Меню

Равно напряжение клеммах гальванического элемента эдс



Электродвижущая сила и напряжение гальванического элемента

Составление схемы гальванических элементов

Для краткой характеристики гальванического элемента принято записывать его схему, в которой указываются окислители и восстановители, принимающие участие в токообразующей реакции. Первоначально указывается материал анода; затем ионы (или вещества), с которыми он находится в равновесии; затем ионы (или вещества), с которыми в равновесии находится катод и, наконец, материал катода. Граница раздела между веществами, находящимися в разных фазах (например, разных агрегатных состояниях) обозначается вертикальной чертой. Граница раздела между катодным и анодными пространством обозначается двумя вертикальными чертами. Например, схема элемента Даниэля имеет вид:

Zn|Zn 2+ ||Cu 2+ |Cu или Zn|ZnSO 4||CuSO 4|Cu.

Схема элемента Вольта, где катодное и анодное пространства не разделены имеет вид:

Схемы широко используются в практической электрохимии, так как являются достаточно удобными для упрощенного представления об устройстве и составе гальванических элементов.

Как было сказано выше, причиной возникновения и протекания электрического тока в гальваническом элементе является разность потенциалов электродов (DЕ). С физической точки зрения разность электродных потенциалов это — электродвижущая сила гальванического элемента ( ЭДС). Поскольку в гальваническом элементе протекает самопроизвольная реакция, т.е. ток вырабатывается, то:

При этом потенциал катода больше потенциала анода (E К > E А), и в процессе работы гальванического элемента электроны перемещаются от отрицательно заряженного анода к положительно заряженному катоду. Поэтому ЭДС можно рассчитать по формуле:

При расчете ЭДС гальванического элемента, составленного из стандартных электродов в формулу (13) необходимо подставлять стандартные значения электродных потенциалов:

где DE° — стандартная ЭДС гальванического элемента.

Если же условия работы гальванического элемента отличаются от стандартных, то в формулу (13) необходимо подставлять уравнения Нернста для соответствующих полуреакций. Поэтому в общем виде, для химической реакции:

Читайте также:  Как снять эмоциональное или физическое напряжение

ЭДС (DE) можно рассчитать по формуле:

где DE° — стандартная ЭДС; [A], [B] и [C], [D] — молярные концентрации исходных веществ и продуктов реакции соответственно; R — универсальная газовая постоянная; F — постоянная Фарадея, T — абсолютная температура, n — число электронов, принимающих участие в элементарной электрохимической реакции. Для более точных расчетов вместо молярной концентрации следует использовать значения активности ионов, принимающих участие в реакции.

При экспериментальном измерении ЭДС гальванических элементов применяются специальные методики (например, компенсационный метод) или используют измерительное оборудование, имеющее высокое внутренне сопротивление (например, высокоомные вольтметры). Чем большим сопротивлением будет обладать измерительный прибор, тем меньший ток будет протекать в цепи, тем меньшее влияние будет оказывать поляризация и тем ближе к искомой ЭДС будет показание измерительного прибора.

Реальное напряжение (U) гальванического элемента всегда меньше ЭДС из-за поляризации и омических потерь:

где I — сила тока; R — омическое сопротивление; h — поляризация элемента, равная сумме поляризаций анода и катода.

Таким образом, напряжение при разряде зависит от ЭДС элемента т.е. в основном обусловлено: типом и свойствами активных материалов электродов; составом и концентрацией электролита и деполяризатора; поляризацией; омическими потерями и температурой гальванического элемента.

По мере работы элемента (разряда) уменьшается концентрация исходных реагентов и увеличивается концентрация продуктов реакции, поэтому в соответствии с уравнением (15) ЭДС элемента уменьшается. Вследствие этого при разряде элемента напряжение его постепенно падает. С ростом же температуры напряжение гальванического элемента, как правило, немного возрастает.

Источник

Опыты по демонстрации напряжения на клеммах источника тока в зависимости от нагрузки. Короткое замыкание

Для школьников.

