A galvánelem diagramjának elkészítéséhez meg kell érteni működési elvét, szerkezeti jellemzőit.
A fogyasztók ritkán figyelnek az akkumulátorokra és az elemekre, miközben ezekre az áramforrásokra van a legnagyobb kereslet.
Mi az a galvánelem? Áramköre elektrolit alapú. Az eszköz tartalmaz egy kis tartályt, ahol az elektrolit található, a szeparátor anyaga által adszorbeálva. Ezenkívül két galvánelem séma feltételezi a jelenlétet.Mi a neve egy ilyen galvánelemnek? A két fémet összekapcsoló séma redoxreakció jelenlétére utal.
Két különböző fémből készült lemez vagy rúd jelenlétét jelenti, amelyeket erős elektrolit oldatba merítenek. Ennek a galvánelemnek a működése során az anódon oxidációs folyamat megy végbe, amely az elektronok visszatérésével jár.
A katódon - redukció, amelyet negatív részecskék elfogadása kísér. A külső áramkör mentén az elektronok átjutnak az oxidálószerbe a redukálószerből.
A komponálás érdekében elektronikus áramkörök galvanikus cellák esetén ismerni kell a standard elektródapotenciál értékét. Vizsgáljuk meg a réz-cink galvánelem egy változatát, amely a réz-szulfát és a cink kölcsönhatása során felszabaduló energia alapján működik.
Ezt a galvánelemet, amelynek sémáját az alábbiakban adjuk meg, Jacobi-Daniel cellának nevezik. Ez magában foglalja azt, amely réz-szulfát oldatába van merítve (rézelektróda), valamint egy cinklemezből áll a szulfát oldatában (cink elektróda). Az oldatok érintkeznek egymással, de keveredésük megelőzése érdekében az elemben porózus anyagú válaszfalat alkalmaznak.
Hogyan működik egy galvanikus cella, amelynek áramköre Zn ½ ZnSO4 ½½ CuSO4 ½ Cu? Működése során, amikor az elektromos áramkör zárva van, a fémes cink oxidációs folyamata megy végbe.
Sóoldattal érintkező felületén az atomok Zn2+ kationokká történő átalakulása figyelhető meg. A folyamatot "szabad" elektronok felszabadulásával jár, amelyek a külső áramkör mentén mozognak.
A cinkelektródán végbemenő reakció a következőképpen ábrázolható:
A fémkationok redukciója rézelektródán történik. A cinkelektródáról ide belépő negatív részecskék rézkationokkal egyesülnek, és fém formájában lerakják őket. Ez a folyamat így néz ki:
Ha a fent tárgyalt két reakciót összeadjuk, akkor egy összefoglaló egyenletet kapunk, amely leírja a cink-réz galvánelem működését.
Az anód cinkelektróda, a katód réz. A modern galvanikus cellák és akkumulátorok egyetlen elektrolit oldatot igényelnek, ami kiterjeszti alkalmazási körüket, kényelmesebbé és kényelmesebbé teszi működésüket.
A leggyakoribbak a szén-cink elemek. Passzív szénáram-kollektort használnak az anóddal érintkezve, amely mangán-oxid (4). Az elektrolit ammónium-klorid, amelyet paszta formájában használnak.
Nem terjed, ezért magát a galvánelemet száraznak nevezik. Jellemzője a működés közbeni „helyreállítás” képessége, ami pozitív hatással van a működési időszakuk időtartamára. Az ilyen galvanikus cellák alacsony költséggel, de kis teljesítményűek. Amikor a hőmérséklet csökken, csökkentik a hatékonyságukat, és amikor ez emelkedik, az elektrolit fokozatosan kiszárad.
Az alkáli elemek lúgos oldatot tartalmaznak, így jó néhány alkalmazási területük van.
A lítium cellákban egy aktív fém anódként működik, ami pozitívan befolyásolja az élettartamot. A lítiumnak negatívja van, ezért kis méretekkel az ilyen elemek maximális névleges feszültséggel rendelkeznek. Az ilyen rendszerek hátrányai közé tartozik a magas ár. A lítium áramforrások kinyitása robbanásveszélyes.
Bármely galvánelem működési elve a katódon és az anódon végbemenő redox folyamatokon alapul. A felhasznált fémtől, a kiválasztott elektrolitoldattól, az elem élettartamától, valamint a névleges feszültség értékétől függően változik. Jelenleg a kellően hosszú élettartamú lítium, kadmium galvánelemek keresettek.
Galvanikus cella- ez egy kémiai áramforrás, amelyben az elektródákon a redox reakció során felszabaduló energia közvetlenül elektromos energiává alakul .
Rizs. 9.2. Daniel - Jacobi galvanikus cella diagramja
Itt van egy pohár, amely ZnSO 4 vizes oldatát tartalmazza, és egy cinklemez van benne; II - CuSO 4 vizes oldatát tartalmazó üveg, amelybe egy rézlemez van bemerítve; III - sóhíd (elektrolitikus kulcs), amely biztosítja a kationok és anionok mozgását az oldatok között; IV - voltmérő (az EMF méréséhez szükséges, de nem szerepel a galvánelem összetételében).
A cinkelektróda standard elektródpotenciálja. A rézelektróda standard elektródpotenciálja. Ekkor a cinkatomok oxidálódnak:
Az elektródát, amelyen a redukciós reakció végbemegy, vagy amely kationokat vesz fel az elektrolitból, nevezzük katód.
Az elektrolitikus kulcson keresztül az ionok mozgása az oldatban történik: SO 4 2- anionok az anódhoz, Zn 2+ kationok a katódhoz. Az ionok mozgása az oldatban lezárul elektromos áramkör galvanikus elem.
Az (a) és (b) reakciókat elektródreakcióknak nevezzük.
Az elektródákon végbemenő folyamatok egyenleteit összeadva megkapjuk a galváncellában végbemenő redoxreakció teljes egyenletét:
Általános esetben egy tetszőleges galvanikus cellában végbemenő redoxreakció általános egyenlete a következőképpen ábrázolható:
A Daniel-Jacobi galvánelemes áramkör a következőképpen alakul:
Zn | ZnSO 4 || CuSO4 | Cu
A galvánelem működése során az elektródák maximális potenciálkülönbségét ún elektromos erő(emf) elem E. A képlet alapján számítják ki;
Ahol n- az elektronok száma az elemi redox-akcióban, F a Faraday-szám.
Az áramképző reakció izobár-izoterm potenciáljának változásának nagysága standard körülmények között? G A 0 ennek a reakciónak az egyensúlyi állandójához kapcsolódik NAK NEK egyenlő az aránnyal
| (9.6) |
A galvanikus cellák elsődleges (egyszeri felhasználású) kémiai áramforrások (CSS). A másodlagos (újrafelhasználható) HIT elemek. Az akkumulátorok kisütése és töltése során fellépő folyamatok kölcsönösen fordítottak.
Azokat a galvanikus cellákat, amelyekben az elektródák ugyanabból a fémből készülnek, és különböző koncentrációjú sóik oldatába merítik, ún. koncentráció. Az anód funkcióját az ilyen elemekben egy alacsonyabb koncentrációjú sóoldatba mártott fém látja el, például:
1. példa Készítsünk diagramot egy galvánelemről a reakció alapján: Mg + ZnSO 4 = MgSO 4 + Zn! Mi a katód és az anód ebben az elemben? Írja fel az ezeken az elektródákon lezajló folyamatok egyenleteit! Számítsa ki az elem EMF-jét szabványos körülmények között. Számítsa ki az áramképző reakció egyensúlyi állandóját!
Kis teljesítményű elektromos energiaforrások
A hordozható elektromos és rádióberendezések táplálására galvánelemeket és akkumulátorokat használnak.
Galvanikus cellák egyszeri források akkumulátorok- az újrafelhasználható cselekvés forrásai.
A legegyszerűbb galvánelem
A legegyszerűbb elem két csíkból készülhet: rézből és cinkből, kénsavval enyhén savanyított vízbe merítve. Ha a cink elég tiszta ahhoz, hogy mentes legyen a helyi reakcióktól, nem történik észrevehető változás, amíg a réz és a cink össze nem kötődnek.
A csíkok azonban eltérő potenciállal rendelkeznek egymáshoz képest, és ha vezetékkel össze vannak kötve, akkor ez megjelenik. A művelet előrehaladtával a cinkcsík fokozatosan feloldódik, és a rézelektróda közelében gázbuborékok képződnek, amelyek összegyűlnek a felületén. Ez a gáz hidrogén, amely az elektrolitból képződik. Az elektromos áram a rézszalagból a huzalon keresztül a cinkszalagra, onnan az elektroliton keresztül vissza a rézbe folyik.
Az elektrolit kénsavait fokozatosan cink-szulfát váltja fel, amely a cinkelektróda oldott részéből képződik. Emiatt az elem feszültsége csökken. Azonban még nagyobb feszültségesést okoz a rézen képződő gázbuborékok. Mindkét tevékenység „polarizációt” eredményez. Az ilyen elemeknek gyakorlatilag nincs gyakorlati értéke.
A galvánelemek fontos paraméterei
A galvánelemek által adott feszültség nagysága csak azok típusától és eszközétől, azaz az elektródák anyagától és az elektrolit kémiai összetételétől függ, de nem függ a cellák alakjától és méretétől.
A galvanikus cella által szolgáltatható áram mennyiségét a belső ellenállása korlátozza.
Nagyon fontos jellemzője galvanikus cella az . Villamos kapacitáson azt a villamosenergia-mennyiséget értjük, amelyet egy galván- vagy akkumulátorcella működése teljes ideje alatt, azaz a végső kisülésig képes leadni.
Az elem által adott kapacitást úgy határozzuk meg, hogy az amperben kifejezett kisülési áramot megszorozzuk azzal az órákban megadott idővel, amely alatt az elem a teljes kisütés kezdetéig kisütt. Ezért az elektromos kapacitást mindig amperórában (A x h) fejezzük ki.
Az elem kapacitásának értékével azt is előre meghatározhatja, hogy körülbelül hány órát fog működni a teljes kisütés megkezdése előtt. Ehhez el kell osztani a kapacitást az elem számára megengedett kisülési áram erősségével.
Az elektromos kapacitás azonban nem szigorúan állandó érték. Meglehetősen nagy határok között változik az elem körülményeitől (üzemmódjától) és a végső kisülési feszültségtől függően.
Ha az elemet a maximális áramerősséggel és ráadásul megszakítások nélkül kisütjük, akkor sokkal kisebb kapacitást ad le. Ellenkezőleg, ha ugyanazt az elemet kisebb erősségű árammal, gyakori és viszonylag hosszú megszakításokkal kisütjük, az elem feladja teljes kapacitását.
A végső kisülési feszültségnek a cella kapacitására gyakorolt hatásával kapcsolatban figyelembe kell venni, hogy a galvánelem kisülése során az üzemi feszültsége nem marad azonos szinten, hanem fokozatosan csökken.
A galvánelemek gyakori típusai
A legelterjedtebb galvánelemek a mangán-cink, mangán-levegő, levegő-cink és higany-cink rendszerek sóval és lúgos elektrolitokkal. A sóoldattal ellátott száraz mangán-cink cellák kezdeti feszültsége 1,4 és 1,55 V között van, a működés időtartama -20 és -60 ° C közötti környezeti hőmérsékleten 7 óra és 340 óra között.
A lúgos elektrolitot tartalmazó száraz mangán-cink és levegő-cink cellák feszültsége 0,75-0,9 V, működési ideje 6-45 óra.
A száraz higany-cink cellák kezdeti feszültsége 1,22-1,25 V, működési ideje 24-55 óra.
A száraz higany-cink elemek a leghosszabb garantált eltarthatósággal rendelkeznek, eléri a 30 hónapot.
Ezek másodlagos galvánelemek.A galvanikus cellákkal ellentétben az akkumulátorban közvetlenül az összeszerelés után nem mennek végbe kémiai folyamatok.
Annak érdekében, hogy a mozgással kapcsolatos kémiai reakciók az akkumulátorban kezdődjenek elektromos töltések, ennek megfelelően módosítania kell elektródáinak (és az elektrolit egy részének) kémiai összetételét. Az elektródák kémiai összetételének ez a változása az akkumulátoron áthaladó elektromos áram hatására következik be.
Ezért ahhoz, hogy az akkumulátor elektromos áramot tudjon termelni, először valamilyen külső áramforrásból származó egyenárammal kell „tölteni”.
Az akkumulátorok abban is kedvezőbbek a hagyományos galvanikus cellákhoz képest, hogy lemerülés után újra tölthetők. Megfelelő gondossággal és normál működési körülmények között az akkumulátorok akár több ezer töltést és kisütést is kibírnak.
Akkumulátoros készülék
Jelenleg a gyakorlatban leggyakrabban ólom- és kadmium-nikkel akkumulátorokat használnak. Az előbbinél kénsav oldat szolgál elektrolitként, az utóbbinál pedig lúgok vizes oldata. Az ólom-savas akkumulátorokat savasnak, a kadmium-nikkel akkumulátorokat lúgosnak is nevezik.
Az akkumulátorok működési elve az elektródák polarizációján alapul. A legegyszerűbb savas akkumulátor a következőképpen van elrendezve: ez két elektrolitba merített ólomlemez. A kémiai helyettesítési reakció eredményeként a lemezeket enyhe PbSO4 ólom-szulfát bevonat borítja, a Pb + H 2 SO 4 \u003d PbSO 4 + H 2 képlet szerint.
Savas akkumulátoros készülék
A lemezek ilyen állapota lemerült akkumulátornak felel meg. Ha most az akkumulátor töltésre be van kapcsolva, azaz csatlakoztassa a generátorhoz egyenáram, akkor benne az elektrolízis hatására megindul a lemezek polarizációja. Az akkumulátor töltés hatására lemezei polarizálódnak, azaz megváltoztatják felületük anyagát, homogénből (PbSO 4) heterogénné (Pb és Pb O 2) alakulnak.
Az akkumulátor áramforrássá válik, és a pozitív elektróda egy ólom-dioxiddal bevont lemez, a negatív pedig egy tiszta ólomlemez.
A töltés végére az elektrolit koncentrációja megnő, mivel további kénsavmolekulák jelennek meg benne.
Ez az ólom akkumulátor egyik jellemzője: elektrolitja nem marad semleges, és maga is részt vesz a kémiai reakciókban az akkumulátor működése során.
A kisütés végére mindkét akkumulátorlemezt ismét ólom-szulfát borítja, aminek következtében az akkumulátor megszűnik áramforrás lenni. Az akkumulátor soha nem kerül ilyen állapotba. A lemezeken ólom-szulfát képződése miatt az elektrolit koncentrációja a kisülés végén csökken. Ha az akkumulátort feltöltik, akkor ismét lehetséges polarizációt okozni, hogy újra lemerüljön, stb.
