Электрический ток
Похитил я божественную искру,
Сокрыл в стволе сухого тростника,
И людям стал огонь любезным братом,
Помощником, учителем во всём.
Эсхил. Прикованный Прометей
Цели урока: дать представление об электрическом токе и условиях его возникновения; познакомить учеников с источниками электрического тока; работая в группах, изготовить простейшие гальванические элементы и сравнить их некоторые свойства.
Цели развития: развивать умения наблюдать, строить модель процесса, объяснять явления с помощью аналогий, формировать первоначальный образ изучаемого объекта, ставить опыты, работать в группах, сравнивать результаты опытов, делать выводы, применять полученные знания в быту и технике. Урок должен будить мысль и создавать стойкую мотивацию к изучению физики.
Оборудование: два электрометра, проводник на изолирующей ручке, стеклянная и эбонитовая палочки, электрофорная машина, неоновая лампочка, термопара, фотоэлемент, модель генератора постоянного тока, гальванометр М-1032, ванна электролитическая, вольтметр и милливольтметр демонстрационные, две свинцовые пластины; коллекция «Металлы», лимон, вольтметр на 1,5 В, половинки севших гальванических элементов.
I. Актуализация знаний
Объясните с точки зрения электронных представлений различие между проводниками и диэлектриками. • При соединении любого заряженного тела с землёй оно практически полностью теряет свой заряд. Как объяснить этот факт? • На тонких шёлковых нитях подвешены две одинаковые лёгкие гильзы, одна из которых заряжена. Как определить, какая гильза заряжена? • Как объяснить, почему предварительно наэлектризованные тела притягиваются к ненаэлектризованным? • На электроскопе имеется небольшой положительный заряд. Если к шарику электроскопа приближать сильно наэлектризованную палочку, несущую большой отрицательный заряд, то листочки электроскопа сначала опадут, а потом опять разойдутся. Как это объяснить?
II. Постановка проблемы
Учитель. Что такое электрический ток? Электрическую энергию вырабатывают на электростанциях. (Презентация рисунков на интерактивной доске: ТЭС, ТЭЦ, ГРЭС, ГЭС, АЭС.) Оттуда она по проводам передаётся потребителям – на электродвигатели, к электропечам, лампам накаливания и т.д. Например, наэлектризовав стеклянную и эбонитовую палочки, т.е. совершив работу по разделению зарядов, зарядим шары электрометров разноимёнными зарядами (демонстрация клемм источника тока на схеме) и, соединив их проводником, получим кратковременный ток (слабая вспышка неоновой лампочки). До прикосновения проводника к шарам свободные заряды в нём двигались хаотически, но после соприкосновения их хаотическое движение сменилось упорядоченным. Почему?
Ученики. В проводнике появилось электрическое поле, под действием которого свободные электроны пришли в движение.
Учитель. Электрический ток – упорядоченное или направленное движение свободных заряженных частиц в среде под действием электрического поля. Как же получить постоянный ток?
Ученики. Для этого необходимы специальные устройства.
Учитель. В Китае во времена культурной революции был предложен проект источника тока мощностью 5 МВт. Его суть была в том, что 5 миллионов китайцев в хлопчатобумажных штанах должны были съезжать вниз по большой эбонитовой палочке. Проект не был реализован, но с тех пор в Китае научились строить более экономичные и более конкурентоспособные генераторы! Познакомимся и мы с источниками электрического тока.
III. Изучение нового материала
Учитель. Так каким образом в проводнике можно получить постоянный электрический ток? Устройства, создающие электрическое поле, называют источниками электрического тока. Роль источника тока сводится к разделению электрических зарядов, благодаря чему и создаётся электрическое поле. Разделяют заряды за счёт механической, химической и других видов энергии. В каком-то смысле электрическая цепь аналогична системе водяного отопления: горячая вода (аналог электрического тока) циркулирует по трубам (аналогам проводов) под действием водяных насосов (аналогов источника тока).
В электрофорной машине в электрическую энергию превращается механическая энергия (демонстрация). Создаваемый ток мал, поэтому подключённая к клеммам неоновая лампочка светится слабо. Гораздо ярче лампочка светится при подключении к осветительной сети (демонстрация).
В термопаре и термобатарее в электрическую энергию преобразуется внутренняя энергия (демонстрация). Где можно применить термопару?
Ученики. Для получения постоянного тока, для измерения температуры тел, если она не превышает температуру плавления металлов, составляющих термопару.
Учитель. В фотоэлементе и в солнечной батарее в электрическую энергию преобразуется световая энергия (демонстрация). Каков, по вашему мнению, принцип действия фотоэлемента?
Ученики. Скорее всего, в фотоэлементе под действием света появляются свободные электроны. Чем больше света падает на фотоэлемент, тем больше свободных электронов!
Учитель. На электростанциях электрический ток получают с помощью индукционных генераторов переменного и постоянного тока (демонстрация свечения низковольтной лампочки накаливания, подключённой к клеммам модели генератора постоянного тока). Кто вращает ручку генератора на Томусинской ТЭС?
Ученики. Не кто, а что! Это работу совершает горячий пар!
Учитель. Знакомы ли вам другие источники постоянного тока? Читаем Гальвани: «. И вот, замечая иногда, что препарированные лягушки, которые были подвешены на железной решётке, окружающей балкон нашего дома, при помощи медных крючков, воткнутых в спинной мозг, впадали в обычные сокращения не только в грозу, но иногда также при спокойном и ясном небе, я решил. » Что решил Луиджи Гальвани? Попробуем и мы повторить его опыты. Что нам для этого нужно?
Ученики. Цинк, медь и лягушка!
Учитель. Лягушки у нас нет, а всё остальное есть! (Демонстрация элемента Вольта, измерение напряжения на его клеммах.) Заменив медный электрод угольным стержнем, наблюдаем, что в этом случае источник работает лучше. Почему источник не работает, если использовать два медных электрода? Какова роль в этом процессе водного раствора серной кислоты – электролита? Почему нельзя ставить зубные коронки из разных металлов?
Ученики. Во рту будет течь ток.
Учитель. В гальваническом элементе химическая энергия преобразуется в электрическую энергию.
Запишем обозначения на электрической схеме:
– гальванический элемент:
– батарея из трёх элементов:
– батарея из n элементов:
Электрический ток можно получить, даже если электроды выполнены из двух одинаковых металлов, например, из свинца. Пример – аккумулятор. (Демонстрация принципа действия кислотного аккумулятора с двумя свинцовыми пластинами.) Почему две свинцовые пластины не образуют гальваническую пару? (Демонстрация зарядки аккумулятора от источника постоянного тока, измерение напряжения на его клеммах после зарядки.) Почему теперь свинцовые пластины образуют гальваническую пару?
Ученики. Электроды после пропускания тока зарядки стали разными по химическому составу.
Учитель. Да! Произошло окисление одного из электродов под действием электрического тока.
IV. Работа в группах. Изготовление самодельных гальванических элементов
• Задание группе 1. От какой гальванической пары можно получить максимальное напряжение?
Оборудование: вольтметр на 1,5 В; металлы: сталь, цинк, медь, латунь, алюминий; долька лимона; два провода; прищепка.
• Задание группе 2. От чего зависит максимальный ток данной гальванической пары?
Оборудование: амперметр на 50 мА, цинковая и медная пластины, дольки лимона и яблока, два провода.
• Вопросы группам: • От какой пары металлов удалось получить наибольшее напряжение? • От чего зависит максимальный ток гальванического элемента? • Как «вернуть жизнь» гальваническому элементу (каждой группе выдаётся половинка распиленной поперёк батарейки)?
V. Вопросы для закрепления
Что понимают под электрическим током? • Какова роль источника тока? • За счёт преобразования каких видов энергии может происходить разделение зарядов в источнике тока? • Какие источники тока называют гальваническими? • Какие превращения энергии происходят в элементе Вольта?
VI. Подведение итогов урока
- Познакомились с источниками электрического тока – генераторами – и наблюдали их работу.
- Глубже познакомились с работой гальванических элементов.
- Научились изготавливать гальванические элементы, сравнивать их действие и выбирать наиболее эффективные из них.
