Galvanický článek

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Skočit na: Navigace, Hledání
Tento článek pojednává o zdroji elektrického napětí. Další významy jsou uvedeny v článku Článek (rozcestník).

Galvanický článek je chemický zdroj elektrického napětí.

schematické zobrazení galvanického článku CuSO4/Zn (v tomto případě se jedná o Daniellův článek)
Rozličné galvanické články

Elektromotorické napětí galvanického článku[editovat | editovat zdroj]

Elektromotorické napětí na galvanickém článku vzniká z rozdílu potenciálů na elektrodách, elektrické potenciály jsou důsledkem chemických reakcí mezi elektrodami a elektrolytem. Tyto reakce mohou být samovolné nebo vyvolané průchodem elektrického proudu (tedy elektrolýzou).

Matematicky: U = U_1 - U_2 za podmínky U_1 > U_2 , kde U1 je napětí 1. elektrody a U2 je napětí 2. elektrody

Galvanický článek v elektrickém obvodu[editovat | editovat zdroj]

Po zapojení článku do elektrického obvodu probíhají uvnitř článku reakce, kterými se postupně snižuje elektrická energie uložená v článku, článek se vybíjí. Tyto reakce mohou být nevratné - napětí článku se po vybití nedá obnovit (primární články) - nebo vratné - článek se dá znova nabít (sekundární články, též akumulátory).

Při průchodu elektrického proudu článkem se projeví vnitřní odpor článku. Vnitřní odpor Ri má za následek snížení napětí článku na svorkové napětí U:

U = U_e - R_i I , kde Ue je elektromotorické napětí, I je elektrický proud (při vyšším zatížení - vyšším proudu - se napětí článku sníží více).

Galvanický článek je zdroj stejnosměrného proudu s napětím do několika málo voltů.

Složení galvanických článků[editovat | editovat zdroj]

Při sestavování galvanického článku se pro elektrody a elektrolyty používají takové kombinace chemických látek, aby potenciál vznikající na elektrodách měl dostatečnou velikost a zároveň aby měl článek další požadované vlastnosti jako jsou např. trvanlivost nebo dostatečná kapacita.

Vhodnými a nejčastěji používanými látkami pro zápornou elektrodu jsou zinek, lithium, kadmium a hydridy různých kovů, pro kladnou elektrodu oxid manganičitý (MnO2, burel), oxid-hydroxid niklitý (NiO(OH)) a oxid stříbrný (Ag2O).

Jako elektrolyt se používají vodné roztoky alkalických hydroxidů (nejčastěji hydroxid draselný), silných kyselin nebo jejich solí. Kromě toho se používají také bezvodé elektrolyty, které obsahují vhodnou sůl rozpuštěnou v organickém rozpouštědle.

Případné další látky v galvanických článcích mají za úkol regulovat chemické reakce tak, aby se např. prodloužila životnost článku, snížila možnost úniku nebezpečných látek, ap.

Parametry galvanických článků[editovat | editovat zdroj]

  1. druh článku — primární – po vybití se nedá nabít nebo sekundární – akumulátor, dá se nabít
  2. elektromotorické napětí – velikost napětí mezi elektrodami nezatíženého článku
  3. kapacita – elektrická energie uložená v čerstvém / čerstvě nabitém článku
  4. měrná energie – podíl kapacity a hmotnosti článku
  5. hustota energie – podíl kapacity a objemu článku
  6. míra samovybíjení - u primárních článků určuje dobu skladovatelnosti
  7. elektrický výkon – množství energie, které je článek schopen dodat za jednotku času
  8. vnitřní odpor – velikost odporu článku při průchodu elektrického proudu
  9. nabíjecí proud a nabíjecí doba – pro sekundární články (akumulátory)
  10. účinnost – podíl vydané a dodané energie u akumulátorů
  11. počet cyklů nabití/vybití akumulátoru do konce životnosti
  12. cena – ovlivněna cenou materiálu (burel a zinek levnější, stříbro a lithium dražší)
Galvanické články s napětím 1,5 V

Přehled galvanických článků[editovat | editovat zdroj]

Ue = elektromotorické napětí
em = měrná energie (E/m, kde E je elektrická energie, m je hmotnost)
eV = hustota energie (E/V, kde E je elektrická energie, V je objem)
hodnoty em a ev platí pro čerstvý článek, při vybíjení se snižuje
+ kladná elektroda
− záporná elektroda
elektrolyt - vždy roztok uvedené látky

