История открытия гальванического элемента

Первые химические источники тока, очень несовершенные по сегодняшним меркам, позволили обнаружить явление движения электрических зарядов – электрический ток (понятие, до этого не существовавшее), заложить основы электродинамики и электромагнетизма и позже теоретической и прикладной электротехники, что привело во второй половине XIX века к созданию принципиально нового источника электрической энергии – электромагнитного генератора. Перестав с этого момента быть единственными источниками электрической энергии, химические источники тока стали в основном использоваться в средствах связи, а в дальнейшем – в автомобильном транспорте. Принципиально не изменившись в течение 200 лет, химические источники тока сейчас переживают «вторую молодость» в связи с бурным развитием авиационной и ракетно-космической техники, электронной аппаратуры, в том числе бытовой.

Открытие гальванического электричества, его изучение, а затем и изучение электрического тока привело не только к принципиальным открытиям, но и к установлению самой природы электричества.

Из истории открытия

Итальянский физиолог и анатом, профессор медицины Болонского университета Луиджи Гальвани начал в 1780г. опыты с препарированными животными, используя при этом электростатическую машину и лейденскую банку. Чаще всего свои эксперименты он проводил с лягушками, что увековечено на мемориальной доске, установленной на доме ученого. Точно неизвестно, как именно Гальвани сделал свое открытие, сам он излагал разные версии разным людям Как бы то ни было, после 11 лет исследований Гальвани открыл явление сокращения мышц свежепрепарированной лягушки при прикосновении к ним стального скальпеля, если вблизи проскакивали искры от электростатической машины. Гальвани понял, что перед ним что-то новое и тщательно исследовал это явление.

Проведя серию экспериментов, он, исключив в результате своих опытов влияние электрической машины и атмосферного электричества, выяснил, что сокращения мышц становятся более сильными и длительными и происходят всегда, если препарированные конечности находятся в контакте с разнородными металлами. Например, латунный крючок пропущен через спинной мозг, а ноги лягушки касались серебряной чашки, или железная дощечка касалась конечностей, к которым прикасались медным крючком.

Исследования Гальвани – интересная иллюстрация его творческого метода. Он провел, по сути дела, все эксперименты, чтобы получить правильные выводы. Он показал, что для эффекта необходимы металлы, что при наличии тел, не являющихся проводниками электричества, никакого эффекта нет, наконец, он показал даже, что разные металлы дают разную степень эффекта. Но правильного вывода Гальвани не сумел сделать. Будучи врачом, а не физиком, он видел причину в так называемом «животном электричестве». Свою теорию Гальвани подтверждал ссылкой на известные случаи разрядов, которые способны производить некоторые живые существа, например «электрические рыбы».

Тем не менее, сделанное им открытие навсегда сохранило в науке его имя – до сих пор в названиях многих приборов и процессов используется термин гальванический (гальванический элемент, гальванометр, гальванопластика, гальваностегия и др. ).

Тем более велика заслуга соотечественника Гальвани – итальянского физика Алессандро Вольта, увидевшего в открытии Гальвани совершенно новое явление – создание потока электрических зарядов (по терминологии Вольта, электрических флюидов). Нет, утверждал Вольта, никакого «животного» электричества не существует. Роль источника электричества в опытах Гальвани А. Вольта приписал контакту двух разнородных металлов. Чтобы исключить физиологический объект, Вольта заменяет лапку лягушки электрометром и отмечает, что «все действие возникает первоначально вследствие прикосновения металлов к какому-либо влажному телу или самой воде При установлении непрерывного сообщения между соответствующими проводниками этот флюид совершает постоянный круговорот». Из этих слов видно, что Вольта правильно понял механизм разделения электрических зарядов, основанный на растворении металлов и переходе в электролит их ионов.

Более того, Вольта заметил, что движение зарядов тем сильнее, «чем дальше отстоят друг от друга примененные два металла в том ряду, в каком они поставлены здесь: цинк, оловянная фольга, обыкновенное олово в пластинках, свинец, железо, латунь и различного качества бронза, медь, платина, золото, серебро, ртуть, графит» (данное перечисление не что иное, как «ряд Вольты»).

Вольтов столб

Вольта брал две монеты – обязательно из разных металлов и клал их себе в рот – одну на язык, другую – под язык. Если после этого Вольта соединял монеты проволочкой, он чувствовал солоноватый вкус, тот самый, но гораздо слабее, что мы можем почувствовать, лизнув одновременно оба контакта батарейки. Из опытов, проведенных раньше, Вольта знал, что такой вкус вызывается электричеством.

