Galvaninių elementų atsiradimo prielaidos. Šiek tiek istorijos. 1786 metais italų medicinos profesorius, fiziologas Luigi Aloisio Galvani atrado įdomų reiškinį: ką tik atsivėrusio varlės lavono užpakalinių kojų raumenys, pakabinti ant varinių kabliukų, susitraukdavo mokslininkui palietus juos plieniniu skalpeliu. Galvani iš karto padarė išvadą, kad tai buvo „gyvūnų elektros energijos“ apraiška.
Po Galvani mirties jo amžininkas Alessandro Volta, būdamas chemikas ir fizikas, apibūdintų ir viešai pademonstruotų realesnį įvykio mechanizmą. elektros srovė susisiekus skirtingi metalai.
Volta po daugybės eksperimentų padarys neabejotiną išvadą, kad srovė grandinėje atsiranda dėl to, kad joje yra du skirtingų metalų laidininkai, patalpinti į skystį, ir tai visai nėra „gyvulinė elektra“, kaip sako Galvani. maniau. Varlės kojų trūkčiojimas buvo srovės, susidariusios dėl skirtingų metalų (varinių kabliukų ir plieninio skalpelio) kontakto, veikimo pasekmė.
Volta parodys tuos pačius reiškinius, kuriuos Galvani pademonstravo ant negyvos varlės, bet visiškai negyvame savadarbiame elektrometro, ir 1800 metais pateiks tikslų srovės atsiradimo paaiškinimą: „antros klasės (skysčio) laidininkas yra viduryje. ir liečiasi su dviem pirmos klasės laidininkais iš dviejų skirtingų metalų... Dėl to viena ar kita kryptimi kyla elektros srovė“.
Viename iš pirmųjų eksperimentų Volta panardino dvi plokšteles – cinko ir vario – į indelį su rūgštimi ir sujungė jas viela. Po to cinko plokštė pradėjo tirpti, o ant vario plieno atsirado dujų burbuliukai. Volta pasiūlė ir įrodė, kad elektros srovė teka per laidą.
Taip buvo išrastas „Volta elementas“ – pirmasis galvaninis elementas. Patogumui Volta suteikė jai vertikalaus cilindro (kolonėlės) formą, susidedančią iš tarpusavyje sujungtų cinko, vario ir audinio žiedų, suvilgytų rūgštimi. Pusės metro aukščio voltų kolona sukūrė įtampą, kuri buvo jautri žmonėms.
Kadangi tyrimą pradėjo Luigi Galvani, vardas išlaikė jo atminimą.
Galvaninis elementas yra cheminis elektros srovės šaltinis, pagrįstas dviejų metalų ir (arba) jų oksidų sąveika elektrolite, dėl kurio uždaroje grandinėje atsiranda elektros srovė. Taigi galvaniniuose elementuose cheminė energija paverčiama elektros energija.
Galvaninės ląstelėsŠiandien
Galvaniniai elementai šiandien vadinami baterijomis. Plačiai naudojamos trijų tipų baterijos: druskos (sausos), šarminės (jos dar vadinamos šarminėmis, „šarminės“, išvertus iš anglų kalbos kaip „šarminės“) ir ličio. Jų veikimo principas toks pat kaip Volta 1800 metais: du metalai, o išorinėje uždaroje grandinėje atsiranda elektros srovė.
Akumuliatoriaus įtampa priklauso ir nuo naudojamų metalų, ir nuo elementų skaičiaus „baterijoje“. Baterijos, skirtingai nei akumuliatoriai, negali atkurti savo savybių, nes cheminę energiją, ty bateriją sudarančių reagentų (reduktorius ir oksidatorius), energiją tiesiogiai paverčia elektros energija.
Baterijoje esantys reagentai sunaudojami jo veikimo metu, o srovė palaipsniui mažėja, todėl šaltinio poveikis baigiasi reagentams visiškai sureaguojus.
Šarminiai ir druskų elementai (baterijos) plačiai naudojami įvairiems elektroniniams prietaisams, radijo įrangai, žaislams maitinti, o ličio baterijas dažniausiai galima rasti nešiojamuose medicinos prietaisuose, tokiuose kaip gliukometrai, arba skaitmeninėje įrangoje, pavyzdžiui, fotoaparatuose.
Mangano-cinko elementai, vadinami druskos baterijomis, yra „sausieji“ galvaniniai elementai, kuriuose nėra skysto elektrolito tirpalo.
