ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ: САМОДЕЛЬНАЯ БАТАРЕЯ
Каждому из нас знакомы химические источники тока различных типов и форм. Но как это часто случается, мы редко задумываемся о том, как устроен этот совершенно привычный и обыденный предмет. А между тем, появление первых химических источников тока, положило начало превращению электричества из лабораторной диковинки в нашего повседневного помощника.
В 1790 г. итальянский физиолог Луиджи Гальвани заметил, что лапка препарированной лягушки дергается, если к ней одновременно прикоснуться двумя инструментами из разных металлов. В то время уже было известно, что мышцы могут сокращаться под действием электрического тока, так, что Гальвани правильно приписал это явление действию электрического тока. Правда, он считал, что электрический ток появляется благодаря каким-то физиологическим процессам в лапке лягушки.
Правильное объяснение этому явлению смог дать другой итальянский ученый Алессандро Вольта. Он установил, что это явление связано с наличием двух разнородных металлов, соприкасающихся с электролитом, в роли которого выступала кровь лягушки, а сама лапка играла лишь роль чувствительного индикатора электрического тока [1]. Опираясь на свои исследования Вольта в 1799г. создал первый химический источник тока. В этом устройстве Вольта использовал медный и цинковый электроды, погруженные в раствор серной кислоты.
Цинк бурно реагирует с кислотами. В раствор переходят не атомы цинка, а положительные ионы, так что в электроде остается избыток электронов, следовательно, цинковая пластина заряжается отрицательно. Вообще, большинство металлов при погружении в электролит заряжается отрицательно, на поверхности медной пластинки протекает подобный процесс. Но избыток отрицательных зарядов на медном электроде гораздо меньше, а значит, относительно цинкового электрода его потенциал получается более высоким. Если соединить внешним проводником медную и цинковую пластины, то электроны начнут перемещаться с цинковой пластины на медную, т.е. в цепи потечет электрический ток [2].
Электрическое напряжение, возникающее между электродами, зависит от того, из каких металлов изготовлены электроды и от их взаимодействия с электролитом. Напряжение, даваемое элементом, никак не зависит от площади пластин.
Часто напряжения, даваемого одним гальваническим элементом, недостаточно. Тогда их можно соединять последовательно в батареи.
Вообще изготовить химический источник тока совсем нетрудно: надо поместить в электролит две пластинки из разных металлов [3]. Такие гальванические элементы возникают самопроизвольно. Например, намочил дождь крышу, покрытую оцинкованным железом, на железе наверняка имеются царапины, так, что и железо, и цинк вступили в контакт с водой, которая играет роль электролита. Цинк в такой паре начнёт активно разрушаться, а вот железо не пострадает, пока не разрушится весь цинк. Именно для этого и покрывают железо слоем цинка.
По той же самой причине скручивать вместе медные и алюминиевые провода, это, мягко говоря, не самая лучшая идея. В месте контакта начнется гальваническая коррозия, которая приведет к росту электрического сопротивления контакта, что в свою очередь приведет к большему выделению тепла и еще более быстрой коррозии. Все вместе это может стать причиной разрушения соединения и даже пожара.
Нагляднее всего можно пронаблюдать гальваническую коррозию на примере контактов железа с цинком и медью в растворе соли. Железные скрепки были надеты на цинковую и медную пластины и погружены в раствор соли.
Через сутки скрепка, соединенная с медной пластиной, покрылась ржавчиной. В то время, как скрепка, бывшая в контакте с цинком, совершенно не пострадала.
Ученые составили электрохимический ряд напряжений металлов. Чем дальше друг от друга отстоят металлы в этом ряду, тем более высокое напряжение дает гальванический элемент, составленный из этих металлов. Так пара золото – литий теоретически может дать электродвижущую силу (ЭДС) 4,72 В. Но такая пара в водной среде работать не сможет – литий это щелочной металл, легко реагирующий с водой, а золото стоит слишком дорого для подобного применения.
На практике элемент Вольта обладает рядом серьёзных недостатков.
- Во-первых, электролитом ему служит весьма едкая жидкость – раствор серной кислоты. Жидкий электролит всегда представляет собой неудобство или даже опасность. Он может расплескаться, разлиться при повреждении корпуса.
- Во-вторых, на медном электроде такого элемента будет выделяться водород. Это явление называется поляризацией. По многим свойствам водород весьма близок к металлам, так что его пузырьки создадут дополнительную ЭДС поляризации, стремящейся вызвать ток противоположного направления [2]. Кроме того, пузырьки газа не пропускают электрический ток, что тоже ведет к ослаблению тока. Поэтому приходится периодически встряхивать сосуд, удаляя пузырьки механически, или вводя в состав электролита специальные деполяризаторы.
- В третьих, в процессе работы гальванического элемента Вольта, цинковый электрод постепенно растворяется. Теоретически, когда гальванический элемент не используют, разрушение цинкового электрода должно прекратиться, но поскольку почти всегда в составе цинка есть примеси других металлов, они при соприкосновении с электролитом играют роль второго электрода, образуя короткозамкнутый элемент, что ведет к гальванической коррозии цинкового электрода [2]. Для того, чтобы устранить этот недостаток, приходится использовать сверхчистый цинк или конструктивно предусматривать возможность извлечения цинкового электрода из электролита. Так что когда батарея не используется, электролит из нее следует сливать.
Но для демонстрационных целей всеми этими недостатками можно пренебречь, если заменить серную кислоту более безопасным электролитом.
Изготовление батарейки
При изготовлении демонстрационной батареи гальванических элементов будем использовать стандартную пару – медь и цинк. Медную фольгу можно найти в некоторых трансформаторах. В крайнем случае, можно сделать медный электрод из свернутой в спираль голой медной проволоки [4]. Цинк можно добыть из разрядившихся солевых элементов питания, как правило, в них остается достаточно много металлического цинка даже, когда элемент непригоден к дальнейшему использованию. Вместо раствора кислоты, возьмем 10% раствор поваренной соли. В качестве емкости для электролита взяты пластиковые емкости от витаминов объемом примерно 50-100 мл.
В качестве контактов использованы винты, которые одновременно закрепляю электроды на крышке. При этом крайне желательно крепить медные электроды латунным винтом. Цинковую пластину можно без проблем крепить стальным винтом. Для герметизации под гайку подложена подходящая по размеру резиновая сантехническая прокладка.
Батарея из трех гальванических элементов позволяет питать светодиод.
Напряжение на одном элементе батареи составляет около 1 В.
Ток, отдаваемый в нагрузку, составляет около 0,23 мА
Такого тока достаточно для свечения светодиода. Однако на фотографии это свечение можно заметить, только если снимать при большой светочувствительности.
Такую батарею можно использовать в школе, например для выполнения лабораторной работы, по определению внутреннего сопротивления источника тока [5].
Источник
Батарейка своими руками — способы изготовления
В эпоху электроприборов не удивительно, что нас окружает электричество. Тем не менее не все знают, что для получения напряжения нужны специальные устройства. Достаточно будет и обыденных вещей, включая продукты питания, которые есть у каждого дома. Правда уровень напряжения и емкости будет далек от привычных источников питания, и в реальных условиях подобную батарейку не используешь, но в качестве эксперимента попробовать можно. Ниже инструкция, как делается самодельная батарейка из подручных материалов.
Батарейку можно сделать самостоятельно из подручных средств, которые есть у каждого дома.
Устройство и принцип работы батареи
Рассмотрим «на пальцах», как устроен элемент питания. Допустим, есть емкость с кислотой, куда погружен цинковый и медный электроды. Когда элемент даст ток по внешней цепи, цинк на поверхности электрода растворится. Растворенные в электролите атомы цинка – заряженные током ионы, которые оставляют в металле пару электронов, заряженных на «минус». Название этой реакции – окисление.
Пока цинк взаимодействует с электролитом, два иона водорода с положительным зарядом из рабочей жидкости «соединяются» с двумя электронами не «теле» электрода из меди, образуя тем самым молекулу водорода. Название реакции – восстановление.
Электроды из меди и цинка соединены внешним проводом – по нему передаются электроны. Водород, точнее его молекулы, появляющиеся на меди в ходе восстановления, преобразуются в газообразный водород.
Теперь об электролите. Уровень его кислотности напрямую влияет на напряжение в гальваническом элементе. Меньше кислотность – падает напряжение. В рабочих жидкостях с повышенной кислотностью электрод из цинка просто растворится, даже когда цепь разомкнута. Реакции окисления и восстановления актуальны, когда ток способен передаваться по внешней цепи.
Как сделать батарейку своими руками
Чтобы образовался ток, должны пройти определенные химические реакции. Источники питания всегда имеют пару электродов и электролит. В солевых и щелочных батареях анод сделан из цинка, а катод – из марганца. В аккумуляторах, предусматривающих перезарядку, катод – литиевый, а для анода используют разные материалы. Когда делается батарейка своими руками, электрод бывает из: меди, цинка, алюминия, железа. В качестве электролита выступают доступные средства, начиная солью, уксусом, и заканчивая кислотами, например, лимонной. Конечно, из-за нестабильного напряжения и незначительной емкости результаты экспериментов не тянут на полноценные батарейки, покупаемые в магазине.
Лимон
Чтобы получить электроэнергию из этого фрукта, берут: лимон, кусок чего-то из меди и из стали, и пару проводов, которые послужат изоляцией. В первую очередь выполняют зачистку металлических изделий. Удобно делать это наждачной бумагой.
В качестве стального предмета годятся простые гвозди, которые есть в любом гараже. А медным изделием послужит, к примеру, десяти- или пятидесятикопеечная монетка.
В лимон втыкают гвоздь и монету, а между ними оставляют зазор около 3 см. Это будут электроды, к которым присоединяют провода, или просто вставляют рядом. Монета выполняет роль «плюса», т.е. положительного контакта, гвоздь – «минуса».
Вместо лимона подойдет и яблоко, желательно покислее, что нужно для эффективного протекания химической реакции.
Источник питания из фрукта характерен напряжением в 0.5 – 0.7 В. Этого значения мало, телефон точно не зарядить. Чтобы поднять напряжение до 3 – 5 В, последовательно соединяют нескольких плодов.
Интересно, но цепь предполагает получение заряда. Для этого в нее включают батарейку типа «крона» или устройство, которым заряжают мобильник.
Медь контактирует со сталью – это и необходимо для вырабатывания электричества. Кислота внутри фруктов служит для запуска реакции. Импровизированный элемент питания будет работать так долго, пока не выйдет вся кислота из лимона или яблока, или пока не отвалятся контакты.
Банка с электролитом
Этот эксперимент схож с тем, как придумали первый гальванический источник питания. Электродные стальные: катод – из меди, анод – алюминия. Вместо проводов берут пластины, желательно с площадью побольше, и помещают в емкость – стакан или банку из стекла.
Далее берут проводники и припаивают к электродам. Обычно используют болт или заклепку, так как с алюминием работать непросто. Пластины размещают таким образом, чтобы их плоскости были направлены друг на друга. Касаться они не должны. Для фиксации положения пластины крепят к крышке или используют диэлектрические распорки.
Рабочей средой, то есть электролитом, служит нашатырь. Это вещество в виде белого порошка, продающееся в магазине со средствами для пайки. Это же вещество есть в хлористом аммонии (минеральное удобрение). Чтобы приготовить токопроводящую среду, в 100 мл воды растворяют 50 г нашатыря.
Другой вариант раствора – из серной кислоты. Пропорции – 20 к 100. Во время работы придерживаются техники безопасности, надевают перчатки и очки. Сначала высыпают кислоту, потом заливают ее водой. Если сделать наоборот – произойдет реакция, и жидкость «вылетит» из емкости.
Раствор льют до краев, проверяя параллельно напряжение при помощи тестера. Если значения недостаточно, делают последовательное соединение.
Медные монеты
Электролитом служит столовый уксус, а электродами – алюминиевая фольга и монетки из меди. Дополнительное сырье – плотный картон, проводники.
Батарейка из медных монет.
- Ориентируясь на диаметр монет, вырезают кругляшки из картона и фольги.
- Пропитывают картонные заготовки в укусе.
- Также в укус опускают монетки, чтобы снять оксидную пленку с поверхности.
Далее выполняется сборка элемента питания, пирогом: монетка, картон, фольга. Размер «пирамиды» зависит от количества подготовленных материалов. Первым и последним элементом должна быть монета, и к ним предварительно припаивают проводники. В завершение вокруг изделия наматывают скотч.
Пивная банка
«Минусом» будет корпус банки из-под пива или энергетика, сделанный из алюминия. «Плюсом» – графитовый стержень.
Дополнительное сырье: вода, соль, парафиновые свечи, пенопласт и угольная пыль. Сначала срезают верхушку банки. Затем из пластика вырезают кругляш, оставляют в нем отверстие для стержня и опускают в емкость. Графитовую палочку располагают посреди банки. Оставшаяся емкость заполняется угольной пылью. Далее заливается водный раствор соли: на пол литра воды сыпят три столовые ложки соли. На края банки капают парафином.
Картошка, соль и зубная паста
Отличный рецепт, который выручит, если, например, в походе нечем разжечь костер. Требующееся сырье: картофель, соль, зубная паста, пара зубочисток, проводники из меди.
Начинают с картошки, которую режут пополам, вдоль. Из одной части вырезается сердцевина, куда высыпают соль и добавляют пасту. Это будущий электролит. Его тщательно перемешивают, и добавляют столько, пока не дойдет до краев.
Во второй части картофеля делают сквозное отверстие, чтобы получилось две дырки. В них вставляют провода с заранее удаленной изоляцией. Снизу овоща они должны выступать примерно на 1 см. Две части складывают таким образом, чтобы проводники попали в рабочую среду. В качестве соединительного элемента используют зубочистки.
Описанные способы хороши для наглядной демонстрации работы гальванических элементов. Экспериментальные батарейки не заменят настоящие, сделанные с учетом всех тонкостей, но получать новые знания и отрабатывать их на практике ведь никто не запрещает.
Источник