Primitivní galvanické články

Karel Rauner, Jaroslav Hůrka, Jiří Suchý

Ponoříme-li do elektrolytu dvě elektrody s různými elektrochemickými potenciály, vznikne mezi nimi napětí. Dostáváme tak jeden z nejstarších zdrojů elektrického proudu - galvanický článek. Běžné galvanické články jsou konstruovány tak, aby co nejlépe vyhověly některému z obvykle požadovaných parametrů: maximální hodnota elektromotorického napětí, minimální vnitřní odpor, maximální náboj při daných rozměrech, co nejstálejší elektromotorické napětí, plochá vybíjecí křivka, velká odolnost proti teplotním změnám, odolnost proti otřesům…

Málokdy si však uvědomujeme, že jako elektrolyt lze použít libovolné prostředí obsahující volně pohyblivé ionty. Příkladů, ve kterých se vytvoří galvanické články s neobvyklými elektrolyty je však celá řada. Jen namátkou lze zmínit nepříjemné důsledky použití dvou různých kovů na výplně zubů; elektrolytem jsou zde sliny. Laiky udivila funkčnost prehistorických galvanických článků, uložených v Bagdádském muzeu, poté, kdy byly naplněny šťávou z vylisovaných vinných hroznů, Erich von Däniken v tom dokonce spatřuje záhadu, která by mohla souviset s dávnou návštěvou mimozemšťanů [1]. Ludvíku Součkovi pak tyto nálezy slouží k podpoře hypotézy o dávných vyspělých civilizacích [2]. Ve výlohách vystavené digitální hodinky, napájené galvanickým článkem, tvořeným plíšky v bramboru pak měly přesvědčit Američany o síle, která dříme v českých lihovinách vyráběných z brambor.

Hlavním důvodem, pro který nejsou snadno vytvořitelné galvanické články v podvědomí běžných lidí je to, že projevy elektromotorického napětí nejsou snadno postižitelné smysly. Tento příspěvek se pokouší ukázat jednoduchost konstrukce některých galvanických článků a na několika pokusech dokázat i smyslové vnímání projevů elektromotorického napětí z primitivních galvanických článků.

Pokus 1. Měření elektromotorického napětí a vnitřních odporů primitivních galvanických článků

Pomůcky: citron, brambor, jablko, měděný, hliníkový a zinkový plíšek, vodiče se svorkami, jemný smirkový papír, citlivý voltmetr (do 1 V) s velkým vnitřním odporem, odporová dekáda.

Postup: Zvolíme dvojici plíšků a „elektrolyt“, tj. rozkrojené jablko, citron nebo brambor. Plíšky očistíme jemným smirkovým papírem a zasuneme do „elektrolytu“. Pomocí krokosvorek sestavíme obvod podle obr. 1. Odporovou dekádu nejprve nezapojujeme. Moderní číslicové nebo analogové elektronické voltmetry mají velmi vysoké vnitřní odpory (> 10 MΩ), proto ukazují přímo elektromotorické napětí ε našeho primitivního galvanického článku. Pak připojíme dekádu nastavenou na maximální odpor (alespoň 100 MΩ). Odpor dekády postupně snižujeme, až voltmetr ukazuje svorkové napětí U_m, které je polovinou elektromotorického napětí ε. Ze vztahu pro svorkové napětí U = ε - r·I, ve kterém U přestavuje svorkové napětí r je vnitřní odpor zdroje a I je proud procházející obvodem dostáváme pro náš případ

,

kde R_d je odpor dekády v případě U = U_m = ε/2. Odtud vidíme, že r = R_d.

Změřené hodnoty jsou v tab. 1. Byly přitom použity plíšky o rozměrech: Al (10 x 52 x 1) mm, Cu (10 x 52 x 1) mm, Zn (11 x 35 x 0,5) mm, plíšky byly zasouvány do „elektrolytů“ 1 cm od sebe do hloubky 2 cm. Jako elektrolyt je uvedeno i lidské tělo. Při tomto pokusu držíme plíšky prostře v ruce, elektrolytem je pot a propojení obstarává pokožka a krevní řečiště. Toto uspořádání je již dávno známo každému experimentátorovi ve fyzice, zkouší jím tak funkčnost citlivých měřicích přístrojů (i běžných, ručkových – deprézských). Stačí přitom vytáhnout z kapsy dvě mince z různých kovů (například 10 Kč a 50 hal.) a každou minci prsty přitisknout k vodičům připojeným k přístroji. Není bez zajímavosti, že u zvláště citlivých přístrojů (galvanometrů) nemusíme ani použít mincí, stačí stisknout jeden vodič prsty levé ruky, druhý prsty pravé ruky. O elektromotorické napětí se pak postará různé chemické složení nečistot a potu na levé a pravé ruce. Je samozřejmé, že údaje získané „lidským“ elektrolytem jsou jen orientační: závisejí na stupni pocení, na složení potu, na individuálním odporu pokožky i na síle stisku. Ani ostatní údaje v tabulce nejsou určovány s větší přesností, použité elektrody samozřejmě velmi rychle polarizují a elektromotorické napětí klesá. To je zvláště výrazné u článku s aluminiovou elektrodou, který by teoreticky měl mít větší elektromotorické napětí než článek Cu – Zn.

