Гальванический элемент: схема, принцип работы, состав

История изучения гальванических процессов

Явление возникновения электрического тока при соприкосновении с различными металлами было открыто итальянским физиологом, профессором медицины Болонского университета (Болонья, Италия) Луиджи Гальвани в 1786 г.: Гальвани описал процесс сокращения мышц задние лапки новоиспеченной лягушки, закрепленные на медных крючках, при касании стальным скальпелем. Наблюдения интерпретировались первооткрывателем как проявление «животного электричества».

Итальянский физик и химик Алессандро Вольта, заинтересовавшись опытами Гальвани, увидел совершенно новое явление — создание потока электрических зарядов. Проверяя точку зрения Гальвани, А. Вольта провел ряд экспериментов и пришел к выводу, что причиной сокращения мышц является не «животное электричество», а наличие в жидкости цепочки различных проводников.

В подтверждение А. Вольта заменил лягушачью лапку изобретенным им электрометром и повторил все действия. В 1800 г. А. Вольта впервые публично заявил о своих открытиях на заседании Лондонского королевского общества, что проводник второго класса (жидкость) находится посередине и вступает в контакт с двумя проводниками первого класса из двух разных металлов…

В результате возникает электрический ток в том или ином направлении. В 1802 году русский ученый Петров использовал гальванический элемент для создания электрической дуги.

 

Вольтов столб

Вольтов столб — устройство, изобретенное известным итальянским физиком Алессандро Вольта в 1799 году

Вот что говорит народная энциклопедия о вольтовой колонне.

Цитата: Так был изобретен «элемент Вольта» — первый гальванический элемент. Для простоты Вольта придал ей форму вертикального цилиндра (колонны), состоящего из соединенных между собой колец из цинка, меди и ткани, пропитанной кислотой. Вольтов столб высотой в полметра вырабатывал чувствительное для человека напряжение. Конец цитаты

Контактное электричество Вольта Вольта изучал работы итальянского анатома Л. Гальвани, ранее обнаружившего сокращение мышц лягушки при соприкосновении их с различными металлами. Гальвани назвал это явление «животным электричеством». Вольта предположил, что электричество вырабатывается не тканью лягушки, а при контакте с различными металлами в определенной среде.

Вольта провел такой эксперимент. Он использовал четырех человек. Первый человек держал в руке мокрую цинковую пластину, второй рукой он прикасался к языку второго человека, второй человек другой рукой прикасался к глазам третьего человека, третий человек держал в руке разрезанную лягушку , четвертый человек держал лягушку в одной руке и серебряную тарелку в другой.

Первый и четвертый человек мешали разными тарелками. В момент соприкосновения с пластинами второй человек почувствовал кислый привкус на языке, третий увидел яркий свет в глазу, и тело лягушки начало сокращаться.

Алессандро Вольта назвал это явление «контактным электричеством». Вольта пришел к выводу, что для появления электричества необходима еще и жидкость, действующая на металлы. Вольт ввел классификацию проводников. Он отнес металлы к проводникам первого класса, а жидкости — к проводникам второго класса.

Изобретение вольтовой колонны Вольта сделал один из первых гальванических элементов, состоящих из металлических пластин и жидкости. Вольта использовал несколько цилиндрических цинковых и медных пластин и матерчатых кругов, смоченных в кислом растворе.

Чередуя металлические пластины и матерчатые круги, он получил вертикальный гальванический элемент. На концах этой конструкции возникал электрический ток. Это устройство получило название «Вольтов столб».

В то время еще не было возможности дать химическое объяснение этому процессу. Сам Вольта объяснял появление электричества контактом двух металлов, вызывавшим электродвижущую силу, при этом электричество собиралось на концах разных пластин.

Вольта понял, что процесс получения электричества возможен только при наличии жидкости, без жидкости пластины не производят электричество. Вольта предположил, что жидкость действует как разделитель между металлами, препятствуя развитию встречного потока частиц. Так был изобретен первый гальванический элемент.

Вольта разработал и модернизировал свое изобретение. Электрическая мощность столба напрямую зависела от количества используемых элементов. Лучшим «столпом» по мощности и устойчивости оказался «блок из цепочки кубков». Чашки были заполнены электролитом (состоящим из соленой воды) и соединены между собой чашками медной и цинковой дугами.

Фактически он выполнил последовательное соединение гальванических элементов. На концах такой системы возникал достаточно сильный ток. Вольта придумал и другие варианты соединения элементов колонны или нескольких колонн в одну систему.

До нашего времени дошли некоторые устройства, построенные по принципу вольтова столба.

Сам Вольта получил всемирное признание за изобретение, изменившее мир.

Виды электродов

В состав гальванического элемента входят электроды. Электроды бывают:

Обратимые электроды

• Электроды первого типа — электроды, состоящие из металла, погруженного в раствор соли;
• Электроды второго типа — электрод, состоящий из металла, покрытого малорастворимой солью того же металла, погруженного в солевой раствор, содержащий общий анион с нерастворимой солью (хлоридсеребряный электрод, каломельный электрод, металлооксидные электроды);
• Электроды третьего типа — электроды, состоящие из двух нерастворимых осадков электролитов: в менее растворимом — катион, образованный из металла электрода, а в более растворимом — общий анион с первым осадком;
• Газовые электроды — электроды, состоящие из неактивного металла в растворе и газе (кислородный электрод, водородный электрод);
• Амальгамные электроды — электроды, состоящие из раствора металла в ртути;
• Окислительно-восстановительные электроды представляют собой электроды, состоящие из неактивного металла (ферри-ферроэлектрод, хингидроновый электрод).

Ионоселективные мембранные электроды

• Электроды с ионообменной мембраной с фиксированными зарядами — стеклянный электрод;
• Электроды, состоящие из ионообменников с жидкостным присоединением;
• Мембранные электроды на основе мембраноактивных хелаторов;
• Электроды с моно- и поликристаллическими мембранами.

Характеристики гальванических элементов

Гальванические элементы характеризуются электродвижущей силой (ЭДС), емкостью; энергия, которую он может отдать во внешнюю цепь; упорство.

• Электродвижущая сила (ЭДС) гальванического элемента зависит от материала электродов и состава электролита. ЭДС описывается термодинамическими функциями протекающих электрохимических процессов в виде уравнения Нернста.
• Электрическая емкость элемента — это количество электричества, которое источник тока излучает при разряде. Емкость зависит от массы хранящихся в источнике реагентов и степени их превращения; уменьшается с понижением температуры или увеличением разрядного тока.
• Энергия гальванического элемента численно равна произведению его емкости на напряжение. С увеличением количества вещества реагентов в элементе и до определенного предела при повышении температуры энергия увеличивается. Энергия уменьшается за счет увеличения разрядного тока.
• Персистентность – это период хранения элемента, в течение которого его свойства остаются в заданных пределах. Сохранение элемента уменьшается с повышением температуры хранения.

Ошибка, ставшая открытием

В 1786 году итальянский врач Луиджи Гальвани, препарируя медными крючками закрепленную на столе лягушку, касаясь ее стальным скальпелем, заметил, что мышцы в лапках мертвой лягушки сократились. Гальвани определил, что так проявляется «животное электричество».

Вывод Гальвани был опровергнут его соотечественником Алессандро Вольта, доказавшим, что лягушачья лапка показала наличие электричества, полученного при контакте двух разных металлов, меди и стали, с жидкостями организма лягушки.

Вольта погрузил медную и цинковую пластины, соединенные проволокой, в кислоту. Цинк начал растворяться в кислоте, на меди образовывались пузыри, а по проводу шел электрический ток, что обнаружил Вольта, приложив к нему электроскоп — прибор, показывающий наличие электричества.

Принцип работы

Основой химических источников тока являются два электрода (отрицательно заряженный анод, содержащий восстановитель, и положительно заряженный катод, содержащий окислитель), контактирующие с электролитом. Между электродами устанавливается разность потенциалов — электродвижущая сила, соответствующая свободной энергии окислительно-восстановительной реакции.

Действие химических источников тока основано на протекании пространственно разделенных процессов с замкнутой внешней цепью: восстановитель окисляется на отрицательном аноде, образовавшиеся свободные электроны проходят через внешнюю цепь к положительному катоду, создавая разрядный ток, где они участвуют в реакции восстановления окислителя.

Таким образом, поток отрицательно заряженных электронов по внешней цепи идет от анода к катоду, то есть от отрицательного электрода (отрицательного полюса химического источника тока) к положительному. Это соответствует протеканию электрического тока в направлении от положительного полюса к отрицательному, так как направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов в проводнике.

В современных химических источниках энергии используются:

• в качестве восстановителя (материал анода) — свинец Pb, кадмий Cd, цинк Zn и другие металлы;
• в качестве окислителя (материал катода) — оксид свинца (IV) PbO2, гидроксид никеля NiOOH, оксид марганца (IV) MnO2 и другие;
• в качестве электролита — растворы щелочей, кислот или солей.

Источник токов

Существует два типа электрохимических элементов: гальванические и электролитические. Гальванический элемент использует энергию, высвобождаемую во время спонтанной окислительно-восстановительной реакции, для выработки электричества.

Электролизная ячейка получает энергию от внешнего источника и использует ее, чтобы вызвать неожиданную окислительно-восстановительную реакцию.

Два типа клеток

Гальванический элемент, история которого официально началась в 18 веке, дал начало развитию науки электротехники. Во время экспериментов с электричеством в 1749 году Бенджамин Франклин впервые ввел термин «батарея» для описания подключенных конденсаторов. О

днако его подразделение не стало первой ячейкой. Археологическим находкам Багдадской батареи 1936 года более 2000 лет, хотя их точное назначение до сих пор остается спорным.

Луиджи Гальвани, в честь которого назван гальванический элемент, впервые описал «животное электричество» в 1780 году, когда пропустил ток через лягушку. В то время он этого не знал, но его устройство работало по принципу батарейки.

Его современник Алессандро Вольта, в честь которого названа «вольтовая ячейка», был убежден, что «животное электричество» происходит не от лягушки, а от чего-то другого, он много работал над этим и в 1800 году изобрел первую настоящую батарею — «вольтовую» куча».

В 1836 году Джон Фредерик Даниэль создал свою ячейку, исследуя способы преодоления проблем вольтова столба. За этим открытием последовало создание ячейки Уильяма Роберта Гроува в 1844 году. Первая аккумуляторная батарея была изготовлена ​​из свинцово-кислотного элемента в 1859 году компанией Гастона Планте, за ней последовала гравитационная ячейка Калло в 1860 году и ячейка Лекланша Жоржа Лекланша в 1866 году

До этого момента все аккумуляторы были мокрого типа. В 1887 году Карл Гасснер создал первую сухую батарею из углеродно-цинковых аккумуляторов. Никель-кадмиевая батарея была представлена ​​Вальдмаром Юнгнером в 1899 году вместе с никель-железной батареей. Однако Юнгнер не смог его запатентовать, и в 1903 году изобретатель Томас Эдисон запатентовал свою слегка измененную конструкцию.

В 1802 году русский физик Василий Петров построил самую большую в мире гальваническую батарею, обеспечивающую напряжение 1500В. На строительство потребовалось ок. 4200 медных и цинковых цилиндров диаметром 35,0 мм и толщиной 2,5 мм.

Аккумулятор размещался в ящике из красного дерева, покрытом несколькими слоями различных смол. Опыты Петрова положили начало современной электрометаллургии в электродуговых печах.

Примечание! Крупный прорыв в гальваническом направлении источников питания произошел в 1955 году, когда Льюис Урри, сотрудник, представил щелочную батарею общего назначения. 1970-е годы привели к появлению никель-водородной батареи, а 1980-е годы — к никель-металлогидридной батарее.

Литиевые батареи были впервые разработаны еще в 1912 году, но наиболее успешный тип литий-ионных полимерных батарей, используемых сегодня в большинстве портативных электронных устройств, не выпускался до 1996 года.

История создания

Первый химический источник тока был изобретен итальянским ученым Алессандро Вольта в 1800 году. Это был «элемент Вольта» — чан с соленой водой с погруженными в него цинковыми и медными пластинами, с проволочными токоподводами. Затем ученый собрал из этих элементов батарею, которую впоследствии назвали «вольтовой колонной».

Позднее это изобретение было использовано другими исследователями в своих исследованиях. Так, например, русский академик В. В. Петров в 1802 г сконструировал Вольтов столб из 2100 элементов для получения электрической дуги.

В 1836 году английский химик Джон Даниэль усовершенствовал элемент Вольта, поместив цинковый и медный электроды в раствор серной кислоты. Этот дизайн стал известен как «элемент Даниэля».

В 1859 году французский физик Гастон Планте изобрел свинцово-кислотную батарею, поместив свернутый в рулон тонкий лист свинца в серную кислоту. Этот тип элементов до сих пор используется в автомобильных аккумуляторах.

В 1865 г французский химик Ж. Лекланше предложил свой гальванический элемент (элемент Лекланше), который состоял из цинкового стакана, наполненного водным раствором хлорида аммония или другой хлоридной соли, в который помещали агломерат марганца (IV) оксида MnO2 в качестве деполяризатора с линией подачи углерода.

Модификация этой конструкции до сих пор используется в соляных батареях для различных бытовых приборов.

В 1890 году в Нью-Йорке Конрад Губерт, иммигрант из России, создал первый электрический фонарик. А уже в 1896 году компания National Carbon начала серийное производство первых в мире сухих элементов Лекланше «Колумбия».

Самый старый гальванический элемент, который до сих пор работает, — это серебряно-цинковая батарея, изготовленная в Лондоне в 1840 году. Часы, соединенные последовательно с двумя такими батареями, до сих пор работают в Кларендонской лаборатории Оксфорда.

Читайте также: Геотермальные источники: что это такое, механизм образования, виды

Виды

Гальванические элементы делятся на щелочные и нещелочные. Стандартная сухая щелочная батарея содержит цинк А и диоксид марганца К. Электролит выполнен в виде некислотной пасты. Как правило, электролит, используемый в щелочных батареях, представляет собой гидроксид калия.

Он имеет форму стального ящика, заполненного диоксидом марганца в самой внутренней области K и заполненного цинком и электролитом в центральной области A. Электролит вокруг A запускает химическую реакцию между ними.

График окислительно-восстановительной реакции

Типичная нещелочная батарея с сухими элементами содержит цинк A и угольный стержень/диоксид марганца K. Электролит обычно представляет собой кислую пасту из смеси хлорида аммония и хлорида цинка. Физически он имеет конструкцию обратной щелочной батареи.

Цинковый контейнер действует как внешний анод, в то время как угольный стержень/диоксид марганца занимает внутреннюю область как K. Электролит смешивается с K и вызывает химическую реакцию между K и A.

Общее мнение специалистов говорит о том, что химическая щелочная батарея имеет преимущества перед нещелочной. Хотя последние более надежны и дешевле, они все же являются щелочными, когда вам нужно быстрое и высокое энергопотребление, например, вспышка на фотоаппарате с быстрой перезарядкой.

Щелочные батареи

Эта конструкция элемента получила свое название от использования щелочных водных растворов в качестве электролитов. Химия щелочных единиц была впервые введена в начале 60-х годов. И сразу же стал самым большим конкурентом угольно-цинкового элемента.

Эти элементы имеют много признанных преимуществ по сравнению с цинк-углеродными, включая более высокую плотность энергии, более длительный срок службы, превосходную устойчивость к утечкам, лучшую производительность как в непрерывном, так и в прерывистом рабочих циклах, а также более низкое внутреннее сопротивление, что позволяет им работать при высоких скоростях разряда.

Щелочные батареи

Порошок цинка увеличивает площадь поверхности анода, обеспечивая большее взаимодействие частиц. Это снижает внутреннее сопротивление и увеличивает удельную мощность. Катод, MnO2, производится синтетически из-за его превосходства над природным MnO2, что приводит к увеличению плотности энергии. Как и в случае с цинком в углеродном элементе, к катоду добавляется графит для увеличения проводимости.

Электролит КОН обеспечивает высокую ионную проводимость. Оксид цинка часто добавляют для замедления коррозии цинкового анода. Производное целлюлозы и гелеобразующий агент делают щелочной элемент более дорогим, чем угольно-цинковый, но более экономичным, особенно в ситуациях с большим потоком, когда плотность энергии щелочного элемента намного выше.

Половинные реакции:

• Zn + 2OH — -> ZnO + H2O + 2e —
• 2MnO2 + H2O + 2e — -> Mn2O3 + 2OH —

Общая реакция:

• Zn + 2MnO2 -> ZnO + Mn2O3 E = 1,5 В

Существуют и другие конструкции элементов, которые относятся к категории щелочных, включая оксиды ртути, серебра и цинка. Ртуть и серебро обеспечивают еще более высокую плотность энергии, но они намного дороже и постепенно выводятся из употребления международными организациями из-за их высокой токсичности.

Солевые ячейки

Сухие батареи — это устройства, в которых используется электролит с очень низким содержанием влаги. Они отличаются от аккумуляторов с жидкостными элементами, таких как свинцово-кислотные, в которых используется жидкий электролит.

Электролит, используемый в большинстве устройств с сухими элементами, представляет собой пасту, которая, хотя и содержит влагу, остается относительно сухой. Наиболее часто используемыми формами сухих элементов являются «C», «A», 9-вольтовые батареи и батарейки для электронных часов.

Сухой элемент

Важно! Сухие элементы вырабатывают электричество, преобразуя химическую энергию в электричество. Выход зависит от типа сухой батареи. Более популярны конструкции, в которых используется цинк и углерод или цинк и диоксид марганца.

Эти материалы помещаются в электролитную пасту внутри аккумулятора. Они реагируют друг с другом посредством химического процесса, при котором электролит, двуокись углерода или марганец, вступает в реакцию с цинком, создавая электричество.

Литиевые аккумуляторы

Литий-ионная технология включает в себя несколько химических процессов: ионы лития накапливаются в аноде или отрицательном электроде и транспортируются во время разряда к катоду или положительному электроду в органическом электролите.

Наиболее популярными материалами являются графит для анода и оксид металла для катода на основе никеля, марганца и кобальта. Все эти материалы обладают хорошими свойствами интеркаляции лития, что позволяет накапливать большое количество энергии.

Литий-ионный элемент

Выбор аккумуляторной технологии зависит от требований к производительности, сроку службы, безопасности и стоимости приложения, при этом каждый тип аккумуляторов обеспечивает определенные функции.

Преимущества литий-ионных аккумуляторов:

1. Высокая плотность энергии. Высокая плотность энергии является одним из основных преимуществ технологии литиевых батарей, позволяющей продлить срок их службы.
2. Саморазряд. Одной из проблем многих аккумуляторов является скорость саморазряда. Литий-ионные элементы в том смысле, что их скорость саморазряда намного ниже, чем у Ni-Cad и NiMH. Обычно ок. 5% в течение первых 4 часов после зарядки, но потом падает до 1 или 2% в месяц.
3. Низкие эксплуатационные расходы, так как они требуют технического обслуживания для обеспечения производительности.
4. Разнообразие типов: для бытовой электроники, для электроинструментов и электромобилей.

У таких аккумуляторов есть существенный недостаток — они требуют встроенной схемы защиты. Кроме того, они подвержены старению и выдерживают 500-1000 циклов заряда-разряда.

Схема гальванического элемента

Аранжировка означает его композицию и единство. Его можно изготовить из нескольких химических элементов с помощью вспомогательных агрегатов. Ниже будет кратко рассмотрена структура гальванического элемента. Подробнее об этом читайте в этой статье!

Устройство гальванического элемента

Простейший накопитель энергии состоит из:

1. Угольный бар.
2. Два разных металла.
3. Электролит.
4. Смола или пластик.
5. Изоляция.

Как видно из этой схемы, в структуре гальванического элемента есть отрицательный и положительный электрод. Они могут быть изготовлены из меди, цинка и других металлов. Они названы в честь медно-цинковых. Иногда их называют сухими батареями.

Обозначение гальванического элемента на схеме выполнено в виде двух вертикальных прямых линий, близких друг к другу на небольшом расстоянии. Один из них будет меньше. По краям возле каждой такой линии расположены знаки, указывающие на полярность.

Длинная линия имеет плюс, а короткая – минус. Напряжение может быть поблизости. Это означает, что схема, в которой используется батарея, работает только от этого напряжения.

Принцип работы гальванического элемента

Работа гальванического элемента осуществляется за счет движения электронов от одного металлического контакта к другому. Происходит химическое превращение. Подробнее о термодинамике гальванического элемента и образовании гальванического электричества читайте здесь.

Классификация

Как мы уже выяснили, хотя гальванические элементы имеют схожий принцип действия, они могут состоять из самых разных материалов и веществ. Они делятся на 3 основных вида:

• поваренная соль;
• щелочной;
• литий.

Поваренная соль.
Самый бюджетный тип аккумуляторов с посредственными характеристиками. Некоторые из особенностей этих предметов включают в себя:

• ЭДС — 1,5 В;
• небольшие рабочие токи;
• малая электрическая емкость;
• короткий срок;
• бюджетный.

Солевые аккумуляторы при длительном хранении в полуразряженном состоянии или при полной разрядке обычно «всплывают», заполняя батарейный отсек электролитом.

Щелочной (щелочной).
Здесь характеристики гораздо лучше, но и платить придется больше:

• ЭДС — 1,55 В;
• большие рабочие токи;
• хорошая электрическая мощность;
• долгий срок службы;
• не «плавает» даже при полной разрядке;
• высокая цена.

Литий.
Пожалуй, самый прогрессивный тип на сегодняшний день:

• ЭДС — от 1,5 до 3,7 в зависимости от материалов;
• большая электрическая мощность;
• большие токи разряда;
• длительный (до 5 лет) срок службы;
• не «течь»;
• есть очень компактные модели;
• высокая цена.

Все вышеперечисленные гальванические элементы доступны в различных размерах. Солевой и щелочной типы обычно (но не обязательно) цилиндрические. Литий, помимо цилиндров, может иметь вид небольших дисков, таблеток, параллелепипедов и т д.

Как составить схему гальванического элемента — задачи по химии

Качественно и полностью рассчитать гальванический элемент с необходимыми параметрами — сложная задача. Но любой, кто знаком с химией, может выбрать материал для электродов, тип электролита и нарисовать схему. Например, решим несколько подобных задач.

Задание 1. Рассчитайте значение ЭДС гальванического элемента с электродами из магния и меди. Электролит – растворы медного купороса и цинкового купороса. Нарисуйте схему элемента, запишите химические процессы на электродах и общие процессы, при которых вырабатывается энергия.

Решение. По таблице стандартных электродных потенциалов находим потенциалы меди и магния:

Поскольку магний имеет более низкий потенциал, он является анодом. Создаем схему:

Опишем процессы на электродах и общие, вырабатывающие энергию:

Рассчитываем стандартную ЭДС:

Задача решена.

Задание 2. Дано уравнение токообразующей реакции: Ni + СuSO4 = NiSO4 + Cu. Напишите уравнение процессов на электродах, рассчитайте ЭДС.

Решение. Используя таблицу электродных потенциалов, находим потенциалы мельхиора:

Потенциал никеля ниже, поэтому он является анодом. Составляем уравнения:

Рисуем схему гальванического элемента:

Рассчитаем стандартную ЭДС реакции:

Задача решена.

Как сделать ГЭ своими руками

Последнее упражнение. Попробуем самостоятельно собрать гальванический элемент, который можно будет использовать на практике. Остановимся на схеме Даниэля-Якоби. Медно-цинковый элемент не только прост в повторении, но и не требует дефицитных компонентов. Тем не менее, этот блок питания имеет хорошие характеристики:

• Ток короткого замыкания — 0,5 А.
• Электрическая емкость — 25-30 Ач.
• Размеры — стеклянная банка емкостью 0,33 литра.

Конструктивно наша батарея будет выглядеть так: стеклянная банка, на дно которой насыпан медный купорос. В стакан опускают электроды в виде цилиндров. Анод алюминий, катод медь. Между электродами установлена ​​ионопроницаемая мембрана. Сама банка заполнена двумя электролитами – раствором поваренной соли и раствором медного купороса.

Алгоритм производства GE выглядит следующим образом:

• Цилиндр делают из тонкого листа меди по диаметру горлышка банки и высоте чуть ниже него. На баллоне нужно дать уши, чтобы он был подвешен к горлышку ящика. Это катод — положительный вывод элемента.
• Из плотного картона шьют цилиндр высотой чуть меньше высоты и диаметра медного цилиндра. Дно пришито к картонному цилиндру, все швы (кроме самого стекла) загерметизированы керосином. Цилиндр оборачивают несколькими слоями газеты, смоченной в солевом растворе. Для лучшей механической прочности полученную конструкцию можно покрыть любым материалом.

К верхней части стакана приклеивают или пришивают картонное кольцо, чтобы оно не упало в стакан. В кольце 2 отверстия. Один для наливания воды в область между стаканом и стаканом, другой для ручки перемешивания (для назначения см ниже).

Перед применением мембрану необходимо протестировать, налив в нее раствор поваренной соли и оставив на несколько часов. Стекло не должно протекать, а его внешняя поверхность должна быть лишь слегка влажной.

• Цилиндр высотой и диаметром чуть меньше диафрагменного стекла изготовлен из тонкой цинковой жести. Это анод — отрицательный вывод гальванического элемента. На нем так же, как и на меди, необходимо предусмотреть ушки, которыми он будет навешиваться на мембранное кольцо.

Вместо медного цилиндра можно использовать медный провод без изоляции и лака. Просто оберните его вокруг стеклянной мембраны, вставив в него для жесткости оправку, и качественный электрод готов.

Сборка

Насыпьте в стакан столовую ложку медного купороса, поставьте на место медный цилиндр. Опускаем в нее миксер. Устанавливаем внутрь медного цилиндра стеклянную мембрану, заливаем раствором поваренной соли. Осторожно налейте воду в отверстие мембранного кольца.

Опускаем цинковый цилиндр в мембрану, и элемент готов. Осталось поработать мешалкой, чтобы часть купороса растворилась, соединить провода с помощью зажимов — плюс — к медному электроду, минус — к цинку.

Обслуживание элемента заключается в периодической смене электролита, промывке электродов и добавлении купороса по мере его расхода. Мешалка потребуется, если выходной ток значительно упадет. Слегка встряхните медный купорос на дне и все снова хорошо.

Электроды должны располагаться как можно ближе друг к другу — это уменьшит внутреннее сопротивление элемента, а значит, и излучаемый им ток.

Этого напряжения недостаточно для питания чего бы то ни было, но что вам мешает собрать аккумулятор из нескольких таких элементов?

В этой конструкции катод выполнен из простой медной проволоки со снятой изоляцией

А теперь пара вопросов.

Первое.
Вы, наверное, заметили, что ЭДС элемента не указана в свойствах. Мы предлагаем вам определить этот параметр самостоятельно. При этом для практики нарисуйте его схему. Знаете ли вы химические формулы поваренной соли (хлорида натрия) и сульфата меди (медного купороса)?

Второй.
Можно ли заменить цинк алюминием или свинцом и каковы последствия этого?

Вот и все, что я хотел рассказать о гальванических элементах. Теперь вы знаете, что это такое, как они работают, и даже можете сами собрать источник энергии для неэлектрифицированной кабины. Этой энергии хватит на все лето для приемника, светодиодного фонарика и зарядки мобильного телефона.

Типы гальванических элементов

Выделяют ряд аккумуляторов определенных типов.

Таблица гальванических элементов

Тип	Напряжение	Основные преимущества
Литий	3В	Большая емкость, большой ток.
Солевые или углеродно-цинковые батареи	1,5 дюйма	Самый дешевый.
Оксигидроксил никеля NiOOH	1,6 вольта	повышенный ток. Большая емкость.
Щелочной или щелочной	1,6 В	Отличный ток. Хороший объем.

Более подробно эта тема раскрыта в статье типы аккумуляторов!

Назначение гальванического элемента

Он предназначен для работы с электротехникой. Он может стать:

1. Часы.
2. Консоли.
3. Фонарики.
4. Медицинское оборудование.
5. Ноутбуки.
6. Игрушки.
7. Брелоки.
8. Телефоны.
9. Лазерные указки.
10. Калькуляторы.

И подобные вещи вокруг нас.

Гальванический элемент в домашних условиях

Простой источник питания можно сделать своими руками. Для этого нам понадобится следующий инвентарь:

1. Пластиковая кружка.
2. Электролит. В качестве таковых можно взять солевой раствор, соду или разведенную в воде лимонную кислоту.
3. Пластины из двух разных металлов. Например, алюминий и медь.
4. Провода

Простейший гальванический элемент

Он предполагает наличие двух пластин или стержней из разных металлов, которые погружены в раствор крепкого электролита. При работе данного гальванического элемента на аноде осуществляется процесс окисления, связанный с возвратом электронов.

На катоде — восстановление, сопровождающееся приемом отрицательных частиц. Происходит перенос электронов по внешней цепи к окислителю от восстановителя.

Пример гальванического элемента

Для построения электронных схем гальванических элементов необходимо знать значение их стандартного электродного потенциала. Проанализируем вариант медно-цинкового гальванического элемента, работающего на основе энергии, выделяющейся при взаимодействии сульфата меди и цинка.

Этот гальванический элемент, схема которого будет приведена ниже, называется ячейкой Якоби-Даниэля. Он включает медную пластину, которая погружена в раствор сульфата меди (медный электрод), а также состоит из цинковой пластины, находящейся в растворе ее сульфата (цинковый электрод). Растворы контактируют друг с другом, но для предотвращения их смешивания в элементе используется перегородка из пористого материала.

Разновидности гальванических элементов

Наиболее распространены углеродно-цинковые элементы. В них используется пассивный угольный токосъемник, контактирующий с анодом, которым является оксид марганца (4). Электролит представляет собой хлорид аммония, который используется в виде пасты.

Он не растекается, поэтому сам гальванический элемент называют сухим. Особенностью является способность «восстанавливаться» в процессе эксплуатации, что положительно сказывается на продолжительности периода эксплуатации.

Такие гальванические элементы имеют низкую стоимость, но малую мощность. При понижении температуры они снижают свой КПД, а при ее повышении электролит постепенно высыхает.

Щелочные элементы предполагают использование раствора щелочи, поэтому они имеют довольно много применений.

В литиевых элементах активный металл выступает в роли анода, что положительно сказывается на сроке службы. Литий имеет потенциал отрицательного электрода, поэтому при малых габаритах такие элементы имеют максимальное номинальное напряжение. Среди недостатков таких систем – высокая цена. Открытие литиевых источников питания взрывоопасно.

Процесс изготовления

Берем пластиковый стаканчик и заливаем в него электролит. Не наполняйте стакан до краев. Лучше не добавлять 1-2 сантиметра. Прикрепите проводники к металлическим листам. Затем устанавливаем медные и алюминиевые пластины по краям нашего контейнера. Они должны быть параллельны друг другу. Когда все готово, можно измерить напряжение вольтметром.

Подключаем прибор и прикасаемся щупами к контактам нашего источника тока. Держите и не отрывайте их, пока на дисплее не появится напряжение. Обычно это 0,5-0,7 вольта. Такие цифры показаны в зависимости от электролита. Точнее, вещество, используемое в его качестве.