Устройство гальванического элемента

Содержание

Принцип работы гальванических ванн, предназначение и виды конструкций

Гальванический процесс, работа которого построена на использовании электрического тока, дает возможность однотонного покрытия на поверхностях различных материалов.
Чтобы понять принцип действия работы гальванических ванн, необходимо более детально ознакомится с конструкциями и принципом работы, это даст возможность самостоятельно изготовить устройство в домашних условиях.

Гальваника, что она собой представляет

Правильно используемая сила тока позволяет уменьшить растворенность катионов в металлах, этот принцип и есть основой гальваники. Использование гальваники позволяет видоизменять обрабатываемую поверхность, с учетом электрического окисления анионов по следующим параметрам:

  • Улучшается внешний вид и эстетические качества.
  • Увеличивается противостояние агрессивной среде, понижается скольжение.
  • Удаление дефектных и поврежденных участков с учетом улучшения износостойкости.
  • Процесс гальваники используют, как средство для увеличения толщены изделия в местах низкорослости, и при формировании плотности.

Использование гальванического травления именуют электроосаждением для очистки поверхностей, где предполагаемо, будет наноситься защитный слой. Принцип работы основан на применении в гальванической ванне производимой компанией plast-product.ru одного из вида электролита, который содержит одну, или несколько растворимых солей металла. Эта особенность дает возможность усиливать прохождение электрического тока и способствует накоплению ионов.

Толщина слоя зависит от времянахождения объекта в ванне, а скорость растворяемого анода зависит от катодной площади, обрабатываемого электротоком.

Отрасли, где применяется гальваника

Гальваника применяется в различных направлениях, но наиболее популярными является медицинская отрасль, декоративная металлургия и ювелирное дело. По популярности металлов, которые используют обработки поверхностей, выделяются:

  • Родий.
  • Золото.
  • Палладий.
  • Рутений.
  • Серебро.
  • Латунь.

В ювелирном деле и медицине технологию используют для хромирования деталей и инструмента, никелирования, оцинковки и обезжириваний.

Как организовать процесс гальваники самостоятельно в домашних мастерских

Процесс гальванизации не отличается сложностью и его вполне по силам организовать в домашних мастерских. Для этого потребуется следующее оборудование:

  • Регулируемый блок питания.
  • Осветитель.
  • Медный купорос (вещество является ядовитым, требует корректного использования).
  • Зажимы (в народе именуют «крокодилами»).
  • Контейнер из стекла.
  • Электроды, изготовленные из меди.

В домашних условиях сложных гальванических процессов невозможно организовать, но простейшее медное покрытие на различных покрытиях, задача выполнимая для всех желающих попробовать свои силы в подобного рода занятиях. Материал природного происхождения должен иметь слой эмали, иначе его просто испортят.

Процесс приготовления

Медный купорос растворяют в необходимом количестве воды, которая должна полностью покрывать предмет в специальном контейнере. Анод устанавливают в контейнере до полного погружения, не допуская контакта с материалом. Чем ниже напряжение, тем большее количество жидкости можно использовать.

Питание

Блок питания имеет два выхода: (+) присоединяется к аноду, таким образом, чтобы он находился над поверхностью жидкости, (-) крепится к катоду, заранее исключая прикосновение детали к меди. После чего можно подавать питание (достаточно 1 В).

Время от времени нужно проверять качество и слой покрытия, если увеличивается тусклость, нужно добавить в раствор немного отбеливателя. Сам процесс занимает несколько минут.

Полоскание

По завершению нанесения слоя деталь промывают проточной водой и вытирают насухо, следя за отсутствием на поверхности частиц медного купороса. Достаточно нескольких «тренировок», чтобы овладеть технологией обработки поверхностей на приличном уровне исполнения. Данный вид обработки поверхностей позволит вернуть привлекательность многих дорогих сердцу вещиц, которые по разным причинам потеряли нужный формат.

Гальванические элементы: преимущества и недостатки

Для изготовления современных гальванических элементов используются самые различные материалы. Наиболее распространенными являются материалы на основе угольно-цинковых элементов, используемых для пальчиковых батареек.

