Гальванические элементы своими руками

Простейший гальванический элемент состоит обычно из стеклянного сосуда, внутри которого помещаются на некотором расстоянии друг от друга цинковая и медная (или угольная) пластинки, к верхним частям которых прикреплены зажимами короткие отрезки медной проволоки (отводы тока). Эти пластинки называются электродами, или полюсами элемента, причем цинковую пластинку называют отрицательным электродом и обозначают знаком — (минус), медную (или угольную) — положительным электродом и обозначают знаком + (плюс).

В сосуд наливается электролит — раствор какой-либо соли или кислоты в воде.

Если соединить между собой оба отвода проводником, то по этому соединительному проводу потечет электрический ток в направлении от положительного электрода (медной пластинки) к отрицательному электроду (к цинку), а внутри элемента — от цинка к меди (или углю). Таким образом, получается замкнутая электрическая цепь, причем внешний ее участок называется внешней электрической цепью, а путь тока внутри элемента — внутренней электрической цепью.

Электрический ток будет протекать в цепи до тех пор, пока не будет разомкнута внешняя цепь (зажимы элемента) или пока элемент полностью не разрядится. Во время работы (разряда) элемента происходит растворение цинка в электролите, при этом разлагается (изменяется химический состав) и сам электролит.

Когда разрушится примерно половина цинкового электрода, элемент практически становится не работоспособным и поэтому считается окончательно разряженным.

Рассмотренный элемент с жидким электролитом называется «мокрым» в отличие от «сухого» элемента, в котором электролит находится в сгущенном состоянии.

Всякий гальванический элемент обладает электродвижущей силой (сокращенно обозначается э. д. с.), под действием которой и протекает электрический ток по цепи. Величина э. д. с. элемента зависит только от материала его электродов и химического состава электролита, но она не зависит от формы и размеров самого элемента. Поэтому различные по устройству и химическому составу электролита элементы развивают неодинаковую э. д. с. — от 0,6 в до 2,7 в.

Всякий элемент обладает и некоторым внутренним сопротивлением, величина которого (измеряемая в омах) зависит в основном от конструкции и размеров элемента. Рабочее напряжение на зажимах элемента во время разряда всегда бывает несколько ниже его э. д. с., так как часть последней теряется внутри элемента на преодоление его внутреннего сопротивления. Поэтому, чем больше будет это внутреннее сопротивление, тем большая часть э. д. с. будет теряться внутри элемента и, следовательно, тем меньше будет его рабочее напряжение.

От величины внутреннего сопротивления зависит и сила тока, которую может давать элемент, а именно, чем меньше это сопротивление, тем больший ток может давать элемент.

Из всего сказанного нетрудно догадаться, что работоспособность и срок службы каждого элемента в основном зависят от размеров поверхности электродов (от количества цинка) и от количества электролита и деполяризатора.

Если взять недостаточное количество какого-либо из этих трех материалов, то элемент преждевременно перестанет действовать, так как материал, примененный в недостаточном количестве, израсходуется значительно раньше остальных двух. Электрическая емкость элемента поэтому и зависит от его размеров, так как для увеличения этой емкости приходится применять большие электроды и соответственно большее количество электролита и деполяризатора.

Напряжение и внутреннее сопротивление элемента являются важными его характеристиками (параметрами), по которым можно судить о работоспособности гальванического элемента. Третьим не менее важным параметром является электрическая емкость элемента, измеряемая в амперчасах. Под электрической емкостью подразумевается то количество электричества, которое может отдать элемент в течение всего времени своей работы. Таким образом, по величине электрической емкости можно судить о сроке службы элемента.

Электрическая емкость, отданная элементом за все время его работы, определяется простым умножением силы разрядного тока (в амперах) на время разряда (в часах).

Так, например, если элемент все время разряжался током 0,2 а (200 миллиампер) и проработал всего 500 час., то отданная им емкость равна: 0,2 X 500=100 ач. Из сказанного вытекает, что если известна емкость и нормальный разрядный ток данного элемента, то простым делением его емкости на силу тока можно сразу определить, сколько часов будет работать такой элемент. Например, если элемент емкостью в 100 ач будет разряжаться током в 0,1 а, то этот элемент теоретически будет работать: 100 ач : 0,1 а = 1 000 час.

Электрическая емкость в основном зависит от размеров электродов элемента, количества электролита и ряда других факторов, т. е. она зависит от размеров элемента.

Чем больше элемент, тем большей он обладает емкостью, тем меньше будет его внутреннее сопротивление и, следовательно, тем больший ток он может давать.

