Характеристики на галваничния елемент и история на откритието

Главна информация

Галваничните клетки се разделят на първични и вторични в съответствие със способността да генерират електрически ток. И двата вида се считат за източници и служат за различни цели. Първите генерират ток по време на химическа реакция, а вторите функционират изключително след зареждане. По-долу ще обсъдим и двете разновидности. Според количеството течности се разграничават две групи галванични клетки:

Ярък пример за устройства с една течност са волтовият стълб (1800) и елементът Wollaston, който първоначално е използван от Георг Ом в собствените му изследвания. Състоеше се от медни плочи, навити в кухи цилиндрични повърхности: първата беше вкарана във втората. И двете са защитени от контакт с дървени подпори. Електролитът е разредена сярна киселина. Резултатът е удвояване на работните повърхности. По време на реакцията се образува меден сулфат с отделяне на водород и цинкът се окислява. В батериите един електрод обикновено е въглероден.

Източник на електрическа енергия

Ом забеляза непостоянството на източниците на енергия с една течност, откривайки неприемливостта на галваничния елемент на Уоластън за експерименти за изследване на електричеството. Динамиката на процеса е такава, че в началния момент от време токът е голям и първоначално расте, след което спада до средната стойност за няколко часа. Съвременните батерии са капризни.

История на откриването на химическото електричество

Малко известен факт е, че през 1752 г. галваничното електричество е споменато от Йохан Георг. Изданието на Берлинската академия на науките „Изследване за произхода на приятните и неприятни усещания“ дори даде напълно правилна интерпретация на феномена. Опит: сребро и оловоплочите бяха свързани в единия край, а противоположните бяха приложени към езика от различни страни. На рецепторите се наблюдава вкус на железен сулфат. Читателите вече се досетиха, че описаният метод за проверка на батериите често се използва в СССР.

Обяснение на феномена: очевидно има някакви метални частици, които дразнят рецепторите на езика. Частиците се излъчват от една плоча при контакт. Освен това в този случай се разтваря един метал. Всъщност има принцип на работа на галванична клетка, при която цинковата плоча постепенно изчезва, предавайки енергията на химическите връзки на електрически ток. Обяснението е направено половин век преди официалния доклад до Лондонското кралско дружество от Алесандро Волта за откриването на първия източник на енергия. Но, както често се случва с открития, например електромагнитно взаимодействие, опитът остана незабелязан от широката научна общност и не беше правилно проучен.

Добавяме, че това се оказа свързано с неотдавнашното премахване на наказателното преследване за магьосничество: след тъжния опит на „вещиците“ малцина решиха да изучават непонятни явления. Ситуацията е различна с Луиджи Галвани, който от 1775 г. работи в катедрата по анатомия в Болоня. Неговите специализации се считат за стимули на нервната система, но светилото остави значителна следа не в областта на физиологията. Ученик на Бекария се занимава активно с електричество. През втората половина на 1780 г., както следва от мемоарите на учения (1791, De Viribus Electricitatis in Motu Muscylary: Commentarii Bononiensi, том 7, стр. 363), жабата отново е разрязана (експериментите продължават много години).

Трябва да се отбележи, че асистентът забеляза необичаен феномен, точно както при отклонението на стрелката на компаса от проводник с електрически ток: откритието беше направено само косвено свързано с научнитеизследователски хора. Наблюдението се отнася до потрепване на долните крайници на жабата. По време на експеримента асистентът докосна вътрешния бедрен нерв на разчлененото животно, краката потрепнаха. Наблизо, на масата, имаше електростатичен генератор, върху устройството прескочи искра. Луиджи Галвани веднага получава идеята да повтори опита. Какво успя. И отново в колата плъзна искра.

Експерименти от Луиджи Галвани

Създава се паралелна връзка с електричеството и Галвани иска да знае дали гръмотевична буря ще действа по подобен начин на жаба. Оказа се, че природните бедствия не оказват забележимо влияние. Жабите, прикрепени с медни куки зад гръбначния мозък към желязната ограда, потрепваха независимо от метеорологичните условия. Експериментите не можаха да бъдат изпълнени със 100% повторяемост, атмосферата не оказа влияние. В резултат на това Галвани открива множество двойки, съставени от различни метали, които, когато са в контакт един с друг и с нерва, карат краката на жабата да потрепват. Днес феноменът се обяснява с различна степен на електроотрицателност на материалите. Например, известно е, че алуминиевите плочи не могат да бъдат нитовани с мед, металите съставляват галванична двойка с изразени свойства.

Проводници от първи вид (твърди тела) и втори вид (течности) при контакт в някаква комбинация пораждат електрически импулс, днес е невъзможно да се обяснят причините за това явление. Токът протича в затворена верига и изчезва, ако целостта на веригата е нарушена.

Волтов стълб

Джовани Фаброни допринесе за поредицата от открития, като каза, че когато две плочи от галванична двойка се поставят във вода, едната започва да се срутва. Следователно явлението е свързано с химични процеси. А Волта, междувременно, изобретил първия източник на енергия, за дълго времевреме служи за изследване на електричеството. Ученият непрекъснато търсеше начини да засили действието на галваничните двойки, но не го намери. По време на експериментите е създаден дизайнът на волтовата колона:

Цинкови и медни чаши са взети по двойки в близък контакт една с друга.
Получените двойки бяха разделени с мокри кръгове от картон и поставени един над друг.

Лесно е да се досетите, че се получава последователно свързване на източници на ток, което, обобщено, засилва ефекта (потенциалната разлика). Новото устройство предизвиквало при докосване шок, забележим за човешката ръка. Подобно на експериментите на Мушенбрук с Лайденския буркан. Отне обаче време, за да се повтори ефектът. Стана ясно, че източникът на енергия е от химически произход и постепенно се обновява. Но свикването с концепцията за ново електричество не беше лесно. Волтовият стълб се държеше като зареден лайденски буркан, но...

Волта организира допълнителен експеримент. Снабдява всеки от кръговете с изолираща дръжка, поставя ги в контакт за известно време, след което ги отваря и извършва изследване с електроскоп. По това време законът на Кулон вече е станал известен, оказва се, че цинкът е положително зареден, а медта е заредена отрицателно. Първият материал дари електрони на втория. Поради тази причина цинковата плоча на волтовия стълб постепенно се разрушава. За да проучи работата, беше назначена комисия, на която бяха представени аргументите на Алесандро. Още тогава, чрез разсъждения, изследователят установи, че напрежението на отделните двойки се сумира.

Английски изследователи бързо откриха: ако се капне вода върху горната плоча (медна), в определената точка в контактната зона се отделя газ. Те направиха експеримент от двете страни: проводниците на подходяща верига бяха затворени в колби с вода. Газът е изследван.Оказа се, че газът е горим, отделя се само от едната страна. На противоположния проводник жицата беше забележимо окислена. Установено е, че първият е водород, а вторият феномен възниква поради излишък на кислород. Установено е (2 май 1800 г.), че наблюдаваният процес е разлагане на водата под действието на електрически ток.

Уилям Круикшанк веднага показа, че е възможно да се направи същото с разтвори на метални соли, а Уоластън най-накрая доказа идентичността на волтовия стълб със статичното електричество. Както каза ученият: действието е по-слабо, но има по-голяма продължителност. Мартин Ван Марум и Кристиан Хайнрих Пфаф заредиха лайденски буркан от стихията. И професор Хъмфри Дейви установи, че чистата вода не може да служи като електролит в този случай. Напротив, колкото по-силна е течността, способна да окислява цинка, толкова по-добре действа волтовият стълб, което е в пълно съгласие с наблюденията на Фаброни.

Киселината значително подобрява производителността, като ускорява процеса на генериране на електричество. В крайна сметка Дейви създава последователна теория за волтовия стълб. Той обясни, че металите първоначално имат определен заряд, когато контактите са затворени, предизвиквайки действието на елемента. Ако електролитът е в състояние да окисли повърхността на донора на електрони, слоят от изчерпани атоми постепенно се отстранява, разкривайки нови слоеве, способни да произвеждат електричество.

През 1803 г. Ритър сглобява колона от редуващи се кръгове от сребро и мокър плат, прототипът на първия акумулатор. Ритър го зарежда от волтова колона и наблюдава процеса на разреждане. Правилното тълкуване на явлението е дадено от Алесандро Волта. И едва през 1825 г. Огюст де ла Рив доказва, че преносът на електричество в разтвор се извършва от йони на вещество, наблюдавайки образуването на цинков оксид в камера с чиста вода, отделена от съседната мембрана.Твърдението помогна на Берцелиус да създаде физически модел, в който атомът на електролита се разглежда като съставен от два противоположно заредени полюса (йони), способни да се дисоциират. Резултатът беше хармонична картина на преноса на електричество на разстояние.