Rôzne typy galvanických článkov premieňajú svoju chemickú energiu na elektrický prúd. Dostali svoje meno na počesť talianskeho vedca Galvaniho, ktorý uskutočnil prvé takéto experimenty a štúdie. Elektrická energia sa vyrába chemickou interakciou dvoch kovov (zvyčajne zinku a medi) v elektrolyte.
Princíp činnosti
Vedci umiestnili medené a zinkové platne do nádob s kyselinou. Boli spojené vodičom, na prvom sa vytvorili bubliny plynu, druhý sa začal rozpúšťať. To dokázalo, že vodičom preteká elektrický prúd. Po Galvanim sa Volt pustil do experimentov. Vytvoril valcovitý prvok podobný vertikálnemu stĺpu. Skladal sa zo zinku, medi a textilných krúžkov, predtým impregnovaných kyselinou. Prvý prvok bol vysoký 50 cm a napätie, ktoré ním vytváralo, človek cítil.
Princíp činnosti je taký, že dva druhy kovu v elektrolytickom prostredí interagujú, v dôsledku čoho začne prúdiť prúd cez vonkajší obvod. Moderné galvanické články a akumulátory sa nazývajú batérie. Ich napätie závisí od použitého kovu. Zariadenie je umiestnené vo valci z mäkkej ocele. Mriežky s oxidačným a redukčným postrekom fungujú ako elektródy.
Premena chemickej energie na elektrinu vylučuje možnosť obnovenia vlastností batérií. V skutočnosti sa počas činnosti prvku reagencie spotrebúvajú, kvôli čomu klesá prúd. Redukčným činidlom je zvyčajne záporný pól lítia alebo zinku. Počas prevádzky stráca elektróny. Pozitívna časť je vyrobená zo solí kovov alebo oxidu horečnatého, robí prácu oxidačného činidla.
Za normálnych podmienok elektrolyt neprechádza prúdom, rozkladá sa na ióny iba pri uzavretom okruhu. To je to, čo určuje vzhľad vodivosti. Ako elektrolyt sa používa kyslý roztok, sodné alebo draselné soli.
Odrody prvkov
Batérie sa používajú na napájanie spotrebičov, prístrojov, zariadení, hračiek. Podľa schémy sú všetky galvanické články rozdelené do niekoľkých typov:
- soľný roztok;
- zásaditý;
- lítium.
Najobľúbenejšie sú slané batérie vyrobené zo zinku a mangánu. Prvok kombinuje spoľahlivosť, kvalitu a rozumnú cenu. Ale v poslednej dobe výrobcovia znižujú alebo úplne zastavujú svoju výrobu, pretože firmy, ktoré vyrábajú domáce spotrebiče, na ne postupne zvyšujú požiadavky. Hlavné výhody tohto typu galvanických batérií sú:
- univerzálne parametre umožňujúce ich použitie v rôznych oblastiach;
- ľahká obsluha;
- nízke náklady;
- jednoduché výrobné podmienky;
- dostupné a lacné suroviny.
Medzi nevýhody patrí krátka životnosť (nie viac ako dva roky), pokles vlastností v dôsledku nízkych teplôt, pokles kapacity so zvyšujúcim sa prúdom a pokles napätia počas prevádzky. Keď sú slané batérie vybité, môžu vytekať, pretože kladný objem elektródy vytláča elektrolyt von. Vodivosť zvyšuje grafit a sadze; aktívna zmes pozostáva z oxidu manganičitého. Životnosť priamo závisí od objemu elektrolytu.
Prvé alkalické prvky sa objavili v minulom storočí. Úlohu oxidačného činidla v nich zohráva mangán a redukčným činidlom je zinkový prášok. Obal batérie je zlúčený, aby sa zabránilo korózii. Ale použitie ortuti bolo zakázané, takže boli potiahnuté zmesami zinkového prášku s inhibítormi hrdze.
Účinná látka v zariadení s galvanickým článkom je sú to zinok, indium, olovo a hliník... Aktívna hmota obsahuje sadze, mangán a grafit. Elektrolyt je vyrobený z draslíka a sodíka. Suchý prášok výrazne zlepšuje výkon batérie. Pri rovnakých rozmeroch ako pri slaných druhoch majú alkalické veľkú kapacitu. Dobre fungujú aj pri silnom mraze.
Lítiové články sa používajú na napájanie moderných technológií. Prichádzajú vo forme batérií a akumulátorov rôznych veľkostí. Prvé obsahujú tuhý elektrolyt, zatiaľ čo iné zariadenia obsahujú tekutý. Táto možnosť je vhodná pre zariadenia, ktoré vyžadujú stabilné nabíjanie napätím a stredným prúdom. Lítiové batérie je možné nabíjať viackrát, batérie sa používajú iba raz, nie sú otvorené.
Pôsobnosť
Na výrobu elektrochemických článkov sa kladie množstvo požiadaviek. Obal na batériu musí byť spoľahlivý a utesnený. Elektrolyt nesmie unikať a do prístroja sa nesmie dostať cudzie látky. V niektorých prípadoch, keď tekutina vytečie, rozsvieti sa. Poškodený prvok nie je možné použiť. Rozmery všetkých batérií sú prakticky rovnaké, líšia sa iba rozmery batérií. Prvky môžu mať rôzne tvary: valcovité, hranolové alebo diskové.
Všetky typy zariadení majú spoločné výhody: sú kompaktné a ľahké, prispôsobené rôznym rozsahom prevádzkových teplôt, majú veľkú kapacitu a pracujú stabilne v rôznych podmienkach. Existujú aj niektoré nevýhody, ktoré sa však vzťahujú na určité typy prvkov. Soľné nevydržia dlho, lítiové sú navrhnuté tak, aby sa pri odtlakovaní mohli vznietiť.