Наконец в конце 1799г Вольта создает свой знаменитый источник постоянного электрического тока: « я взял несколько дюжин круглых медных пластинок, а еще лучше, серебряных, диаметром примерно в один дюйм, и такое же количество оловянных или лучше цинковых пластинок. Затем из пористого материала, который может впитывать и удерживать много влаги, я вырезал достаточное число кружков. Все эти пластинки я расположил таким образом, что металлы накладывались друг на друга всегда в одном и том же порядке и что каждая пара пластинок отделялась от следующей влажным кружком из картона». Свой генератор электрического тока или первый химический источник электричества, Вольта назвал «электрическим органом», современники – вольтовым столбом, а позднее такое устройство назвали батареей гальванических элементов.

20 марта 1800 года Вольта сообщил о своих исследованиях Лондонскому королевскому обществу. Можно считать, что с того дня источники постоянного электрического тока – Вольтов столб и батарея – стали известны многим физикам и нашли широкое применение.

Элемент Вольта и изобретенные позднее подобные ему источники тока были названы гальваническими элементами. Вольтов столб, как и все гальванические элементы, являлся химическим источником тока. Между жидкостью, пропитывающей прокладку, и металлами протекала химическая реакция, в результате которой происходило разделение заряженных электрическим зарядом частиц. Между полюсами источника тока образовывалось электрическое поле: если соединяли полюса проводником, в нем возникал электрический ток.

Современные гальванические элементы

Любой гальванический элемент состоит из двух электродов различной природы, помещенных в электролит. Электродами являются электронные проводники, электрически связанные с одним из выходов (полюсов) элемента и контактирующие с электролитом, а электролитом – желеобразные вещества, приобретающие в результате диссоциации ионную проводимость. На границе раздела между электродом и электролитом протекают окислительно-восстановительные электрохимические реакции, приводящие к пространственному разделению положительных и отрицательных зарядов.

Наши исследования

Для проведения исследований была выбрана эта тема, потому что в современном мире гальванический элемент применяется буквально во всех сферах нашей жизни, и занял прочное место среди необходимых нам предметов. Назовем лишь бытовое применение гальванического элемента (батарейки): настенные и наручные часы, фотоаппарат, электробритва, фонарик, транзистор, плейер, брелки, пульты управления, разнообразные игрушки и т. д.

Цель исследования

1. Экспериментально получить гальванический элемент из различных материалов в лабораторных условиях;

2. Создать Вольтов столб и определить зависимость характеристик тока от высоты столба, от рода применяемых металлов.

Ход исследования

Из дополнительной литературы по физике и из периодической печати мы узнали об истории создания гальванического элемента, о необходимых условиях возникновения электрического тока в таком устройстве.

По описаниям занимательных опытов мы поставили эксперименты с соленым огурцом, соленым помидором и лимоном. В качестве контактов мы брали железный гвоздь и медный провод.

Также по описаниям в литературе мы попытались создать Вольтов столб разной высоты, применяя для этого различные металлы и соляной раствор.

По ходу работы мы нашли описание гальванического элемента, полученного при помощи железного чайника, алюминиевого калориметра и соленой воды. Провели этот эксперимент, а заодно и эксперимент с калориметром, медной проволокой и соленой водой.

Данные экспериментов фиксировали с помощью гальванометра (А) с ценой деления с=4,2·10-5А/дел, гальванометра (V) с ценой деления с=1,3·10-3V/дел, амперметра с ценой деления 0,1А и вольтметра с ценой деления 0,2В, а также фиксировали физиологические ощущения, прикасаясь контактами к языку. Результаты обобщили в таблицах.

Опыт №1: В соленый огурец длиной 16см вставляли два контакта – железный гвоздь поперечным сечением 3мм и медный провод. Затем вместо медного провода вставляли второй такой же гвоздь.

Показания гальванометра Показания амперметра Показания вольтметра Физиологические ощущения

Железо-железо 1деление Не реагирует 0,1В Нет

Железо-медь 2 деления 0,01А 0,2В Нет

Опыт №2: Аналогичный опыт с соленым помидором, но гвоздь брали поперечным сечением 2мм.

Показания гальванометра Показания амперметра Показания вольтметра Физиологические ощущения

Железо-железо 1деление Не реагирует 0,1В Нет

Железо-медь 1,8 деления 0,01А 0,2В Нет

Опыт №3: Лимон средней величины, гвоздь поперечным сечением 2мм, медный провод.

Показания гальванометра Показания амперметра Показания вольтметра Физиологические ощущения

Железо-железо 0,5деления Не реагирует 0,05В Нет

Железо-медь 1,8 деления Не реагирует 0,1В Нет

Выводы: В ходе эксперимента мы показали, что соленые и кислые продукты при взаимодействии с некоторыми металлами могут стать источником тока. Причем при разнородных металлах показания всех приборов больше. Также заметили, что соленая среда является более проводимой, чем кислая. Но во всех случаях сила тока и напряжение чрезвычайно малы, физиологически не ощутимы. Поэтому соленые и кислые продукты не могут применяться в качестве гальванического элемента.

Опыт №4: Для опыта брали монеты достоинством 5 рублей 1998 года выпуска, алюминиевую фольгу, тонкий картон, пропитанный соляным раствором. Опыт проводили в два этапа, изменяя количество монет.

Число монет Показания гальванометра (А) Показания гальванометра (V) Показания амперметра Показания вольтметра Физиологичес-кие ощущения

11 3 деления 0,2 деления Не реагирует Стрелка дернулась Нет

53 Зашкаливает (более 5 1 деление Не реагирует 0,2В Слабый кисловатый вкус делений)

Опыт №5: Медные монеты достоинством 5 копеек 1961 года выпуска, алюминиевая фольга, тонкий картон, пропитанный соляным раствором.

Число монет Показания гальванометра (А) Показания гальванометра (V) Показания амперметра Показания вольтметра Физиологичес-кие ощущения

21 Зашкаливает (более 5 2 деления 0,1А 0,4В Слабый кисловатый вкус делений)

Опыт №6: Медные монеты (из опыта №5) и 5-рублевые монеты (из опыта №4), всего получилось 21 пара. Прокладка та же.

Число пар монетПоказания гальванометра (А) Показания гальванометра (V) Показания амперметра Показания вольтметра Физиологичес-кие ощущения

21 3 деления 1 деления Стрелка дернулась 0,1В Очень слабый кисловатый вкус

Выводы: Вольтов столб в наших опытах является более мощным источником тока, чем овощи. Чем больше высота столба, тем источник тока мощнее.

В ходе экспериментов выяснили, что конец столба, оканчивающийся монетой (опыты 4 и 5), имеет отрицательный (-) знак, а конец столба, оканчивающийся фольгой – положительный (+).

Дополнительные наблюдения: Через три дня после проведения опытов мы разобрали гальванические элементы, состоящие из монет и фольги, и обнаружили, что фольга подверглась очень сильной коррозии. В некоторых местах на монетах остались лишь маленькие (1-2мм) пятна серебристого налета. Монеты тоже изменили свой цвет и приобрели налет зеленовато-серого цвета.

Это говорит о том, что реакция между металлами проходила интенсивно и, при большем количестве монет можно создать гальванический элемент, вполне пригодный к применению.

Опыт №7: В железный чайник налили соленую воду и проводником соединили с прибором. Алюминиевый калориметр также соединили с прибором. Затем переливали воду из чайника в калориметр. При слабой струе приборы не реагировали, поэтому показания фиксировались при мощной струе воды.

Показания гальванометра (А) Показания гальванометра (V) Показания амперметра Показания вольтметра Физиологические ощущения

5 делений 2 деления Стрелка дернулась 0,5В Очень слабый кисловатый вкус

Опыт №8: Алюминиевый калориметр наполнен соленой водой и проводником соединен с прибором. В калориметр помещали медный зачищенный от изоляции провод примерно на 10-12см.

Показания гальванометра (А) Показания гальванометра (V) Показания амперметра Показания вольтметра Физиологические ощущения

5 делений 1 деления Стрелка дернулась 0,4В Очень слабый кисловатый вкус

В опытах №7 и №8 удалось установить полярность элементов. Алюминиевый калориметр имеет отрицательный (-) заряд, а железный чайник и медный провод – положительный (+).

Заключение

Нам удалось в лабораторных условиях получить гальванический элемент из различных подручных средств, имеющихся в наличии. Все гальванические элементы оказались недостаточно мощными, чтобы использовать их на практике. Лампочка на 3В не загорелась ни в одном случае.

Можно предположить, что при увеличении высоты Вольтова столба можно получить гальванический элемент достаточной мощности, чтобы использовать его при демонстрациях на уроках. В быту применение такого элемента крайне неудобно из-за неустойчивости конструкции и очень малого времени действия.