Cinko elektrodas (+) yra stiklo formos katodas, o anodas yra miltelių pavidalo mangano dioksido ir grafito mišinys. Srovė teka per grafito strypą. Elektrolitas – tai amonio chlorido tirpalo pasta su krakmolu arba miltais, kad sutirštėtų, kad niekas netekėtų.
Paprastai baterijų gamintojai nenurodo tikslios druskos elementų sudėties, tačiau druskos baterijos yra pigiausios, dažniausiai naudojamos tuose įrenginiuose, kuriuose energijos suvartojimas itin mažas: laikrodžiuose, nuotolinio valdymo pultuose, elektroniniuose termometruose ir kt.
Sąvoka „nominali talpa“ retai naudojama cinko-mangano baterijoms apibūdinti, nes jų talpa labai priklauso nuo darbo režimų ir sąlygų. Pagrindiniai šių elementų trūkumai yra didelis įtampos mažėjimo greitis per visą iškrovimą ir reikšmingas tiekiamos talpos sumažėjimas didėjant iškrovimo srovei. Galutinė iškrovimo įtampa nustatoma priklausomai nuo apkrovos 0,7-1,0 V diapazone.
Svarbu ne tik iškrovos srovės dydis, bet ir apkrovos laiko grafikas. Esant pertraukiamam iškrovimui esant didelėms ir vidutinėms srovėms, baterijų našumas pastebimai padidėja, palyginti su nuolatiniu veikimu. Tačiau esant mažoms iškrovos srovėms ir mėnesių trukmės veikimo pertraukoms, jų talpa gali sumažėti dėl savaiminio išsikrovimo.
Aukščiau pateiktame grafike parodytos vidutinės druskos baterijos iškrovimo kreivės 4, 10, 20 ir 40 valandų, kad būtų galima palyginti su šarminiu akumuliatoriumi, kuris bus aptartas vėliau.
Šarminė baterija yra mangano-cinko įtampos baterija, kurioje kaip katodas naudojamas mangano dioksidas, kaip anodas – cinko milteliai, o kaip elektrolitas – šarminis tirpalas, dažniausiai kalio hidroksido pastos pavidalu.
Šios baterijos turi daug privalumų (ypač žymiai didesnės talpos, geriausias darbas adresu žemos temperatūros ir esant didelėms apkrovos srovėms).
Šarminės baterijos, palyginti su druskos baterijomis, gali tiekti daugiau srovės ilgesnį laiką. Didesnė srovė tampa įmanoma, nes cinkas čia naudojamas ne stiklo, o miltelių pavidalu su didesnis plotas kontaktas su elektrolitu. Kalio hidroksidas pastos pavidalu naudojamas kaip elektrolitas.
Būtent dėl šio tipo galvaninių elementų gebėjimo ilgą laiką tiekti didelę srovę (iki 1 A) šiandien dažniausiai yra šarminės baterijos.
Elektriniuose žaisluose, nešiojamuose Medicininė įranga, elektroniniuose įrenginiuose, fotoaparatuose – šarminės baterijos naudojamos visur. Jie tarnauja 1,5 karto ilgiau nei druskos, jei išlydis yra silpnas. Grafike rodomos iškrovos kreivės esant įvairioms srovėms, kad būtų galima palyginti su druskos akumuliatoriumi (grafikas parodytas aukščiau) 4, 10, 20 ir 40 valandų.
Ličio baterijos
Kitas gana paplitęs voltinių elementų tipas yra ličio baterijos – pavieniai neįkraunami voltiniai elementai, kuriuose kaip anodas naudojamas litis arba jo junginiai. Dėl šarminio metalo naudojimo jie turi didelį potencialų skirtumą.
Ličio elemento katodas ir elektrolitas gali būti labai skirtingi, todėl terminas „ličio elementas“ apjungia elementų grupę su ta pačia anodo medžiaga. Pavyzdžiui, kaip katodas gali būti naudojamas mangano dioksidas, anglies monofluoridas, piritas, tionilchloridas ir kt.
Ličio baterijos skiriasi nuo kitų baterijų ilgu tarnavimo laiku ir didele kaina. Priklausomai nuo pasirinkto dydžio ir naudojamos cheminės medžiagos, ličio baterija gali sukurti nuo 1,5 V (suderinama su šarminėmis baterijomis) iki 3,7 V įtampą.
Šios baterijos turi didžiausią talpą svorio vienetui ir ilgam laikui saugykla Ličio elementai plačiai naudojami šiuolaikinėje nešiojamoje elektroninėje įrangoje: laikrodžiams maitinti pagrindinės plokštės kompiuteriai, skirti nešiojamiesiems maitinti Medicininiai prietaisai, rankinis laikrodis, skaičiuotuvai, fotografijos įranga ir kt.
