Гальванические батарейки. Особенности некоторых видов гальванических элементов и их краткие характеристики. Батарейки широко используются для питания разных электронных устройств, приборов, цифровой техники и делятся на три основных вида
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 . 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 . 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.
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 . 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 + H 2 SO 4 = PbSO 4 + Н 2 .
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 (PbSO 4) превращаются в разнородные (Pb и Рb 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.
К концу разряда обе пластины аккумулятора опять покрываются сернокислым свинцом, в результате чего аккумулятор перестает быть источником тока. До такого состояния аккумулятор никогда не доводят. Вследствие образования сернокислого свинца на пластинах, концентрация электролита в конце разряда понижается. Если аккумулятор поставить на заряд, то вновь можно вызвать поляризацию, чтобы опять поставить его на разряд и т. д.
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.
Современные аккумуляторы
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 .
Гальванический элемент — это химический источник электрического тока, в котором происходит непосредственное преобразование химической энергии в электрическую. Поэтому он является . Внешний вид наиболее распространенных элементов питания приведен на рисунке 1.
Рисунок 1. Внешний вид пальчиковых гальванических элементов
Существуют солевые (сухие), щелочные и литиевые элементы. Гальванические элементы часто называют батарейками, однако это название неверно, т.к. батареей является соединение нескольких одинаковых устройств. Например, при последовательном соединении трех гальванических элементов образуется широко используемая 4,5 вольтовая батарейка.
Принцип действия гальванического элемента основан на взаимодействии двух металлов через электролит, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока. Напряжение зависит от использованных металлов. Некоторые из этих химических источников тока приведены в таблице 1.
| Тип источников тока | Катод | Электролит | Анод | Напряжение, В |
|---|---|---|---|---|
| Марганцево-цинковый | MnO 2 | KOH | Zn | 1,56 |
| Марганцево-оловянный | MnO 2 | KOH | Sn | 1,65 |
| Марганцево-магниевый | MnO 2 | MgBr 2 | Mg | 2,00 |
| Свинцово-цинковый | PbO 2 | H 2 SO 4 | Zn | 2,55 |
| Свинцово-кадмиевый | PbO 2 | H 2 SO 4 | Cd | 2,42 |
| Свинцово-хлорный | PbO 2 | HClO 4 | Pb | 1,92 |
| Ртутно-цинковый | HgO | KOH | Zn | 1,36 |
| Ртутно-кадмиевый | HgO 2 | KOH | Cd | 1,92 |
| Окисно-ртутно-оловянный | HgO 2 | KOH | Sn | 1,30 |
| Хром-цинковый | K 2 Cr 2 O 7 | H 2 SO 4 | Zn | 1,8-1,9 |
В продаже в основном представлены Марганцево-цинковые элементы, которые называют солевыми. Производители батареек обычно не указывают их химический состав. Это самые дешевые гальванические элементы, которые можно применять только в устройствах с низким потреблением, таких как часы, электронные термометры или пульты дистанционного управления. На рисунке 2 приведены внешний вид и внутреннее устройство солевого элемента питания.
Рисунок 2. Внешний вид и устройство "сухого" гальванического элемента
Не менее распространенным элементом питания являются щелочные марганцевые батарейки. В продаже их называют алкалиновыми, не утруждая себя переводом названия на русский язык. Внутреннее устройство алкалинового гальванического элемента показано на рисунке 2.
Рисунок 3. Внутреннее и устройство щелочного гальванического элемента
Эти химические источники тока обладают большей емкостью (2...3 A/ч) и они могут обеспечивать больший ток в течение длительного времени.Больший ток стал возможным, т.к. цинк используется не в виде стакана, а в виде порошка, обладающего большей площадью соприкосновения с электролитом. В качестве электролита применяется гидрооксид калия. Именно благодаря способности данного вида гальванических элементов в течение длительного времени отдавать значительный ток (до 1 A), наиболее распространен в настоящее время.
Еще одним достаточно распространенным видом гальванических элементов являются литиевые барарейки. Благодаря использованию щелочного металла они обладают высокой разностью потенциалов. Напряжение литиевых элементов равно 3 В. Однако на рынке представлены и 1,5 В литиевые батарейки. Эти элементы питания обладают наивысшей емкостью на единицу массы и длительным временем хранения. Применяются в основном для питания часов на материнских платах компьютеров и фототехнике. В качестве недостатка можно назвать высокую стоимость. Внешний вид литиевых батареек приведен на рисунке 4.
Рисунок 4. Внешний вид литиевых элементов питания
Следует отметить, что практически все гальванические элементы способны подзаряжаться от сетевых источников питания. Исключение составляют литиевые батарейки, которые при попытке подзаряда могут взорваться .
Для применения в различных устройствах батарейки были стандартизированы. Наиболее распространенные виды корпусов гальванических элементов приведены в таблице 2.
Для крепления батареек внутри корпуса радиоэлектронных устройств в настоящее время предлагаются готовые батарейные отсеки. Применение их позволяет значительно упростить разработку корпуса радиоэлектронного устройства и удешевить его производство. Внешний вид некоторых из них приведен на рисунке 5.
Рисунок 5. Внешний вид отсеков для крепления гальванических элементов питания
Первый вопрос, который волнует покупателей батареек — это время их работы. Оно зависит от технологии производства гальванического элемента. График типовой зависимости выходного напряжения от технологии производства элемента питания приведен на рисунке 5.
Рисунок 6. График времени работы элемента питания в зависимости от технологии производства при токе разряда 1 А
Результаты тестов батареек различных фирм, проведенные на сайте http://www.batteryshowdown.com/ приведены на рисунке 7.
Рисунок 7. График времени работы батареек различных фирм при токе разряда 1 А
И, наконец, давайте сделаем выводы где какой тип батареек имеет смысл применять, так как при приобретении батареек мы всегда стараемся получить максимум полезного эффекта при минимуме затрат.
- Не стоит покупать батарейки в киосках или на рынке. Обычно они там достаточно долго лежат и поэтому за счет саморазряда практически теряют свою емкость. Это может быть даже опасно для аппаратуры, т.к. при использовании дешевых гальванических элементов (батареек) из них может протечь электролит. Это приведет к выходу аппаратуры из строя! Покупать лучше в магазинах с хорошим оборотом товара.
- щелочные (алкалиновые) батарейки следует применять в устройствах, потребляющих достаточно большой ток, таких как фонарики, плееры или фотоаппараты. В малопотребляющих устройствах их срок работы не отличается от солевых батареек.
- Солевые («обычные», угольно-цинковые гальванические элементы), будут отлично работать в часах, ИК пультах и прочих устройствах, рассчитанных на работу от одного комплекта батарей в течении года и более. При этом они не могут работать на морозе.
- Самые экономически выгодные батарейки на сегодня — пальчиковые АА. Как мизинчиковые (АAА), так и большие (R20), при одной и той же емкости стоят дороже. Ёмкость современных батареек R20 почти такая же как и пальчиковых батареек АА, и это при в три раза больших размерах!
- Не стоит обращать внимание на раскрученные бренды. Гальванические элементы фирм Duracell и Energizer стоят в полтора-два раза дороже батареек остальных фирм и при этом работают примерно столько-же
Гальванический элемент - это химический источник тока, в котором энергия, выделяющаяся при протекании на электродах окислительно-восстановительной реакции, непосредственно преобразуется в электрическую энергию.
Рис. 9.2. Схема гальванического элемента Даниэля - Якоби
Здесь I - стакан, содержащий раствор ZnSO 4 в воде с погруженной в него цинковой пластинкой; II - стакан, содержащий раствор CuSO 4 в воде с погруженной в него медной пластинкой; III - солевой мостик (электролитический ключ), который обеспечивает перемещение катионов и анионов между растворами; IV - вольтметр (нужен для измерения ЭДС, но в состав гальванического элемента не входит).
Стандартный электродный потенциал цинкового электрода . Стандартный электродный потенциал медного электрода . Так как , то атомы цинка будут окисляться:
Электрод, на котором идет реакция восстановления или которыйпринимает катионы из электролита , называется катодом.
