Per disegnare un diagramma di una cella galvanica, è necessario comprendere il principio della sua azione, le caratteristiche strutturali.
I consumatori raramente prestano attenzione ad accumulatori e batterie, mentre queste fonti attuali sono le più richieste.
Cos'è una cella galvanica? Il suo circuito è basato su un elettrolita. Il dispositivo comprende un piccolo contenitore dove si trova l'elettrolita adsorbito dal materiale separatore. Inoltre, lo schema di due celle galvaniche presuppone la presenza Qual è il nome di una tale cella galvanica? Lo schema che lega insieme due metalli suggerisce la presenza di una reazione redox.
Implica la presenza di due piastre o aste di metalli diversi, che sono immerse in una forte soluzione elettrolitica. Durante il funzionamento di questa cella galvanica, viene effettuato un processo di ossidazione sull'anodo, associato al ritorno di elettroni.
Al catodo - riduzione, accompagnata dall'accettazione di particelle negative. C'è un trasferimento di elettroni lungo il circuito esterno all'agente ossidante dall'agente riducente.
Per comporre circuiti elettronici celle galvaniche, è necessario conoscere il valore del loro potenziale di elettrodo standard. Analizziamo una variante di una cella galvanica rame-zinco funzionante sulla base dell'energia rilasciata durante l'interazione del solfato di rame con lo zinco.
Questa cella galvanica, il cui schema verrà fornito di seguito, è chiamata cella Jacobi-Daniel. Comprende che è immerso in una soluzione di solfato di rame (elettrodo di rame), e consiste anche di una piastra di zinco in una soluzione del suo solfato (elettrodo di zinco). Le soluzioni sono in contatto tra loro, ma per impedirne la miscelazione, nell'elemento viene utilizzato un setto in materiale poroso.
Come funziona una cella galvanica il cui circuito è Zn ½ ZnSO4 ½½ CuSO4 ½ Cu? Durante il suo funzionamento, quando il circuito elettrico è chiuso, avviene il processo di ossidazione dello zinco metallico.
Sulla sua superficie di contatto con una soluzione salina si osserva la trasformazione degli atomi in cationi Zn2+. Il processo è accompagnato dal rilascio di elettroni "liberi", che si muovono lungo il circuito esterno.
La reazione che avviene sull'elettrodo di zinco può essere rappresentata come segue:
La riduzione dei cationi metallici viene effettuata su un elettrodo di rame. Le particelle negative che entrano qui dall'elettrodo di zinco si combinano con i cationi di rame, depositandoli sotto forma di metallo. Questo processo è simile al seguente:
Se aggiungiamo le due reazioni discusse sopra, otteniamo un'equazione riassuntiva che descrive il funzionamento di una cella galvanica zinco-rame.
L'anodo è un elettrodo di zinco, il catodo è di rame. Le moderne celle e batterie galvaniche richiedono l'uso di un'unica soluzione elettrolitica, che amplia l'ambito della loro applicazione, rende il loro funzionamento più comodo e conveniente.
I più comuni sono gli elementi carbonio-zinco. Usano un collettore di corrente di carbonio passivo a contatto con l'anodo, che è ossido di manganese (4). L'elettrolita è cloruro di ammonio utilizzato in forma di pasta.
Non si diffonde, quindi la cella galvanica stessa è chiamata secca. La sua caratteristica è la capacità di "ripristinarsi" durante il funzionamento, che ha un effetto positivo sulla durata del loro periodo operativo. Tali celle galvaniche hanno un basso costo, ma una bassa potenza. Quando la temperatura scende, riducono la loro efficienza e quando sale, l'elettrolito si asciuga gradualmente.
Gli elementi alcalini comportano l'uso di una soluzione alcalina, quindi hanno parecchie applicazioni.
Nelle celle al litio, un metallo attivo funge da anodo, il che ha un effetto positivo sulla durata. Il litio ha un negativo quindi, con piccole dimensioni, tali elementi hanno una tensione nominale massima. Tra gli svantaggi di tali sistemi c'è il prezzo elevato. L'apertura di fonti di corrente al litio è esplosiva.
Il principio di funzionamento di qualsiasi cella galvanica si basa sui processi redox che si verificano al catodo e all'anodo. A seconda del metallo utilizzato, della soluzione elettrolitica selezionata, la durata dell'elemento cambia, nonché il valore della tensione nominale. Attualmente sono richieste celle galvaniche al litio e cadmio con una durata sufficientemente lunga.
Cella galvanica- questa è una sorgente di corrente chimica in cui l'energia rilasciata durante il corso di una reazione redox sugli elettrodi viene convertita direttamente in energia elettrica .
Riso. 9.2. Schema di una cella galvanica di Daniel - Jacobi
Qui I è un bicchiere contenente una soluzione di ZnSO 4 in acqua con una lastra di zinco immersa in essa; II - un bicchiere contenente una soluzione di CuSO 4 in acqua con una lastra di rame immersa in essa; III - ponte salino (chiave elettrolitica), che assicura il movimento di cationi e anioni tra le soluzioni; IV - voltmetro (necessario per misurare l'EMF, ma non incluso nella composizione della cella galvanica).