Az akkumulátorok töltésének többféle módja van. A legegyszerűbb a normál akkumulátortöltés, amely a következőképpen történik. Kezdetben 5-6 órán keresztül a töltés kétszeres normál árammal történik, amíg az egyes akkumulátorok feszültsége el nem éri a 2,4 V-ot.
A normál töltőáramot az I töltés \u003d Q / 16 képlet határozza meg
Ahol Q - névleges akkumulátorkapacitás, Ah.
Ezt követően a töltőáramot normál értékre csökkentjük, és a töltést 15-18 órán keresztül folytatjuk, amíg a töltés végére utaló jelek meg nem jelennek.
Modern akkumulátorok
A kadmium-nikkel vagy alkáli elemek sokkal később jelentek meg, mint az ólomelemek, és azokhoz képest fejlettebb kémiai áramforrások. Az alkáli elemek fő előnye az ólommal szemben az elektrolit kémiai semlegessége a lemezek aktív tömegéhez képest. Emiatt az alkáli elemek önkisülése jóval kisebb, mint az ólomakkuké. Az alkáli elemek működési elve az elektródák polarizációján is alapul az elektrolízis során.
A rádióberendezések táplálására zárt kadmium-nikkel akkumulátorokat gyártanak, amelyek -30 és +50 ° C közötti hőmérsékleten működnek, és 400 - 600 töltési-kisütési ciklust bírnak. Ezek az akkumulátorok kompakt paralelepipedonok és tárcsák formájában készülnek, amelyek súlya néhány grammtól kilogrammig terjed.
Nikkel-hidrogén akkumulátorokat gyártanak autonóm objektumok tápellátására. A nikkel-hidrogén akkumulátor fajlagos energiája 50 - 60 W h kg -1.
Galvanikus cella Olyan eszköz, amely a kémiai energiát elektromos energiává alakítja. Az egyik ilyen elem a Daniel–Jacobi elem. Ez az elem két elektródából áll: cinkből és rézből, a megfelelő szulfát oldatokba merítve, amelyek között porózus válaszfal található:
Amikor a külső áramkör zárva van, az elektronok a Zn-ből Cu-ba jutnak, és a cink rézbe diffundál:
Elektrokémiai áramkört alakítunk ki:
Anód - negatív elektróda (balra). A katód a pozitív elektróda.
Az elem EMF-jének meghatározásához össze kell hasonlítania mindkét elektróda standard elektródapotenciálját. Az elektródreakciók rögzítésekor feltételezzük, hogy az oxidált forma az egyenlet bal oldalán, a redukált forma pedig a jobb oldalon található.
Ahol E 0 - galvanikus cella elektromotoros ereje (EMF), amikor az összes reagens normál állapotban van.
A cella emf-et úgy számítjuk ki, hogy kivonjuk az anódpotenciált a katódpotenciálból.
Az elem EMF-je +0,34 - (-0,76) \u003d 1,1 V; minél jobban eltérnek egymástól az elektródpotenciálok, annál nagyobb az EMF. Ha egy fémet nagyobb koncentrációjú sóoldatba merítünk, akkor a potenciál nem szabványos. Ez azt jelenti, hogy a koncentráció és a hőmérséklet befolyásolja az elektródpotenciál nagyságát. Ez a függőség kifejeződik V. Nernst-egyenlet.
Ahol P - ionok száma;
R az univerzális gázállandó;
T - hőfok;
VAL VEL - aktív ionok koncentrációja az oldatban;
F- Faraday-szám = 96500 V.
LÁTÁSOK- olyan eszközök, amelyek egy kémiai reakció energiáját közvetlenül elektromos energiává alakítják. A slágereket a technológia különböző területein használják. A kommunikációs eszközökben: rádió, telefon, távíró; elektromos mérőberendezésekben; autók, repülőgépek, traktorok áramforrásaként szolgálnak; önindítók hajtására használják stb.
A HIT hátrányai:
1) a munkához szükséges anyagok költsége: Pb, Cd magas;
2) az elem által leadható energia mennyisége a tömegéhez képest kicsi.
A HIT előnyei:
1) A találatokat két fő csoportra osztják: reverzibilis (akkumulátorok), irreverzibilis (galvanikus cellák). Az akkumulátorok többször is használhatók, mivel teljesítményük visszaállítható külső forrásból ellentétes irányú áram átvezetésével, galvanikus cellákban pedig csak egyszer használhatók, mivel az egyik elektróda (Zn a Daniel-Jacobi cellában) visszafordíthatatlanul elfogy;
2) porózus anyagok által elnyelt elektrolitokat használnak, nagyobb belső ellenállással rendelkeznek;
3) üzemanyagcellák létrehozása, amelyek működése során olcsó, kis sűrűségű anyagok (földgáz, hidrogén) fogynának el;
4) kényelmes működés, megbízhatóság, magas és stabil feszültség.
Tekintsük a bevont elektródákkal ellátott ólom-savas akkumulátoron alapuló technológiai folyamatot.
Általános séma: (–) hatóanyag | elektrolit | hatóanyag (+).
A negatív elektróda hatóanyaga az redukálószer elektronok adományozása. A kisülés során a negatív elektród egy anód, azaz egy elektród, amelyen oxidációs folyamatok mennek végbe. A pozitív elektróda hatóanyaga az oxidálószer. A hatóanyagok - oxidálószer és redukálószer - részt vesznek egy elektrokémiai reakcióban.
Ólom-savas akkumulátor elektrokémiai diagramja
Az ólom akkumulátor hatóanyagai a szivacsos ólom és a PbO 2 . Az aktív tömegek létrehozása az elektródákban a következőképpen történik: pasztát vagy Pb-oxidok keverékét visszük fel a szerkezet elektromosan vezető vázára; a későbbi lemezképződés során a Pb-oxidok aktív anyagokká alakulnak. Képződés– a töltetlen tömeg átalakítása töltött tömeggé. Az ilyen lemezeket a keret típusától függően terítékre és rácsra osztják. A legtöbb akkumulátort vakolt lemezekből állítják össze. Előállításukban ólom-oxid pasztát kennek be 1-7 mm vastag, Pb-Sb ötvözetből öntött profilrácsok celláiba. A keményedés után a pasztát a rácson tartják, az ilyen akkumulátor garanciája 2-3 év. A pozitív akkumulátorelektródák áramgyűjtőinek anyagának kiválasztásakor fontos, hogy biztosítsák azok gyakorlati passzivitását (az elektromos vezetőképesség megőrzése mellett) töltési körülmények között (nagy potenciálig anódos polarizációval). Erre a célra Pb-t vagy ötvözeteit használjuk a H 2 SO 4 oldatokban. A HIT teste és burkolata készülhet acélból vagy különféle dielektrikumokból, de az ólom-savas akkumulátorokban a test ebonitból, polipropilénből, üvegből készül. Az ólom-savas akkumulátor elektrolitja részt vehet a teljes áramfejlesztő reakcióban. A negatív elektróda áramvezető leágazásaihoz Cu, Ti, Al használatos.
3. A HIT-ek regenerálása és ártalmatlanítása
A galvánelemek élettartama (kisülési HIT) az aktív anyagok teljes vagy részleges felhasználása után ér véget, amelyek teljesítménye a kisülés után töltéssel, azaz az áram irányával ellentétes irányú áramvezetéssel állítható vissza. kisülés: az ilyen galvánelemeket nevezzük akkumulátorok. A negatív elektróda, amely az akkumulátor lemerülése közben anód volt, töltéskor katód lesz. körülmények legjobb felhasználása Az aktív anyagok alacsony áramsűrűségűek, a normál magas hőmérsékleten. A HIT-ek hibás működésének oka általában az elektróda passziválás– az elektrokémiai folyamat sebességének éles csökkenése a kisülés során, amelyet az elektróda felületének állapotának változása okoz a kisülés során az oxidrétegek vagy sófilmek képződése miatt. A passziváció elleni küzdelem módja a valódi kisülési áramsűrűség csökkentése fejlett felületű elektródák használatával. A HIT előállítását különböző mérgező anyagok (erős oxidálószerek, Pb, Hg, Zn, Cd, Ni vegyületek finoman diszpergált állapotban; savak, lúgok, szerves oldószerek) felhasználása jellemzi. A normál munkakörülmények biztosítása érdekében a gyártási folyamatok automatizálása, ésszerű szellőztetőrendszerek biztosítottak, beleértve a mérgező kibocsátással járó eszközök helyi elszívórendszerének használatát, a berendezések tömítését, a poros anyagok száraz feldolgozási módszereinek cseréjét nedvesekkel, a szennyezett levegő és gázok tisztítását. aeroszolokból és ipari szennyvízkezelésből. A HIT tömeges nemzetgazdasági felhasználása környezeti problémákkal jár. Míg az akkumulátorokból származó ólmot a fogyasztók többnyire visszaküldhetik az újrahasznosító üzemekbe, a kis háztartási elsődleges CPS-ek ártalmatlanítása gazdaságilag nem életképes.
Minden Hg-Zn elem 5-7 napig biztosítja a hallókészülék működését.
Az elektromos járműveket belső égésű motorok helyett HIT-tel fejlesztik, amelyek kipufogógázokkal mérgezik a városok légkörét. A környezetre gyakorolt negatív hatás mértékét tekintve a galvángyártás áll az első helyen. A galvángyártás rendkívül negatív hatásának oka, hogy a bevonatolás technológiai folyamataiban a vállalkozások túlnyomó többségében a nehézfémsóknak csak 10-30%-a hasznosul, a többi pedig nem megfelelő munkával kerül a környezetbe. A megoldás a színesfém-sók veszteségének minimalizálása, vagyis az elektrolitok részenkénti eltávolítása a galvanizáló fürdőkből. Ez a szennyvíz koncentrációjának és térfogatának csökkenéséhez vezet, és ezáltal létrejön a szükséges feltételeket hulladékszegény (MOT) és hulladékmentes (LOT) technológiák vezetéséhez galvanikus bevonatok felviteléhez. Először ki kell választania a megfelelő elektrolitot. Az ILO és a BOT alapelve, hogy csökkentsék a bevitt vegyszereket, és kevesebb mérget szállítsanak ki a folyamat kimenetén.
Házi galvánelem az autonóm áramellátáshoz
Volta elem
Hordozható elektronika táplálására és töltésére olyan helyeken, ahol nincs áramellátás, sikeresen használhatja más áramforrásokkal együtt a legegyszerűbb kémiai áramforrásokat, a galvánelemeket.
Használatuk lehetséges dachákban hosszú távú tartózkodásra elektromos hálózat hiányában, valamint távoli falvakban, ahol vagy egyáltalán nincs áram, vagy állandó áramkimaradások vannak. Szovjet-Oroszországban a vegyi áramforrások vagy galvanikus cellák a múlt század közepén terjedtek el az amatőr rádiótechnikában, mivel ezek a források könnyen gyárthatók, és könnyen hozzáférhető anyagokból készülnek.
Most mikor hordozható elektronika Az energiafogyasztás szempontjából igen gazdaságossá vált, a házi kémiai áramforrásokból származó teljesítménye nagyon hatékony lehet, hiszen az ilyen áramforrásokat a rádiótechnika fejlődésének hajnalán sikeresen alkalmazták. Akkor a berendezések többszörösen több áramot fogyasztottak, mint a modern berendezések, most pedig az energiatakarékos világítástechnika fejlődésével. Például a LED-es világítás 4-5-ször kevesebb áramot fogyaszt, mint a hagyományos izzók. Szintén modern Mobiltelefonok, a PDA-k és egyéb kütyük szinte semmivel sem fogyasztanak többet, sőt kevesebbet, mint az elmúlt évtizedek rádióberendezései.
Figyelem!
A cikk helyesírási és központozási hibákat tartalmaz, mert az oldalról vett anyag http://soliaris2010.narod2.ru , a szövegszerkesztés pedig gyakorlatilag megegyezik az eredetivel. Kérlek, ne ítélj túl szigorúan...
EGYSZERŰ GALVÁNCELLE, VOLT ELEM
Voltaic oszlop Az első kémiai áramforrást Alessandro Volta olasz tudós találta fel 1800-ban. Volta eleme volt – egy edény sós vízzel, cinkkel és rézlemezekkel leeresztve, vezetékkel összekötve. Ezután a tudós összeállított egy akkumulátort ezekből az elemekből, amelyet később Voltaic Pillarnak neveztek. Ezt a találmányt később más tudósok is felhasználták kutatásaik során. Így például 1802-ben V. V. Petrov orosz akadémikus megtervezte a 2100 elemből álló Voltaic oszlopot elektromos ív létrehozására.
1836-ban John Daniel angol kémikus úgy javította a Volta elemet, hogy cink- és rézelektródákat helyezett kénsavoldatba. Ezt a konstrukciót „Daniel elemként” nevezték el. 1859-ben Gaston Plante francia fizikus feltalálta az ólom-savas akkumulátort. Ezt a típusú cellát a mai napig használják az autóakkumulátorokban.1865-ben J. Leclanchet francia kémikus javasolta galvánelemét (Leclanchet cella), amely ammónium-klorid vagy más kloridsó vizes oldatával töltött cinkpohárból állt. , amelyben mangán (IV) oxid MnO2 agglomerátuma vezet szénárammal.
Ennek a kialakításnak a módosítását a mai napig használják különféle háztartási készülékek sóelemeiben.1890-ben New Yorkban Konrad Hubert, egy oroszországi bevándorló megalkotta az első zseblámpát. És már 1896-ban a National Carbon cég megkezdte a világ első száraz elemeinek, a Leklanshe "Columbia" tömeggyártását. A leghosszabb élettartamú galvánelem egy cink-kén akkumulátor, 1840-ben Londonban készült. A hozzá kapcsolódó harang ma is működik.
A legegyszerűbb réz-cink elem két elektrolitoldatba merített lemezelektródából áll, elektrolitba merítve potenciálkülönbség keletkezik a fémek között. Ha egy rézlemezt és egy cinklemezt nátrium-klorid-oldatba merítünk, körülbelül 1 voltos potenciálkülönbség lép fel, és egy elemnek, méretétől függetlenül, egy volt feszültsége van, és egy ilyen elem teljesítménye attól függ. mérete és az elektrolitba merített lemezek területe. A magasabb feszültség elérése érdekében ezeket az elemeket, akárcsak a gyári akkumulátorokat, sorba kapcsolják, hogy a kívánt feszültséget elérjék.
