Γαλβανικά στοιχεία και μπαταρίες — συσκευή, αρχή λειτουργίας, τύποι

Πηγές ηλεκτρικής ενέργειας χαμηλής ισχύος

Γαλβανικές κυψέλες και μπαταρίες χρησιμοποιούνται για την τροφοδοσία φορητού ηλεκτρικού και ραδιοεξοπλισμού.

Γαλβανικά κύτταρα — αυτές είναι πηγές εφάπαξ ενεργειών, συσσωρευτές — επαναχρησιμοποιήσιμες πηγές ενέργειας.

Το απλούστερο γαλβανικό στοιχείο

Το απλούστερο στοιχείο μπορεί να κατασκευαστεί από δύο λωρίδες: χαλκό και ψευδάργυρο βυθισμένο σε νερό ελαφρώς οξινισμένο με θειικό οξύ. Εάν ο ψευδάργυρος είναι αρκετά καθαρός ώστε να μην έχει τοπικές αντιδράσεις, δεν θα εμφανιστεί αξιοσημείωτη αλλαγή έως ότου ο χαλκός και ο ψευδάργυρος ενωθούν.

Ωστόσο, οι λωρίδες έχουν διαφορετικό δυναμικό, η μία σε σχέση με την άλλη, και όταν συνδέονται με ένα καλώδιο, θα εμφανιστούν ηλεκτρική ενέργεια… Με αυτή την ενέργεια η λωρίδα ψευδαργύρου θα διαλυθεί σταδιακά και θα σχηματιστούν φυσαλίδες αερίου κοντά στο χάλκινο ηλεκτρόδιο, που μαζεύονται στην επιφάνειά του. Αυτό το αέριο είναι υδρογόνο που παράγεται από τον ηλεκτρολύτη. Το ηλεκτρικό ρεύμα ρέει από τη χάλκινη λωρίδα κατά μήκος του σύρματος προς τη λωρίδα ψευδαργύρου και από αυτήν μέσω του ηλεκτρολύτη πίσω στον χαλκό.

Σταδιακά, το θειικό οξύ του ηλεκτρολύτη αντικαθίσταται από θειικό ψευδάργυρο που σχηματίζεται από το διαλυμένο τμήμα του ηλεκτροδίου ψευδαργύρου. Αυτό μειώνει την τάση του στοιχείου. Ωστόσο, ακόμη μεγαλύτερη πτώση τάσης προκαλείται από το σχηματισμό φυσαλίδων αερίου στον χαλκό. Και οι δύο ενέργειες προκαλούν «πόλωση». Τέτοια αντικείμενα δεν έχουν σχεδόν καμία πρακτική αξία.

Σημαντικές παράμετροι γαλβανικών κυψελών

Το μέγεθος της τάσης που δίνουν τα γαλβανικά στοιχεία εξαρτάται μόνο από τον τύπο και τη συσκευή τους, δηλαδή από το υλικό των ηλεκτροδίων και τη χημική σύνθεση του ηλεκτρολύτη, αλλά δεν εξαρτάται από το σχήμα και το μέγεθος των στοιχείων.

Το ρεύμα που μπορεί να παρέχει ένα γαλβανικό στοιχείο περιορίζεται από την εσωτερική του αντίσταση.

Ένα πολύ σημαντικό χαρακτηριστικό της γαλβανικής κυψέλης είναι ηλεκτρική χωρητικότητα… Ηλεκτρική χωρητικότητα σημαίνει την ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που μπορεί να παρέχει ένα γαλβανικό στοιχείο ή στοιχείο αποθήκευσης καθ' όλη τη διάρκεια της λειτουργίας του, δηλαδή μέχρι την έναρξη της τελικής εκφόρτισης.

Η χωρητικότητα που δίνεται από το στοιχείο προσδιορίζεται πολλαπλασιάζοντας την ισχύ του ρεύματος εκφόρτισης, εκφραζόμενη σε αμπέρ, με το χρόνο σε ώρες κατά τις οποίες το στοιχείο αποφορτίστηκε μέχρι την έναρξη της πλήρους εκφόρτισης. Επομένως, η χωρητικότητα εκφράζεται πάντα σε αμπέρ-ώρες (Ah).

Με την τιμή της χωρητικότητας της κυψέλης, είναι επίσης δυνατό να προσδιοριστεί εκ των προτέρων πόσες ώρες θα λειτουργήσει πριν από την έναρξη της πλήρους εκφόρτισης. Για να γίνει αυτό, πρέπει να διαιρέσετε την χωρητικότητα με την ισχύ του ρεύματος εκφόρτισης που επιτρέπεται για αυτό το στοιχείο.

Ωστόσο, η χωρητικότητα δεν είναι αυστηρά σταθερή. Διαφέρει σε αρκετά μεγάλα όρια ανάλογα με τις συνθήκες λειτουργίας (τρόπο λειτουργίας) του στοιχείου και την τελική τάση εκφόρτισης.

