Гальванический элемент Устройство батарейки и её работа

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».

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».

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 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.

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.

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.

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.

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 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.

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.

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.

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).

Гальванические элементы и аккумуляторы – устройство, принцип работы, виды

Маломощные источники электрической энергии

Для питания переносной электро- и радиоаппаратуры применяют гальванические элементы и аккумуляторы.

Гальванические элементы — это источники одноразового действия, аккумуляторы — источники многоразового действия.

Простейший гальванические элемент

Простейший элемент может быть изготовлен из двух полосок: медной и цинковой, погруженных в воду, слегка подкисленную серной кислотой. Если цинк достаточно чист, чтобы быть свободным от местных реакций, никаких заметных изменений не произойдет до тех пор, пока медь и цинк не будут соединены проводом.

Однако полоски имеют разные потенциалы одна по отношению к другой, и когда они будут соединены проводом, в нем появится электрический ток. По мере этого действия цинковая полоска будет постепенно растворяться, а близ медного электрода будут образовываться пузырьки газа, собирающиеся на его поверхности. Этот газ — водород, образующийся из электролита. Электрический ток идет от медной полоски по проводу к цинковой полоске, а от нее через электролит обратно к меди.

Постепенно серная кислота электролита замещается сульфатом цинка, образующимся из растворенной части цинкового электрода. Благодаря этому напряжение элемента уменьшается. Однако еще более сильное падение напряжения вызывается образованием газовых пузырьков на меди. Оба эти действия производят «поляризацию». Подобные элементы не имеют почти никакого практического значения.

Важные параметры гальванических элементов

Величина напряжения, даваемого гальваническими элементами, зависит только от их типа и устройства, т. е. от материала электродов и химического состава электролита, но не зависит от формы и размеров элементов.

Сила тока, которую может давать гальванический элемент, ограничивается его внутренним сопротивлением.

Очень важной характеристикой гальванического элемента является электрическая емкость. Под электрической емкостью подразумевается то количество электричества, которое гальванический или аккумуляторный элемент способен отдать в течение всего времени своей работы, т. е. до наступления окончательного разряда.

Отданная элементом емкость определяется умножением силы разрядного тока, выраженной в амперах, на время в часах, в течение которого разряжался элемент вплоть до наступления полного разряда. Поэтому электрическая емкость выражается всегда в ампер-часах (А х ч).

По величине емкости элемента можно также заранее определить, сколько примерно часов он будет работать до наступления полного разряда. Для этого нужно емкость разделить на допустимую для этого элемента силу разрядного тока.

Однако электрическая емкость не является величиной строго постоянной. Она изменяется в довольно больших пределах в зависимости от условий (режима) работы элемента и конечною разрядного напряжения.

Если элемент разряжать предельной силой тока и притом без перерывов, то он отдаст значительно меньшую емкость. Наоборот, при разряде того же элемента током меньшей силы и с частыми и сравнительно продолжительными перерывами элемент отдаст полную емкость.

Что же касается влияния на емкость элемента конечного разрядного напряжения, то нужно иметь в виду, что в процессе разряда гальванического элемента его рабочее напряжение не остается на одном уровне, а постепенно понижается.

Распространенные виды гальванических элементов

Наиболее распространены гальванические элементы марганцево-цинковой, марганцево-воздушной, воздушно-цинковой и ртутно-цинковой систем с солевым и щелочным электролитами. Сухие марганцево-цинковые элементы с солевым электролитом имеют начальное напряжение от 1,4 до 1,55 В, продолжительность работы при температуре окружающей среды от -20 до -60 о С от 7 ч до 340 ч.

Сухие марганцево-цинковые и воздушно-цинковые элементы со щелочным электролитом имеют напряжение от 0,75 до 0,9 В и продолжительность работы от 6 ч до 45 ч.

Сухие ртутно-цинковые элементы имеют начальное напряжение от 1,22 до 1,25 В и продолжительность работы от 24 ч до 55 ч.

Наибольший гарантийный срок хранения, достигающий 30 месяцев, имеют сухие ртутно-цинковые элементы.

Аккумуляторы — это вторичные гальванические элементы. В отличие от гальванических элементов в аккумуляторе же сразу после сборки никакие химические процессы не возникают.

Чтобы в аккумуляторе начались химические реакции, связанные с движением электрических зарядов, нужно соответствующим образом изменить химический состав его электродов (а частью и электролита). Это изменение химического состава электродов происходит под действием пропускаемого через аккумулятор электрического тока.

Поэтому, чтобы аккумулятор мог давать электрический ток, его предварительно нужно «зарядить» постоянным электрическим током от какого-нибудь постороннего источника тока.