Potenziale di elettrodo standard di un elettrodo di zinco. Potenziale di elettrodo standard di un elettrodo di rame. Poiché, quindi gli atomi di zinco saranno ossidati:
Viene chiamato l'elettrodo in corrispondenza del quale avviene la reazione di riduzione o che accetta cationi dall'elettrolita catodo.
Attraverso la chiave elettrolitica avviene il movimento degli ioni in soluzione: anioni SO 4 2- all'anodo, cationi Zn 2+ al catodo. Il movimento degli ioni in soluzione si chiude circuito elettrico elemento galvanico.
Le reazioni (a) e (b) sono chiamate reazioni di elettrodo.
Aggiungendo le equazioni dei processi che avvengono sugli elettrodi, otteniamo l'equazione totale della reazione redox che avviene nella cella galvanica:
Nel caso generale, l'equazione complessiva della reazione redox che si verifica in una cella galvanica arbitraria può essere rappresentata come:
Il circuito della cella galvanica Daniel-Jacobi ha la forma:
Zn | ZnSO4 || CuSO4 | Cu
Viene chiamata la massima differenza di potenziale degli elettrodi che si può ottenere durante il funzionamento di una cella galvanica forza elettromotiva(emf) elemento E. Viene calcolato secondo la formula;
Dove N- il numero di elettroni nell'atto redox elementare, Fè il numero di Faraday.
L'entità della variazione del potenziale isobarico-isotermico della reazione di formazione della corrente in condizioni standard? G 0 è correlato alla costante di equilibrio di questa reazione Aè uguale al rapporto
| (9.6) |
Le celle galvaniche sono sorgenti di corrente chimica (CSS) primarie (monouso). HIT secondari (riutilizzabili) sono batterie. I processi che si verificano durante la scarica e la ricarica delle batterie sono reciprocamente inversi.
Si chiamano celle galvaniche in cui gli elettrodi sono fatti dello stesso metallo e immersi in soluzioni dei loro sali di diversa concentrazione concentrazione. La funzione dell'anodo in tali elementi è svolta da un metallo immerso in una soluzione salina con una concentrazione inferiore, ad esempio:
Esempio 1 Crea un diagramma di una cella galvanica basata sulla reazione: Mg + ZnSO 4 = MgSO 4 + Zn. Qual è il catodo e l'anodo in questo elemento? Scrivi le equazioni per i processi che si verificano su questi elettrodi. Calcola l'EMF dell'elemento in condizioni standard. Calcolare la costante di equilibrio per la reazione di formazione della corrente.
Fonti di energia elettrica a bassa potenza
Per alimentare apparecchiature elettriche e radio portatili, vengono utilizzate celle galvaniche e batterie.
Celle galvaniche sono fonti una tantum accumulatori- fonti di azioni riutilizzabili.
La cella galvanica più semplice
L'elemento più semplice può essere ricavato da due lamelle: rame e zinco, immerse in acqua leggermente acidificata con acido solforico. Se lo zinco è abbastanza puro da essere esente da reazioni locali, non si verificherà alcun cambiamento evidente fino a quando il rame e lo zinco non saranno cablati insieme.
Tuttavia, le strisce hanno potenziali diversi l'uno rispetto all'altro e quando sono collegati da un filo, apparirà. Con il progredire di questa azione, la striscia di zinco si dissolverà gradualmente e vicino all'elettrodo di rame si formeranno bolle di gas che si raccoglieranno sulla sua superficie. Questo gas è l'idrogeno, che si forma dall'elettrolita. La corrente elettrica fluisce dalla striscia di rame attraverso il filo alla striscia di zinco e da essa attraverso l'elettrolita torna al rame.
A poco a poco, l'acido solforico dell'elettrolita viene sostituito dal solfato di zinco, che si forma dalla parte disciolta dell'elettrodo di zinco. A causa di ciò, la tensione dell'elemento viene ridotta. Tuttavia, una caduta di tensione ancora maggiore è causata dalla formazione di bolle di gas sul rame. Entrambe queste azioni producono "polarizzazione". Tali elementi non hanno quasi alcun valore pratico.
Parametri importanti delle celle galvaniche
L'entità della tensione fornita dalle celle galvaniche dipende solo dal loro tipo e dispositivo, cioè dal materiale degli elettrodi e dalla composizione chimica dell'elettrolita, ma non dipende dalla forma e dalle dimensioni delle celle.
La quantità di corrente che una cella galvanica può fornire è limitata dalla sua resistenza interna.
Molto caratteristica importante la cella galvanica è . Per capacità elettrica si intende la quantità di energia elettrica che una cella galvanica o batteria è in grado di sprigionare durante tutto il tempo del suo funzionamento, cioè fino a quando non si verifica la scarica finale.