Aplikácií pre batérie je veľa:
- digitálna technológia;
- detské hračky;
- zdravotnícke prístroje;
- obranný a letecký priemysel;
- vesmírna výroba.
Elektrochemické články sa ľahko používajú a sú cenovo dostupné. S niektorými druhmi však treba manipulovať opatrne a nepoužívať ich, ak sú poškodené. Pred zakúpením batérií si musíte starostlivo prečítať pokyny zariadenia, ktoré budú napájať.
Galvanický článok je chemický zdroj elektrického prúdu, v ktorom sa chemická energia priamo mení na elektrickú energiu. Preto je. Vzhľad najbežnejších batérií je znázornený na obrázku 1.
Obrázok 1. Vzhľad prstových elektrochemických článkov
Existujú soľné (suché), alkalické a lítiové články. Galvanické články sa často nazývajú batérie, ale tento názov je nesprávny, pretože batéria predstavuje pripojenie niekoľkých identických zariadení. Napríklad keď sú do série zapojené tri galvanické články, vytvorí sa bežne používaná 4,5 voltová batéria.
Princíp činnosti galvanického článku je založený na interakcii dvoch kovov prostredníctvom elektrolytu, čo vedie k vzniku elektrického prúdu v uzavretom okruhu. Napätie závisí od použitých kovov. Niektoré z týchto zdrojov chemického prúdu sú uvedené v tabuľke 1.
| Typ prúdových zdrojov | Katóda | Elektrolyt | Anóda | Napätie, AT |
|---|---|---|---|---|
| Mangán-zinok | MnO 2 | KOH | Zn | 1,56 |
| Mangán-cín | MnO 2 | KOH | Sn | 1,65 |
| Mangán-horčík | MnO 2 | MgBr 2 | Mg | 2,00 |
| Olovo-zinok | PbO 2 | H2SO4 | Zn | 2,55 |
| Olovo-kadmium | PbO 2 | H2SO4 | Cd | 2,42 |
| Olovo-chlór | PbO 2 | HClO 4 | Pb | 1,92 |
| Ortuť-zinok | HgO | KOH | Zn | 1,36 |
| Ortuť-kadmium | HgO 2 | KOH | Cd | 1,92 |
| Oxid-ortuť-cín | HgO 2 | KOH | Sn | 1,30 |
| Chróm-zinok | K 2 Cr 2 O 7 | H2SO4 | Zn | 1,8-1,9 |
V predaji sú hlavne mangán-zinkové prvky, ktoré sa nazývajú soľ. Výrobcovia batérií zvyčajne neuvádzajú chémiu batérií. Jedná sa o najlacnejšie elektrochemické články a je možné ich použiť iba v zariadeniach s nízkou spotrebou, ako sú hodinky, elektronické teplomery alebo diaľkové ovládače. Obrázok 2 zobrazuje vonkajší vzhľad a vnútornú štruktúru soľnej batérie.
Obrázok 2. Vzhľad a štruktúra „suchého“ galvanického článku
Nemenej bežné sú aj alkalické mangánové batérie. V predaji sa nazývajú zásadité, bez obťažovania s prekladom názvu do ruštiny. Vnútorná štruktúra alkalického galvanického článku je znázornená na obrázku 2.
Obrázok 3. Vnútorné usporiadanie a štruktúra alkalického elektrochemického článku
Tieto zdroje chemického prúdu majú vyššiu kapacitu (2 ... 3 A / h) a môžu dlhodobo poskytovať vyšší prúd. zinok sa nepoužíva vo forme skla, ale vo forme prášku, ktorý má väčšiu plochu kontaktu s elektrolytom. Ako elektrolyt sa používa hydroxid draselný. V súčasnosti je najrozšírenejšia vďaka schopnosti tohto typu galvanických článkov dodávať dlhodobo značný prúd (až do 1 A).
Ďalším celkom bežným typom elektrochemických článkov sú lítiové sudy. Vďaka použitiu alkalického kovu majú vysoký rozdiel potenciálov. Napätie lítiových článkov je 3 V. Na trhu však existujú aj 1,5 V lítiové batérie. Tieto batérie majú najvyššiu kapacitu na jednotku hmotnosti a dlhú životnosť. Používajú sa hlavne na napájanie hodiniek na základných doskách počítačov a fotografických prístrojov. Nevýhodou sú vysoké náklady. Vzhľad lítiových batérií je znázornený na obrázku 4.
Obrázok 4. Vonkajší pohľad na lítiové batérie
Je potrebné poznamenať, že takmer všetky galvanické články je možné nabíjať zo siete. Výnimkou je lítiové batérie, ktoré môžu explodovať pri pokuse o nabitie.
Batérie boli štandardizované pre použitie v rôznych zariadeniach. Najbežnejšie typy puzdier pre galvanické články sú uvedené v tabuľke 2.
V súčasnosti sa na pripevnenie batérií vo vnútri krytu rádiových elektronických zariadení ponúkajú hotové priehradky na batérie. Ich použitie umožňuje výrazne zjednodušiť vývoj tela elektronického zariadenia a znížiť náklady na jeho výrobu. Vzhľad niektorých z nich je znázornený na obrázku 5.
Obrázok 5. Vonkajší pohľad na priehradky na upevnenie galvanických batérií
Prvou otázkou, ktorá kupujúcich batérií znepokojuje, je ich životnosť. Závisí to od technológie výroby galvanického článku. Graf typickej závislosti výstupného napätia na technológii výroby batérií je znázornený na obrázku 5.
