Глава 2. Постійний електричний струм

На початку минулого століття був створений перший джерело постійного електричного струму - гальванічний елемент. Після цього з'явилася можливість вивчення і широкого практичного використання електричного струму. В гальванічному елементі енергія, що виділяється в електричному ланцюзі, виходить за рахунок енергії, що звільняється при хімічних реакціях, супроводжуючих роботу елемента.

Гальванічні елементи в найпростішому варіанті складаються з двох хімічно різних електродів, опущених в водний розчин того чи іншого електроліту. Перший гальванічний елемент, що складається з мідного і цинкового електродів, перекладених змоченим солоною водою сукном, був винайдений італійським фізиком Алессандро Вольта (1745-1827).

Досліди Гальвані. відкриття Вольта

Гальванічний елемент отримав свою назву на ім'я італійського лікаря і анатома Луїджі Гальвані (1737- 1798), досліди якого дали поштовх до досліджень Вольта.

Гальвані намагався виявити дію атмосферної електрики на м'язи живого організму - жаби. Для цього він підвісив препаровану жабу на мідному гачку до залізного паркану, причому гачок проходив через спинний мозок жаби. Притискаючи гачок до поручнів, Гальвані виявив сильне скорочення м'язів. На щастя, він зумів здогадатися, що справа тут не в атмосферному електриці. Скорочення спостерігалося завжди, коли торкалися до лапці жаби двома різними металами, що знаходяться між собою в контакті.

Знаючи, що скорочення м'язів виникає при електричному розряді, Гальвані вирішив, що відкрив «тварина електрику», що виробляється в організмі. Металевий провідник, як вважав Гальвані, дозволяє електрики швидко переходити з одних частин м'язи в інші, що і викликає їх скорочення.

Правильне пояснення відкритого явищу дав співвітчизник Гальвані Вольта. Це пояснення і призвело Вольта до створення першого джерела постійного струму. Вольта зрозумів, що жаб'ячі лапки - це лише чутливий «тваринний електрометрії», більш чутливий, ніж будь-який інший, і тільки. Явище ж пов'язано з наявністю двох різнорідних металів, що стикаються з електропровідного рідиною тваринних тканин. Звідси Вольта витягнув ідею першого гальванічного елемента: набір мідних і цинкових кружечків, перекладених змоченим солоною водою сукном. Це був «вольтів стовп» - «найчудовіший, - за словами Араго, - прилад, коли-небудь винайдений людьми».

Незабаром були винайдені інші гальванічні елементи: елемент Даніеля, Грені, Лекланше, нормальний елемент Вестона і ін.

Розглянемо більш докладно основні принципи роботи гальванічних елементів на прикладі елементу Даніеля, хоча практично цей елемент в даний час не використовують. Протікають в ньому процеси найбільш прості.

елемент Даніеля

Елемент Даніеля влаштований так: в скляну посудину поміщений склянку з пористої необпаленої глини (рис. 2.50, а); у внутрішній стакан налитий водний розчин солі ZnSO4 (цинковий купорос), а у зовнішній - розчин мідного купоросу (CuSO4); в якості електродів використовують цинк і мідь. Пориста перегородка перешкоджає швидкому перемішування розчинів електролітів, але дозволяє просочуватися іонів різних знаків.

Подивимося спочатку, що відбувається з цинковим електродом. Якби у внутрішньому посудині була сірчана кислота H2SO4, то почалася б хімічна реакція, в результаті якої цинковий електрод розчинявся б з утворенням солі ZnSO4. Той же процес відбувається і в розчині солі цинкового купоросу, якщо концентрація іонів цинку в ньому не занадто велика. Причому в розчин переходять не нейтральні атоми цинку, а його позитивні іони, що несуть подвійний елементарний заряд (Zn2 +). Цей процес - результат дії хімічних сил, що мають електромагнітну природу, але дуже складних за своїм характером. Ми не будемо вникати в причини появи хімічних сил і особливо їх дії. Важливо наступне: цинковий електрод заряджається негативно, так як кожен рік, що минає атом цинку залишає два своїх електрона, а розчин електроліту заряджається позитивно. Одночасно відбувається і зворотний процес. Бере участь в тепловому русі молекул іон цинку може знову осісти на електроді. Після опускання цинкового стержня в електроліт з плином часу встановиться рівноважний стан, при якому число іонів цинку, які залишили електрод в одиницю часу, дорівнює кількості іонів, які осіли на ньому за цей же час.

З'ясуємо умови виникнення цієї рівноваги. У міру розчинення цинку між електродом і розчином електроліту з'являється зростаюча різниця потенціалів, так як цинк заряджається негативно, а розчин - позитивно (рис. 2.50, б). Отже, в дуже тонкому шарі контакту електрод - розчин виникає електричне поле. Це поле перешкоджає виходу іонів Zn2 + з електрода. Розчинення припиниться, коли сила електричного поля стане рівною за модулем хімічної силі, що викликає перехід іонів Zn2 + в розчин. Ця хімічна сила в даному випадку є стороння сила, яка веде в рух заряджені частинки (іони Zn2 +) і викликає появу електричного струму в ланцюзі.

Виникає на межі електрод - розчин стрибок потенціалу залежить від концентрації іонів цинку в розчині електроліту. Досвід показує, що при нормальній масової концентрації * іонів цинку в розчині цинкового купоросу (32,7 кг / м3) різниця потенціалів між електродом і розчином електроліту U1 = -0,5 В.

Масовою концентрацією компонента в розчині називається відношення маси компонента до об'єму розчину. Концентрація вважається нормальною, коли маса іонів металу, що містяться в 1 м3 розчину, чисельно дорівнює відношенню молярної маси металу, вираженої в кілограмах на моль, до його валентності.

Тепер подивимося, що відбувається з мідним електродом в розчині мідного купоросу. Якщо масова концентрація іонів міді в цьому розчині є нормальною (31,8 кг / м3), то тут відбувається зворотний процес: іони міді Си2 + осідають на електроді, заряджаючи його позитивно. Розчин мідного купоросу при цьому заряджається негативно, так як при переході іона міді Си2 + з розчину на мідний електрод від молекули CuSO4 в розчині залишається іон (Кислотний залишок). Це продовжується до тих пір, поки стрибок потенціалу на межі електрод - розчин електроліту не досягне значення U2 = 0,61 В.

В результаті зміна потенціалу в розімкнутому елементі має вигляд, зображений на малюнку 2.51. Тут враховано, що за відсутності струму потенціали обох розчинів електролітів однакові, так як розчини і пориста перегородка є провідниками. Різниця потенціалів між електродами елемента Даніеля при розімкнутому ланцюзі (вона дорівнює по модулю ЕРС елемента) становить якщо масові концентрації іонів в обох розчинах електролітів нормальні.

= U2 - U1 = 1,11 В,

Закінчення параграфа >>>