.

Vezměme si jako příklad měď-zinkový galvanický článek, poháněný energií výše uvedené reakce mezi zinkem a síranem měďnatým. Tento článek (Jacobi-Danielův článek) se skládá z měděné desky ponořené do roztoku síranu měďnatého (měděná elektroda) a zinkové desky ponořené do roztoku síranu zinečnatého (zinková elektroda). Oba roztoky jsou ve vzájemném kontaktu, ale aby se zabránilo smíchání, jsou odděleny přepážkou z porézního materiálu.

Když je prvek v provozu, tzn. při uzavření řetězce dochází k oxidaci zinku: na povrchu jeho kontaktu s roztokem se atomy zinku mění na ionty a při hydrataci přecházejí do roztoku. Uvolněné elektrony se v tomto případě pohybují po vnějším obvodu k měděné elektrodě. Celý soubor těchto procesů je schematicky znázorněn rovnicí poloviční reakce nebo elektrochemickou rovnicí:

Na měděné elektrodě dochází k redukci iontů mědi. Elektrony přicházející sem ze zinkové elektrody se spojují s dehydratujícími měděnými ionty vycházejícími z roztoku; atomy mědi se tvoří a uvolňují jako kov. Odpovídající elektrochemická rovnice je:

Celková rovnice reakce probíhající v prvku se získá sečtením rovnic obou polovičních reakcí. Při provozu galvanického článku tedy přecházejí elektrony z redukčního činidla vnějším obvodem do oxidačního činidla, na elektrodách probíhají elektrochemické procesy a v roztoku je pozorován směrový pohyb iontů.

Elektroda, na které dochází k oxidaci, se nazývá anoda (zinek). Elektroda, na které dochází k redukci, se nazývá katoda (měď).

V zásadě každá redoxní reakce může produkovat elektrickou energii. Nicméně počet reakcí

prakticky používaný v chemických zdrojích elektrické energie je malý. Je to dáno tím, že ne každá redoxní reakce umožňuje vytvořit galvanický článek s technicky hodnotnými vlastnostmi. Navíc mnoho redoxních reakcí vyžaduje spotřebu drahých látek.

Na rozdíl od měděno-zinkového článku všechny moderní galvanické články a baterie nepoužívají dva, ale jeden elektrolyt; Použití takových zdrojů proudu je mnohem pohodlnější.

TYPY GALVANICKÝCH ČLÁNKŮ

Karbon-zinkové prvky

Prvky uhlí-zinek (mangan-zinek) jsou

nejběžnější suché prvky. V uhlí-zinek

prvky využívají pasivní (uhlíkový) kolektor proudu v

kontakt s anodou z oxidu manganičitého (MnO2), elektrolyt z

chlorid amonný a zinkovou katodu. Elektrolyt je uvnitř

tvoří pastu nebo impregnuje porézní membránu.

Takový elektrolyt není příliš mobilní a nešíří se, takže

prvky se nazývají suché.

Uhelně-zinkové prvky se „obnovují“ během

přestávka od práce. Tento jev je způsoben postupným

vyrovnání lokálních nehomogenit ve složení

elektrolyt vznikající během procesu vybíjení. V důsledku toho

periodickým "odpočinkem" se prodlužuje životnost prvku.

Výhodou uhlíkovo-zinkových prvků je jejich

relativně nízké náklady. K výrazným nevýhodám

by mělo zahrnovat výrazné snížení napětí během vybíjení,

nízký měrný výkon (5...10 W/kg) a krátká životnost

skladování

Nízké teploty snižují efektivitu použití

galvanické články a vnitřní ohřev baterie

zvyšuje. Zvýšení teploty způsobuje chemickou korozi zinkové elektrody vodou obsaženou v elektrolytu a vysychání elektrolytu. Tyto faktory mohou být poněkud kompenzovány udržováním baterie při zvýšených teplotách a zavedením solného roztoku do článku přes předem vyrobený otvor.

Alkalické prvky

Stejně jako uhlíkovo-zinkové články i alkalické články využívají MnO2 anodu a zinkovou katodu s odděleným elektrolytem.