Их основным положительным качеством считается относительно низкая стоимость. Однако, такие элементы обладают невысокой мощностью и небольшим сроком хранения. Наиболее оптимальным вариантом служит использование щелочных элементов. Здесь в качестве электролита выступает не уголь, а раствор щелочи. При разрядке не происходит выделение газа, что позволяет обеспечить полную герметичность. Щелочные элементы отличаются более высоким сроком хранения.

Общий принцип работы гальванического элемента для всех их видов совершенно одинаковый. Например, элементы на основе оксида ртути конструктивно напоминают щелочные. Они отличаются повышенной устойчивостью к высокой температуре, высокой механической прочностью и стабильным значением напряжения. Недостатком является токсичность ртути, требующая осторожного обращения с отработанными элементами.

В первых опытах ученых в емкость с кислотой опускали две металлические пластины: медную и цинковую. Пластины соединяли проводником, после чего на медной пластине появлялись газовые пузырьки, а цинковая пластина стала растворяться. Было доказано, что по проводнику проходит электрический ток. Это исследование начинал итальянский ученый Гальвани, от него и получили название гальванические элементы.

После этого ученый Вольта разработал цилиндрическую форму этого элемента в виде вертикального столбика, включающего в себя набор колец меди, цинка и сукна, соединенных друг с другом, и пропитанных кислотой. Разработанный Вольтом вертикальный элемент полуметровой высоты вырабатывал напряжение, которое мог почувствовать человек.

Гальванические элементы — это источники электрической энергии, вырабатывающие электрический ток методом химического взаимодействия двух металлов в электролите. Химическая энергия в гальванических элементах преобразуется в электрический ток.

Принцип работы

Действие гальванических элементов основано на том, что два разных металла в среде электролита взаимодействуют между собой, в результате чего во внешней цепи образуется электрический ток.

Такие химические элементы сегодня называют батарейками. Величина напряжения батарейки зависит от применяемых видов металлов и от числа элементов, находящихся в ней. Все устройство батарейки расположено в металлическом цилиндре. Электроды представляют собой металлические сетки с напылением восстановителя и окислителя.

Батарейки не могут восстанавливать утраченные свойства, так как в них осуществляется прямое преобразование химической энергии окислителя и восстановителя в электрическую. Химические реагенты при функционировании батарейки постепенно расходуются, а электрический ток уменьшается.

Отрицательный вывод батарейки выполнен из цинка или лития, он теряет электроны и является восстановителем. Другой положительный вывод играет роль окислителя, его изготавливают из оксида магния или солей металлов. Состав электролита в обычных условиях не пропускает через себя электрический ток. При замыкании электрической цепи начинается распад электролита на ионы, что обуславливает появление его электрической проводимости. Электролит состоит чаще всего из раствора кислоты или солей натрия и калия.

Виды и особенности устройства

Батарейки широко используются для питания разных электронных устройств, приборов, цифровой техники и делятся на три вида:

  1. Щелочные.
  2. Солевые.
  3. Литиевые.
Солевые гальванические элементы

Такие батарейки относятся к марганцево-цинковым элементам питания, и являются наиболее применяемыми в настоящее время.

Достоинствами солевых батареек являются:

  • Приемлемые электрические параметры для многих областей использования.
  • Удобство применения.
  • Малая цена ввиду небольших расходов на изготовление.
  • Простая технология изготовления.
  • Дешевое и доступное сырье.

Длительное время этот вид батареек является наиболее популярным, благодаря соотношению качества и цены. Однако в последние годы заводы изготовители уменьшают производство солевых гальванических элементов, и даже отказываются от выпуска, так как требования к источникам питания повышаются производителями электронной техники.

Недостатками солевых батареек являются:

  • Малый срок хранения, не более 2-х лет.
  • Резкое падение свойств при снижении температуры.
  • Резкое уменьшение емкости при повышении рабочего тока до эксплуатационных значений современных потребителей.
  • Быстрое уменьшение напряжения во время работы.

Солевые гальванические элементы в конце своего разряда могут потечь, что связано с вытеканием электролита из-за увеличения объема положительного электрода, который выдавливает электролит. Активная масса плюсового электрода состоит из диоксида марганца и электролита. Сажа и графит, добавленный в активную смесь, повышают электропроводность активной смеси. Их доля равна от 8 до 20% в зависимости от марки батарейки. Для увеличения срока работы окислителя активную смесь насыщают электролитом.

Минусовой электрод изготавливают из очищенного цинка, устойчивого к коррозии. В нем остается небольшая доля кадмия или свинца, являющегося ингибиторами коррозии. Раньше в батарейках в качестве электролита использовали хлорид аммония. Он участвует в реакции образования тока, создает проходимость ионов. Но такой электролит не показал хороших результатов, и его заменили хлоридом цинка с примесями хлорида кальция. Марганцево-кислые элементы работают дольше, и показывают лучшие результаты при пониженных температурах.

В солевых гальванических элементах отрицательным полюсом является цинковый корпус 7. Плюсовой электрод 6 изготовлен из активной прессованной массы, пропитанной электролитом. По центру этой массы находится угольный стержень 5, обработанный парафином для удержания влаги в электролите. Верхняя часть стержня закрыта металлическим колпаком. В сепараторе 4 находится густой электролит. В газовую камеру 1 поступают газы, образованные при работе батарейки. Сверху батарейку закрывают прокладкой 3. Весь гальванический элемент заключают в футляр 2, выполненный из картона или фольги.

Щелочные батарейки

Щелочные элементы питания появились в середине прошлого века. В них в качестве окислителя выступает диоксид марганца, а в качестве восстановителя порошковый цинк. Это дает возможность увеличить поверхность. Для предохранения от коррозии раньше применялось амальгамирование. Но после запрета на ртуть используют очищенные цинковые порошки с добавлением других металлов и ингибиторов коррозии.

Активным веществом анода щелочной (алкалиновой) батарейки стал очищенный цинк в виде порошка с добавлением алюминия, индия или свинца. Активная смесь катода включает в себя диоксид марганца, ацетиленовую сажу или графит. Электролит алкалиновых батареек состоит из едкого натра или калия с добавлением оксида цинка.

Порошковый анод позволяет значительно повысить использование активной смеси, в отличие от солевых батареек. Алкалиновые батарейки обладают значительно большей емкостью, чем солевые, при равных габаритных размерах. Они хорошо себя показали в работе на морозе.

Особенностью устройства алкалиновых элементов является порошковый цинк, поэтому вместо цинкового стакана используют стальной корпус для положительного вывода. Активная смесь положительного электрода находится возле внутренней стенки стального корпуса. В алкалиновой батарейке есть возможность разместить больше активной смеси положительного электрода, в отличие от солевой.

В активную смесь вставляется целлофановый сепаратор, смоченный электролитом. По центру батарейки проходит латунный отрицательный электрод. Остальной объем между сепаратором и отрицательным токоотводом заполняется анодной пастой в виде порошкового цинка, пропитанного густым электролитом. Обычно в качестве электролита используют щелочь, насыщенную специальными соединениями цинка. Это дает возможность предотвратить потребление щелочи в начале работы элемента, и снизить коррозию. Масса щелочных батареек выше солевых из-за стального корпуса и большей плотности активной смеси.

По многим основным параметрам алкалиновые гальванические элементы превосходят солевые элементы. Поэтому в настоящее время увеличивается объем производства щелочных батареек.

Литиевые элементы питания

Литиевые гальванические элементы применяются в различных современных устройствах. Они выпускаются различных типоразмеров и видов.

Существуют литиевые батарейки и литиевые аккумуляторы, имеющие между собой большие отличия. Батарейки имеют в составе твердый органический электролит, в отличие от других видов элементов. Литиевые элементы используются в местах, где требуются средние и малые токи разряда, стабильное рабочее напряжение. Литиевый аккумулятор можно перезаряжать определенное количество раз, а батарейки не предназначены для этого, и используются только один раз. Их запрещается вскрывать или перезаряжать.