La capacità data dall'elemento è determinata moltiplicando la corrente di scarica, espressa in ampere, per il tempo in ore, durante il quale l'elemento è stato scaricato fino all'inizio di una scarica completa. Pertanto la capacità elettrica è sempre espressa in amperora (A x h).
In base al valore della capacità dell'elemento, puoi anche determinare in anticipo quante ore funzionerà approssimativamente prima dell'inizio di una scarica completa. Per fare ciò, è necessario dividere la capacità per l'intensità della corrente di scarica consentita per questo elemento.
Tuttavia, la capacità elettrica non è un valore strettamente costante. Varia entro limiti abbastanza ampi a seconda delle condizioni (modalità) dell'elemento e della tensione di scarica finale.
Se l'elemento viene scaricato con la massima intensità di corrente e, inoltre, senza interruzioni, emetterà una capacità molto inferiore. Al contrario, quando lo stesso elemento viene scaricato con una corrente di minore intensità e con interruzioni frequenti e relativamente lunghe, l'elemento perderà la sua piena capacità.
Per quanto riguarda l'effetto della tensione di scarica finale sulla capacità della cella, bisogna tenere presente che durante la scarica di una cella galvanica, la sua tensione di esercizio non rimane allo stesso livello, ma diminuisce gradualmente.
Tipi comuni di celle galvaniche
Le celle galvaniche più comuni sono i sistemi manganese-zinco, manganese-aria, aria-zinco e mercurio-zinco con elettroliti salini e alcalini. Le celle a secco di manganese-zinco con elettrolita salino hanno una tensione iniziale da 1,4 a 1,55 V, la durata del funzionamento a una temperatura ambiente da -20 a -60 ° C da 7 ore a 340 ore.
Le celle a secco manganese-zinco e aria-zinco con un elettrolita alcalino hanno una tensione da 0,75 a 0,9 V e un tempo di funzionamento da 6 ore a 45 ore.
Le celle al mercurio-zinco a secco hanno una tensione iniziale da 1,22 a 1,25 V e un tempo di funzionamento da 24 ore a 55 ore.
Gli elementi secchi al mercurio-zinco hanno la durata di conservazione garantita più lunga, raggiungendo i 30 mesi.
Queste sono celle galvaniche secondarie.A differenza delle celle galvaniche, nella batteria non si verificano processi chimici subito dopo il montaggio.
Affinché le reazioni chimiche associate al movimento inizino nella batteria cariche elettriche, è necessario modificare di conseguenza la composizione chimica dei suoi elettrodi (e parte dell'elettrolita). Questo cambiamento nella composizione chimica degli elettrodi avviene sotto l'azione di una corrente elettrica che attraversa la batteria.
Pertanto, affinché la batteria sia in grado di produrre corrente elettrica, deve prima essere "caricata" con corrente elettrica continua proveniente da una fonte di corrente esterna.
Le batterie si confrontano favorevolmente anche con le celle galvaniche convenzionali in quanto possono essere ricaricate dopo essere state scaricate. Con buona cura e in condizioni operative normali, le batterie possono sopportare fino a diverse migliaia di cariche e scariche.
Dispositivo a batteria
Attualmente, nella pratica vengono utilizzate più spesso batterie al piombo e al nichel-cadmio. Per il primo, una soluzione di acido solforico funge da elettrolita, e per il secondo, una soluzione di alcali in acqua. Le batterie al piombo-acido sono anche chiamate acide e le batterie al cadmio-nichel sono chiamate alcaline.
Il principio di funzionamento delle batterie si basa sulla polarizzazione degli elettrodi. La batteria ad acido più semplice è disposta come segue: si tratta di due piastre di piombo immerse in un elettrolita. Come risultato di una reazione di sostituzione chimica, le piastre sono ricoperte da un leggero rivestimento di solfato di piombo PbSO4, come segue dalla formula Pb + H 2 SO 4 \u003d PbSO 4 + H 2.
Dispositivo a batteria acida
Questo stato delle piastre corrisponde ad una batteria scarica. Se ora la batteria è accesa per una carica, ad es., collegala al generatore corrente continua, quindi in esso, a causa dell'elettrolisi, inizierà la polarizzazione delle piastre. Come risultato della carica della batteria, le sue piastre sono polarizzate, cioè cambiano la sostanza della loro superficie e da omogenee (PbSO 4) si trasformano in eterogenee (Pb e Pb O 2).
La batteria diventa una fonte di corrente e l'elettrodo positivo è una piastra rivestita di biossido di piombo e il negativo è una piastra di piombo pulita.
Alla fine della carica, la concentrazione dell'elettrolita aumenta a causa della comparsa di ulteriori molecole di acido solforico al suo interno.
Questa è una delle caratteristiche di una batteria al piombo: il suo elettrolita non rimane neutro e partecipa esso stesso alle reazioni chimiche durante il funzionamento della batteria.
Alla fine della scarica, entrambe le piastre della batteria sono nuovamente ricoperte di solfato di piombo, per cui la batteria cessa di essere una fonte di corrente. La batteria non viene mai portata a tale stato. A causa della formazione di solfato di piombo sulle piastre, la concentrazione dell'elettrolita alla fine della scarica diminuisce. Se la batteria viene messa in carica, di nuovo è possibile causare la polarizzazione per rimetterla in scarica, ecc.
Esistono diversi modi per caricare le batterie. La più semplice è la normale carica della batteria, che avviene come segue. Inizialmente, per 5-6 ore, la carica viene effettuata con una doppia corrente normale, fino a quando la tensione su ogni banco di batterie raggiunge i 2,4 V.
La normale corrente di carica è determinata dalla formula I carica \u003d Q / 16
Dove Q - capacità nominale della batteria, Ah.
Successivamente, la corrente di carica viene ridotta a un valore normale e la carica viene continuata per 15-18 ore, fino a quando non compaiono segni di fine carica.
Batterie moderne
Le batterie al cadmio-nichel, o alcaline, sono apparse molto più tardi di quelle al piombo e, rispetto a queste, sono fonti di corrente chimica più avanzate. Il principale vantaggio delle batterie alcaline rispetto a quelle al piombo è la neutralità chimica del loro elettrolita rispetto alle masse attive delle piastre. Per questo motivo, l'autoscarica delle batterie alcaline è molto inferiore a quella delle batterie al piombo. Il principio di funzionamento delle batterie alcaline si basa anche sulla polarizzazione degli elettrodi durante l'elettrolisi.
Per alimentare gli apparati radio vengono prodotte batterie ermetiche al nichel-cadmio che sono operative a temperature da -30 a +50°C e resistono a 400 - 600 cicli di carica-scarica. Questi accumulatori sono realizzati sotto forma di parallelepipedi compatti e dischi che pesano da pochi grammi a chilogrammi.
Producono batterie al nichel-idrogeno per l'alimentazione di oggetti autonomi. L'energia specifica di una batteria al nichel-idrogeno è di 50 - 60 W h kg -1.
Cella galvanica Un dispositivo che converte l'energia chimica in energia elettrica. Uno di questi elementi è l'elemento Daniel-Jacobi. Questo elemento è costituito da due elettrodi: zinco e rame, immersi nelle corrispondenti soluzioni di solfato, tra i quali è presente una partizione porosa:
Quando il circuito esterno è chiuso, gli elettroni passano da Zn a Cu e lo zinco si diffonde nel rame:
Formiamo un circuito elettrochimico:
Anodo - elettrodo negativo (a sinistra). Il catodo è l'elettrodo positivo.
Per determinare l'EMF di questo elemento, è necessario confrontare i potenziali degli elettrodi standard di entrambi gli elettrodi. Quando si registrano le reazioni degli elettrodi, si presume che la forma ossidata si trovi sul lato sinistro e la forma ridotta si trovi sul lato destro dell'equazione.
Dove E 0 - forza elettromotrice (EMF) di una cella galvanica, quando tutti i reagenti sono nello stato standard.
La fem della cella viene calcolata sottraendo il potenziale dell'anodo dal potenziale del catodo.
L'EMF dell'elemento è +0,34 - (-0,76) \u003d 1,1 V; più i potenziali degli elettrodi differiscono l'uno dall'altro, maggiore è l'EMF. Se un metallo è immerso in una soluzione salina di concentrazione maggiore, il potenziale non è standard. Ciò significa che la concentrazione e la temperatura influenzano l'entità del potenziale dell'elettrodo. Questa dipendenza è espressa Equazione di V. Nernst.
Dove P - numero di ioni;
R è la costante universale dei gas;
T - temperatura;
CON - concentrazione di ioni attivi in soluzione;
F- Numero di Faraday = 96500 V.
COLPI- dispositivi utilizzati per convertire direttamente l'energia di una reazione chimica in energia elettrica. Gli hit sono utilizzati in vari campi della tecnologia. Nei mezzi di comunicazione: radio, telefono, telegrafo; nelle apparecchiature di misurazione elettriche; servono come fonti di energia per automobili, aerei, trattori; usato per guidare gli antipasti, ecc.
HIT Svantaggi:
1) il costo delle sostanze necessarie al lavoro: Pb, Cd, è elevato;
2) il rapporto tra la quantità di energia che un elemento può dare e la sua massa è piccolo.
Vantaggi HIT:
1) Gli hit sono divisi in due gruppi principali: reversibile (batterie), irreversibile (celle galvaniche). Le batterie possono essere utilizzate ripetutamente, poiché le loro prestazioni possono essere ripristinate facendo passare corrente in direzione opposta da una sorgente esterna, e nelle celle galvaniche possono essere utilizzate solo una volta, poiché uno degli elettrodi (Zn nella cella Daniel-Jacobi) è irreversibilmente consumato;
2) vengono utilizzati elettroliti assorbiti da materiali porosi, hanno una maggiore resistenza interna;
3) la creazione di celle a combustibile, durante il cui funzionamento verrebbero consumate sostanze economiche a bassa densità (gas naturale, idrogeno);
4) funzionamento conveniente, affidabilità, tensione alta e stabile.
