Химические источники тока - гальванические элементы

Содержание

В гальванический элемент или гальванический элемент — это тип электрохимического элемента, который состоит из двух разных металлов, погруженных в две половинные ячейки, в которых соединение в растворе активирует спонтанную реакцию.

Затем один из металлов в одной из полуэлементов окисляется, в то время как металл в другой половине ячейки восстанавливается, производя обмен электронами через внешнюю цепь. Это позволяет использовать электрический ток.

Название «гальванический элемент» дано в честь одного из пионеров экспериментов с электричеством: итальянского врача и физиолога Луиджи Гальвани (1737-1798).

В 1780 году Гальвани обнаружил, что если кабели из разнородных металлов соединить одним концом, а свободные концы привести в контакт с бедром (мертвой) лягушки, то произойдет сжатие.

Однако первым, кто построил электрохимический элемент для производства электричества, был также итальянец Алессандро Вольта (1745-1827) в 1800 году, отсюда и альтернативное название гальванического элемента.

Что такое «плюс» и «минус» в электричестве

Электроэнергия приходит в дом по проводам, протянутым от подстанции, которая получает энергию от источника, вырабатывающей ее (гидро-, тепло-, атомной электростанции). В зависимости от необходимого потребления мощности, различают вольтаж. Для крупных промышленных предприятий используют ток в 1000В, любая многоэтажка потребляет много энергии, для работы лифта необходимо 380В, а в квартирах – 220В.

Схема подводки электричества к дому

Иногда, в частных домах может быть использовано напряжение в 380В, если потребление довольно высокое и требует большой мощности. Для таких домов используют кабель в 5 жил (5 проводников). Эту сеть называют трехфазной, где 3 жилы-фазы разветвляются на потребителей, 1 жила – нулевая и 1 жила — заземляющая.

Трехфазный кабель

Важно! Электрический ток всегда движется в одном направлении и для правильной работы ему нужен замкнутый круг. В стандартных квартирах рабочим напряжением является 220В, называется такая сеть однофазной, и в ней используется 2 или 3 проводника. Если в квартиру заведен 3‐х жильный кабель, то, для подключения розеток, рекомендуется использовать все 3 жилы, где 3-я используется для безопасности – заземление

В любом случае, в таком проводе только 1 сердечник под напряжением (фаза – это «плюс» или «минус»)

Если в квартиру заведен 3‐х жильный кабель, то, для подключения розеток, рекомендуется использовать все 3 жилы, где 3-я используется для безопасности – заземление. В любом случае, в таком проводе только 1 сердечник под напряжением (фаза – это «плюс» или «минус»)

В стандартных квартирах рабочим напряжением является 220В, называется такая сеть однофазной, и в ней используется 2 или 3 проводника. Если в квартиру заведен 3‐х жильный кабель, то, для подключения розеток, рекомендуется использовать все 3 жилы, где 3-я используется для безопасности – заземление. В любом случае, в таком проводе только 1 сердечник под напряжением (фаза – это «плюс» или «минус»).

Итак, обычный электрический кабель для однофазной сети имеет 2 или 3 жилы:

Фаза («плюс») — провод, по которому напряжение приходит к электроприбору. Это энергия, на которой работают все электроприборы, освещение.
Ноль («минус») — провод, по которому ток возвращается. Также, ноль выравнивает фазное напряжение.
Заземление – нужно для защиты человека от удара электротоком, при повреждении изоляции или неисправности электроприбора.

Однофазный провод

Соединять «плюс» с «минусом» нельзя, произойдет короткое замыкание, что приведет к отсечению электричества автоматическим выключателем или выбиванию пробок.

Важно! Автоматический выключатель не сработает при неисправном электроприборе и потребителя ударит током. Чтобы этого не произошло, используют заземление. Если заземление в доме не предусмотрено, устанавливают УЗО для зашиты человека от поражения электрическим током

Если заземление в доме не предусмотрено, устанавливают УЗО для зашиты человека от поражения электрическим током.

Принцип работы гальванического элемента

Работа гальванического элемента осуществляется за счет движения электронов от одного металлического контакта к другому. Идет некое химическое превращение. Подробнее про термодинамику гальванического элемента и образование гальванического электричества читайте здесь.

