Как возникают э. д. с. и ток в гальваническом элементе?

Один из электродов гальванического элемента (обычно цинковый) постепенно изнашивается (растворяется), если элемент дает в течение длительного времени электрический ток. Поэтому можно предполагать, что возникновение э. д, с. гальванического элемента стоит в связи с процессом растворения металла. Действительно, иссле­дование обнаруживает, что при погружении металла в разведен­ную кислоту начинается процесс его растворения. При этом, одна­ко, в раствор переходят не ней­тральные атомы металла, а его положительные ионы, избыточ­ные же электроны остаются в ме­талле и заряжают его отрица­тельно (рис. 118). Однако этот процесс раство­рения очень скоро приостанавливается, ибо по мере увеличения концентрации ионов в растворе начинает все большую роль играть обратный процесс: ионы, окружающие электрод, в своем тепловом движении налетают на электрод и выделяются на нем, нейт­рализуясь избыточными электронами, остающимися в ме­талле. Вскоре устанавливается равновесие: число ионов, переходящих в раствор за некоторое время, становится равным числу ионов, осаждающихся из раствора за то же время. Этому равновесному состоянию соответствует опре­деленная разность потенциалов между металлом и раство­ром, характерная для природы металла и растворителя. Возникающая разность потенциалов, конечно, не зависит от размеров погруженной части металла, ибо указанное равновесие устанавливается у каждого участка поверхности, соприкасающегося с раствором.

Заметим, что при соприкосновении с электролитами большинство металлов заряжается отрицательно. В эле­менте Вольты, например, и медь и цинк переходят в раствор в виде положительных ионов и оба электрода заряжаются отрицательно. Но избыток отрицательного заряда и соот­ветственно разность потенциалов между кислотой и медью меньше, чем между кислотой и цинком. Поэтому для того чтобы использовать образовавшуюся разность потенциалов между металлом и растворителем, мы должны погрузить в растворитель еще один электрод из другого материала.

Действительно, если в серную кислоту погрузить два цинковых электрода, то потенциал каждого из них будет на одну и ту же величину ниже потенциала раствора, а сле­довательно, между обоими цинковыми электродами раз­ность потенциалов окажется равной нулю и прибор не бу­дет действовать в качестве гальванического элемента. Но если второй электрод сделан из другого материала, то раз­ность потенциалов между ним и раствором будет иной, чем для первого из электродов. Следовательно, между двумя различными электродами обнаруживается разность потен­циалов, зависящая как от природы растворителя, так и от природы обоих электродов.

Поляризация электродов. При замыкании элемента Вольты на внешнюю цепь, содержащую амперметр, легко заметить, что показания амперметра не остаются постоян­ными, а непрерывно делаются все меньше и меньше. Через несколько минут после замыкания сила тока падает в не­сколько раз. Таким образом, элемент Вольты оказывается непригодным для получения постоянного тока. В чем же заключается причина уменьшения тока?

Ответ на этот вопрос мы находим в следующем опыте. Опустим в подкисленную воду два одинаковых электрода, например платиновых или угольных (рис. 121, а), и при соединим их к амперметру. Амперметр не покажет никако­го тока, что и неудивительно, так как мы уже знаем, что между двумя одинаковыми электродами (уголь - уголь) даже в растворе электролита не возникает разности потенциа­лов. Отсоединим теперь эти угольные электроды от ампер­метра и подключим их к гальваническому элементу или ка­кому-нибудь иному генератору тока. Сразу же начнется электролиз серной кислоты, и на одном из электродов бу­дет выделяться водород, а на другом — кислород, получаю­щийся при вторичной реакции между выделяющимися груп­пами S0₄ и водой:

2S0₄ + 2Н₂0 - 2H₂S0₄ + О₂.

Если отключить электроды от элемента, то они остаются по­крытыми пузырьками соответствующих газов.

Присоединим теперь электроды снова к амперметру (рис. 121,6). В этом случае в цепи появляется заметный ток, текущий от «кислородного» электрода к «водородно­му» «водородный» электрод играет роль отрицательного полюса. Возникший ток, однако, быстро ослабевает; од­новременно с этим исчезает и газ на электродах, и когда пропадают последние следы газа, то прекращается и ток.

