§ 76. Как возникают э. Д. С. И ток в гальваническом элементе? Легко заметить, что один из электродов гальванического

элемента (обычно цинковый) постепенно изнашивается (растворяется), если элемент дает в течение длительного времени электрический ток. Поэтому можно предполагать, что возникновение э. д. с. гальванического элемента стоит

в связи с процессом растворения металла. Действительно, иссле­дование обнаруживает, что при погружении металла в разведен­ную кислоту начинается процесс его растворения. При этом, одна­ко, в раствор переходят не ней­тральные атомы металла, а его положительные ионы, избыточ­ные же электроны остаются в ме- Рис. 118. Возникновение талле и заряжают его отрица- э. д. с. между цинком и раст- _тельно (рис. 118) вором сёрной кислоты гл ''

^{v v} Однако этот процесс раство­

рения очень скоро приостанав­ливается, ибо по мере увеличения концентрации ионов в растворе начинает все большую роль играть обратный процесс: ионы, окружающие электрод, в своем тепловом движении налетают на электрод и выделяются на нем, нейт­рализуясь избыточными электронами, остающимися в ме­талле. Вскоре устанавливается равновесие: число ионов, переходящих в раствор за некоторое время, становится равным числу ионов, осаждающихся из раствора за то же время. Этому равновесному состоянию соответствует опре­деленная разность потенциалов между металлом и раство­ром, характерная для природы металла и растворителя. Возникающая разность потенциалов, конечно, не зависит от размеров погруженной части металла, ибо указанное равновесие устанавливается у каждого участка поверхности, соприкасающегося с раствором.

Заметим, что при соприкосновении с электролитами большинство металлов заряжается отрицательно. В эле­менте Вольты, например, и медь и цинк переходят в раствор в виде положительных ионов и оба электрода заряжаются отрицательно. Но избыток отрицательного заряда и соот­ветственно разность потенциалов между кислотой и медью меньше, чем между кислотой и цинком. Поэтому для того чтобы использовать образовавшуюся разность потенциалов между металлом й растворителем, мы должны погрузить в растворитель еще один электрод из другого материала.

Действительно, если в серную кислоту погрузить два цинковых электрода, то потенциал каждого из них будет

на одну и ту же величину ниже потенциала раствора, а сле­довательно, между обоими цинковыми электродами раз­ность потенциалов окажется равной нулю и прибор не бу­дет действовать в качестве гальванического элемента. Но если второй электрод сделан из другого материала, то раз­ность потенциалов между ним и раствором будет иной, чем для первого из электродов. Следовательно, между двумя различными электродами обнаруживается разность потен­циалов, зависящая как от природы растворителя, так и от природы обоих электродов.

Рис. 119. Схематическое изоб­ражение движения зарядов в замкнутом гальваническом элементе Даниеля

Например, в случае элемента Вольты (цинк — серная кислота — медь) разность потенциалов между кислотой и цинком, так же как и между кислотой и медью, отрица­тельна. Иными словами, если мы будем отсчитывать все разности потенциалов от уровня кислоты, потенциал кото­рой мы примем за нуль, то потенциал меди будет равен —U_u а потенциал цинка —U_t, причем по модулю —U_г боль­ше —Ui на 1,1 В. Таким образом, между медью и цинком окажется разность потенциалов (—U_t)—(—f/₂) = £/₂—U_x= = 1,1 В. Под действием этой разности потенциалов элект­роны будут переходить по проволоке с цинковой пластины, где их избыток больше, на мед­ную, где их избыток меньше.

(Условное направление тока, ко­нечно, обратное: от Си(+) к Zn(—).) Мы видим теперь, поче­му э. д. с. элемента не зависит от площади электродов: она пред­ставляет собой разность напря­жений, возникающих на грани­цах между электролитом и элек­тродами, а каждое из этих нап­ряжений зависит только от при­роды электродов и от характера взаимодействия между ними и электролитом.

Рассмотрим теперь на при­мере элемента Даниеля, как происходит движение зарядов в цепи замкнутого гальвани­ческого элемента и каким образом поддерживается это дви­жение зарядов, т. е. электрический ток. Для ясности эле­мент Даниеля изображен на рис. 119 в Схематическом виде (два сосуда, изображенные на рис. 117, заменены двумя ка­мерами, левой и правой, разделенными пористой перего­родкой). В правой камере находится цинковый электрод в

растворе цинковой соли (ZnS0₄), а в левой — медный элект­род в растворе медной соли (CuS0₄). Когда элемент разомк­нут, между каждым электродом и окружающим его электро­литом устанавливается такая разность потенциалов, при которой имеет место равновесие, т. е. одно и то же число ионов переходит за единицу времени из электролита на электрод и обратно. Металлы не растворяются и не оседают; концентрация растворов не меняется.

