Galvaanielemendid ja akud — seade, tööpõhimõte, tüübid

Madala võimsusega elektrienergia allikad

Galvaanielemente ja patareisid kasutatakse kaasaskantavate elektri- ja raadioseadmete toiteks.

Galvaanilised rakud - need on ühekordsete toimingute allikad, akud — korduvkasutatavad tegevusallikad.

Lihtsaim galvaaniline element

Lihtsaima elemendi saab valmistada kahest ribast: vasest ja tsingist, mis on kastetud väävelhappega kergelt hapendatud vette. Kui tsink on piisavalt puhas, et sellel pole kohalikke reaktsioone, ei toimu märgatavaid muutusi enne, kui vask ja tsink on kokku viidud.

Kuid ribadel on erinev potentsiaal, üks teise suhtes ja juhtmega ühendatuna ilmuvad elektrit… Selle toimingu tulemusena lahustub tsinkriba järk-järgult ja vaskelektroodi lähedale tekivad gaasimullid, mis kogunevad selle pinnale. See gaas on vesinik, mida tekitab elektrolüüt. Elektrivool liigub vaskribalt mööda traati tsinkribale ja sealt läbi elektrolüüdi tagasi vaske.

Järk-järgult asendub elektrolüüdi väävelhape tsink-elektroodi lahustunud osast moodustunud tsinksulfaadiga. See vähendab elemendi pinget. Veelgi suurema pingelanguse põhjustab aga gaasimullide teke vasele. Mõlemad toimingud põhjustavad "polarisatsiooni". Sellistel esemetel pole peaaegu mingit praktilist väärtust.

Galvaaniliste elementide olulised parameetrid

Galvaanielementide poolt antava pinge suurus sõltub ainult nende tüübist ja seadmest, see tähendab elektroodide materjalist ja elektrolüüdi keemilisest koostisest, kuid ei sõltu elementide kujust ja suurusest.

Voolu, mida galvaaniline element suudab anda, piirab selle sisemine takistus.

Väga oluline galvaanilise elemendi omadus on elektriline võimsus… Elektrivõimsus tähendab elektrienergia kogust, mida galvaaniline või akuelement on võimeline tarnima kogu oma töö ajal, st kuni lõpliku tühjenemise alguseni.

Elementi antud võimsus määratakse amprites väljendatud tühjendusvoolu tugevuse korrutamisel ajaga tundides, mille jooksul element tühjenes kuni täieliku tühjenemiseni. Seetõttu väljendatakse võimsust alati ampertundides (Ah).

Lahtri võimsuse väärtuse järgi on võimalik ka eelnevalt kindlaks määrata, mitu tundi see enne täieliku tühjenemise algust töötab. Selleks peate võimsuse jagama selle elemendi jaoks lubatud tühjendusvoolu tugevusega.

Võimsus ei ole aga rangelt konstantne. See varieerub üsna suurtes piirides sõltuvalt elemendi töötingimustest (režiimist) ja lõplikust tühjenduspingest.

Kui element tühjeneb maksimaalse vooluga ja pealegi ilma katkestusteta, annab see palju väiksema võimsuse. Vastupidi, kui sama raku tühjeneb väiksema vooluga ning sagedaste ja suhteliselt pikkade katkestustega, annab element oma täisvõimsuse ära.

Mis puudutab lõpplahenduspinge mõju elemendi võimsusele, siis tuleb meeles pidada, et galvaanilise elemendi tühjenemise ajal ei jää selle tööpinge samale tasemele, vaid väheneb järk-järgult.

Levinud elektrokeemiliste rakkude tüübid

Levinumad galvaanilised elemendid on mangaan-tsink, mangaan-õhk, õhk-tsink ja elavhõbe-tsink süsteemid soola ja leeliseliste elektrolüütidega Kuivad mangaan-tsinkelemendid soola elektrolüüdiga on algpingega 1,4 kuni 1,55 V, töö kestus ümbritseva õhu temperatuuril -20 kuni -60 ° 7 kuni 340 hommikul

Leeliselise elektrolüüdiga kuiva tsink-mangaani ja tsink-õhkelementide pinge on 0,75–0,9 V ja tööaeg 6 tundi kuni 45 tundi.

Kuivade elavhõbe-tsinkelementide käivituspinge on 1,22–1,25 V ja tööaeg 24 tundi kuni 55 tundi.

Kuivatel elavhõbe-tsinkelementidel on pikim garanteeritud säilivusaeg kuni 30 kuud.

Patareid

Patareid Need on sekundaarsed elektrokeemilised elemendid.Erinevalt galvaanilistest elementidest ei toimu akus kohe pärast kokkupanekut keemilisi protsesse.

Selleks, et aku saaks alustada keemilisi reaktsioone, mis on seotud elektrilaengute liikumisega, on vaja vastavalt muuta selle elektroodide (ja osaliselt ka elektrolüüdi) keemilist koostist.See muutus elektroodide keemilises koostises toimub akut läbiva elektrivoolu mõjul.

Seetõttu tuleb selleks, et aku saaks elektrivoolu tekitada, esmalt "laadida" mõne välise vooluallika alalisvooluga.

Akud erinevad tavalistest galvaanielementidest ka selle poolest, et pärast tühjenemist saab neid uuesti laadida. Hea hoolduse ja normaalsete töötingimuste korral võivad akud kesta kuni mitu tuhat laadimis- ja tühjenemiskorda.
Akutoitel seade

Praegu kasutatakse praktikas kõige sagedamini plii- ja kaadmium-nikkelakusid. Esimeses väävelhappe lahuses toimib elektrolüüt ja teises leelise lahuses vees. Plii-happeakusid nimetatakse ka happe- ja nikkel-kaadmium-leelisakudeks.

Patareide tööpõhimõte põhineb elektroodide polarisatsioonil elektrolüüsi ajal... Lihtsaim happeaku on üles ehitatud järgmiselt: see on kaks elektrolüüti sukeldatud pliiplaati. Keemilise asendusreaktsiooni tulemusena kaetakse plaadid õhukese pliisulfaadi PbSO4 kattega, nagu tuleneb valemist Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2.

Happeaku seade

See plaatide olek vastab tühjale akule. Kui aku on nüüd laadimiseks sisse lülitatud, st ühendatud alalisvoolugeneraatoriga, algab selles elektrolüüsi tõttu plaatide polariseerumine. Aku laadimise tulemusena on selle plaadid polariseerunud, st muudavad ainet oma pinnal ja homogeensest (PbSO4) erinevaks (Pb ja PbO2).

Vooluallikaks saab aku, mille positiivseks elektroodiks on pliidoksiidiga kaetud plaat ja negatiivse elektroodina puhas pliiplaat.

Laadimise lõpuks suureneb elektrolüüdi kontsentratsioon, kuna sellesse ilmuvad täiendavad väävelhappe molekulid.

See on üks pliiaku omadusi: selle elektrolüüt ei jää neutraalseks ja ise osaleb aku töötamise ajal keemilistes reaktsioonides.

Tühjenemise lõpuks kaetakse aku mõlemad plaadid taas pliisulfaadiga, mille tulemusena lakkab aku olemast vooluallikas. Akut ei viida kunagi sellesse olekusse. Pliisulfaadi moodustumise tõttu plaatidel väheneb elektrolüüdi kontsentratsioon tühjenemise lõpus. Kui aku on laetud, võib polarisatsiooni tõttu tekkida uuesti tühjenemine jne.

Kuidas akut laadida

Akude laadimiseks on mitu võimalust. Lihtsaim on aku tavaline laadimine, mis toimub järgmiselt. Algselt 5–6 tundi laaditakse kahekordse normaalvooluga, kuni iga aku pinge jõuab 2,4 V-ni.

Tavaline laadimisvool määratakse valemiga Aztax = Q / 16

kus Q — aku nimimaht, Ah.

Pärast seda alandatakse laadimisvool normaalväärtuseni ja laadimine jätkub 15-18 tundi, kuni ilmuvad märgid laadimise lõppemisest.

Kaasaegsed akud

Nikkel-kaadmium- või leelispatareid ilmusid palju hiljem kui pliiakud ja võrreldes nendega on kaasaegsemad keemilise voolu allikad.Leelispatareide peamine eelis pliiakude ees seisneb nende elektrolüüdi keemilises neutraalsuses plaatide aktiivsete masside suhtes. Seetõttu on leelispatareide isetühjenemine oluliselt väiksem kui pliiakudel. Leelispatareide tööpõhimõte põhineb ka elektroodide polarisatsioonil elektrolüüsi ajal.

Raadioseadmete toiteks toodetakse suletud kaadmium-nikkelpatareisid, mis on efektiivsed temperatuuril -30 kuni +50 °C ja taluvad 400–600 laadimis- ja tühjenemistsüklit. Need akud on valmistatud kompaktsete rööptahukate ja ketaste kujul, mis kaaluvad mõnest grammist kuni kilogrammini.

Nikkel-vesiniku patareisid toodetakse autonoomsete objektide toiteks. Nikkel-vesinikaku erienergia on 50 — 60 Wh kg-1.