Химический источник тока: принцип действия, классификация

Содержание

Современные химические источники тока и их применение

Знакомство с пиковыми и другими зонами тарификации электроэнергии

Современный быт человека тяжело приставить без этих мобильных генераторов энергии, с которыми он сталкивается в течение всей жизни, начиная с детских игрушек и заканчивая, допустим, автомобилем.

Сферы применения различных батареек и аккумуляторов настолько разнообразны что перечислить их очень сложно. Работа любого мобильного телефона, компьютера, ноутбука, часов, пульта дистанционного управления была бы невозможна без этого переносного и очень компактного устройства для создания стабильного электрического заряда. В медицине широко используются источники химической энергии при создании любого аппарата, помогающего человеку полноценно жить. Например, для слуховых аппаратов и электрокардиостимуляторов которые могут работать только от переносных источников напряжения, чтобы не сковывать человека проводами. В производстве применяются целые системы аккумуляторных батарей для обеспечения напряжением цепей отключения и защит в случае пропадания входящего высокого напряжения на подстанциях. И также широко применяется это питание во всех транспортных средствах, военной и космической технике. Одним из видов распространённых батарей являются литиевые источники электрического тока, так как именно этот элемент обладает высоким показателем удельной энергии. Дело в том что только этот химический элемент, оказывается, обладает сильным отрицательным потенциалом среди всех известных и изученных человеком веществ. Литий-ионные батареи выделяются среди всех остальных элементов питания по величине вырабатываемой энергии и низким габаритам, что позволяет применять их в самых компактных и мелких электронных устройствах.

Электрический ток в различных средах

В металлах

Носителями тока в металлических проводниках являются свободные электроны, которые из-за слабых электрических связей хаотично блуждают внутри кристаллических решёток (рис. 3). Как только в проводнике появляется ЭДС, электроны начинают упорядочено дрейфовать в сторону позитивного полюса источника питания.

Рис. 3. Электрический ток в металлах

В результате прохождения тока возникает сопротивление проводников, которое препятствует потоку электронов и приводит нагреванию. При коротком замыкании выделение тепла настолько сильное, разрушает проводник.

В полупроводниках

В обычном состоянии у полупроводника нет свободных носителей зарядов. Но если соединить два разных типа полупроводников, то при прямом подключении они превращаются в проводник. Происходит это потому, что у одного типа есть положительно заряженные ионы (дырки), а у другого – отрицательные ионы (атомы с лишним электроном).

Под напряжением электроны из одного полупроводника устремляются для замещения (рекомбинации) дырок в другом. Возникает упорядоченное движение свободных зарядов. Такую проводимость называют электронно-дырочной.

В вакууме и газе

Электрический ток возможен и в ионизированном газе. Заряд переносится положительными и отрицательными ионами. Ионизация газов возможна под действием излучения или вследствие сильного нагревания. Под действием этих факторов возбуждаются атомы, которые превращаются в ионы (рис. 4).

Рис 4. Электрический ток в газах

В вакууме электрические заряды не встречают сопротивления, поэтому. заряженные частицы движутся с околосветовыми скоростями. Носителями зарядов являются электроны. Для возникновения тока в вакууме необходимо создать источник электронов и достаточно большой положительный потенциал на электроде.

Примером может служить работа вакуумной лампы или электронно-лучевая трубка.

В жидкостях

Оговоримся сразу – не все жидкости являются проводниками. Электрический ток возможен в кислотных, щёлочных и соляных растворах. Иначе говоря – в средах, где имеются заряженные ионы.

Если опустить в раствор два электрода и подключить их к полюсам источника, то между ними будет протекать электрический ток (рис. 5). Под действием ЭДС катионы устремятся к катоду (минусу), а анионы к аноду. При этом будет происходить химическое воздействие на электроды – на них будут оседать атомы растворённых веществ. Такое явление называют электролизом.

Рис. 5. Электроток в жидкостях

Для лучшего понимания свойств электротока в разных средах, предлагаю рассмотреть картинку на рисунке 6

Обратите внимание на вольтамперные характеристики (4 столбец)

Рис. 6. Электрический ток в средах

Классификация приборов

Наиболее верным, с точки зрения науки, источнику тока даёт определение теория электрических цепей. Согласно ей под ним понимают двухполюсник, прохождение через который упорядоченных зарядов не зависит от приложенного потенциала на его выводах. В то же время в электротехнике им называют любой источник электрического поля.

