Выдержка из текста работы
До конца XVIII века единственным источником электрической энергии на практике были электрофорные машины, в основе которых лежало электростатическое индуцирование зарядов. Однако реализуемые искровые разряды обеспечивали ничтожные заряды порядка 10- 6-10- 4 кулон.
В 1786 году итальянский физиолог Л. Гальвани в своих известных опытах обнаружил, как он полагал, наличие «животного электричества». Если прикладывать к оголенному нерву лягушки два различных металла, то возникает мускульное сокращение, аналогичное тому, которое вызывается разрядом электрофорной машины. Правильное объяснение этого явления дал в 1794 году итальянский физик А. Вольта, указав, что причиной такого эффекта является контакт двух разнородных металлов с мускульной тканью. Основываясь на этом, Вольта в марте 1801 года сообщил о создании аппарата, производящего неистощимый заряд. Этот аппарат, названный вольтовым столбом, был первым химическим источником тока или гальванической батареей. В дальнейшем появились более совершенные образцы химических источников тока.
Появление первых химических источников тока открыло новую эру в учении об электричестве, так как дало возможность изучать законы непрерывного потока электрических зарядов, вследствие чего появилось понятие электрического тока. Уже в мае 1801 года У. Николсон и А. Карлейль обнаружили химическое действие тока, осуществив разложение воды. В 1807 году Х. Дэви впервые получил щелочные металлы электролизом расплавленных солей. В 1819 году Х. Эрстед наблюдал магнитное действие электрического тока. В дальнейшем были сформулированы основные законы электродинамики и электромагнетизма: взаимодействия электрических токов (А. Ампер, 1820), пропорциональности тока и напряжения (Г. Ом, 1827), электромагнитной индукции (М. Фарадей, 1831), теплового действия электрического тока (Д. Джоуль, 1843). Открытие этих законов стало возможным благодаря появлению химических источников тока.
Бурное развитие теоретической и прикладной электротехники основывалось на использовании химических источников тока и проходило параллельно с совершенствованием последних. Это привело к созданию в 1860 году принципиально нового источника электрической энергии — электромагнитного генератора. Вскоре выяснилось, что генераторы превосходят своих предшественников как по электрическим, так и по экономическим показателям. Именно генераторы сделали возможными развитие стационарных электрических сетей и широкое использование электроэнергии для промышленных и бытовых нужд. По этой причине к концу XIX века химические источники тока потеряли свое значение единственного источника электроэнергии, но продолжали совершенствоваться и использоваться как автономные источники тока для средств связи и переносных приборов. Интересно отметить, что в то время существовали аккумуляторные электромобили, которые успешно конкурировали с еще несовершенными тогда автомобилями, использующими двигатели внутреннего сгорания.
Новый подъем интереса к века химическим источникам тока начался примерно с 1920 года в связи с широким развитием радиотехники. В течение почти двух десятилетий гальванические элементы и аккумуляторы были единственными источниками питания для радиоприемников. Увеличению интереса к химическим источникам тока способствовало и развитие автомобильного транспорта, так как было необходимо наладить крупносерийное производство стартерных аккумуляторов. В те же годы начались серьезные исследовательские работы в области химических источников тока. После второй мировой войны развитие современных электронных приборов, а также авиационной, ракетной и космической техники потребовало не только увеличения объема производства, но и резкого улучшения характеристик химических источников тока. Поэтому последние два десятилетия продолжают появляться новые разновидности источников тока.
В настоящее время химические источники тока используют во всех областях техники и народного хозяйства. Количество элементов и аккумуляторов, изготавливаемых ежегодно во всем мире, исчисляется миллиардами. При одновременном их включении можно было бы получить электрическую мощность, сравнимую с мощностью всех электростанций мира (около 109 КВт). Необходимо, правда, иметь в виду, что в отличие от непрерывно работающих электростанций химические источники тока работают кратковременно, с перерывами. Вырабатываемая ими электроэнергия мала по сравнению с энергией, выдаваемой электростанциями.
Глава I. Гальванические элементы. Превращение химической энергии в электрическую.
1.1. Типы гальванических элементов.
1.1.1. Угольно-цинковые элементы.
Угольно-цинковые элементы (марганец-цинковые) являются самыми распространенными сухими элементами. 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 малоподвижен и не растекается, поэтому элементы называются сухими.
Номинальное напряжение угольно-цинкового элемента составляет 1,5 В.
Сухие элементы могут иметь цилиндрическую, дисковую и прямоугольную форму. Устройство прямоугольных элементов аналогично дисковым. Цинковый анод выполнен в виде цилиндрического стакана, одновременно являющимся контейнером. Дисковые элементы состоят из цинковой пластины, картонной диафрагмы, пропитанной раствором электролита, и спрессованного слоя положительного электрода. Дисковые элементы последовательно соединяют друг с другом, полученную батарею изолируют и упаковывают в футляр.
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.
1.1.2. Щелочные элементы
Как и в угольно-цинковых, в щелочных элементах используется анод из MnO2 и цинковый катод с разделенным электролитом.
Отличие щелочных элементов от угольно-цинковых заключается в применении щелочного электролита, в следствии чего газовыделение при разряде фактически отсутствует, и их можно выполнять герметичными, что очень важно для целого ряда их применений.
Напряжение щелочных элементов примерно на 0,1 В меньше, чем угольно-цинковых, при одинаковых условиях. Следовательно эти элементы взаимозаменяемы.
Напряжение элементов с щелочным электролитом изменяется значительно меньше, чем у элементов с солевым электролитом. Элементы с щелочным электролитом также имеют более высокие удельную энергию (65…90 Втч/кг), удельную мощность (100…150 кВтч/м3) и более длительный срок хранения.
Зарядка марганцево-цинковых элементов и батарей производится асимметричным переменным током. Заряжать можно элементы с солевым или щелочным электролитом любой концентрации, но не слишком разряженные и не имеющие повреждений цинковых электродов. В пределах срока годности, установленного для данного типа элемента или батареи, можно производить многократное (6…8 раз) восстановление работоспособности [1]. Зарядка сухих батарей и элементов производятся от специального устройства, позволяющего получить зарядный ток необходимой формы: при соотношении зарядной и разрядной составляющей 10:1 и отношении длительности импульсов этих составляющих 1:2. Это устройство позволяет заряжать батарейки для часов и активизировать старые малогабаритные аккумуляторы. При зарядке батареек для часов, зарядный ток не должен превышать 2 мА. Время заряда не более 5 часов. Здесь заряжаемая батарея включена через две параллельно включенные цепочки диодов с резисторами. Асимметричный ток заряда получается в следствии различия сопротивлений резисторов. Окончание заряда определяется по прекращению роста напряжения на батарее. Напряжение вторичной обмотки трансформатора зарядного устройства выбирается так, чтобы выходное напряжение превышало номинальное напряжение элемента на 50…60%.
Время заряда батарей с помощью описанного устройства должно быть порядка 12…16 часов. Зарядная емкость должна быть примерно на 50% больше номинальной емкости батареи.
1.1.3. 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.
Эти элементы имеют длительные сроки хранения и более высокие емкости (при том же объеме). Напряжение ртутного элемента примерно на 0,15 В ниже, чем у щелочного.
Ртутные элементы отличаются высокой удельной энергией (90…120 Втч/кг, 300…400 кВтч/м3), стабильностью напряжения и высокой механической прочностью.
Для малогабаритных приборов созданы модернизированные элементы типов РЦ-31С, РЦ-33С и РЦ-55УС. Удельная энергия элементов РЦ-31С и РЦ-55УС — 600 кВтч/м3, элементов РЦ-33С — 700 кВтч/м3. Элементы РЦ-31С и РЦ-33С применяются для питания ручных часов и другой аппаратуры. Элементы РЦ-55УС предназначены для медицинской аппаратуры, в частности для вживляемых медицинских приборов.
Элементы РЦ-31С и РЦ-33С работают 1,5 года при токах соответственно 10 и 18 мкА, а элемент РЦ-55УС обеспечивает работу вживляемых медицинских приборов в течении 5 лет. Ртутные элементы работоспособны в интервале температур от 0 до +50oС, имеются холодостойкие РЦ-83Х и РЦ-85У и теплостойкие элементы РЦ-82Т и РЦ-84, которые способны работать при температуре до +70oС. Имеются модификации элементов, в которых вместо цинкового порошка (отрицательный электрод) используются сплавы индия и титана.
Так как ртуть дефицитна и токсична, ртутные элементы не следует выбрасывать после их полного использования. Они должны поступать на вторичную переработку.
1.1.4. Серебряные элементы
Они имеют «серебряные» катоды из Ag2O и AgO. Напряжение у них на 0,2 В выше, чем у угольно-цинковых при сопоставимых условиях [2]
1.1.5. Литиевые элементы
В них применяются……..
Список используемой литературы.
1. Терещук Р.М. и др. Малогабаритная аппаратура. Справочник радиолюбителя. К.: Наукова думка, 1975. 557 с.
2. Кауфман М., Сидман. А.Г.
3. Корыта И., Дворжак И., Богачкова В., Электрохимия, пер. с чеш., М
4. 5. Дамаскин Б.Б., Петрий О. А., Электрохимия , М., 1987; Багоцкий B.C., Основы электрохимии , М., 1988.
6. Биолого-химический факультет УдГУ Широбоков.
7. 8. 9. Лаврус В.С. Источники энергии . НиТ , 1997.
10. >11. Багоцкий В.С., Скундин А.М. Химические источники тока. М.: Энергоиздат, 1981. 360 с.
