Een galvanische cel is een bron van elektrische energie, het werkingsprincipe is gebaseerd op chemische reacties. De meeste moderne batterijen en accu's vallen onder de definitie en behoren tot de categorie in kwestie. De fysiek galvanische cel bestaat uit geleidende elektroden die zijn ondergedompeld in een of twee vloeistoffen( elektrolyten).
Algemene informatie
Galvanische cellen zijn verdeeld in primaire en secundaire in overeenstemming met het vermogen om elektrische stroom te produceren. Beide soorten worden beschouwd als bronnen en dienen verschillende doelen. De eerste produceren stroom tijdens een chemische reactie, de tweede functie pas na het opladen. Hieronder bespreken we beide variëteiten. Door het aantal vloeistoffen worden twee groepen galvaniseerelementen onderscheiden:
- Een levendig voorbeeld van apparaten met een enkele vloeistof is de voltkolom( 1800) en het element van Wollaston, dat Georg Ohm oorspronkelijk in zijn eigen onderzoek gebruikte. Het bestond uit koperen platen gerold in holle cilindrische oppervlakken: de eerste werd ingevoegd in de tweede. Beide zijn beschermd tegen contact met houten stutten. De elektrolyt is verdund zwavelzuur. Het resultaat is een verdubbeling van de werkoppervlakken. Tijdens de reactie wordt kopersulfaat gevormd met de afgifte van waterstof en wordt zink geoxideerd. In batterijen is een elektrode meestal steenkool.
Stroombron
- De elementen met twee vloeistoffen gebruiken een elektrolyt met een overmaat aan zuurstof om de elektrode onder te dompelen, waar waterstof wordt gevormd. Als gevolg hiervan vindt een chemische reactie van watervorming plaats, de instabiliteit van de stroom wordt gecompenseerd en geëffend. Het eerste idee van het gebruik van bronnen naar voren gebracht in 1829, Becquerel. Aanvankelijk werd een vat gemaakt van zwak gebakken klei gebruikt om de vaten van elkaar te scheiden, die een goede porositeit hadden. Om te compenseren voor de afgifte van waterstof op de koperelektrode is het toegestaan om blauwe vitriol te gebruiken.
De volatiliteit van voedingen met een enkele vloeistof merkte Ohm op en onthulde de onaanvaardbaarheid van de Wollaston galvaniserende cel voor experimenten met de studie van elektriciteit. De dynamiek van het proces is zodanig dat op het initiële moment van tijd de stroom groot is en eerst toeneemt, dan daalt deze in een paar uur naar een gemiddelde waarde. Moderne batterijen zijn wispelturig.
De geschiedenis van de ontdekking van chemische elektriciteit
Er is weinig bekend over het feit dat in 1752 galvanische elektriciteit werd genoemd door Johann Georg. De publicatie Het onderzoek naar de oorsprong van aangename en onaangename gevoelens, uitgegeven door de Academie van Wetenschappen van Berlijn, gaf het fenomeen zelfs een volkomen correcte interpretatie. Ervaring: zilveren en loodplaten waren verbonden aan één uiteinde, terwijl tegenpolen van verschillende kanten op de tong werden aangebracht. Bij de receptoren wordt de smaak van ferrosulfaat waargenomen. Lezers hebben al geraden dat de beschreven methode voor het testen van batterijen vaak werd gebruikt in de USSR.
Chemische elektriciteit
Uitleg van het verschijnsel: blijkbaar zijn er enkele metaaldeeltjes die de receptoren van de tong irriteren. Deeltjes worden uitgestoten door een enkele plaat na contact. Bovendien lost één metaal op. Eigenlijk is er een principe van werking van een galvanische cel, waarbij de zinkplaat geleidelijk verdwijnt, waardoor de energie van chemische bindingen wordt weggegeven aan een elektrische stroom. De verklaring werd een halve eeuw gelegd vóór het officiële verslag aan de Royal Society of London, Alessandro Volta, over de opening van de eerste krachtbron. Maar, zoals vaak gebeurt met ontdekkingen, bijvoorbeeld elektromagnetische interactie, werd de ervaring onopgemerkt door de algemene wetenschappelijke gemeenschap en niet goed bestudeerd.
We voegen eraan toe dat dit verband bleek te houden met de recente afschaffing van vervolging voor hekserij: weinigen hebben besloten, na de trieste ervaring van de "heksen", om duistere verschijnselen te bestuderen. De situatie was anders met Luigi Galvani, die sinds 1775 werkzaam was aan de afdeling Anatomie in Bologna. Zijn specialismen werden als irriterend voor het zenuwstelsel beschouwd, maar de ster liet geen significant cijfer achter op het gebied van de fysiologie. Een student van Beccaria was actief betrokken bij elektriciteit. In de tweede helft van 1780, zoals blijkt uit de memoires van de wetenschapper( 1791, De Viribus Electricitatis in Motu Muscylary: Commentarii Bononiensi, Volume 7, blz. 363), werd de kikker opnieuw voorbereid( experimenten en daarna vele jaren).
Het is opmerkelijk dat een ongewoon verschijnsel door de assistent werd opgemerkt, precies zoals bij de afwijking van de kompasnaald door de draad met elektrische stroom: de ontdekking werd alleen gedaan door mensen die indirect verbonden waren met wetenschappelijk onderzoek. De observatie betrof schokken van de onderste ledematen van de kikker. In de loop van het experiment raakte de assistent de binnenste dijbeenzenuw van het te bereiden dier aan, de benen trilden. In de buurt was er een elektrostatische generator op tafel, een vonk gleed op het apparaat. Luigi Galvani begon meteen aan het proberen de ervaring te herhalen. Wat is gelukt. En weer op de auto gleed een vonk.
Experimenten door Luigi Galvani
Een parallelle verbinding met elektriciteit werd gevormd en Galvani wilde weten of een onweersbui op een vergelijkbare manier op een kikker zou reageren. Het bleek dat natuurrampen geen merkbare impact hebben. De kikkers bevestigd door koperen haken aan het ruggenmerg van de ijzeren hek, zenuwachtig ongeacht de weersomstandigheden. De experimenten konden niet met 100 procent herhaalbaarheid worden uitgevoerd, de atmosfeer had geen impact. Als gevolg daarvan vond Galvani een groot aantal paren van verschillende metalen, die in contact tussen zichzelf en de zenuw een trilling van de benen van de kikker veroorzaakten. Tegenwoordig wordt het fenomeen verklaard door verschillende graden van elektronegativiteit van materialen. Het is bijvoorbeeld bekend dat aluminiumplaten niet met koper kunnen worden geklonken, metalen een galvanisch paar vormen met uitgesproken eigenschappen.
Galvani merkte terecht op dat er een gesloten elektrisch circuit wordt gevormd, wat suggereert dat de kikker dierlijke elektriciteit bevat, afgevoerd als een Leidse pot. Alessandro Volta accepteerde de verklaring niet. Na zorgvuldig de beschrijving van de experimenten bestudeerd te hebben, voerde Volta de verklaring dat de stroom optreedt wanneer twee metalen worden gecombineerd, direct of door de lichaamseigen elektrolyt van een biologisch wezen. De oorzaak van de stroom ligt in de materialen, en de kikker is een eenvoudige indicator van het fenomeen. Offerte Volta uit een brief aan de redacteur van een wetenschappelijk tijdschrift:
Geleiders van de eerste soort( vaste stoffen) en de tweede soort( vloeistoffen), wanneer ze in een bepaalde combinatie in contact komen, genereren een impuls van elektriciteit, vandaag is het onmogelijk om de oorzaken van het verschijnsel te verklaren. De stroom vloeit in een gesloten lus en verdwijnt als de integriteit van het circuit wordt verbroken.
Volts
pijler Leptu werd geïntroduceerd door Giovanni Fabroni in een reeks ontdekkingen, die rapporteerden dat toen twee galvaniseerplaten in water werden geplaatst, één begon te bezwijken. Daarom is het fenomeen gerelateerd aan chemische processen. En Volta, ondertussen, vond de eerste krachtbron uit, die lange tijd voor de studie van elektriciteit diende. De wetenschapper was voortdurend op zoek naar manieren om het effect van electroplating-paren te verbeteren, maar hij vond het niet. Tijdens de experimenten werd het ontwerp van een voltaische kolom gemaakt:
- Zink en koperen cirkels werden paarsgewijs genomen in nauw contact met elkaar.
- De resulterende paren werden gescheiden door natte cirkels van karton en op elkaar geplaatst.
Het is gemakkelijk te raden dat we een serieschakeling van huidige bronnen hebben, die, sommen op, versterkte het effect( potentiaalverschil).Toen het werd aangeraakt, veroorzaakte een nieuw apparaat een waarneembare slag in de hand van een man. Zoals de experimenten van Mushenbruck met een leydenkruik. Het duurde echter tijd om het effect te herhalen. Het werd duidelijk dat de energiebron van chemische oorsprong is en geleidelijk wordt vernieuwd. Maar wennen aan het concept van nieuwe elektriciteit was niet eenvoudig. De voltaïsche kolom gedroeg zich als een geladen Leidse pot, maar. ..
