Объясняем и показываем принцип работы батарейки

В каждом доме есть много вещей и техники, которая работает с помощью батареек — пульт от телевизора, компьютерные мышки, фонарики и даже детские игрушки — различные машинки, роботы, собачки и т.д. Поэтому нам трудно представить, как можно обходиться без батареек.

Но как же все таки электрический ток попадает внутрь этих наших помощников? Ведь именно благодаря содержащемуся в батарейках электрическому току работают нужные нам приборы и игрушки.

Откуда в батарейках электрический ток

Ещё с давних времён люди замечали, что если потереть янтарь о шерсть то к нему начинают прилипать тонкие соломинки, это был первый опыт электрического явления. При натирании янтарь получал электрический заряд, который притягивал к себе кусочки сухой соломы.

  • Намного позже, в средние века, учёные применили этот опыт в своих исследованиях.Они стали натирать различные предметы и увидели, что некоторые из них, участвовавшие в эксперименте, притягивались друг к другу, а некоторые отталкивались.
  • Этот опыт помог определить, что одна часть предметов была положительно заряжена, а другая отрицательно заряжена.
  • Между заряженными телами всегда происходит интересный процесс. Если положить рядом предметы с одинаковыми зарядами они начнут, как бы отталкивать друг друга, но если вы положите не далеко друг от друга предметы с разными зарядами, они начнут притягиваться друг к другу.
  • Многих учёных того времени удивляла способность морского ската наносить удар в виде электрического разряда, но ни кто не мог объяснить как удаётся этому существу накопить ток для разряда такой силы и откуда берётся ток в этой рыбе.

Итальянский химик и физик Алессандро Вольта обратил внимание на повторяющуюся комбинацию пластинок на спине ската и решил создать точный макет этой конструкции.

Он скопировал комбинацию на спине ската, используя медные пластины круглой формы. На медную пластину ученый положил кусок картона смоченного в растворе кислоты и затем всё повторил, пока не получился столб из медных пластин и смоченных в кислоте картонок.

Присоединив к концам столба провода, Вольта ощутил ток, и этот ток был постоянным, благодаря химической реакции, которая проходила между пластинами и кислотой. Электричество текло постоянно, как поток воды именно поэтому его назвали электрический ток.

Это был прообраз современной батарейки. Первые современные батарейки работали по такому же принципу.

Если в раствор серной кислоты поместить металл он начнёт растворяться и в раствор перейдут положительно заряженные частицы, а отрицательно заряженные частички останутся в металле и он станет отрицательно заряженным. В наше время для создания батареек уже не используют кислоту. Состав современных батареек более сложный, но работают они по тому же принципу.

Корпус батарейки сделан из цинка, в него помещён стержень из угля, а свободное пространство заполнено оксидом марганца и раствором соли.

В результате химической реакции корпус батарейки становится отрицательно заряженным, а стержень положительно заряженным.

Если к батарейке присоединить лампочку с помощью проводков, то отрицательные частички побегут к положительно заряженным частичкам стержня и зажгут лампочку.

Вы же помните, что частички с разными зарядами притягиваются друг к другу.Так вот батарейка, в которой прекратилась химическая реакция не может вырабатывать ток и её меняют на новую.

Источник: https://yznavaika.ru/raznoe/otkuda-v-batarejkax-elektricheskij-tok

О батарейках

Сегодня речь у нас пойдет о батарейках.

И даже большей частью об аккумуляторах, поскольку, думаю, ни один читатель, активно работающий с цифровой техникой, не пользуется батарейками в качестве основного источника питания — слишком у них большое соотношение цена/срок службы. Вообще же, хоть батарейки и относительно простое устройство, но именно они обеспечивают работу многочисленных мобильных устройств.

Откуда берется электричество?

Деньги, как известно, берутся из тумбочки. Откуда берется электричество в батарейках? Оно появляется в ходе электрохимических реакций, а именно — реакций окислительно-восстановительных, при которых выделяются свободные электроны.

Вот эти-то электроны и дают нам электрический ток. Напряжение, выдаваемое батарейкой, зависит от типа реагирующих веществ. Например, для цинковых и щелочных (это те, которые называются алкалиновыми) батарей оно составляет 1.

5 вольта, а для литиевых — до трех вольт.

Простейшая цинковая батарея состоит из, как это ни странно, цинка (анод), двуокиси марганца (катод) и водного раствора хлорида цинка (электролит). В щелочных батареях в качестве электролита используется щелочь KOH (в водном растворе или в виде геля). Реакция, которая протекает при разряде батареи, выглядит так:

Анод: Zn + 2 OH-=Zn(OH)2+ 2 e-

Катод: 2 MnO2 + H2O + 2 e-=Mn2O3 + 2 OH-

Вот эти то 2 e-, идущие от анода к катоду, и создают ток в цепи, в которую включена батарея.

Реакции, происходящие в батареях, необратимы. То есть, когда все активные вещества прореагируют, ток закончится, и батарейку можно выбрасывать.

  • В аккумуляторах же состав подобран таким образом, что, приложив напряжение к батарее, ее можно восстановить до первоначального состояния, то есть зарядить. Однако при каждом цикле разряд-заряд часть веществ теряется — поэтому время жизни аккумулятора ограничено.
  • Сейчас в бытовой электронике используется, в основном, три вида аккумуляторов — никель-кадмиевые (NiCd), никель-металл гидридные (NiMH) и литий-ионные (Li-Ion). Рассмотрим их подробнее.
  • Никель-кадмиевый аккумулятор по своей идеологии довольно похож на щелочную батарейку. В качестве электролита в нем используется та же самая KOH. Анод сделан из кадмия (Cd), катод — из Ni(OH)2. Реакция, происходящая в этом аккумуляторе, выглядит так:

2 NiOOH + 2 H2O + Cd=2 Ni(OH)2 + Cd(OH)2

Причем эта реакция обратима под воздействием электрического тока.

