Гальванические элементы: принцип действия и разновидности

Сегодня гальванические элементы являются одними из наиболее распространенных химических источников тока. Несмотря на их недостатки, они активно используются в электротехнике и постоянно совершенствуются.

Принцип действия

Наиболее простой пример работы гальванического элемента выглядит так. В стеклянную банку с водным раствором серной кислоты погружают две пластины: одна – медная, вторая – цинковая. Они становятся положительным и отрицательным полюсами элемента. Если эти полюса соединить проводником, получится простейшая электрическая цепь. Внутри элемента ток будет течь от цинковой пластины, имеющей отрицательный заряд, к медной, заряженной положительно. Во внешней цепи движение заряженных частиц будет происходить в обратном направлении.


Под действием тока ионы водорода и кислотного остатка серной кислоты будут двигаться в разных направлениях. Водород будет отдавать свои заряды медной пластине, а кислотный остаток – цинковой. Так на зажимах элемента будет поддерживаться напряжение. В то же время на поверхности медной пластины будут оседать пузырьки водорода, который будет ослаблять действие гальванического элемента. Водород создает вместе с металлом пластины дополнительное напряжение, которое называется электродвижущей силой поляризации. Направление заряда этой ЭДС противоположно направлению заряда ЭДС гальванического элемента. Сами же пузырьки создают дополнительное сопротивление в элементе.

Рассмотренный нами элемент – это классический пример. В реальности подобные гальванические элементы просто не используются из-за большой поляризации. Чтобы она не происходила, при изготовлении элементов в их состав вводят специальное вещество, поглощающее атомы водорода, которое называется деполяризатором. Как правило, это препараты, содержащие кислород или хлор.

Преимущества и недостатки современных гальванических элементов

Современные гальванические элементы изготавливаются из разных материалов. Наиболее распространенный и знакомый нам тип – это угольно-цинковые элементы, применяемые в пальчиковых батарейках. К их плюсам можно отнести относительную дешевизну, к минусам – небольшой срок хранения и невысокую мощность.

Более удобный вариант – это щелочные гальванические элементы. Их еще называют марганцево-цинковыми. Здесь электролитом служит не сухое вещество типа угля, а щелочной раствор. Разряжаясь, такие элементы практически не выделяют газ, благодаря чему их можно изготавливать герметичными. Срок хранения таких элементов выше, чем угольно-цинковых.

Ртутные элементы похожи по своей конструкции на щелочные. Здесь применяют оксид ртути. Такие источники тока используют, например, для медицинской аппаратуры. Их преимущества – устойчивость к высоким температурам (до +50, а в некоторых моделях до +70 ˚С), стабильное напряжение, высокая механическая прочность. Недостаток – токсичные свойства ртути, из-за которых с отработавшими свой срок элементами нужно обращаться очень осторожно и отправлять на переработку.

В некоторых элементах применяют оксид серебра для изготовления катодов, но из-за дороговизны металла их использование экономически невыгодно. Более распространены элементы с литиевыми анодами. Они тоже отличаются высокой стоимостью, но имеют наибольшее напряжение среди всех рассмотренных типов гальванических элементов.

Еще один тип гальванических элементов – это концентрационные гальванические элементы. В них процесс движения частиц может протекать с переносом и без переноса ионов. Первый тип – это элемент, в котором два одинаковых электрода погружаются в растворы электролита разной концентрации, разделенные полупроницаемой перегородкой. В таких элементах ЭДС возникает благодаря тому, что ионы переносятся в раствор с меньшей концентрацией. В элементах второго типа электроды сделаны из разных металлов, а концентрация выравнивается за счет химических процессов, которые происходят на каждом из электродов. Электродвижущая сила у этих элементов выше, чем у элементов первого типа.

Классификация, типы и размеры батареек
В наше время батарейки являются самыми распространёнными источниками питания для электроники и мелкой техники. Необходимость их замены возникает довольно часто. Какой формы бывают эти источники питания? Какими бывают типы батареек по размеру? Как ...
далее
Источники тока химические. Виды химических источников тока и их ...
Источники тока химические (сокращенно ХИТ) — приспособления, в которых энергия окислительно-восстановительной химической реакции преобразуется в электрическую. Другие их названия — электрохимический элемент, гальванический элемент, электрохимическая ...
далее
Можно ли заряжать алкалиновые батарейки? В чём разница между солевыми ...
В быту люди используют солевые или алкалиновые батарейки. Принцип действия у них одинаковый, а вот емкость и некоторые особенности разряда разные. Это и стало причиной вопроса, можно ли заряжать алкалиновые батарейки.
далее
Анод и катод - что это и как будет правильно определить?
Что называют анодом и катодом? Чем они отличаются друг от друга? Как их можно правильно определить и какие нюансы этого процесса есть?
далее
Гальваническое покрытие. Технология гальванических покрытий. ...
Гальванической покрытие представляет собой метод покрытия одного металла каким-то другим посредством электролиза. Эта процедура осуществляется с использованием традиционных методов погружения.
далее
Что это - электродный потенциал?
Электродный потенциал – это разность электростатических потенциалов между электролитом и электродом. Возникновение такого потенциала обусловлено пространственным разделением зарядов, которые имеют противоположные знаки на границе разделения фаз с образованием электрического двойного слоя.
далее
Что это - электродный потенциал?
Гальваническое цинкование металла: технология, оборудование
Гальваническое цинкование – эффективный и недорогой, а потому самый распространенный способ защиты черных металлов от коррозии и в промышленности, и в домашних условиях.
далее
Гальваническое цинкование металла: технология, оборудование
Внутреннее сопротивление источника тока. Сопротивление - формула расчета
В статье рассмотрены гальванические элементы как источники постоянного тока. Конструктивные особенности и простота изготовления делают их незаменимыми в различной технике.
далее
Внутреннее сопротивление источника тока. Сопротивление - формула расчета
Катод и анод - единство и борьба противоположностей
Катод и анод – это две составляющие одного процесса: протекания электрического тока. Все материалы можно разделить на два типа – это проводники, в структуре которых большой избыток свободных электронов, и диэлектрики (в них свободных электронов практически нет).
далее
Катод и анод - единство и борьба противоположностей