От обычных гальванических элементов аккумуляторы выгодно отличаются также тем, что после разряда они опять могут быть заряжены. При хорошем уходе за ними и при нормальных условиях эксплуатации аккумуляторы выдерживают до нескольких тысяч зарядов и разрядок. Устройство аккумулятора

В настоящее время наиболее часто на практике применяют свинцовые и кадмиево-никелевые аккумуляторы. У первых электролитом служит раствор серной кислоты, а у вторых — раствор щелочей в воде. Свинцовые аккумуляторы называют также кислотными, а кадмиево-никелевые — щелочными.

Принцип работы аккумуляторов основан на поляризации электродов при электролизе. Простейший кислотный аккумулятор устроен следующим образом: это две свинцовые пластины, опущенные в электролит. В результате химической реакции замещения пластины покрываются слабым налетом сернокислого свинца PbSO4, как это следует из формулы Pb + H₂SO₄ = PbSO₄ + Н₂.

Устройство кислотного аккумулятора

Такое состояние пластин соответствует разряженному аккумулятору. Если теперь аккумулятор включить на заряд, т. е. подсоединить его к генератору постоянного тока, то в нем вследствие электролиза начнется поляризация пластин. В результате заряда аккумулятора его пластины поляризуются, т. е. изменяют вещество своей поверхности, и из однородных (PbSO₄) превращаются в разнородные (Pb и Р b О ₂ ).

Аккумулятор становится источником тока, причем положительным электродом у него служит пластина, покрытая двуокисью свинца, а отрицательным — чистая свинцовая пластина.

К концу заряда концентрация электролита повышается вследствие появления в нем дополнительных молекул серной кислоты.

В этом одна из особенностей свинцового аккумулятора: его электролит не остается нейтральным и сам участвует в химических реакциях при работе аккумулятора.

Как зарядить аккумулятор

Существует несколько способов заряда аккумуляторов. Наиболее простой — нормальный заряд аккумулятора, который происходит следующим образом. Вначале на протяжении 5 – 6 ч заряд ведут двойным нормальным током, пока напряжение на каждой аккумуляторной банке не достигнет 2,4 В.

Нормальный зарядный ток определяют по формуле I зар = Q/16

где Q – номинальная емкость аккумулятора, Ач.

После этого зарядный ток уменьшают до нормального значения и продолжают заряд и течение 15 – 18 ч, до появления признаков конца заряда.

Кадмиево-никелевые, или щелочные аккумуляторы, появились значительно позже свинцовых и по сравнению с ними представляют собой более совершенные химические источники тока. Главное преимущество щелочных аккумуляторов перед свинцовыми заключается в химической нейтральности их электролита по отношению к активным массам пластин. Благодаря этому саморазряд у щелочных аккумуляторов получается значительно меньше, чем у свинцовых. Принцип действия щелочных аккумуляторов также основан на поляризации электродов при электролизе.

Для питания радиоаппаратуры выпускают герметичные кадмиево-никелевые аккумуляторы, которые работоспособны при температурах от -30 до +50 о С и выдерживают 400 – 600 циклов заряд-разряд. Эти аккумуляторы выполняют в форме компактных параллелепипедов и дисков с массой от нескольких граммов до килограммов.

Выпускают никель-водородные аккумуляторы для энергоснабжения автономных объектов. Удельная энергия никель-водородного аккумулятора составляет 50 – 60 Вт ч кг -1 .

История обыкновенной батарейки

Эта музыка будет вечной

если я заменю батарейки

Слово «батарея», происходящее от французского слова «batterie», настолько давно вошло в русский язык, что точный словарный перевод по степени очевидности вызывает в памяти бессмертные строчки из Чехова: – «Волга впадает в Каспийское море, лошади кушают овес и сено». Вот сами посудите, это строчка из русско-французского разговорника:

фр. batterie (сущ.) – батарея.

Только серьезно задавшись целью выяснить этимологию этого слова, через некоторое время можно добраться до объяснения, что batterie – это battre «бить» – соединение нескольких однотипных приборов, устройств в единую систему или установку для эффективного совместного действия. Название происходит от артиллерийской батареи, как исторически первого типа батарей. Впоследствии название стало употребляться для обозначения соединения однотипных предметов вообще.

Кстати, отсюда вытекает то, что в быту мы в общем-то неправильно называем батареями пальчиковые элементы питания, потому что они – сюрприз – одиночные гальванические элементы.

Итак, наш пост про гальванические элементы, иначе именуемые батарейками.

Быстренько пробежимся по истории. Хотя в последнее время археологи стали утверждать, что что-то похожее на химические источники тока появились в Мессопотамии за 100 лет до н.э. (так называемая Багдадская батарейка), но это все на уровне гипотезы, а официальное рождение батареи относят к 1800г, когда итальянский физик Алессандро Вольта, основываясь на опытах итальянского врача и анатома Луиджи Гальвани, сделал устройство, получившее впоследствии название «вольтов столб». Сложив стопку высотой полметра из пластинок цинка, меди и войлока, смоченного раствором серной кислоты, Вольта, приложив руки к концам стопки, получил весьма чувствительный удар током. Так началась электрическая эра.