А вот никель-металл гидридный аккумулятор, по сути своей, скорее, находится ближе к топливным элементам. Реакция в нем выглядит так:

NiOOH + H=Ni(OH)2

Откуда берется водород? Он хранится в связанном виде в металлическом аноде.

Известно, что некоторые металлы (например, палладий) могут растворять и хранить в себе большой объем связанного водорода за счет структуры кристаллической решетки. Именно этот эффект здесь и используется.

Причем плотность водорода в таком связанном состоянии получается даже выше, чем у жидкого водорода. Сам металл анода в реакцию не вступает, а служит только источником водорода.

Практика

Впрочем, все эти экскурсы в электрохимию совершенно не нужны для того, чтобы пользоваться батарейками. Поэтому дальше будем смотреть на них с точки зрения самого обычного пользователя.

  1. Во-первых, какие батарейки нам нужны и что нам от них нужно. Так сложилось, что лично я чаще всего пользуюсь цифровым фотоаппаратом и CD-MP3-плеером. Оба этих устройства используют стандартные элементы форм-фактора AA (цилиндрические, диаметром 14.5 мм и высотой 48 мм). В камеру таких элементов устанавливается четыре штуки, в плеер — два.
  2. Большинство камер может работать в диапазоне питающих напряжений от 6.5 до где-то 4.4-4.2 вольта. То есть надо, чтобы один элемент питания выдавал не меньше примерно 1.05 вольта. Что касается потребляемых токов, то тут ситуация сложнее. Скажем, цифровой фотоаппарат Hewlett-Packard PhotoSmart 315, с которым я экспериментировал, потребляет около 0.

5 ампера в режиме ожидания и порядка 2 ампер при активной работе (то есть со включенным LCD-дисплеем и заряжающейся встроенной вспышкой) — почувствуйте разницу. Отрубается этот аппарат, когда напряжение падает ниже 4.5 вольта (то есть, 1.12 вольта с элемента). Вот на эти величины мы и будем ориентироваться.

А теперь рассмотрим основные типы аккумуляторов в применении к этой схеме.

Никель-кадмиевые (NiCd)

NiCd это, пожалуй, первые массовые аккумуляторы такого размера (AA) для бытовой электроники. Они имеют рабочее напряжение 1.2 вольта (полностью заряженный элемент 1.3 В, алкалиновая батарейка — 1.5 В).

В формате AA выпускаются никель-кадмиевые аккумуляторы емкостью до 1100 миллиампер-часов (для сравнения, емкость хорошей алкалиновой батареи составляет где-то порядка 1000 mA-часов). То есть для нашего случая такого аккумулятора должно хватить примерно на полчаса активной работы.

На самом деле получится еще меньше, поскольку напряжение по мере разряда падает (см. рис.) и под конец очень быстро.

Характеристики разряда Зависимость разряда от температуры
% разряда % разряда

Кстати, индикатор уровня заряда батареи в фотоаппаратах, как правило, показывает текущее напряжение питания относительно номинального. Так что даже с полностью заряженными аккумуляторами он может сообщать о частичной разрядке. А если по индикатору осталось меньше половины заряда, то это значит, что аккумуляторов хватит еще на пару минут, не больше.

Причем обратите внимание на кривые для разных характерных токов разряда (C в данном случае значит ток, численно равный емкости батареи).

Как видите, эффективная емкость батареи зависит от потребляемого тока (а в цифровой технике, как мы уже убедились, токи бегают весьма неслабые).

Так что большая емкость значит не только то, что батарейка дольше проработает, но и то, что она с пользой отдаст больший процент заряда.

Широко известная особенность никель-кадмиевых аккумуляторов — так называемый «эффект памяти» (правильнее было бы называть его подавлением напряжения, поскольку происходит только резкое падение напряжения, после чего аккумулятор еще долго может отдавать ток — только вот потребляющим устройствам этого напряжения уже не хватает).

  • Заключается он в том, что если такой аккумулятор разряжать не до конца, то он через некоторое время «запомнит» это состояние и будет разряжаться только до такого же (то есть его эффективная емкость значительно уменьшится).
  • Вызывается это неприятное явление тем, что при таких циклах неполной разрядки на обоих электродах аккумулятора начинают образовываться крупные кристаллы активных веществ.
  • Они сильно снижают общую площадь активной поверхности и, соответственно, время работы. Чтобы избавиться от эффекта памяти, надо периодически подвергать элемент «тренировке» или «глубокой разрядке».
  • Причем глубокий разряд не подразумевает, что надо закоротить батарею и подождать пару часов. Необходимо только разрядить ее до уровня напряжения примерно в 1 Вольт. Никель-кадмиевые аккумуляторы рекомендуется подвергать такой процедуре где-то раз в месяц.

В принципе, рекомендуется также давать доработать батарейкам в аппаратуре до полного разряда, а потом уже заряжать их, но тут можно обойтись без излишнего фанатизма. Специально разряжать их перед зарядкой, тем более, не стоит (если, конечно, эта функция не реализована в зарядном устройстве).

Теперь пару слов о зарядке. Никель-кадмиевые батареи, пожалуй, самые «живучие» из всех аккумуляторов. Они выдерживают до 1000 циклов заряд-разряд практически без потери емкости и еще порядка 500-1000 с постепенным ухудшением характеристик (емкость упадет где-то до 70% от номинальной).

Кстати, совершенно новый аккумулятор имеет емкость порядка 110% от номинала. Заряжать аккумуляторы рекомендуется током 0.1С (то есть численно равным 0.1 емкости). В таком режиме они не пострадают от чрезмерного заряда, не взорвутся и вообще будут дольше жить.