Посмотрим теперь, что произойдет, когда мы соединим электроды металлической проволокой, как показано на рис. 119. Так как между медным и цинковым электродами существует, как мы видели, некоторая разность потенциа­лов, то во внешней цепи электроны начнут уходить от элект­рода с более низким потенциалом (цинкового) к электроду о более высоким потенциалом (медному). При этом равнове­сие между электродом и окружающим его электролитом в обеих камерах нарушается. В правой камере цинк ста­новится недостаточно отрицательным (часть электронов с не­го ушла); в левой камере медь становится слишком отрица­тельной (сюда пришли лишние электроны). Вследствие это­го в правой камере цинк начнет растворяться; в раствор будут переходить дополнительные ионы Zn²⁺, а на цинке будут оставаться электроны, восстанавливающие его за­ряд. В левой камере, наоборот, ионы Си^а+ будут нейтрали­зоваться на электроде избыточными электронами и осаждать­ся на нем в виде нейтральных атомов. Таким образом, в результате растворения цинка и осаждения меди разность потенциалов между этими электродами будет все время сохранять постоянное значение, и в цепи будет идти дли­тельный ток постоянной силы.

Мы видим, что в описанном процессе в правой камере должны были бы накапливаться избыточные ионы Zn?⁺, а в левой — избыточные ионы SOI^-. Но эти противоположно заряженные частицы притягивают друг друга, и так как перегородка между камерами нористая, то ионы S0|~ про­сачиваются через нее из левой камеры в правую, и концент­рация ZpS0₄ в правой камере возрастает. В левой камере, наоборот, вследствие ухода ионов Си²⁺ к меди и ионов S0₄“ в правую камеру концентрация CuS0₄ в растворе убывает. Понятно, что если бы элемент работал в этих условиях до­статочно долго, то концентрация ZnSO„ в правой камере достигла бы насыщения и из раствора начали бы выпадать кристаллы ZnS0₄, а в левой камере концентрация CuS0₄ стала бы настолько малой, что э. д. с. элемента упала бы до нуля, и элемент не мог бы дальше работать. Поэтому, чтобы

обеспечить длительную работу элемента, вводят в раствор, запас кристаллов CuS0₄, которые постепенно растворяются и поддерживают раствор в состоянии насыщения. В со­суде (рис. 119) избыточные кристаллы CuS0₄ и ZnS0₄ ле­жат просто на дне (не изображены).

Мы видим, таким образом, что, в то время как во внеш­ней цепи гальванического элемента (в проводах) движутся электроны от места с более низким потенциалом к месту с более высоким, т. е. от цинкового электрода к медному, в электролите движутся ионы: отрицательные (анионы S0₄~) от меди к цинку и положительные (катионы Си²⁺ и Zn²⁺) от цинка к меди. Таким образом поддерживается не­прерывный круговорот зарядов как вне элемента по про­водам, составляющим внешнюю цепь, так и внутри элемен­та, через электролит. Направление движения электронов и катионов в случае элемента Даниеля показано на рис. 119 схематически маленькими стрелками. Согласно условному обозначению направления тока (§ 41), все эти потоки заря­дов образуют общий ток, циркулирующий по цепи в на­правлении от меди к цинку.

Так же в основном происходит процесс возникновения

э. д. с. и тока и в других гальванических элементах, хотя часто этот основной процесс осложняется вторичными ре­акциями, происходящими на электродах.

Источником энергии электрического тока является энергия, вы­деляющаяся при химических реакциях между электродами и электроли­тами, связанных с прохождением тока. В элементе Даниеля, как мы видели, таких реакций две: растворение цинка и превращение его в ZnS0₄, с одной стороны, и выделение меди из раствора CuS0₄, с другой стороны. Первая из этих реакций идет с выделением энергии. Если ее провести в калориметре, то можно определить, что при растворении од­ного моля цинка выделяется количество теплоты, равное 4,4-Ю⁶ Дж. Напротив, реакция выделения меди — это реакция, требующая прито­ка энергии извне. На выделение одного моля меди нужно затратить энергию 2,34-I0⁶ Дж. Разность энергии, освобождающейся при раство­рении цинка, и энергии, поглощаемой при выделении меди, равна (4,4— —2,34) • 10⁵ Дж=2,06-10⁶ Дж. Это и есть тот запас энергии, который мо­жет дать элемент при растворении одного моля цинка и соответственно выделении одного моля меди.

