Landsberg-1985-T2

манных фонарей: они содержат два или три маленьких сухих &лемеИТ8j

соединенных последовательно.

Очень хорошо устранена поляризация в элементе ДаltИеля (§ 75).

При работе элемента у катода (Zn) происходит образование раствори­ мого Zn504 , а на аноде (Cu) выделяется металлическая медь. Таким об­

разом, поверхность металлических электродов остается чистой, и поля­

ризация не возннкает.

В пОСледнее время с успехом используется так называемый воздуш­

ный деполяризатор, при котором для окислення водорода используется кислород воздуха, подводимый к аноду при помощи специального уст­

ройства.

§ 79. Аккумуляторы. Явление поляризации, вредное в

гальванических элементах, находит, однако, и полезное

применение. В 1895 г. Планте показал, что э. Д. с. поляри­

зации можно. использовать для практического получения

электрического тока. Он построил элемент с двумя свинцо­

выми электродами, погруженными в раствор серной кисло­

ты. Элемент в таком виде не обла:цает еще э. д. с., так как оба его электрода одинаковы. Если, однако, через 'такой эле­

мент 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 со­

ставу, 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 замы­

кании на какую-либо цепь может создавать .в ней в тече­

ние некоторого времени электрический ток. Таким образом, для появления э. д. с. в элементе Планте через него необ­

ходимо пропускать в течение известного времени ток от

постороннего источника. Этот процесс называется заряд­

кой элемента.

Элемент Планте и ему подобные, использующие явление

поляризации, называются вторичными элементами или

аккумуляторами, так как в них можно запасать (аккуму­

лировать) энергию. После израсходования энергии аккуму:

лятора его можно вновь зарядить пропусканием тока и по­ вторять этот процесс много раз.

С энергетической точки зрения дело обстоит так. Реакции, проте­

кающие 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 элек­

тродах. Напротив, при разрядке аккумуляwра в нем происходят ре­

акции, идущие с выделением энергии. Эти реакции и являются источ­

ником э. д. с. аккумулятора. Таким образом, при зарядке аккумуля-

174

,тора происходит превращение электрической энергии в скрытую хими­

ческую энергию, а при его разрядке - обратный переход химической

энергии в энергию электрического тока.

Устройство современного свинцового аккумулятора по­ казано на рис. 124. Он состоит из ряда положительных й

отрицательных пластин, находящихся в банке с водным

раствором (15-20%) серной кислоты. Все положитель­

ные пластины соединены между собой, так же как и все отрицательные, благодаря ч.ему в небольшом сосуде можно

иметь большую площадь электродов, разделенных тонким

слоем электролита, т. е. иметь элемент с чрезвычайно малым

внутренним сопротивлением *).

Отрицательные пластины состоят из чистого металли­

ческого свинца, поверхность которого· сделана мелкопо­

ристой для увеличения дейст­

вующей площади t электродов

(губчатый свинец). Положи­ тельные пластины имеют более

сложное строение, показанное на рис. 125. При их изготов­ лении сначала отливают (или штампуют) раму из свинца,

снабженную многими ячейками наподобие пчелиных сотов,

ив них впрессовывают специальную массу, состоящую из

окислов свинца и связующих веществ.

*) Вследствие малости внутреннего сопротивления аккумулятора

короткое замыкание его (§ 63) вызывает очень большой ток, крайне вред­

иый для аккумулятора.

j75

в пезаряженном состоянии оба электрода покрыты слоем сернокис­

лого 'свинца (PbSOJ. При зарядке ионЫ 50:- перемеЩ!lЮТСЯ к одному

электроду и превращают его в перекись свинца 'по уравнению

PbSO,+SO.+2HsO=PbOa+2HsS04 ,

а ионы н '1- восстанавливают второй электрод в металлический свинец по

уравнению

Соединение РЬ02 становится анодом, а РЬ - катодом заряженного аК­ кумулятора. При разрядке ток по внешней цепи идет от РЬ02 к РЬ, а

внутри аккумулятора ионы so:- и н + движутся в направлениях, обрат­

H>,IX их движению при зарядке, и реакции на электродах протекают в

обратном направлении. Во вполне разряженном аккумуляторе оба элек­

трода опять состояли бы из PbSO,. В рабочих условиях не доводят ак­

кумулятор 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. Нй при разрядке это на­

пряжение быстро падает до 2 В и затем долго остается постоянным. После

длительной разрядки напряжение аккумулятора вновь начинает па­

дать; разрядку его следует прекратить, когда напряжение упадет до

1,85 В.