Obrázok 6. Graf doby prevádzky batérie v závislosti od technológie výroby pri vybíjacom prúde 1 A
Výsledky testov batérií rôznych značiek uskutočňovaných na stránke http://www.batteryshowdown.com/ sú uvedené na obrázku 7.
Obrázok 7. Graf prevádzkovej doby batérií rôznych spoločností pri vybíjacom prúde 1 A
A nakoniec urobme závery, kde má zmysel používať aký typ batérií, pretože pri nákupe batérií sa vždy snažíme dosiahnuť maximálny užitočný efekt pri minimálnych nákladoch.
- Batérie by ste nemali kupovať v kioskoch alebo na trhu. Zvyčajne tam ležia dlho a preto v dôsledku samovybíjania prakticky strácajú svoju kapacitu. Môže to byť dokonca nebezpečné pre zariadenie, pretože pri použití lacných galvanických článkov (batérií) z nich môže unikať elektrolyt. To povedie k poruche zariadenia! Je lepšie nakupovať v obchodoch s dobrým obratom tovaru.
- alkalické (alkalické) batérie by sa mali používať v zariadeniach, ktoré odoberajú dostatočne veľký prúd, ako sú napríklad baterky, prehrávače alebo fotoaparáty. V zariadeniach s nízkym výkonom sa ich životnosť nelíši od slaných batérií.
- Soľ („obyčajné“, galvanické články zink-uhlík) bude perfektne fungovať v hodinkách, IR diaľkových ovládačoch a ďalších zariadeniach určených na prevádzku na jednu sadu batérií rok alebo viac. Nemôžu však pracovať v chlade.
- Najlacnejšie batérie sú dnes batérie typu AA typu finger. Drahšie sú malíčky (AAA) aj veľké (R20), ktoré majú rovnakú kapacitu. Kapacita moderných batérií R20 je takmer rovnaká ako u batérií AA AA, a to je trojnásobok veľkosti!
- Nedávajte pozor na propagované značky. Galvanické články od spoločností Duracell a Energizer sú jeden a pol až dvakrát drahšie ako batérie od iných spoločností a súčasne fungujú zhruba rovnako
„Štátny pedagogický inštitút Arzamas pomenovaný po A.P. Gajdarovi“
Kurzová práca
v chémii
Téma: Elektrochemické články
Ukončené: študent 5. ročníka
EHF 52 gr. Podskupina B2 Shirshin N.V.
Prijal: A.P. Kinderov
Plán
Úvod
I. História vzniku zdrojov chemického prúdu
II. Princíp činnosti
III. Klasifikácia, zariadenie a princíp činnosti zdrojov chemického prúdu
1. Galvanický článok
2. Elektrické batérie
A) Alkalické batérie
3. Palivový článok
A) Princíp činnosti
B) Princíp oddelenia paliva a prietokov paliva
B) Príklad palivového článku vodík-kyslík
D) História výskumu v Rusku
E) Aplikácia palivových článkov
F) Problémy s palivovými článkami
IV. Prevádzka na články a batérie
V. Regenerácia galvanických článkov a batérií
Vi. Vlastnosti niektorých typov elektrochemických článkov a ich stručná charakteristika
Záver
Zoznam použitej literatúry
Úvod
Zdroje chemickej energie sa stali súčasťou nášho života na mnoho rokov. V každodennom živote spotrebiteľ zriedka venuje pozornosť rozdielom medzi použitými zdrojmi chemického prúdu. Pre neho sú to batérie a akumulátory. Bežne sa používajú v zariadeniach, ako sú baterky, hračky, rádiá alebo autá. V prípade, že je spotreba energie relatívne vysoká (10 Ah), používajú sa hlavne batérie, a to hlavne kyselinové, ako aj nikel-železo a nikel-kadmium. Používajú sa v prenosných elektronických počítačoch (notebook, notebook, počítač Palmtop), v nositeľnej komunikácii, v núdzovom osvetlení atď.
Vďaka mnohým okolnostiam sú chemické generátory elektrickej energie najsľubnejšie. Ich výhody sa prejavujú prostredníctvom parametrov, ako je vysoká energetická účinnosť; nehlučnosť a neškodnosť; schopnosť používať za akýchkoľvek podmienok, vrátane priestoru a pod vodou, v stacionárnych a prenosných zariadeniach, v doprave atď.
V posledných rokoch sa takéto batérie často používajú v záložných zdrojoch napájania počítačov a elektromechanických systémov, ktoré ukladajú energiu na možné špičkové zaťaženie a na núdzové napájanie dôležitých systémov.
Ciele a ciele... V tejto práci potrebujem rozobrať princíp fungovania galvanických článkov, oboznámiť sa s históriou ich vzniku, s vlastnosťami klasifikácie a prístroja rôznych druhov galvanických článkov, ako aj s využitím rôznych druhov zdrojov chemického prúdu v každodennom živote a s rôznymi oblasťami výroby.
Ja. História vytvárania zdrojov chemického prúdu
Chemické zdroje energie (skr. HIT) - zariadenia, v ktorých sa energia chemických reakcií prebiehajúcich v nich priamo mení na elektrickú energiu.
