Гальванические элементы: виды, описание, принцип работы, применение

Гальванические элементы постоянно находятся рядом с нами. От батареек в часах до аккумуляторов в телефонах – миллионы таких устройств ежедневно производят и потребляют энергию в наших домах и офисах. Давайте разберемся, как устроены эти «двигатели прогресса» и почему они так важны.

История открытия гальванических элементов

Впервые гальванические элементы были открыты итальянским ученым Луиджи Гальвани в 1786 году. Он проводил опыты с лягушками, подвешенными на медных крючках, и случайно обнаружил, что при прикосновении к ним стальным скальпелем наблюдаются сокращения мышц лягушачьих лапок. Гальвани объяснил это действием «животного электричества», содержащегося в организме животного.

Явление возникновения электрического тока при контакте разных металлов было открыто итальянским физиологом, профессором медицины Болонского университета (г. Болонья, Италия) — Луиджи Гальвани в 1786 году.

Однако другой итальянский ученый, Алессандро Вольта, поставил под сомнение выводы Гальвани. Он повторил его опыты, но вместо лягушачьей лапки подвесил свой изобретенный электроскоп. При прикосновении разных металлов к электроскопу также наблюдалось отклонение его стрелок. Так Вольта доказал, что причиной является электричество от контакта металлов, а не «животная электрическая сила».

В 1800 году Вольта изобрел первый в мире гальванический элемент – так называемый вольтов столб. Он представлял собой стопку чередующихся цинковых и медных дисков, разделенных пропитанным кислотой сукном (см. схему элемента ниже). Такое устройство вырабатывало постоянный электрический ток за счет химических реакций между металлами.

В начале 19 века ученые экспериментировали с гальваническими элементами Вольта и увеличивали их мощность, соединяя множество таких элементов последовательно. Например, в 1802 году русский академик В.В. Петров создал батарею из 2100 медно-цинковых пар, которая вырабатывала рекордное для того времени напряжение в 2500 В!

Определение и классификация гальванических элементов

Гальванический элемент – это устройство для прямого преобразования химической энергии в электрическую. Оно основано на электрохимических реакциях между двумя разнородными электродами, погруженными в электролит.

Все гальванические элементы делятся на две большие группы:

1. Первичные элементы (батарейки)
2. Вторичные элементы (аккумуляторы)

В первичных элементах происходят необратимые электрохимические реакции, поэтому их энергию нельзя восстановить. Они предназначены для одноразового использования. Вторичные элементы (аккумуляторы) можно многократно заряжать, возвращая им способность вырабатывать электрический ток.

Основные характеристики любого гальванического элемента:

• Электродвижущая сила (ЭДС)
• Емкость
• Вырабатываемая энергия
• Срок службы

Рассмотрим несколько популярных примеров гальванических элементов и их особенности.

Устройство и принцип работы

Любой гальванический элемент состоит из двух электродов, погруженных в электролит. Один электрод служит анодом, другой – катодом. На электродах происходят окислительно-восстановительные реакции, сопровождающиеся выделением или поглощением электронов.

Благодаря этим реакциям между электродами возникает разность потенциалов – так называемая ЭДС элемента. Замкнув внешнюю цепь, можно «вывести» электроны с одного электрода на другой, создавая тем самым электрический ток.

Типы и конструкции гальванических элементов

Существует множество разновидностей гальванических элементов, отличающихся используемыми материалами и конструкцией. Рассмотрим некоторые наиболее распространенные.

Солевые элементы Лекланше

В этих элементах в качестве электролита используется паста на основе хлорида аммония или хлорида цинка. Они дешевые в производстве и удобны в использовании, поэтому широко применяются в бытовой электронике.

Щелочные марганцево-цинковые элементы

Здесь в роли электролита выступает щелочь - гидроксид калия или натрия. Такие элементы обладают бóльшей емкостью и лучше работают при низких температурах.

Литиевые батарейки и аккумуляторы

Они имеют самую высокую удельную энергию и емкость среди гальванических элементов. В них используются электроды из лития и различные твердые или жидкие электролиты. Применяются в высокотехнологичных устройствах.

Схема гальванического элемента

На примере медно-цинкового элемента рассмотрим типовую схему гальванического элемента и принцип его работы:

1. Электроны переходят с цинкового электрода (анод) на медный электрод (катод)
2. Во внешней цепи возникает электрический ток
3. Внутреннее сопротивление элемента и падение напряжения на нем уменьшают полезное напряжение на выходе

Внутреннее сопротивление гальванического элемента

Любой реальный гальванический элемент обладает некоторым внутренним сопротивлением. Это связано с сопротивлением электролита, электродов, а также контактов между ними. Наличие внутреннего сопротивления приводит к падению напряжения внутри элемента и уменьшает полезную ЭДС на его выходе.

Напряжение гальванического элемента

Напряжение на выходе гальванического элемента зависит от его внутреннего сопротивления и величины тока нагрузки. Чем выше ток нагрузки, тем большее падение напряжения происходит из-за внутреннего сопротивления, и тем меньше полезного напряжения остается на выходе.

Сила тока гальванического элемента

Сила тока, вырабатываемого гальваническим элементом, определяется скоростью протекания электрохимических реакций на электродах. Эта скорость зависит от:

• Площади поверхности электродов
• Температуры элемента
• Концентрации и состава электролита

При разряде гальванического элемента постепенно снижается концентрация электролита, затрудняется доставка реагентов к поверхности электродов, что приводит к уменьшению силы тока.

Анод и катод в гальваническом элементе

Анодом в гальваническом элементе называют электрод, на котором в результате окислительно-восстановительной реакции выделяются электроны. Эти электроны поступают на второй электрод - катод, где они расходуются на восстановительную реакцию.

В качестве анода часто используется цинк или литий, поскольку они легко отдают электроны. Для катода применяют различные металлы и оксиды, имеющие положительный электродный потенциал.

Принцип работы гальванического элемента

Принцип работы гальванического элемента основан на протекании электрохимических реакций окисления-восстановления на электродах при их контакте с электролитом. Происходит преобразование химической энергии реагентов в электрическую энергию электрического тока.

ЭДС гальванического элемента

ЭДС (электродвижущая сила) характеризует максимальное напряжение, которое может выработать гальванический элемент при разомкнутой цепи. Она определяется разностью электродных потенциалов катода и анода элемента.

Величина ЭДС зависит от природы электродов и температуры. На практике из-за падения напряжения на внутреннем сопротивлении полезное выходное напряжение элемента всегда меньше его ЭДС.

Области применения гальванических элементов

Благодаря способности преобразовывать химическую энергию в электрическую, гальванические элементы нашли широчайшее применение в самых разных областях:

Бытовая электроника

Солевые и щелочные батарейки используются для питания пультов, игрушек, часов, фонариков, калькуляторов и другой мелкой бытовой техники.

Мобильные устройства

В портативных компьютерах, телефонах, планшетах применяются литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы благодаря их компактности и высокой удельной мощности.

Медицинская техника

Гальванические элементы питают кардиостимуляторы, слуховые аппараты, инсулиновые помпы и другие имплантируемые устройства, где нужен долгий срок автономной работы.

Транспортные средства

В автомобилях, поездах, кораблях используются свинцово-кислотные аккумуляторы большой емкости для пуска двигателей и питания бортовой электроники.

Аэрокосмическая отрасль

Никель-водородные, никель-кадмиевые и серебряно-цинковые элементы применяются в ракетостроении и авиации, где нужна высокая надежность, долговечность и устойчивость к перегрузкам.

Перспективы развития

В будущем ожидается дальнейшее совершенствование литий-ионных аккумуляторов, а также разработка принципиально новых типов гальванических элементов, например, на основе графена или квантовых эффектов.

Плюсы и минусы использования гальванических элементов

У любого типа гальванических элементов есть свои преимущества и недостатки, которые определяют области их применения.

Преимущества

• Высокая удельная энергия и мощность
• Компактные размеры и вес
• Широкий температурный диапазон
• Химическая и механическая стабильность
• Долгий срок службы

Недостатки

• Ограниченный ресурс циклов (для аккумуляторов)
• Саморазряд при хранении
• Возможность возгорания при нарушении герметичности
• Сложность и дороговизна производства

Экологические аспекты

Основные экологические проблемы, связанные с гальваническими элементами:

• Загрязнение тяжелыми металлами при неправильной утилизации
• Накопление неразлагаемого пластика и других материалов
• Выброс парниковых газов на этапе производства и транспортировки

Для решения этих проблем необходимы: использование безопасных материалов, раздельный сбор, переработка отходов.

Требования безопасности

Чтобы избежать вреда от гальванических элементов, следует соблюдать правила:

• Не нагревать и не вскрывать элементы
• Не замыкать контакты
• Не хранить или заряжать вблизи от огня
• Не допускать коротких замыканий

Экономические аспекты производства и потребления

Производство и использование гальванических элементов имеет важное экономическое значение в масштабах всего мирового рынка.

Объемы производства

По оценкам экспертов, ежегодно в мире производится более 100 миллиардов первичных элементов питания и десятки миллионов аккумуляторов различных типов.

Стоимость компонентов

На себестоимость гальванических элементов влияют цены на металлы (литий, кобальт, марганец, никель), пластмассы, электролиты. При высоких объемах производства стоимость одного элемента может быть около 1 доллара.

Влияние технологий

Разработка новых материалов и технологий производства (наноструктурирование, тонкие пленки) повышает емкость и удельную мощность гальванических элементов.

Спрос и предложение

Растущий спрос на портативную электронику увеличивает потребность в компактных источниках питания. Ужесточаются требования по энергоэффективности и экологичности.

Перспективы рынка

В ближайшие 10 лет прогнозируется дальнейший рост производства и потребления гальванических элементов. Особенно перспективны литий-ионные накопители энергии, а в отдаленной перспективе - технологии твердотельных батарей и ячеек на основе водорода.