Aukščiau pateiktame grafike parodytos dviejų populiarių gamintojų ličio baterijų iškrovos kreivės. Pradinė srovė buvo 120 mA (vienam rezistoriui apie 24 omų).
Norint sudaryti galvaninio elemento schemą, būtina suprasti jo veikimo principą ir konstrukcines ypatybes.
Vartotojai retai atkreipia dėmesį į baterijas ir įkraunamas baterijas, nors tai yra populiariausi maitinimo šaltiniai.
Cheminiai srovės šaltiniai
Kas yra galvaninis elementas? Jo grandinė yra pagrįsta elektrolitu. Įrenginyje yra maža talpykla, kurioje yra elektrolitas, kuris adsorbuojamas separatoriaus medžiagos. Be to, dviejų galvaninių elementų diagramoje daroma prielaida, kad yra Koks tokio galvaninio elemento pavadinimas? Schema, jungianti du metalus, daro prielaidą, kad vyksta oksidacijos-redukcijos reakcija.
Paprasčiausias galvaninis elementas
Tai reiškia, kad yra dvi plokštės arba strypai, pagaminti iš skirtingų metalų, kurie panardinami į stipraus elektrolito tirpalą. Šio galvaninio elemento veikimo metu anode vyksta oksidacijos procesas, susijęs su elektronų išsiskyrimu.
Prie katodo - redukcija, lydima neigiamų dalelių priėmimo. Elektronai per išorinę grandinę perduodami oksidatoriui iš redukcijos agento.
Galvaninio elemento pavyzdys
Norint sudaryti galvaninių elementų elektronines grandines, būtina žinoti jų standartinio elektrodo potencialo vertę. Panagrinėkime vario-cinko galvaninio elemento variantą, kuris veikia vario sulfato sąveikos su cinku metu išsiskiriančios energijos pagrindu.
Šis galvaninis elementas, kurio schema bus pateikta žemiau, vadinamas Jacobi-Daniel elementu. Tai apima, kuris yra panardintas į vario sulfato tirpalą (vario elektrodas), taip pat susideda iš cinko plokštės, esančios jo sulfato tirpale (cinko elektrodas). Tirpalai liečiasi vienas su kitu, tačiau, kad jie nesusimaišytų, elemente naudojama pertvara iš porėtos medžiagos.
Veikimo principas
Kaip veikia galvaninis elementas, kurio grandinė yra Zn ½ ZnSO4 ½½ CuSO4 ½ Cu? Jo veikimo metu, kai elektros grandinė yra uždaryta, vyksta metalinio cinko oksidacijos procesas.
Jo sąlyčio su druskos tirpalu paviršiuje stebimas atomų virsmas Zn2+ katijonais. Procesą lydi „laisvųjų“ elektronų, judančių išorine grandine, išleidimas.
Reakciją, vykstančią ant cinko elektrodo, galima pavaizduoti taip:
Metalo katijonų redukcija atliekama ant vario elektrodo. Neigiamos dalelės, kurios čia patenka iš cinko elektrodo, susijungia su vario katijonais, nusodindamos jas metalo pavidalu. Šis procesas atrodo taip:
Sudėjus dvi aukščiau aptartas reakcijas, gautume apibendrintą lygtį, apibūdinančią cinko-vario galvaninio elemento veikimą.
Cinko elektrodas tarnauja kaip anodas, o varis - kaip katodas. Šiuolaikiniai galvaniniai elementai ir akumuliatoriai reikalauja naudoti vieną elektrolito tirpalą, o tai praplečia jų taikymo sritį ir daro jų darbą patogesnį ir patogesnį.
Galvaninių elementų tipai
Labiausiai paplitę yra anglies-cinko elementai. Jie naudoja pasyvų anglies srovės kolektorius, kuris liečiasi su anodu, kuris yra mangano oksidas (4). Elektrolitas yra amonio chloridas, naudojamas pastos pavidalu.
Jis neplinta, todėl pats galvaninis elementas vadinamas sausu. Jo ypatybė yra galimybė „atsigauti“ eksploatacijos metu, o tai teigiamai veikia jų veikimo laikotarpį. Tokie galvaniniai elementai turi mažą kainą, bet mažą galią. Temperatūrai nukritus, jie mažina savo efektyvumą, o kylant temperatūrai elektrolitas palaipsniui išdžiūsta.
Šarminėms ląstelėms reikia naudoti šarminį tirpalą, todėl jos turi nemažai pritaikymo sričių.