Rozdíl mezi alkalickými prvky a prvky uhlík-zinek je

při použití alkalického elektrolytu, v důsledku čehož

Během vybíjení prakticky nedochází k žádnému vývoji plynu a může být

být zapečetěny, což je pro řadu z nich velmi důležité

aplikací.

Prvky rtuti

Prvky rtuti jsou velmi podobné alkalickým prvkům. V nich

Používá se oxid rtuťnatý (HgO). Katoda se skládá ze směsi prášku

zinek a rtuť. Anoda a katoda jsou odděleny separátorem a membránou,

namočené ve 40% alkalickém roztoku.

Vzhledem k tomu, že rtuť je vzácná a toxická, prvky rtuti nikoli

by měly být po úplném použití vyhozeny. Měli by

jít na recyklaci.

Stříbrné prvky

Mají „stříbrné“ katody vyrobené z Ag2O a AgO.

Lithiové články

Používají lithiové anody, organický elektrolyt

a katody vyrobené z různých materiálů. Mají velmi velké

skladovatelnost, vysoká energetická hustota a účinnost

v širokém teplotním rozsahu, protože neobsahují vodu.

Protože lithium má nejvyšší negativní potenciál

ve vztahu ke všem kovům, prvky lithia

vyznačující se nejvyšším jmenovitým napětím při

minimální rozměry.

Iontová vodivost je zajištěna zavedením do

Rozpouštědla solí s velkými anionty.

Mezi nevýhody lithiových článků patří jejich

relativně vysoká cena kvůli vysoké ceně

lithium, speciální požadavky na jejich výrobu (potřeba

inertní atmosféra, čištění nevodných rozpouštědel). Měl by

Také vzít v úvahu, že některé lithiové články, když oni

jsou při otevření výbušné.

Lithiové články jsou široce používány v záložních zdrojích pro paměťové obvody, měřicí přístroje a další high-tech systémy.

BATERIE

Baterie jsou chemické zdroje

znovu použitelnou elektrickou energii. Skládají se z

dvě elektrody (kladná a záporná), elektrolyt

a trupy. K akumulaci energie v baterii dochází, když

výskyt chemické oxidačně-redukční reakce

elektrody. Když je baterie vybitá, nastává opak

procesy. Napětí baterie je rozdíl potenciálů

mezi póly baterie při pevném zatížení.

Pro získání dostatečně velkých hodnot napětí resp

nabíjení, jednotlivé baterie jsou vzájemně propojeny

sériově nebo paralelně k bateriím. Existuje číslo

obecně přijímaná napětí pro baterie: 2; 4; 6;

Omezíme se na zvážení následujících baterií:

kyselinové baterie vyrobené podle tradičních

technologie;

stacionární vedení a pohon (automobilové a

traktor);

zapečetěné bezúdržbové baterie, zaplombované

nikl-kadmium a kyselina "dryfit" A400 a A500 (želé

elektrolyt).

KYSELNÉ BATERIE

Galvanický článek je zařízení schopné přeměnit Gibbsovu volnou energii redoxní reakce na elektrickou energii.

Prvek se skládá ze dvou elektrod (například zinku a mědi), ponořených do roztoků vlastních solí (nebo jiného elektrolytu) a spojených vodičem.

Solné roztoky jsou rovněž uváděny do elektrického kontaktu semipermeabilní membránou nebo elektrolytickým klíčem ve formě skleněné trubice naplněné nasyceným roztokem KCl.

V tomto případě protéká vodičem elektronový proud a na elektrodách v roztoku elektrolytu dochází k redoxním reakcím. Ve vnitřní části elektrického obvodu galvanického článku protéká iontový proud (roztoky solí a nasycený roztok KCl).

Například pro prvek Daniel-Jacobi:

– na anodě Zn 0 -2e=Zn 2+ – oxidace;

– na katodě Cu 2+ +2e=Cu 0 – redukce.

Zn 0 + Cu 2+ =Zn 2+ +Cu 0.

Schéma galvanického článku: .

Elektromotorická síla (EMF) galvanického článku (ε) je vyjádřena rozdílem elektrodových potenciálů katody a anody v ustáleném stavu:

ε = E K - E A .

Za standardních podmínek (když je kov ponořen do roztoku vlastního iontu s jednomolární koncentrací při teplotě T = 25°C) je elektrodový potenciál kovu roven jeho standardnímu elektrodovému potenciálu (Příloha 6).

Za podmínek odlišných od standardních závisí elektrodový potenciál kovu (E) na koncentraci jeho iontů v roztoku (při konstantní teplotě), což vyjadřuje Nernstova rovnice:

kde E 0 - standardní elektrodový potenciál, V; n je počet elektronů účastnících se procesu (iontový náboj); С m je molární koncentrace (aktivita) hydratovaných kovových iontů v roztoku, mol/kg H 2 O.

Příklad 1. Nakreslete schémata dvou galvanických článků, z nichž v jednom by byl kov katodou a ve druhém anodou. Napište rovnice pro reakce probíhající na elektrodách v galvanických článcích. Určete emf prvků při teplotě 298 K, je-li aktivita iontů obou kovů v prvním prvku 0,01 mol/kg H 2 O a ve druhém 1,0 mol/kg H 2 O.

Řešení. Kov – měď. Udělejme prvek, ve kterém je měděná elektroda katodou. Anodou může být jakýkoli kov, který má nižší elektrodový potenciál, například hořčík.

Schéma galvanického článku: (-) Mg/ Mg 2+ //Cu 2+ /Cu (+).

Reakce na anodě: Mg (pevná látka) -2e=Mg2+ (aq)

Reakce na katodě: Cu 2+ (aq) +2e=Cu (sol)

Současná reakční rovnice:

Mg (sol.) + Cu2+ (aq.) =Mg2+ (aq.) + Cu (sol.)

Hodnoty elektrodových potenciálů vypočítáme pomocí Nernstovy rovnice:

Udělejme prvek, ve kterém je měděná elektroda anodou. Katodou může být jakýkoli kov, který má vyšší elektrodový potenciál, například rtuť:

(-)Cu / Cu2+ //Hg2+ / Hg (+).

Zapišme si reakční rovnici:

Cu (pevná látka) -2e=Cu 2+ (aq) – na anodě;

Hg 2+ (aq.) +2e=Hg (l.) – na katodě.

Souhrnná rovnice:

Cu (sol.) + Hg2+ (aq.) = Cu2+ (aq.) + Hg (1.).

Protože aktivita kovových iontů v roztocích je rovna 1 mol/kg vody, jsou v tomto prvku obě potenciální hodnoty standardní:

Odpověď: ε=0,51 V.

Elektrolýza

Elektrolýza je proces oddělené oxidace a redukce na elektrodách ponořených do roztoku elektrolytu, prováděný tokem proudu z vnějšího zdroje emf. V tomto případě dochází k oxidaci na anodě a k redukci a uvolňování kovu na katodě. Při elektrolýze tavenin elektrolytů na katodě vždy dochází k redukci kationtů:

Ме n+ + ne= Ме 0

Na anodě – oxidace příslušných aniontů:

Аn m- - me - = Аn 0

Anodický proces je zpravidla doprovázen sekundárními chemickými reakcemi - rekombinací atomů na molekuly:

2Аn 0 = (Аn 0) 2

nebo rozpad neutrální komplexní částice na dvě látky, z nichž jedna je jednoduchá:

Například:

SO 4 2- - 2 e → → SO 2 + O 2

NO 3 - - e → → NO + O 2

Příklad 1 Napište rovnice pro procesy probíhající při elektrolýze roztaveného fluoridu hlinitého AlF 3 (materiál katody - hliník, materiál anody - grafit).

Řešení:

V tavenině se AlF 3 disociuje podle rovnice:

AlF 3 ↔Al 3+ +3F -

Vlivem elektrického pole se kationty Al 3+ pohybují směrem ke katodě a přijímají z ní elektrony:

Al 3+ + 3е - → Al 0 – redukční proces.

Anionty F - přesunout se na anodu a odevzdat elektrony:

F - - e - → F 0 – proces oxidace,

2 AlF 3 2 Al 0 + 3 F 2 0

V roztocích elektrolytů je elektrolýza komplikována možností účasti molekul rozpouštědla (například vody) v elektrodových procesech. Pokud systém, ve kterém se provádí elektrolýza, obsahuje různá oxidační činidla, pak bude nejaktivnější z nich redukováno na katodě, tj. oxidovaná forma elektrochemického systému, které odpovídá nejvyšší hodnota elektrodového potenciálu.

V závislosti na složení elektrolytu mohou na katodě (včetně paralelních) probíhat následující reakce:

1) redukce kationtů kovů:

Ме n+ + ne= Ме 0

2) obnova molekul vody:

2H20 + 2e →H2 + 2 OH -

K první reakci dochází výhradně v roztocích solí pouze těch kovů, které se nacházejí za vodíkem v napěťové řadě, to znamená, že mají vyšší elektrodový potenciál ve srovnání s vodíkem.

Druhá je pouze v roztocích nejaktivnějších kovů, umístěných na začátku napěťové řady, až po hliník. Jejich elektrodový potenciál je výrazně negativnější než potenciál vodíkové elektrody v neutrálním vodném prostředí (-0,41 V). U roztoků solí kovů, které mají elektrodový potenciál blízký -0,41 V a jsou uprostřed napěťové řady, probíhají obě katodové reakce.

V kyselých roztocích dochází na katodě k vodíkové reakci:

2H++ 2e ->H2

Je třeba poznamenat, že jako katodu lze použít jakýkoli vodivý materiál, kromě nejaktivnějších alkalických kovů a kovů alkalických zemin. Většina ostatních kovů, stejně jako grafit, je při katodickém nabíjení stabilní v jakémkoli elektrolytu.

Podobně, pokud je v systému několik redukčních činidel podstupujících elektrolýzu, nejaktivnější z nich bude oxidováno na anodě, tj. redukovaná forma toho elektrochemického systému, který se vyznačuje nejnižší hodnotou elektrodového potenciálu. Na anodě může probíhat několik oxidačních procesů:

1) rozpouštění materiálu anody (kromě platiny a grafitu):

Ме 0 - ne= Ме n+

2) oxidace aniontů solí nebo kyselin

Аn m- - me - = Аn 0

2Аn 0 = (Аn 0) 2

3) oxidace molekul vody:

2H20-4e-->02 + 4H+

Na nerozpustných anodách (platina, grafit a některé kovy, které na svém povrchu tvoří ochranný vodivý oxidový film, např. Pb v roztoku H 2 SO 4 tvoří PbO 2) reakce 2 a 3 soutěží o kyseliny bez kyslíku a jejich soli, výhodná je reakce 2, například:

2Cl - - 2e -> Cl2

V roztocích kyslíkatých kyselin a jejich solí a také fluoridů kovů dochází pouze k oxidační reakci molekul vody.

Ve vodných roztocích alkálií dochází k hydroxylové reakci na nerozpustných anodách:

4OH--4e = 2H20 + 02

Příklad 2 Napište rovnice pro procesy probíhající při elektrolýze roztoku chloridu měďnatého (anoda - hrubá měděná deska).

Řešení. Pokud je anoda vyrobena z kovu, který lze oxidovat za podmínek elektrolýzy, jako v tomto případě, ionty z roztoku na anodě se oxidují na anodě (hrubá měděná deska) s přechodem iontů mědi do roztoku: Cu 0 -2e = Cu 2+ a na katodě se z roztoku uvolňuje čistá měď: Cu 2+ + 2e= Cu 0 . Zpravidla se v tomto případě nepíše celková rovnice elektrolýzy.

Příklad 3 Napište rovnice pro procesy probíhající při elektrolýze vodného roztoku síranu sodného (platinová anoda).