Помимо свинцовых аккумуляторов существуют и другие. В настоя­ щее время щироко употребляются железоникелевые аккумуляторы ((ще­ лочные» аккумуляторы). У них электродами являются железо и никель,

а электролитом - 20%-ный раствор едкой щелочи (КОН или NaOИj.

В заряженном состоянии никелевые пластины покрыты слоем окнси

никеля (Ni2Оз) и служат положительным полюсом, а металлическое

железо - отрицательным; э. Д. с. этих -аккумуляторов равна 1,4- 1,1 В. Железоникелевые аккумуляторы характеризуются большой ус­

тойчивостью: механические сотрясения и небрежность в уходе, могущая

вызывать вредные химические реакции, для этих элементов гораздо ме­

нее опасны, чем для свинцовых.

Различные аккумуляторы характеризуются ма~сималь­

ным количеством электричества, которое можно получить

ОТ них без новой зарядки. Это J(ОЛИЧество 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, конечнq, раз­

рядный ток не должен превышать некоторой максимальной

силы (для свинцового аккумулятора приблизите.пьно 1 А на каждый квадратный дециметр поверхности положите.пь­

ных 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.

17.

79.1.Батарея 'аккумуляторов емкости 20 А·ч питает лампочку,

?потребляющую ток 0,25 А. Сколько времени может гореть лам­

почка ~ новой зарядки аккумуляторов?

Аккумуляторы играют в современной электротехнике

13ажную роль. Так, например, на электрических станциях с неравномерной нагрузкой часто устанавливают, кроме ге­ нераторов 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 генерато­

рами. Электростанции, использующие энергию ветра, всег­ да бывают снабжены аккумуляторами, которые заряжаются

в те периоды, когда имеется ветер, а затем уже расходуют за­

пасенную 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 генера­

тора постоянного тока, а при погружении под воду все

механизмы приводятся в движение исключительно от акку­

муляторов. Аккумуляторы с успехом применяются в элект­

рических грузовых тележках, так называемых электрока­

рах, которые должны работать короткие промежутки вре­

мени и делать частые остановки и на которых поэтому

невыгодна установка двигателей внутреннего сгорания, не­

прерывно поглощающих топливо; в автомобилях (зажига"ие

в моторах, освещение); для питания рудничных ламп и еще во многих важных промышленных машинах и приборах. Очень широко распространены аккумуляторы в лабора­

торной практике, где они явл-яются хорошими источниками

постоянного тока, а также в радиотехнике.

Несмотря на большие преимущества аккумуляторов, ко­

торые во многих случаях вытеснили гальванические элемен­

лись с законом Ома для участка цепи, позволяющим вычие'"

. лить ток, если известно сопротивление участка и напряже­

Ние на. его концах. Очень часто, однако, приходится ре­

шать задачи, в- которых напряжение на концах участка'

,111

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, вклю­ чая и источник тока, и выясним на опыIе,. от чего зависит

ток в этой цепи. Замкнем источник TQKa, например эле­

мент Даниеля (§ 75), на внешнюю цепь, содержащую

амперметр и реостат, и будем перемещать движок рео­

стата, меняя тем самым сопротивление внешней цепи. мы

обнаружим, что с уменьшением сопротивления внешней цепи ток будет увеличиваться.

Установим теперь реостат так, чтобы сопротивление

внешней цепи было незначительным, и будем изменять глу-

изменения тока? В § 76 мы видели, что ток идет как по внешней цепи, так и внутри источника. Но сам

источник представляет тоже определенное сопротивление то­

ку. Это сопротивление носит название внутреннего сопро­ тивления источника. В гальванических элементах оно сла­ гается из сопротивления его электродов и главным образом из сопротивления столба электролита между ними. Погру­

жая цинковую пластину на различную глубину, мы изме­ няем сечение этого столба и вместе с ним внутреннее сопро­ тивление элемента. МЫ видим, что сила тока зависит так­

же от внутреннего сопротивления источника тока.

Полную цепь можно рассматривать как последователь­

ное соединение сопротивления внешней цепи и внутреннего

сопротивления источника тока. Полное сопротивление цепи

представляет собой сумму внутреннего сопротивления ис­

точника и сопротивления внешней цепи. Заменим элемент

каким-либо другим, имеющим такое же внутреннее сопро­ тивление, но другую э. Д. с. Мы обнаружим, что ток при

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

от полного сопротивления цепи.

178

Количественный закон. связывающий эти величины, представляет закон Ома для замкнутой цепи: mo" 8 цепи, содержаЩЕЙ исmoчни" тока, прямо nроnoрционален э. д. с.

источника и обратно nроnорционален nОЛНОJtУ сопротивле-

внутреннее сопротивление через г, сопротивление внеш­

ней цепи через R, а ток через 1. то закон Ома предста­

вится следующей формулой:

Мы видим, что ток, который способен дать источник, за­

висит не только от э. д. с. источника и сопротивления внеш­

ней цепи, но еще и от внутреннего сопротивления. Сказан­

ное относится, конечно, не только к гальваническим

элементам, но и к любым источникам тока, например к акку­

муляторам или генераторам постоянного тока.

§ 81. Напряжение на зажимах источника тока и э. Д. с. Из­

мерения показывают, что напряжение на зажимах источ­

ника тока, замкнутого на внешнюю цепь, зависит от силы

отбираемого то){а (от «нагрузки») И изменяется с измене­ нием последнего. Пользуясь законом Ома, мы можем сей­

час разобрать этот вопрос точнее.

Из формулы (80.1) имеем

C=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=И. (81.2)

Здесь И - напряжение во внешней цепи, т. е. разность потенциалов на зажимах источника. Оно может быть выра­ жено на основании (81.1), (81.2) следующей формулой:

Мы видим, что при зам"нутой цепи напряжение И на

зажимах источника то"а всегда меньше э.-д. с. rfj. наnряже­ ние И зависит от силы то"а I и толь"о в предельном случае разомкнуmoй цепи, когда сила тока 1=0, напряжение на зажимах равно э. д. с.

Уменьшение напряжения на зажимах источника при

наличии тока 1 легко наблюдать на опыте. Для этого нужно

179

замкнуть какой-либо гальванический· элемент на реостат

и подключить к зажимам элемента вольтметр (рис. 127).

Перемещая движок реостата, можно видеть, что чем мень­

ше сопротивление внешней цепи, T~ е. чем большеток, тем

меньше напряжение на зажимах источника. Если сопро­

тивление внешней цепи сделать очень малым по сравнению

с внутренним сопротивлением источника (<<вывестл» рео­ стат), т. е. сделать «короткое замыкание», то напряжение

на заж.имах ,Делается равным нулю.

1

а)

Рис. ]27. С уменьшением сопротивления внешней цепи напряжение на зажимах источника тока уменьшается: а) схема опыта; 6) общий

Что же касается тока, то он при коротком замыкании достигает своего максимального значения Imax • Сила это­ го «тока короткого замыкания» получается из закона Ома (80.1), если в нем положить R=O (Т. е. пренебречь сопро­ тивлением R по сравнению с г):

(81.4)

Отсюда видно, что ток короткого замыкания зависит не

только от Э. д. с., но также и от внутреннего сопротивления

и·сточника. Поэтому короткое замыкание представляет

различную опасность для разных источников тока.

Короткие замыкания гальванического элемента сравни­ тельно безвредны, так как при небольшой э. д. с. элемен­

тов их внутреннее сопротивление велико, и поэтому токи

короткого замыкания малы. Такие ТОКИ не могут вызвать

серьезные разрушения, и поэтому к изоляции проводов в

цепях, питаемых элементами (звонки, телефоflЫ и т. п.),

не предъявляют особо Щ>lСОКИХ требований. Иное дело си­

J10выe или QCветитenьные цепи, питаемые мощ.ными гене-

180

'Р~торами. При значительной э. д. с. (100 и более вольт)

внутреннее сопротивление этих источников ничтожно ма­

ло, и поэтому ток короткого замыкания может достигнуть

огро~ной СИ;IЫ. В этом случае короткое замыкание может

привести к расплавлению проводов, вызвать пожар и т. д.

Поэтому К устройству и изоляции таких цепей предъявля­

ют строгие технические' требования, которые ни в коем слу­ чае нельзя нарушать без риска вызвать опасные послед­ ствия. Такие цепи всегда снабжаются предохранителями (§ 63) и притом нередко в различных местах: общий пре­ дохранитель (при главном вводе), групповые и штепсель­

ные предохранители.

81.1. Внутреннее сопротивление элемента Даниеля с Э.Д.с. 1,1 В

?равно 0,5 Ом. Вычислите ток короткого замыкания этого эле·

мента. .

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

81.3.Э.д.с. генератора постоянного тока равна 220 В, а внутрен.

нее сопротивленце равно 0,02 Ом. I(акой ток возникает пр и корот. ком замыкании?

Рис. 128. 1( упражнению 81.6

81.4. При измерении э.Д.с. источНиков при помощи .вольтметр а

мы всегда допускаем некоторую погрешность, так как через вольт.

метр ,течет некоторый, хотя и очень малый, ток, и поэтому источ·

ник, 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. I(акую погреш.

.насть при измерении Э.Д.с. мы допускаем?

81.5. Можно ли точно измерить. Э.Д.с. при помощи электрометра? I(ак нужнq присоединить электрометр к элементу для измерения

его э.д.с.? .

81.6.Изменяется ли показание 9лектрометра, соединенного .С,

Гальваническим элементом, если паралnелJ>НО с ниltl включить

18.

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

81.7. Э.д.с. некоторого элемента измеряют при помощи электро. метра 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?

о)

Рис. 129. К упражнению 81.7

§ 82. Соединение источников тока. Очень часто источники

тока соединяют между собой для совместного питания цепи. Составим цепь гальванических элементов так, чтобы по­ ложительный полюс каждого предыдущего элемента сое­

динялся с отрицательным полюсом последующего (рис. 130).

'Zn Си Си

+ +

- - -

Рис. 130. Последовательное соединение гальванических элементов

Если цепь составлена, например, из элементов Вольты, то

медный электрод каждого элемента имеет потенциал на

1,1 В выше, чем цинковый электрод того же элемента. Мед­ ный и цинковый электроды двух соседних элементов соеди­

нены проводником и, следовательно, имеют одинаковый

потенциал. Поэтому разность потенциалов между м~дью вто­ рого элемента и цинком первого будет уже 1,1+1,l"E'2,).2 В,

'82

и т. д. Если всего имеется n элементов, то напряжение меж­

ду крайними электродами будет в n раз больше, чем у од­ ного элемента. Соединение элементов, при котором положи­ тельный полюс каждого предыдущего элемента соединяется

сотрицательным полюсом последующего, называется no-

следовameльньш, а группа соединенных элементов - бата­ реей элементов.

Таким образом, при последовательном соединении э. д. с.

батареи равна сумме э. д. с. отделышх источников, со­

ставляющих батарею. Это верно, конечно, и в том случае,

когда отдельные источники имеют различные э. д. с. '

Вследствие этого свойства гальванические элементы весьма удобны для воспроизведения различных напряже­

ний. Так, например, для получения напряжения 1,1 В достаточно погрузить в раствор серной кислоты медную и цинковую пластины. дЛЯ получения больших напряже­ нии можно соединить элементы последовательно. Этим об­

стоятельством пользуются на практике ДЛЯ градуировки

электрометров: присоединяя к электрометру различное

число последовательно соединенных элементов, мы можем

непосредственно определить, какому llапряжению в воль­

тах соответствуют различные отклонения его листков.

Cu Zn

а)

Рис. 131. Два гальванических элемента соединены «навстречу друг

другу»: а) цепь разомкнута; б) цепь замкнута на лампочку

При последовательном соединении проводников их со­

противления складываются (§ 50). Поэтому и внутреннее

сопротивление батареи из noследовательно соединенных

источников равно сумме внутренних сопротивлений отдель-

Наоборот, соединяя одноименные полюсы двух элементов

одинакового типа (включение «навстречу друг другу»,

рис. 131, а), мы не получаем,между крайними полюсами ни·

183