Ogniwo galwaniczne

Ogniwo galwaniczne jest źródłem energii elektrycznej, zasada działania opiera się na reakcjach chemicznych. Większość współczesnych baterii i akumulatorów należy do tej kategorii i należy do rozważanej kategorii. Fizycznie ogniwo galwaniczne składa się z przewodzących elektrod zanurzonych w jednej lub dwóch płynach( elektrolitach).

Informacje ogólne

Ogniwa galwaniczne dzielą się na pierwotne i wtórne zgodnie ze zdolnością do wytwarzania prądu elektrycznego. Oba gatunki są uważane za źródła i służą różnym celom. Pierwszy wytwarza prąd podczas reakcji chemicznej, a drugi działa tylko po naładowaniu. Poniżej omówimy obie odmiany. Przez liczbę cieczy rozróżnia się dwie grupy elementów galwanicznych:

1. Żywym przykładem urządzeń z pojedynczą cieczą jest woltowa kolumna( 1800) i element Wollaston, który Georg Ohm początkowo stosował w swoich własnych badaniach. Składał się z miedzianych płyt zwiniętych w wydrążone cylindryczne powierzchnie: pierwsza została włożona do drugiej. Oba są chronione przed kontaktem z drewnianymi rozpórkami. Elektrolitem jest rozcieńczony kwas siarkowy. Rezultatem jest podwojenie powierzchni roboczych. Podczas reakcji powstaje siarczan miedzi z uwolnieniem wodoru, a cynk jest utleniany. W akumulatorach jedna elektroda to zazwyczaj węgiel.
   instagram viewer
   

   Źródło prądu

2. Elementy z dwoma cieczami wykorzystują elektrolit z nadmiarem tlenu do zanurzenia elektrody, w której tworzy się wodór. W wyniku tego zachodzi reakcja chemiczna tworzenia się wody, niestabilność prądu jest kompensowana i wygładzona. Pierwszy pomysł wykorzystania źródeł przedstawionych w 1829 roku, Becquerel. Początkowo do oddzielania naczyń, które miały dobrą porowatość stosowano naczynie wykonane ze słabo wypalonej gliny. Aby zrekompensować uwalnianie wodoru na elektrodzie miedzianej, dopuszczalne jest stosowanie witriolu niebieskiego.

Zmienność zasilania za pomocą pojedynczej cieczy zauważyła zjawisko Ohma, ujawniając niedopuszczalność ogniwa galwanicznego Wollastona do eksperymentów z badaniem elektryczności. Dynamika procesu jest taka, że ​​w początkowym momencie prąd jest duży i najpierw wzrasta, następnie w ciągu kilku godzin spada do wartości średniej. Nowoczesne akumulatory są kapryśne.

Historia odkrycia chemicznej elektryczności

Niewiele wiadomo o tym, że w 1752 r. Johann Georg wspomniał o elektryczności galwanicznej. Publikacja Badanie pochodzenia przyjemnych i nieprzyjemnych uczuć, wydane przez berlińską Akademię Nauk, nawet nadało temu fenomenowi całkowicie poprawną interpretację.Doświadczenie: srebrne i ołowiane płyty połączono na jednym końcu, podczas gdy na język nałożono przeciwieństwa z różnych stron. Na receptory obserwuje się smak siarczanu żelazawego. Czytelnicy już zgadli, że opisana metoda testowania baterii była często używana w ZSRR.

Wyjaśnienie zjawiska: najwyraźniej istnieją cząsteczki metalu, które podrażniają receptory języka. Cząsteczki są emitowane przez jedną płytkę po kontakcie. Ponadto jeden metal rozpuszcza się.W rzeczywistości istnieje zasada działania ogniwa galwanicznego, w którym płyta cynkowa stopniowo zanika, oddając energię wiązań chemicznych prądowi elektrycznemu. Wyjaśnienia dokonano pół wieku przed oficjalnym raportem do Royal Society of London, Alessandro Volta, na temat otwarcia pierwszego źródła zasilania. Ale, jak to często bywa z odkryciami, na przykład interakcją elektromagnetyczną, doświadczenie przeszło niezauważone przez ogólną społeczność naukową i nie zostało należycie zbadane.