Через электролитический ключ происходит движение ионов в растворе: анионов SO 4 2- к аноду, катионов Zn 2+ к катоду. Движение ионов в растворе замыкает электрическую цепь гальванического элемента.
Реакции (а) и (б) называются электродными реакциями.
Складывая уравнения процессов, протекающих на электродах, получаем суммарное уравнение окислительно-восстановительной реакции, протекающей в гальваническом элементе:
В общем случае, суммарное уравнение окислительно-восстановительной реакции, протекающей в произвольном гальваническом элементе, можно представить в виде:
Схема гальванического элемента Даниэля - Якоби имеет вид:
Zn | ZnSO 4 || CuSO 4 | Cu
Максимальная разность потенциалов электродов, которая может быть получена при работе гальванического элемента, называется электродвижущей силой (ЭДС) элемента Е . Она вычисляется по формуле;
где n - число электронов в элементарном окислительно-восстановительном акте, F - число Фарадея.
Величина изменения изобарно-изотермического потенциала токообразующей реакции при стандартных условиях?G 0 связана с константой равновесия этой реакции К равн соотношением
| (9.6) |
Гальванические элементы являются первичными (однократно используемыми) химическими источниками тока (ХИТ). Вторичными (многократно используемыми) ХИТ являются аккумуляторы. Процессы, протекающие при разряде и заряде аккумуляторов, взаимнообратны.
Гальванические элементы, у которых электроды выполнены из одного и того же металла и опущены в растворы своих солей разной концентрации, называются концентрационными . Функцию анода в таких элементах выполняет металл, опущенный в раствор соли с меньшей концентрацией, например:
Пример 1. Составьте схему гальванического элемента, в основе которого лежит реакция: Mg + ZnSO 4 = MgSO 4 + Zn. Что является катодом и анодом в этом элементе? Напишите уравнения процессов, протекающих на этих электродах. Рассчитайте ЭДС элемента при стандартных условиях. Вычислите константу равновесия для токообразующей реакции.
Самодельный гальванический элемент для автономного питания
Элемент Вольта
Для питания и зарядки портативной электроники в тех местах, где нет электросети можно успешно использовать на ряду с другими источниками электроэнергии и простейшие химические источники тока, гальванические элементы.
Их использование возможно на дачах при долгосрочном проживании при отсутствии электросети,а также в отдалённых деревнях где или нет совсем электроэнергии, или постоянные перебои с электроснабжением. В советской России химические источники тока или гальванические элементы получили широкое распространение в радиолюбительской технике в середине прошлого столетия, так как эти источники просты в изготовлении и изготовляются из легкодоступных материалов.
Сейчас, когда портативная электроника стала очень экономична в плане электропотребления, её питание от самодельных химических источников тока может оказаться очень эффективным, так как такие источники тока с успехом применяли ещё на заре развития радиотехники. Тогда техника потребляла в разы больше электроэнергии чем современная аппаратура,а сейчас с развитием энергосберегающей светотехники. Например, светодиодной, на освещение тратится в 4-5 раз меньше электроэнергии, чем от потребления обычной лампочки. Также современные мобильные телефоны, КПК и другие гаджеты потребляют ни чуть не больше, а даже меньше, чем радиоаппаратура прошлых десятилетий.
Внимание!
В статье имеются орфографические и пунктуационные ошибки, т.к. материал взят с сайта http://soliaris2010.narod2.ru, и редактирование текста практически осталось как у оригинала. Не судите строго, пожалуйста...
ПРОСТЕЙШИЙ ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ, ЭЛЕМЕНТ ВОЛЬТА
Вольтов столб Первый химический источник тока был изобретён итальянским учёным Алессандро Вольта в 1800 году. Это был элемент Вольта — сосуд с солёной водой с опущенными в него цинковой и медной пластинками, соединенными проволокой. Затем учёный собрал батарею из этих элементов, которая впоследствии была названа Вольтовым столбом. Это изобретение впоследствии использовали другие учёные в своих исследованиях. Так, например, в 1802 году русский академик В. В. Петров сконструировал Вольтов столб из 2100 элементов для получения электрической дуги.
В 1836 году английский химик Джон Дэниель усовершенствовал элемент Вольта, поместив цинковый и медный электроды в раствор серной кислоты. Эта конструкция стала называться «элементом Даниэля».В 1859 году французский физик Гастон Планте изобрёл свинцово-кислотный аккумулятор. Этот тип элемента и по сей день используется в автомобильных аккумуляторах.В 1865 году французский химик Ж.Лекланше предложил свой гальванический элемент (элемент Лекланше), состоявший из цинкового стаканчика, заполненного водным раствором хлористого аммония или другой хлористой соли, в который был помещён агломерат из оксида марганца (IV) MnO2 с угольным токоотводом.
Модификация этой конструкции используется до сих пор в солевых батарейках для различных бытовых устройств.В 1890 году в Нью-Йорке Конрад Губерт, иммигрант из России, создаёт первый карманный электрический фонарик. А уже в 1896 году компания National Carbon приступает к массовому производству первых в мире сухих элементов Лекланше «Columbia». Самый долгоживущий гальванический элемент - серно-цинковая батарея, изготовленная в Лондоне в 1840 г. Подключенный к ней звонок работает и по сей день.
Простейший медно-цинковый элемент состоит из двух электродов-пластин, погруженных в раствор электролита, при погружении в электролит между металлами возникает разница потенциалов. При погружении в раствор повареной соли медной пластины и цинковой возникает разница потенциалов примерно в 1 вольт, и один элемент независимо от размеров имеет напряжение в один вольт, а мощность такого элемента зависит от его размеров и площади пластин погруженных в электролит. Для получения более высокого напряжение эти элементы, как и зоводские батарейки соеденяют последовательно для получения нужного напряжения.
ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕДНОЦИНКОВОГО ЭЛЕМЕНТА
Медно-цинковые источники тока. Производство этих химических источников тока началось еще в 1889 г. В настоящее время они выпускаются в небольших масштабах в виде элементов емкостью от 250 до 1000 А·ч. Гладкие цинковые пластины и пластины из смеси оксида меди, меди и связующего помещают в стеклянный или металлический сосуд с 20%-ным раствором NaОН. Элементы имеют напряжение 0,6-0,7 В и удельную энергию 25-30 Вт·ч/кг. К их достоинствам относится постоянство разрядного напряжения, очень малый саморазряд, безотказность в работе и невысокая цена. Применялись в системах сигнализации и связи на железных дорогах.
В реальных условиях энергоёмкость может сильно отличатся и зависит она от площади пластит, чистоты металлов и плотности электролита.Элемент собранный в литровой банке,с пластинами максимальной площади, двадцати процентным раствором соли в виде электролита, выдаёт напряжение от 0,6-1,1 вольта,10-20а/ч,но в таких элементах очень маленький разрядный ток маленький,и ток замыкания может быть около 100-150мА/ч.,а чем меньше подсоединенный источник потребляет, тем больше медно-цинковый элемент может вырабатывать электроэнергии. Элемент собранный в литровой банке при токе разряда 50 мА/ч проработает от 200часов до 400часов и более и более,но со временем пластины окисляются и напряжение падает и в итоге элемент перестаёт работать. Для восстановления элемента надо заменить электролит и очистить пластины от окисления и элемент снова будет работать.
Процесс окисления зависит от разрядного тока чем он выше,тем быстрее элемент выйдет из строя,но в среднем элемент в литровой банке до чистки и перезарядки,при разрядном токе 50 мА/ч проработает около 3-4 месяца,а при разрядном токе в 2-5 мА/ч его хватит на год и более.Простого литрового элемента не хватит для питания даже простого миниатюрного радиоприемника,и для того чтобы получить нужные характеристики нужно собрать блок из нескольких элементов.
Сейчас в основном вся портативная электроника питается напряжением в 3,6-4,5 вольта,и для того чтобы получить такие числа нужно соединить последовательно 4-5 таких элементов,если соединить 5 литровых элементов,то получится примерно 3,5-4,8 вольта, и ёмкость возрастает до 40-50 А/ч,а ток разряда может достигать 400-600 мА/ч,следовательно такой источник легко справится с питанием маленького радиоприёмника или светодиодного фонарика, а также с зарядкой миниатюрных аккумуляторов телефонов в течении 10-30 часов. Но для питания мощных светодиодных фонарей и питания современных телефонов и КПК такого источники будет маловато.
ДЛЯ СТАБИЛЬНОГО ДОЛГОСРОЧНОГО АВТОНОМНОГО ПИТАНИЯ ПОРТАТИВНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
понадобится что-то побольше, например, элемент ёмкостью как на рисунке, объем 40-50 литров,для стабильного питания портативных комнатных светодиодных светильников и другой техники. Для изготовления такого химического источника электроэнергии на понадобятся: 5 медных пластин размерами 20х40, и 5 таких же цинковых, далее на каждую пластинку нужно припаять или запрессовать путём загибания уголка пластины вставить проводок и заплющить молотком.
После надо пластины через электронопроводящие прокладки (деревянный брусочек или пластмассовая трубка) закрепить между собой, потом опускаем их в ёмкости с электролитом, это или раствор поваренной соли или раствор нашатыря или раствор серной кислоты (авто электролит), после соединяем получившиеся батарейки последовательно, то есть медная пластина одного элемента через проводок соединяется с цинковой пластиной другого элемента. В итоге, с одной стороны получившегося блока остаётся пластина медная с проводком (+), а с другой цинковая (-). Чем больше площадь пластин и чем лучше электролит, тем выше эффективность такого источника тока.
САМОДЕЛЬНЫЙ МЕДНО-КУПОРОСНЫЙ ЭЛЕМЕНТ
В этой самодельной конструкции из-за недоступности чистого цинка,применён алюминиевый электрод,но э.д.с. алюминия ниже чем у цинка,составляет 0,5 В, то есть одна банка даёт всего 0,5 вольт, из-за этого прибор состоит не из 4-х банок для напражения в 3,5-4 вольты,а из 6-ти,чтобы получить как минимум 3,6 вольт.
При испытании данного прибора не было никаких измерительных приборов, но как видно из фото,прибор свободно обеспечивает свечение 12-ти светодиодов-ток потребления150-200мА, и заряжает мобильный телефон-ток потребления около 400мА.
При испытании элемент зарядил батарею телефона ёмкостью 750мА за 2,40 минут.
Примерные технические характеристики батареи элементов, состоящей из 6-ти банок, емкостью 0,33л.: 3,7 Вольт, ток замыкания около 500мА, ёмкость 25-30А/ч.
В ходе испытания батарея элементов стабильно проработала на одной столовой ложке купороса около 100 часов при токе разряда примерно 200мА/ч,сейчас прибор так-же работает, но сила тока значительно меньше и составляет около 80мА/ч,купарос практически истрачен,таким образом если посчитать,то можно определить,сколько времени вообще элементы проработают на определённом количестве купороса, питая определенные приборы.
ПОРЯДОК ИЗГОТОВЛЕНИЯ
В ЭТОЙ КОНСТРУКЦИИ В КАЧЕСТВЕ АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОДА ИСПОЛЬЗОВАЛИСЬ АЛЮМИНИЕВЫЕ БАНКИ (ПИВНЫЕ) И ДРУГИЕ ИЗДЕЛИЯ ИЗ АЛЮМИНИЯ.
ЕСЛИ БУДУТ ИСПОЛЬЗОВАТЬСЯ АЛЮМИНИЕВЫЕ БАНКИ, ТО ИХ НУЖНО ТЩАТЕЛЬНО ЗАЧИСТИТЬ ОТ ЗАЩИТНОГО ВНУТРЕННЕГО СЛОЯ И ВНЕШНИХ НАДПИСЕЙ, ТАК КАК ОНИ НЕ ПРОПУСКАЮТ ТОК.
Сначала внутренняя поверхность банки обмазывается вазелином или салом на расстоянии 3-4 сантиметра от верхнего края банки,это делается для того чтобы предупредить выползание кристаллов солей из сосуда элемента.
Далее в цилиндре надо с одной стороны сделать двойные прорези на глубину 4-5 мм., и получившиеся скобки загнуть наружу,для того что-бы цилиндр висел на них, на горлышке банки, не доходя до дна банки на 5 см.,после изготовления припаять к нему медный провод,это и будет (+).
