Химические источники тока. Виды и особенности. Устройство и работа

Химические источники тока. Виды и особенности. Устройство и работа

Электродинамика — раздел физики, изучающий свойства и взаимодействие частиц, обладающих зарядом. Движущиеся носители создают электрический ток. Таблица источников такой силы поможет лучше разобраться в явлении, научит отличать их от похожих генераторов напряжения. Кроме этого, позволит понимать принципиальное отличие друг от друга химических источников, физических и механических. Комментарии в ней помогут узнать процесс превращения энергии.

Химические источники тока

Химические источники тока

К химическим источникам тока причисляют гальванические элементы и аккумуляторы. Есть и другие химические источники тока, но они менее распространены. В обиходе гальванический элемент получил название батарейка. Это не совсем верное определение, так как батарейкой можно назвать несколько отдельных гальванических элементов соединённых вместе – это и есть батарея питания или батарейка.

На принципиальных схемах гальванический элемент обозначается так.

Так обозначают один гальванический элемент или один элемент аккумулятора.

Но поскольку номинальное напряжение на одном гальваническом элементе обычно не более 1,5 вольта, их соединяют в батареи питания. Батарея питания на принципиальной схеме обозначается вот так.

Здесь показано, что батарея питания состоит из двух отдельных гальванических элементов. Общее напряжение на полюсах этой составной батареи — 3 вольта из расчёта, что каждый из элементов имеет на полюсах напряжение 1,5 вольта. Также на схемах можно встретить и такое обозначение.

Это тоже условное изображение батареи питания или батарейки на принципиальной схеме, только здесь не уточняется, сколько именно гальванических элементов используется в батарее, а указано лишь общее напряжение на полюсах батареи.

Одиночный аккумуляторный элемент обозначается на схемах так же, как и отдельный гальванический элемент. Номинальное напряжение одного аккумуляторного элемента обычно составляет около 1,25 вольт. Чтобы получить аккумулятор с большим напряжением аккумуляторные элементы соединяют вместе – получается аккумуляторная батарея или просто аккумулятор. Обозначение аккумуляторной батареи на схемах такое же, как и батареи, составленной из гальванических элементов.

Чем гальванический элемент отличается от аккумулятора?

Дело в том, что гальванический элемент сам является источником постоянного тока, который образуется за счёт необратимой химической реакции. Гальванический элемент причисляют к первичным источникам тока.

Аккумулятор является так называемым вторичным источником тока. Почему? Потому, что перед тем, как использовать аккумулятор, его нужно предварительно зарядить от источника постоянного тока — зарядника. Только после полной зарядки аккумулятор сможет питать электронное устройство. Отличительным качеством аккумуляторов является то, что их можно заряжать и разряжать много раз. В отличие от аккумулятора, гальваническая батарея питания после своего полного разряда не может быть использована повторно.

Какие существуют батарейки?

Наибольшее распространение в настоящее время получили щелочные батареи питания. Их ещё называют алкалиновыми – производное от английского слова alkaline – «щелочь».

Работа щелочной батарейки основана на окислительно-восстановительной химической реакции между цинком и диоксидом марганца. Результатом, а точнее полезным продуктом этой реакции является электрический постоянный ток и тепло, которое не используется. Электрическая ёмкость щелочной батарейки составлет около 1700 — 3000 мАч. По величине своей ёмкости, щелочные батарейки лидируют по сравнению с солевыми батарейками, электроёмкость которых меньше и составляет 550 — 1100 мАч.

Щелочная батарейка устроена следующим образом. Взглянем на рисунок.

Корпусом элемента является никелированный стальной стакан. Он же является плюсовым контактом батарейки «+». Активная масса представляет собой смесь диоксида марганца (MnO₂) и графита. Анодная паста – это смесь порошка цинка (Zn) и густого щелочного электролита. Электролитом обычно служит раствор гидроксида калия (KOH). Анодная паста отделена от активной массы сепаратором. Сепаратор разделяет реагенты, исключая их перемешивание и нейтрализацию заряда. Также сепаратор пропитан электролитом.

