"Английский язык для студентов энергетических специальностей", А.Л. Луговая
Электрический элемент превращает химическую энергию в электрическую и поддерживает ток в цепи. Внутри него электроды взаимодействуют с электролитом: химические реакции разделяют заряды, электроны идут по внешней цепи, а ионы — внутри элемента. Первичные элементы обычно используют один раз, вторичные можно перезаряжать. Для понимания работы источника важно различать электродвижущую силу (emf) и напряжение на клеммах: при подключённой нагрузке они могут не совпадать из-за внутреннего сопротивления.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Electric cell — электрический элемент, источник электрической энергии, в котором химическая энергия преобразуется в электрическую. Внутри элемента реакции создают условия для разделения зарядов, а подключённая цепь позволяет им двигаться. Это понятие нужно, чтобы отличать химический источник тока от устройства, которое лишь передаёт или потребляет энергию.
Primary cell — первичный элемент, предназначенный для разряда и обычно не рассчитанный на повторную зарядку. При работе его химические вещества изменяются, а вернуть их в исходное состояние безопасным и эффективным способом, как правило, нельзя. Поэтому такой элемент используют до исчерпания запаса реагентов, а затем заменяют.
Secondary cell — вторичный, или перезаряжаемый, элемент, в котором химические реакции могут протекать в обратном направлении. Во время разряда он отдаёт энергию, а при зарядке внешний источник тока обращает реакции и восстанавливает исходное состояние веществ. Это позволяет использовать элемент многократно, хотя его ёмкость постепенно уменьшается.
Electromotive force (emf) — электродвижущая сила, величина, показывающая, сколько энергии источник сообщает единице электрического заряда. Её измеряют в вольтах, как и напряжение, но emf характеризует работу источника, а не обязательно напряжение на клеммах при подключённой нагрузке. Это различие помогает объяснить, почему реальный источник под током может показывать меньшее напряжение.
Электрический элемент включает два электрода и электролит — вещество или раствор, в котором могут перемещаться ионы. Электроды проводят электроны, а электролит обеспечивает движение ионов между областями реакции. Когда электроды изготовлены из разных материалов или по-разному взаимодействуют с электролитом, химические процессы на них различаются. Это различие создаёт возможность разделить заряды и получить источник тока.
Химические реакции у одного электрода могут высвобождать электроны, а у другого — принимать их. Заряды не могут бесконечно накапливаться: их разделение создаёт электрическое поле и разность потенциалов между электродами. Так формируется напряжение, которое способно привести заряды в движение при замыкании внешней цепи. Пока реакции продолжаются, источник поддерживает эту разность потенциалов.
Если соединить электроды проводом через нагрузку, электроны пойдут по металлической внешней цепи от отрицательного полюса к положительному. Нагрузка, например лампа, преобразует часть электрической энергии в свет, тепло или другую форму. Внутри элемента электроны через электролит не проходят: заряд там переносят положительные и отрицательные ионы. Их движение компенсирует перенос электронов во внешней цепи, поэтому цепь оказывается замкнутой.
При разряде первичного и вторичного элементов реакции обеспечивают ток в направлении, заданном самим элементом. Но в первичном элементе химические изменения обычно практически необратимы, поэтому обычная зарядка не восстанавливает его работоспособность. Во вторичном элементе внешний ток, направленный против тока разряда, может обратить реакции. Энергия при этом поступает от зарядного устройства и запасается в химическом виде.
Emf показывает энергию, которую источник передаёт каждому кулону заряда, но у реального элемента есть внутреннее сопротивление. Когда подключена нагрузка, внутри элемента тоже течёт ток, и на внутреннем сопротивлении возникает падение напряжения. Поэтому часть энергии рассеивается внутри источника, а напряжение на его клеммах при разряде становится ниже emf. Чем больше ток нагрузки и внутреннее сопротивление, тем заметнее обычно это различие.
| Характеристика | Primary cell | Secondary cell |
|---|---|---|
| Направление химической реакции при разряде | В направлении, при котором расходуются исходные реагенты | В направлении разряда, противоположном реакции зарядки |
| Возможность обратной реакции | Обычно отсутствует или недостаточна для практического восстановления | Есть: реакцию можно обратить подачей внешнего тока |
| Возможность перезарядки | Не предназначен для перезарядки | Предназначен для многократной зарядки |
| Типичное применение | Одноразовые батарейки для пультов и часов | Аккумуляторы телефонов, ноутбуков и автомобилей |
Чтобы определить тип элемента, прежде всего сравните обратимость реакции и возможность зарядки, а не только его размер или форму. Примеры применения в таблице типичны, но конкретное устройство всегда следует использовать согласно инструкции.