Considera il processo della tecnologia basata su una batteria al piombo con elettrodi rivestiti.
Schema generale: (–) sostanza attiva | elettrolita | principio attivo (+).
Il principio attivo dell'elettrodo negativo è agente riducente donando elettroni. Durante la scarica, l'elettrodo negativo è un anodo, cioè un elettrodo su cui si verificano processi ossidativi. Il principio attivo dell'elettrodo positivo è ossidante. Le sostanze attive - un agente ossidante e un agente riducente - partecipano a una reazione elettrochimica.
Schema elettrochimico di una batteria al piombo
I principi attivi di una batteria al piombo sono piombo spugnoso e PbO 2 . La creazione di masse attive negli elettrodi è la seguente: una pasta o una miscela di ossidi di Pb viene applicata al telaio elettricamente conduttivo della struttura; durante la successiva formazione delle placche, gli ossidi di Pb vengono convertiti in sostanze attive. Formazione– conversione della massa scarica in massa carica. Tali lastre sono suddivise a seconda del tipo di telaio in diffusione e reticolo. La maggior parte delle batterie sono assemblate da piastre intonacate. Nella loro fabbricazione, una pasta di ossidi di piombo viene spalmata nelle celle di reticoli profilati spessi 1-7 mm, fusi da una lega Pb-Sb. Dopo l'indurimento, la pasta viene trattenuta sulla griglia, la garanzia di tale batteria è di 2-3 anni. Quando si scelgono i materiali per i collettori di corrente degli elettrodi positivi della batteria, è importante garantire la loro passività pratica (mantenendo la conduttività elettrica) in condizioni di carica (fino a potenziali molto elevati con polarizzazione anodica). A tale scopo, Pb o le sue leghe vengono utilizzate nelle soluzioni H 2 SO 4. Il corpo e il coperchio dell'HIT possono essere realizzati in acciaio o vari dielettrici, ma nelle batterie al piombo il corpo è in ebanite, polipropilene e vetro. L'elettrolita in una batteria al piombo può partecipare alla reazione generale di generazione della corrente. Per i rubinetti che trasportano corrente dell'elettrodo negativo, vengono utilizzati Cu, Ti, Al.
3. Rigenerazione e smaltimento di HIT
La vita utile delle celle galvaniche termina (scarica HIT) dopo l'uso totale o parziale di materiali attivi, le cui prestazioni dopo la scarica possono essere ripristinate caricando, cioè facendo passare corrente nella direzione opposta alla direzione della corrente durante scarica: tali celle galvaniche sono chiamate accumulatori. L'elettrodo negativo, che era l'anodo quando la batteria si stava scaricando, diventa il catodo quando è carico. condizioni miglior utilizzo i materiali attivi sono bassa densità di corrente, alte temperature normali. Di solito il motivo del malfunzionamento degli HIT è passivazione dell'elettrodo– una brusca diminuzione della velocità del processo elettrochimico durante la scarica, causata da un cambiamento dello stato della superficie dell'elettrodo durante la scarica dovuto alla formazione di strati di ossido o pellicole saline. Il modo per combattere la passivazione è ridurre le vere densità di corrente di scarica utilizzando elettrodi con superfici sviluppate. La produzione di HIT è caratterizzata dall'utilizzo di varie sostanze tossiche (forti agenti ossidanti, composti di Pb, Hg, Zn, Cd, Ni usati in uno stato finemente disperso; acidi, alcali, solventi organici). Per garantire condizioni di lavoro normali, automazione dei processi produttivi, vengono forniti sistemi di ventilazione razionali, compreso l'uso di scarichi locali da dispositivi con emissioni tossiche, sigillatura delle apparecchiature, sostituzione dei metodi a secco di lavorazione di materiali polverosi con quelli umidi, purificazione di aria e gas inquinati da aerosol e trattamento delle acque reflue industriali. L'uso massiccio di HIT nell'economia nazionale è associato a problemi ambientali. Mentre il piombo delle batterie può essere per lo più restituito agli impianti di riciclaggio dai consumatori, lo smaltimento del CPS primario per piccole famiglie non è economicamente sostenibile.
Ogni batteria Hg-Zn fornisce 5-7 giorni di funzionamento dell'apparecchio acustico.
I veicoli elettrici vengono sviluppati utilizzando HIT invece dei motori a combustione interna, che avvelenano l'atmosfera delle città con i gas di scarico. In termini di grado di impatto negativo sull'ambiente, la produzione galvanica è al primo posto. La ragione dell'impatto estremamente negativo della produzione galvanica è che nella stragrande maggioranza delle imprese solo il 10-30% dei sali di metalli pesanti viene utilmente consumato nei processi tecnologici di rivestimento, mentre il resto entra nell'ambiente con un lavoro insoddisfacente. La via d'uscita è ridurre al minimo la perdita di sali di metalli non ferrosi, ovvero ridurre la rimozione di elettroliti dai bagni galvanici per parti. Ciò porterà a una diminuzione delle concentrazioni e dei volumi di acque reflue e quindi creerà le condizioni necessarie per lo svolgimento di tecnologie low-waste (MOT) e non-waste (LOT) per l'applicazione di rivestimenti galvanici. Devi prima scegliere l'elettrolita giusto. Un principio fondamentale dell'ILO e del BOT è quello di ridurre le sostanze chimiche in ingresso e fornire meno veleni all'uscita del processo.
Cella galvanica artigianale per alimentazione autonoma
Elemento Volta
Per alimentare e caricare l'elettronica portatile in luoghi dove non c'è alimentazione, puoi utilizzare con successo, insieme ad altre fonti di energia elettrica, le più semplici fonti di corrente chimica, le celle galvaniche.
Il loro utilizzo è possibile nelle dacie per la residenza a lungo termine in assenza di una rete elettrica, così come nei villaggi remoti dove non c'è elettricità o interruzioni di corrente costanti. Nella Russia sovietica, le fonti di corrente chimica o le celle galvaniche si sono diffuse nella tecnologia radioamatoriale a metà del secolo scorso, poiché queste fonti sono facili da fabbricare e sono realizzate con materiali facilmente disponibili.
Ora quando elettronica portatileè diventato molto economico in termini di consumo energetico, la sua alimentazione da sorgenti di corrente chimica fatte in casa può essere molto efficace, poiché tali sorgenti di corrente sono state utilizzate con successo agli albori dello sviluppo dell'ingegneria radio. Quindi l'apparecchiatura consumava molte volte più elettricità rispetto alle apparecchiature moderne e ora con lo sviluppo della tecnologia di illuminazione a risparmio energetico. Ad esempio, l'illuminazione a LED consuma 4-5 volte meno elettricità rispetto alle lampadine convenzionali. Anche moderno Telefono cellulare, PDA e altri gadget non consumano quasi nulla di più, e anche meno delle apparecchiature radio degli ultimi decenni.
Attenzione!
L'articolo contiene errori di ortografia e punteggiatura, perché materiale prelevato dal sito http://soliaris2010.narod2.ru e la modifica del testo è praticamente la stessa dell'originale. Per favore, non giudicare troppo duramente...
CELLA GALVANICA SEMPLICE, ELEMENTO VOLT
Colonna voltaica La prima fonte di corrente chimica fu inventata dallo scienziato italiano Alessandro Volta nel 1800. Era l'elemento di Volta: una nave con acqua salata con lastre di zinco e rame calate al suo interno, collegate da filo. Quindi lo scienziato ha assemblato una batteria di questi elementi, che in seguito è stata chiamata Pilastro Voltaico. Questa invenzione è stata successivamente utilizzata da altri scienziati nelle loro ricerche. Così, ad esempio, nel 1802, l'accademico russo V. V. Petrov progettò la colonna voltaica di 2100 elementi per produrre un arco elettrico.
Nel 1836, il chimico inglese John Daniel migliorò l'elemento Volta ponendo elettrodi di zinco e rame in una soluzione di acido solforico. Questo design divenne noto come "l'elemento Daniel". Nel 1859, il fisico francese Gaston Plante inventò la batteria al piombo. Questo tipo di cella è ancora utilizzato nelle batterie per auto fino ad oggi.Nel 1865, il chimico francese J. Leclanchet propose la sua cella galvanica (cella di Leclanchet), che consisteva in una tazza di zinco riempita con una soluzione acquosa di cloruro di ammonio o altro sale di cloruro , in cui un agglomerato di ossido di manganese (IV) MnO2 con una corrente di carbonio piombo.
Una modifica di questo design è ancora utilizzata nelle batterie al sale per vari dispositivi domestici.Nel 1890, a New York, Konrad Hubert, un immigrato dalla Russia, crea la prima torcia elettrica tascabile. E già nel 1896, la società National Carbon iniziò la produzione in serie dei primi elementi secchi al mondo Leklanshe "Columbia". La cella galvanica più longeva è una batteria zinco-zolfo, realizzata a Londra nel 1840. La campana ad essa collegata funziona ancora oggi.
L'elemento rame-zinco più semplice è costituito da due elettrodi a piastra immersi in una soluzione elettrolitica; quando immersi in un elettrolita, si crea una differenza di potenziale tra i metalli. Quando una lastra di rame e una lastra di zinco vengono immerse in una soluzione di cloruro di sodio, si verifica una differenza di potenziale di circa 1 volt e un elemento, indipendentemente dalle dimensioni, ha una tensione di un volt e la potenza di tale elemento dipende dalla sua dimensione e area delle piastre immerse nell'elettrolita. Per ottenere una tensione maggiore, questi elementi, come le batterie di fabbrica, sono collegati in serie per ottenere la tensione desiderata.
CARATTERISTICHE DELL'ELEMENTO RAME-ZINCO
Sorgenti di corrente rame-zinco. La produzione di queste fonti di corrente chimica iniziò già nel 1889. Attualmente vengono prodotte su piccola scala sotto forma di celle con una capacità da 250 a 1000 Ah. Lastre e lastre di zinco lisce da una miscela di ossido di rame, rame e un legante vengono poste in un recipiente di vetro o metallo con una soluzione di NaOH al 20%. Gli elementi hanno una tensione di 0,6-0,7 V e un'energia specifica di 25-30 Wh/kg. I loro vantaggi includono la costanza della tensione di scarica, l'autoscarica molto bassa, il funzionamento senza guasti e il prezzo basso. Sono stati utilizzati nei sistemi di segnalamento e comunicazione sulle ferrovie.
IN condizioni reali l'intensità energetica può variare notevolmente e dipende dall'area della plastica, dalla purezza dei metalli e dalla densità dell'elettrolita 20 A / h, ma in tali elementi una corrente di scarica molto piccola è piccola e la corrente del circuito può essere di circa 100-150 mA / h, e meno la sorgente collegata consuma, più l'elemento rame-zinco può generare elettricità. Un elemento assemblato in un barattolo da un litro con una corrente di scarica di 50 mA / h funzionerà da 200 ore a 400 ore o più, ma nel tempo le piastre si ossidano e la tensione diminuisce e di conseguenza l'elemento smette di funzionare. Per ripristinare l'elemento, è necessario sostituire l'elettrolito e pulire le piastre dall'ossidazione e l'elemento funzionerà di nuovo.
Il processo di ossidazione dipende dalla corrente di scarica, più è alta, più velocemente l'elemento si guasterà, ma in media un elemento in un barattolo da un litro prima della pulizia e della ricarica, con una corrente di scarica di 50 mA / h, funzionerà per circa 3-4 mesi, e con una corrente di scarica di 2-5 mA/h durerà per un anno o più Un semplice elemento da un litro non è sufficiente per alimentare anche un semplice ricevitore radio in miniatura, e per ottenere le caratteristiche desiderate, devi assemblare un blocco di più elementi.
Ora, in pratica, tutta l'elettronica portatile è alimentata da una tensione di 3,6-4,5 volt e per ottenere tali numeri è necessario collegare 4-5 elementi di questo tipo in serie, se si collegano elementi da 5 litri, si ottengono circa 3,5- 4,8 volt e la capacità aumenta a 40-50 A / h e la corrente di scarica può raggiungere 400-600 mA / h, quindi una tale fonte può facilmente far fronte all'alimentazione di una piccola radio o torcia a LED, nonché alla ricarica in miniatura batterie del telefono per 10-30 ore. Ma per alimentare luci e alimentazione a LED ad alta potenza telefoni moderni e il PCC tali fonti non saranno sufficienti.
PER UN'ALIMENTAZIONE AUTONOMA STABILE A LUNGO TERMINE PER L'ELETTRONICA PORTATILE
avrai bisogno di qualcosa di più grande, ad esempio un elemento con una capacità come in figura, un volume di 40-50 litri, per una fornitura stabile di interni portatili Lampade a LED e altra tecnologia. Per la fabbricazione di una tale fonte chimica di elettricità, non avrai bisogno di: 5 lastre di rame da 20x40 e 5 dello stesso zinco, quindi devi saldare o premere su ciascuna piastra piegando l'angolo della piastra, inserire il cablaggio e appiattirlo con un martello.
Successivamente, è necessario fissare tra loro le piastre tramite distanziatori conduttivi di elettroni (un blocco di legno o un tubo di plastica), quindi abbassarle in contenitori con elettrolita, questa è una soluzione di cloruro di sodio o una soluzione di ammoniaca o un soluzione di acido solforico (autoelettrolita), dopodiché colleghiamo le batterie risultanti in serie, cioè la lastra di rame di un elemento viene collegata tramite fili alla lastra di zinco di un altro elemento. Di conseguenza, su un lato del blocco risultante rimane una piastra di rame con cablaggio (+) e sull'altro zinco (-). Maggiore è l'area delle piastre e migliore è l'elettrolita, maggiore è l'efficienza di tale sorgente di corrente.
ELEMENTO VITALE IN RAME FATTO IN CASA
In questo progetto fatto in casa, a causa dell'indisponibilità di zinco puro, è stato utilizzato un elettrodo di alluminio, ma la fem. l'alluminio è inferiore a quello dello zinco, è 0,5 V, cioè una banca dà solo 0,5 volt, per questo il dispositivo non è composto da 4 lattine per una tensione di 3,5-4 volt, ma da 6 per ottenere almeno 3,6 volt.
Durante il test di questo dispositivo, non c'erano strumenti di misurazione, ma come puoi vedere dalla foto, il dispositivo fornisce liberamente il bagliore di 12 LED - il consumo di corrente è di 150-200 mA e carica il telefono cellulare - il consumo di corrente è di circa 400 mA .
Durante il test, la cella ha caricato una batteria del telefono da 750 mA in 2,40 minuti.
Approssimativo specifiche batterie di celle, composte da 6 lattine, con una capacità di 0,33 litri: 3,7 Volt, corrente del circuito circa 500 mA, capacità 25-30 A / h.
Durante il test, la batteria di celle ha funzionato stabilmente con un cucchiaio di vetriolo per circa 100 ore con una corrente di scarica di circa 200 mAh, ora funziona anche il dispositivo, ma la forza attuale è molto inferiore ed è di circa 80 mAh, il vetriolo è quasi esaurito, quindi se calcoli , puoi determinare per quanto tempo gli elementi funzioneranno generalmente con una certa quantità di vetriolo, alimentando determinati dispositivi.
ORDINE DI FABBRICAZIONE
IN QUESTO PROGETTO, LATTINE DI ALLUMINIO (BIRRA) E ALTRI PRODOTTI IN ALLUMINIO SONO STATI UTILIZZATI COME ELETTRODO DI ALLUMINIO.
SE SI UTILIZZANO BOMBOLE IN ALLUMINIO DEVONO ESSERE PULITE ACCURATAMENTE DALLO STRATO PROTETTIVO INTERNO E DAI MARCHI ESTERNI IN QUANTO NON PASSANO CORRENTE.
Innanzitutto, la superficie interna del barattolo viene imbrattata di vaselina o strutto a una distanza di 3-4 centimetri dal bordo superiore del barattolo, questo viene fatto per evitare che i cristalli di sale fuoriescano dal vaso dell'elemento.
Inoltre, nel cilindro, è necessario eseguire doppi tagli su un lato a una profondità di 4-5 mm e piegare le staffe risultanti verso l'esterno in modo che il cilindro penda su di esse, sul collo della lattina, senza raggiungere il fondo della lattina di 5 cm, dopo avergli fabbricato la saldatura filo di rame, questo sarà (+).
Successivamente, viene realizzato un diaframma, il diaframma è di cartone, un cilindro è di cartone lungo la lunghezza del barattolo, o 5 cm più corto del barattolo, quindi viene cucito un fondo di cartone con fili, in modo che non ci sia non sono rimasti spazi vuoti e i punti di cucitura sono imbevuti di paraffina calda per sigillare il fondo per evitare la fuoriuscita di liquidi.
Successivamente, diversi strati di pergamena o carta da giornale vengono strettamente avvolti sul cilindro, precedentemente imbevuto di soluzione salina in modo che non vi siano spazi d'aria, e dopo che il "vetro" risultante viene avvolto strettamente con un tessuto avvolto in più strati per resistenza meccanica.
Quindi un anello viene incollato o cucito sulla parte superiore del diaframma in modo che il vetro non cada e i punti di attacco siano ricoperti di paraffina calda, nell'anello viene praticato un foro attraverso il quale viene versata acqua nel barattolo e un agitatore viene inserito per mescolare il vetriolo.
Quindi, una soluzione di sale comune dovrebbe essere versata nel diaframma e lasciata per diverse ore, un diaframma correttamente assemblato non dovrebbe perdere e la sua superficie dovrebbe essere solo bagnata.-), il cilindro di zinco dovrebbe entrare liberamente nel diaframma, ma al allo stesso tempo essere il più vicino possibile alle sue pareti, cioè più vicino al cilindro di rame, in modo da ridurre la resistenza interna, e di conseguenza aumentare l'efficienza.
ASSEMBLAGGIO ELEMENTI.
In un barattolo pulito, se 0,5 l., Versare un cucchiaio di solfato di rame, inserire un agitatore, quindi installare un diaframma riempito con una soluzione di cloruro di sodio, quindi versare acqua nel foro che è per l'agitatore, quindi zinco viene inserito nel cilindro a membrana, dopo il montaggio l'elemento è completamente pronto per il lavoro, resta da collegare gli elementi in serie, come normali batterie, e alimentare e caricare i dispositivi.
L'uso di un diaframma poroso è dovuto alla separazione degli elettroliti, cioè alla separazione dei cristalli di vetriolo e della salamoia dalla miscelazione, altrimenti il vetriolo reagisce violentemente e si consuma troppo velocemente, anche quando la cella non è utilizzata, e il vetriolo scorre attraverso il diaframma è uniforme ed economico, il che garantisce lungo lavoro sorgente corrente-cella galvanica..
L'upupa per elemento consiste nel rifornimento periodico di vetriolo, nel cambio dell'elettrolita e nella pulizia degli elettrodi dall'ossidazione. Con un consumo di corrente di circa 600mA (cellulare), una batteria composta da 4 celle da mezzo litro funzionerà con una ricarica di vetriolo (4 cucchiai) per circa un mese, a patto che venga utilizzata tutti i giorni per circa 6 ore. .Quando la potenza diminuisce, è necessario rimescolare periodicamente il solfato di rame con un agitatore. zinco.
Nota. Se sostituisci lo zinco con l'alluminio, non hai bisogno di 4 o 5 elementi, ma di 6 o 7 collegati in serie, poiché la fem. l'alluminio è inferiore a quello dello zinco ed è 0,4-0,6 V.