Dejiny stvorenia
Voltový stĺp
Prvý zdroj chemického prúdu vynašiel taliansky vedec Alessandro Volta v roku 1800. Bol to prvok Volta - nádoba so slanou vodou, do ktorej boli ponorené zinkové a medené platne, spojené drôtom. Potom vedec zostavil z týchto prvkov batériu, ktorá bola neskôr pomenovaná Voltaický stĺp. Tento vynález neskôr použili ďalší vedci vo svojich štúdiách. Napríklad v roku 1802 ruský akademik V.V. Petrov navrhol voltský stĺp s 2 100 prvkami na výrobu elektrického oblúka. V roku 1836 anglický chemik John Daniel vylepšil Voltov článok umiestnením zinkových a medených elektród do roztoku kyseliny sírovej. Táto konštrukcia sa stala známou ako „Danielov prvok“. V roku 1859 vynašiel francúzsky fyzik Gaston Planté olovenú batériu. Tento typ článkov sa v autobatériách používa dodnes. V roku 1865 navrhol francúzsky chemik J. Leclanchet svoj vlastný galvanický článok (Leclanchetov článok), ktorý pozostával zo zinkového pohárika naplneného vodným roztokom chloridu amónneho alebo inej chloridovej soli, do ktorého bol pomocou zberača uhoľného prúdu vložený aglomerát oxidu manganičitého MnO2. Úprava tohto dizajnu sa dodnes používa v soľných batériách pre rôzne zariadenia v domácnosti. V roku 1890 v New Yorku vytvoril prisťahovalec z Ruska Konrad Hubert prvú vreckovú elektrickú baterku. A už v roku 1896 začala spoločnosť National Carbon hromadne vyrábať prvé suché články na svete Leclanche „Columbia“.
II. Princíp činnosti
Zariadenie „bagdadských batérií“ (200 pred n. L.).
Zdroje chemického prúdu sú založené na dvoch elektródach (katóde obsahujúcej oxidačné činidlo a anóde obsahujúcich redukčné činidlo) v kontakte s elektrolytom. Medzi elektródami sa stanoví potenciálny rozdiel - elektromotorická sila zodpovedajúca voľnej energii redoxnej reakcie. Pôsobenie zdrojov chemického prúdu je založené na toku priestorovo oddelených procesov s uzavretým vonkajším obvodom: redukčné činidlo sa oxiduje na katóde, výsledné voľné elektróny prechádzajú a vytvárajú výbojový prúd pozdĺž vonkajšieho obvodu k anóde, kde sa zúčastňujú redukčnej reakcie oxidantu.
Moderné chemické zdroje energie používajú:
ako redukčné činidlo (na anóde) - olovo Pb, kadmium Cd, zinok Zn a ďalšie kovy;
ako oxidačné činidlo (na katóde) - oxid olovnatý PbO2, hydroxid nikelnatý NiOOH, oxid mangánatý MnO2 a ďalšie;
ako elektrolyt - roztoky zásad, kyselín alebo solí.
III. Klasifikácia, zariadenie a princíp činnosti
Ak je možné alebo nemožné opätovné použitie, zdroje chemickej energie sa delia na:
1. Galvanický článok
Galvanický článok - chemický zdroj elektrického prúdu pomenovaný po Luigim Galvanim. Princíp činnosti galvanického článku je založený na interakcii dvoch kovov prostredníctvom elektrolytu, čo vedie k vzniku elektrického prúdu v uzavretom okruhu. EMF galvanického článku závisí od materiálu elektród a zloženia elektrolytu. Jedná sa o primárny CHS, ktorý sa z dôvodu ireverzibility reakcií, ktoré v ňom prebiehajú, nemôže dobiť.
Galvanické články sú zdroje elektrickej energie na jedno použitie. Činidlá (oxidačné činidlo a redukčné činidlo) sú obsiahnuté priamo v zložení galvanického článku a sú spotrebované počas jeho prevádzky. Galvanický článok sa vyznačuje EMF, napätím, výkonom, kapacitou a energiou dodávanou do externého obvodu, ako aj jeho odolnosťou a bezpečnosťou pre životné prostredie.
EMF je určená povahou procesov prebiehajúcich v galvanickom článku. Napätie galvanického článku U je vždy menšie ako jeho EMF v dôsledku polarizácie elektród a strát odporu:
U \u003d Ee - I (r1 - r2) - ΔE,
kde Ee je EMF prvku; I - sila prúdu v režime činnosti prvku; r1 a r2 - odpor vodičov typu I a II vo vnútri galvanického článku; ΔE je polarizácia galvanického článku, ktorá je súčtom polarizácií jeho elektród (anódy a katódy). Polarizácia sa zvyšuje so zvýšením prúdovej hustoty (i), určenej vzorcom i \u003d I / S, kde S je plocha prierezu elektródy, a so zvýšením odporu systému.
Počas činnosti galvanického článku, jeho EMF a podľa toho aj napätia postupne klesá v dôsledku poklesu koncentrácie činidiel a zvýšenia koncentrácie produktov redoxných procesov na elektródach (pripomeňme Nernstovu rovnicu). Čím pomalšie však napätie klesá počas vybíjania galvanického článku, tým viac možností je jeho uplatnenie v praxi. Kapacita článku je celkové množstvo elektriny Q, ktoré je galvanický článok schopný dať počas prevádzky (pri vybíjaní). Kapacita je určená hmotnosťou reagencií uložených v galvanickom článku a stupňom ich premeny. So zvyšovaním vybíjacieho prúdu a poklesom prevádzkovej teploty článku, najmä pod 00 ° C, klesá stupeň premeny činidiel a kapacita článku.
Energia galvanického článku sa rovná súčinu jeho kapacity a napätia: ΔН \u003d Q.U. Najvyššiu energiu majú prvky s vysokou hodnotou EMF, nízkou hmotnosťou a vysokým stupňom premeny činidiel.