Отсюда нетрудно рассчитать теоретически, какова должна быть 9. д. с. элемента Даниеля. Положим, что ток, отбираемый от элемента, настолько мал, что напряжение U между егс зажимами практически равно его э. д. с. Мы знаем (§ 57), что работа А, совершаемая током, равна заряду q, протекшему в цепи, умноженному на напряжение V. Но при выделении на электроде одного моля двухвалентной меди через цепь протекает заряд 9=2-96 484 Кл. Стало быть, работа, совершаемая, током, равна 2*96 484 -U [Дж] я 1,93-10⁵ U [Дж].Эта работа, очевидно, Должна быть равна энергий, освобождающейся в результате химических

реакций, происходящих в элементе. Таким образом,

1,93- 10^sU [Дж] =2,06-105 Дж,

откуда

U — 1,07 В.

Полученное нами значение очень близко к истинному (1,09 В).

Очевидно, что растворение электрода (цинка) происхо­дит только тогда, когда от гальванического элемента берут ток; в неработающем (разомкнутом) элементе электрод не .

Zn Си

			ф,
		т	1 S,

Рис. 120. Возникновение па­разитных токов в гальвани­ческом элементе

должен растворяться. Практи­чески, однако, такое растворе­ние имеет место. Причина лежит в том, что цинк обычно содер­жит некоторые включения дру­гих металлов, которые сопри­касаются с растворителем и иг­рают роль второго электрода. Таким образом, загрязненный цинк, опущенный в кислоту, представляет сам по себе галь­ванический элемент и притом ко­ротко замкнутый и, следователь­но, работающий. Благодаря этим «паразитным» токам (рис. 120) может происходить растворе­ние цинкового электрода, когда основной гальванический элемент разомкнут и не рабо­тает. Чтобы избежать этого, надо применять очень чистые металлы, как, например, в «нормальных» гальванических элементах, или делать цинковый электрод подъемным.

' ^ 76.1. Сколько цинка растворится под действием тока в эле-

• менте Даниеля, если он посылает ток силы 0,5 А в течение 5 мин? Электрохимический эквивалент цинка равен 0,3388 • 10 ^{— а} кг/Кл.

§ 77. Поляризация электродов. При замыкании элемента Вольты на внешнюю цепь, содержащую амперметр, легко заметить, что показания амперметра не остаются постоян­ными, а непрерывно делаются все меньше и меньше. Через несколько минут после замыкания сила тока падает в не­сколько раз. Таким образом, элемент Вольты оказывается непригодным для получения постоянного тока. В чем же заключается причина уменьшения тока?

Ответ на этот вопрос мы находим в следующем опыте. Опустим в подкисленную воду два одинаковых электрода, например платиновых или угольных (рис. 121, а), и при-

соединим их к .амперметру. Амперметр не покажет никако­го тока, что и неудивительно, так как мы уже знаем, что между двумя одинаковыми электродами (уголь — уголь) даже в растворе электролита не возникает разности потенциа­лов. Отсоединим теперь эти угольные электроды от ампер­метра и подключим их к гальваническому элементу или ка­кому-нибудь иному генератору тока. Сразу же начнется

Рис. 121. а) В подкисленную воду опущены два одинаковых элект­рода, тока в цепи нет. 6) После того как в цепи был пропущен т8к, между электродами возникает э. д. с. поляризации

электролиз серной кислоты, и на одном из электродов бу­дет выделяться водород, а на другом — кислород, получаю­щийся при вторичной реакции между выделяющимися груп­пами S0₄ и водой:

2S0₄ + 2Н₂0 = 2H_aS0₄ + О_а.

Если отключить электроды от элемента, то они остаются по­крытыми пузырьками соответствующих газов.

Присоединим теперь электроды снова к амперметру (рис. 121, б). В этом случае в цепи появляется заметный ток, текущий от «кислородного» электрода к «водородно­му») «водородный» электрод играет роль отрицательного

полюса. Возникший ток, однако, быстро ослабевает; од­новременно с этим исчезает и газ на электродах, и когда пропадают Последние следы газа, то прекращается и ток.