Volta-experiment
Volta organiseert een extra experiment. Rust elk van de cirkels uit met een isolerend handvat, brengt het een tijdje in contact, opent vervolgens en voert een studie uit met een elektroscoop. Tegen die tijd was de wet van Coulomb al bekend geworden, het bleek dat zink positief en koper negatief geladen was. Het eerste materiaal gaf elektronen aan de tweede. Om deze reden wordt de zinkplaat van de volt-kolom geleidelijk vernietigd. Voor de bestudering van het werk benoemde een commissie, die de argumenten van Alessandro presenteerde. Zelfs toen, door middel van inferentie, ontdekte de onderzoeker dat de spanning van individuele paren is opgeteld.
Volta legde uit dat zonder natte cirkels tussen metalen, het ontwerp zich gedraagt als twee platen: koper en zink. Amplificatie treedt niet op. Volta vond de eerste rij van elektronegativiteit: zink, lood, tin, ijzer, koper, zilver. En als we tussentijdse metalen tussen de uitersten uitsluiten, verandert de "drijvende kracht" niet. Volta stelde vast dat elektriciteit bestaat terwijl de platen elkaar raken: de kracht is niet zichtbaar, maar is gemakkelijk te voelen, daarom is het waar. Op 20 maart 1800 schreef de wetenschapper aan de president van de Royal Society of London, Sir Joseph Banks, die voor het eerst werd benaderd door Michael Faraday.
Engelse onderzoekers ontdekten al snel dat als er water op de bovenste plaat( koper) viel, er gas vrijkwam op het aangegeven punt in het contactgebied. Ze deden het experiment van beide kanten: de draden van een geschikt circuit werden ingesloten in kolven water. Gas onderzocht. Het bleek dat het gas brandbaar is, het onderscheidt zich alleen van de enige kant. De draad was merkbaar geoxideerd vanaf het tegenovergestelde. Er is vastgesteld dat de eerste waterstof is en het tweede fenomeen optreedt als gevolg van een overmaat aan zuurstof. Het werd vastgesteld( 2 mei 1800) dat het waargenomen proces de ontleding van water onder invloed van een elektrische stroom is.
William Crookshank liet meteen zien dat het acceptabel was om hetzelfde te doen met oplossingen van metaalzout, en Wollaston bewees eindelijk de identiteit van de volt-kolom voor statische elektriciteit. Zoals de wetenschapper het formuleerde: de actie is zwakker, maar heeft een langere duur. Martin Van Marum en Christian Heinrich Pfaff laadden een leyden-pot van een element. En professor Humphrey Davy ontdekte dat schoon water in dit geval niet als elektrolyt kan dienen. Integendeel, hoe meer de vloeistof in staat is om zink te oxideren, des te beter is de volt-kolom, wat vrij consistent is met de waarnemingen van Fabroni.
Zuur verbetert de prestaties aanzienlijk door het opwekken van elektriciteit te versnellen. Uiteindelijk creëerde Davy een coherente Volt-theorie. Hij legde uit dat metalen in eerste instantie een bepaalde lading hebben, bij het sluiten van contacten die een element veroorzaken. Als de elektrolyt het oppervlak van de elektronendonor kan oxideren, wordt de laag uitgeputte atomen geleidelijk verwijderd, waardoor nieuwe lagen worden onthuld die in staat zijn om elektriciteit te produceren.
In 1803 monteerde Ritter een zuil van wisselende cirkels van zilver en nat doek, een prototype van de eerste batterij. Ritter laadde hem op met een voltpilaar en keek naar het proces van ontslag. De juiste interpretatie van het fenomeen werd gegeven door Alessandro Volta. En pas in 1825 bewees Auguste de la Reve dat de overdracht van elektriciteit in een oplossing wordt uitgevoerd door stofionen, waarbij de vorming van zinkoxide in een kamer met zuiver water wordt gadegeslagen, gescheiden van het naburige membraan. De verklaring hielp Berzelius een fysiek model te maken waarin een elektrolyt-atoom leek te bestaan uit twee tegengesteld geladen polen( ionen) die in staat waren om te dissociëren. Het resultaat was een slank beeld van de overdracht van elektriciteit over een afstand.