Perzistencia je doba použiteľnosti prvku, počas ktorej jeho vlastnosti zostávajú v stanovených parametroch. So zvyšovaním skladovacej a prevádzkovej teploty prvku klesá jeho konzervácia.
Zloženie elektrochemického článku: redukčné činidlá (anódy) v prenosných elektrochemických článkoch sú spravidla zinok Zn, lítium Li, horčík Mg; oxidačné činidlá (katódy) - oxidy mangánu MnO2, meď CuO, striebro Ag2O, síra SO2, ako aj soli CuCl2, PbCl2, FeS a kyslík O2.
Najmohutnejšia na svete zostáva výroba mangánovo-zinkových prvkov Mn-Zn, ktoré sa široko používajú na napájanie rádiových zariadení, komunikačných zariadení, magnetofónov, bateriek atď. Konštrukcia takého galvanického článku je znázornená na obrázku
Reakcie tvoriace prúd v tomto prvku sú:
On anóda (-): Zn - 2ē → Zn2 + (v praxi sa zinkový obal bunkového tela postupne rozpúšťa);
On katóda (+): 2MnO2 + 2NH4 + + 2e → Mn2O3 + 2NH3 + H20.
V elektrolytickom priestore prebiehajú aj tieto procesy:
Mať anóda Zn2 + + 2NH3 → 2 +;
Mať katóda Mn2O3 + H20 → alebo 2.
V molekulárnej forme môže byť chemická stránka činnosti galvanického článku predstavovaná celkovou reakciou:
Zn + 2MnO2 + 2NH4CI → Cl2 + 2.
Schéma galvanického článku:
(-) Zn | Zn (NH3) 2] 2+ ||| MnO2 (C) (+).
EMF takéhoto systému je E \u003d 1,25 ÷ 1,50V.
Galvanický článok je zdrojom elektrickej energie, princíp činnosti je založený na chemických reakciách. Väčšina moderných batérií a akumulátorov spadá do definície a spadá do tejto kategórie. Fyzicky sa galvanický článok skladá z vodivých elektród ponorených do jednej alebo dvoch kvapalín (elektrolytov).
všeobecné informácie
Galvanické články sa delia na primárne a sekundárne podľa schopnosti generovať elektrický prúd. Oba sú považované za zdroje a slúžia na rôzne účely. Prvé generujú prúd počas chemickej reakcie, zatiaľ čo druhé fungujú výlučne po nabití. Nižšie si povieme o oboch odrodách. Podľa množstva tekutín sa rozlišujú dve skupiny galvanických článkov:
Nekonzistenciu napájacích zdrojov s jedinou kvapalinou si všimol Ohm, ktorý objavil neprijateľnosť Wollastonovho galvanického článku pre experimenty v štúdiu elektrickej energie. Dynamika procesu je taká, že v počiatočnom okamihu je prúd veľký a najskôr rastie, potom za pár hodín klesne na priemernú hodnotu. Moderné batérie sú vrtošivé.
História objavenia chemickej elektriny
Málo sa vie o tom, že v roku 1752 sa o galvanickej elektrine zmienil Johann Georg. Publikácia Vyšetrovanie pôvodu príjemných a nepríjemných vnemov, ktorú vydala Berlínska akadémia vied, dala fenoménu dokonca úplne správny výklad. Skúsenosti: strieborné a olovené platne boli spojené na jednom konci a opačné sa na jazyk nanášali z rôznych strán. Chuť síranu železnatého sa pozoruje na receptoroch. Čitatelia už uhádli, že opísaný spôsob kontroly batérií sa v ZSSR často používal.
Vysvetlenie javu: zjavne existujú určité kovové častice, ktoré dráždia receptory jazyka. Pri kontakte sú častice emitované z jednej platne. V tomto prípade sa navyše jeden kov rozpustí. V skutočnosti existuje princíp pôsobenia galvanického článku, kde zinková platňa postupne mizne a dodáva energiu chemických väzieb elektrickému prúdu. Vysvetlenie podalo pol storočia pred oficiálnou správou Londýnskej kráľovskej spoločnosti od Alessandra Voltu o objave prvého zdroja energie. Ako to však často býva pri objavoch, napríklad pri elektromagnetickej interakcii, všeobecná vedecká komunita si túto skúsenosť nevšimla a nebola riadne preskúmaná.
Dodávame, že sa to ukázalo kvôli nedávnemu zrušeniu trestného stíhania pre čarodejníctvo: po smutných skúsenostiach „čarodejníc“ sa málokto rozhodol študovať nepochopiteľné javy. Iná situácia bola u Luigiho Galvaniho, ktorý od roku 1775 pracoval na anatomickom oddelení v Bologni. Jeho špeciality boli považované za dráždidlá nervového systému, ale svietidlo zanechalo značnú stopu nie v oblasti fyziológie. Beccariova študentka sa aktívne venovala elektrine. V druhej polovici roku 1780, ako vyplýva z pamätí vedca (1791, De Viribus Electricitatis in Motu Muscylary: Commentarii Bononiensi, zväzok 7, s. 363), bola žaba znovu pitvaná (pokusy a potom trvali mnoho rokov).
Je pozoruhodné, že neobvyklý jav si všimol asistent, rovnako ako pri vychýlení ihly kompasu drôtom s elektrickým prúdom: objav uskutočnili iba ľudia nepriamo súvisiaci s vedeckým výskumom. Pozorovanie sa týkalo šklbania dolných končatín žaby. Počas experimentu sa asistent dotýkal vnútorného stehenného nervu pripraveného zvieraťa, nohy sa trhali. Neďaleko, na stole, bol elektrostatický generátor a po prístroji šmykla iskra. Luigi Galvani okamžite dostal nápad experiment opakovať. Čo sme robili. A opäť autom preskočila iskra.