Ток в замкнутой цепи прямо пропорционален ЭДС источника и обратно пропорционален полному сопротивлению цепи:

Читайте также:  Напряжением срабатывания реле напряжения минимального действия

Полное сопротивление цепи складывается из сопротивления внешней части цепи и сопротивления внутри источника , так как их можно рассматривать как соединённые последовательно .

В гальваническом элементе внутреннее сопротивление складывается из сопротивления его электродов и сопротивления электролита между электродами.

Закон Ома для замкнутой цепи можно записать и так:

Опыты по демонстрации напряжения на клеммах источника тока в зависимости от нагрузки. Короткое замыкание

Из этого выражения следует вывод:

Напряжение во внешней части цепи всегда меньше ЭДС источника.

Напряжение во внешней части цепи (которое ещё называют падением напряжения) равно произведению тока на внешнее сопротивление цепи.

Уменьшение напряжения на зажимах источника при наличии тока (то есть тот факт, что напряжение во внешней части цепи всегда меньше ЭДС источника) можно наблюдать на проведении такого опыта .

На рисунке показана схема опыта и общий вид экспериментальной установки:

Опыты по демонстрации напряжения на клеммах источника тока в зависимости от нагрузки. Короткое замыкание

Установка состоит из гальванического элемента 1, замкнутого на реостат 2 (реостат -это регулируемое сопротивление); из вольтметра 4, подключенного к зажимам гальванического элемента, и амперметра 3 для измерения тока в цепи.

Наблюдается, что при перемещении движка реостата ( уменьшении сопротивления внешней цепи), ток в цепи растёт , а напряжение на клеммах источника уменьшается .

Если сопротивление цепи сделать очень маленьким (полностью вывести реостат), то есть сделать » короткое замыкание «, когда сопротивление замкнутой цепи станет равным внутреннему сопротивлению источника, вольтметр покажет нуль .

Показание же амперметра будет иметь максимальное значение, равное току короткого замыкания :

Опыты по демонстрации напряжения на клеммах источника тока в зависимости от нагрузки. Короткое замыкание

(Выражение для тока короткого замыкания получается из закона Ома для полной цепи, если принять внешнее сопротивление равным нулю).

Для гальванического элемента ток короткого замыкания имеет малую величину и поэтому безвреден . Для таких цепей, как домофоны, телефоны эти токи тоже достаточно малы и безвредны.

Но для электрических цепей, питаемых мощными генераторами , токи короткого замыкания очень велики .

Читайте также:  Устройство реле низкого напряжения

Такие токи очень опасны — они могут расплавить провода, вызвать пожары и т. д., поэтому на них ставят предохранители.

Таким образом , собрав показанную установку и проведя опыты, можно убедиться, что напряжение на зажимах источника всегда меньше его ЭДС и что формула для тока короткого замыкания верна.

При разомкнутой цепи (тока нет) вольтметр покажет ЭДС источника тока .

Задача 2 . Гальванический элемент с ЭДС 1,5 В и внутренним сопротивлением 1 Ом замкнут на внешнее сопротивление 4 Ом. Найти силу тока в цепи, падение напряжения во внутренней части цепи и напряжение на зажимах элемента.

Решение . Силу тока в цепи найдём из закона Ома для замкнутой цепи:

Опыты по демонстрации напряжения на клеммах источника тока в зависимости от нагрузки. Короткое замыкание

Падение напряжения во внутренней части цепи

Опыты по демонстрации напряжения на клеммах источника тока в зависимости от нагрузки. Короткое замыкание

Напряжение на зажимах элемента меньше ЭДС на падение напряжения во внутренней части цепи, поэтому

Опыты по демонстрации напряжения на клеммах источника тока в зависимости от нагрузки. Короткое замыкание

Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Пишите комментарии. Сообщите друзьям о существовании этого канала.

Предыдущая запись : Что общего у гальванических элементов и аккумуляторов и какая разница между ними?

Следу ющая запись : Занятие 57 . Как рассчитать сложные цепи постоянного тока?

Ссылки на занятия до электростатики даны в Занятии 1 .

Ссылки на занятия (статьи), начиная с электростатики, даны в конце Занятия 45 .

Источник