Dodajemy, że okazało się to związane z niedawnym zniesieniem prześladowań za czary: niewielu zadecydowało, po smutnym doświadczeniu "czarownic", aby studiować niejasne zjawiska. Inaczej było w przypadku Luigiego Galvani, który pracował w Departamencie Anatomii w Bolonii od 1775 roku. Jego specjalizacje uważano za drażniące układ nerwowy, ale gwiazda nie pozostawiła znaczącego śladu w dziedzinie fizjologii. Uczeń Beccaria był aktywnie zaangażowany w elektryczność.W drugiej połowie 1780 r., Jak wynika ze wspomnień naukowca( 1791, De Viribus Electricitatis w Motu Muscylary: Commentarii Bononiensi, tom 7, s. 363), żaba została ponownie przygotowana( eksperymenty, a następnie trwała przez wiele lat).

Warto zauważyć, że asystent zauważył niezwykłe zjawisko, dokładnie tak, jak przy odchyleniu igły kompasu drutem z prądem elektrycznym: odkrycie dokonali tylko ludzie pośrednio związani z badaniami naukowymi. Obserwacja dotyczyła szarpnięcia kończyn dolnych żaby. W trakcie eksperymentu asystent dotknął wewnętrznego nerwu udowego przygotowywanego zwierzęcia, nogi drgnęły. W pobliżu był generator elektrostatyczny na stole, iskra poślizgnęła się na urządzeniu. Luigi Galvani natychmiast przystąpił do próby powtórzenia tego doświadczenia. Co się udało. I znowu w samochodzie wsunęła się iskra.

Powstało równoległe połączenie z elektrycznością, a Galvani chciał dowiedzieć się, czy burza działałaby na żabę w podobny sposób. Okazało się, że klęski żywiołowe nie mają zauważalnego wpływu.Żaby przywiązane miedzianymi haczykami do rdzenia kręgowego do żelaznego ogrodzenia, drgały niezależnie od warunków pogodowych. Eksperymenty nie mogły być wykonane z 100% powtarzalnością, atmosfera nie miała wpływu. W rezultacie Galvani znalazł szereg par składających się z różnych metali, które w kontakcie między sobą i nerwem spowodowały drganie nóg żaby. Dziś zjawisko to tłumaczy się różnym stopniem elektroujemności materiałów. Na przykład wiadomo, że płyt aluminiowych nie można nitować miedzią, metale tworzą parę galwaniczną o wyraźnych właściwościach.

Galvani słusznie zauważył, że tworzony jest zamknięty obwód elektryczny, co sugeruje, że żaba zawiera elektryczną energię zwierzęcą, wyładowaną jak słoik Leydena. Alessandro Volta nie zaakceptował wyjaśnienia. Po dokładnym przestudiowaniu opisu eksperymentów, Volta wysunął wyjaśnienie, że prąd występuje, gdy dwa metale są połączone, bezpośrednio lub poprzez elektrolit organizmu istoty biologicznej. Przyczyna prądu leży w materiałach, a żaba jest prostym wskaźnikiem tego zjawiska. Cytat Volta z listu skierowanego do redaktora czasopisma naukowego:

Przewodniki pierwszego rodzaju( bryły) i drugiego rodzaju( ciecze), gdy zetkną się w pewnej kombinacji, generują impuls elektryczności, dziś niemożliwe jest wyjaśnienie przyczyn tego zjawiska. Prąd płynie w zamkniętej pętli i znika, jeśli integralność obwodu jest zerwana.

Volts

kolumna Leptu została wprowadzona przez Giovanniego Fabroniego w serii odkryć, które informowały, że kiedy dwie płytki galwaniczne zostały umieszczone w wodzie, jeden zaczął się rozkładać.Dlatego zjawisko to związane jest z procesami chemicznymi. Natomiast Volta wynalazł pierwsze źródło zasilania, które przez długi czas służyło do badania elektryczności. Naukowiec nieustannie szukał sposobów na zwiększenie efektu par galwanicznych, ale go nie znalazł.Podczas eksperymentów stworzono konstrukcję kolumny woltażowej:

1. Kręgi cynku i miedzi zostały wykonane parami w bliskim kontakcie ze sobą.
2. Uzyskane pary rozdzielono za pomocą mokrych kółek tektury i umieszczono jeden na drugim.

Łatwo zgadnąć, że mamy szeregowe połączenie źródeł prądu, które, sumując, wzmocniły efekt( potencjalną różnicę).Po dotknięciu nowe urządzenie spowodowało wyczuwalny cios w rękę mężczyzny. Podobnie jak eksperymenty w Mushenbruck z leydenowym słojem. Jednak powtórzenie efektu wymagało czasu. Stało się oczywiste, że źródło energii ma pochodzenie chemiczne i jest stopniowo odnawiane. Ale przyzwyczajenie się do koncepcji nowej energii elektrycznej nie było łatwe. Kolumna voltaic zachowywała się jak naładowany słoik Leydena, ale. ..

