Химические источники тока - гальванические элементы

Если отсутствует электрическая сеть, то для питания электроприборов применяют гальванические элементы и аккумуляторы, называемые иначе химическими источниками тока. Рассмотрим принцип их работы на примере первого простейшего элемента – элемента Вольта (рис. 1). Он состоит из медной (Сu) и цинковой (Zn) пластинок, опущенных в раствор серной кислоты (H2SO4). Вследствие химической реакции, происходящей между цинком и серной кислотой, на цинке образуется излишек электронов. Цинк заряжается отрицательно и является отрицательным полюсом. Раствор и медная пластинка, в него погруженная, заряжаются положительно. В результате возбуждается ЭДС, равная примерно одному вольту, которая сохраняется все время, пока цепь не замкнута.
Если замкнуть цепь, пойдет ток и внутри элемента усиленно начнет выделяться водород, покрывающий поверхность пластинок слоем пузырьков. Этот слой уменьшает напряжение на полюсах элемента. Такое явление носит название поляризации. Чем больше ток, тем сильнее поляризация и тем быстрее уменьшается напряжение элемента.


Рис.1. Простейший гальванический элемент Вольта.
Для устранения поляризации в элемент вводят вещества, способные поглощать водород и называемые деполяризаторами. Чтобы напряжение на полюсах оставалось постоянным, деполяризатор должен быстро поглощать водород, образующийся при работе элемента. Поглощая водород, деполяризатор постепенно приходит в негодность. Но обычно раньше этого портится электролит и под действием электролита разъедается цинк. Вообще электрическая энергия получается в элементе за счёт расхода цинка, электролита и деполяризатора; поэтому каждый элемент обладает определенным запасом энергии и может работать лишь ограниченное время.
Работа гальванических элементов объясняется с помощью теории электролитической диссоциации, согласно которой молекулы вещества, растворенного в воде распадаются (диссоциируют) на, ионы. Такое явление характерно для всех электролитов, представляющих собой растворы кислот, щелочей и солей. В элементе Вольта молекула серной кислоты (H2SO4) в водном растворе распадаются на отрицательный ион кислотного остатка (SO4) и положительный ион водорода (H2), что показано на рис. 2.
Химическая реакция между цинком и серной кислотой состоит в том, что положительные ионы цинка переходят в раствор, притягиваясь к отрицательным ионам электролита. При этом цинковый электрод сам заряжается отрицательно. Между ним и электролитом возникает разность потенциалов, а следовательно, и электрическое поле, которое препятствует дальнейшему переходу положительных ионов цинка в раствор. Поэтому создается некоторое равновесие с определенной разностью потенциалов между цинком и раствором. Для других металлов и растворов значение разности потенциалов будет иное.
Чтобы использовать возникшую разность потенциалов, в электролит помещают второй электрод, выполненный из другого металла. Если второй электрод – цинковый, то между ним и растворов получится такая же разность потенциалов, как у первого электрода но она будет действовать навстречу, и результирующая разность потенциалов между электродами будет равна нулю. У элементов отрицательный электрод, как правило, цинковый, а положительный электрод обычно медный или угольный.
Если соединить электроды элемента проводником, т. е. создать замкнутую цепь, то под действием разности потенциалов по внешней цепи от цинка будут двигаться электроны. Так как они уходят с цинкового электрода, то его отрицательный потенциал начинает уменьшаться и электрическое поле между ним и раствором ослабевает. Но тогда новые положительные ионы цинка переходят в раствор. Тем самым поддерживается определенный отрицательный потенциал цинкового электрода.

Рис.2. Ионы в электролите элемента Вольта.
При работе элемента непрерывно происходит растворение цинка в электролите, который постепенно превращается в раствор сернокислого цинка (ZnSO4). Положительные ионы цинка, переходящие все время в электролит, притягивают к себе отрицательные ионы кислотного остатка. Эти ионы в электролите данжутся в направлении от медной пластинки к цинковой. Зато положительные ионы водорода отталкиваются положительными ионами цинка и движутся в обратном направлении, то есть от цинка к меди. Таким об разом, если во внешней цепи ток представляет собой движение электронов (как и всегда в металлических проводниках), то в электролите ток является перемещением положительных и отрицательных ионов в противоположных направлениях. Ионы водорода подходят к медной пластинке и отнимают от нее электроны, превращаясь в нейтральные атомы. Вследствие этого на медной пластинке поддерживается определенный положительный потенциал, несмотря на то, что к ней из внешней цепи прибывают электроны. Однако медная пластинка постепенно покрывается слоем водорода. Между этим слоем и электролитом возникает разность потенциалов, действующая навстречу основной разности потенциалов, имеющейся между электродами. Возникновение такой противоэлетродвижущей силы и называется поляризацией элемента. Вследствие поляризации результирующая разность потенциалов уменьшается и действие элемента ухудшается.
Гальванические элементы характеризуются разными параметрами и прежде всего электродвижущей силой, внутренним сопротивлением, максимальным допустимым разрядным током и емкостью.
Электродвижущая сила обусловливается типом элемента, то есть материалом его электродов, веществом электролита и деполяризатора. Она совершенно не зависит от размеров элемента (размеров его электродов), количества электролита и количества деполяризатора.
Внутреннее сопротивление элемента зависит не только от его типа, но и от его размеров, а также от того, как долго работал элемент. Чем больше размеры элемента, тем меньше его внутреннее сопротивление. По мере работы элемента внутреннее сопротивление растет. Оно особенно резко возрастает у истощившихся элементов. Внутреннее сопротивление у элементов в начале их работы обычно бывает от единиц ом до десятых долей ома. Когда элемент присоединен к замкнутой цепи, напряжение на его зажимах всегда несколько меньше ЭДС и снижается при увеличении тока, так как возрастает потеря части ЭДС на внутреннем сопротивлении элемента. Иногда для элементов указывают напряжение при максимальном разрядном токе в начале работы элемента (начальное напряжение).
Каждый элемент можно разряжать током до определённого значения. Чрезмерно большой ток вызовет ускоренную поляризацию и напряжение быстро станет недопустимо низким. Подобное же явление, но в ещё большей степени происходит при коротком замыкании элемента. У большинства элементов максимальный допустимый разрядный ток составляет доли ампера. Чем больше размеры элемента, тем больше этот ток. Превышение тока приводит и быстрому истощению элемента.
Емкостью элемента называют количество электричества, которое он способен отдать при разряде током не свыше максимального допустимого. Обычно емкость элементов измеряют в ампер-часах (а-ч), то есть произведением разрядного тока в амперах и числа часов работы элемента. Элемент считают разряженным, если его напряжение уменьшилось примерно на 50 % по сравнению с первоначальным значением.
Время работы элемента можно определить, разделив емкость в ампер-часах на разрядный ток в амперах. При этом ток не должен превышать максимального допустимого значения.
Емкость элемента зависит от количества цинка, электролита и деполяризатора. Чем больше размеры элемента, тем больше количество входящих в его состав веществ и тем больше емкость. Кроме того, емкость зависит от разрядного тока, а также от перерывов во время разряда и их длительности. Нормальная емкость элемента соответствует максимальному допустимому разрядному току при непрерывном разряде. Если ток меньше максимального и если разряд происходит с перерывами то емкость увеличивается, а при токе свыше максимального ёмкость снижается, так как часть деполяризатора не участвует в реакциях. Емкость также уменьшается с понижением температуры. Поэтому расчет времени работы элемента по его номинальной емкости и разрядному току является приближенным.
2. МАРГАНЦОВО – ЦИНКОВЫЕ
И ОКСИДНО – РТУТНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ.
Широкое распространение получили марганцово – цинковые (МЦ) сухие элементы с деполяризатором из диоксида марганца.
Сухой элемент стаканчикового типа (рис. 3) имеет цинковый сосуд прямоугольной или цилиндрической формы, являющийся отрицательным электродом. Внутри него помещён положительный электрод в виде угольной
палочки или пластинки, которая находится в мешке, наполненном смесью диоксида марганца с порошком угля или графита. Уголь или графит добавляют для уменьшения сопротивления. Угольный стержень и мешок с деполяризующей массой называют агломератом. В качестве электролита используется паста, составленная из нашатыря (NH4Cl), крахмала и некоторых других веществ. У стаканчиковых элементов центральный вывод является положительным полюсом.
Рабочее напряжение сухого элемента несколько ниже, чем его ЭДС, равная 1,5 В, и составляет примерно 1,3 или 1,4 В. При длительном разряде напряжение по степенно уменьшается, так как деполяризатор не успевает поглощать весь выделяемый водород, и к концу раз ряда оно достигает 0,7 В.