Только вот занимает этот процесс 12-14 часов, что при нынешних темпах жизни ну совершенно не устраивает большинство людей (начиная с меня самого). Поэтому делаются зарядные устройства с функцией быстрой зарядки — скажем, током 1C. Так можно зарядить элемент всего за полтора часа.

Но тут уже надо следить — после того, как аккумулятор наберет полный заряд, начнется банальный электролиз электролита. Во-первых, это укоротит срок жизни аккумулятора. Во-вторых, выделяющиеся газы будут создавать избыточное давление в корпусе и могут разорвать его, как капля никотина пресловутого хомячка.

Читайте также:  Как правильно эксплуатировать аккумулятор ноутбука?

Так что очень рекомендуется купить хороший зарядник, который отслеживает состояние батареек (по температуре или напряжению) и сам отключается (или переключается на tricle charge — то есть заряд током 0.02-0.05C) при полном заряде.

И под конец еще несколько деталей. Никель-кадмиевые аккумуляторы (как, впрочем, и все остальные) со временем разряжаются. Называется это саморазрядом. Так вот для них величина саморазряда составляет порядка 20% в месяц (причем из них 10% в первые пару дней).

Далее, NiCd содержит ядовитый кадмий и потому является вредным для окружающей среды (особенно если выбрасывать отработавшие аккумуляторы на улицу). В некоторых странах требуется их обязательная утилизация.

А еще, емкость аккумулятора зависит от температуры, причем зависит довольно сильно. Скажем, при температуре -100С наш фотоаппарат отключится, когда в батарее еще будет 60% заряда.

При высоких температурах (порядка 30-40 градусов) наблюдается аналогичный эффект, но в меньшей степени. Вообще же рекомендуемый температурный диапазон для всех аккумуляторов — от 10 до 30°С.

Никель-металлгидрид (NiMH)

Это более современный тип аккумуляторов. В первую очередь, он характеризуется большей емкостью, по сравнению с никель-кадмиевыми. Сейчас можно купить NiMH-аккумуляторы емкостью до 2000 миллиампер-часов. То есть, в среднем, они в полтора-два раза «объемнее» NiCd при тех же размерах (AA).

  1. Соответственно, при больших токах нагрузки NiMH элементы будут вести себя лучше NiCd. Вообще-то, на самом деле при равной емкости по отдаваемому току выигрывает никель-кадмий, но тут NiMH как раз и выручает больший объем.
  2. Рабочее напряжение аккумулятора чуть больше 1.2 вольта, но на полностью заряженном оно может доходить до 1.
  3. 4 В (кривые разряда NiCd и NiMH аккумуляторов вообще довольно похожи).
  4. Что касается эффекта памяти, то, вопреки рекламе, он присущ и никель-металлгидридным элементам. Но в значительно меньшей степени, чем никель-кадмиевым.
  5. Для них тренировку (тот же разряд до 1 вольта) рекомендуется проводить только раз в три месяца. Заряжать эти аккумуляторы все так же рекомендуется током 0.1С.

Но можно производить и быстрый заряд. Правда, надо учитывать, что NiMH более чувствительны к чрезмерному заряду. К тому же окончание заряда для них определяется (с точки зрения зарядного устройства) немного по-другому, чем для NiCd. Так что для NiMH может потребоваться отдельный зарядник для быстрого заряда.

Впрочем, современные зарядные устройства обычно умеют работать и с теми, и с другими. Но чтобы убедиться в этом, обязательно изучите инструкцию. Естественно, хороший зарядник будет стоить денег (порядка $20-40). Но если приходится заряжать комплект аккумуляторов хотя бы каждые два-три дня, он вполне окупится.

В большинстве литературы по аккумуляторам указывается, что NiMH элементы выдерживают до 500 циклов зарядки, после чего их характеристики начинают быстро деградировать. На самом деле последние модели могут при правильной эксплуатации пережить до 1000 циклов.

И все же это меньше, чем у никель-кадмиевых. Правда, большая емкость компенсирует укороченный срок жизни, но иметь в виду этот момент необходимо. Скорость саморазряда у NiMH-аккумуляторов порядка 30% в месяц.

С точки зрения экологической безопасности, NiMH элементы намного лучше NiCd.

Литий-ионные

Два новейших типа аккумуляторов — литий-ионные и литий-полимерные. В отличие от NiCd и NiMH, рабочее напряжение одного элемента таких батарей — 3.6 вольта (диапазон рабочих напряжений от 4 до 3.4 вольт). Соответственно, стандартных (типа AA, например) литиевых элементов не бывает.

На их основе делаются специализированные аккумуляторные блоки, предназначенные для конкретных устройств. Кроме того, эти батареи требуют намного более тонкого контроля при зарядке, так что устройства, в которых они используются, обычно имеют встроенные зарядные устройства.

Большой плюс литиевых батарей — высокая плотность энергии, а значит, и высокая емкость при аналогичных размерах. Кроме того, они имеют довольно низкое внутреннее сопротивление, так что могут обеспечивать высокие токи нагрузки, требующиеся в цифровой технике.

Еще один плюс — низкий уровень саморазряда (порядка 10% в месяц) и полное отсутствие эффекта памяти. Однако есть у них и весьма большой минус — литий-ионные аккумуляторы подвержены эффекту старения (со временем в них происходят необратимые процессы).

То есть, даже если вы запрете батарею в сейф и не будете ей пользоваться, через год-полтора (и чем выше температура хранения, тем раньше) аккумулятор все равно можно выкидывать на свалку. Соответственно, при покупке литиевого аккумулятора обязательно надо посмотреть на дату его выпуска.

Что касается количества циклов перезарядки, то для Li-Ion батарей оно составляет порядка 500 с последующим ухудшением характеристик (максимум 1000 циклов), а для литий-полимерных — 150-200. Ну и, кроме всего прочего, литиевые батареи пока заметно дороже NiCd и NiMH.

И прочие мелочи жизни

Еще одна интересная новинка — перезаряжаемые алкалиновые батарейки. Выпускает их, в частности, фирма Rayovac.

Эти батарейки представляют собой обычные алкалиновые элементы со всеми их плюсами (большая емкость и рабочее напряжение 1.5 вольта), однако сконструированы они так, что процесс разряда обратим.

  • Правда, выдерживают они всего от 25 до 50 циклов и для зарядки требуется специальное зарядное устройство. Но сама идея неплоха.
  • Другая перспективная технология — топливные элементы. В них электричество вырабатывается за счет окисления топлива (например, спирта) кислородом воздуха.
  • Такой элемент представляет собой открытую систему, которая не нуждается в зарядке, а требует только долива топлива.
  • Правда, коммерческих реализаций этой технологии для бытовой техники пока не существует, но работа ведется, и все к тому идет.

Источник: https://www.kv.by/archive/index2002350502.htm

Откуда в батарейках электрический ток?

Ещё с давних времён люди замечали, что если потереть янтарь о шерсть то к нему начинают прилипать тонкие соломинки, это был первый опыт электрического явления. При натирании янтарь получал заряд, который притягивал к себе кусочки сухой соломы. Намного позже, в средние века учёные применили этот опыт в своих исследованиях.

Они стали натирать различные предметы и увидели, что некоторые предметы, участвовавшие в эксперименте, притягивались друг к другу, а некоторые отталкивались. Данный опыт помог определить, что одна часть предметов была положительно заряжена, а другая отрицательно заряжена.

  • Между заряженными телами всегда происходит интересный процесс. Если положить рядом предметы с одинаковыми зарядами они начнут, как бы отталкивать друг друга, но если вы положите не далеко друг от друга предметы с разными зарядами, они начнут притягиваться друг к другу.
  • Многих учёных того времени удивляла способность морского ската наносить удар в виде электрического разряда, но ни кто не мог объяснить как удаётся этому существу накопить ток для разряда такой силы и откуда берётся ток в этой рыбе.
  • Итальянский химик и физик Вольта Алессандро обратил внимание на повторяющуюся комбинацию пластинок на спине ската и решил создать точный макет этой конструкции. Он скопировал комбинацию на спине ската, используя медные пластины круглой формы.

На медную пластину он положил кусок картона смоченного в растворе кислоты и затем всё повторил, пока не получился столб из медных пластин и смоченных в кислоте картонок. Присоединив к концам столба провода, он ощутил ток, и полученный ток был постоянным, благодаря химической реакции, которая проходила между пластинами и кислотой.

Электричество текло постоянно, как поток воды именно поэтому его назвали электрический ток.Это был прообраз современной батарейки.

Первые современные батарейки работали по такому же принципу. Если в раствор серной кислоты поместить металл он начнёт растворяться и в раствор перейдут положительно заряженные частицы, а отрицательно заряженные частички останутся в металле и он станет отрицательно заряженным.

Сегодня для создания батареек не используют кислоту. Состав современных батареек более сложный, но работают они по тому же принципу. Корпус батарейки сделан из цинка, в него помещён стержень из угля, а свободное пространство заполнено оксидом марганца и раствором соли.

В результате химической реакции корпус батарейки становится отрицательно заряженным, а стержень положительно заряженным.

Если к батарейки присоединить лампочку с помощью проводков, то отрицательные частички побегут к положительно заряженным частичкам стержня и зажгут лампочку.

Вы же помните, что частички с разными зарядами притягиваются друг к другу. Батарейка, в которой прекратилась химическая реакция не может вырабатывать ток и её меняют на новую.

Источник: http://ya-uznayu.ru/izobreteniya/otkuda-v-batareykah-elektriheskiy-tok.html

Как именно работает аккумулятор

Аккумуляторные батареи (АКБ) используются повсюду в качестве мобильных и стационарных источников питания: в подъемно-транспортном оборудовании, как элементы аварийного и резервного энергоснабжения, являются основой для автономности огромного разнообразия портативных устройств. Понимание того, как работает аккумулятор, поможет правильно заряжать смартфон и продлить срок службы батареи автомобиля.

Разработку первого гальванического элемента приписывают итальянскому физику Алессандро Вольта.

Он проводил серию экспериментов с электрохимическими явлениями в течение 1790-х годов и примерно в 1800-м создал первую батарею, которую современники назвали «вольтовым столбом».

Устройство состояло из чередующихся цинковых и серебряных дисков, разделённых слоями бумаги или ткани, которые были смочены в растворе натрия гидроксида.

Эти эксперименты стали основой работы над количественными законами электрохимии для Майкла Фарадея. Он описал принцип действия аккумулятора и на основе работ учёного были созданы первые коммерческие электрические элементы. Дальнейшая эволюция выглядела так:

  • 1836 году британский химик Джон Даниель представил усовершенствованную модель ячейки, состоящую из медных и цинковых электродов, погруженных в соляную кислоту. Элемент Даниеля был в состоянии обеспечить постоянное напряжение несравнимо эффективнее, чем устройства Вольта.
  • 1839 год. Дальнейший прогресс состоялся благодаря физику Гроуву с его двухжидкостной ячейкой, состоящей из цинка, погружённого в разбавленную серную кислоту, находящуюся в пористой ёмкости. Последняя отделяла серную кислоту от сосуда, содержащего азотную с помещённым в неё платиновым катодом. Азотная кислота служила в качестве окисляющего агента, предотвращающего потерю напряжения в результате накопления водорода на катоде. Немецкий химик Роберт Бунзен заменил платину на недорогой уголь в элементе Гроува и тем самым содействовал широкому признанию этого типа батарей.
  • В 1859 году Гастон Планте изобрёл свинцово-кислую ячейку — предтечу современного автомобильного аккумулятора. Устройство Планте было в состоянии произвести необычайно большой ток, но использовалось только для опытов в лабораториях на протяжении почти двух десятилетий.
  • 1895—1905 годы. Изобретение щелочных элементов никель-кадмиевого и никель-железного типа. Это позволило создавать системы со значительным количеством циклов заряда-разряда.
  • С 1930-х началось развитие серебряно цинковых и ртутно-цинковых щелочных батарей, которые обеспечивали высокую плотность энергии на единицу веса и объёма.
  • С середины XX века достижения в области производственных технологий и появление новых материалов привели к созданию ещё более мощных и компактных аккумуляторов. Самым заметным было появление на рынке никель-металл-гидридных и литиевых батарей.
Читайте также:  Лучшие смартфоны с хорошей камерой и ёмкой батареей

Устройство и принцип работы

Батареей называют устройство, которое преобразует энергию химических реакций в электрическую. Хотя термин «батарея» и обозначает сборку из двух или более гальванических элементов, способных к такому преобразованию, в широком смысле он применяется и к единичному элементу такого типа.

Каждый такая ячейка имеет катод (положительный электрод) и анод (отрицательный). Эти электроды разделены электролитом, обеспечивающим обмен ионами между ними. Электродные материалы и состав электролита подбираются таким образом, чтобы обеспечить достаточную электродвижущую силу между клеммами батареи.

Поскольку электроды содержат ограниченный потенциал химической энергии, батарея во время работы будет истощена. Тип гальванических элементов, который приспособлен для пополнения после частичного или полного разряда, называется аккумуляторами. Сборка из таких соединённых между собой ячеек — аккумуляторной батареей. Работа АКБ предполагает циклическую смену двух состояний:

  • Зарядка — батарея работает в качестве приёмника электроэнергии, внутри ячеек электрическая энергия реализуется в химические изменения.
  • Разрядка — устройство функционирует как источник электрического тока благодаря преобразованию энергии химических реакций в электрическую.

Особенности зарядки и разрядки

Энергия, используемая для восстановления ёмкости АКБ, поступает из зарядных устройств, подключённых к электрической сети. Чтобы заставить ток протекать внутри элементов, напряжение источника должно быть выше, чем у батареи. Значительное превышение расчётного зарядного напряжения может привести к выходу АКБ из строя.

Алгоритмы зарядки напрямую зависят от того, как устроен аккумулятор и к какому типу он относится. Например, некоторые батареи могут безопасно пополнять свою ёмкость от источников постоянного напряжения.

Другие работают только с регулируемым источником тока, способными менять параметры в зависимости от уровня заряда. Неверно организованный процесс заряда может повредить батарею. В крайних случаях возможно возгорание АКБ или взрыв её содержимого. Существуют интеллектуальные аккумуляторы, оснащённые устройствами контроля напряжения.

Основными параметрами, которые следует учитывать при эксплуатации обращаемых гальванических батарей:

  • Продолжительность жизни. Даже при правильном обращении количество циклов зарядки у АКБ ограничено. Различные системы АКБ изнашиваются не всегда по одинаковым причинам. Но в целом срок жизни аккумуляторов ограничен в первую очередь количеством циклов полного разряда-заряда, а во вторую — проектным сроком службы без привязки к интенсивности использования.
  • Время заряда. Принципиальное устройство АКБ не предполагает зарядку при сколь угодно высокой скорости: внутреннее сопротивление гальванического элемента приведёт к преобразованию избытка зарядного тока в тепло, что может необратимо повредить устройство. С физической точки зрения, время заряда ограничено максимальной скоростью диффузии активного материала через электролит. Упрощённо можно считать, что восстановление полной ёмкости за один час — хороший показатель.
  • Глубина разряда. Указывается в процентах от номинальной мощности. Характеризует полезную ёмкость. Для разных типов аккумуляторов рекомендуемый уровень эксплуатационного разряда может отличаться. Из-за изменений в процессе работы или старения показатель максимальной глубины теряет первоначальное значение.

Типы аккумуляторов

Конструктивно батареи различаются в зависимости от назначения и от типа протекающих в них электрохимических реакций. По способу их применения АКБ можно разделить на две основные категории:

  1. Интегрированные в сеть. Эти батареи используются как устройство хранения, постоянно заряжаемое от главного источника энергии и подающее электричество к нагрузке в случаях, когда основной источник отсутствует или его недостаточно для выполнения задач. Примеры такого применения — автомобильные и авиационные системы, бесперебойное и резервное питание, гибридные установки.
  2. Автономные. Эти АКБ предназначены для устройств, в которых аккумулятор разряжается аналогично обычной необратимой батарее, а затем заряжается после истощения. Обратимые батареи в таких случаях применяют для удобства, экономии средств (пополнение ёмкости дешевле замены) или для питания оборудования за пределами возможностей обычных гальванических элементов. АКБ для большинства бытовой электроники, транспортных средств, тягового и грузового промышленного оборудования и некоторых стационарных устройств попадают в эту категорию.

Свинцово-кислотные

Эти АКБ имеют самую долгую историю популярности в качестве автономных источников питания.

Большинство таких батарей изготовлены из свинцовых пластин или сеток, где одна из решёток (положительный электрод) покрыта диоксидом свинца в кристаллической форме.

Электролит, состоящий из серной кислоты, участвует в реакциях свинца и диоксида свинца с образованием сульфата свинца. Перемещение ионов последнего образует ток разряда. Заряд происходит при помощи восстановления током заряда диоксида свинца на катоде.

Этот тип батарей был востребован на протяжении более чем сотни лет благодаря следующим особенностям:

  • широкому диапазону возможностей как при производстве сильных, так и слабых токов;
  • надёжностью в течение сотен циклов в присутствии контроля заряда;
  • относительно низкой стоимости (свинец дешевле в пересчёте на ёмкость чем никель, кадмий, литий или серебро);
  • большой срок годности при хранении для перезаряжаемого устройства;
  • высокое напряжение единичной ячейки;
  • простотой изготовления (литьё, сварка, прокатка).

Щелочные батареи

В этом типе батарей электрическая энергия генерируется в результате химических реакций в щелочном растворе с использованием различных электродных материалов. Наиболее известные из них:

  • Никель-кадмиевые. Способны выдавать исключительно высокие токи, перезаряжаться сотни раз, терпимы к ошибкам в обслуживании. Но, в сравнении со свинцово-кислотными, тяжелы и имеют ограниченную плотность энергии. Их долговечность напрямую зависит от полной разрядки в каждом цикле. Если её не делать, элементы проявляют так называемый эффект памяти, который выражается в снижении их ёмкости. Используются широко для запуска авиадвигателей, систем аварийного жизнеобеспечения и в сочетании с источниками солнечной энергии.
  • Никель-цинковые. Самые привлекательные, с точки зрения их развития. Если их жизненный цикл будет значительно продлён, системы такого рода могут стать жизнеспособной заменой для никель-кадмиевых и свинцово-кислых батарей.
  • Никель-железные. Могут обеспечить тысячи циклов, но не перезаряжаются эффективно. При пополнении ёмкости заметно выделяют тепло и потребляют много электроэнергии.
  • Никель-водородные. Были изобретены прежде всего для космической программы США. Водород в таких системах служит активным анодным материалом. Заменяют собой никель-кадмиевые во многих областях, благодаря высокой мощности на единицу объёма и терпимости к качеству обслуживания. Используются в электрических транспортных средствах.
  • Цинково-марганцевые. Применяются в системах, не нуждающихся в большом количестве электричества. Высокая плотность энергии и низкая стоимость этих батарей способствует дальнейшей инженерной работе над их усовершенствованием.
  • Серебряно-цинковые. Одни из самых дорогих. Используются там, где высокая плотность мощности, малый вес и малый объём имеют решающее значение: в специальных транспортных средствах и портативных радиолокационных узлах.

Литиевые перезаряжаемые устройства

К ним относятся аккумуляторы с литиевым анодом или использованием в электрохимической реакции ионов лития.

На момент появления батареи на основе металлического лития были многообещающими благодаря впечатляющему потенциалу к миниатюризации, но оказались крайне нестабильны из-за риска протекания бурных химических реакций на аноде.

Поэтому основной коммерческий успех этого типа АКБ состоялся с применением литий ионных технологий, суть которых заключалась в том, что вместе с отказом от металлического анода роль электролита взяли на себя сложные соли лития.

Благодаря высокой плотности накапливаемой энергии и ничтожному саморазряду, этот тип АКБ популярен как источник питания потребительской электроники. Главный недостаток литиевых батарей — риск неожиданного возгорания от перегрева.

Даже самые современные из них оснащаются дополнительным электронным контролем процессов зарядки-разрядки в целях безопасности. Литий полимерные батареи — более совершенные в своём классе. В них вместо жидкого электролита используют твёрдый полимерный.

Эти батареи легче обычных литий ионных, но из-за высокой цены не смогли полностью их заменить.

Прогресс не стоит на месте. Сейчас инженеры и технологи разрабатывают модели принципиального устройства аккумуляторов будущего, которые придут на смену литий-ионным аккумуляторам.

Источник: https://220v.guru/vse-ob-elektroenergii/akkumulyatory/akkumulyator-kak-rabotaet-i-principy-ego-ustroystva.html

Принцип работы аккумуляторов и батареек

Для того чтобы понять как именно работает батарея или аккумулятор, представьте 2 металлические пластины с электрическим потенциалом первой 10 В, второй  15 В. Между ними присутствует электрическое поле с напряжением  5В.

При попытке подключить к такой цепи потребитель в виде обычной лампочки, она будет светиться, что означает, что ток течет. Но такое явление будет проходить сравнительно не долго, после того как ток уровняет напряжения обеих пластин, он прекратится.

Напряженность поля будет равна нулю и лампочка погаснет.

Что же нужно для того чтобы она загорелась вновь? Все просто, необходимо всего лишь перенести заряд с одной пластины на вторую и таким образом создать разность потенциалов. Чтобы это сделать необходимо, провести некоторые манипуляции, а именно привлечь в систему сторонние силы. Отличным способом создать разность потенциалов пластин выступает химическая реакция.

Любой аккумулятор или батарея это всего лишь помещенные в электролит пластины. Половина из которых подключена к положительной клемме, половина к отрицательной. К примеру, наш аккумулятор имеет напряжение в 9В.

  1. Если не подключать к его выходу, каких либо цепей с элементами нагрузки, его напряжение не изменится, но если все-таки подключить нагрузку, в цепи сразу потечет ток, причем от плюса к минусу.
  2. Естественно при таком процессе напряжение начнет уменьшаться и происходить это будет с разной скоростью, в зависимости от сопротивления нагрузки.
  3. Наряду с процессом разрядки непременно активируется химическая реакция, которая будет направленна на то чтобы возвращать негативно заряженные частички с минуса на плюс. И тем самым стремясь сохранить разность электрических потенциалов.
  4. Все химические реакции, которые применяются в разных батарейках и аккумуляторах можно разделить на два вида. Первые характеризуются тем, что при их работе генерируется энергия, у вторых все наоборот, то есть для их функционирования необходимо привлечь энергию.

Батарейка как раз принадлежит к реакциям первого вида, точно так же как и процесс горения, при котором происходит соединения молекулы горючего и кислорода (окисление) при этом выделяется тепло и свет, а также новое вещество.

Читайте также:  Как проверить аккумулятор ноутбука?

К примеру, если горит уголь, а это практически чистый углерод, в результате реакции мы получим углекислый газ. Так как такое вещество не горит, его использование на этом заканчивается и он, по сути, становится отходом не пригодным к употреблению.

