Elektrochemický článok

Galvanický článok dostal svoj názov podľa talianskeho lekára a prírodovedca Luigiho Galvaniho, ktorý v roku 1780 pri pitvaní žabích stehienok spozoroval ich zášklby po dotyku dvoch rozdielnych kovových predmetov na rôzne konce nervov, podobné zášklbom vyvolávaným elektrickým nábojom. Tento jav správne vysvetlil taliansky fyzik Alessandro Volta, a to vznikom elektrického napätia medzi dvoma kovmi (nástrojom a kovovým podkladom) vodivo prepojenými elektrolytom (obsiahnutým v bunkách). Na základe týchto úvah zostavil v roku 1800 článok, skladajúci sa z medenej a zinkovej elektródy ponorenej do roztoku kyseliny sírovej. Voltov článok dával napätie približne 1 V a stal sa prvým zdrojom stáleho elektrického prúdu, do tej doby sa elektrina vytvárala trením alebo indukčnou elektrinou. Objav Voltovho článku vydláždil cestu pre rozvoj skúmania elektrických javov.

Elektrochemické články sa používajú predovšetkým v prenosných elektrických spotrebičoch – baterkách, hodinkách, mobilných telefónoch, prenosných počítačoch, fotoaparátoch, kamerách, všade tam, kde sa spotrebič nedá pripojiť na elektrickú sieť alebo priamo použiť mechanický zdroj generátora. Ich nevýhodou môže byť nízke elektromotorické napätie, nízky výkon a krátka životnosť. Akumulátory sa dajú použiť aj na uloženie elektrickej energie, sú potrebné pri prerušení dodávky zo siete, napríklad v záložných zdrojoch alebo ako zdroj elektriny v stojacom automobile.

=

Po zapojení článku do elektrického obvodu prebiehajú vo vnútri článku reakcie, ktorými sa postupne znižuje elektrická energia, článok sa vybíja. Tieto reakcie môžu byť nevratné – napätie článku sa po vybití nedá obnoviť (primárny elektrochemický článok) alebo vratné – článok sa dá znova nabiť (sekundárny elektrochemický článok = akumulátor).

Pri prechode elektrického prúdu článkom sa prejaví vnútorný odpor článku. Vnútorný odpor R_i má za následok zníženie napätia článku na svorkovom napätí U:

${\displaystyle U=U_{e}-R_{i}I}$, kde U_e je elektromotorické napätie, I je elektrický prúd (pri vyššom zaťažení – vyššom prúde – sa napätie článku viac zníži).

Elektrochemický článok je vždy zdroj jednosmerného prúdu. V elektrických obvodoch, kde záleží na smere prúdu, je treba pred zapojením skontrolovať správnu polaritu elektród.

Pri zostavovaní elektrochemického článku sa pre elektródy a elektrolyty používa taká kombinácia chemických látok, aby potenciál vznikajúci na elektróde bol čo najväčší, a zároveň aby článok čo najviac vydržal.

Vhodnými a najčastejšími látkami pre zápornú elektródu je zinok, kadmium, lítium a hydrid rôznych kovov, pre kladnú elektródu uhlík (grafit) obklopený burelom (MnO₂), nikel a striebro.

Ako elektrolyt sa používa v suchých článkoch a v olovenom akumulátore roztok kyseliny, v alkalických článkoch a v akumulátoroch sa používa roztok zásaditých zlúčenín alkalických kovov.

Prípadné ďalšie látky v elektrochemických článkoch majú za úlohu regulovať chemické reakcie tak, aby sa napríklad predĺžila životnosť článku, znížila možnosť úniku nebezpečných látok a pod.

Na dosiahnutie vyššieho napätia sa články spájajú sériovo do batérií, celkové napätie sa získa ako súčet napätí jednotlivých článkov v batérii. Napríklad plochá batéria obsahuje 3 suché články, 9V batéria obsahuje 6 suchých alebo alkalických článkov, automobilový akumulátor obsahuje 6 akumulátorových článkov.

Pri paralelnom spojení článkov zostáva elektromotorické napätie rovnaké, batéria však znesie vyššie zaťaženie (môže dodávať väčší elektrický prúd). Paralelné spojenie článkov sa používa len zriedkavo, keďže vplyvom malých rozdielov vo vlastnostiach článkov môžu mať články rozdielne napätie, čo má za následok vyrovnávacie prúdy a zníženie kapacity batérie.

1. druh článku – primárny (je moc slaby ) alebo sekundárny (akumulátor, je moc silny)
2. elektromotorické napätie – veľkosť napätia medzi elektródami nezaťaženého článku
3. vnútorný odpor – veľkosť odporu článku pri priechode elektrického prúdu
4. elektrický výkon – množstvo energie, ktorú je článok schopný dodať za jednotku času, články s veľkým výkonom sa označujú ako tvrdé zdroje, články s malým výkonom sa označujú ako mäkké zdroje
5. celková elektrická energia, ktorá sa dá dostať z čerstvého článku až do úplného vybitia (kapacita)
6. merná energia – podiel celkovej energie a hmotnosti článku
7. hustota energie – podiel celkovej energie na objeme článku
8. životnosť článku – doba dodávania energie pri bežnom zaťažení
9. nabíjací prúd a nabíjacia doba – pre sekundárne články (akumulátory)
10. účinnosť – podiel vydanej a dodanej energie u akumulátorov
11. cena – ovplyvnená cenou materiálu (zlato a med je lacnejší, striebro a lítium sú drahšie)

U_e = elektromotorické napätie
e_m = merná energia (E/m, kde E je elektrická energia, m je hmotnosť)
e_V = hustota energie (E/V, kde E je elektrická energia, V je objem)
hodnoty e_m a e_v platia pre čerstvý článok, pri vybíjaní sa znižujú
+ kladná elektróda
− záporná elektróda
elektrolyt – vždy roztok uvedenej látky

• vodík viazaný v hydride kovu MH, kde M je niektorý z kovov (z angl. nickel metal-hydrid).

Primárne elektrochemické články aj akumulátory sa vyrábajú v rôznych rozmeroch a tvaroch (a v súvislosti s tým v rôznych kapacitách). Niektoré rozmery najmä článkov a batérií používaných v spotrebnej elektronike sú štandardizované napríklad:

• článok AA (= tzv. batéria AA, ceruzková batéria)
• článok AAA (= tzv. batéria AAA, mikroceruzková batéria)

Fyzikálny portál Chemický portál

• Elektrina
• Elektronika
• Elektrický prúd v kvapalinách
• Elektrolýza
• Elektrický zdroj
• Kategória:Elektrické batérie