Ličio elementuose aktyvus metalas veikia kaip anodas, o tai teigiamai veikia tarnavimo laiką. Litis yra neigiamas, todėl mažų matmenų tokie elementai turi maksimalią vardinę įtampą. Tarp tokių sistemų trūkumų yra didelė kaina. Ličio energijos šaltinių atidarymas yra sprogus.
Išvada
Bet kurio galvaninio elemento veikimo principas pagrįstas redokso procesais, vykstančiais katode ir anode. Priklausomai nuo naudojamo metalo ir pasirinkto elektrolito tirpalo, keičiasi elemento tarnavimo laikas, vardinės įtampos vertė. Šiuo metu paklausūs yra ličio ir kadmio galvaniniai elementai, kurių tarnavimo laikas yra gana ilgas.
Mažos galios elektros energijos šaltiniai
Galvaniniai elementai ir baterijos naudojami nešiojamai elektros ir radijo įrangai maitinti.
Galvaninės ląstelės- tai pavieniai veiksmo šaltiniai, baterijos- daugkartinio naudojimo šaltiniai.
Paprasčiausias galvaninis elementas
Paprasčiausias elementas gali būti pagamintas iš dviejų juostelių: vario ir cinko, panardintų į vandenį, šiek tiek parūgštintą sieros rūgštimi. Jei cinkas yra pakankamai grynas, kad jo nebūtų vietinės reakcijos, jokių pastebimų pokyčių neįvyks, kol varis ir cinkas nebus sujungti viela.
Tačiau juostelės turi skirtingą potencialą viena kitos atžvilgiu, o jas sujungus laidu, joje atsiras a. Vykstant šiam veiksmui, cinko juostelė palaipsniui ištirps, o šalia vario elektrodo susidarys dujų burbuliukai, kurie kaupsis ant jo paviršiaus. Šios dujos yra vandenilis, susidaręs iš elektrolito. Elektros srovė iš varinės juostos per laidą teka į cinko juostą, o iš jos per elektrolitą atgal į varį.
Palaipsniui elektrolito sieros rūgštis pakeičiama cinko sulfatu, susidariusiu iš ištirpusios cinko elektrodo dalies. Dėl to sumažėja elemento įtampa. Tačiau dar didesnį įtampos kritimą sukelia dujų burbuliukų susidarymas ant vario. Abu šie veiksmai sukelia „poliarizaciją“. Tokie elementai praktiškai neturi praktinės reikšmės.
Svarbūs galvaninių elementų parametrai
Galvaninių elementų teikiamos įtampos dydis priklauso tik nuo jų tipo ir konstrukcijos, t.y. nuo elektrodų medžiagos ir elektrolito cheminės sudėties, bet nepriklauso nuo elementų formos ir dydžio.
Srovės, kurią gali pagaminti galvaninis elementas, kiekį riboja jo vidinė varža.
Labai svarbi savybė galvaninis elementas yra . Elektrinė talpa – elektros energijos kiekis, kurį galvaninis arba akumuliatoriaus elementas gali tiekti per visą savo veikimo laiką, t. y. iki galutinio iškrovimo.
Elemento suteikta talpa nustatoma padauginus iškrovos srovės stiprumą, išreikštą amperais, iš laiko valandomis, per kurį elementas buvo išsikrovęs iki visiško iškrovimo pradžios. Todėl elektrinė talpa visada išreiškiama ampervalandomis (A x h).
Pagal elemento talpą taip pat galite iš anksto nustatyti, kiek valandų jis veiks, kol visiškai išsikraus. Norėdami tai padaryti, turite padalyti talpą iš leistinos šio elemento iškrovos srovės.
Tačiau elektrinė talpa nėra griežtai pastovi vertė. Jis kinta gana plačiose ribose, priklausomai nuo elemento veikimo sąlygų (režimo) ir galutinės iškrovos įtampos.
Jei elementas iškraunamas maksimalia srove ir be pertrūkių, jis išduos žymiai mažiau talpos. Priešingai, kai tas pats elementas iškraunamas mažesne srove ir su dažnomis ir santykinai ilgomis pertraukomis, elementas atiduos visą savo pajėgumą.
Kalbant apie galutinės iškrovos įtampos poveikį elemento talpai, reikia turėti omenyje, kad galvaninio elemento iškrovimo metu jo darbinė įtampa nelieka tame pačiame lygyje, o palaipsniui mažėja.
Įprasti galvaninių elementų tipai
Dažniausiai naudojami galvaniniai elementai yra mangano-cinko, mangano-oro, cinko-oro 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 laikas esant temperatūrai aplinką nuo -20 iki -60 o C nuo 7 iki 340 val.
Sausų mangano-cinko 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 pradinė įtampa yra 1,22–1,25 V, o veikimo laikas – nuo 24 iki 55 valandų.
Sausi gyvsidabrio-cinko elementai turi ilgiausią garantuotą galiojimo laiką – siekia 30 mėnesių.
Tai antriniai galvaniniai elementai.Skirtingai nuo galvaninių elementų, jų nėra cheminiai procesai nekyla.
Kad akumuliatoriuje prasidėtų cheminės reakcijos, susijusios su elektros krūvių judėjimu, būtina pakeisti cheminė sudėtis jo elektrodai (ir iš dalies elektrolitas). Šis elektrodų cheminės sudėties pokytis atsiranda veikiant elektros srovei, praeinamai per akumuliatorių.
Todėl norint, kad akumuliatorius gamintų elektros srovę, pirmiausia jis turi būti „įkrautas“ nuolatine elektros srove iš kokio nors išorinio srovės šaltinio.
Baterijos taip pat palankiai skiriasi nuo įprastų galvaninių elementų tuo, kad išsikrovus jas galima vėl įkrauti. At gera priežiūra už jų ir pas normaliomis sąlygomis Veikimo metu akumuliatoriai gali atlaikyti iki kelių tūkstančių įkrovimų ir iškrovimų.
Baterijos įrenginys
Šiuo metu praktikoje dažniausiai naudojamos švino ir kadmio-nikelio baterijos. Pirmiesiems elektrolitas yra sieros rūgšties tirpalas, o antrajam – šarmų tirpalas vandenyje. Švino baterijos dar vadinamos rūgštinėmis, o nikelio-kadmio baterijomis – šarminėmis.
Baterijų veikimo principas pagrįstas elektrodų poliarizacija. Paprasčiausias rūgšties akumuliatorius sukonstruotas taip: tai dvi švino plokštės, panardintos į elektrolitą. Kaip rezultatas cheminė reakcija pakaitinės plokštės yra padengtos nedidele švino sulfato PbSO4 danga, kaip matyti iš formulės Pb + H 2 SO 4 = PbSO 4 + H 2.
Rūgšties akumuliatoriaus įtaisas
Tokia plokščių būsena atitinka išsikrovusią bateriją. Jei akumuliatorius dabar įjungtas įkrovimui, ty prijungtas prie nuolatinės srovės generatoriaus, tada dėl elektrolizės joje prasidės plokščių poliarizacija. Įkraunant akumuliatorių, jo plokštės poliarizuojasi, t.y. keičia savo paviršiaus medžiagą, o iš homogeniškos (PbSO 4) virsta nepanašiomis (Pb ir Pb O 2).
Baterija tampa srovės šaltiniu, o jos teigiamas elektrodas yra plokštė, padengta švino dioksidu, o neigiamas elektrodas yra švari švino plokštė.
Įkrovimo pabaigoje elektrolito koncentracija didėja, 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.
Iškrovimo pabaigoje 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 iškrovos pabaigoje sumažėja. Jei įkraunate bateriją, vėl galite sukelti poliarizaciją, kad vėl išsikrautumėte ir pan.
Yra keletas būdų, kaip įkrauti baterijas. Paprasčiausias yra įprastas akumuliatoriaus įkrovimas, kuris vyksta taip. Iš pradžių 5–6 valandas įkraunama dviguba įprasta srove, kol kiekvieno akumuliatoriaus bloko įtampa pasiekia 2,4 V.
Normali įkrovimo srovė nustatoma pagal formulę I įkrovimas = Q/16
Kur Q - nominali akumuliatoriaus talpa, Ah.
Po to įkrovimo srovė sumažinama iki normalioji vertė ir toliau krauti bei tekėti 15–18 valandų, kol pasirodys įkrovimo pabaigos ženklai.
Šiuolaikinės baterijos
Kadmio-nikelio arba šarminės baterijos atsirado daug vėliau nei švino baterijos ir, palyginti su jais, yra pažangesni cheminės srovės šaltiniai. Pagrindinis šarminių baterijų pranašumas prieš švino baterijas yra jų elektrolito cheminis neutralumas plokščių aktyviųjų masių atžvilgiu. Dėl šios priežasties šarminių baterijų savaiminis išsikrovimas yra daug mažesnis nei švino baterijų. Šarminių baterijų veikimo principas taip pat pagrįstas elektrodų poliarizacija elektrolizės metu.
