Galvanický článek

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: ${\displaystyle U=U_{1}-U_{2}}$ za podmínky ${\displaystyle U_{1}>U_{2}}$ , kde U₁ je napětí 1. elektrody a U₂ je napětí 2. elektrody

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 lze znovu 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:

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

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

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.

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

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

Poznámka

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.

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.

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.

V současné době jsou články využívány v elektrických bateriích a akumulátorech. V oblastech bez elektřiny lze například využívat články s elektrolytem ze slané vody, s elektrodami z mědi a hořčíku a svícením pomocí LED diod.[2]