Ответы на часто задаваемые вопросы

Гальванический/ая	Разъяснение
Батарея	Источник энергии работающий за счет процессов, происходящих в ограниченном миниатюрном пространстве. В частности, энергия появляется, когда идет химическая реакция.
Элемент Вольта или Вольтов столб	Это энергетический элемент впервые созданный ученым по фамилии Вольт.
Процесс	Взаимодействие между химическими элементами в результате которого образуется электрический ток.
Разряд	Это завершение протекания химической реакции. То есть взаимодействия между веществами не будет.Гальванический разряд есть в игре Warframe. По сути это модификация, которая находится в большом дефиците. Ее используют для холодного оружия. Полярность V2.
Гальванический контакт	Это контакт между электродами и раствором.
Эффект	Появление разности между двумя контактами из 2-х типов металлов. Величина зависит от температуры и химии проводников. По сути это первый закон Вольта.
Соединение/связь/цепь	Объединение 2-х и более участков электрической цепи с источником тока.
Гальванический заряд	Наполнение батареи энергией.

Гальваника – это протекание химических процессов с использование электрического тока. В ходе реакция сокращается количество растворенных катионов металла до такой степени что в конечном итоге они создают единое покрытие на металлическом электроде. В итоге предмет получается более прочным, исчезают небольшие вмятины и его вид становится более привлекательным.

Символическое изображение гальванического элемента

Гальванический элемент на рисунке 2 условно представлен следующим образом:

Znили_(s)| Zn2+_(ac) (1M) || Cu2+_(ac) (1M) | Cuили_(s)

По соглашению металл, который окисляется и образует анод (-), всегда располагается слева, а его ион в водном состоянии отделяется полосой (|). Анодная полуячейка отделена от катодной двумя перемычками (||), которые представляют солевой мостик. Справа находится металлическая полуячейка, уменьшенная и образующая катод (+).

В символическом представлении гальванического элемента крайний левый угол всегда представляет собой окисленный металл, а металл, который восстанавливается, помещается в крайнее правое положение (в твердом состоянии). Следует отметить, что на фиг. 2 половинные ячейки расположены в обратном положении по отношению к обычному символическому представлению.

Советы по эксплуатации аккумуляторов

А теперь самые простые советы, которые помогут прослужить вашим аккумуляторам максимально долго.

Берегите элементы питания от огня и воды – оба фактора чреваты выходом из строя.
Чрезмерное охлаждение и нагревание, а также резкая смена температур тоже губительны.
Применяйте соответствующий вашему аккумулятору тип зарядки, коих есть аж 4 штуки.
Первый – это медленный заряд низким постоянным током. Происходит он в течение довольно длительного времени – до 18 часов. Такой метод подходит почти для всех аккумуляторов и является самым безопасным.
Второй – быстрый заряд. Происходит в течение 3-5 часов при постоянном токе в 1/3С.
Третий – дельта V заряд (ускоренный) — начальные ток равен номинальной емкости элемента, напряжение постоянно меняется. Заряд происходит за 1-1,5 часа. При этом возможен перегрев и разрушение устройства.
Четвертый тип называется реверсивным. При нем длинные импульсы заряда сменяются короткими импульсами разряда. Такой метод наиболее полезен для аккумуляторов с «эффектом памяти».

На этом закончим наш обзор. Мы разобрали электрохимические источники тока и получили простейшее представление об их работе. Если вы хотите изучить тему глубже, то уже не обойтись без учебных пособий и видео, которые можно легко отыскать в сети.

Нормативные документы

Учитывая большое количество электроэлементов, для их буквенно-цифровых (далее БО) и условно графических обозначений (УГО) был разработан ряд нормативных документов исключающих разночтение. Ниже представлена таблица, в которой представлены основные стандарты.

Таблица 1. Нормативы графического обозначения отдельных элементов в монтажных и принципиальных электрических схемах.

Читать также: Сип кабель на 380

Номер ГОСТа	Краткое описание
2.710 81	В данном документе собраны требования ГОСТа к БО различных типов электроэлементов, включая электроприборы.
2.747 68	Требования к размерам отображения элементов в графическом виде.
21.614 88	Принятые нормы для планов электрооборудования и проводки.
2.755 87	Отображение на схемах коммутационных устройств и контактных соединений
2.756 76	Нормы для воспринимающих частей электромеханического оборудования.
2.709 89	Настоящий стандарт регулирует нормы, в соответствии с которыми на схемах обозначаются контактные соединения и провода.
21.404 85	Схематические обозначения для оборудования, используемого в системах автоматизации

Следует учитывать, что элементная база со временем меняется, соответственно вносятся изменения и в нормативные документы, правда это процесс более инертен. Приведем простой пример, УЗО и дифавтоматы широко эксплуатируются в России уже более десятка лет, но единого стандарта по нормам ГОСТ 2.755-87 для этих устройств до сих пор нет, в отличие от автоматических выключателей. Вполне возможно, в ближайшее время это вопрос будет урегулирован. Чтобы быть в курсе подобных нововведений, профессионалы отслеживают изменения в нормативных документах, любителям это делать не обязательно, достаточно знать расшифровку основных обозначений.

Гальванотехника

Процессы осаждения металлов в результате химической реакции под воздействием электрического тока (при электролизе) называют гальванотехникой. Таким образом мир получил посеребренные, золоченные, хромированные или покрытые другими металлами украшения и детали. Этот процесс используют как в декоративных, так и в прикладных целях – для улучшения стойкости к коррозии различных узлов и агрегатов механизмов.

Принцип действия установок для нанесения гальванического покрытия лежит в использовании растворов солей элементов, которыми будут покрывать деталь, в качестве электролита.

В гальванике анод также является электродом, к которому подключаются плюсовой вывод источника питания, соответственно катод в этом случае – это минус. При этом металл осаждается (восстанавливается) на минусовом электроде (реакция восстановления). То есть если вы хотите сделать позолоченное кольцо своими руками – подключите к нему минусовой вывод блока питания и поместите в ёмкость с соответствующим раствором.

Основные свойства катодов

Любой электровакуумный прибор имеет электрод, предназначенный для испускания (эмиссии) электронов. Этот электрод называется катодом. Электрод, предназначенный для приема эмиттированных катодом электронов, называется анодом. На анод подают более высокий и положительный относительно катода потенциал. Катод должен отдавать с единицы поверхности большой ток эмиссии при возможно низкой температуре нагрева и обладать большим сроком службы. Нагрев катода в электровакуумном приборе производится протекающим по нему током.

Будет интересно Что такое шаговое напряжение и чем оно опасно

Такие термоэлектронные катоды разделяются на две основные группы:

катоды прямого накала,
катоды косвенного накала (подогревные).

Катоды прямого накала представляют собой металлическую нить, которая непосредственно разогревается током накала и служит для излучения электронов.Поверхность излучения катодов прямого накала невелика, поэтому от них нельзя получить большой ток эмиссии. Малая теплоемкость нити не позволяет использовать для нагрева переменный ток. Кроме того, при нагреве переменным током температура катода не постоянна во времени, а следовательно, меняется во времени и ток эмиссии.

Положительным свойством катода прямого накала является его экономичность, которая достигается благодаря малому количеству тепла, излучаемого в окружающую среду вследствие малой поверхности катода. Катоды прямого накала изготовляются из вольфрамовой и никелевой проволоки. Однако большая работа выхода (W = 4,2÷4,5 в) определяет высокую рабочую температуру катода, вследствие чего катод становится неэкономичным. Для повышения экономичности катода вольфрамовую или никелевую проволоку (керн) «активируют» — покрывают пленкой другого элемента. Такие катоды называются активированными.

Если на поверхность керна нанесена электроположительная пленка (пленка из цезия, тория или бария, имеющих меньшую работу выхода, чем материал керна), то происходит поляризация пленки: валентные электроны переходят в керн, и между положительно заряженной пленкой и керном возникает разность потенциалов, ускоряющая движение электрона при выходе его из керна.

