11 класс
§ 7. Электродвижущая сила. Источники тока
Электродвижущая сила.
Для характеристики работы сторонних сил используют физическую величину — электродвижущую силу (сокращённо ЭДС).
Электродвижущая сила 
равна отношению работы Aст сторонних сил по перемещению положительного заряда q вдоль замкнутой цепи к этому заряду.
Единицей ЭДС в СИ, как и напряжения, является вольт (В): 1B = 1 Дж/Кл. Можно говорить об ЭДС на любом участке цепи. Электродвижущая сила гальванического элемента, например, численно равна работе сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда внутри элемента от его отрицательного полюса к положительному.
Если на батарейке написано «1,5 В», то это означает, что сторонние силы (в данном случае химические) совершают работу 1,5 Дж при перемещении заряда в 1 Кл от одного полюса батарейки к другому.
ЭДС представляет скалярную величину, которая может быть как положительной, так и отрицательной. Знак ЭДС определяется в зависимости от произвольно выбранного направления обхода того участка электрической цепи, на котором включён данный источник тока. Если внутри источника тока обход совершается от отрицательного полюса к положительному, то ЭДС положительная ( > 0) (рис. 1.34, а). Сторонние силы внутри источника совершают при этом положительную работу. Если обход совершается от положительного полюса к отрицательному, то ЭДС отрицательная ( < 0) (рис. 1.34, б).
Гальванические элементы.
Гальванический элемент в простейшем варианте состоит из двух химически различных электродов, опущенных в водный раствор того или иного электролита. Гальванический элемент получил своё название по имени Гальвани. Первый гальванический элемент, состоящий из медного и цинкового кружочков (электродов), переложенных смоченным солёной водой (электролитом) сукном, был изобретён Вольтой.
Напряжение между металлическими кружочками оказалось небольшим (~ 1 В). Для того чтобы получить большие значения напряжения, Вольта положил друг на друга пары медных и цинковых кружочков, которые также были разделены смоченными солёной водой сукном. Так была изобретена первая гальваническая батарея — «вольтов столб» (1800). Схема её устройства приведена на рисунке 1.35.
На рисунке 1.36 показано устройство одного из современных гальванических элементов. Отрицательным электродом в нём является цинк. Положительный электрод состоит из угольного стерженька, окружённого смесью сильного окислителя — пероксида марганца
MnO2 и графита для увеличения электропроводности.
Эти электроды погружают в раствор нашатыря (хлорида аммония — NH4Cl). В «сухих» элементах вместо жидкого раствора электролита используют густую крахмалистую массу, пропитанную нашатырём. При этом не образуется газообразный водород, так как происходит химическая реакция MnO2 + 2Н → MnO + H2O, в результате которой получается оксид марганца и вода.
В гальванических элементах ЭДС возникает за счёт действия химических сил. Однако в них происходят необратимые процессы, приводящие к расходованию электродов и раствора электролита. Несмотря на то что гальванические элементы были первыми источниками тока, они и сегодня находят ряд важных применений. Разнообразные «сухие» гальванические элементы применяют в электронных часах, некоторых электроизмерительных приборах, слуховых аппаратах, детских игрушках, карманных фонарях и т. д.
Аккумуляторы.
Существуют источники тока, работающие на принципе обратимых химических процессов. Их называют аккумуляторами (накопителями) 1. Они способны создавать токи до нескольких сотен ампер и обладают достаточно высоким КПД (до 80%).
1 В 1859—1860 гг. французский учёный Гастон Планте (1834—1889) изобрёл свинцовый (кислотный) аккумулятор. В настоящее время данный тип аккумулятора широко используется на транспорте.
На рисунке 1.37 показано устройство свинцового (кислотного) аккумулятора.
Элемент свинцового аккумулятора состоит из положительных и отрицательных электродов (пластин), сепараторов (разделительных решёток) и электролита. Положительные электроды представляют собой свинцовую решётку, а активным веществом является оксид свинца (PbO2). Отрицательные электроды также представляют собой свинцовую решётку, а активным веществом является свинец (Pb). Электроды погружены в электролит, состоящий из разбавленной серной кислоты (H2SO4). Корпус аккумулятора обычно изготавливают из пластмассы или эбонита.
Нальём в сосуд раствор серной кислоты и опустим в него два одинаковых свинцовых электрода, поверхности которых покрыты оксидом свинца (II) PbO. Элемент в таком виде не обладает ЭДС, так как оба его электрода одинаковы. Присоединим теперь к электродам внешний источник тока (рис. 1.38, а) и пропустим через элемент ток — ток зарядки.
Электрический ток, проходящий через водный раствор серной кислоты, вызовет разложение воды на водород и кислород. В результате на пластинке, соединённой с отрицательным полюсом источника тока (катоде), выделяется водород, который восстанавливает оксид свинца (II) в чистый свинец:
PbO + 2Н → Pb + H2O.
На электроде, соединённом с положительным полюсом источника тока (аноде), выделяется кислород, который окисляет оксид свинца (II) в оксид свинца (IV):
PbO + О → PbO2.
Таким образом, в результате пропускания тока через элемент, т. е. зарядки элемента, его электроды оказываются разными по химическому составу, и появляется определённая ЭДС, равная примерно 2 В.
Элемент в таком состоянии уже сам является источником тока и при замыкании его на нагрузку может создавать в цепи в течение некоторого времени электрический ток (рис. 1.38, б) — ток разрядки, который направлен противоположно току зарядки.
При разрядке химические реакции на электродах идут в обратном направлении. Положительная пластинка восстанавливается водородом:
PbO2 + 2Н → PbO + H2O,
а отрицательная пластинка окисляется кислородом:
Pb + О → PbO.
Для каждого аккумулятора существуют предельные значения силы тока при зарядке и разрядке. Эти данные указываются в паспорте данного устройства. ЭДС кислотного аккумулятора сразу по окончании зарядки составляет около 2,7 В. В начале работы аккумулятора она снижается до 2,1 В 2. Если ЭДС аккумулятора уменьшается до 1,8 В, его необходимо зарядить. Одной из важнейших характеристик аккумулятора является его ёмкость — способность накапливать электрический заряд. Её обычно измеряют в ампер-часах (А • ч). Ёмкость аккумулятора позволяет определить, в течение какого времени аккумулятор способен обеспечивать заданную силу тока в цепи.
2 Стандартная аккумуляторная батарея с напряжением 12 В для легкового автомобиля объединяет в себе шесть отдельных аккумуляторов, каждый из которых вырабатывает напряжение, равное 2 В.
Аккумуляторы используют для запуска автомобильного двигателя при помощи стартёра (специального электродвигателя). Без аккумуляторов не могут обходиться подводные лодки (кроме атомных). Аккумуляторы применяют на электрокарах (электрических грузовых тележках), в электромобилях (автомобилях с электрическими двигателями), для питания радиоаппаратуры, рудничных ламп и во многих других случаях.
Вопросы:
1. Какая физическая величина характеризует действие сторонних сил в источнике тока?
2. В каком случае ЭДС источника тока считают:
а) положительной;
б) отрицательной?
3. За счёт чего возникает ЭДС в гальванических элементах и аккумуляторах?
4. В чём состоит принцип работы свинцового (кислотного) аккумулятора? Как он устроен?
5. Приведите примеры использования:
а) гальванических элементов;
б) аккумуляторов.
Вопросы для обсуждения:
1. Чему равно напряжение на клеммах гальванического элемента с ЭДС, равной , если цепь разомкнута?
2. На рисунке 1.39 приведён самодельный гальванический элемент. Объясните его устройство и принцип действия.
3. Объясните физический смысл такой физической величины, как ёмкость аккумулятора.
Упражнения:
1. При питании электрической лампочки от источника с ЭДС, равной 1,5 В, сила тока в цепи составляет 0,2 А. Найдите работу сторонних сил в источнике за 1 мин.
2. Какая работа совершена постоянным током, если через проводник, на концах которого потенциалы соответственно равны 30 и 10 В, прошёл заряд 1,5 Кл?
3. В технической спецификации устройства указано, что ёмкость аккумулятора q = 56 A∙4, а напряжение на его клеммах при полной зарядке U ≈ 15 В. Определите по этим данным энергию, запасаемую аккумулятором. Ответ выразите в Вт • ч и Дж.
Это любопытно...
Из истории развития физики и техники
Гальвани пытался обнаружить действие атмосферного электричества на мышцы живого организма — лягушки. Для этого он подвешивал препарированную лягушку на медном крючке к железному забору. Прижимая крючок к перилам, Гальвани обнаружил сильное сокращение мышц. Сокращение наблюдалось всегда, когда к лапке лягушки прикасались двумя различными металлами, находящимися между собой в контакте. Зная, что сокращение мышц возникает при электрическом разряде, Гальвани решил, что открыл «животное электричество», вырабатываемое в организме.
Правильное объяснение открытому явлению дал Вольта. Он понял, что лягушачьи лапки — это лишь чувствительный «животный электрометр». Наблюдаемое же явление связано с наличием двух разнородных металлов, соприкасающихся с электропроводящей жидкостью животных тканей. Это объяснение и привело Вольту к созданию первого источника постоянного тока — «вольтова столба» (рис. 1.40).
Вскоре были изобретены другие гальванические элементы: элемент Даниэля, Грене, Лекланше, Вестона и др.
Открытия Гальвани и Вольты побудили русского учёного Василия Владимировича Петрова (1761 — 1834) провести серию самостоятельных опытов, описанных им в книге «Известие о гальвани-вольтовских опытах...» (1803). В частности, ему удалось создать батарею, состоявшую из 4200 медных и цинковых кружков, или 2100 медно-цинковых элементов. Петров называл её «огромная наипаче батарея». Она располагалась в большом деревянном ящике, разделённом по длине на четыре отделения. Общая длина батареи Петрова составляла 12 м — это был крупнейший в мире источник постоянного электрического тока. Как показали современные экспериментальные исследования с моделью батареи Петрова, ЭДС этой батареи составляла 1700 В. C помощью этого прибора Петрову удалось открыть такое важное явление, как электрическая дуга, и доказать возможность её практического применения для целей плавки, сварки металлов, освещения.