- Применили полученные знания для ремонта гальванических элементов, отслуживших свой срок.
VII. Творческие домашние задания (даются только тем ученикам, кого заинтересовали источники тока)
- Изготовьте гальванические элементы.
- Как «продлить жизнь» гальванического элемента? Обсудите причины выхода его из строя: окисление цинкового электрода, высыхание электролита (шприцем ввести воду с последующей зарядкой), выход из строя деполяризатора (зарядить).
- Потечёт ли по медному проводу электрический ток, если один конец его опустить в водный раствор поваренной соли, а другой – в раствор серной кислоты?
- При изготовлении батарейки затрачивается энергии в 2000 раз больше, чем эта батарейка способна отдать в процессе своей работы. Докажите это.
- «Живые» источники тока: гигантский электрический скат создаёт напряжение 50–60 В; нильский электрический сом – 350 В; угорь электрофорус – 500 В. Как им это удаётся?
- Предложите конструкцию спасательного маяка, который начинает вырабатывать ток, когда в него попадает солёная вода.
- Используя план изучения прибора и таблицу «Гальванические элементы», предложите её более наглядный электронный вариант.
План изучения физического прибора
- Общая характеристика прибора.
- Устройство прибора.
- Модель прибора.
- Основные уравнения, описывающие работу прибора.
- Типы прибора.
- Практические применения.
Гальванические элементы (по плану)
КОММЕНТАРИЙ РЕДАКЦИИ. Мы сильно сомневаемся в правильности (см., например, сайт works.tarefer.ru/82/100327/index.htm с рефератом «Батареи и элементы питания (Аккумуляторы)» Разуваева В.А., Калининградский ГТУ, и другие сайты, найденные по запросу ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ/КАРТИНКИ) и целесообразности рисунков, представленных в п. 2, 3, 5 плана. В 8-м классе, даже и физико-математическом, дети незнакомы с химическими источниками тока, их изучают только в 10-м физматклассе в курсе химии.
какие превращения энергии происходят в гальванических элементах?
выберите правильный ответ. .
1-электрическая энергия превращается в химическую.
2-механическая энергия превращается в электрическую
3-внутренняя энергия превращается в электрическую.
4-химическая энергия превращается в электрическую.
Дополнен 13 лет назад
Лучший ответ
Энергия химической реакции преобразуется в электрическую.
Остальные ответы
Е химической реакции преобразуется в Е электрическую
Похожие вопросы
Ваш браузер устарел
Мы постоянно добавляем новый функционал в основной интерфейс проекта. К сожалению, старые браузеры не в состоянии качественно работать с современными программными продуктами. Для корректной работы используйте последние версии браузеров Chrome, Mozilla Firefox, Opera, Microsoft Edge или установите браузер Atom.
Пробный экзаменационный вариант «ЕГЭ физика пробник 11 вариант» (вариант, ответы, подробное решение 2022)
1. Выберите все верные утверждения о физических явлениях, величинах и закономерностях.
Запишите в ответе их номера.
1) Материальная точка движется равноускоренно под действием нескомпенсированной силы.
2) В ходе процесса плавления кристаллического тела его температура и внутренняя энергия не меняются.
3) В гальваническом элементе происходит преобразование механической энергии в электрическую.
4) Рентгеновское, гамма- и видимое излучения имеют электромагнитную природу и различаются длиной волны в вакууме.
5) Тепловые нейтроны вызывают деления ядер урана в некоторых типах ядерных реакторов атомных электростанций
2. Даны следующие зависимости величин:
А) Зависимость угловой скорости от частоты обращения при равномерном движении по окружности;
Б) Зависимость периода гармонических колебаний в пружинном маятнике от массы подвешенного груза;
В) Зависимость числа нераспавшихся ядер от времени при радиоактивном распаде.
Установите соответствие между этими зависимостями и видами графиков, обозначенных цифрами 1−5. Для каждой зависимости А−В подберите соответствующий вид графика и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
На рисунке представлен график зависимости пути S велосипедиста от времени t. Найдите скорость велосипедиста в интервале времени от 50 до 70 с.
