Ihads.ru

Все про недвижимость
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

2. Химические источники тока

2. Химические источники тока

ХИТы – устройства, которые применяют для непосредственного преобразования энергии химической реакции в электрическую. ХИТы применяются в различных областях техники. В средствах связи: радио, телефон, телеграф; в электроизмерительной аппаратуре; они служат источниками электропитания для автомобилей, самолетов, тракторов; применяются для приведения в действие стартеров и др.

Недостатки ХИТ:

1) стоимость веществ, необходимых для работы: Pb, Cd, – высока;

2) отношение количества энергии, которую может отдать элемент, к его массе, мало.

Преимущества ХИТ:

1) ХИТы делятся на две основные группы: обратимые (аккумуляторы), необратимые (гальванические элементы). Аккумуляторы можно использовать многократно, так как их работоспособность может быть восстановлена при пропускании тока в обратном направлении от внешнего источника, а в гальванических элементах допускают лишь однократное использование, поскольку один из электродов (Zn в элементе Даниэля – Якоби) необратимо расходуется;

2) применяются электролиты, поглощенные пористыми материалами, они имеют большее внутреннее сопротивление;

3) создание топливных элементов, при работе которых расходовались бы дешевые вещества с малой плотностью (природный газ, водород);

4) удобство в работе, надежность, высокие и стабильные напряжения.

Рассмотрим процесс технологии на основе свинцово-кислотного аккумулятора с намазными электродами.

Общая схема: (–) активное вещество | электролит | активное вещество (+).

Активным веществом отрицательного электрода служит восстановитель, отдающий электроны. При разряде отрицательный электрод является анодом, т. е. электродом, на котором протекают окислительные процессы. Активное вещество положительного электрода – окислитель. Активные вещества – окислитель и восстановитель – участвуют в электрохимической реакции.

Электрохимическая схема свинцово-кислотного аккумулятора

Активными веществами свинцового аккумулятора являются: губчатый свинец и PbO2. Создание активных масс в электродах заключается в следующем: на электропроводящий каркас конструкции наносят пасту или смесь оксидов Pb; при последующем формировании пластин оксиды Pb превращаются в активные вещества. Формирование – перевод незаряженной массы в заряженную. Такого рода пластины подразделяются в зависимости от типа каркаса на намазные и решетчатые. Большинство аккумуляторов собирают из намазных пластин. При их изготовлении пасту из оксидов свинца вмазывают в ячейки профилированных решеток толщиной 1 – 7 мм, отлитых из Pb – Sb сплава. После затвердевания паста удерживается на решетке, гарантия такого аккумулятора – 2 – 3 года. При выборе материалов токоотводов положительных электродов аккумуляторов важно обеспечить их практическую пассивность (при сохранении электрической проводимости) в условиях заряда (до весьма высоких потенциалов при анодной поляризации). Для этой цели в растворах H2SO4 применяют Pb или его сплавы. Корпус и крышка ХИТ могут быть изготовлены из стали, либо из различных диэлектриков, но в свинцово-кислотных аккумуляторах корпус выполняют из эбонита, полипропилена, стекла. Электролит в свинцово-кислотном аккумуляторе может участвовать в суммарной токообразующей реакции. Для токоведущих отводов отрицательного электрода применяют Cu, Ti, Al.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Источники электрического тока Выполнил: Рубцов Антон ученик 8 Б класса МОУ СОШ № 105 Научный руководитель: Маслова Е. А. учитель физики

Выбор темы Я захотел изучить историю создания источников электрического тока, а также сделать некоторые источники своими руками, повторив опыты известных ученых. Актуальность Человечество не может существовать без электрической энергии и возможно кому то удастся открыть новые источники электрического тока более экономичные и менее затратные. Цель работы – изучение основных видов источников электрического тока, принципа их действия и изготовление источников своими руками. Задачи: 1. Рассмотреть основные виды источников электрического тока. 2. Изучить принцип действия источников тока. 3. Изготовить некоторые источники своими руками.

Читайте так же:
Что такое номинальный ток несрабатывания теплового реле

Основная часть Источник тока — это устройство, в котором происходит преобразование какого-либо вида энергии в электрическую энергию. В любом источнике тока совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц, которые накапливаются на полюсах источника. Электрический ток — направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц (электронов, ионов и др.) За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. Если ток создается отрицательно заряженными частицами (например, электронами), то направление тока считают противоположным направлению движения частиц.

История создания первых источников тока

Свойства янтаря Впервые на электрический заряд обратил внимание Фалес Милетский. Он обнаружил, что янтарь, потёртый о шерсть, приобретает свойства притягивать мелкие предметы. Окаменелая смола древних деревьев которые росли на нашей планете 38-120 млн лет назад.

Электрическая машина Отто фон Герике Отто фон Герике придумал первую электрическую машину. Он налил расплавленную серу внутрь полого стеклянного шара, а затем, когда сера затвердела, разбил стекло. Затем Герике укрепил серный шар так, чтобы его можно было вращать рукояткой. Для получения заряда надо было одной рукой вращать шар, а другой — прижимать к нему кусок кожи. Трение поднимало напряжение шара до величины, достаточной, чтобы получать искры длиной в несколько сантиметров.

Лейденская банка Лейденская банка представляет собой стеклянную бутылку, с обеих сторон обвернутую фольгой. Внутри банки имеется металлический стержень. Подключенная обкладками к электрической машине банка могла накапливать значительное количество электричества. Если ее обкладки соединяли отрезком толстой проволоки, то в месте замыкания проскакивала сильная искра, и накопленный электрический заряд мгновенно исчезал. Так стало возможным получить кратковременный электрический ток. Затем банку надо было снова заряжать. Сейчас подобные приборы мы называем электрическими конденсаторами.

Элемент Гальвани Луиджи Гальвани (1737-1798) — один из основоположников учения об электричестве, его опыты с «животным» электричеством положили начало новому научному направлению — электрофизиологии. В результате опытов с лягушками Гальвани предположил существование электричества внутри живых организмов. В честь него был назван гальванический элемент – батарейка.

Вольтов столб Алесандро Вольта (1745 — 1827) — итальянский физик, химик и физиолог, изобретатель источника постоянного электрического тока. Его первый источник тока – «вольтов столб». Вольта положил друг на друга попеременно несколько десятков небольших цинковых и серебряных кружочков, проложив меж ними бумагу, смоченную подсоленной водой.

Основные виды источников электрического тока Механические Тепловые Световые Химические Термоэлемент Фотоэлемент Электрофорная машина Гальванический элемент

Источники тока животного происхождения

Электричество внутри живых организмов У многих растений возникают токи повреждений. Срезы листьев, стебля всегда заряжены отрицательно по отношению к нормальной ткани.

Животные, вырабатывающие электрический ток Электрический скат (до 220 В) Американский сомик (до 360 В) Угорь (до 1200 В)

Фрукты и овощи, вырабатывающие электрический ток. Фрукты и овощи можно разделить на изначально содержащие и приобретшие внутрищелочной или кислотный баланс в процессе окисления. К первым относятся цитрусовые (лимон) и картошка. А ко вторым, например соленый огурец и маринованный помидор.

Атмосферное электричество При движении воздуха воздушные различные потоки в результате соприкосновения электризуются. Одна часть облака (верхняя) электризуется положительно, а другая (нижняя) — отрицательно. В момент, когда заряд облака станет большим, между двумя его наэлектризованными частями проскакивает мощная электрическая искра – молния.

Самодельные батарейки Для изготовления самодельных батареек нам потребуются приборы и материалы: Медная пластинка Цинковая пластинка Лимон, огурец, сода, вода, монетки Вольтметр Соединительные провода

Читайте так же:
Расчет тепловыделения автоматических выключателей

Гальванический элемент из лимона Вырабатывает электрический ток напряжением

Гальванический элемент из первого соленого огурца Вырабатывает электрический ток напряжением

Гальванический элемент из второго и третьего огурцов

Батарея из двух соленых огурцов Вырабатывает электрический ток напряжением

Батарея из трех соленых огурцов Вырабатывает электрический ток напряжением

Лампочка, включенная в цепь из трех соленых огурцов Собрали цепь Лампочка загорелась

Содовая батарейка Вырабатывает электрический ток напряжением

Содовая батарея из двух и трех элементов

Лампочка, включенная в цепь трех содовых элементов Собрали цепь Лампочка загорелась

Соленая батарейка Вырабатывает электрический ток напряжением

Заключение Для достижения цели данной работы я решил следующие задачи: Рассмотрел основные виды источников электрического тока. 1. Механические источники тока 2. Тепловые источники тока 3. Световые источники тока 4. Химические источники тока Изучил принцип работы источников тока. Изготовил некоторые источники своими руками. 1. Гальванический элемент из лимона. 2. Гальванический элемент из соленого огурца. 3. Содовую батарейку. 4. Соленую батарейку.

Библиография Абрамов С.С.. Большая энциклопедия Кирилла и Мифодия . 2009 Википедия – свободная энциклопедия. www . ru . wikipedia . org . Джулиан Холанд . Большая иллюстрированная энциклопедия эрудита. «Махаон» 2001г; Карцев В.П. Приключения великих уравнений. М.: Просвещение, 2007

Химические источники электрической энергии

Химические источники электрической энергииХимическими источниками электрической энергии это устройства, превращающие химическую энергию какой-либо реакции в электрическую. Для такого превращения необходимо, чтобы процессы, связанные с изменением зарядов у электродов (т. е. окислительный и восстановительный процессы), были разделены пространственно, и электроны проходили через внешнюю цепь.

Примером подобного устройства может служить медно-цинко вый источник электрической энергии, предложенный Даниелем и Якоби в 1836 г. Медь, погруженная в раствор медного купороса, отделена диафрагмой от цинка, погруженного в раствор цинкового купороса:

При работе элемента цинк переходит в раствор, отдавая электроны: Zn → Zn 2+ + 2e. Электроны по внешней цепи проходят к меди, на медном электроде из раствора выделяется медь: Cu 2+ + 2e → Сu. Поток электронов, т. е. электрический ток во внешней цепи, может быть использован для работы, что и является целью применения ХИЭЭ. На цинковом электроде происходит реакция окисления, а на медном — реакция восстановления. Цинковый электрод несет отрицательный заряд, а медь — положительный. Химическая реакция, протекающая в медно-цинковом элементе, может быть записана следующим образом:

В электротехнике условно принято считать направление электрического тока обратным направлению движения электронов во внешней цепи (рис 2, а). Анодом служит электрод, на котором идет окислительный процесс, катодом — электрод, на котором идет восстановление.

Для регенерации активных веществ можно после работы медно-цинкового элемента подвести к нему ток от внешнего источника электрической энергии. Направления движения ионов и электронов станут обратными (рис. 2,6). Следует отметить, что хотя окислительный и восстановительный процессы поменяются местами, знак заряда электродов сохранится (медь — плюс; цинк — минус).

Движения ионов и электронов при работе медно цинкового элементаЕсли бы мы не разделяли процессы на электродах пространственно, а, например, опустили палочку цинка в раствор медного купороса, то реакция все равно бы прошла, но химическая энергия процесса превратилась бы не в электрическую, а в тепловую и была бы истрачена на нагрев раствора. Количество тепла, которое выделяется при реакции, и количество электрической энергии, которое может быть от нее получено при пространственном разделении окислительного и восстановительного процессов, связаны между собой уравнением Гиббса —Гельмгольца.

Читайте так же:
Зажимы проводов для теплого пола

Рис. 2. Схема движения ионов и электронов при работе медно цинкового элемента.

При работе элемента Даниеля — Якоби количество энергии, переходящей в электрическую, меньше величины теплового эффекта реакции. Элемент разогревается, и часть энергии теряется. Температурный коэффициент элемента Даниеля — Якоби равен —3,59 • 10 -4 в /град. Тепловой эффект реакции

равен ∆Н = —55 189 кал.

Известны элементы, у которых температурный коэффициент положителен, при работе они охлаждаются и поглощают тепло из внешней среды. Получаемое в них количество электрической энергии больше, чем соответствует расчету по формуле Томсона.

Химические источники электрической энергии бывают одноразового и многократного действия. ХИЭЭ одноразового использования называются первичными элементами, а многократного действия вторичными элементами или аккумуляторами. Иногда первичные элементы называют просто «элементами» или «гальваническими элементами». Аккумуляторами могут служить только такие химические источники электрической энергии, основные процессы в которых протекают обратимо.

Вещества, израсходованные в процессе протекания реакции, дающей электрическую энергию, должны регенерироваться при пропускании через разряженный аккумулятор электрического тока от постороннего источника электрической энергии. Направление тока внутри аккумулятора при заряде будет обратным имевшемуся при разряде, на отрицательном электроде реакция окисления заменяется реакцией восстановления, а на положительном электроде реакция восстановления заменяется реакцией окисления. Таким образом, в аккумуляторах запас химической энергии, истраченной на получение электрической энергии при разряде, возобновляется при заряде.

Так как напряжение одного отдельного первичного элемента или аккумулятора очень невелико— они в большинстве случаев применяются последовательно соединенными по несколько штук. В таком виде ХИЭЭ называют «батареей».

Электродвижущая сила и напряжение при разряде

Основной характеристикой химических источников электроэнергии является их электродвижущая сила, т. е. разность потенциалов электродов, измеренная при отсутствии тока во внешней цепи.

Для практики более важной величиной, чем э. д. с, является напряжение химического источника электрической энергии при замкнутой внешней цепи.

Напряжение при разряде меньше э. д. с. по двум причинам: во первых, потенциалы электродов при отборе тока .от ХИЭЭ заметно отличаются от тех, которые имеют место при разомкнутой внешней цепи и во-вторых, часть э. д. с. теряется на преодоление внутреннего сопротивления элемента. Это можно выразить формулой:

где φ a , φ к— потенциалы электродов при отборе тока; I — ток разряда; r — внутреннее омическое сопротивление ХИЭЭ; R — внешнее сопротивление (нагрузка) при разряде.

Потенциалы электродов при работе химического источника электрической энергии (разряде или заряде) отличаются от потенциалов, измеренных при разомкнутой внешней цепи, на величину, называемую э. д. с. поляризации:

где Епол — э. д. с. поляризации.

Внутреннее сопротивление ХИЭЭ

Напряжение при разряде (заряде), кроме поляризации электродов, зависит также от падения напряжения на преодоление внутреннего омического сопротивления ХИЭЭ. Последняя величина слагается из омического сопротивления проводников первого рода (электродов), электросопротивления электролита и сепараторов. При разряде малыми плотностями тока падение напряжения внутри ХИЭЭ не имеет значения, но при больших плотностях тока оно может оказаться заметным. Например, в свинцовом автомобильном аккумуляторе омическое сопротивление электролита и сепараторов при комнатной температуре приблизительно равно 0,006 ом на 1 дм 2 площади электродов. При плотности тока разряда 12 а/дм 2 падение напряжения составит около 70 мв, т. е. около 3,5% от э. д. с. аккумулятора.

На практике часто представляет интерес произвести приближенные расчеты напряжения при разряде в зависимости от нагрузки ХИЭЭ. Пользуются иногда условной величиной внутреннего сопротивления ХИЭЭ, характеризующей разницу между э. д. с. и напряжением при разряде, происходящую как от поляризации, так и от падения напряжения на преодоление внутреннего омического сопротивления. Тогда:

Читайте так же:
Модульный автоматический выключатель с тепловым расцепителем

где V — напряжение, в; Е — электродвижущая сила, в; I— ток разряда, a; R — условное внутреннее сопротивление ХИЭЭ.

Величина К является грубо приближенной, так как омическая составляющая условного внутреннего сопротивления не зависит от нагрузки, а поляризация резко меняется при изменении плотности тока разряда. Величину К находят, производя несколько кратковременных разрядов ХИЭЭ различными токами и принимая среднюю величину. Внутреннее омическое сопротивление ХИЭЭ в принципе можно определить путем замеров переменным током, но, так как эта величина очень мала, результаты получаются ненадежными.

Для вычисления К существуют эмпирические формулы, однако они дают удовлетворительные результаты только в частных случаях. При точных расчетах пользоваться величиной К не рекомендуется, а необходимо произвести экспериментальное определение величины напряжения в зависимости от нагрузки ХИЭЭ.

Емкость и энергия ХИЭЭ

Емкостью ХИЭЭ называют количество электричества, которое можно от него отобрать при разряде в определенных условиях. Для аккумуляторов различают емкость при разряде и при заряде. Емкостью при заряде называют количество электричества, которое требуется израсходовать при заряде аккумулятора в данных условиях.

Емкость при заряде, как правило, больше емкости при разряде, так как часть тока заряда теряется на побочные процессы. Емкость ХИЭЭ зависит от количества заложенных в них активных веществ и степени их использования. Использование активных материалов обычно тем лучше, чем ниже плотность тока разряда и чем выше температура. Повышение температуры имеет некоторый предел, выше которого нормальному использованию ХИЭЭ препятствуют усиливающиеся побочные процессы.

Энергия ХИЭЭ выражается произведением его емкости на среднее напряжение.

Для аккумуляторов отдачей по энергии η называют отношение энергии, отданной при разряде, к энергии, полученной при заряде.

Для сравнения различных типов ХИЭЭ пользуются удельными величинами: емкостью, энергией или мощностью, отнесенными к единице веса или объема ХИЭЭ.

Саморазряд и сохранность ХИЭЭ

Активные материалы ХИЭЭ частично расходуются и на бесполезные побочные процессы. К таким процессам относятся, например, утечки тока через случайные замыкания в ХИЭЭ, растворение электродов в элекролите и др.

Потери емкости, происходящие из-за вредных побочных процесс сов, называются саморазрядом, имеются некоторые специальные конструкции элементов, у которых саморазряд настолько велик, что электролит в них приходится заливать только перед самым на чалом работы. Например, в свинцово-цинковом элементе, приводи мом в действие путем заполнения раствором серной кислоты, бесполезно теряется при разряде 10—30% цинка, растворяющегося в серной кислоте с выделением водорода. Сохранность ХИЭЭ тесно связана с их саморазрядом. Сохранностью называют время, в течение которого ХИЭЭ годен к употреблению, т. е. сохраняет определенный запас электрической энергии.

Для аккумуляторов, кроме сохранности, важной характеристикой является также срок службы. Срок службы выражают либо во времени, в течение которого аккумулятор пригоден для разрядов и зарядов, либо в числе циклов заряда и разряда, в течение которых аккумулятор способен отдавать емкость не ниже предусмотренной для данного типа.

Применение химических источников электрической энергии и требования, предъявляемые к ним

Химические источники электрической энергии в настоящее время широко применяют в промышленности и быту. Это вызвано тем, что большое количество современных машин и аппаратов нуждается в автономных источниках электрической энергии, не связанных с неподвижными электрическими станциями.

Для промышленного применения ХИЭЭ должны обладать рядом свойств, редко встречающихся одновременно в одной системе. ХИЭЭ должны отвечать следующим требованиям:

Читайте так же:
Автоматические выключатели авв без теплового расцепителя

1 ) иметь возможно большую э. д. с;

2) отдавать большие токи без резкого падения э. д. с, т. е. не сильно поляризоваться в процессе работы;

3) активные вещества должны иметь возможно малый эквивалентный вес и высокую степень использования;

4) обладать малым саморазрядом, хорошей сохранностью;

5) производство ХИЭЭ должно быть технологичным и доступным по цене.

Аккумуляторы, кроме того, должны иметь высокую отдачу по энергии и большой срок службы.

Выбор электрохимических систем для ХИЭЭ

Для получения ХИЭЭ с наибольшей э. д. с. следовало бы взять электроды, наиболее далеко отстоящие друг от друга в таблице стандартных потенциалов.

Очень высокой э. д. с. обладал бы элемент с электродами, изготовленными из лития и фтора, но осуществить его невозможно, так как эти вещества мгновенно вступают в реакции с водными растворами и водой.

В качестве материала для отрицательного электрода все щелочные металлы в чистом виде применить крайне трудно, так как они слишком энергично реагируют с водными растворами. При приведении в соприкосновение электродов из щелочных металлов с электролитом весь материал расходуется на химическую реакцию настолько быстро (со взрывом), что не удается отобрать во внешнюю цепь существенное количество электричества.

При замене водных растворов электролитов на неводные реакции щелочных металлов с электролитом замедляется, но соответственно снижается и электродный потенциал. Попытки использовать для отрицательного электрода магний или алюминий затруднены тем, что эти металлы находятся либо в пассивном состоянии и имеют потенциал значительно более положительный, чем соответствует стандартных потенциалов, либо при активации начинают слишком бурно реагировать с электролитом. Первичные элементы с электродами из магния все же удалось осуществить.

Наиболее распространены первичные элементы с отрицательным электродом из цинка. Применение цинка объясняется тем, что он не сильно поляризуется, дает хороший коэффициент использования металла и хорошо сохраняется.

Статья на тему Химические источники электрической энергии

Некоторые виды химических источников тока [ править | править код ]

Гальванические элементы [ править | править код ]

Гальванический элемент — химический источник электрического тока, названный в честь Луиджи Гальвани. Принцип действия гальванического элемента основан на взаимодействии двух металлов через электролит, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока.

См. также Категория: Гальванические элементы.

ТипКатодЭлектролитАнодНапряжение,
В
Литий-железо-дисульфидный элементFeS2Li1,50 — 3,50
Марганцево-цинковый элементMnO2KOHZn1,56
Марганцево-оловянный элементMnO2KOHSn1,65
Марганцево-магниевый элементMnO2MgBr2Mg2,00
Свинцово-цинковый элементPbO2H2SO4Zn2,55
Свинцово-кадмиевый элементPbO2H2SO4Cd2,42
Свинцово-хлорный элементPbO2HClO4Pb1,92
Ртутно-цинковый элементHgOKOHZn1,36
Ртутно-кадмиевый элементHgO2KOHCd1,92
Окисно-ртутно-оловянный элементHgO2KOHSn1,30
Хром-цинковый элементK2Cr2O7H2SO4Zn1,8 — 1,9

Электрические аккумуляторы [ править | править код ]

Электрический аккумулятор — химический источник тока многоразового действия (то есть в отличие от гальванического элемента химические реакции, непосредственно превращаемые в электрическую энергию, многократно обратимы). Электрические аккумуляторы используются для накопления энергии и автономного питания различных устройств.

Топливные элементы [ править | править код ]

Топливный элемент — электрохимическое устройство, подобное гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне — в отличие от ограниченного количества энергии, запасенного в гальваническом элементе или аккумуляторе.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector