תאים וסוללות גלווניים - מכשיר, עקרון הפעולה, סוגים

מקורות כוח נמוכים של אנרגיה חשמלית

תאים וסוללות גלווניים משמשים להפעלת ציוד חשמלי ורדיו נייד.

תאים גלווניים - אלו הם מקורות לפעולות חד פעמיות, מצברים - מקורות פעולה לשימוש חוזר.

האלמנט הגלווני הפשוט ביותר

האלמנט הפשוט ביותר יכול להיות עשוי משתי רצועות: נחושת ואבץ טבולים במים מחומצים מעט עם חומצה גופרתית. אם האבץ טהור מספיק כדי שלא יהיו תגובות מקומיות, לא יחול שינוי ניכר עד שהנחושת והאבץ יוכנסו זה לזה.

עם זאת, לרצועות יש פוטנציאל שונה, אחד ביחס לשני, וכאשר הם מחוברים באמצעות חוט, יופיעו חַשְׁמַל... על ידי פעולה זו רצועת האבץ תתמוסס בהדרגה ויווצרו בועות גז ליד אלקטרודת הנחושת, המתאספות על פני השטח שלה. גז זה הוא מימן שנוצר על ידי האלקטרוליט. זרם חשמלי זורם מרצועת הנחושת לאורך החוט אל פס האבץ, וממנו דרך האלקטרוליט חזרה לנחושת.

בהדרגה, החומצה הגופרתית של האלקטרוליט מוחלפת באבץ סולפט הנוצר מהחלק המומס של אלקטרודת האבץ. זה מפחית את המתח של התא. עם זאת, ירידת מתח גדולה עוד יותר נגרמת על ידי היווצרות בועות גז על הנחושת. שתי הפעולות גורמות ל'קיטוב'. לפריטים כאלה אין כמעט ערך מעשי.

פרמטרים חשובים של תאים גלווניים

גודל המתח שניתן על ידי תאים גלווניים תלוי רק בסוגם ובמכשירם, כלומר בחומר האלקטרודות ובהרכב הכימי של האלקטרוליט, אך אינו תלוי בצורתם ובגודלם של התאים.

הזרם שתא גלווני יכול לספק מוגבל על ידי ההתנגדות הפנימית שלו.

מאפיין חשוב מאוד של התא הגלווני הוא קיבולת חשמלית... קיבולת חשמלית פירושה כמות החשמל שתא גלווני או תא אחסון מסוגל לספק לאורך פעולתו, כלומר עד תחילת הפריקה הסופית.

הקיבולת הניתנת על ידי התא נקבעת על ידי הכפלת עוצמת זרם הפריקה, מבוטא באמפר, בזמן בשעות שבהן התא היה פרוק עד לתחילת הפריקה המלאה. לכן, הקיבולת תמיד מתבטאת באמפר-שעה (Ah).

לפי ערך הקיבולת של התא, ניתן גם לקבוע מראש כמה שעות הוא יעבוד לפני תחילת הפריקה המלאה. כדי לעשות זאת, אתה צריך לחלק את הקיבולת בעוצמת זרם הפריקה המותר עבור אלמנט זה.

עם זאת, הקיבולת אינה קבועה לחלוטין. זה משתנה בגבולות גדולים למדי בהתאם לתנאי ההפעלה (מצב) של האלמנט ומתח הפריקה הסופי.

אם התא יפרק בזרם מירבי, ויתרה מכך, ללא הפרעות, הוא ייתן קיבולת נמוכה בהרבה. להיפך, כאשר אותו תא נפרק בזרם נמוך יותר ועם הפסקות תכופות וארוכות יחסית, התא יוותר על מלוא הקיבולת שלו.

באשר להשפעת מתח הפריקה הסופי על קיבולת התא, יש לזכור שבמהלך פריקת התא הגלווני, מתח הפעולה שלו אינו נשאר באותה רמה, אלא יורד בהדרגה.

סוגים נפוצים של תאים אלקטרוכימיים

התאים הגלווניים הנפוצים ביותר הם מערכות מנגן-אבץ, מנגן-אוויר, אוויר-אבץ וכספית-אבץ עם מלח ואלקטרוליטים אלקליין.תאי מנגן-אבץ יבשים עם אלקטרוליט מלח הם בעלי מתח התחלתי של 1.4 עד 1.55 וולט, משך הפעולה. בטמפרטורת סביבה של -20 עד -60 Оמ-7 עד 340 בבוקר

תאי אבץ-מנגן ואבץ-אוויר יבשים עם אלקטרוליט אלקליין הם בעלי מתח של 0.75 עד 0.9 וולט וזמן פעולה של 6 שעות עד 45 שעות.

לתאי כספית-אבץ יבשים יש מתח התחלה של 1.22 עד 1.25 וולט וזמן פעולה של 24 שעות עד 55 שעות.

לתאי כספית-אבץ יבשים יש את חיי המדף המובטחים הארוכים ביותר של עד 30 חודשים.

סוללות

סוללות מדובר בתאים אלקטרוכימיים משניים, בניגוד לתאים גלווניים, לא מתרחשים תהליכים כימיים בסוללה מיד לאחר ההרכבה.