Объяснение этого опыта заключается в том, что после электролиза оба электрода делаются неодинаковыми: один из них покрывается слоем кислорода, а другой — водоро­да. Поэтому и потенциалы обоих электродов относительно раствора тоже становятся различными, и между ними воз­никает разность потенциалов, так что угольные электроды делаются подобными полюсам гальванического элемента. По этой причине описанное явление получило название поляри­зации, а возникающая при этом э. д. с.— э. д. с. поляри­зации.

Теперь нетрудно понять, почему элемент Вольты обла­дает плохими качествами. Мы знаем, что внутри эле­мента также течет ток, причем положительные ионы, в част­ности ионы водорода, перемещаются от отрицательного полюса (цинка) к положительному (меди). Поэтому на по­ложительном полюсе выделяется водород и возникает до­полнительная э. д. с. поляризации, стремящаяся вызвать ток противоположного направления. Появление э. д. с. поляризации и есть основная причина ослабления тока.

Отметим, что выделение газов на электродах нежелатель­но еще и по другой причине. Газы, выделившиеся на элект­родах, не проводят электричества. Поэтому появление на электродах пузырьков _;газа уменьшает поверхность сопри­косновения металла и электролита и, следовательно, уве­личивает внутреннее сопротивление элемента и этим также способствует ослаблению тока.

Из сказанного следует, что поляризация в гальваниче­ских элементах весьма нежелательна. Поэтому при конст­руировании гальванических элементов всегда стараются создать деполяризацию, т. е. такие процессы, которые, по возможности, устранили бы поляризацию.

Деполяризация в гальванических элементах. Основным материалом, для отрицательных электродов в современных элементах является цинк. При этом электролит подбирают таким образом, чтобы переходящие в раствор положитель­ные ионы цинка, соединяясь с имеющимися там отрицатель­ными ионами электролита, давали с последними раствори­мое соединение без выделения газа. Так, например, если электролитом является раствор H₂S0₄, то при растворении цинка образуется растворимая соль ZnS0₄. Таким образом, задача деполяризации сводится только к устранению водо­рода на положительном электроде.

В настоящее время применяют исключительно химичес­кую деполяризацию. Ее сущность заключается в том, что в элемент вводят какой-либо сильный окислитель, который вступает в химическую реакцию с водородом, выделяю­щимся у положительного электрода, и этим предотвра­щает его выделение в газообразном состоянии.

Вопросы к тексту:

1. Какие вещества называются электролитами?

2. Какой процесс называется электролизом?

3. Что такое элементарный электрический заряд?

4. Чему равен элементарный электрический заряд?

5. Запишите первый закон Фарадея.

6. Дайте определение химического эквивалента вещества.

7. По какой формуле находится химический эквивалент вещества?

8. Что показывает химический эквивалент вещества?

9. Запишите второй закон Фарадея.

10. Чему равна постоянная Фарадея?

11. Какие частицы называются ионами?

12. Что представляет собой ток в электролитах?

13. Что такое электролитическая диссоциация?

14. Почему не все растворы проводят электрический ток?

15. Для градуировки каких амперметров используется электролитический способ?

16. С именами каких ученых связано открытие гальванического элемента? Какой вклад внес каждый из них?

17. Какое явление было использовано для построения гальванического элемента?

18. Сформулируйте правило Вольта

19. Что происходило бы ,если бы правило Вольта не соблюдалось?

20. Объясните, почему в замкнутой цепи, состоящей из проводников 1-го класса не идет электрический ток?

21. Что называют элементом Вольта?

22. Какие проводники является проводниками 1 класса?

23. Какие проводники являются проводниками 2 класса?

24. Какие элементы содержит любой гальванический элемент?

25. Какой процесс называется равновесием?

26. Почему при соприкосновении с электролитами все металлы заряжаются отрицательно?

27. Объясните, почему элемент Вольта обладает плохими качествами?

28. Почему поляризация в гальванических элементах является негативным фактором?

29. Зачем нужна деполяризация в гальванических элементах?

Прикладная физика

Аккумуляторы.Явление поляризации, вредное в гальванических элементах, находит, однако, и полезное применение. В 1895 г. Планте показал, что э. д. с. поляри­зации можно, использовать для практического получения электрического тока. Он построил элемент с двумя свинцо­выми электродами, погруженными в раствор серной кисло­ты. Элемент в таком виде не обладает еще э. д. с, так как оба его электрода одинаковы. Если, однако, через такой эле­мент 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 со­ставу, 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 замы­кании на какую-либо цепь может создавать в ней в тече­ние некоторого времени электрический ток. Таким образом, для появления э. д. с. в элементе Планте через него необ­ходимо пропускать в течение известного времени ток от постороннего источника. Этот процесс называется заряд­кой элемента.

