Принципы действия химических источников тока

В элементах и аккумуляторах электроэнергия вырабатывается за счет происходящих в процессе разряда химических реакций, изменяющих молекулярную сущность составляющих эти устройства отдельных частей. Такими частями являются электроды: положительный и отрицательный, а также электролит. В аккумуляторах электроды называются пластинами, или системами пластин.

Всякие два электрода, состоящие из различных проводников, помещенные в жидкость, способную химически взаимодействовать хотя бы с одним из них, образуют гальванический элемент. Так, если в сосуд с подкисленной водой или со средней крепости водным раствором какой-нибудь соли (хотя бы обычной поваренной) опустить угольную и цинковую (или медную и цинковую) пластинки так, чтобы они не касались друг друга и некоторая часть их оставалась не погруженной в жидкость, с помощью вольтметра можно обнаружить наличие существующей между обеими пластинками постоянной электродвижущей силы порядка 1 в.

Действующие модели гальванических элементов можно создавать, пользуясь и очень простыми подручными средствами. Так, например, если в сырую картофелину или в яблоко воткнуть железный гвоздь и отрезок медной проволоки, между гвоздем и проволокой возникает отчетливо обнаруживаемая с помощью вольтметра разность потенциалов порядка десятых долей вольта. Если в паре с медной проволокой в картофелину воткнуть полоску магния (или магниевого сплава типа „электрон"), разность потенциалов возрастает в 2—3 раза. При •наличии чувствительного гальванометра (например, микроамперметра) модель гальванического элемента можно получить, взяв в одну руку стальные ножницы, а в другую — полоску латуни. Касаясь этими металлическими предметами зажимов микроамперметра, легко наблюдать наличие проходящего через прибор постоянного тока. В этом случае „электролитом" является сам экспериментатор. Опыт становится более наглядным, если руки предварительно смочить водой.

Если гальванометра нет, слабые электродвижущие силы примитивных гальванических элементов можно обнаруживать с помощью обыкновенных наушников, в которых, если они исправны, будут слышаться шорохи и потрескивания при прикосновениях к их выводным проводам разнородными металлическими предметами. Кстати говоря, в этом состоит один из способов проверки чувствительности самих наушников.

Установлено, что разные пары электродов, будучи погруженными в химически активный хотя бы для одного из них электролит, дают различные напряжения, мало изменяющиеся •от изменений величины поверхности погруженной части электродов, расстояния между электродами и концентрации электролита. Ряд известных простых веществ оказалось возможным расположить по их способности образовывать гальванические пары в так называемый „ряд нормальных потенциалов" (табл. 9).

Таблица 9

Принципы действия химических источников тока

В этом ряду всякое вещество в паре с любым расположенным ниже него, будет являться отрицательным электродом, причем напряжение, которое может быть создано такой парой, определится разностью свойственных выбранным веществам потенциалов. Очевидно, максимально возможное для одного гальванического элемента напряжение можно получить, если в качестве электродов использовать литий и золото (напряжение будет 4,5 в).

В истории отечественного радиозондирования известен период, когда для питания передатчиков радиозондов Молчановым и его сотрудниками были разработаны и применялись серебряно-цинковые батарейки, отличавшиеся повышенными достоинствами в сравнении с батарейками Лекланше. Они обеспечивали питание радиозондов, имея значительно меньший вес, и совершенно не требовали теплоизоляции, так как во время работы сами выделяли большое количество тепла. Постоянного применения „серебряные" батарейки не получили вследствие своей дороговизны.

Вообще оценку практических достоинств гальванических элементов производят по многим показателям, из которых первыми следует назвать экономичность и удельную электроемкость, т. е. способность содержать в себе возможно большее количество электрической энергии на единицу веса, а также постоянство величины рабочего напряжения. Не менее важны и такие свойства, как величина электродвижущей силы одного элемента, хранимость, способность нормально действовать в особых условиях (например, при пониженных температурах), максимально возможный разрядный ток, влагозащищенность и ряд других показателей.

Примитивным гальваническим элементам свойственны многие недостатки, из которых главным является их склонность к так называемой поляризации, вследствие чего вошедшие в повсеместное употребление конструкции элементов обычно бывают усложнены введением деполяризаторов либо в виде дополнений к электродам, либо в состав самих электродов и электролита.

Поляризация заключается в том, что при работе элемента на его погруженном в электролит положительном электроде возникает большое количество пузырьков водорода, играющих двоякую роль. Микроскопические пузырьки почти сплошь обволакивают положительный электрод, причем его потенциал сначала снижается до нуля, а далее может сделаться и отрицательным, что уменьшает развиваемую элементом э. д. с. Помимо этого, положительный электрод оказывается как бы заключенным в газовой оболочке, изолирующей его от взаимодействия и контакта с электролитом, что еще более снижает создаваемый элементом ток.

Ухудшение контакта с электролитом внешне проявляется как возрастание внутреннего сопротивления элемента, величину которого обычно стремятся сделать минимальной.

Для борьбы с явлениями поляризации и возрастания внутреннего сопротивления применяют деполяризаторы, окружая положительный электрод веществами, способными поглощать газообразный водород в момент его выделения.

Наличие у элементов и батарей внутреннего сопротивления Ri проявляется в том, что напряжение их без нагрузки всегда выше, чем напряжение под нагрузкой. Величину Ri легко определить из такого опыта. Измеряют напряжение элемента (батареи) без нагрузки Е1 затем включают сопротивление нагрузки R1, через которое проходит ток I, и вновь измеряют напряжение, оказывающееся на этот раз меньшим, чем Е1 и равным Е2. Очевидно, что разность Е1 — E2 составляет падение напряжения на Ri  при токе I, что дает право написать

Принципы действия химических источников тока

Рассмотрим следующий числовой пример. Вольтметр показал напряжение элемента 1,6 в, когда цепь нагрузочного сопротивления была разомкнута, и 1,2 в, когда нагрузку включили и через нее пошел ток 0,4 а. Пользуясь предыдущей формулой, определяем

Принципы действия химических источников тока

Величиной внутреннего сопротивления Ri определяется максимальная сила тока, которую способны создавать гальванические элементы и батареи, — ток короткого замыкания. В приведенном выше числовом примере ток короткого замыкания не превзойдет 1,6 а.

В начале развития электротехники во всем мире было разработано значительное количество разновидностей гальванических элементов различных систем, однако долговременную проверку практикой выдержали лишь немногие сочетания электродов с электролитами. Принципиальной основой действия всех гальванических элементов является химическое разъедание электродов (чаще всего одного лишь только отрицательного) электролитом, причем вещество электрода переходит в раствор в виде положительных ионов, тогда как соответствующие ушедшим ионам планетарные электроны остаются в электроде, чем и обеспечивается их постоянный избыток, или, что то же самое, отрицательный потенциал.

Такая теория действия гальванических элементов, не являясь вполне строгой, достаточно наглядно и в основном правильно объясняет происходящие в них процессы. В некоторых системах гальванических элементов электролит химически взаимодействует не только с отрицательным, но и с положительным электродом. В этом случае отрицательный электрод действует так, как указано выше, а от вещества положительного электрода в раствор переходят отрицательные ионы, вследствие чего в разъедаемом положительном электроде образуется недостаток электронов, чем создается положительный потенциал, увеличивающий общую разность потенциалов элемента. К элементам такого вида может быть отнесена описываемая далее система магниево-хлормедных батареек, разработанная специально для аэрологических приборов.

Смотрите также