Файл: Стручков В.В. Вопросы современной физики пособие для учителей.pdf

чении сопротивления. Точно так же, если электроды несколько вынуть из раствора, уменьшив этим сечение проводника, то сила тока уменьшится.

На первый взгляд утверждение о том, что на внутреннем сопротивлении источника э.д.с. происходит падение потенциала, т. е. что и по внутреннему сопротивлению положительные заряды перемещаются от большего потенциала к меньшему, кажется про­ тиворечащим утверждению о том, что внутри источника э.д.с. ток идет от «минуса» источника к его «плюсу». На самом деле про­ тиворечия здесь нет. Например, при опускании медного и цин­ кового электродов в раствор медного купороса (элемент Вольты) положительные ионы цинка под действием сторонней силы перехо­ дят из металла в раствор. Потенциал цинкового электрода при этом становится отрицательным относительно раствора. Этот про­ цесс идет вопреки электростатическому взаимодействию: отрица-' тельный потенциал цинка (избыток электронов в нем) препятст­ вует уходу положительных зарядов с цинка вследствие электроста­ тического притяжения разноименных зарядов. В результате одно­ временного действия противоборствующих факторов — сторонней силы и электростатического притяжения •— растворение цинка при незамкнутых электродах происходит не до полного растворения всего электрода, а до некоторого предела, при котором электро­ статическая сила уравновесит стороннюю силу. При этом потен­ циал цинкового электрода достигнет некоторого предела, который называется электрохимическим потенциалом. Для цинка он равен <§і = —0,5 в. Это и есть скачок потенциала, обусловленный сто­ ронней силой.

На другом, медном электроде происходит противоположный процесс: под действием сторонних сил положительные ионы меди выделяются из раствора медного купороса на металлическом мед­ ном электроде. Это приводит к тому, что потенциал медного элект­ рода становится положительным относительно раствора. При не­ замкнутых электродах тоже установится некоторое предельное значение потенциала медного электрода относительно раствора — электрохимический потенциал меди. Он равен: < § 2 = '+0,6 в. Это скачок потенциала на втором электроде, обусловленный сторон­ ними силами. Арифметическая сумма этих скачков потенциала, равная модулю разности электрохимических потенциалов, и пред­ ставляет собой величину э.д.с. данного источника:

I <§| — I <§і|+І <§2І = 0,5в-)-0,6в= 1,1в.

Э.д.с. равна также (по модулю) абсолютной величине разности потенциалов электродов при незамкнутых электродах:

I <§ I= ІФ+ — Ф-І= I (0 ,6 в — ( — 0 ,5 e )) I= 1,1 в.

На этом и основан один из способов практического измерения э.д.с. как разности потенциалов на полюсах источника при р а - з ом к ну той внешней цепи.

207

рого и представляет собой внутреннее сопротивление источника.

При отсутствии тока потенциал раствора электролита постоянен, а потенциалы электродов отличаются от него на величины соответ­ ствующих электрохимических потенциалов. При замыкании цепи избыточные электроны по внешней цепи будут переходить с цин­ кового на медный электрод, что приведет к уменьшению модуля заряда и потенциала цинкового электрода и к уменьшению по­ ложительного заряда и потенциала медного электрода. Это в свою очередь ослабит электростатическое противодействие сто­ ронним силам, поэтому цинк начнет растворяться, а медь, jiaоборот, будет осаждаться из раствора. Такая «работа» источника приведет к появлению разности потенциалов на концах раствора около электродов: приход дополнительных положительных ионов цинка в раствор сделает потенциал «цинкового» конца раствора более положительным, чем при равновесии. Наоборот, выделе­ ние дополнительных ионов меди на медном электроде, т. е. уход дополнительных положительных ионов из раствора сделает потен­ циал «медного» конца раствора отрицательным по сравнению с его равновесным значением. Оба эти процесса приведут к возник­ новению разности потенциалов на концах раствора электролита. В результате положительные и отрицательные ионы раствора будут двигаться в противоположных направлениях, «с целью» уменьшить эту разность потенциалов. Ионный ток в растворе и замкнет цепь.

208

Следует обратить внимание на то, что часто применяемое выра­ жение «цепь электрического тока всегда замкнута» не следует по­ нимать так, что в этой цепи одни и те же заряды непрерывно циркулируют, возвращаясь каждый раз к исходной точке. Это могло бы иметь место при условии, что проводимость всех участ­ ков цепи создается носителями заряда одного типа, например электронами. В случае металлических сопротивлений потребителей энергии электростанций так оно и есть. Но в случае химических источников тока дело обстоит по-другому: во внешней цепи, обычно составленной из металлических проводников, носителями тока яв­ ляются электроны, а внутри химического источника — положи­ тельные и отрицательные ноны. Путь конкретного носителя тока оказывается незамкнутым: электроны движутся только по внешней цепи от отрицательного полюса источника к положительному по­ люсу, внутри же источника движутся ионы. Тем не менее замкну­ тыми остаются так называемые линии вектора плотности тока, ли­ нии, смысл которых тот же, что и силовых линий электрического поля: касательная к линии тока в ка'ждой точке имеет направление вектора плотности тока в этой точке. В замкнутой цепи элект­ рического тока замкнутыми оказываются именно ’линии вектора плотности тока: они действительно нигде не обрываются, а пред­ ставляют собой «кольцевой маршрут, по которому движение осу­ ществляется различными бегунами путем передачи эстафеты».

Внутри раствора электролита ток хотя и представляется иду­ щим от отрицательного полюса к положительному, но фактически он идет в направлении от большего потенциала-раствора к мень­ шему. Не следует смешивать потенциал металлического электрода с потенциалом раствора около этого электрода — они отличаются на величину скачка потенциала — на электрохимический потен­ циал электрода.

Рассмотренные распределения потенциалов на электродах и в растворе электролита в случае неработающего и работающего химического источника тока приведены графически на рисунке 54. Скачки потенциала у электродов происходят в слое толщиной по­ рядка ІО“5 см (так называемый двойной электрический слой), ко­ торую представить на графике с соблюдением пространственных масштабов трудно. На рисунке 54,6 величина ср' — ф" представ­ ляет собой внутреннее падение потенциала внутри источника тока, т. е. внутри раствора. Видно также, что разность потенциалов полюсов источника ср+ — ср_ при замк­ нутой цепи меньше э-.д.с. (суммы <§ і

II |(§2!) как раз на величину внут­ реннего падения потенциала.

В заключение покажем на кон­ кретном примере, как следует поль­ зоваться на практике законом Ома для замкнутой цепи. Найдем ток в

= 2 в, j <g2| = 6 в, ) (§з| — 3 в, сопротивления R ] = 3 ом, Rz = 2 ом представляют собой сопротивление всей цепи.

Для применения закона Ома нужно установить знаки э.д.с., ко­ торые зависят от направления обхода контура. Поэтому прежде всего выберем направление обхода контура. Его можно выбрать произвольно: по часовой стрелке или против часовой стрелки.

Впервом случае получаем:

,—2в+6в— Зв

— 50м ’

/ = -]-0,2а.

Во втором случае знак каждой из э.д.с. изменяется на проти­ воположный по сравнению с первым случаем, и для тока полу­ чим отрицательное значение:

. -(-2 в — 6e-j-3e

=ЪОАІ

/ = —0,2а.

При расчете электрических цепей отрицательная величина тока означает, что в действительности ток течет в направлении, проти­ воположном выбранному обходу контура, положительное значение

то же: ток в нашем контуре в действительности течет по часовой стрелке.

Представляет интерес также вопрос о балансе энергии в галь­ ванических элементах. С энергетической точки зрения химические источники тока — это устройства, непосредственно превращающие энергию, выделяемую при химических реакциях, в энергию электри­ ческого тока.

Вэлементе происходит эндотермическая реакция, т. е. реакция

свыделением тепла. Это тепло и превращается в энергию электри­ ческого тока.

Рассмотрим конкретный пример — элемент Даниэля, т. е. цин­ ковую пластинку, опущенную в раствор сульфата цинка (ZnS04), содержащий ионы цинка, и медную пластинку, опущенную в раст­ вор медного купороса (CuS04), содержащий ноны меди; растворы разделены пористой перегородкой. Непосредственные измерения дают, что э.д.с. элемента Даниэля равна 1,1 в. Рассчитаем э.д.с., исходя из следующих так называемых термохимических измере­ ний: при растворении цинка выделяется количество тепла Qі = = 4,55-ІО8 дж]кмоль, выделение меди из раствора на медном электроде, наоборот, сопровождается поглощением количества теп­ лоты, равного Q2 = —2,33 • 108 дж/кмоль.

Следовательно, выделение киломоля меди на электроде в итоге сопровождается выделением количества теплоты: Q = Qt -{- Q2 = = 2,22ІО8 дж/кмоль.

210