Первинні хімічні джерела струму

Первинні джерела струму Принципи роботи гальванічних елементів Фізичне пояснення струмовиникнення як результату дії контактної різниці потенціалів сходить до часу А. Вольта. Своїми дослідами він встановив зв'язок між виникають електричним ефектом і використовуваним матеріалом. Пізніше дослідники показали еквівалентність різних видів енергії, що дозволило надати універсальний характер законом збереження енергії. З точки зору цього закону в елементі відбувається перетворення енергії з одного її виду (хімічної) в іншій – електричний. Більш детально це перетворення може бути описано за допомогою термодинаміки, один із постулатів якої наступним чином розкриває зміст закону збереження енергії стосовно до розглянутого випадку. Здійснення роботи по переносу заряду через замкнуту ланцюг вимагає зміна внутрішньої енергії або (і) підведення теплової енергії ззовні. Таким чином, робота з перенесення заряду через ланцюг, що складається з елемента, сполучних проводів і навантаження, може відбуватися тільки за рахунок зміни внутрішньої енергії. Це зміна і дозволяє зробити роботу з перенесення зарядів. З точки зору хімії в елементі відбувається розчинення , тобто окислення матеріалу одного з електродів і відновлення (відкладення шару) іншого. При цьому з матеріалу яка розчиняється електрода в електроліт переходять іони металу, що відносить позитивний заряд. Надлишок залишаються електронів призводить до того, що по відношенню до електроліту метал виявляється негативно зарядженим. У відповідність з законом Кулона процесу поділу починає перешкоджати електричне поле, що збирає в основному електричні заряди на межі розділу електроліту і електрода. Така ланцюг має здатність здійснювати роботу, тобто володіє потенціалом і називається електродним. Електродний потенціал характеризує здатність металевого електрода віддавати іони в електроліт і тому є постійним. Це пояснює складений Вольтою ряд металів з різними гальванічними ефектами. Електродний потенціал конкретного металу залежить від співвідношення концентрацій для даного матеріалу електрода, що виникають при токообразующей реакції, іонних утворень, а також від їх валентності. Т. о., результуючий електродний потенціал може бути представлений у вигляді суми двох потенціалів – постійного і концентраційного. Спільна дія обох електродів призводить до того, що між ними виникає ЕРС, що дорівнює різниці потенціалів.                                                                                         ε = φ+- φ־ де φ+ - потенціал позитивного електрода, φ־ - потенціал негативного електрода. Остання формула дає зрозуміти, чому електроди повинні бути виконані з різних матеріалів – тільки таке поєднання дає ненульову ЕРС. Зі сказаного вище можна зробити висновок від конкретного виду і особливостей протікання токообразующей реакції (теплового ефекту, валентності, концентрації тощо) залежить ЕРС елемента.   Таблиця основних електрохімічних систем батарейок   Елементи ХІТ   НРЦ/Робоча напруга, В Кінцева напруга розряду, Діапазон робочих температур, С Особливості експлуатації Питома енергія вагова Втч/кг об'ємна Втч/дм3 Збереження, роки
Марганцево-цинкові з сольовим електролітом 1,5/1,2 0,7-1,0 -20- +60 Економічний при малих навантаженнях в переривистому режимі   80-150    /  180-250                               1-3
Марганцево-цинкові з лужним електролітом 1,5/1,25 0,7-1,0 -20- +60 Гарна працездатність при великих струмах і безперервної навантаженні   100-200  /  200-350                               3-7
Срібно-цинкові 1,6/1,5 0,9-1,3 -20- +40 Високу і стабільну напругу   100-130  /  450-500                               3-5
Повітряно-цинкові 1,4/1,2 0,9 0- +40 Стабільне робоче напруга 150-350  / до 800  1-2
Літій-діоксид марганцю 3,5/3,0 2,0 -20- +55 Гарна працездатність при малих і імпульсних струмах до 250  / 500 до 10
Літій-оксид міді 1,6/1,2-1,5 0,9-1,0 -10- +70 Стабільне робоче напруга      300    /    600 до 10
Літій-тионилхлорид 3,67/3,3-3,5 2,2 -60- +70 Стабільне робоче напруга при малих і імпульсних струмах до 600  / до1100 до 10
У таблиці не зазначені елементи ртутно-цинкової системи, так як вони практично використовуються через токсичність ртуті, а також елементи деяких літієвих груп з-за специфічного застосування в медицині і космосі.