Основные требования к производству
  • Надежная герметизация корпуса. Нельзя допускать утечки электролита и проникновения внутрь других веществ из внешней среды. Нарушение герметичности приводит к их возгоранию, так как литий является высоко активным элементом. Гальванические элементы с нарушенной герметичностью не годятся для эксплуатации.
  • Изготовление должно проходить в герметичных помещениях с аргоновой атмосферой и контролем влажности.

Форма литиевых аккумуляторов бывает цилиндрической, дисковой или призматической. Габариты практически не отличаются от других видов батареек.

Область использования

Литиевые гальванические элементы обладают более длительным сроком работы, по сравнению с другими элементами. Область применения очень широка:

  • Космическая промышленность.
  • Авиационное производство.
  • Оборонная промышленность.
  • Детские игрушки.
  • Медицинская техника.
  • Компьютеры.
  • Фото- и видеокамеры.

Преимущества

  • Широкий интервал рабочих температур.
  • Компактные размеры и масса.
  • Длительная эксплуатация.
  • Стабильные параметры в различных условиях.
  • Большая емкость.

Недостатки

  • Возможность внезапного возгорания при несоблюдении правил пользования.
  • Высокая цена, по сравнению с другими видами батареек.

Вольта элемент

Смотреть что такое «Вольта элемент» в других словарях:

  • ВОЛЬТА ЭЛЕМЕНТ — гальванический элемент, у которого положительный электрод медная пластина, отрицательный цинковая, электролит раствор поваренной соли или серной кислоты; ЭДС = 1 В. (См. .) … Большая политехническая энциклопедия

  • ВОЛЬТА ЭЛЕМЕНТ — гальванический элемент, у которого положительный электрод медная пластина, отрицательный цинковая, электролит раствор хлорида натрия или серной кислоты; электродвижущая сила 1,0 В. Предложен А. Вольтой … Большой Энциклопедический словарь

  • Вольта элемент — гальванический элемент, у которого положительный электрод медная пластина, отрицательный цинковая, электролит раствор хлорида натрия или серной кислоты; эдс 1,0 В. Предложен А. Вольтой. * * * ВОЛЬТА ЭЛЕМЕНТ ВОЛЬТА ЭЛЕМЕНТ, гальванический… … Энциклопедический словарь

  • ВОЛЬТА ЭЛЕМЕНТ — первичный элемент, у к рого положит. электрод медная пластина, отрицат. цинковая, электролит р р хлорида натрия или серной к ты. Эдс равна 1 В … Большой энциклопедический политехнический словарь

  • ВОЛЬТА ЭЛЕМЕНТ — гальванич. элемент, у к рого положит. электрод медная пластина, отрицательный цинковая, электролит р р хлорида натрия или серной кислоты; эдс 1,0 В. Предложен А. Вольтой … Естествознание. Энциклопедический словарь

  • ЭЛЕМЕНТ — элемента, м. . 1. Составная часть чего н. Разложить что н. на элементы. Классовые элементы общества. Отдельные элементы населения. Сочувствующие элементы… … Толковый словарь Ушакова

  • элемент — а, м. élément m., нем. Element <лат. elementum стихия, первоначальное вещество. 1. У древнегреческих философов материалистов одна из составных частей природы (огонь, вода, воздух, земля), лежащих в основе всех вещей, явлений; стихия. БАС 1.… … Исторический словарь галлицизмов русского языка

  • ЭЛЕМЕНТ — (лат. elementum первоначальное вещество, стихия). 1) простое или не разлагаемое тело, как напр, серебро, медь, азот и пр. 2) малые частицы, из которых состоит тело. 3) начальное вещество, стихия. Словарь иностранных слов, вошедших в состав… … Словарь иностранных слов русского языка

  • Элемент Вестона — Нормальный элемент Вестона (Weston cell). Содержание 1 Общее описание 2 Различают насыщенные и ненасыщенные НЭ … Википедия

  • элемент Вольта — Voltos elementas statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Galvaninis elementas, sudarytas iš vario ir cinko plokštelių NaCl tirpale. atitikmenys: angl. Volta pile; voltaic pile vok. Volta Element, n rus. элемент Вольта, m pranc … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

Принцип работы гальванических элементов

Тема 4. Химические источники тока

Источники тока, в которых химическая энергия преобразуется в электрическую, называютсягальваническими элементами. Они просты по устройству, имеют небольшие размеры и вес.

