Электроника шаг за шагом [Практическая энциклопедия юного радиолюбителя]

Т-27. В аккумуляторах и гальванических элементах для электризации электродов используются химические реакции. Что требуется от генератора? Во-первых, требуется, чтобы на электродах генератора был избыток электрических зарядов — на одном электроде избыток отрицательных зарядов (такой электрод называют отрицательным или сокращенно «минусом»), на другом электроде — избыток положительных зарядов (это положительный электрод, «плюс»). Во-вторых, по мере того как свободные электроны будут уходить с «минуса» генератора в нагрузку и приходить с нагрузки на «плюс», нужно каким-то образом добавлять электроны в «минус» и убирать их из «плюса». Одним словом, нужно, чтобы в электродах генератора поддерживался избыток электрических зарядов.

Чтобы накопить на электродах генератора избыточные ионы и электроны, чтобы создать на электродах заметный суммарный заряд, нужно поработать. Первый же избыточный электрон (—); который вы втолкнете в отрицательный электрод, будет препятствовать вталкиванию следующего электрона (—): ничего не поделаешь, одноименные заряды отталкиваются. И первый же положительный ион (+), который после удаления электрона (—) появится в положительном электроде, будет препятствовать удалению следующих электронов (—): разноименные заряды, как всегда, притягиваются. Нет, конечно же, избыточные заряды на электродах генератора не появятся сами собой, чтобы накопить их, нужно затратить определенную энергию.

Это в принципе может быть энергия разных сортов (Р-11) — световая, тепловая, энергия атомных излучений, механическая работа. А еще энергия химических реакций (Р-11; Р-12).

Р-11

Р-12

Когда вы отпускаете тетиву лука, выпускаете из него стрелу, то лук, точнее, его только что натянутая тетива отдает свою энергию — распад системы на составные части (лук — стрела) сопровождается выделением энергии, ее уносит стрела. Когда в ведро с водой падает камешек, то появление новой системы (камешек — вода), объединение этих двух только что еще разных объектов, тоже сопровождается выделением энергии, в частности в виде слабого звука, всплеска воды.

Выделением энергии сопровождаются и химические превращения, распад молекул на части или объединение атомных комплексов в более крупные молекулярные системы. Энергия запасена в самой структуре химических веществ, подобно тому как она запасена в натянутой тетиве лука или в поднятом над водой камешке. Химические реакции в генераторе используют эти запасы энергии именно на то, чтобы непрерывно ввозить электроны в отрицательный электрод и вывозить их из положительного. То есть для того, чтобы накапливать электрические заряды на электродах.

Типичный химический генератор — это хорошо всем знакомый гальванический элемент (С-1; Р-12). Он получил свое название по имени итальянского естествоиспытателя Луиджи Гальвани, который около двухсот лет назад обнаружил взаимосвязь между химическими процессами и электрическим током. Устройство всех гальванических элементов одинаково — два электрода, вставленных в электролит, в жидкость, где как раз и происходят основные химические реакции, которые в итоге электризуют электроды. Различаются гальванические элементы самим веществом электродов и электролита и, следовательно, конкретным типом реакций.

В наиболее популярном марганцево-цинковом элементе в качестве отрицательного электрода, «минуса» (—), используется цинк (Zn), в качестве положительного, «плюса» (+) — порошкообразная двуокись марганца (МnО₂), а электролитом служит раствор хлористого аммония (NH₄Cl). Цинковый электрод (—) — это чаще всего стаканчик, в который спрятана вся «начинка» элемента. Двуокись марганца (+) смешана с графитом и соединена с внешним миром через угольный стержень, который часто по ошибке принимают за положительный электрод. Электролит входит в кашеобразную массу, которая соприкасается и с цинком (—), и с двуокисью марганца (+)

Процессы в гальваническом элементе в самом упрощенном виде можно описать так. В результате химических реакций между цинком и электролитом из отрицательного электрода уходят положительные ионы цинка (Zn + атом с двумя недостающими электронами; их отбирает атом хлора, который уходит из NH₄CL и соединяется с Zn), и в электроде остаются избыточные свободные электроны. Так на цинковом электроде образуется значительный отрицательный заряд «минус». Одновременно совсем другие положительные ионы (NH₄ — молекулярный блок с одним недостающим электроном), которые появляются в электролите из-за его самопроизвольного химического распада, отбирают свободные электроны из двуокиси марганца, и у нее появляется значительный положительный заряд, «плюс».