Galvanické články - fyzikální základy

Obsah >>>        

V roce 1800 se začala psát nová historie elektřiny - Alessandro Volta sestrojil galvanický článek, první stálý zdroj elektrického proudu. Funkce galvanického článku spočívá v přeměně chemické energie na elektrickou energii. Galvanické články se dělí na primární a sekundární (akumulátory).

Primární články nám poskytují velmi drahou energii, protože jsou jen "na jedno použití". Po vybití se stávají nebezpečným odpadem, který je značnou zátěží pro životní prostředí. Výhodnější jsou proto sekundární články - akumulátory, které se mohou mnohokrát opakovaně vybíjet a nabíjet.
 


Primární články
Nejjednodušší galvanický článek se skládá z elektrolytu a dvou elektrod. Elektrolytem je zředěná kyselina sírová, kladná elektroda je z mědi a záporná elektroda je zinková. Molekuly vody rozrušují vazbu atomů v molekulách kyseliny, které se rozštěpí na kladné a záporné ionty. Tomuto jevu se říká disociace.

ČlánekPonořením elektrod do elektrolytu se zinková elektroda začne rozpouštět a do elektrolytu se dostávají kladné ionty zinku. V elektrodě zůstanou volné elektrony a proto se zinková elektroda nabíjí záporně. Měď se v roztoku kyseliny rozpouští méně než zinek a proto je "méně záporná" než zinková elektroda - je vůči ní kladná. Mezi oběma elektrodami se objeví napětí o velikosti 1,05 V.

Jestliže připojíme k elektrodám spotřebič (např. žárovku), přecházejí nadbytečné elektrony ze zinkové elektrody přes spotřebič k měděné elektrodě a část jejich energie se ve spotřebiči mění například na světlo nebo teplo. Obvodem začne procházet elektrický proud: ve vnějším obvodu je způsoben pohybem volných elektronů v kovových vodičích, v elektrolytu pohybem kladných a záporných iontů. Na elektrodách přitom dochází k chemickým reakcím a jejich zplodiny by brzy pokryly povrch elektrod a článek by se brzy znehodnotil. Tento nepříznivý jev se odstraňuje depolarizátorem, který zabraňuje usazování zplodin na elektrodách.

Nejpoužívanější jsou tzv. suché články Leclanchéovy - kladnou elektrodou je uhlíková tyčinka, zápornou je zinkový kalíšek, elektrolytem je pasta chloridu amonného a depolarizátorem směs oxidu manganičitého a grafitu. Napětí mezi elektrodami je 1,5 V. Výkonnější, ale dražší jsou články alkalické nebo rtuťové. Potřebujeme-li větší napětí, spojujeme jednotlivé články sériově a vytvoříme z nich baterii článků, například běžná plochá baterie s napětím 4,5 V je tvořena třemi sériově zapojenými články (4,5 V = 3 x 1,5 V).
Baterie

Použití primárních článků je velmi široké, například v kapesních svítilnách, malých rozhlasových přijímačích, hračkách, magnetofonech, hodinkách atd.
 

Akumulátory
První akumulátor s olověnými elektrodami navrhnul roku 1859 francouzský chemik Planté, po dalším vývoji a zdokonalení se tento typ akumulátorů začal používat od roku 1868. V roce 1899 vyvinul Junger akumulátor s niklovou a kadmiovou elektrodou, který dnes známe pod označením NiCd. Po dvou letech přišel Edison s patentem na akumulátor s niklovou a železnou elektrodou, tzv. NiFe akumulátor. Tento typ elektrochemických článků shromažďuje - akumuluje - elektrickou energii tak, že se nejprve musí nabít. Při nabíjení (obrázek vlevo) dodáváme elektrickou energii, která se probíhajícími reakcemi mezi elektrolytem a elektrodami mění na energii chemickou. Při vybíjení (ukaž myší na AKUMULÁTOR) se chemická energie mění opět na elektrickou, která napájí nějaký spotřebič. Cyklus nabíjení a vybíjení akumulátoru se může mnohokrát opakovat.

Nejstarším a dodnes nejpoužívanějším typem je akumulátor olověný s napětím 1,85 - 2,1 V (elektrody jsou z olova, elektrolytem je zředěná kyselina sírová). Stav akumulátoru se zjišťuje měřením hustoty elektrolytu nebo svorkového napětí při zatížení. Olověný akumulátor je náročný na údržbu a musí se udržovat v nabitém stavu. Při nízkých teplotách klesá jeho kapacita, například při teplotě -20°C se zmenší jeho kapacita na pouhou čtvrtinu.

Použití akumulátorů je velmi široké: od automobilů přes elektrické vozíky až po svítilny, hračky nebo mobilní telefony. Nejpoužívanějšími jsou akumulátory olověné, nikloželezové (NiFe), niklokadmiové (NiCd), stříbrokadmiové, stříbrozinkové.

- AKUMULÁTOR -
animace (ukaž myší)
Akumulátor



Základní pojmy
  • Kapacita článku - součin vybíjecího proudu a celkové doby vybíjení, udává se v ampérhodinách (Ah). Například kapacita automobilového akumulátoru 40 Ah znamená, že akumulátor se může proudem 1 A vybíjet po dobu 20 h, proudem 2 A se může vybíjet 10 h atd.
  • Elektromotorické napětí - napětí nezatíženého článku, tj. článku, ke kterému není připojený žádný spotřebič
  • Vnitřní odpor - odpor vnitřních vodivých částí galvanického článku (elektrody, elektrolyt), vnitřní odpor článku se při odběru proudu postupně zvětšuje, článek se vybíjí
  • Svorkové napětí - napětí zatíženého článku, je vždy menší než elektromotorické napětí. Rozdíl mezi svorkovým a elektromotorickým napětím je tím větší, čím větší je odebíraný proud a čím větší je vnitřní odpor (tj. čím vyčerpanější je článek)
  • Zapojení článků - při sériovém zapojení (obrázek vlevo) je celkové napětí součtem napětí jednotlivých článků, ale vnitřní odpor baterie je větší. Paralelní zapojení (obrázek vpravo) se používá v případě, že je třeba větší odběr proudu ze zdroje - při paralelním zapojení je menší vnitřní odpor zdroje.
SériovéParalelní