Изобретение Алессандро Вольта произвело фурор в обществе, Вольта осыпали почестями и наградами, его именем назвали единицу электрического напряжения. Свою долю славы получил и Луиджи Гальвани – в честь его электрохимический элемент, изобретенный Вольта, называется гальваническим (несколько парадоксально, конечно).

Для легкости понимания давайте вспомним немного сведений из школьной программы про гальванический элемент. Я, естественно, не помнил, поэтому пришлось читать. Прочел, осмыслил длинную нудную фразу и пересказываю более простыми словами: гальванический элемент – это источник электрического тока, основанный на химической реакции двух металлов (или их оксидов для удешевления/простоты использования), один из металлов, именуемый анодом, всегда более активный, чем второй, называемый катодом, эти металлы помещены в токопроводящую среду, именуемую электролитом, при соединении этих металлов проводником образуется электрическая цепь и начинает вырабатываться ток, который бежит от анода (-) к катоду (+).

(Перечитав) Ну, тоже длинно, но хоть более-менее понятно.

Гальванические элементы делятся на два типа – первичные и вторичные. Первичные напрямую преобразуют химическую энергию, содержащуюся в реагентах гальванического элемента, в электрическую энергию. Этот процесс идет до полного расхода реагентов, после чего выработка электричества прекращается. Проще говоря, это одноразовые элементы. Все батарейки являются первичными гальваническими элементами.

Вторичные гальванические элементы – элементы, в которых электрическая энергия от внешнего источника тока превращается в химическую энергию и накапливается, а затем, при необходимости, химическая энергия снова превращается в электрическую. Эти вторичные элементы называются аккумуляторами. Про аккумуляторы мы опустим, эта обширная тема достойна отдельной большой статьи.

Одним из первых гальванических элементов, которым можно было пользоваться вне лабораторий, был изобретен Жоржем Лекланше в 1866 году. Конструкция имени Лекланше проста – цинковый анод, катод из диоксида марганца с углем, размещенные в электролите из хлорида аммония, т.е. соли аммония. В течении некоторого времени элемент Лекланше претерпел изменения: цинковый анод стал делаться в виде цинкового стаканчика, в стаканчике размещен катод из смеси диоксида марганца и графита, в центре катода находится угольный стержень, являющийся токосъемником (в некоторых источниках именно он неправильно называется катодом), катод окружен электролитом из хлорида аммония с добавкой хлорида цинка, только не в жидком виде, как у Лекланше, а в загущенном, в виде геля, из-за добавления крахмала и муки. Это необходимо для того, чтобы электролит не мог вытечь или высохнуть при хранении и эксплуатации элемента. Элементы с загущенным электролитом получили название «сухие батареи».

А вот сейчас, между прочим, вы прочли описание классической конструкции солевого гальванического элемента, по такой технологии он производится уже 150 лет без особого изменения. Получается как-то не очень хорошо с темпами развития науки в смежных областях – в отличие от бурного, взрывного роста возможностей электроники, за 60 лет уменьшившее компьютер MARK-1 весом 5 тонн и площадью 60 кв.м до микросхемы весом в доли грамма и площадью с булавочную головку, причем с намного большими возможностями, и этот хайтек питает энергией древняя двухсотлетняя технология. Печально. А что еще грустно, фирмы, выпускающие элементы питания, не испытывают никаких иллюзий в появлении прорывных, революционных технологий производства портативных источников тока и откровенно говорят, что в ближайшем и даже не очень ближайшем будущем нас ожидает только постепенное улучшение характеристик батарей. Понемногу, по проценту – по полпроцента в год.

Разумеется, какие-то всплески на плавном растущем графике улучшения характеристик были. И одним из всплесков было появление щелочных батарей.

Щелочная, она же алкалайновая (алкалиновая) батарея.

Впервые щелочные батарейки выпустила компания Eveready (ныне Energizer) в 1959г. Принцип ее работы практически идентичен принципу работы солевой батареи – анод из цинка, катод из диоксида марганца, единственное отличие в составе электролита – он не из соли аммония, как в солевой, а из раствора щёлочи, обычно гидроксида калия. И конструкция элемента отличается – она, так сказать, вывернута наизнанку по сравнению с конструкцией солевого элемента. У солевого элемента анод в виде цинкового стаканчика, заполненный катодом в виде диоксида марганца, разделенным электролитом из соли аммония, а у щелочной батареи анод в виде пасты из цинкового порошка в смеси с электролитом находится внутри катода из смеси диоксида марганца с графитом. Анод и катод разделены тонким сепаратором, пропитанным электролитом, и все это располагается в стальном корпусе. Получается, что если у солевого элемента корпус (-), а центральный токоотвод (+), то у щелочного элемента все наоборот, корпус (+), а центральный токоотвод (-).

