Электротехнический интернет-журнал Electrik.info

"Электрик Инфо" - онлайн журнал про электричество. Теория и практика. Обучающие статьи, примеры, технические решения, схемы, обзоры интересных электротехнических новинок. Уроки, книги, видео. Профессиональное обучение и развитие. Сайт для электриков и домашних мастеров, а также для всех, кто интересуется электротехникой, электроникой и автоматикой.
 


Схемы подключения | Принципиальные схемы | Электроснабжение
Розетки и выключатели | Автоматы защиты | Кабель и провод | Монтаж электропроводки Ремонт электротехники | Молодому электрику

Электрик Инфо » Электрическая энергия в быту и на производстве » В помощь начинающим электрикам » Гальванические элементы - устройство, принцип работы, виды и основные характеристики
Количество просмотров: 133649
Комментарии к статье: 4


Гальванические элементы - устройство, принцип работы, виды и основные характеристики


Предпосылки к появлению гальванических элементов. Немного истории. В 1786 году итальянский профессор медицины, физиолог Луиджи Алоизио Гальвани обнаружил интересное явление: мышцы задних лапок свежевскрытого трупика лягушки, подвешенного на медных крючках, сокращались, когда ученый прикасался к ним стальным скальпелем. Гальвани тут же сделал вывод, что это — проявление «животного электричества».

Опыт Луиджи Алоизио Гальвани

После смерти Гальвани, его современник Алессандро Вольта, будучи химиком и физиком, опишет и публично продемонстрирует более реальный механизм возникновения электрического тока при контакте разных металлов.

Вольта, после серии экспериментов, придет к однозначному выводу о том, что ток появляется в цепи из-за наличия в ней двух проводников из разных металлов, помещенных в жидкость, и это вовсе не «животное электричество», как думал Гальвани. Подергивание лапок лягушки было следствием действия тока, возникающего при контакте разных металлов (медные крючки и стальной скальпель).

Вольта покажет те же явления, которые демонстрировал Гальвани на мертвой лягушке, но на совершенно неживом самодельном электрометре, и даст в 1800 году точное объяснение возникновению тока: «проводник второго класса (жидкий) находится в середине и соприкасается с двумя проводниками первого класса из двух различных металлов… Вследствие этого возникает электрический ток того или иного направления».

Алессандро Вольта

В одном из первых экспериментов Вольта опустил в банку с кислотой две пластинки — цинковую и медную — и соединил их проволокой. После этого цинковая пластина начала растворяться, а на медной стали выделяться пузырьки газа. Вольта предположил и доказал, что по проволоке протекает электрический ток.

Так был изобретён «элемент Вольта» — первый гальванический элемент. Для удобства Вольта придал ему форму вертикального цилиндра (столба), состоящего из соединённых между собой колец цинка, меди и сукна, пропитанных кислотой. Вольтов столб высотою в полметра создавал напряжение, чувствительное для человека.

Поскольку начало исследованиям положил Луиджи Гальвани, то и название химического источника тока сохранило память о нем в своем названии.

Гальванический элемент — это химический источник электрического тока, основанный на взаимодействии двух металлов и/или их оксидов в электролите, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока. Таким образом, в гальванических элементах химическая энергия переходит в электрическую.

Гальванические элементы сегодня

Гальванические элементы

Гальванические элементы сегодня называют батарейками. Широко распространены три типа батареек: солевые (сухие), щелочные (их называют еще алкалиновыми, «alkaline» в переводе с английского - «щелочной») и литиевые. Принцип их работы — все тот же, описанный Вольта в 1800 году: два металла взаимодействуют через электролит, и во внешней замкнутой цепи возникает электрический ток.

Как работает батарейка

Напряжение батарейки зависит как от используемых металлов, так и от количества элементов в «батарейке». Батарейки, в отличие от аккумуляторов, не способны к восстановлению своих свойств, поскольку в них происходит прямое преобразование энергии химической, то есть энергии составляющих батарейку реагентов (восстановителя и окислителя), в энергию электрическую.

Входящие в батарейку реагенты, в процессе ее работы расходуются, ток при этом постепенно уменьшается, поэтому действие источника заканчивается после того как реагенты прореагируют полностью.

Щелочные и солевые элементы (батарейки) широко применяются для питания разнообразных электронных устройств, радиоаппаратуры, игрушек, а литиевые чаще всего можно встретить в портативных медицинских приборах типа глюкометров или в цифровой технике вроде фотоаппаратов.

Батарейки

Солевые батарейки

Марганцево-цинковые элементы, которые называют солевыми батарейками — это «сухие» гальванические элементы, внутри которых нет жидкого раствора электролита.

Цинковый электрод (+) — это катод в форме стакана, а анодом служит порошкообразная смесь из диоксида марганца с графитом. Ток течет через графитовый стержень. В качестве электролита используется паста из раствора хлорида аммония с добавлением крахмала или муки для загущения, чтобы ничего не текло.

Обычно производители батареек не указывают точный состав солевых элементов, тем не менее, солевые батарейки являются самыми дешевыми, их обычно используют в тех устройствах, где энергопотребление крайне низко: в часах, в пультах дистанционного управления, в электронных термометрах и т. п.

 

Солевые батарейки

Понятие "номинальная емкость" редко употребляется для характеристики марганцево-цинковых батареек, так как их емкость сильно зависит от режимов и условий эксплуатации. Основными недостатками этих элементов являются значительная скорость снижения напряжения на всем протяжении разряда и значительное уменьшение отдаваемой емкости при увеличении тока разряда. Конечное разрядное напряжение устанавливают в зависимости от нагрузки в интервале 0,7-1,0 В.

Разрядные кривые солевых батареек

Важна не только величина тока разряда, но и временной график нагрузки. При прерывистом разряде большими и средними токами работоспособность батареек заметно увеличивается по сравнению с непрерывным режимом работы. Однако при малых разрядных токах и многомесячных перерывах в работе емкость их может снижаться в следствии саморазряда.

Выше на графике изображены разрядные кривые для средней солевой батарейки за 4, 10, 20 и 40 часов для сравнения с щелочной, о которой речь пойдет далее.

Щелочные (алкалиновые) батарейки

Щелочной элемент питания — марганцево-цинковый гальванический элемент питания, в котором в качестве катода используется диоксид марганца, в качестве анода — порошкообразный цинк, а в качестве электролита — раствор щёлочи, обычно в виде пасты гидроксида калия.

Эти батарейки обладают целым рядом преимуществ (в частности, существенно большей ёмкостью, лучшей работой при низких температурах и при больших токах нагрузки).

Щелочные (алкалиновые) батарейки

Щелочные батарейки, в сравнении с солевыми, могут обеспечивать больший ток в течение длительного времени. Больший ток становится возможным, поскольку цинк здесь используется не в виде стакана, а в виде порошка, обладающего большей площадью соприкосновения с электролитом. В качестве электролита применяется гидрооксид калия в виде пасты.

Временной график нагрузки щелочных батареек

Именно благодаря способности данного вида гальванических элементов в течение длительного времени отдавать значительный ток (до 1 A), щелочные батарейки наиболее распространены в настоящее время.

В электрических игрушках, в портативной медицинской технике, в электронных приборах, в фотоаппаратах — всюду применяются щелочные батарейки. Они служат в 1,5 раза дольше солевых, если разряд идет малым током. На графике изображены разрядные кривые при различных токах для сравнения с солевой батарейкой (график был приведен выше) за 4, 10, 20 и 40 часов.

Литиевые батарейки

Еще одним достаточно распространенным видом гальванических элементов являются литиевые батарейки - одиночные неперезаряжаемые гальванические элементы, в которых в качестве анода используется литий или его соединения. Благодаря использованию щелочного металла они обладают высокой разностью потенциалов.

Литиевая батарейка

Катод и электролит литиевого элемента могут быть очень разными, поэтому термин «литиевый элемент» объединяет группу элементов с одинаковым материалом анода. В качестве катода могут использоваться например: диоксид марганца, монофторид углерода, пирит, тионилхлорид и др.

Работа литиевых батареек

Литиевые батарейки отличается от других элементов питания высокой продолжительностью работы и высокой стоимостью. В зависимости от выбранного типоразмера и используемых химических материалов, литиевый элемент питания может производить напряжение от 1,5 В (совместим с щелочными батареями) до 3,7 В.

Эти элементы питания обладают наивысшей емкостью на единицу массы и длительным временем хранения. Литиевые элементы широко применяются в современной портативной электронной технике: для питания часов на материнских платах компьютеров, для питания портативных медицинских приборов, наручных часов, калькуляторов, в фототехнике и т. д.

На графике выше приведены разрядные кривые для двух литиевых батареек от двух популярных производителей. Начальный ток составлял 120 мА (на резистор порядка 24 Ома).

Смотрите также: Современные аккумуляторные батарейки - достоинства и недостатки

Андрей Повный 

Популярные публикации:

Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » В помощь начинающим электрикам

Подписывайтесь на наш канал в Telegram: Домашняя электрика 



Поделитесь этой статьей с друзьями:


Другие статьи с сайта Электрик Инфо:

  • Как устроен и работает вольтов столб
  • Устройство и принцип работы аккумулятора
  • Источники постоянного тока
  • Химические источники тока: основные характеристики
  • Современные аккумуляторные батарейки - достоинства и недостатки
  • Электричество из лимона, апельсина, картофеля - как это возможно?
  • Практическое применение электролиза
  • Популярные типы аккумуляторных батарей
  • Литий-ионные батареи: устройство, принцип работы, виды и применение
  • Источники электропитания
  • Категория: Электрическая энергия в быту и на производстве » В помощь начинающим электрикам

    Аккумулирование энергии, Источники энергии, Андрей Повный – все статьи

      Комментарии:

    #1 написал: Фархат Ахмедзиянов |

    Электрохимический элемент (гальванический элемент (в более широком смысле) ) — это химический источник электрического напряжения, состоящий из двух материалов, соединенных электролитом. Гальванический элемент был назван в честь итальянского врача и естествоиспытателя Луиджи Гальвани, который в 1780 году при препарировании лягушачьих лапок заметил их подергивания после прикосновения к двум разным металлическим предметам на разных нервных окончаниях, похожие на подергивания, вызываемые электрическим зарядом. Это явление было правильно объяснено итальянским физиком Алессандро Вольта, а именно образованием электрического напряжения между двумя металлами (инструментом и металлической подложкой), проводяще связанными электролитом (содержащимся в ячейках). Исходя из этих соображений, он составил в 1800 году гальванический элемент, состоящий из меди и цинка, погруженных в раствор серной кислоты. Вольтовая ячейка давала напряжение около 1 В и стала первым источником постоянного электрического тока, до этого электричество вырабатывалось за счет трения или индукционного электричества. Открытие статьи Вольта открыло дорогу развитию изучения электрических явлений.

    Электрохимические элементы применяются в основном в портативных электроприборах — фонариках, часах, мобильных телефонах, ноутбуках, фотоаппаратах, везде, где прибор не может быть подключен к электросети или напрямую использовать механический источник генератора. Их недостатками могут быть низкое электродвижущее напряжение, малая мощность и короткий срок службы. Аккумуляторы можно использовать и для хранения электроэнергии, они нужны при перебоях в электроснабжении, например в резервных источниках или как источник электроэнергии в стоящем автомобиле. После включения элемента в электрическую цепь внутри элемента происходят реакции, которые постепенно снижают электрическую энергию, элемент разряжается. Эти реакции могут быть необратимыми — напряжение элемента не может быть восстановлено после разряда (первичный гальванический элемент) или обратимыми — элемент можно перезарядить (вторичный гальванический элемент = аккумуляторная батарея). Электрохимическая ячейка всегда является источником постоянного тока. В электрических цепях, где зависит направление тока, перед подключением необходимо проверить правильную полярность электродов.

    При сборке гальванического элемента используют комбинацию химикатов для электродов и электролитов, чтобы потенциал, возникающий на электроде, был как можно большим и в то же время элемент прослужил как можно дольше. Подходящими и наиболее распространенными веществами для отрицательного электрода являются цинк, кадмий, литий и гидриды различных металлов, для положительного электрода - углерод (графит), окруженный MnO2, никель и серебро. В качестве электролита в сухих элементах и свинцово-кислотных батареях используется раствор кислоты, а в щелочных элементах и батареях — раствор основных соединений щелочных металлов. Возможные другие вещества в гальванических элементах имеют задачу регулировать химические реакции, так что, например, они продлевают срок службы элемента, уменьшают возможность утечки опасных веществ и тому подобное.

      Комментарии:

    #2 написал: Даниил |

    Чем большая поверхность электродов соприкасается с электролитом, тем меньшим внутренним сопротивлением будет обладать гальванический элемент. Расстояние между электродами также влияет на величину внутреннего сопротивления: чем меньше это расстояние, тем меньше внутреннее сопротивление. И наконец, на величину внутреннего сопротивления влияет и химический состав электролита. Таким образом, внутреннее сопротивление элемента зависит от целого ряда факторов и не является постоянной величиной для разных типов элементов. Кроме того, внутреннее сопротивление увеличивается с увеличением срока службы элемента и у старых элементов оно значительно выше, чем у новых.

      Комментарии:

    #3 написал: Алексей Кузовцев |

    Щелочные элементы (щелочные, в отличие от кислотных батарей) имеют более длительный срок службы и могут генерировать больше электроэнергии. 

      Комментарии:

    #4 написал: Алина |

    Щелочные батареи отличаются от «обычных» батарей тем, что они имеют щелочной электролит. Этот электролит обычно состоит из гидроксида калия. Положительный электрод изготовлен из оксида марганца , а отрицательный — из оксида цинка. Щелочная батарея имеет более широкий диапазон рабочих температур, чем обычные батареи, и может использоваться при температуре от -30°C до 70°C. Она также имеет более высокую энергоемкость. Это означает, что щелочная батарея может обеспечивать более высокий ток в течение более длительного времени. Из-за этого щелочные батареи стали очень популярными и быстро становятся ведущим типом батарей.

    Присоединяйтесь к нам в социальных сетях:

    ВКонтакте | Facebook | Одноклассники | Электрик Инфо на Яндекс Дзен

     

    Популярные разделы сайта:

    Электрика дома  Электрообзоры  Энергосбережение
    Секреты электрика Источники света Делимся опытом
    Домашняя автоматика Электрика для начинающих
    Практическая электроника Электротехнические новинки
    Андрей Повный - все статьи автора



    Copyright © 2009-2024 Электрик Инфо - Electrik.info, Андрей Повный
    Вся информация на сайте предоставлена в ознакомительных и познавательных целях.
    За применение этой информации администрация сайта ответственности не несет.
    Перепечатка материалов сайта запрещена.