Как устроен и работает гальванический элемент. Самодельный гальванический элемент для автономного питания. Химические источники тока

Предпосылки к появлению гальванических элементов. Немного истории. В 1786 году итальянский профессор медицины, физиолог Луиджи Алоизио Гальвани обнаружил интересное явление: мышцы задних лапок свежевскрытого трупика лягушки, подвешенного на медных крючках, сокращались, когда ученый прикасался к ним стальным скальпелем. Гальвани тут же сделал вывод, что это — проявление «животного электричества».

После смерти Гальвани, его современник Алессандро Вольта, будучи химиком и физиком, опишет и публично продемонстрирует более реальный механизм возникновения электрического тока при контакте разных металлов.

Вольта, после серии экспериментов, придет к однозначному выводу о том, что ток появляется в цепи из-за наличия в ней двух проводников из разных металлов, помещенных в жидкость, и это вовсе не «животное электричество», как думал Гальвани. Подергивание лапок лягушки было следствием действия тока, возникающего при контакте разных металлов (медные крючки и стальной скальпель).

Вольта покажет те же явления, которые демонстрировал Гальвани на мертвой лягушке, но на совершенно неживом самодельном электрометре, и даст в 1800 году точное объяснение возникновению тока: «проводник второго класса (жидкий) находится в середине и соприкасается с двумя проводниками первого класса из двух различных металлов… Вследствие этого возникает электрический ток того или иного направления».

В одном из первых экспериментов Вольта опустил в банку с кислотой две пластинки — цинковую и медную — и соединил их проволокой. После этого цинковая пластина начала растворяться, а на медной стали выделяться пузырьки газа. Вольта предположил и доказал, что по проволоке протекает электрический ток.

Так был изобретён «элемент Вольта» — первый гальванический элемент. Для удобства Вольта придал ему форму вертикального цилиндра (столба), состоящего из соединённых между собой колец цинка, меди и сукна, пропитанных кислотой. Вольтов столб высотою в полметра создавал напряжение, чувствительное для человека.

Поскольку начало исследованиям положил Луиджи Гальвани, то и название сохранило память о нем в своем названии.

Гальванический элемент — это химический источник электрического тока, основанный на взаимодействии двух металлов и/или их оксидов в электролите, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока. Таким образом, в гальванических элементах химическая энергия переходит в электрическую.

Гальванические элементы сегодня

Гальванические элементы сегодня называют батарейками. Широко распространены три типа батареек: солевые (сухие), щелочные (их называют еще алкалиновыми, «alkaline» в переводе с английского - «щелочной») и литиевые. Принцип их работы — все тот же, описанный Вольта в 1800 году: два металла , и во внешней замкнутой цепи возникает электрический ток.

Напряжение батарейки зависит как от используемых металлов, так и от количества элементов в «батарейке». Батарейки, в отличие от аккумуляторов, не способны к восстановлению своих свойств, поскольку в них происходит прямое преобразование энергии химической, то есть энергии составляющих батарейку реагентов (восстановителя и окислителя), в энергию электрическую.

Входящие в батарейку реагенты, в процессе ее работы расходуются, ток при этом постепенно уменьшается, поэтому действие источника заканчивается после того как реагенты прореагируют полностью.

Щелочные и солевые элементы (батарейки) широко применяются для питания разнообразных электронных устройств, радиоаппаратуры, игрушек, а литиевые чаще всего можно встретить в портативных медицинских приборах типа глюкометров или в цифровой технике вроде фотоаппаратов.

Марганцево-цинковые элементы, которые называют солевыми батарейками — это «сухие» гальванические элементы, внутри которых нет жидкого раствора электролита.

Цинковый электрод (+) — это катод в форме стакана, а анодом служит порошкообразная смесь из диоксида марганца с графитом. Ток течет через графитовый стержень. В качестве электролита используется паста из раствора хлорида аммония с добавлением крахмала или муки для загущения, чтобы ничего не текло.

Обычно производители батареек не указывают точный состав солевых элементов, тем не менее, солевые батарейки являются самыми дешевыми, их обычно используют в тех устройствах, где энергопотребление крайне низко: в часах, в пультах дистанционного управления, в электронных термометрах и т. п.

Понятие "номинальная емкость" редко употребляется для характеристики марганцево-цинковых батареек, так как их емкость сильно зависит от режимов и условий эксплуатации. Основными недостатками этих элементов являются значительная скорость снижения напряжения на всем протяжении разряда и значительное уменьшение отдаваемой емкости при увеличении тока разряда. Конечное разрядное напряжение устанавливают в зависимости от нагрузки в интервале 0,7-1,0 В.

Важна не только величина тока разряда, но и временной график нагрузки. При прерывистом разряде большими и средними токами работоспособность батареек заметно увеличивается по сравнению с непрерывным режимом работы. Однако при малых разрядных токах и многомесячных перерывах в работе емкость их может снижаться в следствии саморазряда.

Выше на графике изображены разрядные кривые для средней солевой батарейки за 4, 10, 20 и 40 часов для сравнения с щелочной, о которой речь пойдет далее.

Щелочной элемент питания — марганцево-цинковый гальванический элемент питания, в котором в качестве катода используется диоксид марганца, в качестве анода — порошкообразный цинк, а в качестве электролита — раствор щёлочи, обычно в виде пасты гидроксида калия.

Эти батарейки обладают целым рядом преимуществ (в частности, существенно большей ёмкостью, лучшей работой при низких температурах и при больших токах нагрузки).

Щелочные батарейки, в сравнении с солевыми, могут обеспечивать больший ток в течение длительного времени. Больший ток становится возможным, поскольку цинк здесь используется не в виде стакана, а в виде порошка, обладающего большей площадью соприкосновения с электролитом. В качестве электролита применяется гидрооксид калия в виде пасты.

Именно благодаря способности данного вида гальванических элементов в течение длительного времени отдавать значительный ток (до 1 A), щелочные батарейки наиболее распространены в настоящее время.

В электрических игрушках, в портативной медицинской технике, в электронных приборах, в фотоаппаратах — всюду применяются щелочные батарейки. Они служат в 1,5 раза дольше солевых, если разряд идет малым током. На графике изображены разрядные кривые при различных токах для сравнения с солевой батарейкой (график был приведен выше) за 4, 10, 20 и 40 часов.

Литиевые батарейки

Еще одним достаточно распространенным видом гальванических элементов являются литиевые батарейки - одиночные неперезаряжаемые гальванические элементы, в которых в качестве анода используется литий или его соединения. Благодаря использованию щелочного металла они обладают высокой разностью потенциалов.

Катод и электролит литиевого элемента могут быть очень разными, поэтому термин «литиевый элемент» объединяет группу элементов с одинаковым материалом анода. В качестве катода могут использоваться например: диоксид марганца, монофторид углерода, пирит, тионилхлорид и др.

Литиевые батарейки отличается от других элементов питания высокой продолжительностью работы и высокой стоимостью. В зависимости от выбранного типоразмера и используемых химических материалов, литиевый элемент питания может производить напряжение от 1,5 В (совместим с щелочными батареями) до 3,7 В.

Эти элементы питания обладают наивысшей емкостью на единицу массы и длительным временем хранения. Литиевые элементы широко применяются в современной портативной электронной технике: для питания часов на материнских платах компьютеров, для питания портативных медицинских приборов, наручных часов, калькуляторов, в фототехнике и т. д.

На графике выше приведены разрядные кривые для двух литиевых батареек от двух популярных производителей. Начальный ток составлял 120 мА (на резистор порядка 24 Ома).

Маломощные источники электрической энергии

Для питания переносной электро- и радиоаппаратуры применяют гальванические элементы и аккумуляторы.

Гальванические элементы - это источники одноразового действия, аккумуляторы - источники многоразового действия.

Простейший гальванические элемент

Простейший элемент может быть изготовлен из двух полосок: медной и цинковой, погруженных в воду, слегка подкисленную серной кислотой. Если цинк достаточно чист, чтобы быть свободным от местных реакций, никаких заметных изменений не произойдет до тех пор, пока медь и цинк не будут соединены проводом.

Однако полоски имеют разные потенциалы одна по отношению к другой, и когда они будут соединены проводом, в нем появится . По мере этого действия цинковая полоска будет постепенно растворяться, а близ медного электрода будут образовываться пузырьки газа, собирающиеся на его поверхности. Этот газ - водород, образующийся из электролита. Электрический ток идет от медной полоски по проводу к цинковой полоске, а от нее через электролит обратно к меди.

