5.3 ΦΟΡΑ ΡΕΥΜΑΤΟΣ

ΒΡΙΣΚΕΣΤΕ ΕΔΩ: ΑΡΧΗ > 5.ΓΑΛΒΑΝΙΚΑ > 5.3 ΦΟΡΑ ΡΕΥΜΑΤΟΣ

Η φορά του ρεύματος και οι φορείς του ηλεκτρικού φορτίου στο γαλβανικό στοιχείο
Το στοιχείο Daniel αποτελείται (όπως είδαμε παραπάνω) από το πρότυπο ημιστοιχείο του Zn και το πρότυπο ημιστοιχείο του Cu. Σε κάθε ημιστοιχείο αποκαθίσταται ισορροπία, σύμφωνα με τις παρακάτω αντιδράσεις:
 
 
Οι ισορροπίες αυτές έχουν ως αποτέλεσμα την εμφάνιση ηλεκτρικού φορτίου και ανάπτυξη δυναμικού στα δύο μεταλλικά ηλεκτρόδια (-0,76 V στο ημιστοιχείο του Zn και +0,34 V στο ημιστοιχείο του Cu, ως προς το Πρότυπο Ηλεκτρόδιο Υδρογόνου).
Αντικαθιστούμε το βολτόμετρο με ένα αμπερόμετρο. Αν κλείσουμε το κύκλωμα, έρχεται σε ηλεκτρική επαφή μία αγώγιμη περιοχή χαμηλού δυναμικού (Zn), με μία αγώγιμη περιοχή υψηλού δυναμικού (Cu). To αμπερόμετρο θα μας δείξει, ότι μέσα από τον αγωγό σύνδεσης των δύο ηλεκτροδίων (εξωτερική σύνδεση), διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα.
Ας θυμηθούμε ότι: σ? ένα ηλεκτρικό πεδίο τα ηλεκτρόνια κινούνται από μια περιοχή χαμηλού δυναμικού προς μια περιοχή υψηλού δυναμικού.
Επειδή το δυναμικό του χαλκού (+0,34V) είναι υψηλότερο από το δυναμικό του ψευδαργύρου (-0,76V), μόλις κλείσει το κύκλωμα τα ηλεκτρόνια κινούνται από το ηλεκτρόδιο του Ζη προς το ηλεκτρόδιο του Cu. Η κίνηση των ηλεκτρονίων μεταφράζεται ως ηλεκτρικό ρεύμα από το αμπερόμετρο.
Από τη βασική θεωρία του ηλεκτρισμού, ρεύμα είναι η κίνηση φορτίων. Επειδή τα δύο είδη φορτίων κινούνται αντίθετα, κατά σύμβαση θεωρούμε ως φορά του ρεύματος τη φορά κίνησης των θετικών φορτίων (η λεγόμενη συμβατική φορά). Αν σε ένα αγωγό κινούνται μόνο ηλεκτρόνια (αρνητικά φορτία) η φορά του ρεύματος στον αγωγό είναι η υποτιθέμενη φορά κίνησης των θετικών φορτίων (αν υπήρχαν) και επομένως, η αντίθετη από τη φορά κίνησης των ηλεκτρονίων.

Παραγωγή ρεύματος στο στοιχείο Daniell

Έτσι το αμπερόμετρο θα μας δείξει ρεύμα με φορά από το ηλεκτρόδιο του Cu στο ηλεκτρόδιο του Zn, όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήμα. Στην περίπτωση που θέλουμε να δείξουμε τη δημιουργία του ηλεκτρικού ρεύματος με τη χρήση λαμπτήρα, πρέπει να γνωρίζουμε ότι για να ανάψει ο λαμπτήρας πρέπει η αντίστασή του να είναι πολύ μικρή και η επιφάνεια των ηλεκτροδίων πολύ μεγάλη. Γι? αυτό το πείραμα μπορεί να γίνει πιο εύκολα αν συνδέσουμε μόνο ένα αμπερόμετρο, το οποίο θα δείξει τη διέλευση του ηλεκτρικού ρεύματος.

Κίνηση ηλεκτρονίων και παραγωγή ρεύματος στο στοιχείο Daniell

Τα ηλεκτρόνια κινούνται εκκινώντας από το μεταλλικό ηλεκτρόδιο του Zn (στο στοιχείο Daniell αποτελεί το ηλεκτρόδιο με τη μικρότερη αλγεβρική τιμή του κανονικού δυναμικού οξειδοαναγωγής) και μέσω του εξωτερικού κυκλώματος (αγωγοί, λαμπτήρας ?αν υπάρχει- και αμπερόμετρο) καταλήγουν στο μεταλλικό ηλεκτρόδιο του Cu (αποτελεί το ηλεκτρόδιο με τη μεγαλύτερη αλγεβρική τιμή του κανονικού δυναμικού οξειδοαναγωγής). Η κίνηση των ηλεκτρονίων φαίνεται παραστατικά στο παραπάνω σχήμα.
Επειδή το αμπερόμετρο μας δείχνει ότι διαρρέεται από ρεύμα, είναι προφανές ότι το γαλβανικό στοιχείο αποτελεί ένα κλειστό κύκλωμα. Για να ισχύει αυτό πρέπει να υπάρχει ροή φορτίου παντού και σε κάθε σημείο του, όχι μόνο δηλαδή στο εξωτερικό κύκλωμα , αλλά και στο εσωτερικό κύκλωμα, δηλαδή στα ηλεκτρολυτικά διαλύματα των δύο ημιστοιχείων.
Ας δούμε επομένως πως δημιουργείται η ροή φορτίων μέσα στο εσωτερικό κύκλωμα και ποιοι είναι οι φορείς του ρεύματος.
Στο ημιστοιχείο του Zn το ρεύμα, φτάνει από το εξωτερικό κύκλωμα. Η συνέχεια στη ροή του ρεύματος από το μέταλλο προς το διάλυμα μέσω της διεπιφάνειας του μετάλλου, επιτυγχάνεται με την ηλεκτροδιάλυση του Zn η οποία τροφοδοτεί με κατιόντα Zn2+(aq) (θετικά επομένως φορτία) το διάλυμα στο ημιστοιχείο του Zn. To ηλεκτρολυτικό διάλυμα στο χώρο του ελάσματος Zn, θα αποκτούσε έτσι βαθμιαία θετικό φορτίο, με αποτέλεσμα την παύση της ηλεκτροουδετερότητας του διαλύματος. Δεν συμβαίνει όμως αυτό, διότι ανιόντα του ηλεκτρολύτη που βρίσκονται μέσα στη γέφυρα άλατος μεταναστεύουν και διερχόμενα μέσα από το διάφραγμα που διαχωρίζει τη γέφυρα άλατος από το ηλεκτρολυτικό διάλυμα του ημιστοιχείου του Zn, εισέρχονται στο χώρο του ηλεκτρολυτικού διαλύματος και αποκαθιστούν την ηλεκτροουδετερότητα και τη συνέχεια στη ροή του φορτίου στο εσωτερικό κύκλωμα.
Στον αντίποδα, στο χώρο του ηλεκτρολυτικού διαλύματος του ημιστοιχείου του Cu, κατιόντα Cu2+(aq) (θετικά φορτία), ανάγονται στη διεπιφάνεια του ηλεκτροδίου, γεγονός που ισοδυναμεί με διέλευση θετικού φορτίου (άρα και ρεύματος) διαμέσου της διεπιφάνειας ηλεκτροδίου-ηλεκτρολυτικού διαλύματος.

To ηλεκτρολυτικό διάλυμα, θα αποκτούσε έτσι ?ως αποτέλεσμα της απομάκρυνσης θετικών φορτίων- βαθμιαία αρνητικό φορτίο, με αποτέλεσμα και εδώ την παύση της ηλεκτροουδετερότητας του διαλύματος. Κατιόντα του ηλεκτρολύτη που βρίσκεται στη γέφυρα άλατος, μεταναστεύουν και εδώ και εισέρχονται στο χώρο του ηλεκτρολυτικού διαλύματος του ημιστοιχείου του Cu και αποκαθίσταται η ηλεκτροουδετερότητα και η συνέχεια στη ροή του ρεύματος.
Γενικά, μέσα σ? ένα γαλβανικό στοιχείο, στο ημιστοιχείο Α, με τη μικρότερη αλγεβρική τιμή κανονικού δυναμικού, λόγω της ηλεκτροδιάλυσης που συμβαίνει, το ηλεκτρόδιο του ημιστοιχείου φορτίζεται αρνητικά:και τα e- θα κινηθούν προς το ηλεκτρόδιο του ημιστοιχείου Β, με τη μεγαλύτερη αλγεβρική τιμή κανονικού δυναμικού
 
Έτσι το αμπερόμετρο θα μας δείξει ρεύμα με φορά από το ηλεκτρόδιο με τη μεγαλύτερη αλγεβρική τιμή κανονικού δυναμικού προς το ηλεκτρόδιο με τη μικρότερη αλγεβρική τιμή κανονικού δυναμικού. Το παρακάτω σχήμα αποδίδει το γαλβανικό στοιχείο ως ένα κλειστό ηλεκτρικό κύκλωμα. Η συνεχής κόκκινη γραμμή, παριστάνει τη φορά του ηλεκτρικού ρεύματος μέσα στους αγωγούς, ενώ η διακεκομμένη κόκκινη γραμμή τονίζει ότι μέσα στα διαλύματα το κλειστό κύκλωμα εξασφαλίζεται λόγω της κίνησης των φορτίων που υπάρχουν στη γέφυρα άλατος.
Μέσα στη γέφυρα άλατος, έχουμε κίνηση αρνητικών φορτίων προς το ημιστοιχείο με τη μικρότερη αλγεβρική τιμή κανονικού δυναμικού οξειδοαναγωγής και θετικών φορτίων προς το ημιστοιχείο με τη μεγαλύτερη αλγεβρική τιμή κανονικού δυναμικού οξειδοαναγωγής. Η ροή των φορτίων, ισοδυναμεί με ρεύμα στο εσωτερικό κύκλωμα με φορά, από την άνοδο στην κάθοδο.

Σχηματική αναπαράσταση του ηλεκτρικού ρεύματος και της κίνησης των ιόντων σε γαλβανικό στοιχείο