Элемент Планте и ему подобные, использующие явление поляризации, называются вторичными элементами или аккумуляторами, так как в них можно запасать (аккуму­лировать) энергию. После израсходования энергии аккуму­лятора его можно вновь зарядить пропусканием тока и по­вторять этот процесс много раз.

Устройство современного свинцового аккумулятора по­казано на рис. 124.

Он состоит из ряда положительных и отрицательных пластин, находящихся в банке с водным раствором (15—20%) серной кислоты. Все положитель­ные пластины соединены между собой, так же как и все отрицательные, благодаря чему 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 металли­ческого свинца, поверхность которого сделана мелкопористой для увеличения дейст­вующей площади электродов (губчатый свинец). Положи­тельные пластины имеют более сложное строение, показанное на рис. 125. При их изготов­лении сначала отливают (или штампуют) раму из свинца, снабженную многими ячейками наподобие пчелиных сотов, и в них впрессовывают специальную массу, состоящую из окислов свинца и связующих веществ. Различные аккумуляторы характеризуются максималь­ным количеством электричества, которое можно получить от них без новой зарядки. Это количество 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, конечно, раз­рядный ток не должен превышать некоторой максимальной силы (для свинцового аккумулятора приблизительно 1 А на каждый квадратный дециметр поверхности положитель­ных 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. Аккумуляторы играют в современной электротехнике важную роль. Так, например, на электрических станциях с неравномерной нагрузкой часто устанавливают, кроме ге­нераторов 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 генерато­рами. Электростанции, использующие энергию ветра, всег­да бывают снабжены аккумуляторами, которые заряжаются в те периоды, когда имеется ветер, а затем уже расходуют за­пасенную 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 генера­тора постоянного тока, а при погружении под воду все механизмы приводятся в движение исключительно от акку­муляторов. Аккумуляторы с успехом применяются в элект­рических грузовых тележках, так называемых электрока­рах, которые должны работать короткие промежутки вре­мени и делать частые остановки и на которых поэтому невыгодна установка двигателей внутреннего сгорания, не­прерывно поглощающих топливо; в автомобилях (зажигание в моторах, освещение); для питания рудничных ламп и еще во многих важных промышленных машинах и приборах. Очень широко распространены аккумуляторы в лабора­торной практике, где они являются хорошими источниками постоянного тока, а также в радиотехнике.

Несмотря на большие преимущества аккумуляторов, ко­торые во многих случаях вытеснили гальванические элемен­ты, последние все еще имеют ряд важных применений: в качестве эталонов напряжения (нормальные элементы), для питания радиоприемников, карманных фонарей, микрокалькуляторов и т. п.

Закон Омадля замкнутой цепи.Закон Ома для участка цепи, позволяет вычис­лить ток, если известно сопротивление участка и напряже­ние на его концах. Очень часто, однако, приходится ре­шать задачи, в. которых напряжение на концах участка 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, вклю­чая и источник тока, и выясним на опыте, от чего зависит ток в этой цепи. Замкнем источник тока, например эле­мент Даниеля, на внешнюю цепь, содержащую амперметр и реостат, и будем перемещать движок рео­стата, 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 глубину погружения цинковой пластины элемента. Ток будет увеличиваться по мере погружения пластины.

Для понимания этого результата вспомним, что напряжение на разомк­нутом элементе, т. е. его э. д. с, со­вершенно не зависит от геометричес­ких размеров и формы элемента. Следовательно, при изменении глуби­ны погружения пластины э. д. с. ис­точника не меняется. В чем же причина изменения тока?

Ток идет как по внешней цепи, так и внутри источника. Но сам источник представляет тоже определенное сопротивление то­ку. Это сопротивление носит название внутреннего сопро­тивления источника. В гальванических элементах оно сла­гается из сопротивления его электродов и главным образом из сопротивления столба электролита между ними. Погру­жая цинковую пластину на различную глубину, мы изме­няем сечение этого столба и вместе с ним внутреннее сопро­тивление элемента. Мы видим, что сила тока зависит так­же от внутреннего сопротивления источника тока.

Полную цепь можно рассматривать как последователь­ное соединение сопротивления внешней цепи и внутреннего сопротивления источника тока. Полное сопротивление цепи представляет собой сумму внутреннего сопротивления ис­точника и сопротивления внешней цепи. Заменим элемент каким-либо другим, имеющим такое же внутреннее сопро­тивление, но другую э. д. с. Мы обнаружим, что ток при этом изменится.

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

Количественный закон, связывающий эти величины, представляет закон Ома для замкнутой цепи: ток в цепи, содержащей источник тока, прямо пропорционален э. д. с. источника и обратно пропорционален полному сопротивле­нию цепи.

Если обозначить э. д. с. источника через E, его внутреннее сопротивление через r, сопротивление внеш­ней цепи через R, а ток через I, то закон Ома предста­вится следующей формулой:

Мы видим, что ток, который способен дать источник, за­висит не только от э. д. с. источника и сопротивления внеш­ней цепи, но еще и от внутреннего сопротивления. Сказан­ное относится, конечно, не только к гальваническим элементам, но и к любым источникам тока, например к акку­муляторам или генераторам постоянного тока.

Напряжение на зажимах источника тока и э, д. с. Из­мерения показывают, что напряжение на зажимах источ­ника тока, замкнутого на внешнюю цепь, зависит от силы отбираемого тока (от «нагрузки») и изменяется с измене­нием последнего. Пользуясь законом Ома, мы можем сей­час разобрать этот вопрос точнее. Из формулы: получаем

где R — сопротивление внешней цепи, а г — внутреннее сопротивление источника. Но к внешней цепи мы вправе применить закон Ома для участка цепи:

Здесь U — напряжение во внешней цепи, т.е. разность потенциалов на зажимах источника. Оно может быть выра­жено с учетом этих двух формул, следующей формулой:

Видно, что при замкнутой цепи напряжение U на зажимах источника тока всегда меньше э.д.с. Напряжение U зависит от силы тока I и только в предельном случае разомкнутой цепи, когда сила тока I=0, напряжение на зажимах равно э.д.с.

Уменьшение напряжения на зажимах источника при наличии тока I легко наблюдать на опыте. Для этого нужно замкнуть какой-либо гальванический элемент на реостат и подключить к зажимам элемента вольтметр (рис. 127).

Перемещая движок реостата, можно видеть, что чем мень­ше сопротивление внешней цепи, т.е. чем больше ток, тем меньше напряжение на зажимах источника. Если сопро­тивление внешней цепи сделать очень малым по сравнению с внутренним сопротивлением источника («вывести» рео­стат), т. е. сделать «короткое замыкание», то напряжение на зажимах делается равным нулю.

Что же касается тока, то он при коротком замыкании достигает своего максимального значения I_max. Сила это­го «тока короткого замыкания» получается из закона, если в нем положить R=0 (т. е. пренебречь сопро­тивлением R по сравнению с r) :

Таким образом, ток короткого замыкания зависит не только от э.д.с., но также и от внутреннего сопротивления источника. Поэтому короткое замыкание представляет различную опасность для разных источников тока. Короткие замыкания гальванического элемента сравни­тельно безвредны, так как при небольшой э. д. с. элемен­тов их внутреннее сопротивление велико, и поэтому токи короткого замыкания малы. Такие токи не могут вызвать серьезные разрушения, и поэтому к изоляции проводов в целях, питаемых элементами (звонки, телефоны и т. п.), не предъявляют особо высоких требований. Иное дело си­ловые или осветительные цепи, питаемые мощными генераторами. При значительной э. д. с. (100 и более вольт) внутреннее сопротивление этих источников ничтожно ма­ло, и поэтому ток короткого замыкания может достигнуть огромной силы. В этом случае короткое замыкание может привести к расплавлению проводов, вызвать пожар и т. д. Поэтому к устройству и изоляции таких цепей предъявля­ют строгие технические требования, которые ни в коем слу­чае нельзя нарушать без риска вызвать опасные послед­ствия. Такие цепи всегда снабжаются предохранителями и притом нередко в различных местах: общий пре­дохранитель (при главном вводе), групповые и штепсель­ные предохранители.

Соединение источников тока.Очень часто источники тока соединяют между собой для совместного питания цепи. Составим цепь гальванических элементов так, чтобы по­ложительный полюс каждого предыдущего элемента сое­динялся с отрицательным полюсом последующего (рис. 130).