Existovalo paralelné spojenie s elektrinou a Galvani chcel vedieť, či bude na žabu takto pôsobiť búrka. Ukázalo sa, že prírodné katastrofy nemajú znateľný vplyv. Žaby pripevnené medenými háčikmi k mieche k železnému plotu sa triasli bez ohľadu na počasie. Pokusy nebolo možné uskutočniť so 100% opakovateľnosťou, atmosféra nemala žiadny vplyv. Výsledkom bolo, že Galvani našiel kopu párov zložených z rôznych kovov, ktoré keď sa dotkli jeden druhého a nervu, spôsobili žabie nohy šklbanie. Dnes sa tento jav vysvetľuje rôznymi stupňami elektronegativity materiálov. Je napríklad známe, že je nemožné nitovať hliníkové platne meďou, kovy tvoria galvanický pár s výraznými vlastnosťami.
Galvani správne poznamenal, že sa vytvorí uzavretý elektrický obvod, a naznačil, že žaba obsahuje živočíšnu elektrinu, ktorá sa vybíja ako leydenská banka. Alessandro Volta vysvetlenie neprijal. Po dôkladnom preštudovaní popisu experimentov predložil Volta vysvetlenie, že prúd nastáva, keď sa dva kovy spoja, priamo alebo prostredníctvom elektrolytu v tele biologickej bytosti. Príčina prúdu spočíva v materiáloch a žaba slúži ako jednoduchý indikátor javu. Voltov citát z listu adresovaného redaktorovi vedeckého časopisu:
Vodiče prvého druhu (tuhé látky) a druhého druhu (kvapaliny), ak sú v určitej kombinácii v kontakte, vedú k impulzu elektriny, dnes nie je možné vysvetliť príčiny javu. Prúd tečie v uzavretej slučke a zmizne, ak je prerušená kontinuita obvodu.
Voltový stĺp
Giovanni Fabroni uviedol do série objavov roztoč, ktorý uviedol, že keď sa dve platne galvanického páru umiestnia do vody, jedna sa začne rúcať. Tento jav teda súvisí s chemickými procesmi. A Volta medzitým vynašiel prvý zdroj energie, ktorý dlho slúžil na štúdium elektriny. Vedec neustále hľadal spôsoby, ako posilniť pôsobenie galvanických párov, ale nenašiel ho. V priebehu experimentov bol vytvorený návrh galvanického stĺpca:
- Zinkové a medené kruhy sa odoberali vo dvojiciach v úzkom vzájomnom kontakte.
- Výsledné páry boli oddelené mokrými kruhmi z lepenky a umiestnené na seba.
Je ľahké uhádnuť, že sa ukázalo sériové zapojenie prúdových zdrojov, ktoré po sčítaní zosilnilo účinok (potenciálny rozdiel). Nové zariadenie spôsobilo pri dotyku človeka šok. Podobné pokusom Muschenbrooka s Leydenskou nádobou. Účinok sa však opakoval istý čas. Ukázalo sa, že zdroj energie je chemického pôvodu a postupne sa obnovuje. Ale zvyknúť si na koncept novej elektriny nebolo ľahké. Voltaický stĺp sa správal ako nabitý Leydenský pohár, ale ...
Volta organizuje ďalší experiment. Každému z kruhov dodáva izolačnú rukoväť, na chvíľu ju privedie do kontaktu, potom ju otvorí a vykoná vyšetrenie elektroskopom. V tom čase už bol známy Coulombov zákon, ukazuje sa, že zinok bol nabitý kladne a meď záporne. Prvý materiál daroval elektróny druhému. Z tohto dôvodu sa pozinkovaná platňa voltaického stĺpca postupne ničí. Na preskúmanie práce bola ustanovená komisia, ku ktorej boli predložené Alessandrove argumenty. Už vtedy výskumník usúdil, že sa zvyšuje napätie jednotlivých párov.
Volta vysvetlil, že bez mokrých kruhov vložených medzi kovy sa štruktúra chová ako dve platne: meď a zinok. Nie je zosilnenie. Volta našla prvú sériu elektronegativity: zinok, olovo, cín, železo, meď, striebro. A ak vylúčime medzikovy medzi extrémnymi, „hnacia sila“ sa nezmení. Volta zistil, že elektrina existuje, pokiaľ sú platne v kontakte: sila nie je viditeľná, ale je ju ľahko cítiť, je to tak. Vedec napísal 20. marca 1800 prezidentovi londýnskej Kráľovskej spoločnosti sirovi Josephovi Banksovi, ktorému sa po prvýkrát obrátil aj Michael Faraday.
Britskí vedci rýchlo zistili, že pri poklese vody na hornú dosku (meď) sa plyn uvoľňuje v určenom mieste kontaktnej oblasti. Uskutočnili experiment na oboch stranách: drôty vhodného obvodu boli uzavreté v bankách s vodou. Bol skúmaný plyn. Ukázalo sa, že plyn je horľavý, uvoľňuje sa iba z jedinej strany. Na opačnej strane drôt znateľne zoxidoval. Zistilo sa, že prvý je vodík a druhý je spôsobený prebytkom kyslíka. Zistilo sa (2. mája 1800), že pozorovaným procesom je rozklad vody pod vplyvom elektrického prúdu.
William Crookshank okamžite ukázal, že to isté sa dá urobiť s roztokmi solí kovov, a Wollaston nakoniec dokázal totožnosť voltického stĺpca so statickou elektrinou. Ako uviedol vedec: akcia je slabšia, ale má dlhšie trvanie. Martin Van Marum a Christian Heinrich Pfaff nabili leydenskú nádobu z elementu. A profesor Humphrey Davy zistil, že čistá voda v tomto prípade nemôže slúžiť ako elektrolyt. Naopak, čím silnejšia je kvapalina schopná oxidácie zinku, tým lepšie pôsobí galvanický stĺp, čo je celkom v súlade s Fabroniho pozorovaniami.
Kyselina výrazne zvyšuje výkon tým, že urýchľuje proces výroby elektriny. Nakoniec Davy vytvoril koherentnú teóriu voltaického stĺpa. Vysvetlil, že kovy majú spočiatku určitý náboj, keď sú kontakty zopnuté, čo spôsobuje, že prvok koná. Ak je elektrolyt schopný oxidovať povrch donora elektrónov, vrstva ochudobnených atómov sa postupne odstraňuje, čím sa odhalia nové vrstvy schopné vyrábať elektrinu.
V roku 1803 Ritter zostavil stĺp striedajúcich sa kruhov zo striebra a mokrej látky, prototyp prvého akumulátora. Ritter ho nabil z voltaického pólu a sledoval proces vybíjania. Správnu interpretáciu javu podal Alessandro Volta. A až v roku 1825 Auguste de la Reeve dokázal, že prenos elektriny v roztoku sa uskutočňuje iónmi látky, pričom sa sleduje tvorba oxidu zinočnatého v komore s čistou vodou oddelenou od susednej membrány. Toto vyhlásenie pomohlo Berzeliusovi vytvoriť fyzický model, v ktorom bol atóm elektrolytu predstavovaný ako zložený z dvoch opačne nabitých pólov (iónov), ktoré sa mohli disociovať. Výsledkom je harmonický obraz prenosu elektriny na diaľku.
Nízkoenergetické zdroje elektrickej energie
Na napájanie prenosných elektrických a rádiových zariadení sa používajú galvanické články a batérie.
Galvanické články - sú to zdroje jednorazových opatrení, akumulátory - zdroje opakovane použiteľných opatrení.
Najjednoduchší galvanický článok
Najjednoduchší prvok môže byť vyrobený z dvoch pásov: medi a zinku, ponorených do vody mierne okyslenej kyselinou sírovou. Ak je zinok dostatočne čistý na to, aby neobsahoval lokálne reakcie, nenastane znateľná zmena, kým nebude meď a zinok prepojené.
Pásy však majú rôzny potenciál, jeden vo vzťahu k druhému, a keď sú spojené drôtom, objaví sa v nich. Postupom tejto akcie sa zinkový pásik postupne rozpúšťa a v blízkosti medenej elektródy sa vytvárajú bubliny plynu, ktoré sa zhromažďujú na jej povrchu. Tento plyn je vodík z elektrolytu. Elektrický prúd prúdi z medeného pásu pozdĺž drôtu do zinkového pásu a odtiaľ cez elektrolyt späť do medi.
Kyselina sírová v elektrolyte sa postupne nahradí síranom zinočnatým vytvoreným z rozpustenej časti zinkovej elektródy. To znižuje napätie článku. Ešte väčší pokles napätia je však spôsobený tvorbou plynových bublín na medi. Obe tieto činnosti spôsobujú „polarizáciu“. Takéto prvky nemajú takmer žiadnu praktickú hodnotu.
Dôležité parametre galvanických článkov
Veľkosť napätia daného galvanickými článkami závisí iba od ich typu a zariadenia, to znamená od materiálu elektród a chemického zloženia elektrolytu, nezávisí však od tvaru a veľkosti článkov.
Súčasná sila, ktorú môže galvanický článok poskytnúť, je obmedzená jeho vnútorným odporom.
Veľmi dôležitou charakteristikou galvanického článku je. Elektrická kapacita znamená množstvo elektriny, ktoré je galvanický alebo akumulačný článok schopný dodať počas celej doby svojej činnosti, to znamená až do začiatku definitívneho vybitia.
Kapacita daná prvkom sa určuje vynásobením sily vybíjacieho prúdu vyjadreného v ampéroch a času v hodinách, počas ktorého bol prvok vybitý až do začiatku úplného vybitia. Preto sa kapacita vždy vyjadruje v ampérhodinách (Ah).
Podľa hodnoty kapacity článku je tiež možné vopred určiť, koľko hodín bude pracovať, kým dôjde k úplnému vybitiu. Za týmto účelom musí byť kapacita vydelená silou výbojového prúdu prípustnou pre tento prvok.
Elektrická kapacita však nie je striktne konštantná. Líši sa v dosť veľkých medziach v závislosti od prevádzkových podmienok (režimu) prvku a konečného výbojového napätia.
Ak je článok vybitý s maximálnou silou prúdu a navyše bez prerušenia, bude mať oveľa menšiu kapacitu. Naopak, keď je ten istý prvok vybitý prúdom s nižšou silou a s častými a relatívne dlhými prerušeniami, prvok sa vzdá svojej plnej kapacity.
Pokiaľ ide o vplyv výsledného výbojového napätia na kapacitu článku, treba mať na pamäti, že počas výboja galvanického článku jeho prevádzkové napätie nezostáva na rovnakej úrovni, ale postupne klesá.
Bežné typy elektrochemických článkov
Najbežnejšie galvanické články sú systémy mangán-zinok, mangán-vzduch, vzduch-zinok a ortuť-zinok so soľou a alkalickými elektrolytmi. Suché mangánovo-zinkové články so soľným elektrolytom majú počiatočné napätie 1,4 až 1,55 V, doba prevádzky pri okolitej teplote -20 až -60 ° C od 7 hodín do 340 hodín.
Suché články zinku a mangánu a zinku a vzduchu s alkalickým elektrolytom majú napätie 0,75 až 0,9 V a prevádzkovú dobu od 6 hodín do 45 hodín.
Suché ortuť-zinkové články majú počiatočné napätie 1,22 až 1,25 V a prevádzkovú dobu 24 až 55 hodín.
Suché ortuť-zinkové články majú najdlhšiu zaručenú trvanlivosť a dosahujú 30 mesiacov.
Jedná sa o sekundárne elektrochemické články.Na rozdiel od galvanických článkov nedochádza v batérii bezprostredne po zložení k žiadnym chemickým procesom.
Aby batéria mohla zahájiť chemické reakcie spojené s pohybom elektrických nábojov, je potrebné zodpovedajúcim spôsobom zmeniť chemické zloženie svojich elektród (a čiastočne aj elektrolytu). K tejto zmene chemického zloženia elektród dochádza pôsobením elektrického prúdu prechádzajúceho batériou.
Preto, aby batéria poskytovala elektrický prúd, musí byť najskôr „nabitá“ konštantným elektrickým prúdom z nejakého vonkajšieho zdroja prúdu.
Batérie sa od bežných galvanických článkov líšia aj tým, že po vybití sa dajú znovu nabiť. Pri dobrej starostlivosti a za normálnych prevádzkových podmienok môžu batérie vydržať až niekoľko tisíc nabití a vybití.
Batériové zariadenie
V súčasnosti sa v praxi najčastejšie používajú olovené a kadmioniklové batérie. V prvom slúži roztok kyseliny sírovej ako elektrolyt a v druhom roztoku alkálií vo vode. Olovené batérie sa tiež nazývajú kyselinové a nikelkadmiové - alkalické.
Princíp činnosti batérií je založený na polarizácii elektród. Najjednoduchšia kyselinová batéria má nasledujúcu štruktúru: jedná sa o dve olovené platne ponorené do elektrolytu. V dôsledku chemickej substitučnej reakcie sú platne pokryté slabým povlakom síranu olovnatého PbSO4, ako je zrejmé zo vzorca Pb + H2S04 \u003d PbS04 + H2.
Kyselinová batéria
Tento stav dosiek zodpovedá vybitej batérii. Ak je teraz batéria zapnutá na nabíjanie, to znamená, že je pripojená k generátoru jednosmerného prúdu, potom v nej začne polarizácia dosiek v dôsledku elektrolýzy. V dôsledku nabitia batérie sú jej platne polarizované, to znamená, že menia substanciu svojho povrchu, a to z homogénneho (PbSO 4) na rozdielny (Pb a Pb O 2).
Batéria sa stáva zdrojom prúdu. Doska pokrytá oxidom olovnatým slúži ako pozitívna elektróda a čistá elektróda ako negatívna elektróda.
Na konci nabíjania sa koncentrácia elektrolytu zvyšuje v dôsledku výskytu ďalších molekúl kyseliny sírovej v ňom.
Toto je jedna z vlastností olovnatej batérie: jej elektrolyt nezostáva neutrálny a sám sa podieľa na chemických reakciách počas prevádzky batérie.
Na konci vybíjania sú obe dosky batérie opäť pokryté síranom olovnatým, v dôsledku čoho batéria prestáva byť zdrojom prúdu. Batéria nie je nikdy uvedená do tohto stavu. V dôsledku tvorby síranu olovnatého na doskách klesá koncentrácia elektrolytu na konci výboja. Ak je batéria nabitá, môže dôjsť k opätovnej polarizácii, aby sa znovu vybila atď.
Existuje niekoľko spôsobov nabíjania batérií. Najjednoduchšie je bežné nabitie batérie, ktoré prebieha nasledovne. Spočiatku sa 5 - 6 hodín nabíja dvojnásobným normálnym prúdom, kým napätie na každej skupine batérií nedosiahne 2,4 V.
Normálny nabíjací prúd je určený vzorcom I nabíjanie \u003d Q / 16
Kde Q - menovitá kapacita batérie, Ah.
Potom sa nabíjací prúd zníži na normálnu hodnotu a nabíjanie pokračuje 15 - 18 hodín, kým sa neobjavia známky konca nabíjania.
Moderné batérie
Nikel-kadmium alebo alkalické batérie sa objavili oveľa neskôr ako olovené batérie a sú v porovnaní s nimi vyspelejšími zdrojmi chemického prúdu. Hlavná výhoda alkalických batérií pred olovenými spočíva v chemickej neutralite ich elektrolytu vo vzťahu k aktívnym hmotám dosiek. Z tohto dôvodu je samovybíjanie alkalických batérií podstatne nižšie ako u olovených kyselín. Princíp činnosti alkalických batérií je tiež založený na polarizácii elektród počas elektrolýzy.
Na napájanie rádiových zariadení sa vyrábajú uzavreté kadmioniklové batérie, ktoré sú účinné pri teplotách od -30 do +50 ° C a vydržia 400 - 600 cyklov nabíjania a vybíjania. Tieto akumulátory sú vyrobené vo forme kompaktných rovnobežnostenov a diskov s hmotnosťou od niekoľkých gramov do kilogramov.
Nikel-vodíkové batérie sa vyrábajú na napájanie autonómnych objektov. Špecifická energia nikel-vodíkovej batérie je 50 - 60 Wh kg -1.