Постепенно серная кислота электролита замещается сульфатом цинка, образующимся из растворенной части цинкового электрода. Благодаря этому напряжение элемента уменьшается. Однако еще более сильное падение напряжения вызывается образованием газовых пузырьков на меди. Оба эти действия производят «поляризацию». Подобные элементы не имеют почти никакого практического значения.

Важные параметры гальванических элементов

Величина напряжения, даваемого гальваническими элементами, зависит только от их типа и устройства, т. е. от материала электродов и химического состава электролита, но не зависит от формы и размеров элементов.

Сила тока, которую может давать гальванический элемент, ограничивается его внутренним сопротивлением.

Очень важной характеристикой гальванического элемента является . Под электрической емкостью подразумевается то количество электричества, которое гальванический или аккумуляторный элемент способен отдать в течение всего времени своей работы, т. е. до наступления окончательного разряда.

Отданная элементом емкость определяется умножением силы разрядного тока, выраженной в амперах, на время в часах, в течение которого разряжался элемент вплоть до наступления полного разряда. Поэтому электрическая емкость выражается всегда в ампер-часах (А х ч).

По величине емкости элемента можно также заранее определить, сколько примерно часов он будет работать до наступления полного разряда. Для этого нужно емкость разделить на допустимую для этого элемента силу разрядного тока.

Однако электрическая емкость не является величиной строго постоянной. Она изменяется в довольно больших пределах в зависимости от условий (режима) работы элемента и конечною разрядного напряжения.

Если элемент разряжать предельной силой тока и притом без перерывов, то он отдаст значительно меньшую емкость. Наоборот, при разряде того же элемента током меньшей силы и с частыми и сравнительно продолжительными перерывами элемент отдаст полную емкость.

Что же касается влияния на емкость элемента конечного разрядного напряжения, то нужно иметь в виду, что в процессе разряда гальванического элемента его рабочее напряжение не остается на одном уровне, а постепенно понижается.

Распространенные виды гальванических элементов

Наиболее распространены гальванические элементы марганцево-цинковой, марганцево-воздушной, воздушно-цинковой и ртутно-цинковой систем с солевым и щелочным электролитами. Сухие марганцево-цинковые элементы с солевым электролитом имеют начальное напряжение от 1,4 до 1,55 В, продолжительность работы при температуре окружающей среды от -20 до -60 о С от 7 ч до 340 ч.

Сухие марганцево-цинковые и воздушно-цинковые элементы со щелочным электролитом имеют напряжение от 0,75 до 0,9 В и продолжительность работы от 6 ч до 45 ч.

Сухие ртутно-цинковые элементы имеют начальное напряжение от 1,22 до 1,25 В и продолжительность работы от 24 ч до 55 ч.

Наибольший гарантийный срок хранения, достигающий 30 месяцев, имеют сухие ртутно-цинковые элементы.

Это вторичные гальванические элементы. В отличие от гальванических элементов в аккумуляторе же сразу после сборки никакие химические процессы не возникают.

Чтобы в аккумуляторе начались химические реакции, связанные с движением электрических зарядов, нужно соответствующим образом изменить химический состав его электродов (а частью и электролита). Это изменение химического состава электродов происходит под действием пропускаемого через аккумулятор электрического тока.

Поэтому, чтобы аккумулятор мог давать электрический ток, его предварительно нужно «зарядить» постоянным электрическим током от какого-нибудь постороннего источника тока.

От обычных гальванических элементов аккумуляторы выгодно отличаются также тем, что после разряда они опять могут быть заряжены. При хорошем уходе за ними и при нормальных условиях эксплуатации аккумуляторы выдерживают до нескольких тысяч зарядов и разрядок.
Устройство аккумулятора

В настоящее время наиболее часто на практике применяют свинцовые и кадмиево-никелевые аккумуляторы. У первых электролитом служит раствор серной кислоты, а у вторых - раствор щелочей в воде. Свинцовые аккумуляторы называют также кислотными, а кадмиево-никелевые - щелочными.

Принцип работы аккумуляторов основан на поляризации электродов . Простейший кислотный аккумулятор устроен следующим образом: это две свинцовые пластины, опущенные в электролит. В результате химической реакции замещения пластины покрываются слабым налетом сернокислого свинца PbSO4, как это следует из формулы Pb + H 2 SO 4 = PbSO 4 + Н 2 .

Устройство кислотного аккумулятора

Такое состояние пластин соответствует разряженному аккумулятору. Если теперь аккумулятор включить на заряд, т. е. подсоединить его к генератору постоянного тока, то в нем вследствие электролиза начнется поляризация пластин. В результате заряда аккумулятора его пластины поляризуются, т. е. изменяют вещество своей поверхности, и из однородных (PbSO 4) превращаются в разнородные (Pb и Рb О 2 ).

Аккумулятор становится источником тока, причем положительным электродом у него служит пластина, покрытая двуокисью свинца, а отрицательным - чистая свинцовая пластина.

К концу заряда концентрация электролита повышается вследствие появления в нем дополнительных молекул серной кислоты.

В этом одна из особенностей свинцового аккумулятора: его электролит не остается нейтральным и сам участвует в химических реакциях при работе аккумулятора.

К концу разряда обе пластины аккумулятора опять покрываются сернокислым свинцом, в результате чего аккумулятор перестает быть источником тока. До такого состояния аккумулятор никогда не доводят. Вследствие образования сернокислого свинца на пластинах, концентрация электролита в конце разряда понижается. Если аккумулятор поставить на заряд, то вновь можно вызвать поляризацию, чтобы опять поставить его на разряд и т. д.

Как зарядить аккумулятор

Существует несколько способов заряда аккумуляторов. Наиболее простой - нормальный заряд аккумулятора, который происходит следующим образом. Вначале на протяжении 5 - 6 ч заряд ведут двойным нормальным током, пока напряжение на каждой аккумуляторной банке не достигнет 2,4 В.

Нормальный зарядный ток определяют по формуле I зар = Q/16

Где Q - номинальная емкость аккумулятора, Ач.

После этого зарядный ток уменьшают до нормального значения и продолжают заряд и течение 15 - 18 ч, до появления признаков конца заряда.

Современные аккумуляторы

Кадмиево-никелевые, или щелочные аккумуляторы, появились значительно позже свинцовых и по сравнению с ними представляют собой более совершенные химические источники тока. Главное преимущество щелочных аккумуляторов перед свинцовыми заключается в химической нейтральности их электролита по отношению к активным массам пластин. Благодаря этому саморазряд у щелочных аккумуляторов получается значительно меньше, чем у свинцовых. Принцип действия щелочных аккумуляторов также основан на поляризации электродов при электролизе.

Для питания радиоаппаратуры выпускают герметичные кадмиево-никелевые аккумуляторы, которые работоспособны при температурах от -30 до +50 о С и выдерживают 400 - 600 циклов заряд-разряд. Эти аккумуляторы выполняют в форме компактных параллелепипедов и дисков с массой от нескольких граммов до килограммов.

Выпускают никель-водородные аккумуляторы для энергоснабжения автономных объектов. Удельная энергия никель-водородного аккумулятора составляет 50 - 60 Вт ч кг -1 .

Текст предоставлен НИЦ «Наука и Техника»
Права на электронную версию издания принадлежат НиТ (www.n-t.org)

В книге изложены сведения о конструкции, принципах действия и характерных особенностях химических источников тока (батареек и аккумуляторов). Как самому выбрать необходимые вам батарейки и аккумуляторы, как правильно их заряжать и восстанавливать, вы узнаете из этой книги.

Анод - положительный вывод батареи.
Батарея - два или более элементов, соединенных последовательно или (и) параллельно для обеспечения нужного напряжения и тока.
Внутреннее сопротивление - сопротивление току через элемент, измеренное в Омах. Иногда называется внутренним импедансом.
Выход энергии - расход емкости, умноженный на среднее напряжение в течение времени разряда батарей, выраженный в Ватт-часах (Втч).
Емкость - количество электрической энергии, которое батарея выделяет при определенных условиях разряда, выраженное в ампер-часах (Ач) или кулонах (1 Ач = 3600 Кл).
Заряд - электрическая энергия, передаваемая элементу, с целью преобразования в запасаемую химическую энергию.
Катод - отрицательный вывод батареи.
Компенсационный подзаряд - метод, при котором для приведения батареи в полностью заряженное состояние и поддержания ее в этом состоянии используется постоянный ток.
Напряжение отсечки - минимальное напряжение, при котором батарея способна отдавать полезную энергию при определенных условиях разряда.
Напряжение холостого хода - напряжение на внешних зажимах батареи при отсутствии отбора тока.
Номинальное напряжение - напряжение на полностью заряженной батарее при ее разряде с очень низкой скоростью.
Плавающий заряд - метод поддержания подзаряжаемой батареи в полностью заряженном состоянии путем подачи выбранного постоянного напряжения для компенсации в ней различных потерь.
Плотность энергии - отношение энергии элемента к его массе или объему, выраженное в Ватт-часах на единицу массы или объема.
Поляризация - падение напряжения, вызванное изменениями химических композиций компонентов элементов (разница между напряжением холостого хода и напряжением в любой момент разряда).
Разряд - потребление электрической энергии от элемента во внешнюю цепь. Глубокий разряд - это состояние, в котором практически вся емкость элемента израсходована. Неглубокий разряд - это разряд, при котором израсходована малая часть полной емкости.
Сепаратор - материал, используемый для изоляции электродов друг от друга. Он иногда удерживает электролит в сухих элементах.
Срок хранения - период времени, в течение которого, элемент хранящийся при нормальных условиях (20oC), сохраняет 90% первоначальной емкости.
Стабильность - однородность напряжения, при котором батарея отдает энергию в течение полного режим разряда.
Элемент - базовая единица, способная преобразовывать химическую энергию в электрическую. Он состоит из положительного и отрицательного электродов, погруженных в общий электролит.
Электрод - проводящий материал, способный при реакции с электролитом производить носителей тока.
Электролит - материал, проводящий носителей заряда в элементе.
Цикл - одна последовательность заряда и разряда элемента.

Английские термины

A battery - батарея накала
acid storage battery - батарея кислотных (свинцовых) аккумуляторов
air battery - воздушно-металлический элемент
alkaline battery - (первичный) щелочной элемент
alkaline battery - щелочной марганцево-цинковый элемент
alkaline dry battery - сухой ртутно-цинковый элемент
alkaline dry battery - сухой щелочной элемент
alkaline manganese battery - щелочной марганцево-цинковый элемент
alkaline storage battery - батарея щелочных аккумуляторов
alkaline storage battery - щелочной аккумулятор
anode battery - анодная батарея
B battery - анодная батарея
Bansen battery - (азотно-кислотно-цинковый) элемент Бунзена
bag-type battery - стаканчиковый (первичный) элемент с куколкой
balancing battery - буферная батарея
battery - батарея
bias battery - элемент батареи смещения, элемент сеточной батареи
biasing battery - батарея смещения, сеточная батарея
bichromate battery - (первичный) элемент с дихроматным раствором
buffer battery - буферная батарея
bypass battery - буферная батарея
C battery - батарея смещения, сеточная батарея
Clark battery - (ртутно-цинковый) элемент Кларка
cadmium normal battery - (ртутно-кадмиевый) нормальный элемент Вестона
cadmium-silver-oxide battery - оксидно-кадмиевый гальванический элемент
carbon battery - (первичный) элемент с угольным электродом
carbon-zinc battery - (сухой) элемент с цинковым анодом и угольным катодом
cell - элемент, ячейка, гальванический элемент (первичный элемент, аккумулятор или топливный элемент)
chemical battery - батарея химических источников тока
chargeable battery - перезаряжаемый элемент
cooper-zinc battery - медно-цинковый элемент
counter (electromotive) battery - противодействующий элемент
Daniel battery - (медно-цинковый) элемент Даниеля
decomposition battery - элемент с (побочной) реакцией электролитического разложения
dichromate battery - (первичный) элемент с дихроматным раствором
displacement battery - элемент с (побочной) реакцией электролитического замещения
divalent silver oxide battery - элемент с оксидированием серебра до двухвалентного состояния
double-fluid battery - двухжидкостный элемент
drum storage - батарея никель-цинковых аккумуляторов
dry battery - сухой элемент
dry battery - сухая батарея
dry-charged battery - батарея сухозаряженных аккумуляторов
dry-charged battery - сухозаряженный аккумулятор
Edison battery - никель-железный аккумулятор
electric battery - гальваническая батарея (батарея первичных элементов, аккумуляторов или топливных элементов)
electric battery - гальванический элемент (первичный элемент), аккумулятор или топливный элемент
emergency batteries - батареи аккумуляторов аварийного питания
emergency battery - батарея аварийного питания
end batteries - запасные аккумуляторные батареи
Faradey battery - ячейка Фарадея
Faure storage battery - батарея аккумуляторов с пастированными пластинами
filament battery - батарея накала
floating battery - запасная батарея аккумуляторов (включаемая параллельно основной батарее)
Grenet battery - (дихроматно-цинковый) элемент Грене
galvanic battery - электрохимическая ячейка в режиме гальванического элемента
grid battery - сеточная батарея, батарея смещения
grid-bias battery - батарея смещения, сеточная батарея
Lalande battery - (щелочной оксидмедно-цинковый) элемент Лаланда
Leclanche battery - (марганцево-цинковый) элемент Лекланше
lead (-acid) battery - кислотный (свинцовый) аккумулятор
lead-acid (lead-storage) battery - батарея свинцовых (кислотных) аккумуляторов
lead-calcium battery - свинцово-кальциевый элемент
lead-dioxide primary battery - первичный элемент из диоксида свинца
line battery - буферная батарея
lithium battery - элемент с литиевым анодом
lithium-iron sulfide secondary battery - хлориджелезно-литиевый аккумулятор
lithium-silver chromate battery - хроматосеребряно-литиевый элемент
lithium-water battery - водно-литиевый элемент
long wet-stand life battery - батарея аккумуляторов с длительным сроком хранения в залитом состоянии
magnesium battery - первичный элемент с магниевым анодом
magnesium mercuric oxide battery - магниевая-оксид-ртутная батарея
magnesium-cuprous chloride battery - хлоридмедно-магниевый элемент
magnesium-silver chloride battery - хлоридсеребряно-магниевый элемент
magnesium-water battery - водно-магниевый элемент
mercury battery - (сухой) ртутно-цинковый элемент
mercury battery - батарея (сухих) ртутно-цинковых элементов
metal-air storage battery - воздушно-металлический аккумулятор
nicad (nickel-cadmium) battery - батарея никель-кадмиевых аккумуляторов
nickel-cadmium battery - никель-кадмиевый аккумулятор
nickel-iron battery - никель-железный аккумулятор
nickel-iron battery - батарея никель-железных аккумуляторов
Plante battery - свинцовый (кислотный) аккумулятор с полотняным сепаратором
pilot battery - контрольный аккумулятор батареи
plate battery - анодная батарея
plug-in battery - сменная батарея
portable battery - переносная батарея
primary battery - (первичный) элемент
primary battery - батарея (первичных) элементов
quiet battery - микрофонная батарея
Ruben battery - (сухой) ртутно-цинковый элемент
rechargeable battery - батарея аккумуляторов
rechargeable battery - батарея перезаряжаемых элементов
reserve battery - гальванический элемент резервной батареи
ringing battery - вызывная (телефонная) батарея
sal-ammoniac battery - (первичный) элемент с растворами солей аммония
saturated standard battery - насыщенный нормальный элемент
sealed battery - герметичный аккумулятор
sealed battery - герметичный (первичный) элемент
secondary battery - батарея аккумуляторов
signaling battery - вызывная (телефонная) батарея
silver-cadmium storage battery - батарея серебряно-кадмиевых аккумуляторов
silver-oxide battery - (первичный) элемент с серебряным катодом
silver-zinc primary battery - серебряно-цинковый первичный элемент
silver-zinc storage battery - батарея серебряно-цинковых аккумуляторов
solar battery - солнечная батарея
standard Daniel battery - (медно-цинковый) нормальный элемент Даниеля
standby battery - батарея аварийного питания
stationary battery - стационарная батарея аккумуляторов storage battery - батарея аккумуляторов
talking battery - микрофонная батарея
Voltaic battery - элемент Вольта; элемент с металлическими электродами и жидким электролитом
Weston (standard) battery - (ртутно-кадмиевый) нормальный элемент Вестона
wet battery - элемент с жидким электролитом
zinc-air battery - батарея воздушно-цинковых элементов
zinc-chlorine battery - хлорно-цинковый аккумулятор
zinc-coper-oxide battery - оксидмедно-цинковый элемент
zinc-iron battery - железоцинковый элемент
zinc-manganese dioxide battery - батарея марганцево-цинковых элементов
zinc-mercury-oxide battery - оксидртутно-цинковый элемент
zinc-nickel battery - батарея никель-цинковых аккумуляторов
zinc-silver-chloride primary battery - хлоридсеребряно-цинковый первичный элемент

Введение

Химические источники тока (ХИТ) в течении многих лет прочно вошли в нашу жизнь. В быту потребитель редко обращает внимание на отличия используемых ХИТ. Для него это батарейки и аккумуляторы. Обычно они используются в устройствах таких, как карманные фонари, игрушки, радиоприемники или автомобили.