Первичные – гальванические элементы; вторичные – аккумуляторы, т.к. для превращения в источник тока нуждается в предварительном заряде.

Растворы солей, кислот, щелочей в воде или другом растворителе называются электролитами. Являются проводниками электрического тока. В них происходит непрерывный самопроизвольный распад молекул на положительные и отрицательные ионы, что выражается обычным уравнением.

CuSO4↔ Cu+++SO4- —

В целом такой раствор электрически нейтрален.

Если в сосуд с электролитом поместить две металлические пластины (электроды), присоединенные к источнику электрической энергии постоянного тока, то вследствие разности потенциалов между электродами через электролит будет протекать ток.

Прохождение тока через электролит сопровождается химическим процессом, который называется электролиз: положительные ионы будут двигаться к катоду (-), а отрицательные — к аноду (+). Подойдя к катоду, положительный ион получает недостающие электроны и образует химически нейтральный атом. На аноде отрицательные ионы отдают свои избыточные электроны.

Это упорядоченное движение ионов представляет собой электрический ток в жидких проводниках.

Рисунок 4.1. а) заряд и б) разряд аккумулятора

Гальванический элемент Вольта состоит из двух разнородных проводящих пластин – электродов: медного анода (+) и цинкового катода (-), помещённых в электролит (раствор серной кислоты).

Молекула серной кислоты в водном растворе распадается на два положительно заряженных иона водорода (H), в котором недостаёт по одному электрону и один отрицательно заряженный ион (SO4), в котором имеются два избыточных электрона.

Между отрицательными ионами, в состав которых входит сера и кислород, и цинковым электродом происходит химическая реакция, в результате которой образуется сернокислый цинк. При этом освобождаются два электрона, которые при расщеплении молекул серной кислоты были «захвачены» у водорода. На цинковой пластине возникает избыток свободных электронов.

При разомкнутой внешней цепи элемента дальнейшая химическая реакция прекращается, т.к. электроны, скопившиеся на цинковой пластине, отталкивают отрицательные ионы. Между медной и цинковой пластинами устанавливается определённая разность потенциалов, которая для данного элемента равна 1,1 В.

При подключении нагрузки во внешней цепи возникает электрический ток, проходящий от медной пластины к цинковой (движение электронов происходит наоборот). Внутри элемента ток течёт от цинковой пластины к медной. Положительные ионы водорода, находящиеся в электролите, соединяются на поверхности медного электрода с электронами и образуют пузырьки водорода, которые покрывают пластину тонким слоем. Происходит поляризация элемента.

При замкнутой внешней цепи элемента химическая реакция на цинковом электроде протекает непрерывно, так же непрерывно образуются и свободные электроны взамен уходящих во внешнюю цепь. В цепи устанавливается постоянный ток. Во внешней цепи происходит движение электронов в одном направлении, а во внутренней цепи движение положительных и отрицательных ионов в разных направлениях.

Так химическая энергия превращается в электрическую.

Разность потенциалов между цинковым и медным электродами определяет э.д.с. элемента. Величина э.д.с. не зависит от размеров электродов и количества электролита, она определяется только материалом электродов и химическим составом электролита.

Элемент Вольта не может долго работать. Ионы водорода на медном электроде создают как бы другой элемент с э.д.с., направленной против основной и ухудшающей электрические свойства элемента. Для нейтрализации добавляют деполяризаторы.

Сухие гальванические элементы: нашатырь смешан с древесными опилками и крахмалом, цинковый электрод – сосуд, положительный электрод — угольный, газоотводная трубка.

Контрольные вопросы

1. Как называются устройства, преобразующие химическую энергию в электрическую?

2. Что такое электролит?

3. Что такое электролиз?

4. На какие составляющие распадается молекула серной кислоты?

5. Из чего состоит гальванический элемент Вольта?

6. Как происходит поляризация элемента?

7. Какое воздействие оказывают ионы водорода на работу аккумуляторной батареи?

8. Что такое сухой гальванический элемент?

9. Как проходит электрический ток в жидких проводниках?

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *