Источники питания, гальванические элементы

В этой статье будет рассмотрены понятия: источник питания, а точнее источник питания постоянного тока. Алессандро ВольтК ним отнесем гальванический элемент, который изобрел Вольт, свинцовый аккумулятор, который до наших дней устанавливается в автомобили, устаревающий кадмиево-никелевый аккумулятор, который все еще выпускается и служит источником питания для многих устройств.

Гальванический элемент

Простейшим источником питания является первичный (гальванический) элемент Вольта. Источник электрического тока  (первичный элемент) состоит из двух электродов — пластин: цинковой и медной, опущенных в водный раствор серной кислоты. Схема гальванического элемента:
схема гальванического элемента
Под действием воды, часть молекул серной кислоты распадается на положительные (2Н) и отрицательные (S04) ионы. Цинковая пластина, опущенная в электролит под действием химических сил растворяется в электролите. Положительные ионы цинка переходят в раствор и соединяются с отрицательными ионам кислотного остатка (S04), образуя нейтральные молекулы цинкового купороса (ZnSO4). Оставшиеся от молекулы цинка свободные электроны создают избыточный отрицательный заряд на цинковой пластине а в электролите, наоборот, возникает избыточный положительный заряд — положительные ионы водорода (ввиду нейтрализации части отрицательных ионов).

В результате этого процесса в пограничном слое соприкосновения цинковой пластинки с электролитом возникает электрическое поле, направленное от положительного заряженного электролита к отрицательно заряженной цинковой пластинке, и появляется разность потенциалов. Силы электрического поля противодействуют переходу положительных ионов цинка в электролит. Растворение цинка прекращается, когда силы электрического поля уравновесят химические.

Медный электрод, опущенный в электролит, почти не растворяется. Между электролитом и медным электродом почти отсутствует электрическое поле и, следовательно, возникает ничтожная разность потенциалов. Таким образом, потенциал электрода из меди практически равен потенциалу электролита.
В электротехнике при изучении электрических цепей не рассматривают каждый раз явлений, происходящих внутри первичного элемента или другого источника питания, а характеризуют его электродвижущей силой (обозначение Е). Величина электродвижущей силы равна напряжению на зажимах разомкнутого первичного элемента, т. е. когда внешний участок цепи в виде нагрузки не присоединен или, как говорят, источник не нагружен.

Электродвижущая сила (ЭДС) является одной из главных характеристик источника питания.

ЭДС гальванического элемента, как и ток, имеет определенное направление. Направление ЭДС в источнике питания принимается от отрицательного зажима к положительному, т. е., совпадающее с направлением тока внутри источника. Стандартная ЭДС гальванического элемента (первичного элемента Вольта) составляет около 1,1 в.

Присоединим к зажимам гальванического элемента потребитель электрической энергии, получим, простейшую электрическую цепь.
Работа гальванического элемента под нагрузкой
Под действием э. д. с. во внешнем участке цепи возникает ток, т. е. движение электронов от отрицательного зажима к положительному зажиму, в связи с чем уменьшаются по величине избыточные заряды на электродах источника питания, при этом нарушается равновесие электрических и химических сил и под влиянием последних ионы цинка снова переходят в раствор, а положительные ионы водорода приближаются к медному электроду, отнимают от него свободные электроны и превращаются в нейтральные молекулы водорода.

Медный электрод оказывается отделенным от электролита непроводящим слоем водорода. Это явление носит название поляризации. Чтобы избежать поляризации, в состав элемента вводятся вещества (деполяризаторы), легко отдающие кислород, например перекись марганца. Превращая водород в воду, деполяризаторы освобождают электрод от непроводящего слоя водорода.

В настоящее время на электротехнических заводах выпускаются первичные элементы, называемые сухими элементами. Внешний вид сухого элемента показан рисунке.
Сухой гальванический элемент
Положительным электродом элемента служит угольный стержень, расположенный внутри цинковой цилиндрической коробочки, которая является отрицательным электродом. Вокруг угольного электрода помещен деполяризатор, состоящий из мелких частиц перекиси марганца, графита и сажи. Цинковая коробочка наполнена электролитом из раствора нашатыря, сгущенного пшеничной пли картофельной мукой. ЭДС гальванического элемента составляет около 1,5 в.

Наибольший ток, который можно допустить в элементе, называется номинальным разрядным током, а количество электричества, которое можно получить от элемента за время его работы, называется его емкостью и измеряется в ампер — часах (ач):
1 ач = 3600 а сек = 3600 к.

Процессы, происходящие в первичных элементах, являются необратимыми, но существуют другие гальванические элементы, в которых при пропускании по ним электрического тока от постороннего генератора (как говорят, при зарядке) запасается химическая энергия. Такие гальванические элементы называются аккумуляторами.

До настоящего времени применялись два вида аккумуляторов — свинцовые и кадмие-никелевые или щелочные. В настоящее время разновидности аккумуляторов увеличились.