Рис.3. Устройство сухого элемента.
Другая конструкция сухого элемента, так называемого галетного типа, показана на рис. 4. В нем положительным электродом является деполяризующая масса (угольного электрода нет). Галетные элементы имеют значительно лучшие характеристики, нежели стаканчиковые.


Рис. 4. Устройство сухого галетного элемента.
1 – деполяризатор – положительный электрод; 2 – цинк – отрицательный электрод; 3 – бумага;
4 – картон, пропитанный электролитом; 5 – полихлорвиниловая плёнка.
В каждом элементе, имеющем электролит, даже при разомкнутой внешней цепи происходит так называемый саморазряд, в результате которого разъедается цинковый электрод, а также истощаются электролит и деполяризатор. Поэтому сухой элемент при хранении постепенно проходит в негодность и электролит у него высыхает.
Когда сухие элементы полностью разрядятся, их агломераты ещё работоспособны и могут быть использованы для устройства самодельных наливных элементов. Такие элементы имеют агломерат и электрод из листового цинка в растворе нашатыря, находящемся в стеклянном или керамическом или пластмассовом стаканчике. При отсутствии нашатыря можно с несколько худшими результатами применить раствор обычной поваренной соли с небольшой добавкой сахара. Помимо сухих элементов типа МЦ, широко применяются элементы с марганцово – воздушной деполяризацией (МВЦ). Они устроены аналогично элементам МЦ, но у них положительный электрод сделан так, что к диоксиду марганца по особым каналам поступает наружный атмосферный воздух. Кислород воздуха возмещает потерю кислорода диоксидом марганца при деполяризации. Поэтому деполяризация может происходить значительно дольше и емкость элемента увеличивается.
Физико-химические процессы в элементах с диоксидом марганца происходят следующим образом. Нашатырь, то есть хлористый аммоний (NH4Cl), в водном растворе образует положительные ионы аммония (NH4) и отрицательные ионы хлора (Cl). Положительные ионы цинка переходят в раствор и цинк приобретает отрицательный потенциал. При замыкании цепи, когда во внешней цепи электроны движутся в направлении от цинка к углю всё время происходит растворение цинка. Его ионы переходят в электролит, за счёт чего поддерживается отрицательный потенциал цинка. Ионы цинка соединяются с ионами хлора, образуя раствор хлористого цинка (ZnCl2). В то же время ионы NH4 движутся к угольному электроду, отнимают от него электроны и распадаются на аммиак (NH3) и водород. Это происходит по уравнению
2NH4 = 2NH3 + H2.
Выделяющийся водород вступает в соединение с деполяризатором, то есть диоксидом марганца, образуя оксид марганца и воду:
H2 + MnО2 = MnО2 + Н2О.
В последние годы выпускаются еще сухие герметичные МЦ-элементы со щелочным электролитом (КОН). Они бывают цилиндрические, дисковые и галетные, ёмкостъ у них в три – пять раз больше, чем у элементов с электролитом из нашатыря. Кроме того, они допускают несколько циклов подзаряда током с отдачей 10% емкости. У таких элементов центральный электрод цинковый и является минусом, то есть полярность выводов противоположна полярности выводов обычных МЦ-элементов. Элементы со щелочным электролитом применяются для длительной работы, например, в электронных часах. В обозначениях таких элементов впереди ставится буква А.
У всех элементов начальное напряжение составляет примерно 1,3 – 1,5 В, а конечное напряжение равно 0,7 – 1 В. Хранение сухих элементов или батарей в бездействующем состоянии перед их использованием не должно продолжаться более срока, указанного на них; в противном случае сохранение работоспособности не гарантируется. Однако при хранении в течение указанного срока происходит некоторое снижение емкости, но не больше, чем на одну треть.
В последнее время выпускаются ещё малогабаритные оксидно – ртутные (ртутно – цинковые) герметичные элементы, имеющие более высокие качества, нежели элементы типа МЦ. Устройство оксидно – ртутных элементов показано на рис. 5. Элемент имеет стальной корпус состоящий из двух половин, отделенных друг от друга герметизирующей изоляционной прокладкой из резины.
В одну половину корпуса впрессована активная масса из оксида ртути (HgO) с графитом, являющаяся положительным электродом. Отрицательным электродом служит цинковый порошок, впрессованный в другую половину корпуса. Щелочной электролит (КОН) пропитывает пористую прокладку, разделяющую электроды. Эти элементы выпускаются разных размеров и разной емкости (от десятых долей ампер-часа до нескольких ампер-
часов). ЭДС у них составляет примерно 1,35 В. Срок хранения этих элементов 2,5 года. Саморазряд не превышает 1 % в год. По сравнению с МЦ-элементами ртут-


Рис. 5. Устройство герметичного оксиднво-ртутного элемента;
1 – стальной корпус с положительным электродом; 2 – пористая прокладка; 3 – резиновая уплотняющая прокладка; 4 – крышка корпуса с отрицательным электродом.
но – цинковые элементы имеют большую емкость, меньшее внутреннее сопротивление, но более высокую стоимость. Они широко применяются в электронных часах, кардиостимуляторах, фотоэкспонометрах, измерительных приборах. У самых малогабаритных элементов размеры составляют всего лишь несколько миллиметров, а масса – десятые доли грамма.
Важной особенностью оксидно-ртутных элементов является стабильность напряжения при разряде. Только в самом конце разряда напряжение резко падает до нуля.
3. СОЕДИНЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ В БАТАРЕИ.
Выше говорилось, что ЭДС обычного химического элемента приблизительно равна 1,5 В. Для увеличения ЭДС применяют батарею с последовательным соединением элементов. В этом случае “+” одного элемента соединяют с “–” другого и т. д. “Минус” первого и “плюс” последнего являются полюсами всей батареи (рис. 6.).
При последовательном соединении элементов ЭДС возрастает во столько раз, сколько соединено элементов.


Рис.6. Последовательное и параллельное соединение элементов в батарею.
Реже встречается параллельное соединение элементов, при котором положительные полюсы всех элементов соединяются вместе, образуя положительный полюс батареи, а отрицательный полюс батареи получается путем соединения отрицательных полюсов элементов (рис. 6). При параллельном соединении элементов ЭДС батареи не увеличивается, но возрастают емкость и максимальный разрядный ток. Поэтому параллельное соединение применяют, когда нужно получить больший разрядный ток и большую емкость, чем у одного элемента.
Значительно чаще прибегают к смешанному соединению, при котором увеличиваются и ЭДС, и емкость, и максимальный разрядный ток. В этом случае обычно соединяют параллельно несколько групп элементов, а в каждой группе соединяют последовательно столько элементов сколько нужно для получения необходимой ЭДС.


Рис. 7. Смешанное соединение элементов в батарею.
Число параллельных групп определяется необходимой величиной максимального разрядного тока (рис. 7). Вообще желательно составлять батареи из последовательно соединённых элементов с достаточным разрядным током. И только в случае, когда необходимо получить больший ток или увеличенную емкость, прибегают к смешанному соединению. Включение дополнительных элементов по принципу смешанного соединения применяется также для повышения напряжения, если элементы сильно разрядились.
Во время бездействия батареи параллельные группы элементов надо отсоединять друг от друга, так как за счет даже незначительной разницы в ЭДС одна группа может разряжаться на другую.