על מנת שהסוללה תתחיל תגובות כימיות הקשורות לתנועת מטענים חשמליים, יש צורך לשנות כראוי את ההרכב הכימי של האלקטרודות שלה (ובחלקו של האלקטרוליט).שינוי זה בהרכב הכימי של האלקטרודות מתרחש תחת פעולת זרם חשמלי העובר דרך הסוללה.

לכן, כדי שסוללה תייצר זרם חשמלי, תחילה יש "להטעין" אותה בזרם חשמלי ישר ממקור זרם חיצוני כלשהו.

סוללות נבדלות גם מתאי גלווני קונבנציונליים בכך שלאחר הפריקה ניתן להטעין אותן מחדש. בטיפול טוב ובתנאי הפעלה רגילים, סוללות יכולות להחזיק עד כמה אלפי טעינות ופריקות.
מכשיר המופעל באמצעות סוללה

כיום, סוללות עופרת וקדמיום ניקל משמשות לרוב בפועל. בתמיסה הראשונה של חומצה גופרתית משמשת כאלקטרוליט, ובתמיסה השנייה של אלקלי במים. סוללות חומצה עופרת נקראות גם חומצה, וסוללות ניקל-קדמיום-אלקליות.

עקרון הפעולה של סוללות מבוסס על הקיטוב של האלקטרודות במהלך אלקטרוליזה... סוללת החומצה הפשוטה ביותר בנויה באופן הבא: היא שתי לוחות עופרת טבולות באלקטרוליט. כתוצאה מתגובת ההחלפה הכימית, הלוחות מכוסים בציפוי דק של עופרת סולפט PbSO4, כדלקמן מהנוסחה Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2.

מכשיר סוללת חומצה

מצב זה של הלוחות מתאים לסוללה ריקה. אם הסוללה מופעלת כעת לטעינה, כלומר מחוברת למחולל זרם ישר, אז הקיטוב של הלוחות יתחיל בה עקב אלקטרוליזה. כתוצאה מטעינת הסוללה, הלוחות שלה מקוטבים, כלומר משנים את החומר על פני השטח שלהם ומהומוגניות (PbSO4) לשונה (Pb ו-PbO2).

הסוללה הופכת למקור הזרם, עם לוח מצופה בעופרת דו-חמצנית בתור האלקטרודה החיובית ולוח עופרת נקי בתור האלקטרודה השלילית.

בסיום הטעינה, ריכוז האלקטרוליט עולה עקב הופעת מולקולות חומצה גופרתית נוספות בו.

זהו אחד המאפיינים של סוללת העופרת-חומצה: האלקטרוליט שלה אינו נשאר ניטרלי ובעצמו משתתף בתגובות כימיות במהלך פעולת הסוללה.

בסוף הפריקה, שני הלוחות של הסוללה מכוסים שוב בעופרת גופרתית, וכתוצאה מכך הסוללה מפסיקה להיות מקור זרם. הסוללה לעולם אינה מובאת למצב זה. עקב היווצרות עופרת גופרתית על הלוחות, ריכוז האלקטרוליט יורד בסוף הפריקה. אם הסוללה טעונה, אז הקיטוב יכול להיגרם שוב כדי להכניס אותה לפריקה שוב וכו'.

כיצד לטעון את הסוללה

ישנן מספר דרכים לטעון את הסוללות. הפשוטה ביותר היא הטעינה הרגילה של הסוללה, המתבצעת באופן הבא. בתחילה, במשך 5 - 6 שעות, הטעינה מתבצעת בזרם כפול רגיל עד שהמתח של כל סוללה מגיע ל-2.4 וולט.

זרם הטעינה הרגיל נקבע על ידי הנוסחה Aztax = Q / 16

כאשר Q - קיבולת נומינלית של הסוללה, Ah.

לאחר מכן, זרם הטעינה מצטמצם לערך תקין והטעינה נמשכת 15-18 שעות עד להופעת סימנים לסיום הטעינה.

סוללות מודרניות

סוללות ניקל-קדמיום או אלקליין הופיעו מאוחר יותר מאשר סוללות עופרת, ובהשוואה אליהן הן מקורות מודרניים יותר של זרם כימי.היתרון העיקרי של סוללות אלקליין על סוללות עופרת טמון בניטרליות הכימית של האלקטרוליט שלהן ביחס למסה הפעילה של הלוחות. לכן, הפריקה העצמית של סוללות אלקליין נמוכה משמעותית מזו של סוללות עופרת. עקרון הפעולה של סוללות אלקליין מבוסס גם על הקיטוב של האלקטרודות במהלך האלקטרוליזה.

כדי להפעיל ציוד רדיו, מיוצרות סוללות קדמיום-ניקל אטומות, היעילות בטמפרטורות של -30 עד +50 ОC ועומדות 400 - 600 מחזורי טעינה-פריקה. מצברים אלה עשויים בצורת מקבילים קומפקטיים ודיסקים במשקל של כמה גרמים עד קילוגרמים.

סוללות ניקל-מימן מיוצרות כדי להפעיל אובייקטים אוטונומיים. האנרגיה הספציפית של סוללת ניקל-מימן היא 50 - 60 וואט ק"ג-1.