Далее изготавливается диафрагма,диафрагма изготавливается из картона,делается цилиндр из картона по длине банки,или короче банки на 5 см.,а потом к нему пришивается нитками картонное дно,так что-бы не оставалось щелей,а места сшивки пропитываются горячим парафином чтобы герметизировать дно от вытекания жидкости.
Далее на цилиндр плотно наматывают несколько слоёв пергамента или газетной бумаги,предварительно вымоченного в солёном растворе,чтобы не оставалось воздушных прослоек,а после получившейся "стакан" плотно обшивается обёрнутой в несколько слоёв тканью,для механической прочности.
Потом на верх диафрагмы наклеивают или пришивают кольцо,чтобы стакан не проваливался,и места крепления обмазывают горячим парафином,в кольце делают отверстие, через которое в банку наливается вода и вставляется мешалка для помешивания купороса.
Потом в диафрагму надо налить раствор поваренной соли и оставить на несколько часов,правильно собранная диафрагма не должна подтекать,а её поверхность должна быть всего-лишь влажной.далее по внутреннему диаметру диафрагмы изготавливается из листа цинка цилиндр к нему припаивается медный провод который будет служить (-),цинковый цилиндр должен свободно входить в диафрагму,но при этом быть как можно ближе к её стенкам,то есть ближе к медному цилиндру,чтобы уменьшить внутренне сопротивление,и соответственно повысить эффективность.
СБОРКА ЭЛЕМЕНТА.
В чистую банку,если 0,5л.,насыпают столовую ложку медного купороса,вставляют мешалку,а потом устанавливают диафрагму,наполненную раствором поваренной соли,после в то отверстие,которое для мешалки,в банку наливается вода,а за тем вставляется в диафрагму цинковый цилиндр,после сборки элемент полностью готов к работе,остаётся соединить элементы последовательно,как обычные батарейки,и питать и заряжать приборы.
Применение пористой диафрагмы обусловлено разделением электролитов, тоесть разделением кристаллов купороса,и соляного раствора от смешивания,иначе купорос бурно вступает в реакцию и слишком быстро расходуется, даже когда элемент не используется,а через диафрагму расход купороса равномерен и экономичен,что обеспечивает долгую работу источника тока-гальванического элемента..
Удод за элементом заключается в периодической заправке купороса, смене электролита и очистке от окисления электродов. При потреблении тока около 600мА(сотовый телефон), батарея состоящая из 4-х пол-литровых элементов элементов проработает на одной заправке купороса(4 стол.л.) около месяца,при условии использования его каждый день около 6 часов. .При падении мощности периодически мешалкой надо взбалтывать медный купорос.За время работы в течении месяца израсходуется около 100г.купороса, и 40г. цинка.
Примечание. Если заменить цинк на алюминий,то элементов надо не 4 или 5, а 6 или 7 ,соединенных последовательно,так как э.д.с. алюминия ниже чем у цинка,и состовляет 0,4-0,6 V.
Гальванический элемент – это источник электрической энергии, принцип действия основан на химических реакциях. Большинство современных батареек и аккумуляторов подпадает под определение и относится к рассматриваемой категории. Физически гальванический элемент состоит из проводящих электродов, погруженных в одну или две жидкости (электролиты).
Общая информация
Гальванические элементы делятся на первичные и вторичные в соответствии со способностью вырабатывать электрический ток. Оба вида считаются источниками и служат для различных целей. Первые вырабатывают ток в ходе химической реакции, вторые функционируют исключительно после зарядки. Ниже обсудим обе разновидности. По количеству жидкостей различают две группы гальванических элементов:
Непостоянство источников питания с единственной жидкостью заметил Ом, открыв неприемлемость гальванического элемента Волластона для экспериментов по исследованию электричества. Динамика процесса такова, что в начальный момент времени ток велик и вначале растёт, потом за несколько часов падает до среднего значения. Современные аккумуляторы капризны.
История открытия химического электричества
Мало известен факт, что в 1752 году гальваническое электричество упоминалось Иоганном Георгом. Издание Исследование происхождения приятных и неприятных ощущений, выпущенное Берлинской академией наук, даже придавало явлению вполне правильное толкование. Опыт: серебряную и свинцовую пластины соединяли с одного конца, а противоположные с разных сторон прикладывались к языку. На рецепторах наблюдается вкус железного купороса. Читатели уже догадались, описанный способ проверки батареек часто использовали в СССР.
Объяснение явления: видимо, имеются некие частицы металла, раздражающие рецепторы языка. Частицы испускаются одной пластиной при соприкосновении. Причём один металл при этом растворяется. Собственно, налицо принцип действия гальванического элемента, где цинковая пластина постепенно исчезает, отдавая энергию химических связей электрическому току. Объяснение сделано за полвека до официального доклада Королевскому обществу Лондона Алессандро Вольта об открытии первого источника питания. Но, как происходит часто с открытиями, к примеру, электромагнитным взаимодействием, опыт остался незамечен широкой научной общественностью и не исследован должным образом.
Добавим, это оказалось связано с недавней отменой преследования за колдовство: немногие решались после печального опыта «ведьм» на изучение непонятных явлений. Иначе обстояло дело с Луиджи Гальвани, с 1775 года работающим на кафедре анатомии в Болонье. Его специализаций считались раздражители нервной системы, но светило оставил значимый след не в области физиологии. Ученик Беккарии активно занимался электричеством. Во второй половине 1780 года, как следует из воспоминаний учёного (1791, De Viribus Electricitatis in Motu Muscylary: Commentarii Bononiensi, том 7, стр. 363), в очередной раз производилось препарирование лягушки (опыты и потом длились долгие годы).
Примечательно, что необычное явление подмечено ассистентом, в точности, как с отклонением стрелки компаса проводом с электрическим током: открытие сделали лишь косвенно связанные с научными исследованиями люди. Наблюдение касалось подергиваний нижних конечностей лягушки. В ходе опыта ассистент задел внутренний бедренный нерв препарируемого животного, ножки дёрнулись. Рядом, на столе стоял электростатический генератор, на приборе проскочила искра. Луиджи Гальвани немедленно загорелся идеей повторить опыт. Что удалось. И опять на машине проскочила искра.
Образовалась параллель связи с электричеством, и Гальвани возжелал узнать, станет ли на лягушку действовать подобным образом гроза. Оказалось, что природные катаклизмы не оказывают заметного воздействия. Лягушки, прикреплённые медными крючками за спинной мозг к железной ограде, дёргались вне зависимости от погодных условий. Опыты не удавалось реализовать со 100-процентной повторяемостью, атмосфера воздействия не оказывала. В итоге Гальвани нашёл сонм пар, составленных из разных металлов, которые при соприкосновении между собой и нервом вызывали подёргивание лапок у лягушки. Сегодня явление объясняют различной степенью электроотрицательности материалов. К примеру, известно, что нельзя алюминиевые пластины клепать медью, металлы составляют гальваническую пару с ярко выраженными свойствами.
Гальвани справедливо заметил, что образуется замкнутая электрическая цепь, предположил, что лягушка содержит животное электричество, разряжаемое подобно лейденской банке. Алессандро Вольта не принял объяснения. Внимательно изучив описание экспериментов, Вольта выдвинул объяснение, что ток возникает при объединении двух металлов, непосредственно или через электролит тела биологического существа. Причина возникновения тока кроется в материалах, а лягушка служит простым индикатором явления. Цитата Вольты из письма, адресованного редактору научного журнала:
Проводники первого рода (твёрдые тела) и второго рода (жидкости) при соприкосновении в некоторой комбинации рождают импульс электричества, сегодня нельзя объяснить причины возникновения явления. Ток течёт по замкнутому контуру и исчезает, если целостность цепи нарушена.
Вольтов столб
Лепту в череду открытий внёс Джованни Фаброни, сообщивший, что при размещении двух пластинок гальванической пары в воду, одна начинает разрушаться. Следовательно, явление имеет отношение к химическим процессам. А Вольта тем временем изобрёл первый источник питания, долгое время служивший для исследования электричества. Учёный постоянно искал способы усиления действия гальванических пар, но не находил. В ходе опытов создана конструкция вольтова столба:
- Попарно брались цинковые и медные кружки в плотном соприкосновении друг с другом.
- Полученные пары разделялись мокрыми кружками картона и ставились друг над другом.
Легко догадаться, получилось последовательное соединение источников тока, которые суммируясь, усиливали эффект (разность потенциалов). Новый прибор вызывал при прикосновении ощутимый для руки человека удар. Подобно опытам Мушенбрука с лейденской банкой. Однако для повторения эффекта требовалось время. Стало очевидно, что источник энергии имеет химическое происхождение и постепенно возобновляется. Но привыкнуть к понятию нового электричества оказалось непросто. Вольтов столб вёл себя подобно заряженной лейденской банке, но…
Вольта организует дополнительный эксперимент. Снабжает каждый из кружков изолирующей ручкой, приводит в соприкосновение на некоторое время, потом размыкает и проводит исследование электроскопом. К тому времени уже стал известен закон Кулона, выясняется, что цинк зарядился положительно, а медь – отрицательно. Первый материал отдал электроны второму. По указанной причине цинковая пластина вольтова столба постепенно разрушается. Для изучение работы назначили комиссию, которой представили доводы Алессандро. Уже тогда путём умозаключений исследователь установил, что напряжение отдельных пар складывается.
Вольта объяснил, что без мокрых кружков, прокладываемых между металлами, конструкция ведёт себя как две пластинки: медная и цинковая. Усиления не происходит. Вольта нашёл первый ряд электроотрицательности: цинк, свинец, олово, железо, медь, серебро. И если исключить промежуточные металлы между крайними, «движущая сила» не изменяется. Вольта установил, что электричество существует, пока соприкасаются пластины: сила не видна, но легко чувствуется, следовательно, она истинна. Учёный 20 марта 1800 года пишет президенту Королевского общества Лондона сэру Джозефу Бэнксу, к которому обращался впервые и Майкл Фарадей.
Английские исследователи быстро обнаружили: если на верхнюю пластину (медь) капнуть воды, в указанной точке в районе контакта выделяется газ. Они проделали опыт с обоих сторон: провода подходящей цепи заключили в колбы с водой. Газ исследовали. Оказалось, что газ горючий, выделяется лишь с единственной стороны. С противоположной заметно окислилась проволока. Установлено, что первое является водородом, а второе явление происходит вследствие избытка кислорода. Установлено (2 мая 1800 года), что наблюдаемый процесс – разложение воды под действием электрического тока.
Уильям Крукшенк немедленно показал, что аналогичное допустимо проделать с растворами солей металлов, а Волластон окончательно доказал идентичность вольтова столба статическому электричеству. Как выразился учёный: действие слабее, но обладает большей продолжительностью. Мартин Ван Марум и Христиан Генрих Пфафф зарядили от элемента лейденскую банку. А профессор Хампфри Дэви установил, что чистая вода не может служить в этом случае электролитом. Напротив, чем сильнее жидкость способна окислять цинк, тем лучше действует вольтов столб, что вполне согласовывалось с наблюдениями Фаброни.
Кислота намного улучшает работоспособность, ускоряя процесс выработки электричества. В конце концов Дэви создал стройную теорию вольтова столба. Он пояснил, что металлы изначально обладают неким зарядом, при замыкании контактов вызывающим действие элемента. Если электролит способен окислять поверхность донора электронов, слой истощённых атомов постепенно удаляется, открывая новые слои, способные давать электричество.
В 1803 году Риттер собрал столб из чередующихся кружков серебра и мокрого сукна, прообраз первого аккумулятора. Риттер зарядил его от вольтова столба и наблюдал процесс разрядки. Правильное толкование явлению дал Алессандро Вольта. И лишь в 1825 году Огюст де ла Рив доказал, что перенос электричества в растворе осуществляется ионами вещества, наблюдая образование оксида цинка в камере с чистой водой, отделённой от соседней мембраной. Заявление помогло Берцелиусу создать физическую модель, в которой атому электролита представлялись составленными из двух противоположно заряженных полюсов (ионов), способных диссоциировать. В результате получилась стройная картина переноса электричества на расстояние.