Гальванічні елементи - пристрій, принцип роботи, види та основні характеристики
Передумови появи гальванічних елементів. Небагато історії. У 1786 році італійський професор медицини, фізіолог Луїджі Алоїзіо Гальвані виявив цікаве явище: м'язи задніх лапок свіжого прихованого трупика жаби, підвішеного на мідних гачках, скорочувалися, коли вчений торкався до них сталевим скальпелем. Гальвані відразу зробив висновок, що це прояв «тварини електрики».
Після смерті Гальвані, його сучасник Алессандро Вольта, будучи хіміком і фізиком, опише та публічно продемонструє реальніший механізм виникнення електричного струму при контакті різних металів.
Вольта, після серії експериментів, прийде до однозначного висновку про те, що струм з'являється в ланцюзі через наявність у ньому двох провідників з різних металів, поміщених у рідину, і це зовсім не «тварина електрика», як думав Гальвані. Посмикування лапок жаби було наслідком дії струму, що виникає при контакті різних металів (мідні гачки та сталевий скальпель).
Вольта покаже ті ж явища, які демонстрував Гальвані на мертвій жабі, але на абсолютно неживому саморобному електрометрі, і дасть у 1800 році точне пояснення виникнення струму: «провідник другого класу (рідкий) знаходиться в середині і стикається з двома провідниками першого класу з двох різних металів ... Внаслідок цього виникає електричний струм того чи іншого напряму».
В одному з перших експериментів Вольта опустив у банку з кислотою дві пластинки — цинкову та мідну — і поєднав їх дротом.Після цього цинкова пластина почала розчинятися, а на мідній стали виділятися бульбашки газу. Вольта припустив і довів, що дротом протікає електричний струм.
Так було винайдено «елемент Вольта» — перший гальванічний елемент. Для зручності Вольта надав йому форму вертикального циліндра (стовпа), що складається із з'єднаних між собою кілець цинку, міді та сукна, просочених кислотою. Вольтов стовп заввишки півметра створював напругу, чутливу для людини.
Оскільки початок дослідженням поклав Луїджі Гальвані, то назва хімічного джерела струму зберегла пам'ять про нього у своїй назві.
Гальванічний елемент - це хімічне джерело електричного струму, заснований на взаємодії двох металів та/або їх оксидів в електроліті, що призводить до виникнення в замкнутому ланцюзі електричного струму. Таким чином, у гальванічних елементах хімічна енергія перетворюється на електричну.
Гальванічні елементи сьогодні
Гальванічні елементи сьогодні називають батарейками. Широко поширені три типи батарейок: сольові (сухі), лужні (їх називають ще алкаліновими, «alkaline» у перекладі з англійської – «лужної») та літієві. Принцип їх роботи — той самий, описаний Вольта в 1800 року: два металу взаємодіють через електроліт, й у зовнішньої замкнутої ланцюга виникає електричний струм.
Напруга батарейки залежить як від металів, що використовуються, так і від кількості елементів в «батарейці». Батарейки, на відміну акумуляторів, не здатні до відновлення своїх властивостей, оскільки в них відбувається пряме перетворення енергії хімічної, тобто енергії складових батарейку реагентів (відновника і окислювача), в енергію електричну.
Реагенти, що входять в батарейку, в процесі її роботи витрачаються, струм при цьому поступово зменшується, тому дія джерела закінчується після того, як реагенти прореагують повністю.
Лужні та сольові елементи (батарейки) широко застосовуються для живлення різноманітних електронних пристроїв, радіоапаратури, іграшок, а літієві найчастіше можна зустріти в портативних медичних приладах типу глюкометрів або цифровій техніці на кшталт фотоапаратів.
Сольові батарейки
Марганцево-цинкові елементи, які називають сольовими батарейками, - це «сухі» гальванічні елементи, всередині яких немає рідкого розчину електроліту.
Цинковий електрод (+) - це катод у формі склянки, а анодом служить порошкоподібна суміш із діоксиду марганцю з графітом. Струм тече через графітовий стрижень. Як електроліт використовується паста з розчину хлориду амонію з додаванням крохмалю або борошна для загущення, щоб нічого не текло.
Зазвичай виробники батарей не вказують точний склад сольових елементів, проте сольові батарейки є найдешевшими, їх зазвичай використовують у тих пристроях, де енергоспоживання вкрай низько: в годинах, в пультах дистанційного керування, в електронних термометрах і т.д. п.
Поняття "номінальна ємність" рідко використовується для властивості марганцево-цинкових батарейок, тому що їх ємність сильно залежить від режимів та умов експлуатації. Основними недоліками цих елементів є значна швидкість зниження напруги на всьому протязі розряду і значне зменшення ємності, що віддається, при збільшенні струму розряду. Кінцеву розрядну напругу встановлюють залежно від навантаження в інтервалі 0,7-1,0 Ст.
Важлива як величина струму розряду, а й тимчасової графік навантаження. При переривчастому розряді великими та середніми струмами працездатність батарей помітно збільшується в порівнянні з безперервним режимом роботи. Однак при малих розрядних струмах та багатомісячних перервах у роботі ємність їх може знижуватися внаслідок саморозряду.
Вище на графіку зображені розрядні криві для середньої сольової батарейки за 4, 10, 20 і 40 годин для порівняння з лужною, про яку йдеться далі.
Лужні (алкалінові) батареї
Лужний елемент живлення — марганцево-цинковий гальванічний елемент живлення, в якому як катод використовується діоксид марганцю, анод — порошкоподібний цинк, а як електроліт — розчин лугу, зазвичай у вигляді пасти гідроксиду калію.
Ці батареї мають цілу низку переваг (зокрема, істотно більшої ємністю, кращою роботою при низьких температурах і при великих струмах навантаження).
Лужні батареї, в порівнянні з сольовими, можуть забезпечувати більший струм протягом тривалого часу. Більший струм стає можливим, оскільки цинк тут використовується не у вигляді склянки, а у вигляді порошку, який має більшу площу зіткнення з електролітом. Як електроліт застосовується гідрооксид калію у вигляді пасти.
Саме завдяки здатності даного виду гальванічних елементів протягом тривалого часу віддавати значний струм (до 1 A), лужні батареї найпоширеніші в даний час.
В електричних іграшках, портативної медичної техніки, в електронних приладах, у фотоапаратах - всюди застосовуються лужні батарейки. Вони служать в 1,5 рази довше за сольові, якщо розряд йде малим струмом.На графіці зображені розрядні криві при різних струмах для порівняння з сольовою батареєю (графік був наведений вище) за 4, 10, 20 та 40 годин.
Літієві батареї
Ще одним досить поширеним видом гальванічних елементів є літієві батарейки - одиночні гальванічні елементи, що не перезаряджаються, в яких як анод використовується літій або його з'єднання. Завдяки використанню лужного металу вони мають високу різницю потенціалів.
Катод і електроліт літієвого елемента можуть бути різними, тому термін «літієвий елемент» поєднує групу елементів з однаковим матеріалом анода. Як катод можуть використовуватися наприклад: діоксид марганцю, монофторид вуглецю, пірит, тіонілхлорид та ін.
Літієві батареї відрізняються від інших елементів живлення високою тривалістю роботи та високою вартістю. Залежно від вибраного типорозміру і хімічних матеріалів, що використовуються, літієвий елемент живлення може виробляти напругу від 1,5 В (сумісний з лужними батареями) до 3,7 В.
Ці елементи живлення мають найвищу ємність на одиницю маси і тривалий час зберігання. Літієві елементи широко застосовуються в сучасній портативній електронній техніці: для живлення годинників на материнських платах комп'ютерів, для живлення портативних медичних приладів, наручних годинників, калькуляторів, фототехніки і т.д. буд.
На графіці вище наведено розрядні криві для двох літієвих батарейок від двох популярних виробників. Початковий струм становив 120 мА (на резистор близько 24 Ома).
Сподіваюся, що ця стаття була для вас корисною. Дивіться також інші статті в категорії Електрична енергія в побуті та на виробництві » На допомогу електрикам-початківцям
Підписуйтесь на наш канал у Telegram: Домашня електрика
Тут можна залишити коментар, поставити запитання і просто поспілкуватися:
Чат з електротехнічної тематики
Поділіться цією статтею з друзями:
Як влаштовано сухий гальванічний елемент?
Автори: А.В. Перишкін
Видавництво: Дрофа 2013
§ 32. Електричний струм. Джерела електричного струму
4. Як влаштований сухий гальванічний елемент?
Прикріпивши провідник між металевим ковпачком вугільного стрижня (позитивний полюс гальванічного елемента) та негативно зарядженим корпусом (негативний полюс гальванічного елемента), ми створимо у провіднику електричний струм.
- Підготовка до ЄДІ
- Підготовка до ДІА (ОДЕ)
- Усі послуги репетиторів
- Корисні поради для батьків
- Репетиторам
- Репетитори у Москві
- Онлайн-уроки
- Онлайн-тести
- Вебінари
