Galvaniniai elementai ir baterijos — įrenginys, veikimo principas, tipai

Mažos galios elektros energijos šaltiniai

Galvaniniai elementai ir baterijos naudojami nešiojamai elektros ir radijo įrangai maitinti.

Galvaninės ląstelės – tai vienkartinių veiksmų šaltiniai, akumuliatoriai — daugkartinio naudojimo veiksmų šaltiniai.

Paprasčiausias galvaninis elementas

Paprasčiausias elementas gali būti pagamintas iš dviejų juostelių: vario ir cinko, panardinto į vandenį, šiek tiek parūgštintą sieros rūgštimi. Jei cinkas yra pakankamai grynas, kad nebūtų vietinių reakcijų, jokių pastebimų pokyčių neįvyks, kol varis ir cinkas nebus sujungti.

Tačiau juostelės turi skirtingą potencialą, viena kitos atžvilgiu, o sujungus laidu, atsiras elektros… Šiuo veiksmu cinko juostelė palaipsniui ištirps ir šalia vario elektrodo susidarys dujų burbuliukai, kurie kaupsis ant jo paviršiaus. Šios dujos yra vandenilis, kurį generuoja elektrolitas. Elektros srovė teka iš varinės juostos išilgai vielos į cinko juostą, o iš jos per elektrolitą atgal į varį.

Palaipsniui elektrolito sieros rūgštis pakeičiama cinko sulfatu, susidariusiu iš ištirpusios cinko elektrodo dalies. Tai sumažina elemento įtampą. Tačiau dar didesnį įtampos kritimą sukelia dujų burbuliukų susidarymas ant vario. Abu veiksmai sukelia „poliarizaciją“. Tokie daiktai praktiškai neturi praktinės vertės.

Svarbūs galvaninių elementų parametrai

Galvaninių elementų teikiamos įtampos dydis priklauso tik nuo jų tipo ir įtaiso, tai yra nuo elektrodų medžiagos ir elektrolito cheminės sudėties, bet nepriklauso nuo elementų formos ir dydžio.

Srovę, kurią gali suteikti galvaninis elementas, riboja jo vidinė varža.

Labai svarbi galvaninio elemento savybė yra elektros talpa… Elektrinė galia – elektros energijos kiekis, kurį galvaninis arba akumuliacinis elementas gali tiekti per visą savo veikimo laiką, tai yra iki galutinio iškrovimo pradžios.

Celės suteikta talpa nustatoma padauginus iškrovos srovės stiprumą, išreikštą amperais, iš laiko valandomis, per kurį elementas buvo išsikrovęs iki visiško iškrovimo pradžios. Todėl talpa visada išreiškiama ampervalandomis (Ah).

Pagal ląstelės talpos vertę taip pat galima iš anksto nustatyti, kiek valandų ji dirbs iki visiško iškrovimo pradžios. Norėdami tai padaryti, turite padalyti talpą iš leistinos šio elemento iškrovos srovės stiprumo.

Tačiau talpa nėra griežtai pastovi. Jis kinta gana didelėse ribose, priklausomai nuo elemento veikimo sąlygų (režimo) ir galutinės iškrovos įtampos.

Jei elementas iškraunamas maksimalia srove ir, be to, be pertrūkių, jis duos daug mažesnę talpą. Priešingai, kai tas pats elementas iškraunamas mažesne srove ir su dažnais ir santykinai ilgais pertraukimais, elementas atiduos visą savo pajėgumą.

Kalbant apie galutinės iškrovos įtampos įtaką elemento talpai, reikia turėti omenyje, kad galvaninio elemento iškrovimo metu jo darbinė įtampa nelieka tame pačiame lygyje, o palaipsniui mažėja.

Įprasti elektrocheminių elementų tipai

Dažniausiai pasitaikantys galvaniniai elementai yra mangano-cinko, mangano-oro, oro-cinko ir gyvsidabrio-cinko sistemos su druska ir šarminiais elektrolitais Sausų mangano-cinko elementų su druskos elektrolitu pradinė įtampa yra nuo 1,4 iki 1,55 V, veikimo trukmė esant aplinkos temperatūrai nuo -20 iki -60 ОNuo 7 iki 340 ryto

Sausų cinko-mangano ir cinko-oro elementų su šarminiu elektrolitu įtampa yra nuo 0,75 iki 0,9 V, o veikimo laikas – nuo ​​6 iki 45 valandų.

Sausų gyvsidabrio-cinko elementų paleidimo įtampa yra 1,22–1,25 V, o veikimo laikas – nuo ​​24 iki 55 valandų.

Sausos gyvsidabrio-cinko ląstelės turi ilgiausią garantuotą galiojimo laiką iki 30 mėnesių.

Baterijos

Baterijos Tai antriniai elektrocheminiai elementai Skirtingai nuo galvaninių elementų, akumuliatoriuje iš karto po surinkimo nevyksta jokie cheminiai procesai.