Отрицательный потенциал снимается с латунного стержня, который окружён анодной пастой. Стальная тарелка контактирует с латунным стержнем – токосъёмником и является отрицательным контактом элемента «—».

Прокладка изолирует никелированный стальной стакан от стальной тарелки, препятствуя тем самым короткому замыканию. Кроме этого прокладка сдерживает давление газа, который в незначительном количестве образуется при химической реакции. В толще прокладки имеется защитный клапан или по-другому предохранительная мембрана. Защитный клапан служат для того, чтобы при чрезмерном давлении газа сработать и выпустить его наружу. Это предотвращает взрыв щелочного элемента, но и приводит к его разгерметизации. Как правило, разгерметизация приводит к течи электролита.

Иногда, забыв вынуть уже подсевшие батарейки, через некоторое время можно обнаружить, что в батарейном отсеке появилась какая-то жидкость. Это и есть потёкший электролит. Он может вызвать коррозию контактов. Поэтому на упаковке с батарейками можно найти предупреждение о том, что севшие элементы нужно вынимать из электроприборов. Теперь вы знаете, зачем это нужно делать.
Итак, с устройством разобрались, теперь поговорим о том, как работает щелочной элемент.

Как работает щелочной элемент.

Для начала, маленькое отступление…
Как вы заметили, почему то анодная паста соединяется с помощью токосъёмника с отрицательным контактом элемента – стальной тарелкой. А ведь анод – это «+». Получается нестыковочка…

В чём тут дело? А дело в том, что в электронике есть один каламбур. По умолчанию, за направление тока в электрической цепи считается направление от плюса (анода) к минусу (катоду) – так повелось ещё с тех времён, когда электроника ещё зарождалась.

Но ведь электрический ток, как известно, это упорядоченное движение электронов, которые имеют отрицательный заряд. И поэтому, ток течёт оттуда, где есть избыток электронов, в направлении, где есть нехватка отрицательных зарядов (это и есть плюс – недостаток электронов). При этом получается, что ток течёт в реальности от отрицательного контакта к положительному. Именно поэтому образуется эта нестыковка, которая порой вводит начинающих радиолюбителей в ступор.

В электрохимии анодом принято считать тот электрод, на котором происходит процесс окисления. Так вот в щелочной батарейке (и не только) на аноде в результате окисления образуется избыток электронов. То есть по сути – это катод, «минус». Но, как уже говорилось, в электрохимии всё наоборот. Итак, электроны вырабатываются анодной пастой – смесью цинкового порошка (Zn) и густого электролита (раствора KOH).

Катодом же считается электрод, где происходит реакция восстановления. Далее электроны, которые были получены в результате реакции окисления, проходят по электрической цепи электронного прибора, и возвращаются опять в батарейку, но уже на катод, где эти электроны используются для восстановительной химической реакции. Катод – это диоксид марганца. Токоприёмником катода служит никелированный стальной стакан, который контактирует с активной массой – диоксидом марганца (MnO₂).

Вот такая игра в наоборот. Напомню ещё раз, что в электронике за направление тока в цепи считается направление от плюса-«анода» к минусу-«катоду». В электрохимии всё наоборот. С этим и связаны особенности в названии реагентов химического источника тока.

Можно ли заряжать батарейки?

Также часто можно слышать вопрос: «Можно ли заряжать батарейки?» Ответим: «Лучше не стоит». Дело в том, что для вырабатывания электрической энергии в батарейках используется необратимая химическая реакция. Поэтому батарейка и является первичным источникам тока.

А вот в аккумуляторах используется обратимая химическая реакция, которая позволяет заряжать и разряжать их множество раз. Поэтому аккумуляторы и называют вторичными источниками тока.

Несмотря на это, известно, что щелочные элементы допускают перезарядку, т.е. их можно зарядить и использовать повторно. Но такие, перезаряжаемые щелочные элементы имеют свою особую конструкцию. Также стоит отметить, что даже такие элементы нельзя перезаряжать много раз, обычно не более 25. В широкой продаже такие щелочные элементы не встречаются. Их маркируют как Rechargeable Alkaline Manganese.

Из всего этого следует, что заряжать обычные щелочные батарейки категорически не стоит. Такие эксперименты могут завершиться взрывом батарейки и разбрызгиванием электролита. А это не есть гуд +опасно для здоровья .

Чтобы замедлить химическую реакцию в щелочном элементе и, тем самым, продлить срок её хранения и снизить саморазряд батареи, в них раньше добавляли кадмий и ртуть. Эти вещества замедляли химическую реакцию, и цинк окислялся медленнее. Но, из-за токсичности ртути и кадмия их сейчас не используют, а применяют другие, менее вредные ингибиторы.

На многих батарейках можно даже увидеть надпись – 0% кадмия и ртути или 0% Hg & Cd. Это своеобразный маркетинговый ход, как бы намекающий на то, что данные батарейки безопасны.

Если вы с успехом дошли до этих строк, то теперь вас можно поздравить, ведь теперь вы знаете, как устроена и работает щелочная батарейка. И поэтому её и не обязательно разбирать . Кроме щелочных элементов питания существуют и другие, но об их устройстве мы расскажем в другой раз.

Отличительные особенности

Из сказанного понимаем следующее:

1. Физика под источником тока понимает агрегат, формирующий на выходе постоянный параметр. Практика часто предъявляет иные требования. Хотя чаще ток требуется постоянный.
2. На схемах источник тока обозначают по-другому, нежели источник ЭДС. Круг с двумя галками. Иногда рядом стоит латинская литера I. Сие помогает решать согласно уравнениям Кирхгофа задачи нахождения условий элементов электрической цепи.
3. Форма закона генерируемого тока определяется нуждами потребителя. Большинство бытовых приборов питается напряжением. Постоянство тока, особая форма не нужны, даже приносят вред. Мясорубка при заклинивании вала костью требует больше энергии. На это настроена регулирующая и защитная электроника.
4. Мощность, отдаваемая идеальным источником, растет пропорционально активному сопротивлению нагрузки. В реальности видим некий лимит, выше которого параметры начнут отличаться от заданных.

Проще говоря, исторически с точки зрения практики удобнее постоянным поддерживать напряжение, не ток. Термин, рассматриваемый разделом, вызывает много затруднений у людей посторонних, далеких электронике, вполне сведущих в технике. Итак, источник тока – отвечает за поддержание нужной формы тока. Чаще требуется постоянный.

Величина тока послужит целям регулирования. Искрение коллекторного двигателя сопровождается возрастанием нагрузки. Растет потребляемый ток, цепи контроля повышают напряжение на обмотках с целью преодолеть возникший «кризис». Приводит к необходимости контроля величины тока. В мясорубках задачу решает цепь обратной связи, формирующая угол отсечки ключом входного напряжения.

Пытаясь сохранить постоянной разность потенциалов, приборы варьируют потребление тока. В результате запрашиваемая от подстанции мощность меняется, эффект приводит к проседанию вольтажа. Визуально наблюдаем медленным миганием лампочек накала (энергосберегающие несут в цоколе драйвер для поддержания постоянства напряжения). Аналогичным образом устройства показали бы проседание тока при неизменном напряжении.

• alt=»Как выбрать источник бесперебойного питания» width=»120″ height=»120″ />Как выбрать источник бесперебойного питания
• alt=»Импульсный источник питания» width=»120″ height=»120″ />Импульсный источник питания
• alt=»Мощность электрического тока» width=»120″ height=»120″ />Мощность электрического тока
• alt=»Трансформатор тока» width=»120″ height=»120″ />Трансформатор тока

Химические источники

Пожалуй, наиболее интересными для потребителя являются химические источники тока. Они характеризуются портативными размерами и работают на принципе прохождения окислительно-восстановительных реакций. Один из выводов принято называть анодом (плюс), а другой катодом (минус). На первом происходит окисление вещества, а на втором восстановлении. Пространство между электродами заполнено электролитом — диссоциатором раствора.

Сегодня производство может предложить несколько видов химических генераторов постоянного тока. Основные из них можно перечислить в таблице:

Анод таких источников изготавливают из лития, обладающего высоким отрицательным потенциалом по сравнению с другими проводниками. Такие источники обеспечивают питание нагрузки довольно продолжительное время. Самые лучший из них литий-тионилхлоридный элемент (Li/SOCl2).

Химические источники имеют ряд характеристик:

1. Напряжение без подключения нагрузки.
2. Ёмкость — величина, зависящая от выработки тока относящейся к единице объёма.
3. Мощность.
4. Ток саморазряда.

Потери ёмкости бывают вызваны не только подключением нагрузки, но и химическими реакциями, происходящим в спокойном состоянии элемента. Из-за небольшой мощности такие источники не используют в качестве тяговых. Для этой цели применяют никель-кадмиевые и никель-железные элементы. В них катод изготавливают из NiOOH, а анод из смеси кадмия с железом. В процессе заряда-разряда электролит в аккумуляторе не испаряется. Протекающую реакцию можно описать так: 2 Ni (OOH) + Cd + 2 Н2О = 2 Ni (OH)2 + Cd (OH)2.

Щелочными аккумуляторами называется устройство работающее на никель-кадмиевых и никель-металгидридных соединениях. В нём используется гидроксид калия. Но самыми популярными остаются свинцовые, в которых серная кислота является электролитом.

В сообщениях на тему об источниках электрического тока часто упоминают так называемую сахарную батарею. Работает она на сахарозе, и при разложении образует одну только воду. Какова её ёмкость неизвестно, так как прототип ещё находится на стадии разработки.

Регулирование источника

Для обеспечения постоянного значения уровня выходного напряжения, не зависящего от потребляемого нагрузкой тока и колебаний входного переменного напряжения, все современные источники питания постоянного тока имеют ступень стабилизации и регулирования.

В ней выходное напряжение сравнивается с эталонным (опорным) значением.

При появлении различия между ними вырабатывается управляющий сигнал, который по цепи управления изменяет величину выходного напряжения. Величину значения опорного напряжения можно изменять в широких пределах, имея на выходе регулированного источника питания постоянного тока необходимое для работы напряжение.

Регулирование источника

Для обеспечения постоянного значения уровня выходного напряжения, не зависящего от потребляемого нагрузкой тока и колебаний входного переменного напряжения, все современные источники питания постоянного тока имеют ступень стабилизации и регулирования.

В ней выходное напряжение сравнивается с эталонным (опорным) значением.

При появлении различия между ними вырабатывается управляющий сигнал, который по цепи управления изменяет величину выходного напряжения. Величину значения опорного напряжения можно изменять в широких пределах, имея на выходе регулированного источника питания постоянного тока необходимое для работы напряжение.

Энергопечь

На сегодняшний день энергопечь — апофеоз применения ТЭМ в быту. Это заводское изделие, по сути дела топка-«буржуйка», для любого вида твёрдого топлива с интегрированным теплоэлектрическим модулем. Идеальный вариант для охотничьих домиков, дач, отдалённых зимовок и вообще любого вида жизни вдали от цивилизации. Рассчитана на автономное использование (без периферических теплоотводов), имеет только очаг и дымоход. Предусматривает приготовление пищи. На эту печь устанавливают самые мощные элементы Пельтье-Зеебека.

Хотя печь и переносная, безусловно, это «супертяжёлая весовая категория» среди бытовых приборов. Однако и спектр задач у энергопечи довольно широк — она может заряжать даже автомобильные аккумуляторы, освещать LED лампами целые комнаты. Ей найдётся место в экспедиционном обозе и в охотничьем вездеходе, в техническом помещении и на даче. Иными словами, в этом случае источник тепла у нас всегда с собой, осталось найти топливо.

В своей нише энергопечь незаменима, хотя и немного настораживает заявленный производителем срок службы — 10 лет. Следует отметить, что, как и в термогенераторе, есть возможность профилактической (или аварийной) замены всех деталей вплоть до корпуса.

Термоэлектрические модули — крайне занятные объекты. Помимо описанных методов применения их также используют для кондиционирования воды и воздуха. При этом на такой же элемент подаётся постоянный ток и он работает «в обратную сторону» — охлаждает воздух. Эта технология с успехом применяется в автомобильных кондиционерах и кулерах для воды, в автомобилестроении и при производстве микропроцессоров. Мы опишем эти устройства в следующей статье.