ФИЛИАЛ – ОАО «РЖД»

Свердловская железная дорога

СВЕРДЛОВСКИЙ УЧЕБНЫЙ ЦЕНТР

ПРОФЕССИОНАЛЬНЫХ КВАЛИФИКАЦИЙ

пермское подразделение

ПОУРОЧНОЕ УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ С РАЗДАТОЧНЫМ МАТЕРИАЛОМ

ДЛЯ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ ПОДГОТОВКИ УЧАЩИХСЯ ВСЕХ НАПРАВЛЕНИЙ

по предмету «ЭЛЕКТРОТЕХНИКА»

Тема: "Химические источники тока"

Автор: преподаватель Касимов Владимир Хабирович

Рассмотрено на заседании цикловой комиссии УЦПК-3 ( протокол от 12.08.2014 №8) и рекомендовано для использования в качестве учебного пособия для обучающихся указанных профессий

г. Пермь

Химические источники тока

Химические источники тока представляют собой устройства, в которых энергия химических реакций преобразуется в электри­ческую энергию. К химическим источникам тока относятся галь­ванические элементы и аккумуляторы.

Гальванический элемент

В основу устройства гальвани­ческого элемента легло явление взаимодействия металла с элек­тролитом, приводящее к возникновению в замкнутой цепи электрического тока. Явление это было открыто в конце XVIII в. итальянским учёным Гальвани, в честь которого новые источ­ники тока были названы гальваническими элементами.

«Животное электричество» и «вольтов столб»

В 1791 году в Болонье вышло в свет сочинение профессора анатомии Луиджи Гальвани, в котором автор поведал об удивительных результатах 11-летних экспериментальных исследований. Все началось с того, писал Луиджи Гальвани, что, препарировав лягушку, “…я положил ее без особой цели на стол, где стояла электрическая машина. Когда один из моих слушателей слегка коснулся нерва концом ножа, лапка содрогнулась как бы от сильной конвульсии. Другой из присутствовавших заметил, что это случалось только в то время, когда из кондуктора машины извлекалась искра”. Впоследствии было замечено, что сокращение лапок наблюдается во время гроз и даже просто при приближении грозового облака.

Пораженный этими явлениями, Луиджи Гальвани пришел к выводу о существовании особого рода “животного электричества”, подобного тому, что уже было известно у электрических рыб, например, у скатов. Не всем опытам Луиджи Гальвани мог дать объяснение. Так, оставалось непонятным, почему лапки препарированных лягушек по-разному сокращались в зависимости от того, дужкой из какого металла соединяли их позвоночники с нервами на лапке (наибольший эффект получался, если эта дужка была составлена из кусочков различных металлов). Но интерес все это вызывало тем больший, что электричество вообще “вошло в моду” и даже начало признаваться целебным.

Естественно, что Алессандро Вольта, заинтересовавшись опытами Луиджи Гальвани, проверил их, но пришел к принципиально новым выводам. Вольта понял, что ни о каком “животном электричестве” говорить не приходится, и что лапки лягушек (как и многие другие ткани животных) выступали лишь в роли чувствительных электрометров. Он доказал на опыте, что электризация происходит при соприкосновении различных веществ, в том числе, и металлов. Конечно, во времена Алессандро Вольта еще почти ничего не было известно о строении веществ, в частности, металлов. Это сегодня физики знают, что есть такая величина – работа выхода, т. е. та энергия, которую необходимо сообщить электрону, чтобы вырвать его из вещества. Для цинка, например, эта работа выхода меньше, чем для меди, и поэтому при соприкосновении цинковой и медной пластинок некоторому количеству электронов “энергетически выгодно” переходить из цинка в медь, отчего первая заряжается положительно, а вторая отрицательно.

Гальва­нические элементы в основном состоят из двух химически раз­личных электродов, опущенных в тот или иной электролит.

Рассмотрим процессы, происходящие при работе гальваниче­ского элемента Вольта.

О пустим в раствор серной кислоты цинковый электрод. Взаи­модействуя с серной кислотой, цинковый электрод отдаёт в раствор положительные ионы цинка, а сам при этом за­ряжается отрицательно. В растворе же образуется избыток поло­жительных ионов водорода. Между цинком и раствором возникает оп­ределённой величины разность по­тенциалов, при которой дальнейшее растворение цинка прекращается, так как положительные ионы цинка уже не смогут выходить из электрода в по­ложительно заряженный раствор. Величина возникшей разности потенциалов не зависит от размеров погружённой части электрода, так как указанное выше равновесие ус­танавливается у каждого участка по поверхности электрода, соприка­сающейся с раствором.

Чтобы обнаружить и использо­вать эту разность потенциалов, не­обходимо в этот же раствор погру­зить второй электрод. Однако если второй электрод будет также из цин­ка, то оба они будут находиться в растворе в совершенно одинаковых условиях и между ними не будет никакой разности потенциалов. Если же в качестве второ­го электрода взять медную пластинку, которая очень мало растворяется в растворе серной кислоты, то между цинковым и мед­ным электродами возникает разность потенциалов порядка 1,1 В. Если теперь соединить металлическим проводником цинковый электрод с медным, то вследствие наличия разности потен­циалов между ними свободные электроны в проводнике будут двигаться от цинка к меди. В результате медь приобретёт изли­шек электронов, а цинк потеряет часть электронов. Вследствие этого цинк станет менее отрицательным по отношению к раство­ру, а медь — менее положительной. Равновесие между электро­дами и раствором нарушится. Новые положительные ионы цин­ка станут переходить в раствор, а в цинке появятся вновь осво­бождённые электроны вместо ушедших к меди. На медном же электроде будут осаждаться новые положительные ионы водо­рода и своими зарядами нейтрализовать приходящий с цинка отрицательный заряд электронов. Таким образом, при работе элемента в процессе растворения цинка происходит разделение за­рядов. При превращении энергии химического взаимодействия ве­ществ в электрическую совершается работа. Итак, в замкнутой цепи, со­стоящей из элемента и проводни­ков, будет идти электрический ток. Во внешней части цепи он представляет собой движение электронов под действием электри­ческого поля от цинка к меди, во внутренней же части цепи (в растворе) — движение ионов.

В еличина возникшей разности потенциалов не зависит от размеров погружённой части электрода, так как указанное выше равновесие устанавливается у каждого участка по поверхности электрода, соприка­сающейся с раствором. Зажимы элемента, к которым подключают провода от внеш­ней цепи, называются полюсами элемента. Полюс, имею­щий положительный потенциал (в элементе Вольта медный элек­трод), называется положительным полюсом источника тока, другой полюс— отрицательным. Э. д. с. элемента Вольта 1,1 В. Вольта Алессандро (1745—1827) — выдающийся итальянский физик. Он от­крыл явление возникновения электрических зарядов при соприкосновении раз­ных металлов и создал первый источник постоянного тока — «вольтов столб», чем положил начало развитию электродина­мики. Кроме того, Вольта принадлежит ряд открытий в области электростатики.

Именем Вольта названа единица измере­ния электрического напряжения — Вольт.