4. Два шарика массами m1 = 0,01 кг и m2 = 0,02 кг движутся навстречу друг к другу с одинаковыми скоростями равными v = 0,5 м/с. Найти скорость шариков после абсолютно неупругого столкновения. Ответ запишите в метрах в секунду, округлив ответ до сотых.
Тело массой 0,3 кг подвешено к правому плечу невесомого рычага (см. рисунок). Груз какой массы надо подвесить ко второму делению левого плеча рычага для достижения равновесия? Ответ приведите в килограммах.
Небольшое тело движется вдоль оси OX. На рисунке показан график зависимости проекции скорости Vx этого тела на указанную ось от времени t. Выберите все верные утверждения на основании анализа графика.
1) За первые 10 секунд движения тело проходит такой же путь, как и за последние 20 секунд движения
2) В интервале времени от t = 0 с до t = 20 с тело покоится
3) Тело всё время движется в одном направлении.
4) Тело оказывается на максимальном расстоянии от своего начального положения через 30 секунд после начала движения
5) В моменты времени t = 10 с и t = 50 с тело имеет разные ускорения
7. Тело съезжает вниз по гладкой наклонной плоскости с начальной высоты Н до уровня пола. Затем проводят опыт с другой наклонной плоскостью с меньшим углом наклона к горизонту; при этом начальную высоту H, с которой съезжает тело, оставляют прежней. Как в результате этого изменятся следующие физические величины: время соскальзывания тела до уровня пола, модуль скорости тела вблизи пола, модуль силы нормальной реакции наклонной плоскости?
Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:
Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.
А) Время соскальзывания тела до уровня пола
Б) Модуль скорости тела вблизи пола
В) Модуль силы нормальной реакции наклонной плоскости
8. Из точки, находящейся на высоте 101,25 м над горизонтальной площадкой, брошено тело массой 1 кг, начальная скорость которого направлена по горизонтали. Тело движется в плоскости XOY, уравнение его траектории имеет вид: В момент броска тело имело координату x = 0 м. Установите соответствие между физическими величинами и их значениями в СИ. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
А) дальность полёта тела
Б) начальная кинетическая энергия тела
На рисунке изображено изменение состояния постоянной массы разреженного аргона. Температура газа в состоянии 1 равна 27 °С. Какая температура соответствует состоянию 2? Ответ выразите в градусах Кельвина.
10. Порция идеального одноатомного газа при температуре 300 К обладает внутренней энергией 1,242 Дж. Сколько атомов содержит эта порция газа? В качестве ответа приведите целое число, которое должно умножаться на 10 20 .
11. Температура холодильника тепловой машины 400 К, температура нагревателя на 100 К больше, чем у холодильника. Каков максимально возможный КПД машины? (Ответ дайте в процентах.)
На рисунке показан график циклического процесса, проведённого с одноатомным идеальным газом, в координатах р–Т, где р — давление газа, Т — абсолютная температура газа. Количество вещества газа постоянно.
Из приведённого ниже списка выберите все правильные утверждения, характеризующих процессы на графике, и укажите их номера.
1) Газ за цикл совершает положительную работу.
2) В процессе АВ газ получает положительное количество теплоты.
3) В процессе ВС внутренняя энергия газа уменьшается.
4) В процессе СD над газом совершают работу внешние силы.
5) В процессе DA газ изотермически расширяется.
На VT-диаграмме изображён процесс перехода одного моля идеального газа из состояния 1 в состояние 2.
Определите, как при этом переходе изменяются давление газа и плотность газа. Для каждой величины определите соответствующий характер её изменения:
3) не изменяется.
Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.
14. Если к незаряженному металлическому шару поднести, не касаясь, точечный положительный заряд, то на стороне шара, ближайшей к заряду, появится отрицательный заряд. Как называется это явление (электризация, электростатическая индукция, электромагнитная индукция, поляризация)? Ответ запишите словами.
На рисунке изображено сечение длинного прямого цилиндрического провода, по которому протекает ток силой I. Провод перпендикулярен плоскости рисунка.
Как направлен (вверх, вниз, к наблюдателю, от наблюдателя) вектор индукции магнитного поля в точке A? Ответ напишите словом (словами).
16. На рисунке приведен график гармонических колебаний тока в колебательном контуре.
Если конденсатор в этом контуре заменить на другой конденсатор, емкость которого в 4 раза больше, то каков будет период колебаний? (Ответ дать в мкс.)
17. В распоряжении ученика были тонкая собирающая линза, лампочка и экран. Ученик устанавливал лампочку на разных расстояниях a от линзы на её главной оптической оси, и затем получал чёткое изображение лампочки, устанавливая экран на соответствующем расстоянии b от линзы. По результатам своих экспериментов он построил зависимость, изображённую на рисунке. Определите по этой зависимости фокусное расстояние линзы и её оптическую силу.
1) Фокусное расстояние линзы равно F = 4 cм.
2) Оптическая сила линзы равна D = 4 дптр.
3) Фокусное расстояние линзы равно F = 25 cм.
4) Оптическая сила линзы равна D = 25 дптр.
5) Фокусное расстояние линзы равно F = 20 cм.
18. Электрон движется по окружности в однородном магнитном поле. Как изменятся сила Лоренца, действующая на электрон, и период его обращения, если увеличить его кинетическую энергию? Считать скорость электрона значительно меньше, чем скорость света в вакууме.
Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:
Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.
19. Из различных резисторов собраны два участка электрических цепей. Величина сопротивления R = 3 Ом. Напряжение на выводах каждого участка цепи равно 6,3 В.
Установите соответствие между схемами участков электрических цепей и значениями сил токов (в амперах), протекающих через участки цепей. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
СХЕМА УЧАСТКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ
20. Протон движется в вакууме со скоростью 0,8с. Чему равна полная энергия протона? Ответ дайте в наноджоулях, округлив ответ до сотых.
21. Неподвижный наблюдатель следит за стержнем, который движется со скоростью v, близкой к скорости света. Длина стержня равна l. Если увеличить скорость v, то как изменятся следующие величины: кинетическая энергия стержня, скорость света в движущейся системе отсчета, связанной со стержнем?
Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:
Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.
Кинетическая энергия стержня
22. Для определения линейной плотности нити (массы единицы длины) отмеряют отрезок длиной L = 10 м (делают это с очень высокой точностью) и взвешивают его на весах. Масса отрезка оказывается равной m = (12,6 ± 0,1) г. Чему равна линейная плотность нити? (Ответ дайте в г/м, значение и погрешность запишите слитно без пробела.)
23. При выполнении лабораторной работы по физике ученикам требовалось определить КПД наклонной плоскости при некотором угле её наклона. Для этого им были предоставлены шероховатая прямая доска и брусок. Коэффициент трения между доской и бруском был известен. Какие два предмета из приведённого ниже перечня оборудования необходимо дополнительно использовать для проведения такого исследования?
1) пружина известной жёсткости
2) шарик на нити
5) штатив с лапкой
В ответ запишите номера выбранных предметов.
24. Если смотреть ночью на далёкий фонарь через натянутую тонкую ткань — кисею с прямоугольным плетением нитей, то вместо одного светлого пятна мы увидим набор светлых пятнышек, имеющий также прямоугольную структуру (см. фотографии – один фонарь и он же через кисею).
Аналогом какого физического прибора является данная тонкая ткань? Каким физическим явлением объясняется наблюдаемая картина?
25. Из стеклянного сосуда стали выпускать сжатый воздух, одновременно охлаждая сосуд. При этом температура воздуха упала вдвое, а его давление уменьшилось в 3 раза. Масса воздуха в сосуде уменьшилась в k раз. Найдите k.
26. Колебательный контур состоит из конденсатора ёмкостью 10 нФ и катушки индуктивности. Если увеличить ёмкость конденсатора в 4 раза, то резонансная частота контура изменится на Δν = 1 кГц. Чему равна индуктивность катушки? Ответ приведите в генри, округлите до сотых.
27. В горизонтальном цилиндрическом сосуде, закрытом поршнем, находится одноатомный идеальный газ. Первоначальное давление газа p = 4 · 10 5 Па. Расстояние от дна сосуда до поршня равно L. Площадь поперечного сечения поршня S = 25 см 2 . В результате медленного нагревания газ получил количество теплоты Q = 1,65 кДж, а поршень сдвинулся на расстояние x = 10 см. При движении поршня на него со стороны стенок сосуда действует сила трения величиной Fтр = 3 · 10 3 Н. Найдите L. Считать, что сосуд находится в вакууме.
28. Замкнутый контур из тонкой проволоки помещён в магнитное поле. Плоскость контура перпендикулярна вектору магнитной индукции поля. Площадь контура В контуре возникают колебания тока с амплитудой мА, если магнитная индукция поля меняется с течением времени в соответствии с формулой где Тл, Чему равно электрическое сопротивление контура R?
29. В однородном магнитном поле с индукцией B, направленной вертикально вниз, равномерно вращается в горизонтальной плоскости против часовой стрелки положительно заряженный шарик массой m, подвешенный на нити длиной l (конический маятник). Угол отклонения нити от вертикали равен скорость движения шарика равна v. Найдите заряд шарика q.
30. На горизонтальной плоскости находятся два гладких абсолютно упругих одинаковых биллиардных шара: первый покоится, а второй движется в его направлении со скоростью V0. После их столкновения первый шар отскочил со скоростью Чему равен радиус R шаров, если «прицельное расстояние» между прямой, по которой двигался центр второго шара, и центром первого шара было равно d = 59 мм?
Какие законы Вы используете для описания взаимодействия шаров? Обоснуйте их применение к данному случаю.
1. Выберите все верные утверждения о физических явлениях, величинах и закономерностях.
Запишите в ответе их номера.
1) Материальная точка движется равноускоренно под действием нескомпенсированной силы.
2) В ходе процесса плавления кристаллического тела его температура и внутренняя энергия не меняются.
3) В гальваническом элементе происходит преобразование механической энергии в электрическую.
4) Рентгеновское, гамма- и видимое излучения имеют электромагнитную природу и различаются длиной волны в вакууме.
5) Тепловые нейтроны вызывают деления ядер урана в некоторых типах ядерных реакторов атомных электростанций
1) Верно. Если силы нескомпенсированы, то тело движется с ускорением.
2) Неверно. В ходе плавления тела его температура не меняется, а внутренняя энергия увеличивается.
3) Неверно. В гальваническом элементе происходит превращение химической энергии в электрическую.
4) Верно. Рентгеновское, видимое и гамма-излучения относятся к электромагнитным волнам с разной длиной волны.
5) Верно. Деление ядер урана происходит для некоторых изотопов медленными (тепловыми) нейтронами.
2. Даны следующие зависимости величин:
А) Зависимость угловой скорости от частоты обращения при равномерном движении по окружности;
Б) Зависимость периода гармонических колебаний в пружинном маятнике от массы подвешенного груза;
В) Зависимость числа нераспавшихся ядер от времени при радиоактивном распаде.
Установите соответствие между этими зависимостями и видами графиков, обозначенных цифрами 1−5. Для каждой зависимости А−В подберите соответствующий вид графика и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
Принцип действия гальванических элементов
Переход электронов как источник электрической энергии Поскольку каждая химическая связь и каждое химическое превращение зависит от движения внешних электронов атомов, то в мире атомов и молекул каждое химическое явление сопровождается изменением состояния электрически заряженных частиц. В обычных химических процессах это изменение заключается в том, что электроны переходят от одного атома к другому, соседнему. Такие изменения, происходящие в атомных масштабах, означают либо возникновение, либо перемещение химических связей — они проявляются не как электрические феномены, а как химические превращения. Если мы, например, погрузим цинковый стержень в раствор, сернокислой меди, то медь из раствора будет осаждаться на цинке, окрашивая его Поверхность в красноватый цвет, а цинк в виде ионов -переходить в раствор. Сернокислая медь в водном растворе практически полностью диссоциирована, поэтому такой химический процесс описывается следующим уравнением:
Zn + Cu2+ + SO42- -» Си + Ztt2+ + SQ42-.
Так как сульфат-ионы в этой реакции остаются неизменными, уравнение можно записать в виде: + Cu. (2) Сущность данного процесса состоит в том, что в растворе ионы меди, оказавшиеся в результате теплового движения вблизи поверхности цинкового стержня, отнимают от близлежащих атомов цинка два электрона. Атом цинка превращается в ион и переходит с поверхности металла в раствор, в то время как ион меди становится нейтральным атомом, который не растворим в воде и поэтому осаждается на внешней поверхности цинка (62). Этот процесс протекает в две фазы;
1. Атомы цинка отдают электроны:
2. Ионы меди забирают электроны:
Даже в этом простом процессе выделяется электрическая энергия, однако’ она проявляется только на атомарном уровне. Если мы хотим получить макроскопический электрический ток при переходе электронов от металлического цинка к ионам меди, мы должны добиться того, чтобы цинк отдавал свои электроны более отдаленным Ионам меди, а не тем, которые находятся с ним в непосредственном контакте. Для этого необходимо, чтобы электроны перетекали от цинка к меди по внешнему проводнику, создавая тем самым
электрический ток. Для осуществления превращения химической энергии в макроскопически используемую электрическую энергию нужно пространственно разделить процессы отдачи и приема электронов.
Работа гальванических элементов основана на пространственном разделении процессов приема и отдачи электронов. Рассмотрим один из наиболее старых гальванических элементов — элемент Даниэля. Он состоит из цинкового электрода, погруженного в раствор сернокислого цинка, и медного, погруженного в раствор сернокислой меди. Оба раствора разделены цилиндром из пористого материала. Схематически конструкцию этого элемента можно представить следующим образом;
(-)Znl ZnSCU — раствор | CuSO4 — раствор! Си(+)
Действие элемента Даниэля основано на том, что с поверхности цинка в раствор переходят ионы цинка Zn2+; при этом по проводнику, соединяющему цинк и медь, электроны от цинка перетекают к меди, где они взаимодействуют с ионами меди (Си2+), находящимися в соприкосновении с поверхностью меди, и нейтрализуют их. Цинк представляет собой отрицательный электрод элемента, медь — положительный.
Если, помимо указанных, не происходит никаких других процессов, то вскоре обмен электронами прекращается, так как вблизи поверхности цинка скапливаются положительно заряженные ионы Znz+, которые настолько сильно притягивают электроны из цинкового электрода и препятствуют выходу из металла готовых к растворению ионов Zn2+, что процесс ионизации останавливается. То же происходит и в непосредственной близости от поверхности меди. Здесь вследствие осаждения ионов Си2+ отрицательно заряженные сульфат-ионы собираются у поверхности медного электрода, и по истечении короткого времени из-за отталкивания электронов и притягивания ионов меди становится невозможным дальнейшее осаждение ионов Си2+. Если гальванический элемент бездействует, то такое состояние действительно наступает. В работающем же элементе, когда полюса его соединены проводом, условия совсем другие. Вследствие разности потенциалов между полюсами элемента, а также в растворе электролита все время течет электрический ток, причем ток в электролите обусловлен переносом свободно перемещающихся положительных ионов (катионов Zn2+, Cu2+) в одном направлении и отрицательных ионов (анионов SO42″) — в противоположном. Благодаря этойу процесс ионизации атомов или разряда (нейтрализации) ионов может идти непрерывно. Раствор сернокислой меди должен быть отделен от раствора сернокислого цинка, так как в противном случае сернокислая медь будет иметь прямой контакт с цинком — между ними начнется непосредственный обмен электронами, что приведет к прекращению макроскопического тока. Такое разделение, однако, не должно означать электрическую изоляцию, так как в этом случае электрический ток идти не может. Поэтому оба раствора необходимо разделить пористой стенкой, которая препятствует смешению растворов, но позволяет ионам свободно мигрировать сквозь нее.
Элемент Даниэля представляет собой прибор, который непосредственно (минуя фазу тепла), теоретически полностью, превращает освобождающуюся химическую энергию в электрическую в соответствии с реакцией (2). Следует иметь в виду, что речь идет, конечно, только о той части химической энергии, которая может быть превращена в работу. В рассматриваемом процессе при 15°С освобождается 56,1 ккал/моль химической энергии. В соответствии с уравнением (1) в электрическую энергию можно перевести (при обратимом ведении процесса) 50,4 ккал, а 5,7 ккал при всех условиях превращаются в тепло. Таким образом, коэффициент использования химической энергии в гальванических элементах может достигать почти 90%. Хотя процессы в них не являются обратимыми, но все же некоторые из этих элементов при практическом использовании работают с гораздо большей степенью обратимости, чем другие устройства, производящие энергию.
Когда-то элемент Даниэля применялся на практике для получения электрической энергии. С точки зрения современных требований он не пригоден для производства больших количеств электрической энергии, в частности потому, что используемые в нем материалы (медь и цинк) слишком дороги для этих целей. Важнейшей задачей исследований в области гальванических элементов является разработка такого элемента, в котором использовались бы дешевые и имеющиеся в достаточном количестве материалы, а процессы протекали бы возможно ближе к обратимым.
Некоторые свойства гальванических элементов
Прежде всего установлено, что принципиально нельзя создать гальванический элемент, состоящий из одних только металлов, h В месте контакта двух металлов возникает разность потенциалов, причем ее величина остается неизменной независимо от того, соприкасаются ли эти металлы непосредственно или между ними находится любое количество пластин из других металлов (правило Вольта). Например, в месте контакта медного и цинкового стержней возникает разность потенциалов (£), но она не может вызвать электрический ток. Если бы мы соединили указанный медный стержень с цинковым при помощи медного провода (63,а), то никакого электрического тока не появилось бы, так как в месте контакта медного провода с цинковым стержнем возникла бы разность потенциалов той же величины, что и в месте контакта медного и цинкового стержней, но противоположного знака (-£)■ Таким образом, во всей замкнутой цепи разность потенциалов суммарно равнялась бы нулю (£-£=0). Однако ток не потечет и в том случае, если между медью и цинком мы поместим еще и другие металлы (Fe, Pb). При этом разность потенциалов между цинком и медью не изменится (63,6), так как, согласно упомянутому правилу Вольта, £\ + £г + £ъ =£.
Чтобы получить гальванический элемент, необходим по крайней мере один электролит, то есть такое вещество, через которое ток протекает вследствие миграции положительных и отрицательных ионов. Можно составить гальванические элементы, содержащие одни электролиты. Однако все применяемые на практике гальванические элементы состоят из электролитов и металлов. В каждом гальваническом элементе имеются два металлических электрода (полюса), между которыми возникает разность потенциалов (напряжение). Если соединить оба электрода проводником, то в нем потечет электрический ток. Источником электрической энергии в гальванических элементах являются химические превращения, происходящие в тех местах, где электролит соприкасается с металлическими электродами.
Одним из важнейших показателей гальванического элемента является разность потенциалов (напряжение) между его полюсами. Это напряжение называется электродвижущей силой (эдс). С точки зрения термодинамики величина эдс зависит от свойств материалов, концентрации электролита, температуры электродов и электролита и не зависит от» формы, величины, внутреннего сопротивления элемента и
Какие же факторы определяют величину работы, получаемой при помощи гальванического элемента? Если полюса гальванического элемента просто соединены проводом, то вся освобождающаяся в химическом процессе энергия полностью переходит в тепло. Если же присоединить к полюсам гальванического элемента соответствующий электродвигатель постоянного тока, то вся эта система в целом будет производить работу. С помощью системы, состоящей из гальванического элемента, электромотора и соответствующих механических приспособлений, можно, например, поднять на определенную высоту груз, причем произведенная элементом работа будет зависеть от веса груза (64).
Увеличивая вес можно увеличить и эту работу, но только до определенного предела. При дальнейшем увеличении веса груза процесс может пойти в обратном напрвлении: груз начнет опускаться. Вследствие этого мотор будет вращаться в противоположную сторону и действовать уже как генератор..Ток через гальванический элемент потечет в обратном направлении, что приведет к возникновению химического процесса, противоположного первоначальному.