Химия и Химики № 3 2015. Внутреннее сопротивление гальванического элемента (на примере фруктовой батарейки)

Обнаружив ошибку на странице, выделите ее и нажмите Ctrl + Enter

В одном из прошлых номеров журнала была статья по "фруктовым батарейкам" - гальваническим элементам, сделанным из фруктов и овощей. В частности, была предпринята не совсем удачная попытка использовать такую батарейку для работы светодиода [1].

Хочу немного проиллюстрировать мой комментарий к этой статье по поводу внутреннего сопротивления батарей [ссылка].

Для начала немного теории.

Уравнение закона Ома: I=U/R

Таким образом, зная сопротивление участка цепи, и измерив напряжение на нём, можно посчитать силу тока через этот участок цепи.

Сила тока в цепи на всех элементах одинакова: I₁=I2

Напряжение на всех участках цепи суммируется, сумма равна полному напряжению в цепи: U=U₁+U₂

Напряжение на участках цепи прямо пропорционально их сопротивлениям: U₁/U₂=R₁/R₂

Таким образом, если на одном из участков цепи сопротивление бесконечно (концы разомкнутой цепи), то на этом участке мы меряем полное напряжение цепи.

Теперь практика.

Для опыта будем использовать:

Цинк-водородный элемент. Пластинка цинка и меди, погружённые в кислый электролит.

При работе на поверхности цинка происходит полуреакция окисления цинка:

Zn -> Zn²⁺ + 2e^-; E₀=-0.763В

На поверхности меди (которая в данном элементе работает как инертный электрод) идёт полуреакция восстановления водорода:

2H⁺ +2e^- -> H₂; E₀=-0.000В

Электролиты:

1. Яблоко (сорт Ida Red, сладкое, pH около 3)

__________________________________________________
¹ См. статью Гальванический элемент ч.10. Фруктовая батарейка (из яблок) и светодиод [ссылка]

2. Лимон (кислый, pH от 1 до 2)

3. Раствор 1 мл серной кислоты и 10 г натрия хлорида в 100 мл воды.

В качестве нагрузки будет резистор на 10 Ом (найден в Коробке С Очень Нужными Вещами, К Которой Не Должны Прикасаться Женщины). Сопротивление примерно соответствует светодиоду из моего фонарика (1 Вт при 3 В, т.е. сопротивление 9 Ом).

Сначала яблоко.

Цепь разомкнута, меряем полное напряжение:

Теперь включаем нагрузку, и меряем напряжение на ней:

Ууупс. Ниже милливольта.

Попробуем обернуть один из электродов бумажным полотенцем (в качестве сепаратора), и воткнуть электроды вплотную друг к другу:

Полное напряжение немного выросло.

Включаем нагрузку:

Всего 2 милливольта. При практически касающихся электродах.

Теперь лимон.

Для разнесённых электродов:

Теперь электроды, разделённые сепаратором из бумажного полотенца:

4 милливольта из 800, для абсолютно идеального случая. Т.е. внутреннее сопротивление такой "фруктовой" батарейки (понятное дело, что цинковой) никак не меньше двух тысяч ом. Оно настолько большое, что даже мегаомный резистор, на котором измеряется напряжение внутри тестера, работает, как нагрузка (это заметно по тому, как увеличивается полное напряжение цепи при сдвигании электродов).

Не удивительно, что для питания хоть какой-нибудь реальной нагрузки приходится соединять сотни таких батареек, причём не последовательно, а параллельно, чтобы уменьшить их общее сопротивление по закону 1/R=1/R₁+1/R₂+...

Ну и последний эксперимент, электролит - разбавленная серная кислота (даёт в растворе окислитель - ионы водорода) и поваренная соль (для уменьшения сопротивления раствора).

Полное напряжение на разомкнутой цепи:

И напряжение на нагрузке:

Целых 155 милливольт! Т.е. внутреннее сопротивление такой батарейки примерно в 4 раза больше сопротивления резистора, примерно 40 Ом.

Всё ещё не сравнимо с сопротивлением обычного элемента питания (0.05-0.2 Ом, чем больше размер, тем меньше сопротивление, для щелочных батареек меньше, чем для солевых), но всё таки.

***

На фотографии - самый большой в США серно-натриевый аккумулятор BOB (big-old battery), который выполняет роль резервного источника питания для г. Пресидио (Presidio, Техас, США). Мощность аккумулятора - 4 мегаватта, время автономной работы - до 8 часов. Изготовление аккумулятора обошлось в 25 млн. долларов, в то время, как прокладка новой линии электропередачи стоила бы почти вдвое дороже.

Комментарии

^К1 Примерно такая лабораторная работа "Определение ЭДС и внутреннего сопротивления гальванического элемента" была у нас в школе, на уроке физики. Выдавался элемент, вольтметр и магазин сопротивлений. Начало 70-х.