Galvanický článek

Galvanický článek je chemický zdroj elektrického napětí.

schematické zobrazení galvanického článku Cu-Zn

Rozličné galvanické články

Elektromotorické napětí galvanického článku

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 (elektrolýzou).

Galvanický článek v elektrickém obvodu

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 R_i má za následek snížení napětí článku na svorkové napětí U:

$U=U_{e}-R_{i}I$ , kde U_e je elektromotorické napětí, I je elektrický proud (při vyšším zatížení - vyšším proudu - se napětí článku sníží více).

Galvanický článek je vždy zdroj stejnosměrného proudu. V elektrických obvodech, kde záleží na směru proudu, je třeba před zapojením zkontrolovat správnou polaritu elektrod

Složení galvanických článků

Při sestavování galvanického článku se pro elektrody a elektrolyty používají takové kombinace chemických látek, aby potenciál vznikající na elektrodě byl pokud možno co největší a zároveň aby článek co nejdéle vydržel.

Vhodnými a nejčastěji používanými látkami pro zápornou elektrodu jsou zinek, kadmium, lithium a hydridy různých kovů, pro kladnou elektrodu uhlík (grafit) obklopený burelem MnO₂, nikl a stříbro.

Jako elektrolyt se používá v suchých článcích a olověném akumulátoru roztok kyselin nebo jejich solí, v alkalických článcích a akumulátorech roztok zásaditých sloučenin alkalických kovů.

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

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. vnitřní odpor - velikost odporu článku při průchodu elektrického proudu, články s malým vnitřním odporem se označují jako tvrdé zdroje, články s velkým vnitřním odporem se označují jako měkké zdroje
4. elektrický výkon - množství energie, které je článek schopen dodat za jednotku času
5. celková elektrická energie, kterou lze dostat z čerstvého článku až do úplného vybití
6. měrná energie - podíl celkové energie a hmotnosti článku
7. hustota energie - podíl celkové energie a objemu článku
8. životnost článku - doba dodávání energie při běžném zatížení
9. nabíjecí proud a nabíjecí doba - pro sekundární články (akumulátory)
10. účinnost - podíl vydané a dodané energie u akumulátorů
11. cena - ovlivněna cenou materiálu (burel a zinek levnější, stříbro a lithium dražší)

Galvanické články s napětím 1,5 V

hahaha.....

Přehled galvanických článků

U_e = elektromotorické napětí
e_m = měrná energie (E/m, kde E je elektrická energie, m je hmotnost)
e_V = hustota energie (E/V, kde E je elektrická energie, V je objem)
hodnoty e_m a e_v 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)
suchý článek (Leclanchéův článek)	+uhlík C −zinek Zn	salmiak NH4Cl + burel MnO2	1,5	240	450	obyčejné baterie
alkalický článek	+burel MnO2 −zinek Zn	hydroxid draselný KOH	1,2	280	900	kvalitnější baterie
zinko-stříbrný článek	+stříbro Ag −zinek Zn	hydroxid draselný KOH	2,2	440	1400	velmi kvalitní baterie
lithiový článek	+burel MnO2 −lithium Li	hydroxid draselný KOH	3,1	?	2100	dlouhá životnost
sekundární články
olověný akumulátor	+oxid olovičitý PbO2 −olovo Pb	kyselina sírová H2SO4	2,2	140	240	tvrdý zdroj
nikl-ocelový akumulátor (NiFe)	+nikl Ni −ocel	hydroxid draselný KOH	1,2	?	?	nízká účinnost
nikl-kadmiový alkalický akumulátor	+nikl Ni −kadmium Cd	hydroxid draselný KOH	1,3	120	350	obyčejné dobíjecí baterie, jedovatý
nikl-vodíkový alkalický akumulátor	+nikl Ni −vodík MH	hydroxid draselný KOH	1,3	280	720	kvalitní akumulátory, nejedovatý

vodík vázaný v hydridu kovu MH, kde M je některý z kovů

Spojování galvanických článků

Pro dosažení vyššího napětí se články spojují sériově do baterií, celkové elektromotorické napětí se získá jako součet 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 napětí na článku a jeho zničení.

Při paralelním spojení článků zůstavá elektromotorické napětí stejné, baterie však snese vyšší zatížení (může dodávat větší elektrický proud). Paralelně spojovat je možno jen stejné články (typ i stupeň vybití), jinak vyrovnávací proudy mohou způsobit i explozi vybitého článku.

Použití galvanických článků

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

Galvanické články dostaly svůj název podle italského lékaře a přírodovědce 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

• Elektřina
• Elektrický proud v kapalinách
• Elektrolýza
• Elektrický zdroj