Чаще всего, различают батарейки и аккумуляторы по внешнему виду. Но существуют аккумуляторы, конструктивно выполненные также как и батарейки. Например внешний вид аккумулятор КНГ-1Д мало отличается от классических пальчиковых батареек R6C. И наоборот. Аккумуляторы и батарейки дисковой конструкции внешне также неразличимы. Например аккумулятор Д-0,55 и кнопочный ртутный элемент (батарейка) РЦ-82.

Для того, чтобы различать их потребителю необходимо обращать внимание на маркировку, нанесенную на корпус ХИТ. Маркировки, наносимые на корпуса батареек и аккумуляторов описаны в главе 1 и 2 на рисунках и в таблицах. Это необходимо для правильного выбора питающего элемента для вашего устройства.

Появление переносной аудио, видео и другой более энергоемкой аппаратуры потребовало увеличения энергоемкости ХИТ, их надежности и долговечности.

В данной книге описываются технические характеристики и способы выбора оптимального ХИТ, способы заряда, восстановления, эксплуатации и продления срока использования аккумуляторов и батареек.

Читателю следует обратить внимание на предостережения относительно безопасности и утилизации ХИТ.

В том случае, когда потребляемая мощность относительно велика (10Ач), используются аккумуляторы, в основном кислотные, а также никель-железные и никель-кадмиевые. Они применяются в портативных ЭВМ (Laptop, Notebook, Palmtop), носимых средствах связи, аварийном освещении и пр.

Автомобильные аккумуляторы занимают особое место в книге. Приводятся схемы устройств для зарядки и восстановления аккумуляторов, а также описываются новые, созданные по технологии «dryfit», герметичные аккумуляторы, не требующие ухода в течении 5…8 лет эксплуатации. Они не оказывают вредного воздействия на людей и аппаратуру.

В последние годы такие аккумуляторы широко применяются в резервных источниках питания ЭВМ и электромеханических системах, накапливающих энергию для возможных пиковых нагрузок и аварийного питания электроэнергией жизненно-важных систем.

В начале каждой главы приведен словарь специальных английских терминов, которые используются в описаниях и при маркировке батареек и аккумуляторов. В конце книги находится сводный отрезной словарь терминов.

Основные характеристики ХИТ широкого спектра применения, представляющих практический интерес, приведены в таблице В.1.

ГЛАВА 1
ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА ОДНОРАЗОВОГО ДЕЙСТВИЯ

Гальванические источники тока одноразового действия представляют собой унифицированный контейнер, в котором находятся электролит, абсорбируемый активным материалом сепаратора, и электроды (анод и катод), поэтому они называются сухими элементами. Этот термин используется применительно ко всем элементам, не содержащим жидкого электролита. К обычным сухим элементам относятся углеродно-цинковые элементы или элементы Лекланше .

Сухие элементы применяются при малых токах и прерывистых режимах работы. Поэтому такие элементы широко используются в телефонных аппаратах, игрушках, системах сигнализации и др.

Поскольку спектр приборов, в которых используются сухие элементы, весьма широк и, кроме того требуется их периодическая замена, существуют нормы на их габариты . Следует подчеркнуть, что габариты элементов, приведенные в таблицах 1.1 и 1.2, выпускаемые различными изготовителями могут несколько отличаться в части расположения выводов и других особенностей, оговоренных в их спецификациях.

В процессе разряда напряжение сухих элементов падает от номинального до напряжения отсечки (напряжение отсечки - минимальное напряжение, при котором батарея способна отдавать минимальную энергию), т.е. обычно от 1,2 В до 0,8 В/элемент в зависимости от особенностей применения. В случае разряда при подключении к элементу постоянного сопротивления после замыкания цепи напряжение на его выводах резко уменьшается до некоторой величины, несколько меньшей исходного напряжения. Ток, протекающий при этом, называется начальным током разряда.

Функциональные возможности сухого элемента зависят от потребления тока, напряжения отсечки и условий разряда. Эффективность элемента повышается по мере уменьшения тока разряда. Для сухих элементов непрерывный разряд за время меньше 24ч может быть отнесен к категории разряда с высокой скоростью.

Электрическая емкость сухого элемента оговаривается для разряда через фиксированное сопротивление при заданном конечном напряжении в часах в зависимости от начального разряда и представляется графиком или таблицей. Целесообразно использовать график или таблицу изготовителя для конкретной батареи. Это обусловлено не только необходимостью учета особенностей изделия, но и тем, что каждый изготовитель дает свои рекомендации по наилучшему использованию его продукции. В таблице 1.3 и таблице 1.5 представлены технические характеристики гальванических элементов, наиболее распространенных в последнее время на прилавках наших магазинов.

Внутреннее сопротивление батареи может ограничивать необходимый ток, например при использовании в фотовспышке. Начальный стабильный ток, который может кратковременно давать батарея, называется током вспышки. В обозначении типа элемента присутствуют буквенные обозначения, которым соответствуют токи вспышки и внутреннее сопротивление элемента, измеренные на постоянном и переменном токе (таблица 1.4 ). Ток вспышки и внутреннее сопротивление весьма сложны для измерений, причем элементы могут иметь длительный срок хранения, но при этом ток вспышки может уменьшаться.

1.1. ТИПЫ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Угольно-цинковые элементы

Угольно-цинковые элементы (марганец-цинковые) являются самыми распространенными сухими элементами. В угольно-цинковых элементах используется пассивный (угольный) коллектор тока в контакте с анодом из двуокиси марганца (MnO2), электролит из хлорида аммония и катодом из цинка. Электролит находится в пастообразном состоянии или пропитывает пористую диафрагму. Такой электролит мало подвижен и не растекается, поэтому элементы называются сухими.

Номинальное напряжение угольно-цинкового элемента составляет 1,5 В.

Сухие элементы могут иметь цилиндрическую, рис.1.1, дисковую рис.1.2 и прямоугольную форму. Устройство прямоугольных элементов аналогично дисковым. Цинковый анод выполнен в виде цилиндрического стакана, одновременно являющимся контейнером. Дисковые элементы состоят из цинковой пластины, картонной диафрагмы, пропитанной раствором электролита, и спрессованного слоя положительного электрода. Дисковые элементы последовательно соединяют друг с другом, полученную батарею изолируют и упаковывают в футляр.

Угольно-цинковые элементы «восстанавливаются» в течении перерыва в работе. Это явление обусловлено постепенным выравниванием локальных неоднородностей в композиции электролита, возникающих в процессе разряда. В результате периодического «отдыха» срок службы элемента продлевается.

На рис. 1.3 представлена трехмерная диаграмма, показывающая увеличение продолжительности работы D-элемента при использовании прерывистого режима работы в сравнении с постоянным. Это следует учитывать при интенсивной эксплуатации элементов (и использовать несколько комплектов для работы с тем, чтобы один комплект имел достаточный период времени для восстановления работоспособности. Например, при эксплуатации плеера не рекомендуется использовать один комплект батареек более двуo часов подряд. При смене двух комплектов продолжительность работы элементов увеличивается в три раза.

Достоинством угольно-цинковых элементов является их относительно низкая стоимость. К существенным недостаткам следует отнести значительное снижение напряжения при разряде, невысокую удельную мощность (5…10 Вт/кг) и малый срок хранения.

Низкие температуры снижают эффективность использования гальванических элементов, а внутренний разогрев батареи его повышает. Влияние температуры на емкость гальванического элемента показана на рис. 1.4. Повышение температуры вызывает химическую коррозию цинкового электрода водой, содержащейся в электролите, и высыхание электролита. Эти факторы удается несколько компенсировать выдержкой батареи при повышенной температуре и введением внутрь элемента, через предварительно проделанное отверстие, солевого раствора.

Щелочные элементы

Как и в угольно-цинковых, в щелочных элементах используется анод из MnO2 и цинковый катод с разделенным электролитом.

Отличие щелочных элементов от угольно-цинковых заключается в применении щелочного электролита, в следствии чего газовыделение при разряде фактически отсутствует, и их можно выполнять герметичными, что очень важно для целого ряда их применений.

Напряжение щелочных элементов примерно на 0,1 В меньше, чем угольно-цинковых, при одинаковых условиях. Следовательно эти элементы взаимозаменяемы.

Напряжение элементов с щелочным электролитом изменяется значительно меньше, чем у элементов с солевым электролитом. Элементы с щелочным электролитом также имеют более высокие удельную энергию (65…90 Втч/кг), удельную мощность (100…150 кВтч/м3) и более длительный срок хранения.

Зарядка марганцево-цинковых элементов и батарей производится асимметричным переменным током. Заряжать можно элементы с солевым или щелочным электролитом любой концентрации, но не слишком разряженные и не имеющие повреждений цинковых электродов. В пределах срока годности, установленного для данного типа элемента или батареи, можно производить многократное (6…8 раз) восстановление работоспособности .

Зарядка сухих батарей и элементов производятся от специального устройства, позволяющего получить зарядный ток необходимой формы: при соотношении зарядной и разрядной составляющей 10:1 и отношении длительности импульсов этих составляющих 1:2. Это устройство позволяет заряжать батарейки для часов и активизировать старые малогабаритные аккумуляторы. При зарядке батареек для часов, зарядный ток не должен превышать 2 мА. Время заряда не более 5 часов. Схема такого устройства для зарядки батарей показана на рис. 1.5.

Здесь заряжаемая батарея включена через две параллельно включенные цепочки диодов с резисторами. Асимметричный ток заряда получается в следствии различия сопротивлений резисторов. Окончание заряда определяется по прекращению роста напряжения на батарее. Напряжение вторичной обмотки трансформатора зарядного устройства выбирается так, чтобы выходное напряжение превышало номинальное напряжение элемента на 50…60%.

Время заряда батарей с помощью описанного устройства должно быть порядка 12…16 часов. Зарядная емкость должна быть примерно на 50% больше номинальной емкости батареи.

Ртутные элементы

Ртутные элементы очень похожи на щелочные элементы. В них используется оксид ртути (HgO). Катод состоит из смеси порошка цинка и ртути. Анод и катод разделены сепаратором и диафрагмой, пропитанной 40% раствором щелочи.

Эти элементы имеют длительные сроки хранения и более высокие емкости (при том же объеме). Напряжение ртутного элемента примерно на 0,15 В ниже, чем у щелочного.

Ртутные элементы отличаются высокой удельной энергией (90…120 Втч/кг, 300…400 кВтч/м3), стабильностью напряжения и высокой механической прочностью.

Для малогабаритных приборов созданы модернизированные элементы типов РЦ-31С, РЦ-33С и РЦ-55УС. Удельная энергия элементов РЦ-31С и РЦ-55УС - 600 кВтч/м3, элементов РЦ-33С - 700 кВтч/м3. Элементы РЦ-31С и РЦ-33С применяются для питания ручных часов и другой аппаратуры. Элементы РЦ-55УС предназначены для медицинской аппаратуры, в частности для вживляемых медицинских приборов.

Элементы РЦ-31С и РЦ-33С работают 1,5 года при токах соответственно 10 и 18 мкА, а элемент РЦ-55УС обеспечивает работу вживляемых медицинских приборов в течении 5 лет. Как следует из таблицы 1.6, номинальная емкость этих элементов не соответствует их обозначению.

Ртутные элементы работоспособны в интервале температур от 0 до +50oС, имеются холодостойкие РЦ-83Х и РЦ-85У и теплостойкие элементы РЦ-82Т и РЦ-84, которые способны работать при температуре до +70oС. Имеются модификации элементов, в которых вместо цинкового порошка (отрицательный электрод) используются сплавы индия и титана.

Так как ртуть дефицитна и токсична, ртутные элементы не следует выбрасывать после их полного использования. Они должны поступать на вторичную переработку.

Серебряные элементы

Они имеют «серебряные» катоды из Ag2O и AgO. Напряжение у них на 0,2 В выше, чем у угольно-цинковых при сопоставимых условиях .

Литиевые элементы

В них применяются литиевые аноды, органический электролит и катоды из различных материалов. Они обладают очень большими сроками хранения, высокими плотностями энергии и работоспособны в широком интервале температур, поскольку не содержат воды.

Так как литий обладает наивысшим отрицательным потенциалом по отношению ко всем металлам, литиевые элементы характеризуются наибольшим номинальным напряжением при минимальных габаритах (рис. 1.6). Технические характеристики литиевых гальванических элементов приведены в таблице 1.7.

В качестве растворителей в таких элементах обычно используются органические соединения. Также растворителями могут быть неорганические соединения, например, SOCl2, которые одновременно являются реактивными веществами.

Ионная проводимость обеспечивается введением в растворители солей, имеющих анионы больших размеров, например: LiAlCl4, LiClO4, LiBFO4. Удельная электрическая проводимость неводных растворов электролитов на 1…2 порядка ниже проводимости водных. Кроме того, катодные процессы в них обычно протекают медленно, поэтому в элементах с неводными электролитами плотности тока невелики.

К недостаткам литиевых элементов следует отнести их относительно высокую стоимость, обусловленную высокой ценой лития, особыми требованиями к их производству (необходимость инертной атмосферы, очистка неводных растворителей). Следует также учитывать, что некоторые литиевые элементы при их вскрытии взрывоопасны.

Такие элементы обычно выполняются в кнопочном исполнении с напряжением 1,5 В и 3 В. Они успешно обеспечивают питанием схемы с потреблением порядка 30 мкА в постоянном или 100 мкА в прерывистом режимах. Литиевые элементы широко применяются в резервных источниках питания схем памяти, измерительных приборах и прочих высокотехнологичных системах.

ГЛАВА 1.2 БАТАРЕЙКИ ВЕДУЩИХ ФИРМ МИРА

В последние десятилетия возрос объем производства щелочных аналогов элементов Лекланше, в том числе воздушно-цинковых (см. таблицу В1).

Так, например в Европе производство щелочных марганцево-цинковых элементов стало развиваться в 1980 г., а в 1983 г. оно достигло уже 15% общего выпуска .

Использование свободного электролита ограничивает возможности применения автономных и в основном используется в стационарных ХИТ. Поэтому многочисленные исследования направлены на создание так называемых сухих элементов, или элементов с загущенным электролитом, свободных от таких элементов, как ртуть и кадмий, которые представляют серьезную опасность для здоровья людей и окружающей среды.

Такая тенденция является следствием преимуществ щелочных ХИТ в сравнении с классическими солевыми элементами:

существенное повышение разрядных плотностей тока за счет применения пастированного анода;

повышение емкости ХИТ за счет возможности увеличения закладки активных масс;

создание воздушно-цинковых композиций (элементы типа 6F22) за счет большей активности существующих катодных материалов в реакции электровосстановления дикислорода в щелочном электролите .

Батарейки компании Duracell (США)

Фирма Duracell - признанный лидер в мире по производству щелочных гальванических источников одноразового действия. История фирмы насчитывает более 40 лет.

Сама фирма расположена в Соединенных Штатах Америки. В Европе ее заводы находятся в Бельгии. По мнению потребителей как у нас, так и за рубежом по популярности, продолжительности использования и соотношению цены и качества батарейки фирмы Duracell занимают ведущее место.

Появление Duracell на рынке Украины привлекло внимание наших потребителей.

Плотности разрядного тока в литиевых источниках не велики (по сравнению с другими ХИТ), порядка 1 мА/см2 (см. стр.14). При гарантированном сроке хранения 10 лет и разряде малым током рационально использовать литиевые элементы Duracell в высокотехнологичных системах.

Запатентованная в США технология EXRA-POWER с применением двуокиси титана (TiO2) и других технологических особенностей способствует повышению мощности и эффективности использования марганцево-цинковых ХИТ фирмы Duracell.

Внутри стального корпуса щелочных элементов «Duracell» расположен цилиндрический графитовый коллектор, в котором находится пастообразный электролит в контакте с игольчатым катодом.

Гарантированный срок хранения элементов 5 лет, и при этом - емкость элемента, указанная на упаковке, гарантируется в конце срока хранения.

Технические характеристики ХИТ фирмы Duracell приведены в таблице 1.8.

Батарейки концерна Varta (Германия)

Концерн Varta - один из мировых лидеров по производству ХИТ. 25 заводов концерна расположены в более чем 100 странах мира и выпускают более 1000 наименований аккумуляторов и батареек.

Основные производственные мощности занимает Департамент стационарных промышленных аккумуляторов. Однако порядка 600 наименований гальванических элементов от батареек для часов до герметичных аккумуляторов производятся на заводах концерна Департаментом приборных батарей в США, Италии, Японии, Чехии и т.д., при гарантии неизменного качества вне зависимости от географического расположения завода. В фотографической камере первого человека, ступившего на Луну, были установлены батарейки концерна Varta.

Они достаточно хорошо известны нашим потребителям и пользуются устойчивым спросом.

Технические характеристики ХИТ концерна Varta с указанием отечественных аналогов приведены в таблице 1.9.

ГЛАВА 2. АККУМУЛЯТОРЫ

Аккумуляторы являются химическими источниками электрической энергии многоразового действия. Они состоят из двух электродов (положительного и отрицательного), электролита и корпуса. Накопление энергии в аккумуляторе происходит при протекании химической реакции окисления-восстановления электродов. При разряде аккумулятора происходят обратные процессы. Напряжение аккумулятора - это разность потенциалов между полюсами аккумулятора при фиксированной нагрузке.

Список литературы

Кауфман М., Сидман. А.Г.
Практическое руководство по расчетам схем в электронике. Справочник. В 2-х т.: Пер. с англ./ Под ред. Ф.Н. Покровского. M.: Энергоатомиздат, 1991. 368 с.
Терещук Р.М. и др. Малогабаритная аппаратура. Справочник радиолюбителя. К.: Наукова думка, 1975. 557 с.
Сена Л.А. Единицы физических величин и их размерности. Учебно-справочное руководство. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. 432 с.
Деордиев С.С. Аккумуляторы и уход за ними. К.: Техника, 1985. 136 с.
Электротехнический справочник. В 3-х т. Т.2. Электротехнические изделия и устройства/под общ. ред. профессоров МЭИ (гл. ред. И. Н. Орлов) и др. 7 изд. 6 испр. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1986. 712 с.
Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы. Справочник. Под ред. С.В.Якубовского. М.: Радио и связь, 1990. 496 с.
Семушкин С. Источники тока и их применение. «Радио», 1978. щ 2,3.
Векслер Г.С. Расчет электропитающих устройств. К.: Техника, 1978. 208 с.
Лисовский Ф.В., Калугин И.К. Англо-русский словарь по радиоэлектронике. 2-е изд., перераб. и доп. Ок. 63000 терминов. М.: Рус. яз., 1987.
Багоцкий В.С., Скундин А.М. Химические источники тока. М.: Энергоиздат, 1981. 360 с.
Кромптон Т. Первичные источники тока. М.: мир, 1986. 326 с.

Продолжить чтение

Самодельный гальванический элемент для автономного питания

Элемент Вольта

Для питания и зарядки портативной электроники в тех местах, где нет электросети можно успешно использовать на ряду с другими источниками электроэнергии и простейшие химические источники тока, гальванические элементы.

Их использование возможно на дачах при долгосрочном проживании при отсутствии электросети,а также в отдалённых деревнях где или нет совсем электроэнергии, или постоянные перебои с электроснабжением. В советской России химические источники тока или гальванические элементы получили широкое распространение в радиолюбительской технике в середине прошлого столетия, так как эти источники просты в изготовлении и изготовляются из легкодоступных материалов.

Сейчас, когда портативная электроника стала очень экономична в плане электропотребления, её питание от самодельных химических источников тока может оказаться очень эффективным, так как такие источники тока с успехом применяли ещё на заре развития радиотехники. Тогда техника потребляла в разы больше электроэнергии чем современная аппаратура,а сейчас с развитием энергосберегающей светотехники. Например, светодиодной, на освещение тратится в 4-5 раз меньше электроэнергии, чем от потребления обычной лампочки. Также современные мобильные телефоны, КПК и другие гаджеты потребляют ни чуть не больше, а даже меньше, чем радиоаппаратура прошлых десятилетий.

Внимание!

В статье имеются орфографические и пунктуационные ошибки, т.к. материал взят с сайта http://soliaris2010.narod2.ru, и редактирование текста практически осталось как у оригинала. Не судите строго, пожалуйста...

ПРОСТЕЙШИЙ ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ, ЭЛЕМЕНТ ВОЛЬТА

Вольтов столб Первый химический источник тока был изобретён итальянским учёным Алессандро Вольта в 1800 году. Это был элемент Вольта — сосуд с солёной водой с опущенными в него цинковой и медной пластинками, соединенными проволокой. Затем учёный собрал батарею из этих элементов, которая впоследствии была названа Вольтовым столбом. Это изобретение впоследствии использовали другие учёные в своих исследованиях. Так, например, в 1802 году русский академик В. В. Петров сконструировал Вольтов столб из 2100 элементов для получения электрической дуги.

В 1836 году английский химик Джон Дэниель усовершенствовал элемент Вольта, поместив цинковый и медный электроды в раствор серной кислоты. Эта конструкция стала называться «элементом Даниэля».В 1859 году французский физик Гастон Планте изобрёл свинцово-кислотный аккумулятор. Этот тип элемента и по сей день используется в автомобильных аккумуляторах.В 1865 году французский химик Ж.Лекланше предложил свой гальванический элемент (элемент Лекланше), состоявший из цинкового стаканчика, заполненного водным раствором хлористого аммония или другой хлористой соли, в который был помещён агломерат из оксида марганца (IV) MnO2 с угольным токоотводом.

Модификация этой конструкции используется до сих пор в солевых батарейках для различных бытовых устройств.В 1890 году в Нью-Йорке Конрад Губерт, иммигрант из России, создаёт первый карманный электрический фонарик. А уже в 1896 году компания National Carbon приступает к массовому производству первых в мире сухих элементов Лекланше «Columbia». Самый долгоживущий гальванический элемент - серно-цинковая батарея, изготовленная в Лондоне в 1840 г. Подключенный к ней звонок работает и по сей день.

Простейший медно-цинковый элемент состоит из двух электродов-пластин, погруженных в раствор электролита, при погружении в электролит между металлами возникает разница потенциалов. При погружении в раствор повареной соли медной пластины и цинковой возникает разница потенциалов примерно в 1 вольт, и один элемент независимо от размеров имеет напряжение в один вольт, а мощность такого элемента зависит от его размеров и площади пластин погруженных в электролит. Для получения более высокого напряжение эти элементы, как и зоводские батарейки соеденяют последовательно для получения нужного напряжения.

ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕДНОЦИНКОВОГО ЭЛЕМЕНТА

Медно-цинковые источники тока. Производство этих химических источников тока началось еще в 1889 г. В настоящее время они выпускаются в небольших масштабах в виде элементов емкостью от 250 до 1000 А·ч. Гладкие цинковые пластины и пластины из смеси оксида меди, меди и связующего помещают в стеклянный или металлический сосуд с 20%-ным раствором NaОН. Элементы имеют напряжение 0,6-0,7 В и удельную энергию 25-30 Вт·ч/кг. К их достоинствам относится постоянство разрядного напряжения, очень малый саморазряд, безотказность в работе и невысокая цена. Применялись в системах сигнализации и связи на железных дорогах.

В реальных условиях энергоёмкость может сильно отличатся и зависит она от площади пластит, чистоты металлов и плотности электролита.Элемент собранный в литровой банке,с пластинами максимальной площади, двадцати процентным раствором соли в виде электролита, выдаёт напряжение от 0,6-1,1 вольта,10-20а/ч,но в таких элементах очень маленький разрядный ток маленький,и ток замыкания может быть около 100-150мА/ч.,а чем меньше подсоединенный источник потребляет, тем больше медно-цинковый элемент может вырабатывать электроэнергии. Элемент собранный в литровой банке при токе разряда 50 мА/ч проработает от 200часов до 400часов и более и более,но со временем пластины окисляются и напряжение падает и в итоге элемент перестаёт работать. Для восстановления элемента надо заменить электролит и очистить пластины от окисления и элемент снова будет работать.

Процесс окисления зависит от разрядного тока чем он выше,тем быстрее элемент выйдет из строя,но в среднем элемент в литровой банке до чистки и перезарядки,при разрядном токе 50 мА/ч проработает около 3-4 месяца,а при разрядном токе в 2-5 мА/ч его хватит на год и более.Простого литрового элемента не хватит для питания даже простого миниатюрного радиоприемника,и для того чтобы получить нужные характеристики нужно собрать блок из нескольких элементов.

Сейчас в основном вся портативная электроника питается напряжением в 3,6-4,5 вольта,и для того чтобы получить такие числа нужно соединить последовательно 4-5 таких элементов,если соединить 5 литровых элементов,то получится примерно 3,5-4,8 вольта, и ёмкость возрастает до 40-50 А/ч,а ток разряда может достигать 400-600 мА/ч,следовательно такой источник легко справится с питанием маленького радиоприёмника или светодиодного фонарика, а также с зарядкой миниатюрных аккумуляторов телефонов в течении 10-30 часов. Но для питания мощных светодиодных фонарей и питания современных телефонов и КПК такого источники будет маловато.

ДЛЯ СТАБИЛЬНОГО ДОЛГОСРОЧНОГО АВТОНОМНОГО ПИТАНИЯ ПОРТАТИВНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

понадобится что-то побольше, например, элемент ёмкостью как на рисунке, объем 40-50 литров,для стабильного питания портативных комнатных светодиодных светильников и другой техники. Для изготовления такого химического источника электроэнергии на понадобятся: 5 медных пластин размерами 20х40, и 5 таких же цинковых, далее на каждую пластинку нужно припаять или запрессовать путём загибания уголка пластины вставить проводок и заплющить молотком.

После надо пластины через электронопроводящие прокладки (деревянный брусочек или пластмассовая трубка) закрепить между собой, потом опускаем их в ёмкости с электролитом, это или раствор поваренной соли или раствор нашатыря или раствор серной кислоты (авто электролит), после соединяем получившиеся батарейки последовательно, то есть медная пластина одного элемента через проводок соединяется с цинковой пластиной другого элемента. В итоге, с одной стороны получившегося блока остаётся пластина медная с проводком (+), а с другой цинковая (-). Чем больше площадь пластин и чем лучше электролит, тем выше эффективность такого источника тока.

САМОДЕЛЬНЫЙ МЕДНО-КУПОРОСНЫЙ ЭЛЕМЕНТ

В этой самодельной конструкции из-за недоступности чистого цинка,применён алюминиевый электрод,но э.д.с. алюминия ниже чем у цинка,составляет 0,5 В, то есть одна банка даёт всего 0,5 вольт, из-за этого прибор состоит не из 4-х банок для напражения в 3,5-4 вольты,а из 6-ти,чтобы получить как минимум 3,6 вольт.

При испытании данного прибора не было никаких измерительных приборов, но как видно из фото,прибор свободно обеспечивает свечение 12-ти светодиодов-ток потребления150-200мА, и заряжает мобильный телефон-ток потребления около 400мА.
При испытании элемент зарядил батарею телефона ёмкостью 750мА за 2,40 минут.

Примерные технические характеристики батареи элементов, состоящей из 6-ти банок, емкостью 0,33л.: 3,7 Вольт, ток замыкания около 500мА, ёмкость 25-30А/ч.

В ходе испытания батарея элементов стабильно проработала на одной столовой ложке купороса около 100 часов при токе разряда примерно 200мА/ч,сейчас прибор так-же работает, но сила тока значительно меньше и составляет около 80мА/ч,купарос практически истрачен,таким образом если посчитать,то можно определить,сколько времени вообще элементы проработают на определённом количестве купороса, питая определенные приборы.

ПОРЯДОК ИЗГОТОВЛЕНИЯ

В ЭТОЙ КОНСТРУКЦИИ В КАЧЕСТВЕ АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОДА ИСПОЛЬЗОВАЛИСЬ АЛЮМИНИЕВЫЕ БАНКИ (ПИВНЫЕ) И ДРУГИЕ ИЗДЕЛИЯ ИЗ АЛЮМИНИЯ.

ЕСЛИ БУДУТ ИСПОЛЬЗОВАТЬСЯ АЛЮМИНИЕВЫЕ БАНКИ, ТО ИХ НУЖНО ТЩАТЕЛЬНО ЗАЧИСТИТЬ ОТ ЗАЩИТНОГО ВНУТРЕННЕГО СЛОЯ И ВНЕШНИХ НАДПИСЕЙ, ТАК КАК ОНИ НЕ ПРОПУСКАЮТ ТОК.

Сначала внутренняя поверхность банки обмазывается вазелином или салом на расстоянии 3-4 сантиметра от верхнего края банки,это делается для того чтобы предупредить выползание кристаллов солей из сосуда элемента.

Далее в цилиндре надо с одной стороны сделать двойные прорези на глубину 4-5 мм., и получившиеся скобки загнуть наружу,для того что-бы цилиндр висел на них, на горлышке банки, не доходя до дна банки на 5 см.,после изготовления припаять к нему медный провод,это и будет (+).

Далее изготавливается диафрагма,диафрагма изготавливается из картона,делается цилиндр из картона по длине банки,или короче банки на 5 см.,а потом к нему пришивается нитками картонное дно,так что-бы не оставалось щелей,а места сшивки пропитываются горячим парафином чтобы герметизировать дно от вытекания жидкости.

Далее на цилиндр плотно наматывают несколько слоёв пергамента или газетной бумаги,предварительно вымоченного в солёном растворе,чтобы не оставалось воздушных прослоек,а после получившейся "стакан" плотно обшивается обёрнутой в несколько слоёв тканью,для механической прочности.

Потом на верх диафрагмы наклеивают или пришивают кольцо,чтобы стакан не проваливался,и места крепления обмазывают горячим парафином,в кольце делают отверстие, через которое в банку наливается вода и вставляется мешалка для помешивания купороса.

Потом в диафрагму надо налить раствор поваренной соли и оставить на несколько часов,правильно собранная диафрагма не должна подтекать,а её поверхность должна быть всего-лишь влажной.далее по внутреннему диаметру диафрагмы изготавливается из листа цинка цилиндр к нему припаивается медный провод который будет служить (-),цинковый цилиндр должен свободно входить в диафрагму,но при этом быть как можно ближе к её стенкам,то есть ближе к медному цилиндру,чтобы уменьшить внутренне сопротивление,и соответственно повысить эффективность.

СБОРКА ЭЛЕМЕНТА.

В чистую банку,если 0,5л.,насыпают столовую ложку медного купороса,вставляют мешалку,а потом устанавливают диафрагму,наполненную раствором поваренной соли,после в то отверстие,которое для мешалки,в банку наливается вода,а за тем вставляется в диафрагму цинковый цилиндр,после сборки элемент полностью готов к работе,остаётся соединить элементы последовательно,как обычные батарейки,и питать и заряжать приборы.

Применение пористой диафрагмы обусловлено разделением электролитов, тоесть разделением кристаллов купороса,и соляного раствора от смешивания,иначе купорос бурно вступает в реакцию и слишком быстро расходуется, даже когда элемент не используется,а через диафрагму расход купороса равномерен и экономичен,что обеспечивает долгую работу источника тока-гальванического элемента..

Удод за элементом заключается в периодической заправке купороса, смене электролита и очистке от окисления электродов. При потреблении тока около 600мА(сотовый телефон), батарея состоящая из 4-х пол-литровых элементов элементов проработает на одной заправке купороса(4 стол.л.) около месяца,при условии использования его каждый день около 6 часов. .При падении мощности периодически мешалкой надо взбалтывать медный купорос.За время работы в течении месяца израсходуется около 100г.купороса, и 40г. цинка.

Примечание. Если заменить цинк на алюминий,то элементов надо не 4 или 5, а 6 или 7 ,соединенных последовательно,так как э.д.с. алюминия ниже чем у цинка,и состовляет 0,4-0,6 V.

Гальванический элемент – это источник электрической энергии, принцип действия основан на химических реакциях. Большинство современных батареек и аккумуляторов подпадает под определение и относится к рассматриваемой категории. Физически гальванический элемент состоит из проводящих электродов, погруженных в одну или две жидкости (электролиты).

Общая информация

Гальванические элементы делятся на первичные и вторичные в соответствии со способностью вырабатывать электрический ток. Оба вида считаются источниками и служат для различных целей. Первые вырабатывают ток в ходе химической реакции, вторые функционируют исключительно после зарядки. Ниже обсудим обе разновидности. По количеству жидкостей различают две группы гальванических элементов:

Непостоянство источников питания с единственной жидкостью заметил Ом, открыв неприемлемость гальванического элемента Волластона для экспериментов по исследованию электричества. Динамика процесса такова, что в начальный момент времени ток велик и вначале растёт, потом за несколько часов падает до среднего значения. Современные аккумуляторы капризны.

История открытия химического электричества

Мало известен факт, что в 1752 году гальваническое электричество упоминалось Иоганном Георгом. Издание Исследование происхождения приятных и неприятных ощущений, выпущенное Берлинской академией наук, даже придавало явлению вполне правильное толкование. Опыт: серебряную и свинцовую пластины соединяли с одного конца, а противоположные с разных сторон прикладывались к языку. На рецепторах наблюдается вкус железного купороса. Читатели уже догадались, описанный способ проверки батареек часто использовали в СССР.

Объяснение явления: видимо, имеются некие частицы металла, раздражающие рецепторы языка. Частицы испускаются одной пластиной при соприкосновении. Причём один металл при этом растворяется. Собственно, налицо принцип действия гальванического элемента, где цинковая пластина постепенно исчезает, отдавая энергию химических связей электрическому току. Объяснение сделано за полвека до официального доклада Королевскому обществу Лондона Алессандро Вольта об открытии первого источника питания. Но, как происходит часто с открытиями, к примеру, электромагнитным взаимодействием, опыт остался незамечен широкой научной общественностью и не исследован должным образом.

Добавим, это оказалось связано с недавней отменой преследования за колдовство: немногие решались после печального опыта «ведьм» на изучение непонятных явлений. Иначе обстояло дело с Луиджи Гальвани, с 1775 года работающим на кафедре анатомии в Болонье. Его специализаций считались раздражители нервной системы, но светило оставил значимый след не в области физиологии. Ученик Беккарии активно занимался электричеством. Во второй половине 1780 года, как следует из воспоминаний учёного (1791, De Viribus Electricitatis in Motu Muscylary: Commentarii Bononiensi, том 7, стр. 363), в очередной раз производилось препарирование лягушки (опыты и потом длились долгие годы).

Примечательно, что необычное явление подмечено ассистентом, в точности, как с отклонением стрелки компаса проводом с электрическим током: открытие сделали лишь косвенно связанные с научными исследованиями люди. Наблюдение касалось подергиваний нижних конечностей лягушки. В ходе опыта ассистент задел внутренний бедренный нерв препарируемого животного, ножки дёрнулись. Рядом, на столе стоял электростатический генератор, на приборе проскочила искра. Луиджи Гальвани немедленно загорелся идеей повторить опыт. Что удалось. И опять на машине проскочила искра.

Образовалась параллель связи с электричеством, и Гальвани возжелал узнать, станет ли на лягушку действовать подобным образом гроза. Оказалось, что природные катаклизмы не оказывают заметного воздействия. Лягушки, прикреплённые медными крючками за спинной мозг к железной ограде, дёргались вне зависимости от погодных условий. Опыты не удавалось реализовать со 100-процентной повторяемостью, атмосфера воздействия не оказывала. В итоге Гальвани нашёл сонм пар, составленных из разных металлов, которые при соприкосновении между собой и нервом вызывали подёргивание лапок у лягушки. Сегодня явление объясняют различной степенью электроотрицательности материалов. К примеру, известно, что нельзя алюминиевые пластины клепать медью, металлы составляют гальваническую пару с ярко выраженными свойствами.

Гальвани справедливо заметил, что образуется замкнутая электрическая цепь, предположил, что лягушка содержит животное электричество, разряжаемое подобно лейденской банке. Алессандро Вольта не принял объяснения. Внимательно изучив описание экспериментов, Вольта выдвинул объяснение, что ток возникает при объединении двух металлов, непосредственно или через электролит тела биологического существа. Причина возникновения тока кроется в материалах, а лягушка служит простым индикатором явления. Цитата Вольты из письма, адресованного редактору научного журнала:

Проводники первого рода (твёрдые тела) и второго рода (жидкости) при соприкосновении в некоторой комбинации рождают импульс электричества, сегодня нельзя объяснить причины возникновения явления. Ток течёт по замкнутому контуру и исчезает, если целостность цепи нарушена.

Вольтов столб

Лепту в череду открытий внёс Джованни Фаброни, сообщивший, что при размещении двух пластинок гальванической пары в воду, одна начинает разрушаться. Следовательно, явление имеет отношение к химическим процессам. А Вольта тем временем изобрёл первый источник питания, долгое время служивший для исследования электричества. Учёный постоянно искал способы усиления действия гальванических пар, но не находил. В ходе опытов создана конструкция вольтова столба:

Попарно брались цинковые и медные кружки в плотном соприкосновении друг с другом.
Полученные пары разделялись мокрыми кружками картона и ставились друг над другом.

Легко догадаться, получилось последовательное соединение источников тока, которые суммируясь, усиливали эффект (разность потенциалов). Новый прибор вызывал при прикосновении ощутимый для руки человека удар. Подобно опытам Мушенбрука с лейденской банкой. Однако для повторения эффекта требовалось время. Стало очевидно, что источник энергии имеет химическое происхождение и постепенно возобновляется. Но привыкнуть к понятию нового электричества оказалось непросто. Вольтов столб вёл себя подобно заряженной лейденской банке, но…

Вольта организует дополнительный эксперимент. Снабжает каждый из кружков изолирующей ручкой, приводит в соприкосновение на некоторое время, потом размыкает и проводит исследование электроскопом. К тому времени уже стал известен закон Кулона, выясняется, что цинк зарядился положительно, а медь – отрицательно. Первый материал отдал электроны второму. По указанной причине цинковая пластина вольтова столба постепенно разрушается. Для изучение работы назначили комиссию, которой представили доводы Алессандро. Уже тогда путём умозаключений исследователь установил, что напряжение отдельных пар складывается.

Вольта объяснил, что без мокрых кружков, прокладываемых между металлами, конструкция ведёт себя как две пластинки: медная и цинковая. Усиления не происходит. Вольта нашёл первый ряд электроотрицательности: цинк, свинец, олово, железо, медь, серебро. И если исключить промежуточные металлы между крайними, «движущая сила» не изменяется. Вольта установил, что электричество существует, пока соприкасаются пластины: сила не видна, но легко чувствуется, следовательно, она истинна. Учёный 20 марта 1800 года пишет президенту Королевского общества Лондона сэру Джозефу Бэнксу, к которому обращался впервые и Майкл Фарадей.

Английские исследователи быстро обнаружили: если на верхнюю пластину (медь) капнуть воды, в указанной точке в районе контакта выделяется газ. Они проделали опыт с обоих сторон: провода подходящей цепи заключили в колбы с водой. Газ исследовали. Оказалось, что газ горючий, выделяется лишь с единственной стороны. С противоположной заметно окислилась проволока. Установлено, что первое является водородом, а второе явление происходит вследствие избытка кислорода. Установлено (2 мая 1800 года), что наблюдаемый процесс – разложение воды под действием электрического тока.

Уильям Крукшенк немедленно показал, что аналогичное допустимо проделать с растворами солей металлов, а Волластон окончательно доказал идентичность вольтова столба статическому электричеству. Как выразился учёный: действие слабее, но обладает большей продолжительностью. Мартин Ван Марум и Христиан Генрих Пфафф зарядили от элемента лейденскую банку. А профессор Хампфри Дэви установил, что чистая вода не может служить в этом случае электролитом. Напротив, чем сильнее жидкость способна окислять цинк, тем лучше действует вольтов столб, что вполне согласовывалось с наблюдениями Фаброни.

Кислота намного улучшает работоспособность, ускоряя процесс выработки электричества. В конце концов Дэви создал стройную теорию вольтова столба. Он пояснил, что металлы изначально обладают неким зарядом, при замыкании контактов вызывающим действие элемента. Если электролит способен окислять поверхность донора электронов, слой истощённых атомов постепенно удаляется, открывая новые слои, способные давать электричество.

В 1803 году Риттер собрал столб из чередующихся кружков серебра и мокрого сукна, прообраз первого аккумулятора. Риттер зарядил его от вольтова столба и наблюдал процесс разрядки. Правильное толкование явлению дал Алессандро Вольта. И лишь в 1825 году Огюст де ла Рив доказал, что перенос электричества в растворе осуществляется ионами вещества, наблюдая образование оксида цинка в камере с чистой водой, отделённой от соседней мембраной. Заявление помогло Берцелиусу создать физическую модель, в которой атому электролита представлялись составленными из двух противоположно заряженных полюсов (ионов), способных диссоциировать. В результате получилась стройная картина переноса электричества на расстояние.