Объяснение этого опыта заключается в том, что после электролиза оба электрода делаются неодинаковыми: один из них докрывается слоем кислорода, а другой — водоро­да. Поэтому и потенциалы обоих электродов относительно раствора тоже становятся различными, и между ними воз­никает разность потенциалов, так что угольные электроды делаются подобными полюсам гальванического элемента. По этой причине описанное явление получило название поляри­зации, а возникающая при этом э. д. с.— э. д. с. поляри­зации.

Теперь нетрудно понять, почему элемент Вольты обла­дает плохими качествами. Мы зйаем (§ 76), что внутри эле­мента также течет ток, причем положительные ионы, в част­ности ионы водорода, перемещаются от отрицательного полюса (цинка) к положительному (меди). Поэтому на по­ложительном лолюсе выделяется водород и возникает до­полнительная э. д. с. поляризации, стремящаяся вызвать ток противоположного направления. Появление э. д. с. поляризации и есть основная причина ослабления тока.

Отметим, что выделение газов на электродах нежелатель­но еще и по другой причине. Газы, выделившиеся на элект­родах, не проводят электричества. Поэтому появление на электродах пузырьков _;газа уменьшает поверхность сопри­косновения металла и электролита и, следовательно, уве­личивает внутреннее сопротивление элемента и этим также способствует ослаблению тока.

Из сказанного следует, что поляризация в гальваниче­ских элементах весьма нежелательна. Поэтому при конст­руировании гальванических элементов всегда стараются создать деполяризацию, т. е. такие процессы, которые, по возможности, устранили бы поляризацию.

«у 77.1. Улучшится ли качество элемента Вольты, если удалять во-

• дород с положительного электрода механически, например все время протирая медную пластину жесткой щеточкой?

§ 78. Деполяризация в гальванических элементах. Основным материалом, для отрицательных электродов в современных элементах является цинк. При этом электролит подбирают таким образом, чтобы переходящие в раствор положитель­ные ионы цинка, соединяясь с имеющимися там отрицатель­ными ионами электролита, давали с последними раствори­мое соединение без выделения газа. Так, например, если

электролитом является раствор H₂S0₄, то при растворении цинка образуется растворимая соль ZnS0₄. Таким образом, задача деполяризации сводится только к устранению водр- рода на положительном электроде.

В настоящее время применяют исключительно химичес­кую деполяризацию. Ее сущность заключается в том, что в элемент вводят какой-либо сильный окислитель, который вступает в химическую реакцию с водородом, выделяю­щимся у положительного электрода, и этим предотвра­щает его выделение в газообразном состоянии.

Рассмотрим некоторые примеры деполяризации в элементах. На рис. 122 показано устройство гальванического элемента Лекланше. Его электродами являются угольный стержень (С) и цинковый цилиндр (Zn), а электролитом служит водный раствор нашатыря (хлористого аммония, NH₄C1). В качестве деполяризатора в этом элементе употреб­ляют перекись марганца (Мп0₂). Для деполяризации угольный стержень помещают внутри холщевого мешка, который набивают измельченной

Рис. 122, Элемент Лек- Рис. 123. Сухой элемент

ланше Лекланше

перекисью марганца, смешанной для лучшей проводимости с графитом. Выделяющийся при работе элемента водород вступает в реакцию G де­поляризатором по уравнению

Мп0₂ + 2Н = МпО+Н₂0,

в результате чего водород окисляется кислородом деполяризатора, обра­зуя воду, и в газообразном состоянии не выделяется; элемент Лекланше- дает э. д. с. около 1,4 В.

На рис. 123 показано устройство так называемого «сухого» элемен­та, имеющего обширные применения. Это — элемент Лекланше, в ко­тором вместо жидкого электролита использована крахмалистая масса 1 консистенции густого клейстера, содержащая нашатырь. Сверху эле­мент заливается слоем смолы 2, препятствующим выпадению массы при опрокидывании элемента и предохраняющим ее от быстрого высыхания. Угольный электрод 3 имеет вид стерженька* а цинковый электрод 4 обра­зует корпус элемента, Подобным образом устроены батарейки для кар­

манных фонарей: они содержат два или три маленьких сухих элемента* соединенных последовательно.

