Galvaniskās šūnas un baterijas — ierīce, darbības princips, veidi

Zemas jaudas elektroenerģijas avoti

Galvaniskās šūnas un baterijas tiek izmantotas pārnēsājamu elektrisko un radio iekārtu darbināšanai.

Galvaniskās šūnas - tie ir vienreizēju darbību avoti, akumulatori — atkārtoti lietojami darbības avoti.

Vienkāršākais galvaniskais elements

Vienkāršāko elementu var izgatavot no divām sloksnēm: vara un cinka, kas iegremdēts ūdenī, kas nedaudz paskābināts ar sērskābi. Ja cinks ir pietiekami tīrs, lai neradītu lokālas reakcijas, nekādas ievērojamas izmaiņas nenotiks, kamēr varš un cinks netiks apvienoti.

Tomēr sloksnēm ir atšķirīgs potenciāls, vienai attiecībā pret otru, un, savienojot ar vadu, tās parādīsies elektrība… Ar šo darbību cinka sloksne pakāpeniski izšķīst un pie vara elektroda veidosies gāzes burbuļi, kas sakrājas uz tā virsmas. Šī gāze ir ūdeņradis, ko rada elektrolīts. Elektriskā strāva plūst no vara sloksnes pa vadu uz cinka sloksni un no tās caur elektrolītu atpakaļ uz varu.

Pamazām elektrolīta sērskābi aizstāj ar cinka sulfātu, kas veidojas no cinka elektroda izšķīdušās daļas. Tas samazina šūnas spriegumu. Taču vēl lielāku sprieguma kritumu izraisa gāzes burbuļu veidošanās uz vara. Abas darbības izraisa "polarizāciju". Šādiem priekšmetiem praktiski nav nekādas praktiskas vērtības.

Galvanisko elementu svarīgi parametri

Galvanisko elementu dotā sprieguma lielums ir atkarīgs tikai no to veida un ierīces, tas ir, no elektrodu materiāla un elektrolīta ķīmiskā sastāva, bet nav atkarīgs no elementu formas un izmēra.

Strāvu, ko var nodrošināt galvaniskais elements, ierobežo tā iekšējā pretestība.

Ļoti svarīga galvaniskā elementa īpašība ir elektriskā jauda… Elektriskā jauda ir elektroenerģijas daudzums, ko galvaniskais vai akumulācijas elements spēj piegādāt visā tās darbības laikā, tas ir, līdz galīgās izlādes sākumam.

Elementa dotā kapacitāte tiek noteikta, reizinot izlādes strāvas stiprumu, kas izteikts ampēros, ar laiku stundās, kurā šūna tika izlādēta līdz pilnīgas izlādes sākumam. Tāpēc jauda vienmēr tiek izteikta ampērstundās (Ah).

Pēc šūnas jaudas vērtības ir iespējams arī iepriekš noteikt, cik stundas tā darbosies pirms pilnīgas izlādes sākuma. Lai to izdarītu, jums ir jāsadala jauda ar šim elementam pieļaujamās izlādes strāvas stiprumu.

Tomēr jauda nav stingri nemainīga. Tas mainās diezgan lielās robežās atkarībā no elementa darbības apstākļiem (režīma) un galīgā izlādes sprieguma.

Ja šūna tiek izlādēta ar maksimālo strāvu un turklāt bez pārtraukumiem, tas dos daudz mazāku jaudu. Gluži pretēji, kad viena un tā pati šūna tiek izlādēta ar mazāku strāvu un ar biežiem un salīdzinoši ilgstošiem pārtraukumiem, šūna atteiksies no savas pilnās jaudas.

Runājot par galīgā izlādes sprieguma ietekmi uz šūnas kapacitāti, jāpatur prātā, ka galvaniskā elementa izlādes laikā tā darba spriegums nepaliek tajā pašā līmenī, bet pakāpeniski samazinās.

Izplatītākie elektroķīmisko elementu veidi

Visbiežāk sastopamās galvaniskās šūnas ir mangāna-cinka, mangāna-gaisa, gaisa-cinka un dzīvsudraba-cinka sistēmas ar sāli un sārmainiem elektrolītiem Sausās mangāna-cinka šūnas ar sāls elektrolītu ir sākotnējais spriegums no 1,4 līdz 1,55 V, darbības ilgums apkārtējās vides temperatūrā no -20 līdz -60 ОNo 7 līdz 340 no rīta

Sauso cinka-mangāna un cinka-gaisa elementu ar sārmainu elektrolītu spriegums ir no 0,75 līdz 0,9 V un darbības laiks no 6 stundām līdz 45 stundām.

Sauso dzīvsudraba-cinka elementu palaišanas spriegums ir no 1,22 līdz 1,25 V un darbības laiks no 24 stundām līdz 55 stundām.

Sausajām dzīvsudraba-cinka šūnām ir visilgākais garantētais glabāšanas laiks līdz 30 mēnešiem.

Baterijas

Baterijas Tie ir sekundārie elektroķīmiskie elementi.Atšķirībā no galvaniskajiem elementiem akumulatorā uzreiz pēc montāžas nenotiek nekādi ķīmiski procesi.

Lai akumulators sāktu ķīmiskas reakcijas, kas saistītas ar elektrisko lādiņu kustību, ir atbilstoši jāmaina tā elektrodu (un daļēji arī elektrolīta) ķīmiskais sastāvs.Šīs elektrodu ķīmiskā sastāva izmaiņas notiek caur akumulatoru plūstošas ​​elektriskās strāvas iedarbībā.

Tāpēc, lai akumulators ražotu elektrisko strāvu, tas vispirms ir "jāuzlādē" ar tiešo elektrisko strāvu no kāda ārēja strāvas avota.

Akumulatori no parastajiem galvaniskajiem elementiem atšķiras arī ar to, ka pēc izlādes tos var uzlādēt. Ar labu aprūpi un normālos darbības apstākļos akumulatori var izturēt līdz pat vairākiem tūkstošiem uzlādes un izlādes.
Ar akumulatoru darbināma ierīce

Pašlaik praksē visbiežāk tiek izmantotas svina un kadmija-niķeļa baterijas. Pirmajā sērskābes šķīdumā kalpo kā elektrolīts, bet otrajā sārma šķīdumā ūdenī. Svina-skābes akumulatorus sauc arī par skābes un niķeļa-kadmija-sārma baterijām.

Bateriju darbības princips ir balstīts uz elektrodu polarizāciju elektrolīzes laikā... Vienkāršākais skābes akumulators ir strukturēts šādi: tās ir divas svina plāksnes, kas iegremdētas elektrolītā. Ķīmiskās aizvietošanas reakcijas rezultātā plāksnes pārklāj ar plānu svina sulfāta PbSO4 pārklājumu, kā izriet no formulas Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2.

Skābes akumulatora ierīce

Šis plākšņu stāvoklis atbilst izlādētam akumulatoram. Ja akumulators tagad ir ieslēgts uzlādēšanai, tas ir, pievienots līdzstrāvas ģeneratoram, tad elektrolīzes dēļ tajā sāksies plākšņu polarizācija. Akumulatora uzlādes rezultātā tā plāksnes tiek polarizētas, t.i., maina vielu uz to virsmas un no viendabīgas (PbSO4) uz dažādām (Pb un PbO2).

Akumulators kļūst par strāvas avotu ar plāksni, kas pārklāta ar svina dioksīdu kā pozitīvo elektrodu, un tīru svina plāksni kā negatīvo elektrodu.

Uzlādes beigās elektrolīta koncentrācija palielinās, jo tajā parādās papildu sērskābes molekulas.

Šī ir viena no svina-skābes akumulatora īpašībām: tā elektrolīts nepaliek neitrāls un pats piedalās ķīmiskās reakcijās akumulatora darbības laikā.

Līdz izlādes beigām abas akumulatora plāksnes atkal tiek pārklātas ar svina sulfātu, kā rezultātā akumulators pārstāj būt par strāvas avotu. Akumulators nekad netiek nogādāts šādā stāvoklī. Sakarā ar svina sulfāta veidošanos uz plāksnēm, izlādes beigās elektrolīta koncentrācija samazinās. Ja akumulators ir uzlādēts, polarizācija var atkal izraisīt tā izlādi utt.

Kā uzlādēt akumulatoru

Ir vairāki veidi, kā uzlādēt akumulatorus. Vienkāršākā ir parastā akumulatora uzlāde, kas tiek veikta šādi. Sākotnēji 5-6 stundas tiek veikta uzlāde ar dubultu parasto strāvu, līdz katra akumulatora spriegums sasniedz 2,4 V.

Normālo uzlādes strāvu nosaka pēc formulas Aztax = Q / 16

kur Q — akumulatora nominālā jauda, ​​Ah.

Pēc tam uzlādes strāva tiek samazināta līdz normālai vērtībai un uzlāde turpinās 15-18 stundas, līdz parādās uzlādes beigu pazīmes.

Mūsdienu akumulatori

Niķeļa-kadmija vai sārma baterijas parādījās daudz vēlāk nekā svina baterijas, un salīdzinājumā ar tām ir modernāki ķīmiskās strāvas avoti.Sārma bateriju galvenā priekšrocība salīdzinājumā ar svina baterijām ir to elektrolīta ķīmiskā neitralitāte attiecībā pret plākšņu aktīvajām masām. Tāpēc sārma akumulatoru pašizlāde ir ievērojami zemāka nekā svina skābes akumulatoriem. Sārma bateriju darbības princips ir balstīts arī uz elektrodu polarizāciju elektrolīzes laikā.

Radioiekārtu darbināšanai tiek ražotas slēgtas kadmija-niķeļa baterijas, kas ir efektīvas temperatūrā no -30 līdz +50 ОC un iztur 400-600 uzlādes-izlādes ciklus. Šie akumulatori ir izgatavoti kompaktu paralēlskaldņu un disku veidā, kas sver no dažiem gramiem līdz kilogramiem.

Niķeļa-ūdeņraža baterijas tiek ražotas, lai darbinātu autonomus objektus. Niķeļa-ūdeņraža akumulatora īpatnējā enerģija ir 50-60 Wh kg-1.