Глава VI. Химические и тепловые генераторы тока

§ 74. Введение. Открытие Вольты. В гл. III мы показали, что непрерывный электрический ток может поддерживать­ся в цепи проводников с сопротивлением только при усло­вии, что в цепи действует какой-либо генератор, являющий­ся источником э. д. с. При прохождении тока в цепи непре­рывно выделяется энергия, например в виде тепла, нагре­вающего провода; энергия эта доставляется генератором в результате тех или иных происходящих в нем процессов, которые могут быть весьма разнообразны; в соответствии с этим весьма разнообразными могут быть и генераторы э. Д. с. В § 39 мы использовали в качестве генератора элек­трическую машину, работающую за счет энергии вращаю­щего ее двигателя (например, мускульной энергии). Мы уже указывали, что количества электричества, разделяемые такой машиной за одну секунду, весьма незначительны, и поэтому такая машина не может обеспечить поддержание тока сколько-нибудь значительной силы.

Первым генератором э. д. с., открывшим возможность широкого изучения и практического использования элект­рического тока, явился гальванический элемент, в котором энергия, выделяемая в цепи тока, получается за счет энер­гии, освобождающейся при химических реакциях, сопро­вождающих работу элемента.

Такой химический генератор впервые построил итальян­ский физик Алессандро Вольта (1745—1827). Вольта уста­новил, что разделение электрических зарядов (возникно­вение э. д. с.) происходит при сойрикосновении различных проводников, в результате чего на границе соприкоснове­ния на одном из металлов скапливаются отрицательные за­ряды (избыток электронов), а на другом — положительные (недостаток электронов).

Гальванический элемент получил свое название по имени итальян­ского врача и анатома Луиджи Гальвани (1737—1798), опыты которого

6. Элементарный учебник физики, с. 11 161

дали толчок к исследованиям Вольты. Гальвани обнаружил, что свёже- препарированная лягушечья лапка, подвешенная на медном крючке к железной перекладине, сокращалась всякий раз, когда она касалась железа (рис. 113). Так как в эти времена уже было известно, что пре­парированная лапка лягушки сокращается при пропускании через нее

Рис. 113. Один из опытов Галь­вани. Поясничные нервы лягуш­ки соединены с латунным крюч­ком 1, который висит на желез­ном стержне 2, Если мускулы лапок лягушки соединить со стержнем 2 посредством желез­ной палочки 3, то. они резко сокращаются

электрического разряда (например* разряда лейденской банки), то Гальвани правильно приписал на­блюдавшееся им явление действию разряда, но он ошибочно полагал, что электрические заряды выраба­тываются -вследствие каких-то жиз­ненных процессов в лапке лягуш­ки. Вольта, поставив физические опыты, установил, что явление свя­зано с наличием двух различных ме­таллов (медь крючка и железо пере­кладины), соприкасающихся с элек­тролитами (жидкостью в лягушечь­ей лапке и слоем влаги, покрываю­щей в обычных условиях все метал­лические предметы), и что лягу­шечья лапка играла лишь роль чувствительного прибора, обнару­живающего наличие тока.

§ 75. Правило Вольты. Галь­ванический элемент. Явление, установленное Гальвани и Вольтой,— разделение заря­дов, т. е. возникновениеэ. 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 скру-. чивания мы спаяем два проводника, т. е. введем слой тре­

тьего 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: а и b — 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.

+

Си

Zn

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

. Элемент Вольты содержит все необходимые для любого

Раствор H₂S0₄

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

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.

Часто употребляется элемент Даниеля, положитель­ным электродом которого является медь, погруженная в медный купорос, а отрицательным — цинк, погруженный в цинковый купорос или серную кислоту. В обычной конст­

рукции (рис. 117) электроды помещаются в стеклянный сосуд 1, цинковый электрод 4 окружен раствором ZnS0₄, а медный .электрод 2 окружен раствором CuS0₄. Чтобы предохранить растворы от быстрого смешивания, они раз­делены пористой перегородкой 3 из необожженной глины. Такое устройство, объясненное ниже (§ 78), обеспечивает длительное равномерное действие элемента Даниеля в Ьт- личие от элемента Вольты; э. д. с. элемента Даниеля рав­на 1,09 В.

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 точными 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 ». д. с. в элементе.