В результате процесса горения, объемы горючего и окислителя расходуются, а объем отхода увеличивается. В результате таких действий, когда продукт горения или кислород подходят к концу, реакция прекращается.

Протекающая же в электролите реакция, выделяет электрический ток, и так же как в случае с горением, полезные вещества расходуются, а отход возрастает. И чем меньше остается веществ для протекания реакции, тем меньше батарея способна поддерживать нужную силу тока, говоря простыми словами – она садится.

Обратимые и необратимые реакции

В том случае если продукт, получаемый в результате прохождения реакции можно преобразовать в сырье для нее, процесс называется обратимым. То есть реакция может проходить как в прямом направлении, так и в обратном. Это дает возможность заряжать аккумулятор. Соответственно реакцию, продукт которой нельзя преобразовать в сырье, называют необратимой, такие батарейки не заряжаются.

В чем заключаются отличия аккумулятора и батареи? Ответ на этот вопрос прост – первый можно заряжать, в то время как второй такой возможности не имеет. Говоря другими словами, в батарейке проходит реакция необратимого типа, в аккумуляторе же наоборот.

Когда аккумулятор разрядится, и его подсоединяют к устройству зарядки, ток в его пластинах течет в обратном направлении, а именно от плюса к минусу.

Химическая реакция в электролите тоже начинает двигаться вспять, благодаря чему продукт процесса разряда, разлагается на сырье. Идет зарядка.

Источник: http://lab-37.com/mech/princip-raboty-akkumulyatorov-i-batareek/

Откуда в батарейках электричество

Всем известно со школьной скамьи, что энергия не возникает на пустом месте. Так откуда же в батарейках электричество?

А появляется оно как результат электрохимической реакции. Если точнее, то электроны – это результат окислительно-восстановительных реакций, происходящих внутри корпуса батарейки Именно этот заряд и дает электрический ток, который используется сегодня повсеместно.

Напряжение, которое способна дать батарейка, напрямую связано с реагирующими веществами. К примеру, для:

  • аккумуляторной батарейки номинальным напряжением будет 1,2 Вольта;
  • гальванического элемента – это 1,5 Вольт;
  • литиевого источника тока – до 3-х Вольт.

Рассмотрим, откуда в батарейках электричество, если в них использован цинк (в качестве анода), марганец (в качестве катода) и раствор хлорида цинка (в роли электролита).

Реакция, благодаря которой выделяются свободные электроны, выглядит следующим образом:

Работа анода: Zn + 2 OH-=Zn(OH)2+ 2 e-

Работа катода: 2 MnO2 + H2O + 2 e-=Mn2O3 + 2 OH-

Электрический ток в данном случае рождает составляющая «2 e-», которая следует он от анода к катоду.

Все реакции, наблюдаемые внутри батареек, невозможно обратить вспять.

Другое дело – это аккумуляторные батарейки, в которых состав спланирован так, что восстанавливается до начального значения с помощью приложенного внешнего напряжения к источнику тока (батарейке).

Тем не менее, каждый следующий перезаряд батареек снижает ее рабочие характеристики, т.к. часть веществ безвозвратно теряется. А наиболее популярными аккумуляторными батарейками можно считать сегодня:

  • NiCd (на основе никель-кадмия);
  • NiMH (на базе никель-металлогидрида);
  • LiIon (на основе литий-ионных составляющих).

Рассмотрим эти аккумуляторные батарейки подробнее.

Откуда в батарейках электричество в аккумуляторных батарейках

Щелочная батарейка и никель-кадмиевый элемент имеют общие идеологические корни. В обоих случаях электролитом является КОН.

Материал для анода – кадмий, для катода — Ni(OH)2 . Действующие реакции внутри аккумуляторной никель-кадмиевой батарейки можно записать в виде:

2 NiOOH + 2 H2O + Cd=2 Ni(OH)2 + Cd(OH)2

Особенность этой реакции состоит в том, что под действием электрического тока она имеет обратимые свойства.

Другое дело – аккумуляторная батарейка никель-металлогидридной структуры, которая более напоминает топливные элементы.

Реакция в ней проходит несколько иначе и записывается так:

NiOOH + H=Ni(OH)2

Водород в данной реакции возникает из связанного вида (из анода). О том, что некоторые металлы могут хранить в себе связанный водород в кристаллической решетке, ученым известно давно.

Это свойство и берется для обеспечения реакции и восстанавливающихся свойств аккумуляторной батарейки.

При этом плотность водорода в металлах может даже превышать его концентрацию в жидком состоянии!

Металл остается пассивным, выделяя лишь сжатый водород.

Надеемся, что теперь у читателей больше не возникает вопросов о том, откуда в батарейках электричество, т.к. вышеприведенные схемы реакций наглядно отображают происходящие внутренние процессы образования тока.

Источник: http://xn--80aabsug3boo.xn--p1ai/akkumuljatori/53-otkuda-v-batareykah-elektrichestvo.html

Принцип действия аккумулятора

Для каждого нового опыта с бутылками нам приходилось переливать воду из правой в левую. Для чего? А для того, чтобы создать разность уровней, чтобы возник ток воды в шланге.

Постепенно вода перетекала из левой бутылки в правую, уровни сравнивались и ток прекращался. Мы снова переливали воду, и процесс начинался заново.

Значит, идея такова: чтобы ток воды не прекращался, надо постоянно поддерживать разность уровней воды

Переходим к электричеству.
Итак, у нас есть две заряженные гайки от трактора Беларусь. Или лучше, давайте возьмем просто две металлические пластины. Потенциал одной – 10 В, другой – 15 В. Между ними напряжение – 5В. Подключаем к ним лампочку.

Лампочка светится, ток идет. Идет, идет, идет… И вот уже не идет, и лампочка не горит! Почему? А потому что ток уровнял потенциалы двух пластин, и напряжение между ними стало 0В.

Чтобы лампочка загорелась снова, надо что? Надо перенести заряд с одной пластины на другую и тем самым снова создать разность потенциалов. Для этого надо привлечь к работе какие-то сторонние силы, которые бы занялись перекачкой зарядов.

  1. В опыте с бутылками этой сторонней силой являлся тот, кто вычерпывал воду. В электротехнике такой силой может служить, например, химическая реакция.
  2. Любая батарейка или аккумуляторэто ни что иное, как две металлические пластины, помещенные в специальное химическое вещество – электролит. Одна пластина подключена к выводу «+», другая – к выводу «-».
  3. Допустим, батарейка рассчитана на 9 Вольт. Пока ее не трогают, напряжение между пластинами остается равным 9В. Но стоит подключить к батарейке нагрузку, например, лампочку, как от пластины «+» к пластине «-» потечет ток. Напряжение начнет уменьшаться.
  4. И тут же «включится» химическая реакция в электролите, которая начнет перекидывать электроны с «-» (отрицательной) пластины обратно на положительную, поддерживая тем самым разность потенциалов между ними.

Чем больше сила тока в нагрузке (чем больше мощность лампочки), тем интенсивнее будет протекать реакция.

Все реакции можно делить на две большие группы: те, в результате которых выделяется энергия, и те, для проведения которых необходима энергия извне. Реакция внутри батарейки относится к первому типу. К этому же типу относится реакция горения.

При горении, в результате соединения молекулы топлива с кислородом, выделяется энергия в виде тепла и света, и образуется новое вещество – окисленное топливо. Например, если топливом является уголь (состоящий, в-основном, из углерода) – при соединении с воздухом получается оксид углерода (углекислый газ).

Углекислый газ не горит, и его мы больше использовать не можем. То есть – он является отходом, бесполезным продуктом реакции. По мере горения, количество исходных веществ (топлива и кислорода) уменьшается, а количество бесполезного продукта (углекислого газа) увеличивается.

В конечном итоге, наступает момент, когда продукты реакции сгорают полностью, и реакция прекращается.

В электролите тоже протекает реакция, в ходе которой выделяется энергия в виде электрического тока. При этом, расходуются исходные вещества, и выделяется бесполезный продукт.

  • Чем меньше остается расходных веществ – тем тяжелее батарейке поддерживать нужное напряжение между пластинами. Батарейка «садится».
  • Мы уже делили все реакции на два вида. Поделим еще раз, но по-другому.
    Реакции бывают обратимыми и необратимыми.
  • Если продукт реакции можно снова преобразовать в исходные вещества – то такая реакция обратима. То есть, она идет «в обе стороны».
  • Если в результате реакции получается продукт, который нельзя преобразовать обратно, то реакция необратима.

«Фарш невозможно провернуть назад И мясо из котлет не восстановишь…»

Чем отличается батарейка от аккумулятора? Тем что батарейку нельзя заряжать, а аккумулятор – можно. То есть, в батарейке протекает необратимая реакция, а в аккумуляторе – обратимая.

Когда мы подключаем аккумулятор к зарядному устройству, ток внутри него начинает течь в обратном направлении, то есть – от «+» к «-». И реакция в электролите также начинает идти в обратном направлении.

В результате, продукт реакции разлагается на исходные вещества. Аккумулятор «заряжается»

Источник: http://radiostroi.ru/novichk/10-osnelektroniks/9-principakkum

Принцип работы аккумулятора

Общеизвестно, что аккумулятор в автомобиле выступает в качестве дополнительного источника тока тогда, когда двигатель машины либо выключен, либо работает на пониженных оборотах.

В целом, батарея – это последовательно соединенные между собой несколько абсолютно одинаковых по устройству аккумуляторов. Принцип работы такой батареи состоит в последовательном преобразовании энергии электрической в химическую и наоборот.

Именно из-за таких процессов аккумулятор заряжается или разряжается.

Ниже на примере свинцового аккумулятора приведен пример принцепа работы стандартного:

  1.  В емкость, сделанную из кислостойкой пластмассы, заливают электролит, то есть вещество, хорошо проводящее электрический ток.
  2.  После этого в данную емкость погружаются две пластины, в нашем случае – свинцовые. Одну из них присоединяют к положительному полюсу, вторую – к отрицательному.
  3.  Включается постоянный ток, который, проходя через аккумулятор, стимулирует химические реакции на каждой из пластин. На положительно заряженной пластине образуется перекись свинца (PbO2), а на отрицательно заряженной – металлический свинец. Благодаря множеству таких химических реакций, происходящих в аккумуляторе, со временем в нем накапливается химическая энергия.

Вовремя «разрядки» батареи она трансформируется в привычную электрическую энергию.

Как упоминалось выше, соединение нескольких таких аккумуляторов представляет собой батарею.

  1.  Корпус батареи представляет собой кислотоупорный бак, поделенный специальными перегородками на камеры (секции), в которые вставляются отдельные аккумуляторы.
  2.  Заряженные пластины по очереди помещаются в каждую такую отдельную камеру.
  3.  С отрицательно и положительно заряженных пластин выводятся контакты на внешние клеммы бака батареи.
  4.  Строго контролируется степень наполнения каждой секции и плотность электролита. Между всеми отсеками предусмотрены металлические пластины, которые защищают от угрозы короткого замыкания и, в то же время, не мешающие передвижению электролита.
  5.  Корпус аккумуляторной батареи закрывается крышкой, с предварительно проделанными в ней отверстиями, через которые впоследствии отсеки заполняются электролитом.
  6.  После заполнения все отверстия закрываются пробкой, через которую позже может выходить газ, образованный из-за химических реакций.

Источник: https://remontpeugeot.ru/avtozhizn/princip-raboty-akkumulyatora.html

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector