Гальванічні елементи: принцип дії та різновиди
Сьогодні гальванічні елементи є одними з найбільш поширених хімічних джерел струму. Незважаючи на їхні недоліки, вони активно використовуються в електротехніці і постійно удосконалюються.
Принцип дії
Найбільш простий приклад роботи гальванічного елемента виглядає так. У скляну банку з водним розчином сірчаної кислоти занурюють дві пластини: одна - мідна, друга - цинкова. Вони стають позитивним і негативним полюсами елемента. Якщо ці полюси з'єднати провідником, вийде найпростіша електрична ланцюг. Усередині елемента струм буде текти від цинкової пластини, що має негативний заряд, до мідної, зарядженої позитивно. У зовнішній ланцюга рух заряджених частинок буде відбуватися у зворотному напрямку.
Під дією струму іони водню і кислотного залишку сірчаної кислоти будуть рухатися в різних напрямках. Водень буде віддавати свої заряди мідній пластині, а кислотний залишок - цинкової. Так на затискачах елемента буде підтримуватися напругу. У той же час на поверхні мідної пластини будуть осідати бульбашки водню, який буде послаблювати дію гальванічного елемента. Водень створює разом з металом пластини додаткове напруження, яке називається електрорушійної силою поляризації. Напрямок заряду цієї ЕРС протилежно напрямку заряду ЕРС гальванічного елемента. Самі ж бульбашки створюють додатковий опір в елементі.
Розглянутий нами елемент - це класичний приклад. У реальності подібні гальванічні елементи просто не використовуються через великої поляризації. Щоб вона не відбувалася, при виготовленні елементів в їх склад вводять спеціальну речовину, що поглинає атоми водню, яке називається деполяризатором. Як правило, це препарати, що містять кисень або хлор.
Переваги та недоліки сучасних гальванічних елементів
Сучасні гальванічні елементи виготовляються з різних матеріалів. Найбільш поширений і знайомий нам тип - це вугільно-цинкові елементи, що застосовуються в пальчикових батарейках. До їх плюсів можна віднести відносну дешевизну, до мінусів - невеликий термін зберігання і невисоку потужність.
Більш зручний варіант - це лужні гальванічні елементи. Їх ще називають марганцево-цинковими. Тут електролітом служить не суху речовину типу вугілля, а лужний розчин. Розряджаючись, такі елементи практично не виділяють газ, завдяки чому їх можна виготовляти герметичними. Термін зберігання таких елементів вище, ніж вугільно-цинкових.
Ртутні елементи схожі за своєю конструкцією на лужні. Тут застосовують оксид ртуті. Такі джерела струму використовують, наприклад, для медичної апаратури. Їх переваги - стійкість до високих температур (до +50, а в деяких моделях до +70? С), стабільну напругу, висока механічна міцність. Недолік - токсичні властивості ртуті, через які з відпрацьованими свій термін елементами потрібно поводитися дуже обережно і відправляти на переробку.
У деяких елементах застосовують оксид срібла для виготовлення катодів, але через дорожнечу металу їх використання економічно невигідно. Більш поширені елементи з літієвими анодами. Вони теж відрізняються високою вартістю, але мають найбільшу напругу серед всіх розглянутих типів гальванічних елементів.
Ще один тип гальванічних елементів - це концентраційні гальванічні елементи. У них процес руху частинок може протікати з переносом і без переносу іонів. Перший тип - це елемент, в якому два однакових електрода занурюються в розчини електроліту різної концентрації, розділені напівпроникною перегородкою. У таких елементах ЕРС виникає завдяки тому, що іони переносяться в розчин з меншою концентрацією. В елементах другого типу електроди зроблені з різних металів, а концентрація вирівнюється за рахунок хімічних процесів, які відбуваються на кожному з електродів. Електрорушійна сила у цих елементів вище, ніж у елементів першого типу.