Гальванические элементы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Гальванические элементы

Автор:

Ощепков Никита,

8 «а» класс,

2009год, г. Нытва.

Введение

Химические источники тока в течение многих лет прочно вошли в нашу жизнь. В быту потребитель редко обращает внимание на отличия используемых ХИТ. Для него это батарейки и аккумуляторы. Обычно они используются в устройствах таких, как карманные фонари, игрушки, радиоприемники или автомобили. В том случае, когда потребляемая мощность относительно велика (10Ач), используются аккумуляторы, в основном кислотные, а также никель-железные и никель-кадмиевые. Они применяются в ноутбуках, носимых средствах связи, аварийном освещении и пр.

В последние годы такие аккумуляторы широко применяются в резервных источниках питания ПК и электромеханических системах, накапливающих энергию для возможных пиковых нагрузок и аварийного питания электроэнергией жизненно-важных систем.

1. Гальванические источники тока

Гальванические источники тока одноразового действия представляют собой унифицированный контейнер, в котором находятся электролит, абсорбируемый активным материалом сепаратора, и электроды (анод и катод), поэтому они называются сухими элементами. Этот термин используется применительно ко всем элементам, не содержащим жидкого электролита. К обычным сухим элементам относятся углеродно-цинковые элементы.

Сухие элементы применяются при малых токах и прерывистых режимах работы. Поэтому такие элементы широко используются в телефонных аппаратах, игрушках, системах сигнализации и др.

Действие любого гальванического элемента основано на протекании в нем окислительно-восстановительной реакции. В простейшем случае гальванический элемент состоит из двух пластин или стержней, изготовленных из различных металлов и погруженных в раствор электролита. Такая система делает возможным пространственное разделение окислительно-восстановительной реакции: окисление протекает на одном металле, а восстановление - на другом. Таким образом, электроны передаются от восстановителя к окислителю по внешней цепи.

Рассмотрим в качестве примера медно-цинковый гальванический элемент, работающий за счет энергии приведенной выше реакции между цинком и сульфатом меди. Этот элемент (элемент Якоби-Даниэля) состоит из медной пластины, погруженной в раствор сульфата меди (медный электрод), и цинковой пластины, погруженной в раствор сульфата цинка (цинковый электрод). Оба раствора соприкасаются друг с другом, но для предупреждения смешивания они разделены перегородкой, изготовленной из пористого материала.

При работе элемента, т.е. при замкнутой цепи, цинк окисляется: на поверхности его соприкосновения с раствором атомы цинка превращаются в ионы и, переходят в раствор. Высвобождающиеся при этом электроны движутся по внешней цепи к медному электроду.

Вся совокупность этих процессов схематически изображается уравнением полуреакции, или электрохимическим уравнением:

Zn = Zn2+ + 2e-

На медном электроде протекает восстановление ионов меди. Электроны, приходящие сюда от цинкового электрода, соединяются с выходящими из раствора дегидратирующимися ионами меди; образуются атомы меди, выделяющиеся в виде металла. Соответствующее электрохимическое уравнение имеет вид:

Cu2+ + 2e- = Cu

Суммарное уравнение реакции, протекающей в элементе, получится при сложении уравнений обеих полуреакций. Таким образом, при работе гальванического элемента, электроны от восстановителя переходят к окислителю по внешней цепи, на электродах идут электрохимические процессы, в растворе наблюдается направленное движение ионов.

Электрод, на котором протекает окисление, называется анодом(цинк). Электрод, на котором протекает восстановление, называется катодом (медь).

В принципе электрическую энергию может дать любая окислительно-восстановительная реакция. Однако, число реакций, практически используемых в химических источниках электрической энергии, невелико. Это связано с тем, что не всякая окислительно-восстановительная реакция позволяет создать гальванический элемент, обладающий технически ценными свойствами. Кроме того, многие окислительно-восстановительные реакции требуют расхода дорогостоящих веществ.

В отличие от медно-цинкового элемента, во всех современных гальванических элементах и аккумуляторах используют не два, а один электролит; такие источники тока значительно удобнее в эксплуатации.

2. Типы гальванических элементов

2.1 Солевые элементы

Цилиндрические и призматические элементы и батареи с солевым электролитом, могукт содержат ртуть и кадмий. (Новые элементы не содержат ртуть и кадмий) Имеют самую низкую электрическую емкость и небольшой срок хранения до начала эксплуатации (до 3 лет). Такие элементы сейчас изготавливаются в основном в Китае.

2.2 Щелочные элементы (Алкаиновые)

Как и в угольно-цинковых, в щелочных элементах используется анод из MnO2 и цинковый катод с разделенным электролитом.

Примененяется щелочный электролит, вследствие чего

газовыделение при разряде фактически отсутствует, и их можно

выполнять герметичными, что очень важно для целого ряда их

применений.

Не содержат кадмия и ртути. Элементы этой группы обладают электрической емкостью в несколько раз большей, чем солевые, и имеют срок хранения 5-7 лет.

Применение элементов этой группы особенно эффективно в изделиях с высоким током потребления, таких, как плееры, фонари, фотовспышки, электронные игрушки, переносные ТВ, кинокамеры, приборы и пр.

Особенностями этого типа элементов являются:

-- широкий диапазон токов разряда;

-- более низкое и стабильное внутреннее сопротивление, чем у солевых элементов;

-- улучшенные низкотемпературные рабочие характеристики;

-- удельная энергия выше, чем у солевых элементов;

-- низкий саморазряд.

Солевые батарейки имеют замечательное свойство - во время "отдыха" они слегка восстанавливают заряд. Поэтому батарейка, работающая с перерывами (хотя бы в час), прослужит, немного дольше, чем батарейка, из которой "вытягивают" все электричество за один раз. Солевые батарейки не рекомендуется нагружать более двух часов. Если вы хотите на даче слушать целый день радиоприемник, то возьмите с собой два комплекта батареек и меняйте их каждые два часа (один комплект работает - второй "отдыхает") - так они прослужат дольше.

Тестеры-индикаторы, присутствующие на дорогих моделях Duracell и Energizer - скорее рекламный ход, чем действительно полезное достоинство батареек. Особо доверять этим индикаторам не стоит - их показания очень приблизительны. Зато их наличие ощутимо увеличивает стоимость элемента.

Теперь о сроке хранения, указываемом на батарейках. При покупке щелочных батареек легко заметить, что он гораздо больший, чем у солевых. Основным параметром "свежести" батареек, естественно, является их емкость, а мы уже говорили, что щелочные элементы теряют емкость медленнее солевых. Предельной датой хранения принято указывать время, когда батарейка при нормальных условиях хранения (20 С0) сохранит 80% емкости для солевых элементов или 90% емкости для щелочных.

Солевые батарейки легко отличить от щелочных по пластмассовому ободку вокруг положительного вывода.

Чаще всего в быту используются Солевые и Алкаиновые ГЭ.

Остальные типы встречаются довольно редко

2.3 Угольно-цинковые элементы

В угольно-цинковых элементах используется пассивный (угольный) коллектор тока в контакте с анодом из двуокиси марганца (MnO2), электролит из хлорида аммония и катодом из цинка. Электролит находится в пастообразном состоянии или пропитывает пористую диафрагму. Такой электролит мало подвижен и не растекается, поэтому элементы называются сухими.

Угольно-цинковые элементы "восстанавливаются" в течении перерыва в работе. Это явление обусловлено постепенным выравниванием локальных неоднородностей в композиции электролита, возникающих в процессе разряда. В результате периодического "отдыха" срок службы элемента продлевается.

Достоинством угольно-цинковых элементов является их относительно низкая стоимость. К существенным недостаткам следует отнести значительное снижение напряжения при разряде, невысокую удельную мощность (5...10 Вт/кг) и малый срок хранения.

Низкие температуры снижают эффективность использования гальванических элементов, а внутренний разогрев батареи его повышает. Повышение температуры вызывает химическую коррозию цинкового электрода водой, содержащейся в электролите, и высыхание электролита. Эти факторы удается несколько компенсировать выдержкой батареи при повышенной температуре и введением внутрь элемента, через предварительно проделанное отверстие, солевого раствора.

Цилиндрические и призматические элементы и батареи марганцево-цинковой системы с солевым электролитом, не содержащие ртути и кадмия. Отличаются высокой электрической емкостью и длительным сроком хранения до начала эксплуатации (3-5 лет).

Особенностями этого типа элементов являются:

-- повышенная электрическая емкость по сравнению с обычными солевыми батарейками;

-- экономичность с точки зрения затрат на час пользования при низких и умеренных токах разряда;

-- широкая гамма типоразмеров;

-- меньшая чувствительность к изменению графика разряда по сравнению с обычными солевыми батарейками;

-- более высокие низкотемпературные характеристики и более низкое внутреннее сопротивление по сравнению с обычными солевыми батарейками.

2.4 Ртутные элементы

Ртутные элементы очень похожи на щелочные элементы. В них используется оксид ртути (HgO). Катод состоит из смеси порошка цинка и ртути. Анод и катод разделены сепаратором и диафрагмой, пропитанной 40% раствором щелочи.

Так как ртуть дефицитна и токсична, ртутные элементы не следует выбрасывать после их полного использования. Они должны поступать на вторичную переработку.

Напряжение 0,9-1,4 В (см. таблицу 1)

2.5 Серебряные элементы

Они имеют "серебряные" катоды из Ag2O и AgO.

Могут работать при очень низких температурах (до -600)

Напряжение 1,5 В.

2.6 Литиевые элементы

В них применяются литиевые аноды, органический электролит и катоды из различных материалов. Они обладают очень большими сроками хранения, высокими плотностями энергии и работоспособны в широком интервале температур, поскольку не содержат воды.

Так как литий обладает отрицательным наивысшим потенциалом по отношению ко всем металлам, литиевые элементы характеризуются наибольшим номинальным напряжением при минимальных габаритах.

Ионная проводимость обеспечивается введением в растворители солей, имеющих анионы больших размеров.

К недостаткам литиевых элементов следует отнести их относительно высокую стоимость, обусловленную высокой ценой лития, особыми требованиями к их производству (необходимость инертной атмосферы, очистка неводных растворителей). Следует также учитывать, что некоторые литиевые элементы при их вскрытии взрывоопасны.

Литиевые элементы широко применяются в резервных источниках питания схем памяти, измерительных прибора, и прочих высокотехнологичных системах. Срок хранения до 15 лет.

Напряжение до 3,6 В

3. Основные сведения о гальванических элементах и их сравнение

Не кладите элементы на солнце - перегрев отрицательно сказывается на работоспособности. Использование батареек на холоде укорачивает жизнь батарейки (чем ниже температура, тем меньше продолжительность работы). Хранение батареек в холодных местах не снижает их заряд (при длительном хранении даже рекомендуется класть батарейки в холодильник), но имейте в виду, что перед использованием холодная батарейка должна полностью прогреться (желательно сутки).

Использованные элементы старайтесь не складывать дома, а выбрасывать. Некоторые исследования показывают, что испарения от батареек вредны для здоровья.

Таблица. Размеры и обозначения элементов питания

* В настоящее время эти стандарты относительно батареек уже не действуют, но для обозначения размеров продолжают применяться.

Таблица. Сравнительная таблица типов батареек

Требования Международной электрической комиссии относительно унификации размеров источников тока позволяют заменять батарейки одного производителя на батарейки другого, тем самым, создавая возможности для вольного потребительского выбора.

На батарейке можно увидеть сразу несколько обозначений ее размеров.

По российскому законодательству цилиндрические батарейки в зависимости от диаметра и высоты обозначают от R06 до R27, американские нормы диктуют буквенную маркировку. Для бытовой техники могут быть нанесены дополнительные надписи.

Конструкция солевых батареек гораздо проще щелочных. Самые простые конструкции мало защищены от протекания электролита через плохо загерметизированный корпус и в связи с его разрушением химической реакцией. Модифицированные конструкции солевых элементов питания имеют дополнительный корпус, защищающий от протекания электролита. Щелочные батарейки имеют более сложную конструкцию, они полностью загерметизированы. Однако за это надо и платить дороже.