Radijo ryšio įrangai maitinti gaminamos sandarios kadmio-nikelio baterijos, kurios veikia nuo -30 iki +50 o C temperatūroje ir gali atlaikyti 400 - 600 įkrovimo-iškrovimo ciklų. Šios baterijos yra pagamintos kompaktiškų gretasienių ir diskų, kurių masė yra nuo kelių gramų iki kilogramų, pavidalu.
Jie gamina nikelio-vandenilio baterijas, skirtas maitinti autonominiams objektams. Nikelio-vandenilio akumuliatoriaus savitoji energija yra 50 - 60 Wh kg -1.
Galvaninis elementas yra cheminis elektros srovės šaltinis, pagrįstas dviejų metalų ir (arba) jų oksidų sąveika elektrolite, pavadintas italų mokslininko Luigi Galvani vardu.
Vėliau mokslininkas iš vario-cinko elementų surinko bateriją, kuri vėliau buvo pavadinta Volto kolona (žr. pav.). Jį sudarė kelios dešimtys cinko ir vario apskritimų, sulenktų poromis ir atskirtų rūgštyje suvilgytu audiniu. Vėliau šį išradimą savo tyrimuose naudojo kiti mokslininkai. Pavyzdžiui, 1802 m. rusų akademikas V. V. Petrovas suprojektavo milžinišką 2100 elementų bateriją, kuri sukūrė apie 2500 voltų įtampą ir buvo panaudota galingam elektros lankui, kuris sukūrė tokį. aukštos temperatūros kurie gali išlydyti metalus.
Yra ir kitų konstrukcijų galvaninių elementų. Panagrinėkime kitą vario-cinko galvaninį elementą, bet tą, kuris veikia naudojant cheminės reakcijos tarp cinko ir vario sulfato tirpalo energiją (Jacobi-Daniel elementas). Šis elementas susideda iš vario plokštės, panardintos į vario sulfato tirpalą, ir cinko plokštės, panardintos į cinko sulfato tirpalą (žr. pav.). Abu tirpalai liečiasi vienas su kitu, tačiau, kad nesusimaišytų, jie atskiriami membranine pertvara, pagaminta iš porėtos medžiagos.
Kitas galvaninių elementų tipas yra vadinamieji „sausieji“ mangano-cinko Leclanche elementai (žr. pav.). Vietoj skysto elektrolito tokioje ląstelėje naudojama gelio pavidalo amoniako ir krakmolo pasta. Kad drėgmė išgaruotų kuo mažiau, tokio elemento viršus užpildomas vašku arba derva su maža skylute dujoms pasišalinti. Paprastai Leclanche elementai gaminami cilindriniuose puodeliuose, kurie vienu metu tarnauja ir kaip neigiamas elektrodas, ir kaip indas.
Visi cheminiai srovės šaltiniai (galvaniniai elementai ir iš jų pagaminti akumuliatoriai) skirstomi į dvi grupes – pirminius (vienkartinius) ir antrinius (daugkartinius arba grįžtamuosius). Pirminiuose srovės šaltiniuose (bendrinėje kalboje - baterijose) cheminiai procesai vyksta negrįžtamai, todėl jų įkrova negali būti atkurta. Antriniai cheminiai srovės šaltiniai yra baterijos, jų įkrovimas gali būti atkurtas. Plačiai naudojamų akumuliatorių įkrovimo-iškrovimo ciklas gali būti kartojamas apie 1000 kartų.
Baterijos turi skirtingą įtampą ir talpą. Pavyzdžiui, tradicinių šarminių baterijų vardinė įtampa yra apie 1,5 V, o modernesnių ličio baterijų – apie 3 V. Elektros talpa priklauso nuo daugelio faktorių: elementų skaičiaus baterijoje, įkrovimo lygio, aplinkos temperatūros, išjungimo srovė (prie kurios prietaisas neveikia net esant įkrovimui). Pavyzdžiui, fotoaparate nebeveikianti baterija dažnai ir toliau veikia laikrodyje ar nuotolinio valdymo pulte.
Elektros kiekis (įkrovimas) akumuliatoriuose matuojamas ampervalandėmis. Pavyzdžiui, jei akumuliatoriaus įkrova yra 1 ampervalandė, o jo maitinamam elektros įrenginiui reikalinga 200 mA srovė, tada akumuliatoriaus veikimo laikas apskaičiuojamas taip: 1 Ah / 0,2 A = 5 valandos.
Technologijų pažanga padidino miniatiūrinių baterijomis maitinamų prietaisų įvairovę. Daugeliui jų reikėjo galingesnių baterijų, nors jie buvo gana kompaktiški. Ličio baterijos yra atsakymas į šį poreikį: ilgas terminas saugojimas, didelis patikimumas ir puikus veikimas plačiame temperatūrų diapazone. Šiandien pažangiausi yra ličio jonų energijos šaltiniai. Šios technologijos potencialas dar nėra visiškai atskleistas, tačiau artimiausios perspektyvos yra susijusios su jomis.
Ypatingą vertę technologijose turi nikelio-kadmio baterijos, kurias dar 1899 metais išrado švedų mokslininkas W. Jungneris. Tačiau tik XX amžiaus viduryje inžinieriai atėjo į beveik moderni schema tokios sandarios baterijos. Dėl savo kompaktiškumo ir savarankiškumo, įkraunamos baterijos naudojami automobiliuose, traukiniuose, kompiuteriuose, telefonuose, fotoaparatuose, vaizdo kamerose, skaičiuotuvuose ir kt.
Pagrindinės akumuliatoriaus charakteristikos yra talpa ir maksimali srovė. Akumuliatoriaus talpa ampervalandėmis yra lygi didžiausios srovės ir išsikrovimo trukmės sandaugai. Pavyzdžiui, jei baterija 10 valandų gali gaminti 80 mA srovę, tada talpa yra: 80 mA · 10 h = 800 mAh (arba tarptautiniais pavadinimais 800 mAh, žr. pav.).
Kuznecova Alla Viktorovna (Samara)
Galvaninis elementas yra cheminis elektros srovės šaltinis, kuriame vyksta tiesioginis cheminės energijos pavertimas elektros energija. Todėl jis yra. Išvaizda Dažniausiai pasitaikančios baterijos parodytos 1 paveiksle.
1 pav. Pirštų tipo galvaninių elementų išvaizda
Yra druskos (sausos), šarminės ir ličio ląstelės. Galvaniniai elementai dažnai vadinami baterijomis, tačiau šis pavadinimas yra neteisingas, nes... Baterija yra kelių vienodų įrenginių jungtis. Pavyzdžiui, nuosekliai sujungus tris galvaninius elementus, gaunama plačiai naudojama 4,5 volto baterija.
Galvaninio elemento veikimo principas pagrįstas dviejų metalų sąveika per elektrolitą, dėl kurios uždaroje grandinėje susidaro elektros srovė. Įtampa priklauso nuo naudojamų metalų. Kai kurie iš šių cheminių srovės šaltinių yra išvardyti 1 lentelėje.
| Srovės šaltinių tipai | Katodas | Elektrolitas | Anodas | Įtampa, IN |
|---|---|---|---|---|
| Manganas-cinkas | MnO2 | KOH | Zn | 1,56 |
| Manganas-alavas | MnO2 | KOH | Sn | 1,65 |
| Manganas-magnis | MnO2 | MgBr 2 | Mg | 2,00 |
| Švinas-cinkas | PbO2 | H2SO4 | Zn | 2,55 |
| Švinas-kadmis | PbO2 | H2SO4 | Cd | 2,42 |
| Švinas-chloras | PbO2 | HClO4 | Pb | 1,92 |
| Gyvsidabris-cinkas | HgO | KOH | Zn | 1,36 |
| Gyvsidabris-kadmis | HgO2 | KOH | Cd | 1,92 |
| Gyvsidabrio-alavo oksidas | HgO2 | KOH | Sn | 1,30 |
| Chromas-cinkas | K2Cr2O7 | H2SO4 | Zn | 1,8-1,9 |
Pagrindiniai parduodami produktai yra mangano-cinko elementai, kurie vadinami druskos elementais. Baterijų gamintojai paprastai nenurodo jų cheminės sudėties. Tai yra pigiausi įtampos elementai ir gali būti naudojami tik mažo suvartojimo įrenginiuose, pavyzdžiui, laikrodžiuose, elektroniniai termometrai arba nuotolinio valdymo pulteliais. 2 paveiksle parodyta druskos akumuliatoriaus išvaizda ir vidinė struktūra.
2 pav. „Sauso“ galvaninio elemento išvaizda ir struktūra
Šarminės mangano baterijos yra vienodai paplitusios. Parduodant jie vadinami šarminiais, nesivargindami išversti pavadinimo į rusų kalbą. Vidinė šarminės įtampos elemento struktūra parodyta 2 paveiksle.