Все существующие источники тока разделяют по виду преобразуемой ими энергии. Иными словами, по виду трансформируемой материи в силу, которая затем совершает работу по перемещению элементарных носителей зарядов. Существующие типы генераторов электротока можно представить таблицей:

Механические	В их принципе работы используется преобразование двигательной энергии в электрическую. Трансформирование происходит в специальных устройствах — турбогенераторах. По сути, это машины, приводящиеся в работу газовым или паровым потоком. Отдельно стоит отметить гидрогенераторы — использующие преобразование энергии падающей воды.
Тепловые	Электрический ток генерируется из-за возникновения разности температур при контакте металлов или полупроводников. Природные свойства заставляют носители зарядов переходить с нагретого вещества. Значение тока пропорционально разности температур. Такие устройства не могут обеспечить большую мощность, поэтому используются в качестве токовых датчиков (термопары). Хотя при этом существуют альтернативные источники, использующие распад изотопов.
Световые	Разработки такого вида источников начались в конце ХХ века — солнечные батареи. В их работе используется свойство полупроводников генерировать электричество при бомбардировке их квантами света.
Химические	Это большая группа генераторов тока, в основе которых применяется способность веществ при взаимодействии через электролит испускать энергию. По-другому их называют гальваническими. Например, к ним можно отнести аккумуляторы и простые батарейки.

Вне зависимости от типа устройства они все предназначены служить генераторами тока. Поэтому в схемах и технической литературе их обозначают одинаково. Условный знак сходен конденсатору только правая обкладка рисуется длиннее и обозначает положительный вывод.

Принцип действия

Источники питания 24 и 12 Вольт

Устройства вырабатывающее электрический ток содержит два электрода, которые помещаются между электролитом. Именно на их границе соприкосновения и появляется небольшой потенциал. Один из них называют катодом, а другой анодом. Все эти элементы вместе образуют электрохимическую систему. Во время возникновения окислительно-восстановительной реакции между электродами один элемент отдаёт мельчайшие частицы электроны другому. Поэтому она и не может происходить вечно, а со временем просто теряются свойства каждого элемента этой цепи. Электроды могут быть представлены в виде пластин или решёток из металла. После погружения их в среду с электролитом меду их выводами возникает разность потенциалов, которая именуется напряжением разомкнутой цепи. Даже при удалении хотя бы одного из электродов с электролита процесс генерации напряжения прекращается.

Состав электрохимических систем

В качестве электролита используются следующие химические вещества:

Водные растворы на основе щелочей, кислот, солей и т. д.;
Растворы с ионной проводимостью на неводной основе, которые получены при растворении солей в неорганических или органических растворителях;
Твердые соединения, содержащие ионную решетку, где один из ионов является подвижным;
Матричные электролиты. Это особый вид жидких растворов и расплавов, которые находятся в порах твёрдого непроводящего элемента — электроносителя;
Расплавы солей;
Ионообменные электролиты с униполярной системой проводимости. Твёрдые тела с фиксированной ионогенной группой одного знака.

Идеальный и реальный генератор

Предполагается что в идеальном устройстве сопротивление, обусловленное внутренними характеристиками, бесконечно большое. Из-за этого параметры замкнутой сети не оказывают влияния на источник. Неограниченное увеличение сопротивления внешней электросети, подключённой к идеальному прибору тока, приводит к возрастанию напряжение на его зажимах. Отсюда следует, что увеличивается мощность, которая может развиваться до неограниченной величины. Поэтому идеальный генератор тока можно рассматривать как источник бесконечной мощности.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) преобразователя энергии представляет собой прямую линию, параллельную координатам U. Реальных же источников ВАХ будет пересекать обе оси. Точка пересечения соответствует нулевому току и напряжению. Такой режим работы приборов называют холостым ходом.

По сути, идеальный источник — это физическая абстракция. На самом деле любой электрический прибор обладает внутренним сопротивлением. Этот параметр обратно пропорционален мощности. Эквивалентная схема реального источника состоит из двух последовательно включённых генераторов ЭДС. Напряжение на клеммах находится как сумма падения разности потенциалов на внутреннем сопротивлении r и на нагрузке: E = ΔU + U.

