Гальванический элемент

Электрический ток - это направленное упорядоченное движение заряженных частиц. Для того чтобы ток существовал в цепи длительное время, необходимо, во-первых, наличие электрического поля, во-вторых, наличие заряженных частиц, которые могут в этом поле перемещаться.

Одним из основных элементов любой электрической цепи является источник тока, в котором за счет сторонних сил происходит разделение электрических зарядов. Этими сторонними силами могут быть химические силы: разделение зарядов происходит в этом случае за счет затраты химической энергии. Это гальванические элементы, аккумулятор.

Сторонними силами могут быть также силы, в которых используется тепловая энергия. Такое разделение зарядов, превращение тепловой энергии в электрическую, происходит в термоэлементах

В фотоэлементах электрическая энергия возникает за счет световой энергии.

В динамомашине разделение зарядов и появление электрических сил происходит за счет затраты механической энергии.

Мы познакомим вас в первую очередь с гальваническим элементом. В гальваническом элементе происходит разделение зарядов за счет химических сил. Любой гальванический элемент состоит из электролита и двух электродов из разнородных веществ. Электролит - это раствор в воде соли, кислоты или щелочи. В воде нейтральные молекулы солей, кислот и щелочей распадаются и образуют ионы, положительные и отрицательные, которые имеются в электролите, кроме нейтральных молекул.

Мы используем в опыте раствор медного купороса в воде. Положительными ионами при этом будут являться ионы меди, а отрицательными ионами - ионы кислотного остатка. В качестве электродов мы используем цинк и медь. Медь при этом является анодом. Положительно заряженные ионы меди, осаждаясь на аноде, забирают у анода недостающий электрон, и, в целом, медный электрод оказывается заряженным положительно. Электрод из цинка является катодом. Ионы кислотного остатка, осаждаясь на катоде, отдают катоду избыточные электроны, и цинк оказывается заряжен отрицательно. Возникает электрическое поле между цинком и медью, если цинк и медь опущены в электролит. Если мы замыкаем внешнюю цепь, то в этом случае за счет ЭДС, существующей на полюсах источника тока, во внешней цепи возникает ток. Если внешняя цепь сделана из металла, то это направленное движение электронов от анода к катоду. Ток течет от анода к катоду, электроны при этом, конечно, движутся от отрицательно заряженного электрода к положительно заряженному электроду - аноду.

Покажем сам опыт. Установка состоит из ванны - кюветы из оргстекла, в которую мы будем наливать жидкости, и электрода. Вы видите здесь два медных электрода и один цинковый электрод. Правый медный электрод подсоединен к правому зажиму демонстрационного гальванометра (один из элементов схемы), а цинковый электрод и левый медный электрод подсоединены к левому зажиму гальванометра.

Опустим в начале в кювету медные электроды и нальем в кювету дистиллированную воду. Вы видите, что тока в цепи нет.

Попробуем заменить медный электрод цинковым. Извлечем медный электрод и опустим в кювету цинковый электрод. И в этом случае тока в цепи нет: в дистиллированной воде нет носителей заряда.

Подольем в воду раствор медного купороса. Вы видите, что в цепи появился электрический ток: об этом свидетельствует отклонение стрелки демонстрационного гальванометра. Сейчас ионы меди и ионы кислотного остатка движутся в противоположных направлениях, а во внешней цепи ток осуществляется за счет движения электронов к положительному полюсу источника тока, то есть к меди.

Если заменить вновь цинковый электрод на медный, то, несмотря на то, что оба электрода опущены в раствор медного купороса, в электролит, несмотря на наличие ионов в этом растворе, тока в цепи нет.

Таким образом, для работы любого гальванического элемента необходимо как наличие электролита, так и наличие двух электродов из разнородных веществ, опущенных в этот электролит. Вы хорошо знакомы с так называемыми сухими элементами. В сухих элементах в качестве электродов используются уголь и цинк (угольный электрод - анод, цинк - катод), а в качестве электролита используется раствор нашатыря.