Kad akumuliatorius pradėtų chemines reakcijas, susijusias su elektros krūvių judėjimu, būtina atitinkamai pakeisti jo elektrodų (ir iš dalies elektrolito) cheminę sudėtį.Šis elektrodų cheminės sudėties pokytis atsiranda veikiant elektros srovei, praeinamai per akumuliatorių.

Todėl norint, kad baterija gamintų elektros srovę, pirmiausia ji turi būti „įkrauta“ nuolatine elektros srove iš kokio nors išorinio srovės šaltinio.

Baterijos nuo įprastų galvaninių elementų skiriasi ir tuo, kad išsikrovus jas galima įkrauti. Tinkamai prižiūrint ir normaliomis eksploatavimo sąlygomis akumuliatoriai gali atlaikyti iki kelių tūkstančių įkrovimų ir iškrovimų.
Baterija maitinamas įrenginys

Šiuo metu praktikoje dažniausiai naudojamos švino ir kadmio-nikelio baterijos. Pirmajame sieros rūgšties tirpale naudojama kaip elektrolitas, o antrajame - šarmo vandenyje. Švino-rūgštinės baterijos taip pat vadinamos rūgštinėmis, o nikelio-kadmio-šarminėmis.

Baterijų veikimo principas pagrįstas elektrodų poliarizacija elektrolizės metu... Paprasčiausias rūgšties akumuliatorius yra sukonstruotas taip: tai dvi švino plokštės, panardintos į elektrolitą. Dėl cheminės pakeitimo reakcijos plokštės yra padengtos plona švino sulfato PbSO4 danga, kaip matyti iš formulės Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2.

Rūgšties akumuliatoriaus įtaisas

Tokia plokščių būsena atitinka išsikrovusią bateriją. Jei akumuliatorius dabar įjungtas įkrovimui, tai yra, prijungtas prie nuolatinės srovės generatoriaus, tada dėl elektrolizės joje prasidės plokščių poliarizacija. Įkraunant akumuliatorių, jo plokštės yra poliarizuojamos, t. y. pakeičia medžiagą savo paviršiuje ir iš homogeninės (PbSO4) į skirtingas (Pb ir PbO2).

Srovės šaltiniu tampa akumuliatorius, kurio teigiamas elektrodas yra plokštė, padengta švino dioksidu, o neigiamas elektrodas yra švari švino plokštė.

Įkrovimo pabaigoje elektrolito koncentracija padidėja, nes jame atsiranda papildomų sieros rūgšties molekulių.

Tai viena iš švino rūgšties akumuliatoriaus savybių: jo elektrolitas nelieka neutralus ir pats dalyvauja cheminėse reakcijose akumuliatoriaus veikimo metu.

Pasibaigus iškrovimui, abi akumuliatoriaus plokštės vėl padengiamos švino sulfatu, todėl akumuliatorius nustoja būti srovės šaltiniu. Akumuliatorius niekada nėra įjungtas į šią būseną. Dėl švino sulfato susidarymo ant plokštelių elektrolito koncentracija sumažėja iškrovos pabaigoje. Jei baterija įkraunama, gali atsirasti poliarizacija, kuri vėl išsikrauna ir pan.

Kaip įkrauti akumuliatorių

Yra keletas būdų, kaip įkrauti baterijas. Paprasčiausias yra įprastas akumuliatoriaus įkrovimas, kuris atliekamas taip. Iš pradžių 5–6 valandas kraunama dviguba įprasta srove, kol kiekvienos baterijos įtampa pasiekia 2,4 V.

Įprasta įkrovimo srovė nustatoma pagal formulę Aztax = Q / 16

kur Q — nominali akumuliatoriaus talpa, Ah.

Po to įkrovimo srovė sumažinama iki normalios vertės ir įkraunama 15-18 valandų, kol atsiranda įkrovimo pabaigos požymių.

Šiuolaikinės baterijos

Nikelio-kadmio ar šarminės baterijos atsirado daug vėliau nei švino baterijos, o palyginus su jais yra modernesni cheminės srovės šaltiniai.Pagrindinis šarminių baterijų pranašumas, palyginti su švino baterijomis, yra jų elektrolito cheminis neutralumas, palyginti su aktyviosiomis plokščių masėmis. Todėl šarminių baterijų savaiminis išsikrovimas yra žymiai mažesnis nei švino rūgšties baterijų. Šarminių baterijų veikimo principas taip pat pagrįstas elektrodų poliarizacija elektrolizės metu.

Radijo įrangai maitinti gaminamos sandarios kadmio-nikelio baterijos, kurios yra veiksmingos nuo -30 iki +50 ОC temperatūroje ir atlaiko 400–600 įkrovimo-iškrovimo ciklų. Šie akumuliatoriai gaminami kompaktiškų gretasienių ir diskų, sveriančių nuo kelių gramų iki kilogramų, pavidalu.

Nikelio-vandenilio baterijos gaminamos autonominiams objektams maitinti. Nikelio-vandenilio akumuliatoriaus savitoji energija yra 50–60 Wh kg-1.