Volta organizuje dodatkowy eksperyment. Wyposaża każdy z okręgów izolującym uchwytem, ​​doprowadza go do kontaktu przez chwilę, a następnie otwiera i przeprowadza badanie za pomocą elektroskopu. Do tego czasu prawo Coulomba stało się już znane, okazuje się, że cynk ładuje się dodatnio, a miedź ujemnie. Pierwszy materiał dawał elektrony drugiemu. Z tego powodu cynkowa płyta kolumny woltowej jest stopniowo niszczona. Aby studiować pracę powołano komisję, która przedstawiła argumenty Alessandro. Nawet wtedy, na podstawie wniosków, badacz stwierdził, że napięcie poszczególnych par jest sumowane.

Volta wyjaśnił, że bez mokrych kółek położonych pomiędzy metalami, konstrukcja zachowuje się jak dwie płytki: miedź i cynk. Amplifikacja nie występuje. Volta znalazł pierwszy rząd elektroujemności: cynk, ołów, cynę, żelazo, miedź, srebro. A jeśli wykluczymy metale pośrednie pomiędzy skrajnościami, "siła napędowa" się nie zmieni. Volta ustalił, że elektryczność istnieje, gdy płyty dotykają: siła nie jest widoczna, ale jest łatwo odczuwalna, dlatego jest prawdziwa.20 marca 1800 r. Naukowiec napisał do prezesa Royal Society of London, Sir Josepha Banksa, który po raz pierwszy zwrócił się do Michaela Faradaya. Naukowcy z

szybko odkryli, że jeśli woda spadła na górną płytkę( miedź), gaz został uwolniony w określonym punkcie obszaru kontaktu. Przeprowadzili eksperyment z obu stron: przewody odpowiedniego obwodu zamknięto w kolbach wody. Badano gaz. Okazało się, że gaz jest palny, wyróżnia się tylko z jednej strony. Drut był widocznie utleniony z przeciwnej strony. Ustalono, że pierwszym jest wodór, a drugie zjawisko występuje z powodu nadmiaru tlenu. Ustalono( 2 maja 1800 r.), Że obserwowanym procesem jest rozkład wody pod działaniem prądu elektrycznego.

William Crookshank natychmiast pokazał, że można zrobić to samo z roztworami soli metali, a Wollaston w końcu udowodnił tożsamość kolumny woltowej na elektryczność statyczną.Jak ujął to naukowiec: działanie jest słabsze, ale trwa dłużej. Martin Van Marum i Christian Heinrich Pfaff naładowali leydenowy słoik z żywiołu. A profesor Humphrey Davy stwierdził, że czysta woda nie może w tym przypadku służyć jako elektrolit. Przeciwnie, im bardziej ciecz jest zdolna do utleniania cynku, tym lepsza jest kolumna woltowa, co jest całkiem zgodne z obserwacjami Fabroniego.

Acid znacznie poprawia wydajność, przyspieszając proces generowania elektryczności. W końcu Davy stworzył spójną teorię filaru Volta. Wyjaśnił, że metale początkowo mają pewien ładunek, gdy zamykają styki powodując element. Jeśli elektrolit jest w stanie utlenić powierzchnię donora elektronów, warstwa zubożonych atomów jest stopniowo usuwana, odsłaniając nowe warstwy zdolne do wytwarzania energii elektrycznej.

W 1803 r. Ritter wykonał słup naprzemiennych kół ze srebra i mokrej tkaniny, prototyp pierwszej baterii. Ritter zarzucił mu woltowy filar i obserwował proces rozładowania. Prawidłową interpretację tego zjawiska udzielił Alessandro Volta. I dopiero w 1825 roku Auguste de la Reve udowodnił, że przeniesienie elektryczności w roztworze odbywa się przez jony substancji, obserwując powstawanie tlenku cynku w komorze z czystą wodą oddzieloną od sąsiedniej membrany. Oświadczenie pomogło Berzeliusowi stworzyć fizyczny model, w którym atom elektrolitu wydawał się być złożony z dwóch przeciwnie naładowanych biegunów( jonów) zdolnych do dysocjacji. Rezultatem był smukły obraz transferu energii elektrycznej na odległość.