Nechce-li se nám pro pokus shánět a stříhat plíšky, můžeme si vypomoci opět mincemi: 10 h, 20 h a 50 h jsou ze slitiny AlMg v poměru 99:1, 1 Kč, 2 Kč a 5 Kč jsou z oceli, galvanicky pokovené niklem, 10 Kč je z oceli, která je plátována a ještě galvanicky pokovena mědí, 20 Kč je z oceli plátované mosazí (CuZn 75:25) a galvanicky pokovené mosazí (CuZn 72:28).

Pokus 2. Určení náboje primitivního galvanického článku

Pomůcky: mince 20 Kč a 50 h, vodiče se svorkami, zapisovač, odporová dekáda.

Postup: Zapojení pokusu je obdobné jako na obr. 1, jen místo voltmetru zapojíme registrační zařízení, například liniový zapisovač, například typ TZ 4100. Nastavíme rozsah 0,5 V a rychlost posuvu papíru 0,05 mm·s^-1. Dekáda je zapojena na hodnotu předem zjištěného vnitřního odporu ve zvoleném uspořádání. V našem pokusu, ve kterém jsme do jablka zapíchli mince 10 Kč a 50 h do poloviny jejich průměru a asi 1 cm od sebe, jsme určili vnitřní odpor 12 kΩ. Současně jsme připojili přívody k mincím a spustili zapisovač. Zaznamenávali jsme tak vybíjecí křivku v režimu, ve kterém zdroj dodává do vnějšího obvodu maximální výkon. Naměřená vybíjecí křivka je na obr. 2. Zaznamenaná křivka byla samozřejmě ovlivněna fluktuacemi napětí, způsobené nerovnoměrně postupující polarizací elektrod i změnou elektrolytu. Na citlivou aparaturu mají vliv i otřesy a indukované proudy při pohybech experimentátorů. Celková doba záznamu byla 5200 sekund. Náš primitivní minco-jablkový galvanický článek se za tuto dobu nevybil zcela, zbytkový náboj jsme odhadli extrapolací. Z uvedených hodnot a průběhu obr. 2 lze numerickou integrací určit celkový náboj, který je připravený zdroj dodat do vnějšího obvodu: 0,6 C. Celková energie, dodaná do vnějšího obvodu je pak asi 0,05 J.

Pokus 3. Použití primitivních galvanických článků jako zdrojů proudu se světelným a mechanickým účinkem

Pomůcky: kupextit a pozinkovaný plech formátu A4, savý papír (filtrační papír) formátu A4, ocet (kyselina citronová, potravinářská citronová šťáva), žárovka na 2 až 3 V, modelářský motorek na 3 V, 4 kusy Cu plíšků formátu telefonní karty, 4 kusy pozinkovaného plechu a 4 kusy pijáku stejných rozměrů, červená svítivá dioda.

Postup: Sestavíme-li primitivní galvanický článek z větších kusů kuprextitu a pozinkovaného plechu s pijákem namočeným do octa podle obr. 3, stačí proud dodávaný z obvodu k nažhavení žárovky na malé napětí, případně k roztočení modelářského motorku. K rozsvícení svítivé diody stačí menší proud, musíme však zapojit několik článků do baterie podle obr. 4. Použijeme k tomu čtyři pozinkované plechy, 4 Cu plechy a 4 pijáky namočené v octu. Místo savých papírů je možné použít filtrační papír, místo octa roztok kyseliny citronové, případně potravinářský koncentrát citronové šťávy. Chceme-li i v pokusu podle obr. 4 použít kuprextitu, musíme tři dvojice pozinkovaných plíšků a kousků kuprextitu vodivě propojit (například sletovat na okraji pájkou).

Literatura:

[1] Däniken, E.: Vzpomínky na budoucnost, Orbis, Praha 1971, str. 39, 54, 193

[2] Souček, L.: Tušení souvislosti, Československý spisovatel, Praha 1980, str. 44