Работа выхода катода с такой мономолекулярной электроположительной пленкой оказывается меньше работы выхода электрона как из основного металла, так и из металла пленки. При покрытии керна электроотрицательной пленкой, например кислородом, работа выхода катода увеличивается. Подогревные катоды выполняются в виде никелевых гильз, поверхность которых покрывается активным слоем металла, имеющим малую работу выхода. Внутри катода помещается подогреватель— вольфрамовая нить или спираль, подогрев которой может осуществляться как постоянным, так и переменным

Как работает гальванизация.

током.

Для изоляции подогревателя от гильзы внутренность последней покрывается алундом (Аl2O3). Подогревные катоды, благодаря их большой тепловой инерции, обычно питают переменным током, значительная поверхность гильзы обеспечивает большой эмиссионный ток. Подогревные катоды, однако, менее экономичны и разогреваются значительно дольше, чем катоды прямого накала.

Как работает батарейка

Рассмотрим как работает электрическая батарейка и какие реакции взаимодействия происходят между ее химическими компонентами:

Отрицательно заряженные ионы гидроксида (2OH-) взаимодействуют с цинком (Zn) в анодной секции. В результате химической реакции окисления получается гидроксид цинка (Zn(OH)2) и высвобождаются молекула воды и отрицательно заряженные электроны. Эти электроны теперь свободны для перемещения, и они собираются на латунном штыре (токоотводе отрицательного электрода).
В то же время диоксида марганца (2MnO2) соединяется с молекулой воды (H2O) из электролита, а также со свободным электроном. Во время такой химической реакции восстановления диоксид марганца превращается в оксид марганца (Mn2O3). Оксид марганца больше не нуждается в атоме гидроксид-иона, поэтому он будет выбрасывать его в электролит.
Таким образом, появляется скопление электронов на отрицательном конце батарейки. Поскольку больше отрицательно заряженных электронов на отрицательном полюсе по сравнению с положительным, образуется разность напряжений между ними, и эту разность можно измерить с помощью мультиметра.
Электроны отталкиваются друг от друга и хотят переместиться в область с меньшим количеством электронов. Но сепаратор не позволяет им течь внутри батареи, чтобы достичь положительной клеммы. Если обеспечить электронам внешний путь (например подключив лампочку), то электроны будут течь через него и выполнять работу (заставлять лампу светится).

Наглядно понять, как работает батарейка и что у нее происходит внутри, можно, ознакомившись с представленной ниже видео демонстрацией.

Нормативные документы

Читать также: Наждак своими руками из стиральной машины видео

Номер ГОСТа	Краткое описание
2.710 81	В данном документе собраны требования ГОСТа к БО различных типов электроэлементов, включая электроприборы.
2.747 68	Требования к размерам отображения элементов в графическом виде.
21.614 88	Принятые нормы для планов электрооборудования и проводки.
2.755 87	Отображение на схемах коммутационных устройств и контактных соединений
2.756 76	Нормы для воспринимающих частей электромеханического оборудования.
2.709 89	Настоящий стандарт регулирует нормы, в соответствии с которыми на схемах обозначаются контактные соединения и провода.
21.404 85	Схематические обозначения для оборудования, используемого в системах автоматизации

Как устроен гальванический элемент Даниэля-Якоби, или Так где же все-таки электрический ток?

Известно, что электрический ток – это направленное движение заряженных частиц (электронов).

На активном металле скапливаются электроны, а поверхность малоактивного металла, заряжается положительно. Если соединить проводником (например, металлической проволокой) оба металла, то электроны с одного перейдут на другой, а двойной электрический слой перестанет существовать. Это будет означать возникновение электрического тока.

Причем, ток возникает за счет окислительно-восстановительного процесса: активный металл окисляется (так как отдает электроны малоактивному), а малоактивный металл восстанавливается (так как принимает электроны от активного). Металлы друг с другом не соприкасаются, а взаимодействуют через посредника: внешнего проводника. Данная схема и есть схема гальванического элемента. Именно так устроен и работает гальванический элемент Даниэля-Якоби:

В схеме элемента показан «солевой мостик». Он представляет собой трубку, в которой присутствует электролит, не способный взаимодействовать ни с электродами (катодом или анодом), ни с электролитами в пространствах у электродов. Например, это может быть раствор сульфата натрия Na₂SO₄. Подобный мостик нужен для того, чтобы уравновешивать (нейтрализовать) заряды, образующиеся в растворах гальванического элемента.

Таким образом, возникшая электрическая цепь замыкается: анод → проводник с гальванометром → катод → раствор в катодном пространстве → «солевой мостик» → раствор в анодном пространстве → анод.

Анод – электрод, на котором происходит окисление (цинковая пластинка):

Электроны цинка Zn отправляются по внешней цепи (то есть по проводнику) на катод.

Катод – электрод, на котором происходит восстановление (медная пластинка):

Катионы меди Cu 2+ , пришедшие на пластинку из раствора сульфата меди (II), получают электроны цинкового анода.

В общем виде весь процесс окисления-восстановления в гальваническом элементе выглядит так:

Для любого гальванического элемента можно составить запись в виде схемы. Например, для приведенного элемента Даниэля-Якоби она будет выглядеть так:

3 – скачок потенциала (граница раздела фаз);

4 – электролит в анодном пространстве;

5 – электролит в катодном пространстве;

6 – граница между растворами (солевой мостик).

Или сокращенно:

Принцип работы

Литиевая батарея известна как «электронный насос» из-за носителей заряда, перемещающихся между двумя электродами во время зарядки и разрядки. Электрическое (насосное) давление или разность потенциалов между положительной и отрицательной клеммами называется напряжением или электродвижущей силой (ЭДС). Свободная энергия, связанная с переносом электронов вокруг внешней цепи и ионов лития между двумя интеркалирующими электродами, связана с разницей в химическом потенциале лития в двух электродах.

Элементы батареи накапливают энергию химически в своих электроактивных материалах. Эта химическая энергия преобразуется в электрическую энергию по требованию, посредством электрохимической реакции окисления-восстановления.

Аккумуляторная батарейка

Клетки построены в разряженном состоянии. При зарядке положительный электрод, катод, материал окисляется, ионы Li + де-интеркалируются из слоистого интеркалирующего литиевого источника, например LiCoO2, проходят через электролит.

Когда элемент разряжается, на отрицательном электроде происходит реакция окисления, ионы Li + де-интеркалируются из анода и мигрируют через электролит, чтобы быть повторно интеркалированными в материал катода. Одновременная реакция электрохимического восстановления протекает на положительном электроде и принимает электроны из внешнего контура, ионы Li + из электролита, чтобы преобразовать исходный материал. Переход от электронного тока к ионному току происходит на границе раздела электрод/электролит.

Реакция восстановления положительного электрода (катода): Li 1 -xCoO 2 + xLi + + xe- → LiCoO2
Реакция окисления отрицательного электрода (анода): LiC 6 → xLi + + xC6 + e-
Общая обратимая, окислительно-восстановительная, клеточная реакция: LiC 6 + CoO 2 C6 + LiCoO 2

Применение ячеек

Знак анода и катода

Каким знаком обозначается «К», каким «А», зависит от того, какая процедура и в какой области рассматривается. В электрохимии есть два устройства, имеющие различие в обозначении знаками: электролизёр и гальванический элемент.

При электролизе (окислительно-восстановительном химическом взаимодействии под влиянием внешнего ИП) минусом «-» обозначают катод. Именно на нём восстанавливаются металлы, из-за избытка электронов. Плюсом «+», в свою очередь, маркируют анод (положительный электрод), где металлы окисляются из-за недостатка отрицательно заряженных частиц.

В гальваническом элементе окисление происходит без внешнего воздействия электричества. Если взять в качестве примера медно-цинковую батарею, то большое количество электронов (минус) скапливается на аноде. Они при продвижении по внешней цепи участвуют в восстановлении меди. Значит, в этом случае положительным электродом будет катод.

Внимание! У гальванических элементов плюсом является катод, минусом – анод. У электролизёров наоборот – плюсом считают анод, минусом – катод

У полупроводниковых приборов, как знак, так и термин, чётко закреплены за выводами детали. Анод – это «плюс», катод – это «минус» диода.

Схема гальванического элемента

Под схемой подразумевают его состав и устройство. Он может быть выполнен из нескольких химических элементов с применением вспомогательных приспособлений. Ниже об строение гальванического элемента будет рассказано кратко. Подробнее о нем читайте в этой статье!

Устройство гальванического элемента

Самый простой энергетический накопитель состоит из:

Стрежня из угля.
Двух разнородных металлов.
Электролита.
Смола или пластик.
Изолятора.

Как видно из этой схемы в составе строения гальванического элемента имеется отрицательный и положительный электрод. Они могут быть выполнены из меди, цинка и других металлов. Имеют название по типу медно цинковые. Иногда их называют сухие батарейки.

Обозначение гальванического элемента на схеме выполнено в виде двух вертикальных прямых приближенных друг к другу на небольшом расстоянии. Одна из которых будет меньше. По краям возле каждой такой линии имеются знаки, обозначающие полярность. У длинной линии ставят плюс, а у короткой минус. Рядом может располагаться вольтаж. Это означает что схема в которой используется батарейка работает только от этого напряжения.

Как работает батарейка

Отрицательно заряженные ионы гидроксида (2OH-) взаимодействуют с цинком (Zn) в анодной секции. В результате химической реакции окисления получается гидроксид цинка (Zn(OH)₂) и высвобождаются молекула воды и отрицательно заряженные электроны. Эти электроны теперь свободны для перемещения, и они собираются на латунном штыре (токоотводе отрицательного электрода).
В то же время диоксида марганца (2MnO₂) соединяется с молекулой воды (H₂O) из электролита, а также со свободным электроном. Во время такой химической реакции восстановления диоксид марганца превращается в оксид марганца (Mn₂O₃). Оксид марганца больше не нуждается в атоме гидроксид-иона, поэтому он будет выбрасывать его в электролит.
Таким образом, появляется скопление электронов на отрицательном конце батарейки. Поскольку больше отрицательно заряженных электронов на отрицательном полюсе по сравнению с положительным, образуется разность напряжений между ними, и эту разность можно измерить с помощью мультиметра.
Электроны отталкиваются друг от друга и хотят переместиться в область с меньшим количеством электронов. Но сепаратор не позволяет им течь внутри батареи, чтобы достичь положительной клеммы. Если обеспечить электронам внешний путь (например подключив лампочку), то электроны будут течь через него и выполнять работу (заставлять лампу светится).

Щелочная (алкалиновая) батарейка

Щелочной диоксид цинка-марганца или ”щелочной» гальванический элемент батарейка обеспечивает гораздо более высокую плотность энергии и, следовательно, емкость, чем углерод-цинковый или марганцево-цинковый-хлоридный тип. Она также способна к более высокому разрядному току.

Диоксид марганца (MnO2) и углерод образуют положительный электрод, в то время как цинк находится в порошкообразной форме, как отрицательный электрод (анод), который фактически смешивается с образованием геля/пасты с гидроксидом калия (KOH) с цинковым порошком в качестве электролита. Несмотря на то, что щелочная батарея дороже и несколько тяжелее, она превосходит углерод-цинковые или хлоридные типы. Кроме того, щелочные батареи, как известно, долговечны из-за их способности избегать коррозионного воздействия из-за кислого иона аммония на цинк. Щелочные гальванические элементы батарейки особенно подходят для применений, которые включают в себя сравнительно высокие уровни тока разряда.

Об этой статье

wikiHow работает по принципу вики, а это значит, что многие наши статьи написаны несколькими авторами. При создании этой статьи над ее редактированием и улучшением работали, в том числе анонимно, 29 человек(а). Количество просмотров этой статьи: 21 845.

Категории: Дом и сад

English:Make a Homemade Battery

Español:hacer una batería casera

Português:Fazer Uma Pilha Caseira

Italiano:Costruire una Batteria fatta in Casa

Deutsch:Eine Batterie selber bauen

Français:fabriquer soi‐même une pile

Bahasa Indonesia:Membuat Baterai Rumahan

العربية:صنع بطارية منزلية الصنع

Nederlands:Zelf een batterij maken

한국어:집에서 건전지 만드는 방법

日本語:自家製電池を作る