13-1 Galvanické články

13-1 Galvanické články; 13-2 Elektrický odpor; 13-3 Elektrické obvody; 13-4 Sériové zapojenie ; 13-5 Paralelné zapojenie; 13-6 Elektrický výkon a energia;

Úlohy

13-1 Galvanické články

Ak nabitý vodič, napríklad vodič s kladným elektrickým nábojom, spojíme pomocou kovového drôtu so zemou, alebo s iným vodičom, na ktorom je záporný náboj (obrázok 13.1), potom vodič stratí svoj náboj. Inými slovami sa vybije. Počas toho cez drôt na okamih prúdia elektróny. Trvanie takého elektrického vybitia je veľmi krátke, aby sme ho mohli dôkladnejšie študovať. Je žiadúce vytvorenie takého zariadenia, ktoré je pre nás schopné zabezpečiť trvalý prúd. Takúto možnosť nám dáva galvanický článok, objavený talianskym fyzikom Alessandrom Voltom¹. Najjednoduchší galvanický článok je tvorený dvomi platňami alebo tyčami z odlišného materiálu, ktoré sú ponorené do vodivého roztoku. Napríklad uhlík a zinok (tieto odlišné materiály sú tzv. elektródy) ponorené do zriedenej kyseliny siričitej. Takýto jednoduchý galvanický článok je zobrazený na obrázku 13.1b.

Aby sme procesy v galvanickom článku mohli študovať podrobnejšie, musíme vstúpiť na domácu pôdu chémie. Získame tým niekoľko základných poznatkov a čistý obraz o dejoch, pri ktorých chemická energia sa premieňa na elektrickú. Jedným zo základných pojmov je ionizácia. Ion je atóm, alebo skupina atómov, ktoré majú prebytok alebo nedostatok elektrónov. Navonok sa potom javia ako elektricky záporne alebo kladne nabité. Skupina látok – soli, kyseliny, lúhy – sa po rozpustení vo vode ionizujú. Molekuly týchto látok sa po rozpustení rozdelia na dve alebo viac častí, ktoré sa nepodelia o svoje elektróny rovným dielom. Z elektricky neutrálnej molekuly vzniknú dve či viac elektricky nabitých zlomkových častí.

Roztoky, v ktorých sú voľne pohyblivé ióny s elektrickým nábojom, sú schopné viesť elektrický prúd. Takéto roztoky nazývame elektrolyty. Vyššie spomenutý galvanický článok je tvorený uhlíkovou a zinkovou tyčou ponorenými do zriedenej kyseliny siričitej. Vzorec kyseliny siričitej je $H_{2} {SO}_{4}$ a znamená, že každá molekula kyseliny siričitej pozostáva z 2 atómov vodíka, z 1 atómu síry a zo 4 atómov kyslíka. Keď sa kyselina siričitá rozpustí vo vode, atómy vodíka sa odštiepia od molekuly, ale každý z atómov vodíka zanechá svoj vlastný elektrón na zbytku kyseliny. Vznikajú takto tri ióny. Z oboch vodíkov chýbajú elektróny, budú mať kladný prebytkový náboj; zbytok ${SO}_{4}$ (nazývaný sulfátový radikál²) má však dva elektróny naviac, a bude preto dvojnásobným záporným iónom. Celý ionizačný proces môžeme zapísať nasledovne

H_{2} {SO}_{4} \to H^{+} + H^{+} + {SO}_{4}^{- -} .

Kovový zinok sa vo vode nerozpúšťa, ale pokiaľ ho ponoríme do roztoku kyseliny, z niektorých atómov zinku sa stane ión zinku, ktorý je už rozpustný. Atómy zinku sa ionizujú, ako väčšina kovov, odovzdaním niekoľkých svojich elektrónov. Každý jeden atóm zinku, ktorý sa oddelí od kovovej tyče a dostane sa do zriedenej kyseliny, zanechá za sebou dva elektróny. Vzniká tak kladný ión zinku s dvojnásobným nábojom

Zn \to {Zn}^{+ +} + e^{-} + e^{-} .

Pozrime sa poriadne na obrázok 13.1b, kde vidíme galvanický článok, a to, že ako vzniká elektrický prúd ak zinkovú a uhlíkovú elektródu prepojíme vodičom.

Ión ${Zn}^{+ +}$ prejde do roztoku a zanechá za sebou tyč s dvomi nadbytočnými elektrónmi.
Elektrolyt musí zostať elektricky neutrálny: ión ${Zn}^{+ +}$ sa spojí s iónom ${SO}_{4}^{- -} .$
Nadbytočná dvojica iónov $H^{+}$ odoberie z uhlíkovej tyče dva elektróny a vzniknú tak dva elektricky neutrálne atómy vodíka (tie sa v elektrolyte nerozpúšťajú: odchádza z roztoku v podobe neutrálnych bublín vodíkového plynu). Elektrolyt je neutrálny.
Uhlíková tyč nahrádza ukradnutú dvojicu elektrónov z prebytku elektrónov zinkovej tyče. Deje sa to pomocou vodivého drôtu, ktorý prepája zinkovú a uhlíkovú tyč.

Celý proces sa opakuje za jedinú sekundu mnoho miliónkrát, alebo miliard krát. Výsledkom je, že cez vodič spájajúci elektródy tečie stály prúd elektrónov.

Do rôznych elektrolytov môžeme ponoriť rôzne vodivé materiály. Väčšina rôznych galvanických článkov premieňa chemickú energiu na elektrickú práve popísaným spôsobom. Takto vyrobené rôzne galvanické články spotrebujú výrazne odlišné množstvo chemickej energie na vytvorenie jedného coulombu elektrického náboja. Neskôr to vyjadríme tak, že „tieto galvanické články majú odlišné napätia“. „Napätie“ aj tu znamená práve množstvo energie v jouloch pripadajúce na jeden coulomb elektrického náboja.

¹Alessandro Volta (1745-1827)

²radikálom sa nazýva časť zlúčeniny, ktorá má nespárované elektróny (nadbytok elektrónov);

13-2 Elektrický odpor