Если цепь составлена, например, из элементов Вольты, то медный электрод каждого элемента имеет потенциал на 1,1В выше, чем цинковый электрод того же элемента. Мед­ный и цинковый электроды двух соседних элементов соеди­нены проводником и, следовательно, имеют одинаковый потенциал. Поэтому разность потенциалов между медью вто­рого элемента и цинком первого будет уже 1,1 + 1,1=2,2 В,

При последовательном соединении проводников их со­противления складываются. Поэтому и внутреннее сопротивление батареи из последовательно соединенных источников равно сумме внутренних сопротивлений отдель­ных источников.

Наоборот, соединяя одноименные полюсы двух элементов одинакового типа (включение «навстречу друг другу», рис. 131, а), мы не получаем, между крайними полюсами ни напряжение гальванических элемен­тов совершенно не зависит от их размеров; оно определяется только материалом пластин и применяемой жидкостью.

Если мы соединим проводником два свободных одноименных полю­са элементов, соединенных «на­встречу друг другу» (рис. 131, б), то в образовавшейся замкнутой цепи тока не будет, если э. д. с. обоих элементов равны, так как в этом случае результирующая э. д. с, равная разности обеих э. д. с. отдельных элементов, равна нулю. Если же э. д. с. этих.элементов различны, то результирующая э. д. с. не равна нулю, и в цепи будет идти ток. Источником этого тока будет элемент с большей э. д. с, а элемент с меньшей э. д. с. будет представлять собой для него просто нагруз­ку (электролитическую ванну).

Соединим теперь между собой все положительные и все отрицательные полюсы двух или нескольких элементов или иных источников тока и присоединим внешнюю цепь (нагрузку) к общим зажимам составленной таким образом батареи элементов (рис. 132). Такое соединение источников тока для совместного питания одной и той же цепи называ­ют параллельным.

Если все параллельно соединенные элементы имеют оди­наковые э. д. с, то такова же будет и э. д. с. всей батареи. Если же эти элементы имеют различные э. д. с, то э. д. с. батареи равна наибольшей из э. д. с. параллельно соеди­ненных элементов.

Между этими двумя случаями есть, однако, существен­ное различие. Если э. д. с. всех элементов одинаковы, то при разомкнутой внешней цепи ток через цепь, состоящую только из элементов, идти не будет, и ни один из этих эле­ментов не будет расходоваться. Если же э. д. с. их различ­ны, то и при разомкнутой внешней цепи более сильные эле­менты, будут посылать ток через более слабые и изнашивать­ся. При работе такой батареи на внешнюю цепь также часть тока от более сильных элементов будет ответвляться и идти через более слабые. Это невыгодно, и потому на практике всегда соединяют параллельно только элементы с одинако­вой э. д. с.

Сопротивление параллельно соединяемых элементов мо­жет быть одинаковым или различным. Общее сопротивле­ние батареи, которое мы можем вычислить по формуле для определения параллельно соединенных сопротивлений, всег­да меньше, чем сопротивление каждого из элементов в от­дельности. В частности, внутреннее сопротивление бата­реи из п элементов с одинаковым внутренним сопротивле­нием в п раз меньше, чем сопротивление отдельного эле­мента.

Идеальный газ

Реальный газ — достаточно сложная система. Простейшая физическая модель реального газа — иде­альный газ.

Под моделью в физике понимают не увеличенную или уменьшенную копию реального объекта. Физическая модель — это упрощенная схематическая копия исследуемой реальной системы. Модель должна отражать наиболее существенные, наиболее характерные свойства системы. В модели газа принимаются во внимание лишь те основные свойства молекул, учет которых необходим для объяснения закономерностей поведения реального газа в определенных интервалах давления и температуры.

В молекулярно-кинетической теории идеальным газом называют газ, состоящий из молекул, взаимодействие меж­ду которыми пренебрежимо мало.Иными словами, предпо­лагается, что средняя кинетическая энергия молекул идеаль­ного газа во много раз больше потенциальной энергии их взаи­модействия. Именно данная модель реального газа приводит к уравнению состояния (3.9.9). Поэтому термодинамическое оп­ределение идеального газа как газа, подчиняющегося уравне­нию состояния Менделеева—Клапейрона, находится в полном соответствии с приведенным выше молекулярно-кинетическим определением идеального газа.

Реальные газы ведут себя подобно идеальному газу при до­статочно больших разрежениях, т. е. когда среднее расстоя­ние между молекулами во много раз больше их размеров.В этом случае силами притяжения между молекулами можно пренебречь. Силы их отталкивания проявляются в течение ничтожно малых промежутков времени при столкновениях молекул друг с другом.