Рассмотренный выше простейший мокрый элемент не пригоден для практических целей, потому что он не может давать сколько-нибудь продолжительное время ток постоянной силы. Причиной этому служит быстрое наступление так называемой поляризации элемента, сильно повышающей его внутреннее сопротивление, что приводит к резкому падению рабочего напряжения и силы разрядного тока элемента. Сущность поляризации состоит в скоплении на поверхности положительного электрода большого количества пузырьков водорода, образующегося в элементе во время разряда.

Этот водород и служит причиной возрастания внутреннего сопротивления элемента и падения его рабочего напряжения.

В разных типах элементов поляризацию устраняют различными способами. Процесс устранения поляризации называется деполяризацией элемента и состоит в поглощении тем или иным способом образующегося водорода.

В сухих и мокрых угольно-цинковых элементах в качестве деполяризатора применяется специальная масса, представляющая смесь двуокиси марганца и графита. Эта масса располагается (прессуется) вокруг положительного электрода элемента. Двуокись марганца очень богата кислородом. Последний соединяется с выделяющимся в элементе водородом, в результате чего образуется опять вода. Этим путем и осуществляется деполяризация в угольно-цинковых элементах, именуемых элементами с марганцевой деполяризацией.

В медно-цинковых элементах роль деполяризатора выполняет раствор медного купороса.

В элементах с воздушной деполяризацией положительный электрод делается из специально обработанного угля, способного поглощать кислород из окружающего воздуха. Поэтому в таких элементах деполяризация осуществляется за счет кислорода воздуха.

В некоторых сухих фабричных угольно-цинковых элементах применяют одновременно и марганцевую и воздушную деполяризацию. Поэтому такие элементы, в отличие от обучных сухих, называются элементами с марганцево-воздушной деполяризацией (сокращенно МВД). Применение такой двойной деполяризации значительно повышает работоспособность сухого элемента: повышается емкость, элемент дает значительно больший разрядный ток.

Из этого краткого обзора видно, что деполяризация может быть различных видов: химическая (марганцевый деполяризатор), электрохимическая (раствор медного купороса), воздушная (ВД), марганцево-воздушная (МВД) и, наконец, свинцово-воздушная (СВД). Элемент с последним видом деполяризации описан в настоящей брошюре.

Один элемент, как упоминалось, обладает небольшой э. д. с. — 0,6—2,7 в. Для питания же ламп приемника требуются значительно большие напряжения. Чтобы получить нужное, более высокое напряжение, элементы соединяют в батареи. Существуют два основных способа соединения: последовательное и параллельное. Первый способ применяют тогда, когда батарея должна обладать более высоким рабочим напряжением, чем то, которое может дать один элемент. Сущность этого способа заключается в том, что все взятые элементы соединяются в одну цепочку, т. е. отрицательный полюс первого элемента соединяют с положительным полюсом второго, затем отрицательный полюс второго с положительным третьего и т. д.

В результате такого соединения получается батарея, у которой положительный полюс первого элемента и отрицательный полюс последнего элемента остаются свободными. Этими полюсами батарея и присоединяется к разрядной цени. Напряжение такой батареи будет равно сумме напряжений, даваемых отдельными элементами. Сила же тока батареи при таком соединении будет равна силе тока одного элемента.

Таким образом, при последовательном соединении элементов напряжения их складываются. Сила же разрядного тока у батареи остается такой же, как у одного отдельного элемента.

Параллельное соединение элементов и батарей применяется тогда, когда нужно собрать батарею, которая обладала бы таким же напряжением, какое дает отдельный элемент, но способна была бы давать больший разрядный ток. При параллельном соединении положительные зажимы всех элементов присоединяются к одному общему проводу, а все отрицательные зажимы — к другому общему проводу. При таком соединении сила разрядного тока батареи будет равна сумме токов, даваемых всеми элементами, входящими в ее состав. Напряжение же этой батареи останется таким же, как у одного отдельного элемента.

Когда необходимо повысить и напряжение батареи, и силу тока, применяется смешанное соединение, заключающееся в том, что элементы соединяют в несколько групп последовательно, а эти группы в свою очередь соединяют между собой параллельно.

При таком комбинированном соединении у собранной батареи повышается и напряжение, и разрядный ток, т. е. напряжение будет равно напряжению одной группы элементов, а разрядный ток возрастет во столько раз, сколько будет взято таких групп элементов.

На этом закончим краткое ознакомление с основами работы гальванических элементов и перейдем к разбору их конструкций.