Таким образом, формулы описывающие источники будут следующими:

Идеального: U = I * R → P = I2 * R. Так как для токового прибора сила перемещения зарядов постоянна, то напряжение и мощность неограниченно буду расти при увеличении сопротивления.
Реального: U = I (R * r/ (R + r)) → P = I2 * (R / (1 + R/r)2. Прибор, имеющий внутреннее сопротивление, эквивалентен источнику ЭДС.

Некоторым подобием идеального генератора тока может считаться устройство, состоящее из аккумулятора и последовательно подсоединённого к нему большого сопротивления. Им, может быть, пентод (электронная лампа). Обладая внутри сопротивлением несоизмеримо выше, чем импеданс внешней замкнутой цепи, эти радиоэлектронные приборы могут отдавать практически не изменяющийся по величине ток.

Конструкция

Конструкция элемента влияет на принцип его работы. Каждый источник, который выдает электрический ток, имеет определенную конструкцию:

Самый простой бытовой аккумулятор включает в себя металлический корпус, внутри которого используется щелочная среда. Дополнительными элементами являются свинцовые пластины, на которых накапливаются катоды и аноды.

Аккумулятор

Обычная бытовая батарейка с входящим в её состав сухим элементом имеет металлический корпус, в который помещен стержень-накопитель катодов. Всё прочее пространство заполнено солевым электролитом.

Батарейка

Генератор переменного тока – это устройство, состоящее из трещоток или металлической рамки.

Механический принцип устройства

Тепловой источник тока, который уже включен в цепь. Это обычная рамка, установленная на подставке из диэлектрика. Обычно, конструкция подключена к измерительному прибору, типа амперметра. Источник тепла – это пламя или внешний электрический импульс.

Тепловое устройствоВажно! Подобная конструкция помогает точно понять, как образуется энергия, которая впоследствии преобразуется в ток. Каждый вариант строения обычно заключен в специальный корпус из диэлектрического материала

Виды источников

Существует несколько видов устройств для выработки тока, каждый из которых имеет свои основные показатели, характеристики и особенности, приведённые в следующей таблице:

Вид источника	Характеристики источника тока
Механический	Специальное устройство (генератор) обеспечивает трансформацию механической энергии в электрическую. В настоящее время большое количество тока производится именно с помощью механических источников.
Тепловой	В основу работы агрегатов заложен принцип переработки тепловой энергии в электрическую. Такое преобразование происходит благодаря разности температур контактирующих между собой полупроводников. В настоящее время разработаны источники тока, тепловая энергия в которых вырабатывается благодаря распаду радиоактивных элементов.
Химический	Химические варианты можно условно разделить на 3 группы – гальванические, аккумуляторы и тепловые. · Гальванический элемент работает посредством взаимодействия 2-х разных металлов, помещенных в электролит. · Аккумуляторы – устройства, которые можно несколько раз заряжать и разряжать. Существует несколько видов аккумуляторов с различными типами элементов, входящих в их состав. · Химически-тепловые используются только для кратковременной работы. Применяются, в основном, в сфере ракетостроения.
Световой	В конце XX века достаточно популярными стали солнечные батареи, которые «собирают» световые частицы, преобразуемые впоследствии в электрическую энергию. Это происходит за счет выдачи напряжения и благодаря воздействию на световые частицы.

Вам это будет интересно Особенности поперечного сеченияВажно! Каждый вид имеет свои преимущества и недостатки, которые определяются принципом использования, а также исходными показателями вырабатываемой энергии

Механические источники

Механические агрегаты являются самыми простыми по принципу их использования и обустройства. Характеристика таких генераторов очень проста для понимания. В специальных устройствах вырабатывается энергия, которая впоследствии преобразуется в электричество. Такие приборы используются на тепловых электростанциях и гидроэлектростанциях.

Механический

Вторичный химический источник — ток

Вторичные химические источники тока допускают многократное их использование — аккумуляторы. Анод аккумулятора при разрядке служит катодом при зарядке. Наиболее распространены свинцовый ( кислотный) и железо-никелевый ( щелочной) аккумуляторы.

Вторичные химические источники тока, действие которых основано на использовании обратимых электрохимических систем. Под обратимыми электрохимическими системами понимают такие, в которых вещества, образовавшиеся в процессе разряда, могут быть превращены в первоначальные активные вещества.

Вторичные химические источники тока допускают многократное их использование — это аккумуляторы. Анод аккумулятора при разрядке служит катодом при зарядке.

Распространяется на первичные и вторичные химические источники тока. Устанавливает требования безопасности к конструкции источников тока.

Противоэлемент — это вторичный химический источник тока, практически не имеющий полезной емкости и используемый для встречного включения в цепь аккумуляторной батареи с целью регулирования ее напряжения.

Настоящий стандарт распространяется на первичные и вторичные химические источники тока.

Стартерные свинцовые аккумуляторные батареи являются вторичными химическими источниками тока. Заложенные в них активные вещества используются многократно.

Свинцовые аккумуляторы пользуются наибольшим спросом среди вторичных химических источников тока. Многообразие их электрических и эксплуатационных параметров в зависимости от назначения обеспечивается прежде всего различием технологии и конструкции электродных пластин. Наибольшее распространение получили стартерные аккумуляторы с пастиро-ванными пластинами, которые изучаются в предлагаемой лабораторной работе.

Группу щелочных аккумуляторов с окисно-никелевым электродом составляют вторичные химические источники тока трех систем: никель-железный ( сокращенно HJK), никель-кадмиевый ( сокращенно НК) и никель-цинковый. Последний обладает рядом существенных недостатков и прежде всего — малым сроком службы ( меньше 200 циклов) и большим саморазрядом ( до 90 % за месяц), поэтому в настоящее время его не применяют. Однако высокая удельная энергия никель-цинкового аккумулятора, достигающая 60 Вт — ч / кг, дает основания считать его перспективным в будущем.

Кислотные свинцовые аккумуляторы являются наиболее распространенными среди вторичных химических источников тока. Разнообразие их электрических и эксплуатационных параметров в зависимости от назначения обеспечивается прежде всего различием технологии и конструкции электродных пластин.

Из сказанного следует, что один и тот же электрод вторичного химического источника тока может являться и анодом и катодом в зависимости от того, подвергается ли источник заряду или разряду. Поэтому, чтобы правильно применять при рассмотрении вторичных ХИТ термины анод и катод, необходимо знать природу процессов, протекающих на данном электроде при заряде и разряде источника тока, учитывая при этом, что процессу окисления отвечает термин анод, а процессу восстановления — термин катод.

В отличие от простых ( первичных) гальванических элементов ( см. 8.4) аккумуляторы являются вторичными химическими источниками тока.

Пропускание электрического тока через электролитическую ячейку вызывает в ней определенные изменения. Если протекающие электрохимические поцессы обратимы, то можно вновь получить электрическую работу за счет накопленной химической энергии. Такие обратимые элементы называются аккумуляторами, или вторичными химическими источниками тока.

Пропускание электрического тока через электролитическую ячейку вызывает в ней определенные изменения. Если протекающие электрохимические процессы обратимы, то можно вновь получить электрическую работу за счет накопленной химической энергии. Такие обратимые элементы называются аккумуляторами, или вторичными химическими источниками тока.

Отечественной промышленностью выпускается обширный ассортимент малогабаритных источников питания, которые могут использоваться в переносной аппаратуре. Герметические дисковые кадмиево-никелевые аккумуляторы и батареи типа Д-006; Д-01; Д-02; 7Д — 0.1, применяющиеся в приборах широкого потребления, имеют небольшие габариты и вес, однако ограниченный температурный диапазон ( от 5 до 35 С), при котором техническими условиями гарантируется их работоспособность, недостаточен для полевой аппаратуры. Серебряно-цинковые аккумуляторы по своим характеристикам превосходят все вторичные химические источники тока.

Тепловые источники

К тепловым относят различные термоэлементы. Термоэлемент — это прибор в котором, тепловая энергия, получаемая от нагревателя, превращается сначала во внутреннюю энергию вещества, а затем — в электрическую энергию.

Один из таких элементов называют термопарой (рис. 5). Термопара состоит из двух различных металлических проволок, спаянных вместе. Если нагреть место их соприкосновения, то на свободных концах проволочек можно обнаружить электрическое напряжение (ссылка).

Рис. 5. Две проволоки из различных металлов могут создавать ток в цепи при нагревании

Если свободные концы термопары присоединить к потребителю тока, то под действием тепловой энергии по замкнутой цепи побегут электроны, то есть, возникнет электрический ток.

Таким образом, эта незамысловатая конструкция преобразовывает внутреннюю энергию нагреваемых металлов в электрическую энергию.

Лягушачьи лапки как источник тока

Другой способ получения электричества впервые открыл Луиджи Гальвани. Будучи биологом, он работал в лаборатории, где экспериментировали с электричеством. Он видел, как у мертвой лягушки сокращалась лапка при ее возбуждении искрой от машины. Но однажды тот же самый эффект был достигнут случайно, когда ученый дотронулся до нее стальным скальпелем.

Он стал искать причины, откуда появился электрический ток. Источники электрического тока, по его финальному заключению, находились в тканях лягушки.

Другой итальянец, Алессандро Вольто, доказал несостоятельность «лягушачьей» природы возникновения тока. Было замечено, что самый большой ток возникал при добавлении меди и цинка в раствор серной кислоты. Такая комбинация получила название гальванического или химического элемента.

Но использование такого средства для получения ЭДС стало бы слишком затратным. Поэтому ученые работали над другим, механическим, способом добычи электрической энергии.

Химические источники электрического тока

Химические источники тока – это устройства, работа которых обусловлена преобразованием выделяемой при окислительно-восстановительном процессе химической энергии в энергию электрическую.

К преимуществам химических источников тока относится универсальность их применения.

Источником питания многих бытовых устройств, а также приборов, используемых в научных лабораториях или на производстве, являются именно химические источники питания.

Востребованность химических источников тока в обеспечении функционирования аппаратуры связи или портативной электронной аппаратуры заслуживает особого внимания, так как в этом случае они являются незаменимыми.

Химические источники электротока

Конструктивно химические источники тока представляют собой два металлических электрода, разделенных электролитом. Электроды изготавливаются из металла, который является проводником электронов (электронная проводимость), а электролит изготавливается из жидкого или твердого вещества, являющегося проводником ионов (ионная проводимость).

Если для питания, какого либо потребителя, требуется высокое напряжение, то электрические аккумуляторы соединяются последовательно. В случае, когда для электропитания требуется большой ток, электрические аккумуляторы соединяются параллельно и носят название аккумуляторной батареи.

Советуем изучить Маркировка танталовых smd конденсаторов

Последовательное соединение (согласное включение)

Еобщ = Е1 + Е2 + Е3

Смешанное соединение (встречное)

Еобщ = Е1 – Е2 + Е3

Параллельное соединение источников питания. ( Такое соединение применяется
для увеличения тока в цепи. )

Еобщ = Е1 = Е2 = Е3

В зависимости от характера работы различные типы химических источников питания носят название гальванических элементов либо электрических аккумуляторов.

К отличительной особенности химических источников тока, называемых гальваническими элементами, относится возможность одноразового применения, так как их выделяющие электрическую энергию активные вещества подлежат полному распаду в процессе химической реакции. При полном разряде гальванического элемента его дальнейшее применение невозможно.

Особенностью таких химических источников тока, как электрические аккумуляторы, является их многоразовое использование за счет обратимости основных действующих процессов.

Разряженный электрический аккумулятор обладает способностью регенерировать свои дающие электрическую энергию активные вещества за счет процесса пропускания через него постоянного тока, источником которого служит другое устройство.

При заряде электрического аккумулятора постоянный тока другого источника должен протекать в направлении, противоположном разрядному току. Такое условие способствует замене реакции окисления на реакцию восстановления на положительном электроде, и наоборот, на отрицательном электроде реакция окисления заменяется на реакцию восстановления.

К химическим источникам тока предъявляется ряд общих и специальных технических требований. Все требования оговорены в соответствующей нормативной документации.

Общими являются требования: к габаритно-массовым характеристикам; к надежности; к отсутствию вредного влияния на окружающую среду; к безопасному использованию обслуживающим персоналом; к сроку службы; к минимальному саморазряду.

Специальными техническими условиями являются требования к удельным характеристикам, к механической прочности, к температурному диапазону рабочего режима, к невысокому значению внутреннего сопротивления, к работоспособности в любом положении, к удобству в эксплуатации.