Voltacell alapvető szerkezete és működése

Egy egyszerű voltaikus elem készíthető úgy, hogy egy cink és egy réz lemez beleteszik egy vízzel kevert szulfirsavos megoldásba. Ahogy a rajzon látható, ha a réz és a cink lemezt külsőleg egy elektromos terhelésre kötjük, akkor egy elektromos áram kezd áramlani a réz lemezről a cink lemez felé a terhelésen keresztül. Ez azt jelenti, hogy valamilyen elektromos potenciálkülönbség alakul ki a réz és a cink lemez között. Mivel az áram a rézről a cink felé folyik, nyilvánvaló, hogy a réz lemez pozitívan töltödik, míg a cink lemez negatívan.

Voltaikus elem működése

A voltaikus elem működési elve azon alapszik, hogy amikor két különböző fémek beleteszik egy elektrolít megoldásba, a reaktívabb fém tendenciája van, hogy pozitív fémi ionokként oldódjon fel az elektrolítben, elektronokat hagyva maga mögött a fémlemezen. Ez a jelenség a reaktívabb fémlemezt negatívan tölti.

A kevésbé reaktív fém vonzza a megoldásban lévő pozitív ionokat, és így ezek a pozitív ionok kerülnek a lemezre, ami pozitívan tölti a lemezt. Ebben az esetben, a simple voltaikus elem esetén, a cink pozitív ionként jelenik meg a szulfirsavos megoldásban, majd reagál a megoldásban lévő negatív SO4 − − ionnal, és cinkszulfát (ZnSO4) formájában jön létre. Mivel a réz kevésbé reaktív fém, a szulfirsav megoldásban lévő pozitív hidrogénionok tendenciája van, hogy a rézlemezre kerüljenek. A megoldásban lévő cinkionok növekedése azt jelenti, hogy a cinklemezen maradó elektronok száma is növekszik. Ezek az elektronok áthaladják a cink és a réz lemez között kapcsolt külső vezetőt.

Amikor a réz lemezre érkeznek, ezek az elektronok kombinálnak a lemezre került hidrogénatomokkal, és semleges hidrogénatomokat hoznak létre. Ezek a atomok párokban kombinálnak, és hidrogéngáz molekuláit hozzák létre, amely végül buborék formájában emelkedik a rézlemez mentén. A voltaikus elemen belül történő kémiai reakció a következő,

Ugyanakkor ez a reakció abban az esetben áll meg, amikor a Zn és a vízzel kevert szulfirsav közötti kontaktpotenciál 0,62 volt értékre éri. A voltaikus elem működése során a cinklemez a megoldás melletti réteggel képzett kontaktpontban alacsonyabb potenciálú, ahogy a rajzon is látható.

Hasonlóképpen, amikor a rézlemezet hozzákötik az elektrolít, akkor a megoldásban lévő pozitív hidrogénionok tendenciája van, hogy a rézlemezre kerüljenek, amíg a potenciála nem növekszik 0,46 V-ra a megoldással szemben. Így a elektromos potenciálkülönbség, amely a voltaikus elemen belül kialakul, 0,62 − (− 0,46) = 1,08 volt.

Egy egyszerű voltaikus elem esetén két fő hátrány található, amelyeket polarizációnak és helyi hatásnak nevezünk.

Voltaikus elem polarizációja

Megfigyelhető, hogy ebben a cellában az áram lassan csökken, és a működés bizonyos ideje után az áram teljesen megszűnhet. Ez az áramcsökkenés a hidrogén lefektetésének a rézlemezre köszönhető. Bár a hidrogén buborék formájában kerül ki a cellából, mégis egy vékony réteget alkot a lemez felületén. Ez a réteg elektromos izolációt jelent, ami növeli a cella belső ellenállását. Ez a hordozó réteg miatt további hidrogénionok nem tudnak elektronokat fogadni a rézlemezről, és ion formában kerülnek a lemezre. Ez a pozitív hidrogénionok rétege a rézlemezre gyakorol repedő erőt, ami a más hidrogénionokat, amik a rézlemez felé haladnak. Így az áram csökken. Ez a jelenség a polarizációnak nevezik.

Voltaikus elem helyi hatása

Megfigyelhető, hogy még akkor is, amikor a voltaikus elem nem ad áramot, a cink folyamatosan oldódik az elektrolítben. Ez azért van, mert a kereskedelmi cinkben lévő vas és ólom nyomanyagok apró helyi cellákat formálnak, amelyeket a cink nagyobb része átkapcsol. Ezek a paraszt cellák működése nem ellenőrizhető, ezért a cink vesztesége keletkezik. Ez a jelenség helyi hatásnak nevezik.

Kijelentés: Tiszteletben tartsuk az eredeti, jó cikkeket, amiket megér a megosztás, ha sértést okoz, kérjük, vegye fel a kapcsolatot a törléséhez.