Химический источник тока

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Хими́ческий исто́чник то́ка (аббр. ХИТ) — источник ЭДС, в котором энергия протекающих в нём химических реакций непосредственно превращается в электрическую энергию.

История создания[править | править исходный текст]

Первый химический источник тока был изобретён итальянским учёным Алессандро Вольта в 1800 году. Это был «элемент Вольта» — сосуд с солёной водой с опущенными в него цинковой и медной пластинками, соединенными проволокой. Затем учёный собрал батарею из этих элементов, которая впоследствии была названа «вольтовым столбом». Это изобретение впоследствии использовали другие учёные в своих исследованиях. Так, например, в 1802 году русский академик В. В. Петров сконструировал вольтов столб из 2100 элементов для получения электрической дуги. В 1836 году английский химик Джон Даниель усовершенствовал элемент Вольта, поместив цинковый и медный электроды в раствор серной кислоты. Эта конструкция стала называться «элементом Даниеля».

В 1859 году французский физик Гастон Плантэ изобрёл свинцово-кислотный аккумулятор, поместив скрученную в рулон тонкую свинцовую пластину в серную кислоту. Этот тип элемента и по сей день используется в автомобильных аккумуляторах.

В 1865 году французский химик Ж. Лекланше предложил свой гальванический элемент (элемент Лекланше), состоявший из цинкового стаканчика, заполненного водным раствором хлористого аммония или другой хлористой соли, в который был помещён агломерат из оксида марганца(IV) MnO2 с угольным токоотводом. Модификация этой конструкции используется до сих пор в солевых батарейках для различных бытовых устройств.

В 1890 году в Нью-Йорке Конрад Губерт, иммигрант из России, создаёт первый карманный электрический фонарик. А уже в 1896 году компания National Carbon приступает к массовому производству первых в мире сухих элементов Лекланше «Columbia».

Самый долгоживущий гальванический элемент — серно-цинковая батарея, изготовленная в Лондоне в 1840 году. Подключенный к двум таким, последовательно соединенным, батареям звонок работает и по сей день в Кларендонской лаборатории Оксфорда.[1]

Принцип действия[править | править исходный текст]

Основу химических источников тока составляют два электрода (отрицательно заряженный анод, содержащий восстановитель, и положительно заряженный катод, содержащий окислитель), контактирующие с электролитом. Между электродами устанавливается разность потенциалов — электродвижущая сила, соответствующая свободной энергии окислительно-восстановительной реакции. Действие химических источников тока основано на протекании при замкнутой внешней цепи пространственно-разделённых процессов: на отрицательном аноде восстановитель окисляется, образующиеся свободные электроны переходят по внешней цепи к положительному катоду, создавая разрядный ток, где они участвуют в реакции восстановления окислителя. Таким образом, поток отрицательно заряженных электронов по внешней цепи идет от анода к катоду, то есть от отрицательного электрода (отрицательного полюса химического источника тока) к положительному. Это соответствует протеканию электрического тока в направлении от положительного полюса к отрицательному, так как направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов в проводнике.

В современных химических источниках тока используются:

Классификация[править | править исходный текст]

По возможности или невозможности повторного использования химические источники тока делятся на:

  • гальванические элементы (первичные ХИТ), которые из-за необратимости протекающих в них реакций невозможно перезарядить;
  • электрические аккумуляторы (вторичные ХИТ) — перезаряжаемые гальванические элементы, которые с помощью внешнего источника тока (зарядного устройства) можно перезарядить;
  • топливные элементы (электрохимические генераторы) — устройства, подобные гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне, а продукты реакций удаляются из него, что позволяет ему функционировать непрерывно.

Следует заметить, что деление элементов на гальванические и аккумуляторы до некоторой степени условное, так как некоторые гальванические элементы, например щелочные батарейки, поддаются подзарядке, но эффективность этого процесса крайне низка.

По типу используемого электролита химические источники тока делятся на кислотные (например свинцово-кислотный аккумулятор, свинцово-плавиковый элемент), щелочные (например ртутно-цинковый элемент, ртутно-кадмиевый элемент, никель-цинковый аккумулятор, никель-кадмиевый аккумулятор) и солевые (например, марганцево-магниевый элемент, цинк-хлорный аккумулятор).

Некоторые виды химических источников тока[править | править исходный текст]

Гальванические элементы[править | править исходный текст]

Гальванический элемент — химический источник электрического тока, названный в честь Луиджи Гальвани. Принцип действия гальванического элемента основан на взаимодействии двух металлов через электролит, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока.

Смотрите также Категория: Гальванические элементы.
Тип Катод Электролит Анод Напряжение,
В
Марганцево-цинковый элемент MnO2 KOH Zn 1.56
Марганцево-оловянный элемент MnO2 KOH Sn 1.65
Марганцево-магниевый элемент MnO2 MgBr2 Mg 2.00
Свинцово-цинковый элемент PbO2 H2SO4 Zn 2.55
Свинцово-кадмиевый элемент PbO2 H2SO4 Cd 2.42
Свинцово-хлорный элемент PbO2 HClO4 Pb 1.92
Ртутно-цинковый элемент HgO KOH Zn 1.36
Ртутно-кадмиевый элемент HgO2 KOH Cd 1.92
Окисно-ртутно-оловянный элемент HgO2 KOH Sn 1.30
Хром-цинковый элемент K2Cr2O7 H2SO4 Zn 1.8—1.9

Другие типы:

Электрические аккумуляторы[править | править исходный текст]

Электрический аккумулятор — химический источник тока многоразового действия (то есть в отличие от гальванического элемента химические реакции, непосредственно превращаемые в электрическую энергию, многократно обратимы). Электрические аккумуляторы используются для накопления энергии и автономного питания различных устройств.

Смотри также Категория: Аккумуляторы.

Топливные элементы[править | править исходный текст]

Топливный элемент — электрохимическое устройство, подобное гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне — в отличие от ограниченного количества энергии, запасенного в гальваническом элементе или аккумуляторе.

Смотри также Категория: Топливные элементы.

Аккумулятор (автомобильный обычный) — устройство способное как поглощать (заряд) так и отдавать (разряд) электрическую энергию в результате обратимой химической реакции происходящей внутри устройства. Аккумулятор автомобильный обычный является не источником тока, а источником электрической энергии, а более точно, источником напряжения. Поскольку только источник напряжения способен поддерживать заданную величину разности потенциалов при изменении сопротивления нагрузки.

Примечания[править | править исходный текст]

  1. Exhibit 1 — The Clarendon Dry Pile". Oxford Physics Teaching, History Archive. Retrieved 18 January 2008.
  2. В демонстрационных экспериментах зачастую используют плоды апельсина, яблоки и пр.

Литература[править | править исходный текст]

  • Дасоян М. А. Химические источники тока. — 2-е изд. — Л., 1969.
  • Романов В. В., Хашев Ю. М. Химические источники тока. — М., 1968.
  • Орлов В. А. Малогабаритные источники тока. — 2-е изд. — М., 1970.
  • Вайнел Д. В. Аккумуляторные батареи. — пер. с англ., 4-е изд. — М. — Л., 1960.
  • The Primary Battery / ed. G. W. Heise, N. C. Cahoon. — N. Y. — L., 1971. — Т. v. 1.

Ссылки[править | править исходный текст]