Řešení. Standardní potenciál elektrodového systému

Na + + e - → Na 0 (-2,71 V)

výrazně negativnější než potenciál vodíkové elektrody v neutrálním vodném prostředí (-0,41 V). Na katodě tedy dojde k elektrochemické redukci vody, doprovázené uvolňováním vodíku:

2H20 + 2 e →H2 + 2 OH -

a ionty Na + přicházející na katodu se budou hromadit v části roztoku, která k ní přiléhá (katodový prostor)

Na anodě dojde k elektrochemické oxidaci vody doprovázené uvolňováním kyslíku

2H20-4e-->02 + 4H+

protože standardní elektrodový potenciál odpovídající tomuto systému (1,23 V) je výrazně nižší než standardní elektrodový potenciál (2,01 V) charakterizující systém

2SO 4 2- → S 2 O 8 2- + 2 e -

Ionty SO 4 2- pohybující se během elektrolýzy směrem k anodě se budou hromadit v anodovém prostoru.

Vynásobením rovnice katodického procesu dvěma a jejím přičtením k rovnici anodického procesu získáme celkovou rovnici procesu:

6H20 -> 2H2 + 4OH- + 02 + 4 H+

Vezmeme-li v úvahu, že ionty Na + se hromadí současně v katodovém prostoru a ionty SO 4 2- v anodovém prostoru, lze celkovou rovnici procesu zapsat v následujícím tvaru:

6H 2 0 + 2 Na 2 SO 4 → 2H 2 + 4 Na + + 4OH - + O 2 + 4 H + + 2SO 4 2-

Galvanický článek je chemický zdroj elektrického proudu, ve kterém dochází k přímé přeměně chemické energie na energii elektrickou. Proto je. Vzhled nejběžnějších baterií je znázorněn na obrázku 1.

Obrázek 1. Vzhled prstových galvanických článků

Existují solné (suché), alkalické a lithiové články. Galvanické články se často nazývají baterie, ale tento název je nesprávný, protože... Baterie je spojení několika stejných zařízení. Například spojením tří galvanických článků do série vznikne široce používaná 4,5V baterie.

Princip činnosti galvanického článku je založen na interakci dvou kovů prostřednictvím elektrolytu, což vede ke vzniku elektrického proudu v uzavřeném okruhu. Napětí závisí na použitých kovech. Některé z těchto zdrojů chemického proudu jsou uvedeny v tabulce 1.

Typ zdrojů proudu	Katoda	Elektrolyt	Anoda	Napětí, V
Mangan-zinek	MnO2	KOH	Zn	1,56
Mangan-cín	MnO2	KOH	Sn	1,65
Mangan-hořčík	MnO2	MgBr 2	Mg	2,00
Olovo-zinek	PbO2	H2SO4	Zn	2,55
Olovo-kadmium	PbO2	H2SO4	CD	2,42
Olovo-chlór	PbO2	HC104	Pb	1,92
Rtuť-zinek	HgO	KOH	Zn	1,36
Rtuť-kadmium	HgO2	KOH	CD	1,92
Rtuť-oxid cínu	HgO2	KOH	Sn	1,30
Chrom-zinek	K2Cr2O7	H2SO4	Zn	1,8-1,9

Hlavní produkty v prodeji jsou mangan-zinkové prvky, které se nazývají solné prvky. Výrobci baterií většinou neuvádějí jejich chemické složení. Jedná se o nejlevnější voltaické články a lze je použít pouze v zařízeních s nízkou spotřebou, jako jsou hodinky, elektronické teploměry nebo dálkové ovladače. Obrázek 2 ukazuje vzhled a vnitřní strukturu solné baterie.

Obrázek 2. Vzhled a struktura „suchého“ galvanického článku

Alkalické manganové baterie jsou stejně běžnou baterií. V prodeji se nazývají alkalické, aniž by se obtěžovaly přeložit název do ruštiny. Vnitřní struktura alkalického voltaického článku je znázorněna na obrázku 2.

