Galvaaniset kennot ja akut — laite, toimintaperiaate, tyypit

Pienitehoiset sähköenergian lähteet

Galvaanikennoja ja akkuja käytetään kannettavien sähkö- ja radiolaitteiden virtalähteenä.

Galvaaniset kennot - nämä ovat kertaluonteisten toimien lähteitä, akut — uudelleen käytettävät toimintalähteet.

Yksinkertaisin galvaaninen elementti

Yksinkertaisin elementti voidaan valmistaa kahdesta nauhasta: kuparista ja sinkistä, jotka on upotettu rikkihapolla lievästi happamaksi tehtyyn veteen. Jos sinkki on tarpeeksi puhdasta, jotta sillä ei ole paikallisia reaktioita, mitään havaittavaa muutosta ei tapahdu ennen kuin kupari ja sinkki saatetaan yhteen.

Nauhoilla on kuitenkin eri potentiaali toisiinsa nähden, ja kun ne on liitetty johdolla, ne tulevat näkyviin sähköä… Tällä toimenpiteellä sinkkinauha liukenee vähitellen ja kuparielektrodin lähelle muodostuu kaasukuplia, jotka kerääntyvät sen pinnalle. Tämä kaasu on elektrolyytin tuottamaa vetyä. Sähkövirta kulkee kuparinauhasta lankaa pitkin sinkkinauhalle ja siitä elektrolyytin kautta takaisin kupariin.

Vähitellen elektrolyytin rikkihappo korvataan sinkkisulfaatilla, joka muodostuu sinkkielektrodin liuenneesta osasta. Tämä vähentää kennon jännitettä. Vielä suuremman jännitteen pudotuksen aiheuttaa kuitenkin kaasukuplien muodostuminen kuparille. Molemmat toimet aiheuttavat "polarisaatiota". Tällaisilla esineillä ei ole juuri mitään käytännön arvoa.

Galvaanikennojen tärkeät parametrit

Galvaanisten kennojen antaman jännitteen suuruus riippuu vain niiden tyypistä ja laitteesta, eli elektrodien materiaalista ja elektrolyytin kemiallisesta koostumuksesta, mutta ei riipu kennojen muodosta ja koosta.

Galvaanisen kennon tuottamaa virtaa rajoittaa sen sisäinen vastus.

Erittäin tärkeä galvaanisen kennon ominaisuus on sähköinen kapasiteetti… Sähkökapasiteetilla tarkoitetaan sähkön määrää, jonka galvaaninen tai varastokenno pystyy toimittamaan koko toimintansa ajan eli loppupurkauksen alkuun saakka.

Kennon antama kapasiteetti määritetään kertomalla ampeereina ilmaistu purkausvirran voimakkuus tuntimäärällä, jonka aikana kenno purkautui täyteen purkautumisen alkamiseen. Siksi kapasiteetti ilmaistaan ​​aina ampeeritunteina (Ah).

Kennon kapasiteetin arvon perusteella on myös mahdollista määrittää etukäteen, kuinka monta tuntia se toimii ennen täyden purkauksen alkamista. Tätä varten sinun on jaettava kapasiteetti tälle elementille sallitun purkausvirran voimakkuudella.

Kapasiteetti ei kuitenkaan ole täysin vakio. Se vaihtelee melko suurissa rajoissa riippuen elementin käyttöolosuhteista (tilasta) ja lopullisesta purkausjännitteestä.

Jos kenno puretaan suurimmalla virralla ja lisäksi ilman keskeytyksiä, se antaa paljon pienemmän kapasiteetin. Päinvastoin, kun sama kenno puretaan pienemmällä virralla ja toistuvin ja suhteellisen pitkiin katkoihin, kenno luovuttaa täyden kapasiteetistaan.

Mitä tulee lopullisen purkausjännitteen vaikutukseen kennokapasiteettiin, on pidettävä mielessä, että galvaanisen kennon purkauksen aikana sen käyttöjännite ei pysy samalla tasolla, vaan laskee vähitellen.

Yleisiä sähkökemiallisten kennojen tyyppejä

Yleisimmät galvaaniset kennot ovat mangaani-sinkki-, mangaani-ilma-, ilma-sinkki- ja elohopea-sinkkijärjestelmät, joissa on suolaa ja emäksisiä elektrolyyttejä. Kuivien mangaani-sinkkikennojen, joissa on suolaelektrolyyttiä, alkujännite on 1,4-1,55 V, toiminta-aika ympäristön lämpötilassa -20 - -60 О7 - 340 astetta aamulla

Kuivien sinkki-mangaani- ja sinkki-ilmakennojen, joissa on alkalista elektrolyyttiä, jännite on 0,75-0,9 V ja toiminta-aika 6-45 tuntia.

Kuivien elohopea-sinkkikennojen käynnistysjännite on 1,22–1,25 V ja toiminta-aika 24–55 tuntia.

Kuivilla elohopea-sinkkikennoilla on pisin taattu säilyvyys, jopa 30 kuukautta.

Paristot

Paristot Nämä ovat toissijaisia ​​sähkökemiallisia kennoja.Toisin kuin galvaaniset kennot, akussa ei tapahdu kemiallisia prosesseja heti asennuksen jälkeen.

Jotta akku voisi käynnistää sähkövarausten liikkeisiin liittyviä kemiallisia reaktioita, sen elektrodien (ja osittain elektrolyytin) kemiallista koostumusta on muutettava asianmukaisesti.Tämä muutos elektrodien kemiallisessa koostumuksessa tapahtuu akun läpi kulkevan sähkövirran vaikutuksesta.

Siksi, jotta akku voisi tuottaa sähkövirtaa, se on ensin "varattava" tasavirralla jostain ulkoisesta virtalähteestä.

Akut eroavat tavanomaisista galvaanisista kennoista myös siinä, että ne voidaan ladata uudelleen purkamisen jälkeen. Hyvällä hoidolla ja normaaleissa käyttöolosuhteissa akut kestävät jopa useita tuhansia lataus- ja purkulatauksia.
Akkukäyttöinen laite

Tällä hetkellä lyijy- ja kadmium-nikkeli-akkuja käytetään useimmiten käytännössä. Ensimmäisessä rikkihapon liuoksessa toimii elektrolyyttinä ja toisessa liuoksessa alkali vedessä. Lyijyakkuja kutsutaan myös happo- ja nikkeli-kadmium-alkaliparistoksi.

Paristojen toimintaperiaate perustuu elektrodien polarisaatioon elektrolyysin aikana... Yksinkertaisin happoakku on rakenteeltaan seuraava: se on kaksi elektrolyyttiin upotettua lyijylevyä. Kemiallisen substituutioreaktion seurauksena levyt peitetään ohuella lyijysulfaattipinnoitteella PbSO4, kuten kaavasta Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2 seuraa.

Happoakku laite

Tämä levyjen tila vastaa tyhjentynyttä akkua. Jos akku on nyt kytketty päälle lataamista varten, eli kytketty tasavirtageneraattoriin, levyjen polarisaatio alkaa siinä elektrolyysin vuoksi. Akun latauksen seurauksena sen levyt polarisoituvat, eli muuttavat pinnallaan olevan aineen homogeenisesta (PbSO4) erilaisiksi (Pb ja PbO2).

Akusta tulee virtalähde, lyijydioksidilla päällystetty levy positiivisena elektrodina ja puhdas lyijylevy negatiivisena elektrodina.

Latauksen loppuun mennessä elektrolyytin pitoisuus kasvaa, koska siihen ilmestyy ylimääräisiä rikkihappomolekyylejä.

Tämä on yksi lyijyakun ominaisuuksista: sen elektrolyytti ei pysy neutraalina ja itse osallistuu kemiallisiin reaktioihin akun käytön aikana.

Purkauksen lopussa akun molemmat levyt peitetään jälleen lyijysulfaatilla, minkä seurauksena akku lakkaa olemasta virran lähde. Akkua ei koskaan saatettu tähän tilaan. Johtuen lyijysulfaatin muodostumisesta levyille, elektrolyytin pitoisuus laskee purkauksen lopussa. Jos akku on ladattu, polarisaatio voi aiheuttaa sen uudelleen purkamisen jne.

Kuinka ladata akku

Akkujen lataamiseen on useita tapoja. Yksinkertaisin on akun normaali lataus, joka tehdään seuraavasti. Aluksi 5-6 tunnin ajan lataus suoritetaan kaksinkertaisella normaalivirralla, kunnes kunkin akun jännite saavuttaa 2,4 V.

Normaali latausvirta määritetään kaavalla Aztax = Q / 16

missä Q — akun nimelliskapasiteetti, Ah.

Tämän jälkeen latausvirta lasketaan normaaliarvoon ja lataus jatkuu 15-18 tuntia, kunnes latauksen päättymisen merkkejä ilmaantuu.

Nykyaikaiset akut

Nikkeli-kadmium- tai alkaliparistot ilmestyivät paljon myöhemmin kuin lyijyakut ja ovat niihin verrattuna nykyaikaisempia kemiallisen virran lähteitä.Alkaliparistojen tärkein etu lyijyakkuihin verrattuna on niiden elektrolyytin kemiallinen neutraalisuus suhteessa levyjen aktiivisiin massaan. Siksi alkaliparistojen itsepurkautuminen on huomattavasti pienempi kuin lyijyakkujen. Alkaliparistojen toimintaperiaate perustuu myös elektrodien polarisaatioon elektrolyysin aikana.

Radiolaitteiden virtalähteeksi valmistetaan suljettuja kadmium-nikkeli-akkuja, jotka ovat tehokkaita lämpötiloissa -30 - +50 ОC ja kestävät 400 - 600 lataus-purkausjaksoa. Nämä akut on valmistettu kompakteista suuntaissärmiöistä ja levyistä, jotka painavat muutamasta grammasta kilogrammaan.

Nikkelivety-akkuja valmistetaan autonomisten esineiden virtaa varten. Nikkelivety-akun ominaisenergia on 50 - 60 Wh kg-1.