Работа гальванического элемента видео:

Свинцовые аккумуляторы

Свинцовый аккумулятор состоит из двух блоков свинцовых пластин, опущенных в сосуд с водным раствором серной кислоты (рисунок ниже).

Как устроен свинцовый аккумулятор

Положительные пластины, спаянные между собой при помощи свинцовой полосы, располагаются между отрицательными пластинами, также спаянными между собой. Каждая пластина состоит из свинцового каркаса, в который впрессована активная масса. Пластины после изготовления подвергаются специальной электролитической обработке — формированию.
Устройство свинцового аккумулятора

У готового заряженного аккумулятора активная масса положительной пластины — анода состоит из перекиси свинца (PbO2), а отрицательной — катода из губчатого свинца (Pb). Электролитом служит 25—34-процентный раствор серном кислоты (H2SO4).

Электродвижущая сила заряженного аккумулятора составляет около 2,2 в.

Аккумулятор, замкнутый на нагрузку, является источником питания; такой режим работы аккумулятора называется разрядом аккумулятора.

При разряде напряжение свинцового аккумулятора быстро падает с 2,2в до 2,0в, а затем медленно до 1,8 в. При дальнейшем падении напряжения разряд следует прекращать, так как иначе аккумулятор можно повредить. Происходит сульфатация пластин.
При зарядке через аккумулятор пропускается ток от постороннего источника питания (как правило, зарядное устройство), причем анод аккумулятора присоединяется к плюсу источника, а катод — к минусу.

Зарядка свинцового аккумулятора происходит от специального зарядного устройства. При заряде напряжение быстро поднимается до 2,2 в, а затем медленно до 2,3 в. Когда процесс заряда закончится, начинается выделение водорода, который в виде пузырьков поднимается на поверхность раствора (кипение аккумулятора). В это время напряжение повышается до 2,6—2,7 в и заряд следует прекратить.

Наибольшее количество электричества Q, которое можно получить от заряженного аккумулятора, как и у первичного элемента, называется его емкостью и измеряется в ампер-часах (а ч).

Отношение отданного при разряде количества электричества к полученному при зарядке называется коэффициентом отдачи:
Коэффициент отдачи аккумулятора

Коэффициент отдачи свинцового аккумулятора составляет 0,9—0,95.

Отношение полученной от аккумулятора при разряде энергии (обозначение Wp) к затраченной при зарядке (Wз) называется коэффициентом полезного действия (КПД):
КПД Коэффициент полезного действия аккумулятора

Коэффициент полезного действия свинцового аккумулятора составляет 0,75—0,8.

Свинцовые аккумуляторы быстро теряют емкость или даже приходят в полную негодность при неправильной эксплуатации. Батарея аккумуляторов должна быть всегда чистой, а вводные зажимы для предохранения от окисления покрыты тонким слоем технического вазелина.

Через каждые 6—10 дней нужно проверять уровень электролита и степень заряженности аккумуляторов.

Свинцовые аккумуляторы должны периодически заряжаться. Зарядка свинцового аккумулятора осуществляется с помощью зарядного устройства при соблюдении определенного зарядного тока, который зависит от емкости свинцового аккумулятора. Хранение незаряженных аккумуляторов недопустимо.

Основное повреждение (сульфатация) свинцового аккумулятора заключается в переходе мелкокристаллического сульфата свинца в нерастворимые химические соединения, которые при заряде не переходят в перекись свинца (РЬО2) и свинец (РЬ).

Главные причины сульфатации аккумуляторов:
1) неправильное включение аккумуляторов на заряд;
2) систематический недозаряд аккумулятора;
3) длительное хранение незаряженного аккумулятора;
4) слишком высокая плотность электролита (больше 1,32);
5) понижение уровня электролита.

Как устроен и как работает свинцово-кислотный аккумулятор видео:

Кадмиево-никелевый аккумулятор

Электроды щелочного аккумулятора выполнены в виде железных решеток с карманами, заполненными активной массой. Активная масса у положительной пластины состоит из гидрата окиси никеля Ni(OH)3, а у отрицательной — из губчатого кадмия Cd.
Никель-кадмиевые аккумуляторы
Электролитом служит 21-процентный водный раствор едкого кали (КОН).

Устройство никель-кадмиевого аккумулятора

При зарядке, как и при разрядке, концентрация электролита не изменяется. ЭДС никель кадмиевого аккумулятора составляет 1,4 в (каждой секции).
При разрядке напряжение с 1,4 в падает сначала быстро до 1,3 в, а затем медленно — до напряжения 1,15 в, при котором следует прекратить разрядку. При зарядке напряжение с 1,15 в, быстро поднявшись до 1,75 в, несколько падает, а затем медленно поднимается до 1,85 в.

Внутреннее сопротивление щелочных аккумуляторов значительно выше, чем у кислотных, поэтому, с одной стороны, они обладают более низким КПД (0,5—0,6), а с другой стороны, менее чувствительны к коротким замыканиям.
Щелочные аккумуляторы обладают большей механической прочностью, меньшим весом, чем свинцовые аккумуляторы и менее требовательны к уходу.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *