Т-27. В аккумуляторах и гальванических элементах для электризации электродов используются химические реакции. Что требуется от генератора? Во-первых, требуется, чтобы на электродах генератора был избыток электрических зарядов — на одном электроде избыток отрицательных зарядов (такой электрод называют отрицательным или сокращенно «минусом»), на другом электроде — избыток положительных зарядов (это положительный электрод, «плюс»). Во-вторых, по мере того как свободные электроны будут уходить с «минуса» генератора в нагрузку и приходить с нагрузки на «плюс», нужно каким-то образом добавлять электроны в «минус» и убирать их из «плюса». Одним словом, нужно, чтобы в электродах генератора поддерживался избыток электрических зарядов.
Чтобы накопить на электродах генератора избыточные ионы и электроны, чтобы создать на электродах заметный суммарный заряд, нужно поработать. Первый же избыточный электрон (—-), который вы втолкнете в отрицательный электрод, будет препятствовать вталкиванию следующего электрона (—): ничего не поделаешь, одноименные заряды отталкиваются. И первый же положительный ион ( + ), который после удаления электрона ( —) появится в положительном электроде, будет препятствовать удалению следующих электронов (—): разноименные заряды, как всегда, притягиваются. Нет, конечно же, избыточные заряды на электродах генератора не появятся сами собой, чтобы накопить их, нужно затратить определенную энергию.
Это в принципе может быть энергия разных сортов (Р-11) —световая, тепловая, энергия атомных излучений, механическая работа. А еще энергия химических реакций (Р-11; Р-12).
Когда вы отпускаете тетиву лука, выпускаете из него стрелу, то лук, точнее, его только что натянутая тетива отдает свою энергию — распад системы на составные части (лук—стрела) сопровождается выделением энергии, ее уносит стрела. Когда в ведро с водой падает камешек, то появление новой системы (камешек—вода), объединение этих двух только что еще разных объектов, тоже сопровождается выделением энергии, в частности в виде слабого звука, всплеска воды.
Выделением энергии сопровождаются и химические превращения, распад молекул на части или объединение атомных комплексов в более крупные молекулярные системы. Энергия запасена в самой структуре химических веществ, подобно тому как она запасена в натянутой тетиве лука или в поднятом над водой камешке. Химические реакции в генераторе используют эти запасы энергии именно на то, чтобы непрерывно ввозить электроны в отрицательный электрод и вывозить их из положительного. То есть для того, чтобы накапливать электрические заряды на электродах.
Типичный химический генератор — это хорошо всем знакомый гальванический элемент (C-1; Р-12). Он получил свое название по имени итальянского естествоиспытателя Луиджи Гальвани, который около двухсот лет назад обнаружил взаимосвязь между химическими процессами и электрическим током. Устройство всех гальванических элементов одинаково—два. электрода, вставленных в электролит, в жидкость, где как раз и происходят основные химические реакции, которые в итоге электризуют электроды. Различаются гальванические элементы самим веществом электродов и электролита и, следовательно, конкретным типом реакций.

P-10

В наиболее популярном марганцево-цинковом элементе в качестве отрицательного электрода, «минуса» (—), используется цинк (Zn), в качестве положительного, «плюса» (+), — порошкообразная двуокись марганца (Мп02), а электролитом служит раствор хлористого аммония (NH4C1). Цинковый электрод ( —) —это чаще всего стаканчик, в который спрятана вся «начинка» элемента. Двуокись марганца ( + ) смешана с графитом и соединена с внешним миром через угольный стержень, который часто по ошибке принимают за положительный электрод. Электролит входит в кашеобразную массу, которая соприкасается и с цинком ( —), и с двуокисью марганца ( + ).

Процессы в гальваническом элементе в самом упрощенном виде можно описать так. В результате химических реакций между цинком и электролитом из отрицательного электрода уходят положительные ионы цинка (Zn++)-атом с двумя недостающими электронами; их отбирает атом хлора, который уходит из NH4C1 и соединяется с Zn), и в электроде остаются избыточные свободные электроны. Так на цинковом электроде образуется значительный отрицательный заряд «минус». Одновременно совсем другие положительные ионы (NH4 — молекулярный блок с одним недостающим электроном),. которые появляются в электролите из-за его самопроизвольного химического распада, отбирают свободные электроны из двуокиси марганца, и у нее появляется значительный положительный заряд, «плюс».
Когда гальванический элемент никуда не подключен, то на его электродах накапливается некоторое количество избыточных зарядов и после этого химические реакции в основном прекращаются. Потому что химическая реакция.может вталкивать на электрод заряды лишь до тех пор, пока у нее хватит сил, чтобы преодолеть отталкивающее действие таких же зарядов, уже скопившихся на электроде. Но как только к химическому, генератору будет подключена нагрузка и в цепи начнется ток, то есть в ней начнется движение электронов от цинка (—) к двуокиси марганца ( + ), то тут же химические реакции заработают, убирая с одного электрода положительные ионы, а с другого свободные электроны. Одновременно внутри генератора будут пополняться запасы «отбирателей», зарядов (С1 и NH4), причем именно за счет химических реакций (распад NH4C1). «Отбиратели» будут двигаться каждый к «своему» электроду и соединяться каждый со «своим» зарядом (Cl — с ионом цинка, NH4 — с электроном). И до тех пор, пока эти реакции будут идти, до тех пор, пока хватит химического сырья, наш генератор будет работать, будет происходить электризация электродов и они будут создавать ток во внешней цепи, в нагрузке.
А когда запасы сырья кончатся или появятся какие-либо другие помехи для химических реакций, то эти реакции прекратятся и генератор переста! нет быть генератором. Важная характеристика химического источника тока — его емкость (Р-13; C-1), она говорит о том, как долго этот источнику может создавать ток той или иной величины. Понять эту характеристику будет нетрудно после того, как мы познакомимся с единицами измерения тока (Т-30).
Если вы разберете негодный гальванический элемент, то увидите в нем частично разрушенный цинковый стакан — часть цинка уже израсходовалась, ушла в электролит в виде положительных ионов. Это одна из причин того, что элемент вышел из строя, разрядился. В этом отношении аккумуляторы выгодно отличаются от гальванических элементов —- разрядившийся аккумулятор можно вновь зарядить, накачать его энергией от другого источника. При этом восстановится состав электродов и электролита, аккумулятор вновь сможет создавать ток в нагрузке (Р-12:8).
Главная, пожалуй, характеристика химических источников тока, как, впрочем, и всех других электрических генераторов, говорит о том, насколько интенсивно на электродах происходит накопление избыточных зарядов. Чем больше силы, которые производят электризацию электродов (трение, химические реакции, тепло, свет), тем больше суммарный заряд, который на этих электродах накопится. Тем, следовательно, сильней будут выталкиваться свободные электроны с «минуса» в нагрузку, тем сильней они будут втягиваться из нагрузки в «плюс». И тем, значит, энергичней будет движение электронов в нагрузке, электрический ток.
Эта характеристика, этот показатель уровня электризации, называется электродвижущей силой генератора, и именно с нее мы начинаем знакомство с конкретными характеристиками электрической цепи.

Читать следующую теорию
Вернуться на предыдущую

значёк