Щелочные батарейки теряют в год до 10% емкости, солевые батарейки разряжаются еще быстрее.

A

также: R10, 332 -- типоразмер батареек и аккумуляторов. Длина -- 37 мм, диаметр -- 21 мм. Номинальное напряжение -- 1,5 В у батареек. В настоящее время большинством производителей не выпускаются.

D

также R20, 373 -- типоразмер батареек. В СССР имели обозначение 373.

Длина -- 61,5 мм, диаметр -- 34,2 мм. Напряжение -- 1,5 В. Типичная ёмкость щелочной (алкалиновой) батарейки -- 20 500 мАч.

2CR5

-- формат литиевых батарей питания для мелкой бытовой техники (например, фотоаппараты). Напряжение питания -- 6 В. К плюсам этих батарей можно отнести их выдающуюся морозоустойчивость, плоскую кривую разряда, возможность очень длительного хранения без использования и большую электрическую ёмкость на единицу веса по сравнению с традиционными батареями.

Другие названия: DL245 EL2CR5 RL2CR5

CR-V3

-- формат литиевых батарей питания для мелкой бытовой техники (например, фотоаппараты). Напряжение питания -- 3 В. К плюсам этих батарей можно отнести их выдающуюся морозоустойчивость, плоскую кривую разряда, возможность очень длительного хранения без использования и большую электрическую ёмкость на единицу веса по сравнению с традиционными батареями. Во многих устройствах (исходя из формы батарейного отсека) есть возможность замены двух батарей или аккумуляторов типа AA на CR-V3.

Существуют перезаряжаемые литий-ионные аккумуляторные батареи этого стандарта. Более точно аккумуляторы этого стандарта следует называть уже не CR-V3 (что часто встречается), а RCR-V3 (от англ. Rechargeable -- перезаряжаемый).

«Крона»

также PP3 -- типоразмер батареек. Название происходит от марки выпускавшихся в СССР угольно-марганцевых батареек этого типоразмера «Крона ВЦ».

Размеры: 48,5 мм ? 26,5 мм ? 17,5 мм. Напряжение -- 9 В. Типичная ёмкость щелочной батарейки -- 625 мАч.

Батарея «Крона» имеет ёмкость (по паспорту) 0.5 А·ч, реально (за счёт саморазряда при хранении) в два -- три раза меньше. Внутреннее сопротивление батареи «Крона» (порядок) 34 Ома.

4. Самые распространённые в быту типы ГЭ

AA (также: R6, 316) -- типоразмер батареек и аккумуляторов. Длина -- 50,5 мм, диаметр -- 14,5 мм. Номинальное напряжение -- 1,5 В у батареек.

AAA -- типоразмер батареек и аккумуляторов. Длина -- 44,5 мм, диаметр -- 10,5 мм, масса обычно около 12 граммов. Напряжение -- 1,5 В у щелочных батареек. Типичная ёмкость щелочной батарейки -- 1250 мАч. В разговорной речи часто называются «мизинчиковыми». Такой тип батареек обычно используется в различных маленьких электронных устройствах, например в пультах дистанционного управления телевизором, портативных MP3 плеерах, фотоаппаратах, в различных беспроводных устройствах

Вывод

гальванический элемент источник ток батарейка

В быту чаще всего применимы Алкаиновые и солевые ГЭ типоразмеров АА и ААА.

Щелочные дороже солевых, но АА и ААА стоят примерно одинаково

Список используемой литературы:

1. Электротехнический справочник. В 3-х т. Т.2. Электротехнические изделия и устройства/под общ. Ред. профессоров МЭИ (гл. ред. И. Н. Орлов) и др. 7 изд. 6 испр. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1986. 712 с.

2. Н.Л. Глинка. Общая химия. Издательство "Химия" 1977.

3. Багоцкий В.С., Скундин А.М. Химические источники тока. М.: Энергоиздат, 1981. 360 с.

Размещено на Allbest.ru