Такая конструкция, разумеется, сделана не просто так. Выше упоминалось, что первичные гальванические элементы преобразуют химическую энергию, содержащуюся в реагентах элемента. В солевых элементах при химической реакции расходуются все реагенты, составляющие этот элемент – анод, катод, электролит. А в щелочном элементе при химической реакции расходуется только анод и катод, электролит не расходуется. Поэтому электролита там совсем мало, и освободившееся место электролита заполнено увеличенным количеством анода и катода, что значительно увеличивает электроемкость щелочного элемента. И здесь мы плавно переходим к рассмотрению преимуществ и недостатков солевых и щелочных источников питания.

Форм-фактор распространенных гальванических элементов

Преимущества и недостатки солевых и щелочных элементов.

У солевых сейчас осталось только одно преимущество – цена. Технология производства проста и вылизана до идеала уже давным-давно, стоимость реагентов и материалов низка, поэтому себестоимость очень маленькая. Но на этом преимущества кончаются и начинаются недостатки, а именно:

Маленькая емкость. В среднем емкость солевого элемента в 3-5 меньше, чем у щелочного. К тому же это при малой и средней нагрузке, при высокой нагрузке (мощные фонари, фотоаппараты и видеокамеры) разница в емкости еще больше увеличивается и достигает 10. Т.е., к примеру, солевая батарейка питает маломощный прибор, скажем, 10 дней, а щелочная 10*3=30 дней; такая же солевая батарейка обеспечит энергий фотоаппарат со вспышкой в течение 10 минут, а такая же щелочная 10*10=100 минут.

Маленький срок хранения. У солевого элемента – 2 года, у щелочного – 7-10 лет. Срок хранения солевой батареи можно увеличить, если держать ее в холодильнике, при низкой температуре химические реакции, при которой происходит саморазряд, замедляются. Для щелочных элементов температура хранения некритична.

Узкий температурный диапазон эксплуатации. Солевые батареи вообще не могут работать при отрицательных температурах, а щелочная при -20 °С отдает такую же емкость, как солевая в режиме беспрерывного разряда при комнатной температуре.

В последние несколько лет в продаже появились новый тип элементов – литиевый. Принцип действия все так же похож на принцип солевого и щелочного элемента, но анод изготовлен из лития или его соединения. Из химии известно, что литий имеет наивысший отрицательный потенциал по отношению к остальным металлам, соответственно, он имеет наибольшее номинальное напряжение при минимальных размерах. И другие параметры тоже превосходные –очень большое время хранения (до 15 лет), исключительно малые токи саморазряда и высокая степень герметичности, хранение и работа в широком диапазоне отрицательных и положительных температур. Но цена, цена.

Некоторые советы от опытных пользователей касательно батареек.

Не надо стремиться покупать элементы известных фирм, которые на слуху благодаря навязчивой рекламе. Ведь рекламный бюджет надо отбивать, и расходы на рекламу включаются в цену товара. Да, высокотехнологичная батарейка может оказаться самой долгоиграющей, но ее цена взлетает в небеса; две же обычные батарейки по емкости спокойно перекрывают одну супербатарейку, и к тому же стоимость двух обычных оказывается дешевле, чем одной именитой. На одном сайте был проведен большой тест батареек различных фирм, там посчитали комплексный параметр цена/емкость, и в результате тестов лидером отказалась безымянная батарейка, продающаяся в гипермаркете Ашан, ее ватт мощности оказался самым дешевым, оставив далеко позади именитые фирмы. А известная история с батарейками фирмы «Космос», появившиеся в продаже несколько лет назад, покупатели, которые купили эти батарейки, с удивлением и даже некоторым шоком отмечали, что эти батарейки ничуть не хуже, а зачастую и существенно лучше грандов, при цене на порядок ниже.

Севшие солевые батарейки можно восстановить. Делается это двумя способами – обстукиванием корпуса батарейки и зарядкой (да, солевые перезаряжаются) током специальной формы. Обстукивание – самый простой способ восстановления. Суть – под ударной нагрузкой с цинкового анода стряхиваются продукты реакции, налипшие на анод и препятствующие дальнейшей реакции. Стучать надо без особого фанатизма, иначе рискуешь повредить корпус, и электролит вытечет. Перезаряжать – сложнее, здесь требуется «умная» зарядка, которая стоит дорого и не везде продается, и тоже существует риск повреждения элементов.

