"Физика", Белага В.В., Ломаченков И.А., Панебратцев Ю.А.
Гальванический элемент превращает химическую энергию в электрическую и даёт ток в замкнутой цепи. Для его работы нужны электроды и электролит: химические процессы создают напряжение, а заряд движется по цепи. Когда реагирующие вещества расходуются, обычный элемент перестаёт работать и зарядкой его не восстановить. Аккумулятор устроен так, что при подключении внешнего источника в нём идут обратные химические изменения. Поэтому его можно снова использовать после зарядки.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Гальванический элемент — источник тока, в котором химическая энергия превращается в электрическую. Он нужен, чтобы питать приборы без подключения к электросети. Примеры таких источников — элементы питания в часах, пультах и фонарях.
Электроды — проводники, погружённые в электролит и участвующие в химических процессах элемента. Обычно их делают из разных материалов, поскольку их взаимодействие с электролитом помогает получить напряжение. Через электроды элемент соединяется с внешней цепью.
Электролит — жидкость или раствор, проводящий электрический ток благодаря движению ионов. Ионы — заряженные частицы, способные перемещаться внутри раствора. Электролит нужен, чтобы заряд мог переноситься внутри элемента и химические процессы продолжались.
Аккумулятор — источник тока, который можно многократно заряжать, пропуская через него ток от внешнего источника. Он нужен там, где требуется повторно использовать один и тот же источник энергии. При зарядке в нём восстанавливаются вещества, которые участвуют в работе при разрядке.
В гальваническом элементе ток возникает благодаря химическим реакциям. Во время реакции частицы взаимодействуют с электродами и перераспределяются, поэтому на электродах появляются разные электрические состояния. Так возникает напряжение, способное направить заряды по цепи; элемент не создаёт новые заряды, а приводит уже имеющиеся в упорядоченное движение.
Электроды делают из разных материалов, потому что каждый из них по-своему реагирует с электролитом. На одном электроде химический процесс может отдавать электроны, а на другом электроны принимаются. Из-за такого различия между электродами устанавливается напряжение, то есть причина, которая может поддерживать ток во внешней цепи.
Пока цепь разомкнута, заряды не движутся непрерывно по всему пути, хотя напряжение между электродами уже есть. После замыкания цепи электроны перемещаются по внешнему металлическому проводнику от одного электрода к другому. Внутри элемента перенос заряда продолжается благодаря ионам электролита: без их движения химические процессы быстро остановились бы и ток не поддерживался.
Элемент перестаёт давать ток, когда вещества, участвующие в химической реакции, расходуются или их состояние уже не позволяет поддерживать прежний процесс. Напряжение уменьшается, а ток становится слишком слабым для работы прибора. Обычный гальванический элемент нельзя восстановить стандартной зарядкой: его реакция не рассчитана на обратный ход под действием внешнего тока.
Аккумулятор тоже превращает химическую энергию в электрическую при разрядке, когда питает подключённый прибор. При зарядке к нему подключают внешний источник, и ток направляют так, чтобы химические реакции пошли в обратную сторону. В результате запас энергии восстанавливается, поэтому аккумулятор можно использовать снова; это не простое накопление электрического заряда на его поверхности.
| Свойство | Гальванический элемент | Аккумулятор |
|---|---|---|
| Как возникает ток | Из-за химических реакций | Из-за химических реакций при разрядке |
| Превращение энергии | Химическая энергия превращается в электрическую | При разрядке химическая — в электрическую, при зарядке электрическая — в химическую |
| Можно ли перезарядить | Обычный элемент нельзя | Можно многократно |
| Что происходит при разрядке | Расходуются вещества, поддерживающие реакцию | Химическая энергия передаётся внешней цепи |
| Примеры применения | Пульты, часы, фонари | Телефоны, автомобили, портативные приборы |
Сравнивайте источники по строкам: так видно не только, откуда берётся ток, но и можно ли восстановить запас энергии. Для прибора, который нужно использовать снова и снова, обычно подходит аккумулятор. Если источник требуется заменить после разрядки, может применяться гальванический элемент.
Условие: два разных электрода погружены в электролит. Нужно объяснить, почему при соединении электродов проводником появляется ток. Здесь важно связать химические процессы с напряжением, а замыкание цепи — с движением зарядов.
Ответ: при замыкании цепи напряжение, созданное химическими процессами, приводит заряды в упорядоченное движение; в проводнике движутся электроны, а в электролите — ионы.
Условие: аккумулятор отдаёт ток силой 0,5 А в течение 20 минут. Нужно найти электрический заряд q. Используем связь заряда, силы тока и времени: q = It, где время должно быть выражено в секундах.
Ответ: через цепь прошёл заряд 600 Кл.
Условие: для устройства выбирают между гальваническим элементом и аккумулятором. Источник нужно многократно использовать и заряжать от сети. Чтобы сделать выбор, проверим возможность перезарядки и направление превращений энергии.
Ответ: следует выбрать аккумулятор, поскольку он предназначен для повторной зарядки и использования.
Ошибка: считать, что гальванический элемент создаёт электрические заряды. Заряды уже есть в веществе, а химические процессы помогают привести их в упорядоченное движение. Такую ошибку допускают, потому что говорят, будто источник «производит ток»; проверка: помните, что источник поддерживает ток, а не создаёт заряд из ничего.
Ошибка: путать электролит с обычным проводом. В металле заряд переносят электроны, а в электролите — ионы; это различие связано с устройством этих веществ. Проверяйте себя вопросом, какие частицы движутся в каждом участке цепи.
Ошибка: называть любой гальванический элемент аккумулятором. Обычный элемент нельзя многократно перезаряжать, хотя оба источника создают ток благодаря химическим процессам. Путаница возникает из-за сходного назначения; проверьте, предусмотрено ли для источника обратное восстановление при зарядке.
Ошибка: думать, что аккумулятор при зарядке просто накапливает электрический заряд. На самом деле ток вызывает химические изменения, благодаря которым запас энергии восстанавливается. Чтобы проверить себя, проследите, какая энергия переходит в химическую при подключении зарядного устройства.
Для понимания работы элемента нужны знания об электрическом токе, электрической цепи и её замыкании: только в замкнутой цепи возникает непрерывное движение зарядов. Напряжение объясняет, почему заряды движутся, сила тока показывает, насколько интенсивно они движутся, а электрический заряд используется в расчётах. Формула q = It связывает заряд, силу тока и время. Эти знания пригодятся при изучении цепей, источников питания и применения аккумуляторов в приборах и транспорте.
Почему гальванический элемент называют источником тока?
Внутри элемента химические реакции создают напряжение между электродами. Если замкнуть цепь, напряжение приводит заряды в упорядоченное движение, и возникает ток.
Зачем в гальваническом элементе нужны два разных электрода?
Разные материалы по-разному взаимодействуют с электролитом. Из-за этого между электродами возникает напряжение, которое поддерживает движение зарядов в цепи.
Чем электролит отличается от металлического проводника?
В металлическом проводнике заряд переносят электроны. В электролите ток создают движущиеся положительные и отрицательные ионы.
Почему обычную батарейку нельзя зарядить?
При работе батарейки расходуются вещества, участвующие в химической реакции. В обычном элементе эта реакция не обращается безопасно и эффективно при подключении зарядного устройства.
Что происходит с энергией аккумулятора во время зарядки?
Ток от внешнего источника вызывает химические изменения внутри аккумулятора. Электрическая энергия при этом превращается в химическую и запасается.
29. Гальванические элементы. Аккумуляторы