Εάν η κυψέλη αποφορτιστεί στο μέγιστο ρεύμα και, επιπλέον, χωρίς διακοπές, θα δώσει πολύ μικρότερη χωρητικότητα. Αντίθετα, όταν το ίδιο στοιχείο εκφορτίζεται με χαμηλότερο ρεύμα και με συχνές και σχετικά μεγάλες διακοπές, το στοιχείο θα εγκαταλείψει την πλήρη χωρητικότητά του.

Όσον αφορά την επίδραση της τελικής τάσης εκφόρτισης στην χωρητικότητα του στοιχείου, θα πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι κατά την εκφόρτιση του γαλβανικού στοιχείου, η τάση λειτουργίας του δεν παραμένει στο ίδιο επίπεδο, αλλά σταδιακά μειώνεται.

Κοινοί τύποι ηλεκτροχημικών στοιχείων

Οι πιο κοινές γαλβανικές κυψέλες είναι συστήματα μαγγανίου-ψευδάργυρου, μαγγανίου-αέρα, αέρα-ψευδάργυρου και υδραργύρου-ψευδαργύρου με αλάτι και αλκαλικούς ηλεκτρολύτες. Οι ξηρές κυψέλες μαγγανίου-ψευδαργύρου με ηλεκτρολύτη άλατος έχουν αρχική τάση 1,4 έως 1,55 V, η διάρκεια λειτουργίας σε θερμοκρασία περιβάλλοντος -20 έως -60 ОΑπό 7 έως 340 το πρωί

Οι ξηρές κυψέλες ψευδαργύρου-μαγγανίου και ψευδαργύρου-αέρα με αλκαλικό ηλεκτρολύτη έχουν τάση 0,75 έως 0,9 V και χρόνο λειτουργίας από 6 ώρες έως 45 ώρες.

Οι ξηρές κυψέλες υδραργύρου-ψευδαργύρου έχουν τάση εκκίνησης 1,22 έως 1,25 V και χρόνο λειτουργίας από 24 ώρες έως 55 ώρες.

Τα ξηρά κύτταρα υδραργύρου-ψευδαργύρου έχουν τη μεγαλύτερη εγγυημένη διάρκεια ζωής έως και 30 μήνες.

Μπαταρίες

Μπαταρίες Αυτές είναι δευτερεύουσες ηλεκτροχημικές κυψέλες.Σε αντίθεση με τις γαλβανικές κυψέλες, δεν πραγματοποιούνται χημικές διεργασίες στη μπαταρία αμέσως μετά τη συναρμολόγηση.

Για να ξεκινήσει η μπαταρία χημικές αντιδράσεις που σχετίζονται με την κίνηση των ηλεκτρικών φορτίων, είναι απαραίτητο να αλλάξει κατάλληλα η χημική σύνθεση των ηλεκτροδίων της (και εν μέρει του ηλεκτρολύτη).Αυτή η αλλαγή στη χημική σύσταση των ηλεκτροδίων συμβαίνει υπό τη δράση ενός ηλεκτρικού ρεύματος που διέρχεται από την μπαταρία.

Επομένως, για να παράγει ηλεκτρικό ρεύμα μια μπαταρία, πρέπει πρώτα να «φορτιστεί» με συνεχές ηλεκτρικό ρεύμα από κάποια εξωτερική πηγή ρεύματος.

Οι μπαταρίες διαφέρουν επίσης από τις συμβατικές γαλβανικές κυψέλες στο γεγονός ότι, μετά την εκφόρτιση, μπορούν να επαναφορτιστούν. Με καλή φροντίδα και υπό κανονικές συνθήκες λειτουργίας, οι μπαταρίες μπορούν να διαρκέσουν έως και αρκετές χιλιάδες φορτίσεις και αποφορτίσεις.
Συσκευή με μπαταρία

Επί του παρόντος, οι μπαταρίες μολύβδου και καδμίου-νικελίου χρησιμοποιούνται συχνότερα στην πράξη. Στο πρώτο διάλυμα θειικού οξέος χρησιμεύει ως ηλεκτρολύτης και στο δεύτερο διάλυμα αλκαλίου σε νερό. Οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος ονομάζονται επίσης όξινες και οι μπαταρίες νικελίου-καδμίου-αλκαλίου.

Η αρχή λειτουργίας των μπαταριών βασίζεται στην πόλωση των ηλεκτροδίων κατά την ηλεκτρόλυση... Η απλούστερη μπαταρία οξέος είναι δομημένη ως εξής: είναι δύο πλάκες μολύβδου βυθισμένες σε έναν ηλεκτρολύτη. Ως αποτέλεσμα της αντίδρασης χημικής υποκατάστασης, οι πλάκες καλύπτονται με μια λεπτή επικάλυψη θειικού μολύβδου PbSO4, όπως προκύπτει από τον τύπο Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2.