За пределами поста осталось много интересных элементов (воздушно-цинковые, ртутные, серебряные и т.д.), описание их категорически не влезает в отведенный объем. Но все это перепевы классического гальванического элемента, изобретенного почти 200 лет назад. Выше упоминалось, что фирмы, производящие источники тока, особых прорывов не ожидают. Но интересно же заглянуть за горизонт? И ученые уже предлагают совсем иные принципы работы источников питания для все увеличивающихся в размере и количеству носимых нами гаджетов. Перечислю некоторые научные проекты: преобразование тепла человека в электричество с помощью стеклоткани, канализирование света с помощью фотоэлектрических органических ячеек, преобразование лактатов из человеческого пота в электричество с помощью «биотатуировки». Интересно, что же из этого выстрелит?

Устройство и принцип работы батарейки

Батарейки используют уже давно, чтобы электронные устройства продолжали функционировать и без подключения к розетке. Эти изделия называют источниками электричества для автономного питания устройств. Первые батарейки именовались гальваническими элементами.

Что такое батарейка

В батарейках электричество возникает благодаря взаимодействию разных химических веществ. И принцип работы этих изделий легко можно отыскать в учебниках по физике. Все элементы собраны из одних и тех же частей.

Устройство батарейки простое. Различия между разными типами батарей минимальны. В основе каждой конструкции имеются:

1. Полюс положительный — анод.
2. Полюс отрицательный — катод.
3. Электролит.

Принцип работы батарейки

Положительно заряженные частицы двигаются к отрицательным. Средой, где происходит данное движение, является электролит. Заряженные частицы образуются в процессе взаимодействия разных веществ. Весь принцип работы батарейки сводится к химической реакции.

Для прибора необходима нагрузка в виде лампочки или диода, в противном случае при контакте «плюса» и «минуса» может произойти короткое замыкание.

Если попытаться зарядить конструкцию, то это приведет к взрыву или течи. Но ученым путем проб и ошибок удалось создать восполняемую батарею — аккумулятор.

Какие бывают батарейки

Батарейки в зависимости от «начинки» разделяются на несколько видов. Солевые конструкции намного дешевле щелочных. Их выпуском занимаются такие фирмы, как «Дюрасел», «Сони», «Тошиба». Они являются потомками марганцево-цинковых конструкций. Их рекомендуют использовать в устройствах с низким уровнем потребления напряжения, таких как часы, электронные весы, пульты управления.

Существенным недостатком этих элементов является короткое время работы заряда. Они быстро расходуют свой ресурс. При длительном использовании элементы подобного типа начинают течь. При отрицательных температурах солевые конструкции не работают.

При длительном хранении в отличие от солевых батарей они не теряют свой заряд. На таких элементах всегда присутствует надпись «alkaline». Но и у них есть недостатки. Такие элементы более массивны. Их устанавливают в детских игрушках, радио, ночниках, иными словами, в приборах, потребляющих большое количество энергии. Еще один недостаток — высокая стоимость.

Третий вид ртутных изделий менее популярен, т.к. не получил широкого распространения в силу ряда причин. В первую очередь от их применения пришлось отказаться из-за вещества, за счет которого осуществляется их работа. Ртуть может нанести вред здоровью человека.

У этих элементов есть 1 существенное преимущество перед другими видами. Существует возможность их повторной зарядки, но даже это не повлияло на их востребованность. Плюсами этих элементов являются стабильная работа при низких температурах и длительные сроки хранения без утраты заряда.

Наименее популярны серебряные элементы. В состав их электродов входит серебро. За счет этого увеличивается срок службы, повышается энергетическая плотность и постоянное номинальное напряжение. Большим минусом является их высокая стоимость. Существенным плюсом — высокая емкость, которая во много раз превосходит подобный показатель у солевых и щелочных элементов питания.

Они одинаково хорошо работают и при высоких, и при низких температурах. Срок функционирования — достаточно велик по сравнению с другими типами элементов.

Они являются самыми надежными элементами. Их рекомендуется использовать в приборах с большим энергопотреблением.

Различия устройства разных типов батареек

Элементы питания различаются не только по типу веществ, участвующих в образовании заряда. Разделяются батарейки на группы по своей форме и размерам.

По форме все элементы распределяются на 3 группы:

Существуют 2 способа их маркировки: американская (менее распространена) и европейская (более привычна). Маркировка помогает точно подобрать необходимый для прибора элемент питания.

Цилиндрические батарейки

Самые маленькие изделия имеют маркировку — А23. Их называют мини-мизинчиковыми. Следующие, по списку — пальчиковые, их маркировка — АА. Потом следуют мизинчиковые — ААА. Редко для устройства могут понадобиться маленькие мизинчиковые — АААА.

Следующие 2 вида практически не используются: средняя — С и большая — D.

Квадратные батарейки

Самое большое напряжение выдают батарейки, имеющие квадратную форму, — до 9V. Но и этот тип почти не востребован.

Причина таких отличий кроется в толщине оболочки, которая используется для защиты от падения и неблагоприятных воздействий окружающей среды. Чаще всего на ней указывается название фирмы-производителя и маркировка.

Брендовые конструкции отличаются высоким качеством и имеют гарантию. На некоторых видах элементов питания есть особая маркировка — «rechargeable». Данная надпись означает, что элемент питания можно зарядить с помощью специального устройства.

Дисковые батарейки

Дисковые конструкции производят для совсем маленьких по размеру устройств. У них, как и у цилиндрических батареек, имеется своя система маркировки. Показатель напряжения у этого типа — до 3V.

Для мощных устройств нет смысла брать щелочные батареи, т.к. их заряд быстро закончится. В этом случае лучшее решение — литиевые. Их срок службы оправдывает высокую стоимость.

Кроме того, часто производители приборов в инструкции указывают, какой тип батареек подходит для их техники.

Гальванические элементы. Виды и устройство. Работа и особенности

В первых опытах ученых в емкость с кислотой опускали две металлические пластины: медную и цинковую. Пластины соединяли проводником, после чего на медной пластине появлялись газовые пузырьки, а цинковая пластина стала растворяться. Было доказано, что по проводнику проходит электрический ток. Это исследование начинал итальянский ученый Гальвани, от него и получили название гальванические элементы.

После этого ученый Вольта разработал цилиндрическую форму этого элемента в виде вертикального столбика, включающего в себя набор колец меди, цинка и сукна, соединенных друг с другом, и пропитанных кислотой. Разработанный Вольтом вертикальный элемент полуметровой высоты вырабатывал напряжение, которое мог почувствовать человек.

Гальванические элементы — это источники электрической энергии, вырабатывающие электрический ток методом химического взаимодействия двух металлов в электролите. Химическая энергия в гальванических элементах преобразуется в электрический ток.

Виды и особенности устройства

Батарейки широко используются для питания разных электронных устройств, приборов, цифровой техники и делятся на три основных вида:

1. Солевые.
2. Щелочные.
3. Литиевые.

Солевые гальванические элементы

Такие батарейки относятся к марганцево-цинковым элементам питания, и являются наиболее применяемыми в настоящее время.

Достоинствами солевых батареек являются:

• Приемлемые электрические параметры для многих областей использования.
• Удобство применения.
• Малая цена ввиду небольших расходов на изготовление.
• Простая технология изготовления.
• Дешевое и доступное сырье.

Длительное время этот вид батареек является наиболее популярным, благодаря соотношению качества и цены. Однако в последние годы заводы изготовители уменьшают производство солевых гальванических элементов, и даже отказываются от выпуска, так как требования к источникам питания повышаются производителями электронной техники.

Недостатками солевых батареек являются:

• Малый срок хранения, не более 2-х лет.
• Резкое падение свойств при снижении температуры.
• Резкое уменьшение емкости при повышении рабочего тока до эксплуатационных значений современных потребителей.
• Быстрое уменьшение напряжения во время работы.

Солевые гальванические элементы в конце своего разряда могут потечь, что связано с вытеканием электролита из-за увеличения объема положительного электрода, который выдавливает электролит. Активная масса плюсового электрода состоит из диоксида марганца и электролита. Сажа и графит, добавленный в активную смесь, повышают электропроводность активной смеси. Их доля равна от 8 до 20% в зависимости от марки батарейки. Для увеличения срока работы окислителя активную смесь насыщают электролитом.

Минусовой электрод изготавливают из очищенного цинка, устойчивого к коррозии. В нем остается небольшая доля кадмия или свинца, являющегося ингибиторами коррозии. Раньше в батарейках в качестве электролита использовали хлорид аммония. Он участвует в реакции образования тока, создает проходимость ионов. Но такой электролит не показал хороших результатов, и его заменили хлоридом цинка с примесями хлорида кальция. Марганцево-кислые элементы работают дольше, и показывают лучшие результаты при пониженных температурах.

В солевых гальванических элементах отрицательным полюсом является цинковый корпус 7. Плюсовой электрод 6 изготовлен из активной прессованной массы, пропитанной электролитом. По центру этой массы находится угольный стержень 5, обработанный парафином для удержания влаги в электролите. Верхняя часть стержня закрыта металлическим колпаком. В сепараторе 4 находится густой электролит. В газовую камеру 1 поступают газы, образованные при работе батарейки. Сверху батарейку закрывают прокладкой 3. Весь гальванический элемент заключают в футляр 2, выполненный из картона или фольги.

Щелочные батарейки

Щелочные элементы питания появились в середине прошлого века. В них в качестве окислителя выступает диоксид марганца, а в качестве восстановителя порошковый цинк. Это дает возможность увеличить поверхность. Для предохранения от коррозии раньше применялось амальгамирование. Но после запрета на ртуть используют очищенные цинковые порошки с добавлением других металлов и ингибиторов коррозии.

Активным веществом анода щелочной (алкалиновой) батарейки стал очищенный цинк в виде порошка с добавлением алюминия, индия или свинца. Активная смесь катода включает в себя диоксид марганца, ацетиленовую сажу или графит. Электролит алкалиновых батареек состоит из едкого натра или калия с добавлением оксида цинка.

Порошковый анод позволяет значительно повысить использование активной смеси, в отличие от солевых батареек. Алкалиновые батарейки обладают значительно большей емкостью, чем солевые, при равных габаритных размерах. Они хорошо себя показали в работе на морозе.

Особенностью устройства алкалиновых элементов является порошковый цинк, поэтому вместо цинкового стакана используют стальной корпус для положительного вывода. Активная смесь положительного электрода находится возле внутренней стенки стального корпуса. В алкалиновой батарейке есть возможность разместить больше активной смеси положительного электрода, в отличие от солевой.

В активную смесь вставляется целлофановый сепаратор, смоченный электролитом. По центру батарейки проходит латунный отрицательный электрод. Остальной объем между сепаратором и отрицательным токоотводом заполняется анодной пастой в виде порошкового цинка, пропитанного густым электролитом. Обычно в качестве электролита используют щелочь, насыщенную специальными соединениями цинка. Это дает возможность предотвратить потребление щелочи в начале работы элемента, и снизить коррозию. Масса щелочных батареек выше солевых из-за стального корпуса и большей плотности активной смеси.

По многим основным параметрам алкалиновые гальванические элементы превосходят солевые элементы. Поэтому в настоящее время увеличивается объем производства щелочных батареек.

Литиевые элементы питания

Литиевые гальванические элементы применяются в различных современных устройствах. Они выпускаются различных типоразмеров и видов.

Существуют литиевые батарейки и литиевые аккумуляторы, имеющие между собой большие отличия. Батарейки имеют в составе твердый органический электролит, в отличие от других видов элементов. Литиевые элементы используются в местах, где требуются средние и малые токи разряда, стабильное рабочее напряжение. Литиевый аккумулятор можно перезаряжать определенное количество раз, а батарейки не предназначены для этого, и используются только один раз. Их запрещается вскрывать или перезаряжать.

Основные требования к производству

• Надежная герметизация корпуса. Нельзя допускать утечки электролита и проникновения внутрь других веществ из внешней среды. Нарушение герметичности приводит к их возгоранию, так как литий является высоко активным элементом. Гальванические элементы с нарушенной герметичностью не годятся для эксплуатации.
• Изготовление должно проходить в герметичных помещениях с аргоновой атмосферой и контролем влажности.

Форма литиевых аккумуляторов бывает цилиндрической, дисковой или призматической. Габариты практически не отличаются от других видов батареек.

Область использования

Литиевые гальванические элементы обладают более длительным сроком работы, по сравнению с другими элементами. Область применения очень широка:

• Космическая промышленность.
• Авиационное производство.
• Оборонная промышленность.
• Детские игрушки.
• Медицинская техника.
• Компьютеры.
• Фото- и видеокамеры.

Преимущества

• Широкий интервал рабочих температур.
• Компактные размеры и масса.
• Длительная эксплуатация.
• Стабильные параметры в различных условиях.
• Большая емкость.

Недостатки

• Возможность внезапного возгорания при несоблюдении правил пользования.
• Высокая цена, по сравнению с другими видами батареек.

Принцип работы

Действие гальванических элементов основано на том, что два разных металла в среде электролита взаимодействуют между собой, в результате чего во внешней цепи образуется электрический ток.

Такие химические элементы сегодня называют батарейками. Величина напряжения батарейки зависит от применяемых видов металлов и от числа элементов, находящихся в ней. Все устройство батарейки расположено в металлическом цилиндре. Электроды представляют собой металлические сетки с напылением восстановителя и окислителя.

Батарейки не могут восстанавливать утраченные свойства, так как в них осуществляется прямое преобразование химической энергии окислителя и восстановителя в электрическую. Химические реагенты при функционировании батарейки постепенно расходуются, а электрический ток уменьшается.

Отрицательный вывод батарейки выполнен из цинка или лития, он теряет электроны и является восстановителем. Другой положительный вывод играет роль окислителя, его изготавливают из оксида магния или солей металлов. Состав электролита в обычных условиях не пропускает через себя электрический ток. При замыкании электрической цепи начинается распад электролита на ионы, что обуславливает появление его электрической проводимости. Электролит состоит чаще всего из раствора кислоты или солей натрия и калия.

