Электродвижущая сила гальванического элемента

Электродвижущая сила и гальванические элементы

Электродвижущая сила - это сила не электростатического происхождения, которая производит разделение зарядов.

Работа, которая совершается в цепи при прохождении тока, равняется работе сторонних электродвижущих сил (ЭДС).

Распространенными источниками постоянного тока служат гальванические элементы и аккумуляторы.

Электрический ток открыл в конце XVIII века Л. Гальвани, но он не смог дать правильное истолкование своим экспериментам. Это сделал А. Вольта. Однако ряд источников постоянного тока назвали по имени Гальвани.

Разность потенциалов появляется не только тогда, когда контактируют твердые тела, но и твердые тела и жидкости. При таких контактах возможно прохождение химических реакций.

Так, при помещении цинковой пластинки ($Zn$) в раствор серной кислоты ($H_2SO_4$) цинк растворяется. При этом в раствор поступают не нейтральные атомы цинка, а положительные ионы ($Zn^{++}$), в результате раствор заряжается положительно, а пластина из цинка получает отрицательный заряд. В таком случае между раствором и пластиной появляется разность потенциалов. Если достигнуто некоторое значение потенциала металла, по отношению к раствору, который называется электрохимическим, уход ионов из пластинки цинка в раствор заканчивается. Электрохимический потенциал связан со свойствами металла, жидкости и концентрации ионов металла в растворе. Если металл контактирует с водой, то его заряд больше, чем если металл находится в растворе соли, имеющем ионы металла. При большой концентрации ионов металла в растворе, возможен обратный процесс. В таком случае положительные ионы смогут выпадать в осадок на металл, тогда металлическая пластинка зарядится положительно. Получается, что при разных комбинациях металлов, жидкостей и концентраций ионов в растворах могут появляться разные электрохимические потенциалы.

Так как электрохимический потенциал связан с концентрацией ионов металла, принято использовать раствор в котором в одном литре раствора имеется моль ионов металла, деленный на валентность иона. При этом электрохимический потенциал металла в таком растворе называют абсолютным нормальным электрохимическим потенциалом. Для растворов в серной кислоте данный потенциал:

• для цинка равен -0,5 В;
• для меди равен +0,6 В.

При погружении двух разных металлов в раствор между ними появляется разность потенциалов, которая равна разности их электрохимических потенциалов.

Элемент Вольта

Данный гальванический элемент составлен из медной и цинковой пластинок, которые размещают в растворе серной кислоты (рис.1). Электрохимические потенциалы цинка и меди указаны выше, получим ЭДС элемента Вольта равна:

$Ɛ=0,6-(-0,5)=1,1 (В).$

Рисунок 1. Элемент Вольта. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Область действия сторонних ЭДС

Не следует считать, что сторонние ЭДС занимают все пространство между пластинами. В элементе Вольта возникают две сторонние ЭДС, которые распространены в поверхностных слоях, где соприкасаются пластинки с раствором кислоты. Данные слои имеют толщину около диаметра молекулы. Во всем остальном объеме раствора сторонних ЭДС нет.

Если соединить пластины элемента при помощи проводника, то в нем возникнет электрический ток, направленный от медной пластины (положительного электрода) к пластине из цинка (отрицательному электроду).

В растворе в пространстве между электродами, ток направлен от цинка к меди. Получается, что линии постоянного тока замкнуты.

Определим, каково изменение потенциала в цепи с током. В направлении течения тока потенциал уменьшается на сопротивлении проводника. Рассмотрим рис.2, который отражает изменение потенциала в замкнутом контуре, который имеет в качестве источника ЭДС элемент Вольта. Точки $A$ и $B$ соответствуют поверхностным контактам медного и цинкового электродов с растворами, в которых работают сторонние электродвижущие силы. Разность этих сил равна сторонней ЭДС элемента. Эта ЭДС равняется суммарному падению потенциала на сопротивлении внешней цепи на участке $AGB$ и на сопротивлении электролита на участке $BDA$. Сопротивление электролита называют внутренним сопротивлением элемента.

Закон Ома для всей цепи запишем как:

$Ɛ_{st}=I(R+r) (1)$,

где:

• $Ɛ_{st}$ - сторонняя ЭДС элемента;
• $R$ - сопротивление внешней цепи;
• $r$ - внутреннее сопротивление элемента.

Сторонняя ЭДС элемента определена свойствами элемента и не связана с силой тока в цепи. Формула (1) показывает, что падение напряжения на внешней цепи ($U=IR$) не равно ЭДС элемента, а всегда меньше ее:

$IR= Ɛ_{st}-Ir$(2).

$U$ - напряжение между клеммами работающего элемента, при течении тока в цепи. Из выражения (2) следует, что если сила тока увеличивается, то напряжение во внешней цепи становится меньше. Причем, это уменьшение тем больше, чем больше внутреннее сопротивления элемента.

При применении гальванического элемента желательно, чтобы напряжение во внешней цепи было наименее зависимым от нагрузки (от силы тока).

Значимой характеристикой элемента является его внутреннее сопротивление. Чем меньше внутреннее сопротивление элемента при прочих равных условиях, тем выше качество источника ЭДС.

Закон сохранения энергии для цепи с током с источником ЭДС гальваническим элементом

Рассмотрим закон сохранения энергии в цепи с током для цепи рис.2.

Рисунок 2. Цепь с током и гальваническим элементом. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Пусть $A_1$ - работа электрического поля при перемещении заряда $q$ по замкнутой цепи; $A_2$ - работа сторонних ЭДС. Электрическое поле совершает работу на участках, где потенциал падает от $\varphi_{1}$ до $\varphi_{2}$ (внешняя цепь) и от $\varphi_{3}$ до $\varphi_{4}$ ( за счет сопротивления раствора току внутри элемента).

$A_{1}=\left( \varphi_{1}-\varphi_{2} \right)q+\left( \varphi_{3}-\varphi_{4} \right)q\left( 3 \right)$.

Работа сторонних сил в слоях толщины диаметра молекулы ведет к увеличению потенциалов от $\varphi_{4}$ до $\varphi_{1}$ на пластинке из меди и от $\varphi_{2}$ до $\varphi_{3}$ на пластинке из цикла.

Работа сторонних ЭДС равна:

$ A_{2}=\left( \varphi_{1}-\varphi_{4} \right)q+\left( \varphi_{3}-\varphi_{2} \right)q=\left( \varphi_{1}-\varphi_{2} \right)q+\left( \varphi_{3}-\varphi_{4} \right)q\left( 4 \right)$.

Выражения (3) и (4) показывают, что:

$A_1=A_2 (5),$

работа, которая совершается в цепи при течении тока, равна работе сторонних ЭДС.