A RÉZ-CINK ELEM JELLEMZŐI
Réz-cink áramforrások. Ezeknek a vegyi áramforrásoknak a gyártása már 1889-ben megkezdődött. Jelenleg kis mennyiségben, 250-1000 Ah kapacitású cellák formájában gyártják őket. A sima horganylemezeket és a réz-oxid, réz és kötőanyag keverékéből készült lemezeket üveg- vagy fémedénybe helyezzük 20%-os NaOH-oldattal. Az elemek feszültsége 0,6-0,7 V, fajlagos energiája 25-30 Wh/kg. Előnyük a kisülési feszültség állandósága, a nagyon alacsony önkisülés, a hibamentes működés és az alacsony ár. Vasutak jelző- és kommunikációs rendszereiben használták őket.
BAN BEN valós körülmények az energiaintenzitás nagymértékben változhat, és függ a műanyag területétől, a fémek tisztaságától és az elektrolit sűrűségétől 20A / h, de az ilyen elemekben nagyon kis kisülési áram kicsi, és az áramköri áram körülbelül 100-150 mA / h lehet, és minél kevesebbet fogyaszt a csatlakoztatott forrás, annál többet tud a réz-cink elem áramot termelni. Egy literes edénybe 50 mA / h kisülési árammal összeszerelt elem 200 órától 400 óráig vagy tovább működik, de idővel a lemezek oxidálódnak, a feszültség csökken, és ennek eredményeként az elem leáll. Az elem helyreállításához ki kell cserélni az elektrolitot és meg kell tisztítani a lemezeket az oxidációtól, és az elem újra működik.
Az oxidációs folyamat a kisülési áramtól függ, minél nagyobb, annál gyorsabban meghibásodik az elem, de átlagosan egy literes edényben lévő elem tisztítás és újratöltés előtt, 50 mA / h kisütési árammal kb. 3-4 hónapig, és 2-5 mA/h kisülési árammal egy évig vagy tovább bírja. Egy egyszerű literes elem még egy egyszerű miniatűr rádióvevő tápellátásához sem elegendő, és a kívánt jellemzők eléréséhez több elemből álló blokkot kell összeállítani.
Most alapvetően az összes hordozható elektronika 3,6-4,5 voltos feszültséggel működik, és ahhoz, hogy ilyen számokat kapjunk, 4-5 ilyen elemet kell sorba kötni, ha 5 literes elemeket csatlakoztatunk, akkor kb 3,5-et kapunk. 4,8 volt, és a kapacitás 40-50 A / h-ra nő, a kisülési áram pedig elérheti a 400-600 mA / h-t, ezért egy ilyen forrás könnyen megbirkózik egy kis rádió vagy LED zseblámpa táplálásával, valamint miniatűr töltéssel telefon akkumulátora 10-30 óra. De a nagy teljesítményű LED-es lámpák és a teljesítmény modern telefonokés a KKP az ilyen források nem lesznek elegendőek.
STABILIS HOSSZÚ TÁVÚ AUTONÓM TÁPELLÁTÁSHOZ HORDOZHATÓ ELEKTRONIKÁHOZ
szüksége lesz valami nagyobbra, például az ábrán látható kapacitású elemre, 40-50 literes, a hordozható beltéri stabil ellátáshoz LED lámpákés egyéb technológia. Egy ilyen kémiai áramforrás gyártásához nincs szüksége: 5 db 20x40 méretű rézlemezre és 5 db azonos cinkre, majd forrasztania vagy préselnie kell minden lemezt a lemez sarkának meghajlításával, és be kell helyeznie a vezetékeket. és kalapáccsal lapítsuk el.
Ezt követően a lemezeket elektronvezető távtartókon (fa blokk vagy műanyag cső) keresztül kell egymáshoz rögzíteni, majd elektrolitos tartályokba engedni, ez vagy nátrium-klorid oldat vagy ammónia oldat, vagy kénsavoldat (auto elektrolit), amely után sorba kapcsoljuk az így kapott akkumulátorokat, vagyis az egyik elem rézlemezét vezetékeken keresztül egy másik elem horganylemezéhez kötjük. Ennek eredményeként a kapott blokk egyik oldalán rézlemez marad huzalozással (+), a másikon pedig cink (-). Minél nagyobb a lemezek területe és minél jobb az elektrolit, annál nagyobb egy ilyen áramforrás hatékonysága.
HÁZI KÉSZÍTMÉNY RÉZ-LÉTELEM
Ebben a házilag készített kivitelben a tiszta cink hiánya miatt alumínium elektródát használtak, de az emf. az alumínium alacsonyabb, mint a cinké, 0,5 V, vagyis egy bank csak 0,5 V-ot ad, emiatt a készülék nem 4 kannából áll 3,5-4 voltos feszültségre, hanem 6-ból, hogy legalább 3,6 volt.
A készülék tesztelésekor nem volt mérőműszer, de ahogy a képen is látszik, a készülék szabadon biztosítja 12 LED izzását - áramfelvétele 150-200mA, és tölti a mobiltelefont - a fogyasztási áram kb 400mA .
A tesztelés során a cella 2,40 perc alatt töltött fel egy 750 mA-es telefon akkumulátort.
Hozzávetőleges specifikációk cellák, 6 dobozból, 0,33 literes kapacitással: 3,7 Volt, áramköri áram kb. 500mA, kapacitás 25-30A/h.
A teszt során a cellák akkumulátora egy evőkanál vitriollan kb 100 órán keresztül stabilan dolgozott kb 200 mAh kisütési áram mellett, most már a készülék is működik, de az áramerősség jóval kisebb és kb 80 mAh, a vitriol majdnem elhasználódott, így ha kiszámítja, akkor meghatározhatja, hogy az elemek általában mennyi ideig működnek bizonyos mennyiségű vitriolnál, bizonyos eszközöket táplálva.
GYÁRTÁSI MEGRENDELÉS
EBBEN A KIALAKÍTÁSBAN ALUMÍNIUM KONDA (SÖR) ÉS EGYÉB ALUMÍNIUM TERMÉKEK ALKALMAZTAK ALUMÍNIUMELEKTÓDAKÉNT.
HA ALUMÍNIUM DOMBOR HASZNÁL, AZOKAT ÓVATOSAN KELL TISZTÍTANI A BELSŐ VÉDŐRÉTEGTŐL ÉS A KÜLSŐ JELÖLÉSEKTŐL, MIVEL NEM HASZNÁLJA MEG AZ ÁRAMOT.
Először az edény belső felületét vazelinnel vagy disznózsírral megkenjük az edény felső szélétől 3-4 centiméter távolságra, ezt azért teszik, hogy megakadályozzuk, hogy a sókristályok kikúszhassanak az elem edényéből.
Ezenkívül a hengerben kettős vágást kell végezni az egyik oldalon 4-5 mm mélységig, és a kapott konzolokat kifelé kell hajlítani úgy, hogy a henger lógjon rajtuk, a doboz nyakán, és ne érje el az alját. a kannából 5 cm-rel, miután forrasztóanyagot gyártottak neki rézdrót, ez (+) lesz.
Ezután egy membrán készül, a membrán kartonból, egy henger kartonból a doboz hosszában, vagy 5 cm-rel rövidebb, mint a konzervdoboz, majd egy karton fenéket varrnak rá szálakkal, hogy ott nem maradnak hézagok, és a varráspontokat forró paraffinnal áztatják, hogy az alját lezárják, hogy megakadályozzák a folyadék kiszivárgását.
Ezután több réteg pergament vagy újságpapírt szorosan feltekernek a hengerre, előzőleg sóoldatba áztatva, hogy ne legyenek légrések, és miután a kapott „üveget” szorosan bevonják egy több rétegbe csomagolt szövettel a mechanikai szilárdság érdekében.
Ezután a membrán tetejére egy gyűrűt ragasztanak vagy varrnak, hogy az üveg ne essen át, és a rögzítési pontokat forró paraffinnal vonják be, a gyűrűn lyukat készítenek, amelyen keresztül vizet öntenek az edénybe és keverőt behelyezzük a vitriol keveréséhez.
Ezután konyhasó-oldatot kell a membránba önteni és több órán át állni hagyni, a megfelelően összeszerelt membrán ne szivárogjon, és csak a felülete legyen nedves. -), a cinkhenger szabadon kerüljön be a membránba, de a ugyanakkor a lehető legközelebb legyen a falaihoz, azaz közelebb a rézhengerhez, hogy csökkentse a belső ellenállást, és ennek megfelelően növelje a hatékonyságot.
ELEM ÖSSZESZERELÉS.
Egy tiszta edénybe, ha 0,5 l., öntsön egy evőkanál réz-szulfátot, helyezzen be egy keverőt, majd szereljen be egy nátrium-klorid oldattal töltött membránt, majd vizet önt a keverő nyílásába, majd cinket. be van helyezve a membránhengerbe, összeszerelés után az elem teljesen készen áll a munkára, hátra van az elemek sorba kapcsolása, mint a hagyományos akkumulátorok, valamint az eszközök tápellátása és feltöltése.
A porózus membrán használata az elektrolitok elválasztásának köszönhető, vagyis a vitriol kristályok és a sóoldat elválasztása a keveredésből, ellenkező esetben a vitriol heves reakcióba lép, és túl gyorsan elfogy, még akkor is, ha a cellát nem használják, és a vitriol áramlása a membránon keresztül egységes és gazdaságos, ami biztosítja hosszú munkaáramforrás-galvanikus cella..
A Hoopoe elemenként a vitriol időszakos utántöltéséből, az elektrolit cseréjéből és az elektródák oxidációtól való megtisztításából áll. Körülbelül 600 mA (mobiltelefon) áramfelvétel mellett egy 4 félliteres cellából álló akkumulátor körülbelül egy hónapig működik egy vitriol (4 evőkanál) után, feltéve, hogy minden nap körülbelül 6 órán keresztül használják. .Amikor a teljesítmény csökken, a réz-szulfátot rendszeres időközönként fel kell keverni egy keverővel. cink.
Jegyzet. Ha a cinket alumíniumra cseréljük, akkor nem 4 vagy 5 elemre van szükség, hanem 6 vagy 7 sorba kapcsolva, mivel az emf. az alumínium alacsonyabb, mint a cinké, és 0,4-0,6 V.