Συσκευή μπαταρίας οξέος

Αυτή η κατάσταση των πλακών αντιστοιχεί σε μια αποφορτισμένη μπαταρία. Εάν η μπαταρία είναι τώρα ενεργοποιημένη για φόρτιση, δηλαδή συνδεδεμένη με μια γεννήτρια συνεχούς ρεύματος, τότε η πόλωση των πλακών θα ξεκινήσει σε αυτήν λόγω ηλεκτρόλυσης. Ως αποτέλεσμα της φόρτισης της μπαταρίας, οι πλάκες της πολώνονται, δηλαδή αλλάζουν την ουσία στην επιφάνειά τους και από ομοιογενή (PbSO4) σε διαφορετική (Pb και PbO2).

Η μπαταρία γίνεται η πηγή ρεύματος, με μια πλάκα επικαλυμμένη με διοξείδιο του μολύβδου ως θετικό ηλεκτρόδιο και μια καθαρή πλάκα μολύβδου ως αρνητικό ηλεκτρόδιο.

Μέχρι το τέλος της φόρτισης, η συγκέντρωση του ηλεκτρολύτη αυξάνεται λόγω της εμφάνισης πρόσθετων μορίων θειικού οξέος σε αυτόν.

Αυτό είναι ένα από τα χαρακτηριστικά της μπαταρίας μολύβδου-οξέος: ο ηλεκτρολύτης της δεν παραμένει ουδέτερος και ο ίδιος συμμετέχει σε χημικές αντιδράσεις κατά τη λειτουργία της μπαταρίας.

Με το τέλος της εκφόρτισης, και οι δύο πλάκες της μπαταρίας καλύπτονται και πάλι με θειικό μόλυβδο, με αποτέλεσμα η μπαταρία να παύει να είναι πηγή ρεύματος. Η μπαταρία δεν φέρεται ποτέ σε αυτήν την κατάσταση. Λόγω του σχηματισμού θειικού μολύβδου στις πλάκες, η συγκέντρωση του ηλεκτρολύτη μειώνεται στο τέλος της εκκένωσης. Εάν η μπαταρία είναι φορτισμένη, τότε μπορεί να προκληθεί ξανά η πόλωση για να την επαναφορτίσει κ.λπ.

Πώς να φορτίσετε την μπαταρία

Υπάρχουν διάφοροι τρόποι φόρτισης των μπαταριών. Το πιο απλό είναι η κανονική φόρτιση της μπαταρίας, η οποία γίνεται ως εξής. Αρχικά, για 5-6 ώρες, η φόρτιση πραγματοποιείται με διπλό κανονικό ρεύμα μέχρι η τάση κάθε μπαταρίας να φτάσει τα 2,4 V.

Το κανονικό ρεύμα φόρτισης καθορίζεται από τον τύπο Aztax = Q / 16

όπου Q — ονομαστική χωρητικότητα της μπαταρίας, Ah.

Μετά από αυτό, το ρεύμα φόρτισης μειώνεται σε κανονική τιμή και η φόρτιση συνεχίζεται για 15-18 ώρες έως ότου εμφανιστούν τα σημάδια λήξης της φόρτισης.

Σύγχρονες μπαταρίες

Οι μπαταρίες νικελίου-καδμίου ή αλκαλικών εμφανίστηκαν πολύ αργότερα από τις μπαταρίες μολύβδου και σε σύγκριση με αυτές είναι πιο σύγχρονες πηγές χημικού ρεύματος.Το κύριο πλεονέκτημα των αλκαλικών μπαταριών έναντι των μπαταριών μολύβδου έγκειται στη χημική ουδετερότητα του ηλεκτρολύτη τους σε σχέση με τις ενεργές μάζες των πλακών. Επομένως, η αυτοεκφόρτιση των αλκαλικών μπαταριών είναι σημαντικά χαμηλότερη από αυτή των μπαταριών μολύβδου-οξέος. Η αρχή λειτουργίας των αλκαλικών μπαταριών βασίζεται επίσης στην πόλωση των ηλεκτροδίων κατά την ηλεκτρόλυση.

Για την τροφοδοσία του ραδιοεξοπλισμού, παράγονται σφραγισμένες μπαταρίες καδμίου-νικελίου, οι οποίες είναι αποτελεσματικές σε θερμοκρασίες από -30 έως +50 OC και αντέχουν 400-600 κύκλους φόρτισης-εκφόρτισης. Αυτοί οι συσσωρευτές κατασκευάζονται με τη μορφή συμπαγών παραλληλεπίπεδων και δίσκων βάρους από λίγα γραμμάρια έως κιλά.

Οι μπαταρίες νικελίου-υδρογόνου παράγονται για να τροφοδοτούν αυτόνομα αντικείμενα. Η ειδική ενέργεια της μπαταρίας νικελίου-υδρογόνου είναι 50 — 60 Wh kg-1.