§ 75. Правило Вольты. Гальванический элемент.

Явление, установленное Гальвани и Вольтой, – разделение зарядов, т. е. возникновение э. д. с. на границе соприкосновения различных проводников, – было использовано для построения гальванического элемента. Однако, как выяснил Вольта, нельзя получить гальванический элемент, если составить замкнутую цепь из одних только проводников первого рода (уголь и металлы), которые не претерпевают никаких химических изменений при прохождении тока (§40). Это показывает следующий опыт.

Прикрутим к концам железной проволоки по куску медной проволоки и свободные медные концы присоединим к чувствительному гальванометру (рис. 114). Мы получим замкнутую цепь, состоящую из железной, двух медных проволок и проволоки (в виде нити или катушки), представляющей собой основную часть гальванометра. Таким образом, эта цепь состоит целиком из металлов (проводников первого рода). В этих условиях даже весьма чувствительный гальванометр не обнаруживает тока. Тока не будет и в том случае, если вместо железной проволоки мы возьмем цинковую или еще какую-либо иную, если вместо скручивания мы спаяем два проводника, т. е. введем слой третьего металла – олова, или составим более сложную цепь, содержащую не два разных металла, а три, четыре и вообще любое их число. Это значит, что в цепи, состоящей из произвольного числа любых металлов, э. д. с. равна нулю (правило Вольты).

Рис. 114. В замкнутой цепи, составленной только из проводников первого рода, ток не возникает:  и  – спаи двух металлов

Правило Вольты стоит в глубокой связи с тем обстоятельством, что металлы (проводники первого рода) не испытывают химических изменений при прохождении тока (§ 40). Если бы правило Вольты не соблюдалось, то мы могли бы устроить цепь, в которой ток шел бы в течение длительного времени и совершал бы разнообразную работу, например вращал бы мотор, без уменьшения запаса энергии этой цепи. Действительно, внутренняя энергия такой цепи не может уменьшаться, ибо вещества, ее составляющие (металлы), не изменяются. Но если внутренняя энергия цепи не уменьшается и к цепи не подводится извне тепло, то по закону сохранения энергии не может и совершаться работа, т. е. в цепи не может поддерживаться длительный ток.

Нетрудно понять, почему в замкнутой цепи из различных проводников первого рода не идет ток, т. е. э. д. с. равна нулю, хотя на границах соприкосновения отдельных проводников возникает, как мы указывали, э. д. с. В такой цепи есть несколько мест соприкосновения различных металлов, по крайней мере два или больше (рис. 115). Следовательно, в цепи возникает несколько различных э. д. с., отличающихся еще и по направлению (знаку), так что общая (результирующая) э. д. с. равна алгебраической сумме всех отдельных э. д. с. Поскольку опыт показывает, что в такой цепи нет тока (что можно предвидеть на основании закона сохранения энергии), то, следовательно, алгебраическая сумма всех э. д. с. в замкнутой цепи, составленной из проводников первого рода, равна нулю. Однако явление меняется, если хотя бы один из участков цепи оказывается проводником второго рода. Изменение химического состава этого проводника при прохождении тока может быть началом ряда химических превращений, в результате которых внутренняя (химическая) энергия тел, составляющих цепь, будет уменьшаться, и за счет этой энергии может поддерживаться ток в цепи. Действительно, Вольта, погрузив медную и цинковую пластины в раствор серной кислоты, осуществил первый гальванический элемент, и поныне называемый элементом Вольты (рис. 116). Соединяя каким-либо проводником, например металлической проволокой, медную и цинковую пластины (электроды) элемента Вольты, мы получим в этой замкнутой цепи электрический ток.

Рис. 115. Цепи, составленные из нескольких проводников первого рода: а) контакт двух различных проводников; б) контакт трех различных проводников

Рис. 116. Элемент Вольты. Цепь, в которой два различных металла (медь и цинк) соприкасаются с электролитом (раствором серной кислоты)

Элемент Вольты содержит все необходимые для любого гальванического элемента части: два различных проводника первого рода (цинк и медь), соприкасающиеся с проводником второго рода (раствор серной кислоты). Но практически по причинам, которые будут выяснены в § 77, этот элемент неудобен, так как э. д. с. его, вначале равная 1,1 В, при работе элемента быстро падает. Поэтому на практике чаще применяют другие элементы, отличающиеся от элемента Вольты иным подбором проводников первого и второго рода.

Пластины гальванического элемента, между которыми возникает разность потенциалов, называются полюсами (или электродами). Тот полюс, у которого потенциал выше, называется положительным (или анодом), другой – отрицательным (катодом). В элементе Вольты положительным полюсом служит медь.

Часто употребляется элемент Даниеля, положительным электродом которого является медь, погруженная в медный купорос, а отрицательным – цинк, погруженный в цинковый купорос или серную кислоту. В обычной конструкции (рис. 117) электроды помещаются в стеклянный сосуд 1, цинковый электрод 4 окружен раствором , а медный электрод 2 окружен раствором . Чтобы предохранить растворы от быстрого смешивания, они разделены пористой перегородкой 3 из необожженной глины. Такое устройство, объясненное ниже (§ 78), обеспечивает длительное равномерное действие элемента Даниеля в отличие от элемента Вольты; э. д. с. элемента Даниеля равна 1,09 В.

Рис. 117. Элемент Даниеля: слева – отдельные его части; справа – в собранном виде

В § 77 мы увидим, что в большинстве гальванических элементов при длительном их использовании возникают вторичные процессы, изменяющие даваемое этими элементами напряжение. Однако некоторые гальванические элементы отличаются исключительным постоянством напряжения и поэтому находят широкое применение при электрических измерениях в качестве эталона напряжения. Служащие для этого элементы изготовляются по точным» установленным международными соглашениями рецептам, определяющим химический состав и концентрацию их электролитов. Они называются нормальными элементами. В настоящее время чаще всего употребляется нормальный элемент Вестона, дающий при 18°С напряжение 1,0187 В.

Заметим, что э. д. с. того или иного гальванического элемента определяется только подбором металлов и электролитов и совершенно не зависит от площади электродов, соприкасающихся с электролитом. Причины этого станут вполне ясны, когда мы разберем процесс возникновения э. д. с. в элементе.