Гальванические элементы

I. Типы гальванических элементов. Гальванические элементы по их конструкции можно разделить на два основных вида:

а) помещенные в стеклянные, фаянсовые или цинковые сосуды (стаканы)

(рис. 2);

б) собранные по образцу вольтова столба и названные галетными (рис. 3).

Галетный элемент состоит из положительного полюса (агломерата) с, спрессованного из смеси двуокиси марганца, листочка папиросной бумаги а_у картона б, пропитанного электролитом, и цинковой пластинки Zn. Оболочка d из пластмассы предохраняет электролит от высыхания. Каждый элемент отделяется от соседнего непромокаемым, но проводящим ток слоем, благодаря чему элементы, наложенные друг на друга столбиком, оказываются соединенными последовательно. Это позволяет получать анодные галетные батареи со значительной ЭДС.

Элементы с сосудами, в свою очередь, бывают: а) наливные, с жидким электролитом, например элемент Грене, б) водоналивные, при ходящие в действие после наливания в них воды, и в) сухие (рис. 3).

Для элементов, заполненных электролитом, характерно, что после прекращения их действия возобновление их работы производится посредством «зарядки», заключающейся в очистке и промывке электродов и в заливке свежего электролита. Водоналивные и сухие элементы по прекращении действия становятся негодными, и их приходится, как правило, заменять вновь приобретенными.

При покупке гальванических элементов надо иметь в виду, что на них обычно имеются следующие условные обозначения.

Гальванические элементы с марганцовой деполяризацией обозначают номерами и буквами: первая цифра говорит о размере элемента (самый малый—1-й и самый большой—4-й), буквы «С» и «В» соответственно означают, что элемент сухой или водоналивной, а буква «Л» — летний, «X» — хладостойкий и «У» — универсальный. Последние цифры указывают емкость батареи в а • ч. Например, обозначение ЗС-Л-30 означает, что это элемент третьего размера, сухой, летний, емкостью 30 а • ч.

Элементы с воздушной деполяризацией также маркируются номерами и буквами «ВД»; если же в состав деполяризатора входит марганцовая руда, то ставится марка МВД. Для обозначения батареи с обычным деполяризатором применяется буква «Б»; буква «Н» или «А» показывает, как правило, назначение батарей соответственно для накала или для анода. Буква «Г» указывает, что батарея галетного типа.

II. Элементы с хромовым деполяризатором. При демонстрационном эксперименте можно применять элементы типа элементов Грене. Элемент Грене состоит из толстостенной и широкогорлой стеклянной колбы, закрытой изолирующей крышкой. На этой крышке укреплены две угольные пластины и одна подъемная цинковая, закрепляемая в поднятом состоянии при помощи винта. Угольные пластины, соединенные между собой параллельно, соответствуют положительному полюсу, цинковая — отрицательному.

Электролит для заливки имеет следующий состав: 100 частей воды, 37 частей серной кислоты и 16 частей двухромовокислого натрия или калия.

Элемент имеет сравнительно небольшое (десятые доли ома) внутреннее
сопротивление. ЭДС элемента достигает 2 в. Цинковые электроды в хромовых
элементах перед каждой зарядкой необходимо амальгамировать. По истечении
некоторого времени ртуть частично испаряется с поверхности электродов, а главное, проникает (диффундирует) в цинк, поэтому реакция между цинком и серной кислотой начинает происходить и в то время, когда элемент не включен в цепь.

В связи с этим цинковые электроды во избежание непроизводительного
расходования веществ (цинка, серной кислоты и двухромовокислого калия) делают вынимающимися. Надо иметь в виду, что отработанную, ставшую коричнево-зеленой жидкость — электролит — нельзя оставлять в элементе Грене на продолжительное время, так как в ней возможно образование кристаллов. Эти кристаллы вызывают иногда растрескивание углей, и их трудно бывает удалять.

Элементы Грене рационально применять в демонстрационном эксперименте в тех случаях, когда нужно получить сильный ток, и притом на короткое время.

Использование хромовых элементов при демонстрациях на сравнительно продолжительное время для получения слабых токов, например для лампочки от карманного фонарика, электрического звонка и т. п., нерентабельно. Тем более нерационально применять их для лабораторных работ.

Основное достоинство описываемых элементов для школы заключается в том, что их всегда можно создать своими силами. Уголь для этого может быть взят от пришедшего в негодность сухого элемента, цинковую пластинку или палочку можно отлить из кусочков цинка. Серную кислоту и двухромовокислый калий нужно приобрести или достать в химическом кабинете.

III. Элементы с марганцовым деполяризатором. Все описанные ниже типы гальванических элементов представляют собой усовершенствование элемента Лекланше. В этих элементах положительным электродом является уголь, отри­цательным — цинк; электролитом — раствор хлористого аммония. Деполяризатором служит перекись марганца. Цинк при изготовлении элементов амальгамируется.

В современной электротехнике, кроме аккумуляторов, находят себе широкое
применение сухие и водоналивные гальванические
элементы. Эти элементы состоят из угольного электрода с «мешочным»
агломератом б из перекиси марганца, который помещен в цинковый сосуд а,
являющийся отрицательным электродом. В сухом элементе электролиту (раствору хлористого аммония) придана значительная вязкость. Элемент помещен в картонную оболочку и сверху залит асфальтом. Через крышку от электродов выведены два провода, знаки полюсов которых обозначены на корпусе элемента.

Сухой элемент способен давать ток тотчас же после своего включения в цепь, не требуя заливки водой.

Так как емкость сухих элементов, даже в том случае, если их не используют для получения электроэнергии, с течением времени уменьшается, то на корпусе элемента завод указывает месяц и год изготовления. Поэтому при покупке следует обращать внимание на дату изготовления.

Буква «С» в маркировке элемента указывает, что он является сухим, условными номерами обозначают типы элементов различной емкости. Наиболее подходящими для проведения лабораторных работ являются элементы емкостью 23 а- ч. При аккуратном использовании их энергии ими можно пользоваться около двух лет. В целях увеличения сохранности при длительных перерывах в работе (недели и месяцы) следует разъединять элементы, собранные в батарейки, так как это способствует уменьшению непроизводительного расхода энергии на саморазряд.

Из сухих батарей для демонстрационного эксперимента полезно иметь батарею БНС, обладающую огромной емкостью: до 100 а-ч— и позволяющую, например, накаливать лампочку от карманного фонаря непрерывно до 200 ч. Батарейки марки КБС общеизвестны: они служат для карманных фонариков.

У водоналивных элементов устройство электродов такое же, как у сухих элементов, но для приведения элемента в действие (раз и навсегда!) через отверстие, имеющееся в его крышке, нужно залить воду, согласно указаниям, напечатанным на корпусе. После такой зарядки отверстие необходимо закрыть пробкой.

Водоналивные элементы более долговечны по сравнению с сухими элементами, но они имеют несколько большее внутреннее сопротивление. Для лабораторных работ лучшими являются элементы № 3В.

IV. Гальванические элементы с марганцововоздушной деполяризацией (МВД). Де­поляризация в элементах МВД осуществляется с помощью не только двуокиси марганца, но и кислорода из атмосферы, проникающего к активным веществам положительного электрода через «дыхательное» отверстие, сделанное в крышке элемента. При работе элемента отверстие необходимо открыть; при хранении его, наоборот, закрыть резиновой пробкой.

Характерная особенность этих элементов заключается в их огромной электроемкости порядка сотен ампер часов — и большем по сравнению с типами < С > и <В > проценте сохранности. Однако элементы типа МВД боятся перегрузок, так как при этом действие воздушной деполяризации оказывается недостаточной.