Obrázek 3. Vnitřní části a struktura alkalického voltaického článku

Tyto chemické zdroje proudu mají větší kapacitu (2...3 A/h) a mohou poskytovat větší proud po dlouhou dobu. Vyšší proud je možný, protože... zinek se nepoužívá ve formě skla, ale ve formě prášku, který má větší plochu kontaktu s elektrolytem. Hydroxid draselný se používá jako elektrolyt. Právě díky schopnosti tohoto typu galvanických článků dodávat dlouhodobě významný proud (až 1 A) je dnes nejčastější.

Dalším poměrně běžným typem galvanických článků jsou lithiové baterie. Díky použití alkalického kovu mají vysoký potenciálový rozdíl. Napětí lithiových článků je 3 V. Na trhu jsou však dostupné i lithiové baterie 1,5 V. Tyto baterie mají nejvyšší kapacitu na jednotku hmotnosti a dlouhou životnost. Používají se především k napájení hodin na základních deskách počítačů a fotografických zařízení. Nevýhodou je vysoká cena. Vzhled lithiových baterií je znázorněn na obrázku 4.

Obrázek 4. Vzhled lithiových baterií

Je třeba poznamenat, že téměř všechny galvanické články lze dobíjet ze síťového zdroje. Výjimkou je lithiové baterie, které mohou při pokusu o dobití explodovat.

Baterie byly standardizovány pro použití v různých zařízeních. Nejběžnější typy pouzder galvanických článků jsou uvedeny v tabulce 2.

V současné době jsou k dispozici připravené přihrádky na baterie pro montáž baterií uvnitř krytu radioelektronických zařízení. Jejich použití může výrazně zjednodušit vývoj pouzdra radioelektronického zařízení a snížit náklady na jeho výrobu. Vzhled některých z nich je znázorněn na obrázku 5.

Obrázek 5. Vzhled přihrádek pro upevnění galvanických baterií

První otázka, která znepokojuje kupující baterie, je jejich provozní doba. Záleží na technologii výroby galvanického článku. Graf typické závislosti výstupního napětí na technologii výroby baterie je na obrázku 5.

Obrázek 6. Graf doby provozu baterie v závislosti na technologii výroby při vybíjecím proudu 1A

Výsledky testů baterií od různých společností provedených na webu http://www.batteryshowdown.com/ jsou uvedeny na obrázku 7.

Obrázek 7. Graf provozní doby baterií různých firem při vybíjecím proudu 1A

A na závěr si udělejme závěry, kde jaký typ baterií má smysl používat, jelikož při nákupu baterií se vždy snažíme o maximální užitečný efekt s minimálními náklady.

1. Baterie byste neměli kupovat v kioscích nebo na trhu. Většinou tam leží dlouho a proto samovybíjením prakticky ztrácejí kapacitu. To může být pro zařízení dokonce nebezpečné, protože... Při použití levných galvanických článků (baterií) z nich může unikat elektrolyt. To povede k poruše zařízení! Je lepší nakupovat v obchodech s dobrou obrátkou zboží.
2. Alkalické (alkalické) baterie by se měly používat v zařízeních, která spotřebovávají poměrně vysoký proud, jako jsou baterky, přehrávače nebo fotoaparáty. V zařízeních s nízkou spotřebou se jejich životnost neliší od solných baterií.
3. Sůl („obyčejné“, uhlíkovo-zinkové galvanické články) budou perfektně fungovat v hodinkách, IR dálkových ovladačích a dalších zařízeních určených k provozu na jednu sadu baterií po dobu jednoho roku nebo déle. Nemohou však pracovat v mrazu.
4. Cenově nejvýhodnější baterie jsou dnes AA baterie AA. Dražší jsou jak malé (AAA), tak velké (R20), se stejnou kapacitou. Kapacita moderních baterií R20 je téměř stejná jako kapacita baterií AA a je třikrát větší!
5. Nevšímejte si oblíbených značek. Galvanické články od Duracell a Energizer jsou jeden a půl až dvakrát dražší než baterie od jiných společností a zároveň fungují přibližně stejně