ПЕРВИЧНЫЙ ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ

Для создания источников тока (гальванических элементов) может быть использовано большое число различных химических реакций. Наиболее часто встречающиеся на практике устройства дают напряжение около 1—2 В, что соответствует реакциям, сопровождаемым изменением свободной энергии примерно до . Это соответствует, например, реакции, протекающей в элементе Даниэля (см.). Теоретическое значение напряжения получают из формулы , где — число кулонов, участвующих в реакции; отсюда . Чтобы получить более высокое напряжение в каждом отдельном элементе, применяют высокоактивные и нестабильные реагенты; примером является литий-хлоридный элемент, который работает при температуре 500—600°С с расплавом хлорида лития в качестве электролита и дает э. д. с. 3,5 В.

Поэтому выбор реакции основан на практических соображениях: дешевизна материалов, химическая стабильность (т. е. отсутствие износа, когда элемент не находится под нагрузкой), высокая удельная мощность; в элементах специального назначения могут играть существенную роль и другие факторы.

Первым элементом, получившим широкое распространение, был элемент Даниэля, который, однако, имел ряд недостатков. Недостатки, связанные с наличием двух электролитов, были обойдены в элементе Лекланше; на принципе этого элемента основано большинство современных

сухих элементов (см. сухой элемент). К элементам специального назначения относятся ртутный элемент (см.), медно-окисный элемент (см.), цинк-серебряный (см.), цинк-воздушный (см.) и элементы с магниевыми анодами (см.).

Рис. П. 2. Типичная вольт-амперная кривая.

Эти элементы отличаются между собой катодными реакциями, но имеют один и тот же цинковый анод (весьма перспективен магниевый анод).

Различные элементы сравниваются по их вольт-амперным кривым (рис. П. 2). Кривая начинается от максимального значения потенциала, близкого к теоретическому, которое рассчитывают из изменения сьободной энергии реакции, протекающей в элементе. При конечных значениях тока потенциал падает за счет появления перенапряжения (см.) на электродах, и поскольку ток возрастает, то увеличиваются активационное и концентрационное перенапряжения, что дает нисходящий участок кривой. В конце концов ток может достигнуть величины предельного тока (см. предельный ток), концентрационное перенапряжение становится очень высоким, и напряжение на ячейке быстро падает.

Другим показателем рабочих свойств элемента является кривая напряжение — время, когда элемент непрерывно разряжается через фиксированное сопротивление. Можно получить серию кривых для различных сопротивлений,

а также кривые для элемента, работающего в нестационарном режиме. Последние показывают, насколько хорошо элемент самовосстанавливается (за счет эффекта деполяризации или диффузии) после периода работы при высокой плотности тока.

Рис. П. 3. Разрядные кривые. а — для типичного сухого элемента; 6 — для ртутного элемента.

На рис. П. 3 приведены две типичные кривые напряжение — время. В ртутном элементе продукты электролиза осаждаются, что приводит к постоянству напряжения и условий в элементе в течение всего срока его службы.