Galvanski element
| Elektromagnetizam |
|
| Ključne stavke |
| Elektricitet • Magnetizam |
| Elektrostatika |
| Magnetostatika |
| Elektrodinamika |
| Električna mreža |
| Kovarijantna formulacija |
Naučnici
|
Galvanski elementi ili galvanski članci su primarni električni članci ili neobnovljivi izvor električne struje u kojima se, za razliku od sekundarnih članaka (akumulatora), kemijska energija nepovratno pretvara u električnu. Prvi galvanski članak konstruirao je 1800. Alessandro Volta na temelju opažanja Luigija Galvanija o električnim pojavama pri dodiru metala i tkiva (žabljih krakova). Galvanski članak sastoji se od dviju elektroda od različitih metalnih vodiča, koje su u dodiru s elektrolitom, te od depolarizatora kojim se sprječava ili odgađa polarizacija (nepoželjna kemijska promjena na elektrodama). Pojedine su se vrste galvanskih članaka nazivale prema izumiteljima, a najznačajniji su u 19. stoljeću bili Voltin, Daniellov, te osobito Leclanchéov članak, od kojega su se razvili suvremeni članci, obično proizvedeni kao slogovi nazvani električnim baterijama. [2]
Ako dvije ploče različitih metala velike čistoće, na primjer cink za negativnu ploču i bakar, platina ili ugljen za pozitivnu ploču, uronimo u razrijeđenu sumpornu kiselinu (elektrolit), a za međusobno spajanje gornjeg dijela ploča koristimo električni vodič, izmedju ploča će poteći istosmjerna struja. Pločice metala se ne smiju dodirivati. Kao nusproizvod kemijske reakcije, na ploči bakra će se pojaviti vodik u obliku mjehurića, a cinkova ploča će se trošiti. Tok struje biti će s bakrene ploče (anoda), prema ploči cinka (katoda) kroz električni vodič i s cinka prema bakru kroz razrijeđenu sumpornu kiselinu. Ako prekinemo tok struje kroz vodič (prekinemo strujni krug), struja na člancima prestaje teći, ali se odmah i obnavlja ako strujni krug ponovo zatvorimo. Napon je prisutan i kada je strujni krug otvoren. Struju i napon mozemo mjeriti tako da prije opisani strujni krug prekinemo i paralelno s pločama spojimo voltmetar i ampermetar. Na ampermetru ćemo primjetiti da tokom kemijske reakcije struja pada. To se dogadja zbog sve veće količine mjehurića vodika na bakrenoj ploči. Ako mjehuriće skinemo s ploče pomoću staklenog štapića, koji je otporan na kiselinu, a i izolator je, struja će opet narasti. Mjehurići vodika odvajaju bakrenu ploču od sumporne kiseline i smanjuju površinu dodira izmedju njih. Ako koristimo različite kombinacije metala ili elektrolita, primjetiti ćemo da se na pločama generiraju različiti naponi i povećava ili smanjuje trajnost galvanskog članka. Od takvih rudimentalnih članaka, razvila se se moderna baterija. Prva je baterija izrađena u laboratoriju u Univerzitetu u Paviji, Italija, koji je vodio Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta (Alessandro Volta). Poznata je kao voltin niz (stup ili efekt).
Voltin članak (1800.) sastoji se od dviju elektroda načinjenih od različitih metala (prvotno srebro i cink, poslije bakar i cink) uronjenih u razrijeđenu sumpornu kiselinu. Njegov je napon oko 1,1 V. Nedostatak mu je razmjerno brza oksidacija elektroda, a time i smanjenje napona i jakosti struje.
Daniellov članak (1835.) bio je sličan Voltinu, ali elektrode nisu bile u istom elektrolitu (bakrena u otopini bakrova sulfata, cinkova u otopini cinkova sulfata ili u sumpornoj kiselini), a elektroliti odijeljeni poroznom membranom. Time je smanjena oksidacija elektroda i produženo trajanje članka. Zato je Daniellov članak bio prvi uporabljivi trajni izvor galvanske struje, pa se u polovini 19. stoljeća rabio za lučnu rasvjetu i električni telegraf.