3 pav. Šarminės įtampos elemento vidinės dalys ir struktūra
Šie cheminiai srovės šaltiniai turi didesnę našumą (2...3 A/h) ir jie gali suteikti daugiau srovės ilgą laiką Didesnė srovė galima, nes... cinkas naudojamas ne stiklo, o miltelių pavidalu, kuris turi didesnį kontakto su elektrolitu plotą. Kalio hidroksidas naudojamas kaip elektrolitas. Būtent dėl šio tipo galvaninių elementų gebėjimo ilgą laiką tiekti didelę srovę (iki 1 A) ji šiandien yra labiausiai paplitusi.
Kitas gana paplitęs galvaninių elementų tipas yra ličio baterijos. Dėl šarminio metalo naudojimo jie turi didelį potencialų skirtumą. Ličio elementų įtampa yra 3 V. Tačiau rinkoje yra ir 1,5 V ličio baterijų. Šios baterijos turi didžiausią talpą svorio vienetui ir ilgą galiojimo laiką. Jie daugiausia naudojami kompiuterių pagrindinių plokščių ir fotografijos įrangos laikrodžiams maitinti. Trūkumas yra didelė kaina. Ličio baterijų išvaizda parodyta 4 pav.
4 pav. Ličio baterijų išvaizda
Reikėtų pažymėti, kad beveik visi galvaniniai elementai gali būti įkrauti iš maitinimo šaltinių. Išimtis yra ličio baterijas, kurios gali sprogti, jei bandysite jas įkrauti.
Skirtas naudoti įvairių įrenginių baterijos buvo standartizuotos. Dažniausiai pasitaikantys galvaninių elementų korpusų tipai pateikti 2 lentelėje.
Šiuo metu yra paruoštų baterijų skyrelių, skirtų akumuliatoriams montuoti radijo elektroninių prietaisų korpuse. Jų naudojimas gali žymiai supaprastinti radijo elektroninio prietaiso korpuso kūrimą ir sumažinti jo gamybos sąnaudas. Kai kurių iš jų išvaizda parodyta 5 pav.
5 pav. Galvaninių baterijų tvirtinimo skyrių išvaizda
Pirmasis akumuliatorių pirkėjus nerimaujantis klausimas yra jų veikimo laikas. Tai priklauso nuo galvaninio elemento gamybos technologijos. Tipinės išėjimo įtampos priklausomybės nuo baterijų gamybos technologijos grafikas parodytas 5 pav.
6 pav. Akumuliatoriaus veikimo laiko grafikas priklausomai nuo gamybos technologijos esant 1 A iškrovos srovei
Įvairių įmonių baterijų bandymų, atliktų svetainėje http://www.batteryshowdown.com/, rezultatai pateikti 7 paveiksle.
7 pav. Įvairių firmų akumuliatorių veikimo laiko diagrama esant 1 A iškrovos srovei
Ir galiausiai, padarykime išvadas, kur kokio tipo baterijas yra prasminga naudoti, nes pirkdami baterijas visada stengiamės gauti maksimalią naudingas poveikis minimaliomis sąnaudomis.
- Nereikėtų pirkti baterijų kioskuose ar turguje. Paprastai jie ten guli gana ilgai, todėl dėl savaiminio išsikrovimo praktiškai praranda savo pajėgumą. Tai gali būti netgi pavojinga įrangai, nes... Naudojant pigius galvaninius elementus (baterijas), iš jų gali nutekėti elektrolitas. Tai sukels įrangos gedimą! Geriau pirkti parduotuvėse su gera prekių apyvarta.
- Šarminės (šarminės) baterijos turėtų būti naudojamos įrenginiuose, kurie naudoja gana didelę srovę, pavyzdžiui, žibintuvėliuose, grotuvuose ar fotoaparatuose. Mažos galios įrenginiuose jų veikimo laikas nesiskiria nuo druskos baterijų.
- Druska („paprasti“, anglies-cinko galvaniniai elementai) puikiai veiks laikrodžiuose, IR nuotolinio valdymo pultuose ir kituose įrenginiuose, skirtuose veikti su vienu baterijų komplektu metus ar ilgiau. Tačiau jie negali dirbti šaltyje.
- Šiandien ekonomiškiausios baterijos yra AA baterijos. Tiek maži (AAA), tiek dideli (R20), vienodos talpos, yra brangesni. Šiuolaikinių R20 baterijų talpa yra beveik tokia pati kaip AA baterijų, ir tai yra tris kartus dideli dydžiai!
- Nekreipkite dėmesio į populiarius prekės ženklus. Galvaniniai elementai iš Duracell ir Energizer kainuoja pusantro ar du kartus brangiau nei kitų kompanijų akumuliatoriai ir tuo pačiu veikia maždaug tiek pat
Panašūs straipsniai