název článku elektrody elektrolyt Ue [V] em [kJ/kg] eV [MJ/m3] poznámka
primární články
Voltův článek +měď Cu
zinek Zn
kyselina sírová H2SO4 1  ?  ? historicky první zdroj stálého elektrického proudu (1800)
zinko-uhlíkový článek
(Leclancheův článek)
+oxid manganičitý MnO2
−zinek Zn
chlorid amonný NH4Cl 1,5 240 450 obyčejné baterie
alkalický článek +oxid manganičitý MnO2
−zinek Zn
hydroxid draselný KOH 1,5 280 900 kvalitní baterie
stříbro-oxidový článek
(zinko-stříbrný článek)
+oxid stříbrný Ag2O
−zinek Zn
hydroxid draselný KOH 1,5 440 1400 velmi kvalitní baterie
Bunsenův článek +kyselina dusičná HNO3
−zinek Zn
kyselina sírová H2SO4 1,9  ?  ? vyšší proudy
lithiový článek – nejčastější typ +oxid manganičitý MnO2
lithium Li
lithiová sůl (např LiAlCl4) v organickém rozpouštědle 3  ? 2100 dlouhá životnost
sekundární články
olověný akumulátor +oxid olovičitý PbO2
olovo Pb
kyselina sírová H2SO4 2 140 240 tvrdý zdroj
nikl-ocelový akumulátor (NiFe) +nikl Ni
železo Fe
hydroxid draselný KOH 1,2  ?  ? nízká účinnost
nikl-kadmiový akumulátor +oxid-hydroxid niklitý NiO(OH)
kadmium Cd
hydroxid draselný KOH 1,2 120 350 obyčejné dobíjecí baterie, jedovatý
nikl-metal hydridový akumulátor +oxid-hydroxid niklitý NiO(OH)
vodík vázaný v hydridu kovu (metal)[pozn 1]
hydroxid draselný KOH 1,2 280 720 kvalitní akumulátory, nejedovatý
lithium-iontový akumulátor – nejběžnější typ +oxid lithno-kobaltitý LiCoO2
lithium vázané v grafitu
lithiová sůl (např. LiPF6) + organické rozpouštědlo 3,6  ?  ? velmi vysoká kapacita
lithium-polymerový akumulátor + ??? − ???  ? 3,7  ?  ? velmi vysoká kapacita
nikl-zinkový akumulátor +oxid-hydroxid niklitý NiO(OH)
zinek Zn
 ? 1,6  ?  ? kvalitní akumulátory, nejedovatý
Poznámka
  1. tímto kovem je speciální slitina viz nikl-metal hydridový akumulátor

Spojování galvanických článků[editovat | editovat zdroj]

Podrobnější informace naleznete v článku Elektrická baterie.

Pro dosažení vyššího napětí se články spojují sériově do baterií, celkové elektrické napětí je pak dáno součtem dílčích napětí jednotlivých článků v baterii. Například plochá baterie obsahuje 3 suché články, 9V baterie obsahuje 6 suchých nebo alkalických článků, automobilový akumulátor obsahuje 6 akumulátorových článků. Pokud sériově zapojené články nemají stejnou kapacitu, může při hlubokém vybíjení být článek s nejnižší kapacitou vybit pod přípustnou mez, v extrémním případě dojde k reverzaci[zdroj?] napětí na článku a jeho zničení.

Při paralelním spojení článků zůstává elektrické napětí stejné, baterie jako celek však snese vyšší zatížení: Paralelním zapojením zdrojů se snižuje vnitřní odpor celkového zdroje a ten pak může dodávat větší elektrický proud. Paralelně spojovat je možno jen stejné články (typ i stupeň vybití), jinak vyrovnávací proudy mezi jednotlivými větvemi mohou způsobit i explozi vybitého článku.

Použití galvanických článků[editovat | editovat zdroj]

Galvanické články se nacházejí především v přenosných elektrických spotřebičích - baterkách, hodinkách, mobilních telefonech, přenosných počítačích, fotoaparátech a kamerách, tzn. všude tam, kde se nelze připojit k elektrické síti nebo přímo použít mechanický zdroj (generátor). Výhodou galvanických článků bývá snadná přenosnost, malé rozměry, relativně nízká hmotnost. Nevýhodou může být nízké elektromotorické napětí, nízký výkon a krátká životnost. Akumulátory je možné rovněž použít k uložení elektrické energie, potřebné při přerušení dodávky ze sítě, např. v záložních zdrojích nebo jako zdroj elektřiny ve stojícím automobilu.

Historie galvanických článků[editovat | editovat zdroj]

Galvanické články dostaly svůj název podle italského lékaře, přírodovědce a fyzika Luigiho Galvaniho, který při pitvání žabích stehýnek zpozoroval jejich záškuby po dotyku kovového předmětu, podobné záškubům vyvolaných elektrickým nábojem. Tento jev správně vysvětlil italský fyzik Alessandro Volta, a to vznikem elektrického napětí mezi dvěma kovy (nástrojem a kovovým podkladem) vodivě propojenými elektrolytem (obsaženým v buňkách). Na základě těchto úvah sestavil v roce 1800 článek, skládající se z měděné a zinkové elektrody ponořené do roztoku kyseliny sírové. Voltův článek dával napětí přibližně 1 V a stal se prvním zdrojem stálého elektrického proudu, do té doby se elektřina vytvářela třením nebo indukční elektrikou. Objev Voltova článku umožnil obrovský rozvoj zkoumání elektrických jevů.

Související články[editovat | editovat zdroj]

Externí odkazy[editovat | editovat zdroj]