Гальванический элемент.
Устройство батарейки и её работа.

Тема: Как устроена и работает обычная батарейка, гальванический элемент.

В отличие от электростанций, гальванический элемент или привычней говоря — батарейка, огромную мощность не способна дать нам, но без неё невозможно обойтись в тех случаях, когда обычная сеть не доступна либо не целесообразна, так например электронные наручные часы или карманный радиоприёмник. Гальванический элемент — это источник электричества, который основан на химическом взаимодействии некоторых веществ между собой. Он был впервые придуман известным учёным Алессандро Вольта. И так давайте посмотрим, как же на самом деле всё происходит, и разберём устройство батарейки.

Представим, у нас есть стеклянный сосуд, а в него налита серная кислота и опущен цинковый стержень. Поскольку на поверхности пластины находятся положительно заряженные атомы цинка, то в растворе вокруг стержня собираются отрицательные ионы раствора, а положительные ионы раствора выталкиваются в не эту область. Притяжение раствора отрывает ионы цинка, и они становятся уже частью этого раствора. В результате цинковый стержень становится отрицательно заряженным, а раствор положительно. Вот и получили разность потенциалов. И так что получается? При соприкосновении металла и раствора на границе возникает электрическое поле. В момент образования этого поля и происходит непосредственно само превращение химической энергии в электрическую.Что даёт нам возможность её использовать.

Теперь вернёмся к понятию гальванический элемент и устройство батарейки. Мы выяснили, что для преобразования химической энергии в электрическую, необходимо наличие двух разнородных проводника с электронной проводимостью и раствор с ионной проводимостью.

Элемент Вольта состоит из двух разных пластин меди и цинка, опущенных в слабый раствор серной кислоты. Медная пластина становится плюсом, а цинковая, минусом, с разность потенциала этого элемента в 1 вольт. Нужно заметить, что это вырабатываемое в итоге ЭДС, полностью зависит только от материала и от самих химических процессов внутри.

Подсоединив гальванический элемент к обычной лампочке, мы увидим что внутри электроны с цинка начнут переходить на медь, тем самым нарушая равновесие. В итоге на медной пластине начнет, выделятся газообразный водород. Это образование газа весьма негативно влияет на дальнейшую работу элемента, не давая ионам водорода заряжаться, поскольку собой они делают барьер между границей меди и раствора. И это поляризация.

Для борьбы с этим недостатком было придумано иное устройство батарейки. Он получил название – элемент Лекланше. В сосуде с раствором нашатыря, разбавленного водой помещены цинковый стержень и графитовый, для борьбы с поляризацией, графитовый стержень вокруг себя имеет слой двуокиси марганца, назначение которого сводится как раз для поглощения нежелательного газа.

Таким образом гальванический элемент становится намного эффективнее. Именно на таком принципе и делаются большинство батареек, которыми мы с Вами пользуемся. Разница заключается в том, что в различных видах производимых батареек, отличие только в используемых веществах и материалах. Кстати именно эта разница и даёт определённые параметры и характеристики гальваническим элементам. Например, одни могут терять свой заряд постепенно и при этом ЭДС, так же будет, понижаться, а другие батарейки более равномерно отдают энергию и лишь в конце резко теряют заряд.

В настоящее время существует множество различных типов гальванических элементов, к примеру: Марганцево – цинковый, Марганцево – оловянный, Марганцево – магниевый, Свинцово – цинковый, Свинцово – кадмиевый, Свинцово – хлорный, Хром – цинковый, Окисно – ртутно-оловянный, Ртутно – цинковый, Ртутно – кадмиевый и т.д. Кроме внутреннего состава, батарейки также отличаются размерам и, следовательно, ёмкостью заряда.

Не стоит путать гальванический элемент и батарейку с аккумуляторной батареей, в ней совсем иной принцип работы, о котором мы обязательно поговорим в подходящей теме. Ну, а с этой, в общих чертах, думаю разобрались. На этом закончу тему, гальванический элемент, устройство и работа батарейки.

Источники:

http://electrik.info/main/school/1267-galvanicheskie-elementy-ustroystvo.html
http://electricalschool.info/main/osnovy/1368-galvanicheskie-jelementy-i-akkumuljatory.html
http://pikabu.ru/story/istoriya_obyiknovennoy_batareyki_6205635
http://3batareiki.ru/batarejki/ustrojstvo-i-printsip-raboty-batarejki
http://electrosam.ru/glavnaja/jelektrooborudovanie/jelektropitanie/galvanicheskie-elementy/
http://electrohobby.ru/galvan-elem-ustroy-batareyk.html