Zn(s)+ CuSO4(aq) → ZnSO4(aq) + Cu(s)
Ionska jednakost se može napisati kao:
- Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu
Očito je da cink oksidira ili otpušta elektrone:
- Zn → Zn2+ + 2 e-
Za to vrijeme bakar reducira ili prima elektrone:
- Cu2+ + 2 e- → Cu
Daljnja poboljšanja (viši napon, manji otpor, a time jača struja, dulje trajanje, jednostavnije održavanje, niža cijena) patentirana su pod nazivima Krügerov, Meidingerov, Callaudov, Groveov, Bunsenov, Leclanchéov, Poggendorffov članak i drugi. Takvi članci s tekućim elektrolitima rabili su se osobito na željeznici i u poštama za napajanje telegrafa, telefona i signalnih uređaja do prvih desetljeća 20. stoljeća, kada su ih sve, izuzev inačica Leclanchéova članka, postupno zamijenili akumulatori i ispravljači.
Georges Leclanché je izumio Leclanchéov članak (1868.), koji je imao kao pozitivnu elektrodu ugljen u vrećici s manganovim dioksidom kao depolarizatorom, negativnu elektrodu od cinka, a kao elektrolit otopinu amonijeva klorida. Uporabom elektrolita u obliku paste, te cinčane posude kao negativne elektrode nastao je suhi Leclanchéov članak, napona 1,5 V, vrlo prikladan za uporabu. Inačice toga članka i danas se rabe za napajanje prijenosnih svjetiljki, radijskih prijamnika, fotoaparata i drugih elektroničkih uređaja. Naponi njihovih baterija višekratnici su napona od 1,5 V (na primjer 3 V, 4,5 V, 9 V).
Edward Weston je napravio Westonov članak (1893.), koji ima, uz određene uvjete, vrlo točan i stalan napon, pa služi kao naponska norma (etalon) i naziva se normalnim člankom. Pozitivna je elektroda živa prekrivena živinim sulfatom kao depolarizatorom, negativna je elektroda kadmijev amalgam prekriven kadmijevim sulfatom, elektrolit je vodena otopina kadmijeva sulfata, a spoj s elektrodama ostvaren je utaljenim platinskim žicama. Westonov članak sa zasićenim elektrolitom ima, uz temperaturu od 20 °C i male struje, stalan napon od 1,01862 V, s odstupanjem između pojedinih članaka od samo oko 30 μV.
Srebrnooksidni članak suvremena je inačica Leclanchéova članka, samo je pozitivna elektroda od srebrnog oksida, a elektrolit je kalijeva ili natrijeva lužina. Napon mu je 1,55 V, uz dugo trajanje. Izrađuje se obično u obliku niskih valjaka (odakle mu razgovorni naziv gumb-baterija) pa se rabi za napajanje manjih uređaja (ručni satovi, kalkulatori i sl.).
Litijski članak suvremeni je, dugotrajni galvanski članak. Pozitivna elektroda može biti oksid mangana, bakra ili kroma, srebrni kromat, tionil-klorid, litijev jodid, metalni sulfidi i drugo, negativna je elektroda od litija, a elektrolit treba biti bezvodan, na primjer sumporov dioksid u acetonitrilu. Naponi su litijskih članaka od 1,5 do 3,7 V, članci mogu davati prilično jake struje, trajnost im je i do deset godina, ali su skupi. Rabe se za dugotrajno i pouzdano napajanje prijenosnih elektroničkih uređaja kao što su srčani stimulatori i sigurnosni uređaji. Litijski članak valja razlikovati od litijsko-ionskih baterija i litijsko-sumpornih članaka, koji služe kao sekundarni električni članci (akumulator).
- ↑ David Ames Wells, The science of common things: a familiar explanation of the first principles of physical science. For schools, families, and young students., Publisher Ivison, Phinney, Blakeman, 1859, 323 pages (page 290)
- ↑ galvanski članak, [1] "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2015.