Очень хорошо устранена поляризация в элементе ДаЯиеля (§75). При работе элемента у катода (Zn) происходит образование раствори­мого ZnS0₄₎ а на аноде (Си) выделяется металлическая медь. Таким об­разом, поверхность металлических электродов остается чистой, и поля­ризация не возникает.

В последнее время с успехом используется так называемый воздуш­ный деполяризатор, при котором для окисления водорода используется кислород воздуха, подводимый к аноду при помощи специального уст­ройства.

§ 79. Аккумуляторы. Явление поляризации, вредное в гальванических элементах, находит, однако, и полезное применение. В 1895 г. Планте показал, что э. д. с. поляри­зации можно, использовать для практического получения электрического тока. Он построил элемент с двумя свинцо­выми электродами, погруженными в раствор серной кисло­ты. Элемент в таком виде не обладает еще э. д. с., так как оба его электрода одинаковы. Если, однако, через такой эле­мент пропускать известное время ток, то на его электродах выделяются продукты электролиза, которые вступают в химическую реакцию с электродами. Благодаря этому электроды оказываются различными по химическому со­ставу, и появляется определенная э. д. с.— именно, э. д. с. поляризации, равная приблизительно 2 В. Элемент в таком состоянии является уже сам источником тока и при замы­кании на какую-либо цепь может создавать в ней в тече­ние некоторого времени электрический ток. Таким образом, для появления э. д. с. в элементе Планте через него необ­ходимо пропускать в течение известного времени ток от постороннего источника. Этот процесс называется заряд­кой элемента.

Элемент Планте и ему подобные, использующие явление поляризации, называются вторичными элементами или аккумуляторами, так как в них можно запасать (аккуму­лировать) энергию. После израсходования энергии аккуму­лятора его можно вновь зарядить пропусканием тока и по­вторять этот процесс много раз.

С энергетической точки зрения дело обстоит так. Реакции, проте­кающие в аккумуляторе при его зарядке и делающие первоначально одинаковые электроды химически различными, являются реакциями, которые могут осуществляться лишь при притоке энергии извне. Эту энергию доставляет генератор, при помощи которого мы заставляем ионы перемещаться в растворе и выделяться на соответствующих элек­тродах. Напротив, при разрядке аккумулятора в нем происходят ре­акции, идущие с выделением энергии. Эти реакции и являются источ­ником э. д. с. аккумулятора. Таким образом, при зарядке аккумуля-

тора происходит превращение электрической энергии в скрытую хими­ческую энергию, а при его разрядке — обратный переход химической энергии в энергию электрического тока.

Устройство современного свинцового аккумулятора по­казано на рис. 124. Он состоит из ряда положительных й отрицательных пластин, находящихся в банке с водным раствором (15—20%) серной кислоты. Все положитель­ные пластины соединены между собой, так же как и все отрицательные, благодаря чему в небольшом сосуде можно иметь большую площадь электродов, разделенных тонким слоем электролита, т. е. иметь элемент с чрезвычайно малым внутренним сопротивлением ¹).

Рис. 124. Свинцовый аккуму­лятор

Отрицательные пластины состоят из чистого металли­ческого свинца, поверхность которого сделана мелкопо­ристой для увеличения дейст­вующей площади * электродов (губчатый свинец). Положи­тельные пластины имеют более

С	«В!!!»!!!!!!!!*!!'
	iiiliilllllllllllliilllilil
	:
	llllllllllUllllllllllllllllllllllllllllttlllllll!
	If lllllli!!!lli!!ll!l!|i!ll№lll!lll
	.
	IWiillUlllllllllllll!ll!|l!lll!lll!l!!ll!l!ll!l
	■llinillilllip

Рис. 125. Положительная плас­тина свинцового аккумулятора

сложное строение, показанное на рис. 125. При их изготов­лении сначала отливают (или штампуют) раму из свинца, снабженную многими ячейками наподобие пчелиных сотов, и в них впрессовывают специальную массу, состоящую из окислов свинца и связующих веществ.

В незаряженном состоянии оба электрода покрыты слоем сернокис­лого свинца (РЬ50₄). При зарядке ионы SO*^- перемещаются к одному электроду и превращают его в перекись свинца по уравнению

PbS0₄+S0₄+2Н_аО = Pb0₂ + 2H₂S0₄,

а ионы Н * восстанавливают второй электрод в металлический свинец по уравнению

PbS0₄+2Н = Pb + H₂S0₄.

Соединение РЬ0₂ становится анодом, а РЬ — катодом заряженного ак­кумулятора. Прн разрядке ток по внешней цепн идет от РЬ0₂ к РЬ, а внутри аккумулятора ионы SOt” и Н + движутся в направлениях, обрат- ных их движению при зарядке, и реакции на электродах протекают в обратном направлении. Во вполне разряженном аккумуляторе оба элек­трода опять состояли бы из PbS0₄. В рабочих условиях не доводят ак­кумулятор до полной разрядки и вновь заряжают его, когда напряжение на электродах падает примерно до 1,8 В. Свежезаряженный свинцовый аккумулятор имеет напряжение около 2,7 В. Но при разрядке это на­пряжение быстро падает до 2 В и затем долго остается постоянным. После длительной разрядки напряжение аккумулятора вновь начинает па­дать; разрядку его следует прекратить, когда напряжение упадет до 1,85 В.

Помимо сбинцовых аккумуляторов существуют и другие. В настоя­щее время широко употребляются железоникелевые аккумуляторы («ще­лочные» аккумуляторы). У них электродами являются железо и никель, а электролитом — 20%-ный раствор едкой щелочи (КОН или NaOH). В заряженном состоянии никелевые пластины покрыты слоем окнси никеля (Ni₂0₈) и служат положительным полюсом, а металлическое железо — отрицательным; э. д. с. этих аккумуляторов равна 1,4— 1,1 В. Железоникелевые аккумуляторы характеризуются большой ус­тойчивостью: механические сотрясения и небрежность в уходе, могущая вызывать вредные химические реакции, для этих элементов гораздо ме­нее опасны, чем для свинцовых.

Различные аккумуляторы характеризуются максималь­ным количеством электричества, которое можно получить от них без новой зарядки. Эго количество электричества принято выражать в ампер-часах (А-ч) и называть емкостью аккумулятора. Так, например, переносные аккумуляторы, применяющиеся для автомобилей, имеют обычно емкость 40 А-ч. Это значит, что они могут давать ток 1 А в течение 40 ч или ток 2 А в течение 20 ч и т. д. При этом, конечно, раз­рядный ток не должен превышать некоторой максимальной силы (для свинцового аккумулятора приблизительно 1 А на каждый квадрауный дециметр поверхности положитель­ных пластин), так как в противном случае пластины быстро разрушаются. Чем больше площадь пластин аккумулятора, тем больше продуктов электролиза может быть удержано на пластинах, а значит, и тем больший заряд можно получить от аккумулятора при разрядке, т. е. тем больше его емкость.

1. Батарея аккумуляторов емкости 20 А-ч питает лампочку, потребляющую ток 0,25 А. Сколько времени может гореть лам­почка без новой зарядки аккумуляторов?

Аккумуляторы играют в современной электротехнике важную роль. Так, например, на электрических станциях с неравномерной нагрузкой часто устанавливают, кроме ге­нераторов постоянного тока, еще и батареи аккумуляторов (буферные аккумуляторы). При малой нагрузке станции часть энергии, вырабатываемой генераторами, расходуется на зарядку аккумуляторов, а в периоды большой нагрузки эти аккумуляторы питают сеть параллельно с генерато­рами. Электростанции, использующие энергию ветра, всег­да бывают снабжены аккумуляторами, которые заряжаются в те периоды, когда имеется ветер, а затем уже расходуют за­пасенную энергию по мере надобности и независимо от ме­теорологических условий.

Аккумуляторы широко применяют на всех подводных судах (кроме подводных судов с атомным двигателем). При надводном плавании аккумуляторы заряжаются от генера­тора постоянного тока, а при погружении под воду все механизмы приводятся в движение исключительно от акку­муляторов. Аккумуляторы с успехом применяются в элект­рических грузовых тележках, так называемых электрока­рах, которые должны работать короткие промежутки вре­мени и делать частые остановки и на которых поэтому невыгодна установка двигателей внутреннего сгорания, не­прерывно поглощающих топливо; в автомобилях (зажигание в моторах, освещение); для питания рудничных ламп и еще во многих важных промышленных машинах и приборах. Очень широко распространены аккумуляторы в лабора­торной практике, где они являются хорошими источниками постоянного тока, а также в радиотехнике.

Несмотря на большие преимущества аккумуляторов, ко­торые во многих случаях вытеснили гальванические элемен­ты, последние все еще' имеют ряд важных применений: в качестве эталонов напряжения (нормальные элементы, § 75), для питания радиоприемников, карманных фонарей, микрокалькуляторов и т. п.

§ 80. Закон Ома для замкнутой цепи. В § 46 мы познакоми­лись с законом Ома для участка цепи, позволяющим вычис­лить ток, если известно сопротивление участка и напряже­ние на его концах. Очень часто, однако, приходится ре­шать задачи, в. которых напряжение на концах участка

т

цепи не задано, но зато известны сопротивления всех частей цепи и э. д. с. источника, питающего цепь. Как найти в этом случае силу тока?

Рассмотрим всю замкнутую электрическую цепь, вклю­чая и источник тока, и выясним на опыте, от чего зависит ток в этой цепи. Замкнем источник тока, например эле­мент Даниеля (§ 75), на внешнюю цепь, содержащую амперметр и реостат, и будем перемещать движок рео­стата, меняя тем самым сопротивление внешней цепи. Мы обнаружим, что с уменьшением сопротивления внешней цепи ток будет увеличиваться.

Рис, 126. Измерение тока в цепи при из­менении внутреннего сопротивления элемен- * та

Установим теперь реостат так, чтобы сопротивление внешней цепи было незначительным, и будем изменять глу­бину погружения цинковой пластины элемента. Ток будет увеличиваться по мере погружения пластины.

Для понимания этого результата вспомним, что напряжение на разомк­нутом элементе, т. е. его э. д. с., со­вершенно не зависит от геометричес­ких размеров и формы элемента (§76). Следовательно, при изменении глуби­ны погружения пластины э. д. с. ис­точника не меняется. В чем же причина изменения тока? В § 76 мы видели, что ток идет как по внешней цепи, так и внутри источника. Но сам источник представляет тоже определенное сопротивление то­ку. Это сопротивление носит название внутреннего сопро­тивления источника. В гальванических элементах оно сла­гается из сопротивления его электродов и главным образом из сопротивления столба электролита между ними. Погру­жая цинковую пластину на различную глубину, мы изме­няем сечение этого столба и вместе с ним внутреннее сопро­тивление элемента. Мы видим, что сила тока зависит так­же от внутреннего сопротивления источника тока.

Полную цепь можно рассматривать как последователь­ное соединение сопротивления внешней цепи и внутреннего сопротивления источника тока. Полное сопротивление цепи представляет собой сумму внутреннего сопротивления Ис­точника и сопротивления внешней цепи. Заменим элемент каким-либо другим, имеющим такое же внутреннее сопро­тивление, но другую э. д. с. Мы обнаружим, что ток при этом изменится.

Таким образом, ток в цепи зависит от э. д. с. источника и от полного сопротивления цепи.

Количественный закон, связывающий эти величины, представляет закон Ома для замкнутой цепи: ток в цепи, содержащей источник тока, прямо пропорционален э. д. с. источника и обратно пропорционален полному сопротивле­нию цепи.

Если обозначить э. д. с. источника через $, его внутреннее сопротивление через г, сопротивление внеш­ней цепи через R, а ток через /, то закон Ома предста­вится следующей формулой:

(80.1)

Мы видим, что ток, который способен дать источник, за­висит не только от э. д. с. источника и сопротивления внеш­ней цепи, но еще и от внутреннего сопротивления. Сказан­ное относится, конечно, не только к гальваническим элементам, но и к любым источникам тока, например к акку­муляторам или генераторам постоянного тока.

§ 81. Напряжение на зажимах источника тока и э. д. с. Из­мерения показывают, что напряжение на зажимах источ­ника тока, замкнутого на внешнюю цепь, зависит от силы отбираемого то^а (от «нагрузки») и изменяется с измене­нием последнего. Пользуясь законом Ома, мы можем сей­час разобрать этот вопрос точнее.

Из формулы (80.1) имеем

S^IR + lr, (81.1)

где R — сопротивление внешней цепи, а г — внутреннее сопротивление источника. Но к внешней цепи мы вправе применить закон Ома для участка цепи:

IR = U. (81.2)

Здесь U — напряжение во внешней цепи, т. е. разность потенциалов на зажимах источника. Оно может быть выра­жено на основании (81.1), (81.2) следующей формулой:

U — S—1г. (81.3)

Мы видим, что при замкнутой цепи напряжение U на зажимах источника тока всегда меньше э. д. с. <§. Напряже­ние U зависит от силы тока I и только в предельном случае разомкнутой цепи, когда сила тока /=0, напряжение на зажимах равно э. д. с.

Уменьшение напряжения на зажимах источника при наличии тока / легко наблюдать на опыте. Для этого нужно

замкнуть какой-либо гальванический элемент на реостат и подключить к зажимам элемента вольтметр (рис. 127). Перемещая движок реостата, можно видеть, что чем мень­ше сопротивление внешней цепи, т.е. чем больше ток, тем меньше напряжение на зажимах источника. Если сопро­тивление внешней цепи сделать очень малым по сравнению с внутренним сопротивлением источника («вывести» рео­стат), т. е. сделать «короткое замыкание», то напряжение на зажимах делается равным нулю.

а) б)

Рис. 127. С уменьшением сопротивления внешней цепи напряжение на зажимах источника тока уменьшается: а) схема опыта; б) общий вид экспериментальной установки, 1 — источник тока, 2 — реостат, 3 — амперметр, 4 — вольтметр

Что же касается тока, то он при коротком замыкании достигает своего максимального значения /_тах. Сила это­го «тока короткого замыкания» получается из закона Ома

1. , если в нем положить R=0 (т. е. пренебречь сопро­тивлением R по сравнению с г):

/„««■f. (81-4)

Отсюда видно, что ток короткого замыкания зависит не только от э. д. с., но также и от внутреннего сопротивления источника. Поэтому короткое замыкание представляет различную опасность для разных источников тока.

Короткие замыкания гальванического элемента сравни­тельно безвредны, так как при небольшой э. д. с. элемен­тов их внутреннее сопротивление велико, и поэтому токи короткого замыкания малы. Такие токи не могут вызвать серьезные разрушения, и поэтому к изоляции проводов в целях, питаемых элементами (звонки, телефоны и т. п.), не предъявляют особо высоких требований. Иное дело си­ловые или осветительные цепи, питаемые мощными гене-

раторами. При значительной э, д. с. (100 и более вольт) внутреннее сопротивление этих источников ничтожно ма­ло, и поэтому ток короткого замыкания может достигнуть огромной силы. В этом случае короткое замыкание может привести к расплавлению проводов, вызвать пожар и т. д. Поэтому к устройству и изоляции таких цепей предъявля­ют строгие технические требования, которые ни в коем слу­чае нельзя нарушать без риска вызвать опасные послед­ствия. Такие цепи всегда снабжаются предохранителями (§ 63) и притом нередко в различных местах: общий пре­дохранитель (при главном вводе), групповые и штепсель­ные предохранители.

0% 81.1. Внутреннее сопротивление элемента Даниеля с э.д.с. 1,1 В

• равно 0,5 Ом. Вычислите ток короткого замыкания этого эле­мента.

2. Элемент из предыдущей задачи замкнут на сопротивление 0,6 Ом. Чему равно напряжение на зажимах элемента?

3. Э.д.с. генератора постоянного тока равна 220 В, а внутрен. нее сопротивление' равно 0,02 Ом. Какой ток возникает при корот» ком замыкании?

2. При измерении э.д.с. источников при помощи вольтметра мы всегда допускаем некоторую погрешность, так как через вольт­метр .течет некоторый, хотя и очень малый, ток, и поэтому источ­ник, строго говоря, не разомкнут, а замкнут на вольтметр. Пусть внутреннее сопротивление элемента равно 1 Ом, его э.д.с. равна 1,8 В, а сопротивление вольтметра равно 179 Ом. Какую погреш­ность при измерении э.д.с. мы допускаем?

3. Можно ли точно измерить э.д.с. при помощи электрометра? Как нужно присоединить электрометр к элементу для измерения его э.д.с.?

4. Изменяется ли показание электрометра^ соединенного .с-, гальваническим элементом, если параллельно с нищ включить

конденсатор, как показано на рис. 128? Будет ли иметь значение емкость конденсатора?

2. Э.д.с. некоторого элемента измеряют при помощи электро­метра с конденсатором (рис. 129, а). Электрометр, отсоединенный от элемента, после снятия диска показывает 500 В (рис. 129, 6). При этом известно, что емкость конденсатора при удалении диска уменьшается в 250 раз. Чему равно напряжение элемента?

Рис. 129. К упражнению 81.7