Гальванический элемент

Гальванический элемент – это источник электрической энергии, принцип действия которого основан на химических реакциях. Большинство современных батареек и аккумуляторов подпадает под это определение и относится к рассматриваемой категории. Физически гальванический элемент состоит из проводящих электродов, погруженных в одну или две жидкости (электролиты).

Общая информация

Начать следовало бы с того, что гальванические элементы делятся на первичные и вторичные в соответствии со способностью вырабатывать электрический ток. Те и другие являются источниками и служат для различных целей. Но первые вырабатывают ток в ходе химической реакции, а вторые функционируют только после зарядки. Ниже будут обсуждаться и те, и другие. По количеству жидкостей различают две группы гальванических элементов:

  1. Ярким примером приборов с одной жидкостью является не только вольтов столб (1800 год), но и элемент Волластона, которым пользовался первоначально Георг Ом в своих исследованиях. Он состоял из медных пластин, свёрнутых в полые цилиндрической форму поверхности: одна вставлена в другую. Обе ограждены от соприкосновения при помощи деревянных распорок. Электролитом служит разбавленная серная кислота. В результате происходит удвоение рабочих поверхностей. В ходе реакции образуется сульфат меди с выделением водорода, а цинк окисляется. В батарейках один из электродов обычно угольный.

    Источник электрической энергии

    Источник электрической энергии

  2. В элементах с двумя жидкостями используется электролит с избытком кислорода для погружения того электрода, где образуется водород. В результате происходит химическая реакция образования воды, а нестабильность тока компенсируется и сглаживается. Первым идею использования таких источников выдвинул в 1829 году Беккерель. Первоначально для разделения ёмкостей использовался сосуд из слабо обожжённой глины, обладавший хорошей пористостью. Для компенсации выделения водорода на медном электроде можно использовать синий купорос.

Непостоянство источников питания с одной жидкостью заметил ещё Ом, когда открыл неприемлемость гальванического элемента Волластона для своих экспериментов по исследованию электричества. Динамика процесса такова, что в начальный момент времени ток велик и растёт какое-то время, затем за несколько часов падает до среднего значения. Современные аккумуляторы тоже очень капризны.

История открытия химического электричества

Не так широко известен тот факт, что ещё в 1752 году гальваническое электричество упоминалось Иоганном Георгом. Издание Исследование происхождения приятных и неприятных ощущений, выпущенное Берлинской академией наук, даже давало этому явлению вполне правильное толкование. Опыт заключался в том, чтобы серебряную и свинцовую пластины соединить с одного конца, а противоположные с разных сторон приложить к языку. Тогда на рецепторах наблюдается вкус железного купороса. Читатели уже догадались, что этот способ проверки батареек многие использовали в СССР.

Химическое электричество

Химическое электричество

Объяснение явлению было дано следующее: видимо, имеются некие частицы металла, которые раздражают рецепторы языка. Частицы испускаются одной из пластин при их соприкосновении. Причём один из металлов при этом растворяется. Собственно, это и есть принцип действия гальванического элемента, где цинковая пластина постепенно исчезает, отдавая энергию химических связей электрическому току. И сделано это объяснение было за полвека до официального доклада Королевскому обществу Лондона Алессандро Вольта об открытии первого источника питания. Но, как это бывает со многими открытиями, например, электромагнитным взаимодействием, опыт не был замечен широкой научной общественностью и исследован должным образом.

Добавим, что это по-видимому связано с недавней тогда ещё отменой преследования за колдовство: немногие решались после печального опыта «ведьм» на изучение непонятных явлений. Не так обстояло дело с Луиджи Гальвани, который с 1775 года работал на кафедре анатомии в Болонье. Его специализаций были раздражители нервной системы, но светило оставил значимый след вовсе не в области физиологии. Ученик Беккарии активно занимался и электричеством. Во второй половине 1780 года, как это следует из воспоминаний самого учёного (1791, De Viribus Electricitatis in Motu Muscylary: Commentarii Bononiensi, том 7, стр. 363), в очередной раз производилось препарирование лягушки (опыты длились долгие годы и после этого).

Читайте также:  Токопроводящая паста

Примечательно, что необычное явление было подмечено ассистентом, в точности так, как это было, например, с отклонением стрелки компаса проводом с электрическим током: открытие сделали лишь косвенно связанные с научными исследованиями люди. Наблюдение касалось подергиваний нижних конечностей лягушки. В ходе опыта ассистент задел внутренний бедренный нерв препарируемого животного, и ножки дёрнулись. Рядом, на столе стоял электростатический генератор, и на нем проскочила искра. Луиджи Гальвани немедленно загорелся идеей повторить этот опыт. Что достаточно просто удалось. И опять на машине проскочила искра.

Опыты Луиджи Гальвани

Опыты Луиджи Гальвани

Была проведена параллель связи с электричеством, и Гальвани возжелал узнать будет на лягушку действовать подобным образом гроза. Оказалось, что природные катаклизмы не оказывают заметного воздействия. Лягушки, прикреплённые медными крючками за спинной мозг к железной ограде, дёргались вне зависимости от погодных условий. И хотя опыты не удавалось реализовать со 100-процентной повторяемостью, едва ли здесь своё действие оказывала атмосфера. В итоге Гальвани нашёл сонм пар, составленных из разных металлов, которые при соприкосновении между собой и нервом вызывали подёргивание лапок у лягушки. Сегодня это явление объясняют различной степенью электроотрицательности материалов. Например, известно, что нельзя алюминиевые пластины клепать медью, потому что они составляют гальваническую пару с ярко выраженными свойствами.

Гальвани совершенно справедливо заметил, что образуется замкнутая электрическая цепь, предположил, что лягушка содержит в себе животное электричество, которое разряжается подобно лейденской банке. Среди тех, кто такое объяснение не приемлет, Алессандро Вольта. Внимательно изучив описание экспериментов, он выдвинул объяснение, что ток возникает при объединении двух металлов, непосредственно или через электролит тела биологического существа. Причина возникновения тока кроется в материалах, а лягушка служит не более чем индикатором явления. Вот цитата Вольты из письма, адресованного редактору научного журнала:

Проводники первого рода (твёрдые тела) и второго рода (жидкости) при соприкосновении в некоторой комбинации рождают импульс электричества, и на данный момент нельзя объяснить причины возникновения явления. Ток течёт по замкнутому контуру и исчезает, если целостность цепи нарушена.

Вольтов столб

Свою лепту в череду открытий внёс Джованни Фаброни, сообщивший, что при размещении двух пластинок гальванической пары в воду, одна из них начинает разрушаться. Следовательно, явление имеет какое-то отношение к химическим процессам. А Вольта, тем временем, изобрёл первый источник питания, который долгое время служил для исследования электричества. Он постоянно искал способы усиления действия гальванических пар, но не находил. В ходе опытов была создана конструкция вольтова столба:

  1. Попарно брались цинковые и медные кружки в плотном соприкосновении друг с другом.
  2. Полученные пары разделялись мокрыми кружками картона и ставились друг над другом.

Как можно легко догадаться, получилось последовательное соединение источников тока, которые суммируясь, усиливали эффект (разность потенциалов). Новый прибор вызывал при прикосновении ощутимый для руки человека удар. Совсем как в опытах Мушенбрука с лейденской банкой. Однако для повторения эффекта требовалось некоторое время. Стало очевидно, что источник энергии имеет химическое происхождение и постепенно возобновляется. Но привыкнуть к тому, что это электричество, было не так просто. Конечно, вольтов столб вёл себя подобно заряженной лейденской банке, но…

Эксперимент Вольта

Эксперимент Вольта

Вольта организует ещё один эксперимент. Снабжает каждый из кружков изолирующей ручкой, приводит в соприкосновение на некоторое время, затем размыкает и проводит исследование электроскопом. К тому времени уже был известен закон Кулона, поэтому выясняется, что цинк зарядился положительно, а медь – отрицательно. Первый материал отдал свои электроны второму. По этой причине цинковая пластина вольтова столба постепенно разрушается. Для изучение работы назначили комиссию, которой и представили доводы Алессандро. Уже тогда путём умозаключений он установил, что напряжение отдельных пар складывается.

Читайте также:  Аналоговый сигнал

Вольта также объяснил, что без мокрых кружков, прокладываемых между металлами, вся конструкция ведёт себя, как две пластинки: медная и цинковая. Усиления не происходит. Вольта даже нашёл первый ряд электроотрицательности: цинк, свинец, олово, железо, медь, серебро. И если исключить все промежуточные металлы между крайними, то «движущая сила» не изменяется. Так Вольта установил, что электричество существует, пока соприкасаются пластины: мы не можем увидеть эту силу, но легко её чувствуем, так что она вполне реальна. Учёный 20 марта 1800 года пишет президенту Королевского общества Лондона сэру Джозефу Бэнксу, тому самому, к которому обращался впервые и Майкл Фарадей.

Английские исследователи быстр обнаружили, что если на верхнюю пластину (медь) капнуть воды, то в этой точке в районе контакта выделяется газ. Они проделали то же самое с обоих сторон: провода подходящей цепи заключили в колбы с водой. Газ исследовали. Оказалось, что он горючий, и выделяется лишь с одной стороны. С противоположной заметно окислилась сама проволока. Было установлено, что первое является водородом, а второе явление происходит вследствие избытка кислорода. Было установлено (2 мая 1800 года), что наблюдаемый процесс не что иное, как разложение воды под действием электрического тока.

Уильям Крукшенк немедленно показал, что то же самое можно проделать с растворами солей металлов, а Волластон окончательно доказал идентичность вольтова столба статическому электричеству. Как выразился сам учёный: действие более слабое, но обладает большей продолжительностью. Мартин Ван Марум и Христиан Генрих Пфафф зарядили от элемента лейденскую банку. А профессор Хампфри Дэви установил, что чистая вода не может служить в этом случае электролитом. Напротив, чем сильнее жидкость способна окислять цинк, тем лучше действует вольтов столб, что вполне согласовывалось с наблюдениями Фаброни.

Кислота намного улучшает работоспособность, ускоряя процесс выработки электричества. В конце концов Дэви создал боле менее стройную теорию вольтова столба. Он пояснил, что металлы изначально обладают неким зарядом, которые при замыкании контактов вызывает действие элемента. Но если электролит способен окислять поверхность донора электронов, то слой истощённых атомов постепенно удаляется, открывая новые слои, способные давать электричество.

В 1803 году Риттер собрал столб из чередующихся кружков серебра и мокрого сукна. Это был прообраз первого аккумулятора. Риттер зарядил его от вольтова столба и наблюдал процесс разрядки. Правильное толкование явлению дал Алессандро Вольта. И лишь в 1825 году Огюст де ла Рив доказал, что перенос электричества в растворе осуществляется ионами вещества, наблюдая образование оксида цинка в камере с чистой водой, отделённой от соседней мембраной. Это заявление помогло Берцелиусу создать физическую модель, в которой атому электролита представлялись составленными из двух противоположно заряженных полюсов (ионов), которые могли диссоциировать. В результате получилась стройная картина переноса электричества на расстояние.