Задача 1. Назовите основные части электрического элемента и укажите назначение каждой из них. Чтобы ответить, нужно связать устройство с двумя процессами: химическими реакциями и переносом заряда по замкнутому пути.
Ответ: элемент состоит из двух электродов, электролита и внешней цепи с нагрузкой. Электроды участвуют в реакциях, электролит переносит ионы, а внешняя цепь обеспечивает движение электронов между полюсами.
Задача 2. Элемент можно восстановить пропусканием тока в обратном направлении. К какому типу он относится и почему? Сопоставляем возможность восстановления с тем, обратимы ли реакции в элементе.
Ответ: это secondary cell, или вторичный элемент. Его можно перезарядить, потому что при подаче тока в обратном направлении химические реакции протекают обратно.
Задача 3. Элемент с emf 1,5 В подключён к нагрузке, и напряжение на клеммах при разряде ниже 1,5 В. Объясните причину и опишите путь движения зарядов. Сначала различаем emf и клеммное напряжение, затем прослеживаем ток во внешней и внутренней частях цепи.
Ответ: напряжение ниже 1,5 В из-за падения напряжения на внутреннем сопротивлении. Электроны движутся по внешней цепи, а ионы — внутри электролита, замыкая путь переноса заряда.
Смешивать emf и напряжение на клеммах. Эти величины совпадают не всегда: под нагрузкой ток вызывает падение напряжения на внутреннем сопротивлении. Ошибку допускают, принимая характеристику источника за показание в работающей цепи. Проверьте себя: если ток не равен нулю, учтите внутреннее сопротивление и не называйте клеммное напряжение emf.
Путать движение электронов и направление тока. Электроны в металлической цепи идут от отрицательного полюса к положительному, а условное направление тока принято считать противоположным. Путаница возникает потому, что направления описывают разными соглашениями. Чтобы проверить ответ, отдельно укажите, что именно движется, и отдельно — направление условного тока.
Считать, что ионы движутся по внешнему металлическому проводу. В металле ток создают электроны, а ионы перемещаются в электролите внутри элемента. Ошибку провоцирует представление о цепи как об одном однородном проводнике. Проверьте маршрут заряда: через провод и нагрузку идут электроны, через электролит — ионы.
Полагать, что любой элемент можно перезарядить. Первичный элемент не рассчитан на обратимое восстановление, тогда как вторичный допускает зарядку в обратном направлении. Их часто путают, потому что оба внешне могут выглядеть как батарейки. Проверьте маркировку и назначение устройства: заряжать можно только элементы, прямо предназначенные для этого.
Для понимания работы элемента нужны знания о заряде, электрическом токе, замкнутой цепи и разности потенциалов: они объясняют, почему заряды начинают двигаться. Химическая сторона темы опирается на окислительно-восстановительные реакции и движение ионов в растворах. Представления об emf и внутреннем сопротивлении пригодятся при изучении батарей, измерении напряжения и расчёте цепей постоянного тока. Так химические процессы связываются с уже знакомыми понятиями электричества.
Чем электрический элемент отличается от батареи?
Электрический элемент — отдельный источник тока, в котором химическая энергия превращается в электрическую. Батарея обычно состоит из нескольких элементов, соединённых вместе, чтобы получить нужное напряжение или ёмкость.
Почему для работы элемента нужны два электрода и электролит?
На электродах происходят реакции, разделяющие заряды и создающие разность потенциалов. Электролит позволяет ионам перемещаться внутри элемента и тем самым замыкать внутреннюю часть цепи.
В чём разница между первичным и вторичным элементом?
Первичный элемент рассчитан на разряд, а его химические изменения обычно нельзя вернуть в исходное состояние обычной зарядкой. Во вторичном элементе реакции можно обратить, поэтому его заряд восстанавливают, пропуская ток в обратном направлении.
Что означает электродвижущая сила?
Электродвижущая сила, или emf, показывает, какую энергию источник сообщает единице электрического заряда. Её измеряют в вольтах; это не обязательно то же самое, что напряжение на клеммах под нагрузкой.
Почему напряжение на клеммах при подключённой нагрузке ниже emf?
Внутри элемента есть внутреннее сопротивление, на котором при протекании тока возникает падение напряжения. Поэтому часть энергии источника расходуется внутри него, и к нагрузке поступает меньшее напряжение.
Unit 9. Electric Cells
