§ 28. Гальванические элементы

Проводники первого рода (твердые) и второго рода (жидкие — электролиты) совместно используются в гальванических элементах, служащих источниками постоянного тока.
В гальванических элементах во время их работы происходит движение ионов и оседание на электродах элемента, выделяющегося из электролита вещества.
Простейшим гальваническим элементом является медно-цинковый (элемент Вольта). В стеклянный сосуд, наполненный раствором серной кислоты (Н₂SO₄) в воде (Н₂O), погружены медная (Cu) и цинковая (Zn) пластины, которые служат положительным и отрицательным полюсами.
При замыкании цепи элемента каким-либо проводником внутри этого элемента протекает ток от цинковой пластины к медной, а во внешней цепи — от медной к цинковой. Под действием тока внутри элемента положительные ионы водорода H₂ движутся по направлению тока, отрицательные ионы кислотного остатка SO₄ — в противоположном направлении.
Приходя в соприкосновение с медной пластиной, положительные ионы водорода отдают ей свои заряды, а водород в виде пузырьков газа скопляется на ее поверхности. В это же время отрицательные ионы остатка серной кислоты отдают свои заряды цинковой пластине. Таким образом, происходит непрерывный заряд пластин элемента, поддерживающий разность потенциалов (напряжение) на его зажимах.
Выделение водорода на медной пластине элемента ослабляет его действие, поляризует элемент. Явление поляризации состоит в том, что скопляющийся на положительном электроде водород создает в совокупности с металлом электрода дополнительную разность потенциалов, называемую электродвижущей силой поляризации. Эта э. д. с. направлена противоположно электродвижущей силе элемента. Кроме того, пузырьки водорода, покрывающие часть медной пластины, уменьшают ее действующую поверхность, а это увеличивает внутреннее сопротивление элемента.
Поляризация в рассмотренном элементе настолько значительна, что делает его непригодным для длительного получения тока. Для устранения явления поляризации в современных элементах применяют поглотители, вводимые в состав элемента и носящие название деполяризаторов, которые предназначены для поглощения водорода при скоплении его на положительном полюсе элемента. Такими деполяризаторами могут служить химические препараты, богатые кислородом или хлором.
Э. д. с. гальванического элемента зависит от химических и физических свойств веществ его составляющих и, как показывает опыт, не зависит ни от формы и размеров элемента, ни от его внутреннего устройства. Но внутреннее устройство и размеры отдельных частей элемента имеют большое влияние на величину его внутреннего сопротивления, так как его величина определяется: 1) расстоянием между электродами (при уменьшении этого расстояния внутреннее сопротивление элемента уменьшается); 2) размером погруженной в жидкость поверхности электродов (при увеличении этой поверхности внутреннее сопротивление уменьшается); 3) химическим составом жидкости элемента.
Необходимо отметить, что внутреннее сопротивление гальванических элементов не является величиной постоянной (по мере работы элемента оно постепенно возрастает).
В зависимости от способа деполяризации гальванические элементы могут быть подразделены на два типа: элементы, в которых в качестве деполяризатора применяют раствор какой-либо соли в самом электролите, например медно-цинковые, и элементы, в которых анод окружен деполяризатором — перекисью марганца, например угольно-цинковые. Гальванические элементы указанных двух типов широко применяются в электротехнике.
Э. д. с. медно-цинкового элемента с электролитом NaОН равна 1,1 в, а внутреннее сопротивление в зависимости от времени работы — 5 — 10 ом.
В угольно-цинковом элементе положительным полюсом служит угольная пластина, а отрицательным — цинковый стержень. Деполяризатором, окружающим угольный анод, является спрессованная под большим давлением смесь, называемая агломератом. Она состоит из перекиси марганца и графита. Последний нужен для уменьшения электрического сопротивления. В качестве электролита в угольно-цинковом элементе применяют водный раствор хлористого аммония NH₄Cl. Электродвижущая сила угольно-цинкового элемента 1,4 — 1,5 в в начале разряда при среднем значении 0,9 — 1,1 в, а внутреннее сопротивление в зависимости от конструкции элемента колеблется от 0,25 до 0,7 ом в начале разряда и от 1,4 до 5 ом в конце разряда.
Угольно-цинковые элементы выпускаются отечественной промышленностью в виде так называемых сухих элементов стаканчикового и галетного типов, весьма удобных для переноски и перевозки. Они применяются, например, в карманных электрических фонарях.

В сухих элементах стаканчикового типа (рис. 25) положительный электрод 8 с агломератом 2 помещают внутри цинковой коробки 9, которая служит отрицательным полюсом элемента. Пространство между стенками цинковой коробки и агломератом заполняют пастой 1, состоящей из раствора хлористого аммония и картофельной муки. Над агломератом укладывают картонную прокладку 3, на которую насыпают прослойку из опилок 4; сверху опилки закрывают картонной прокладкой 5. Затем элемент заливают смолой 7, в которую вставляют трубку 6. Назначение этой трубки — удалять образующиеся внутри элемента газы.
На выходящий из смолы угольный электрод насаживают медный колпачок с винтом и гайкой для присоединения проводника. К верхней части коробки (цинковому электроду) припаивают изолированный гибкий проводник. На дно коробки укладывают изолирующую прокладку 10.
В галетном элементе отрицательным электродом является цинковая пластина, положительным — спрессованный в виде галеты порошок двуокиси марганца с углем. Между электродами помещают картонную пластинку, пропитанную раствором нашатыря. Наружная поверхность цинковой пластины покрыта слоем канифоли с частицами графита для электропроводности. В качестве изоляции используют хлорвиниловые пленки. Галетные элементы более компактны, чем стаканчиковые.
В ряде случаев целесообразно применять окисно-ртутные элементы, у которых отрицательным электродом является цинк, а положительным — окись ртути. Их преимущество по сравнению с угольно-цинковыми элементами — хорошая сохранность при повышенной температуре, меньшее изменение напряжения при разряде и большая удельная энергия на единицу объема, что особенно ценно для использования в переносной аппаратуре в условиях теплого климата.
В настоящее время широкое распространение получили элементы ВДЛ, электродами которых служит цинк и активированный пористый уголь, адсорбирующий кислород из воздуха, а электролитом — раствор едкого кали. Достоинством этих элементов является малое изменение напряжения при разряде. Вследствие герметичности элементов ВДЛ не происходит заметного ухудшения свойств едкого кали, поэтому они могут храниться неограниченное время. После полного разряда элемента угольный электрод сохраняет работоспособность и элемент может быть восстановлен, если заменить цинк и электролит. Такое восстановление элемента можно производить дважды. Э. д. с. элемента ВДЛ составляет 1,4 в, напряжение при нормальном режиме разряда 1,2 — 1,25 в, напряжение в конце разряда 0,9 в.