الخلايا والبطاريات الجلفانية - الجهاز ، مبدأ التشغيل ، الأنواع

مصادر طاقة كهربائية منخفضة

تُستخدم الخلايا والبطاريات الجلفانية لتشغيل المعدات الكهربائية والراديو المحمولة.

الخلايا الجلفانية - هذه مصادر لأفعال لمرة واحدة ، المراكم - مصادر العمل التي يعاد استخدامها.

أبسط عنصر كلفاني

يمكن صنع أبسط عنصر من شريحتين: النحاس والزنك مغموران في الماء المحمض قليلاً بحمض الكبريتيك. إذا كان الزنك نقيًا بما يكفي لعدم وجود تفاعلات محلية ، فلن يحدث تغيير ملحوظ حتى يتم الجمع بين النحاس والزنك معًا.

ومع ذلك ، فإن الشرائط لها إمكانات مختلفة ، واحدة فيما يتعلق بالآخر ، وعندما يتم توصيلها بسلك ، ستظهر كهرباء... من خلال هذا الإجراء ، سوف يذوب شريط الزنك تدريجياً وتتشكل فقاعات الغاز بالقرب من القطب النحاسي ، وتتجمع على سطحه. هذا الغاز هو الهيدروجين الناتج عن المنحل بالكهرباء. يتدفق التيار الكهربائي من الشريط النحاسي على طول السلك إلى شريط الزنك ، ومنه عبر المنحل بالكهرباء إلى النحاس.

تدريجيًا ، يتم استبدال حمض الكبريتيك في المنحل بالكهرباء بكبريتات الزنك المتكونة من الجزء المذاب من قطب الزنك. هذا يقلل من جهد الخلية. ومع ذلك ، يحدث انخفاض أكبر في الجهد بسبب تكوين فقاعات غاز على النحاس. كلا الإجراءين يسببان "استقطاب". هذه العناصر ليس لها أي قيمة عملية تقريبًا.

معلمات مهمة للخلايا الجلفانية

يعتمد حجم الجهد الذي تعطيه الخلايا الجلفانية فقط على نوعها وجهازها ، أي على مادة الأقطاب الكهربائية والتركيب الكيميائي للإلكتروليت ، ولكنه لا يعتمد على شكل الخلايا وحجمها.

التيار الذي يمكن أن توفره الخلية الجلفانية محدود بمقاومتها الداخلية.

من الخصائص المهمة جدًا للخلية الجلفانية القدرة الكهربائية... القدرة الكهربائية تعني كمية الكهرباء التي تستطيع خلية جلفانية أو تخزينية توصيلها طوال فترة تشغيلها ، أي حتى بداية التفريغ النهائي.

يتم تحديد السعة التي تقدمها الخلية بضرب قوة تيار التفريغ ، معبراً عنها بالأمبير ، بالوقت بالساعات التي تم خلالها تفريغ الخلية حتى بداية التفريغ الكامل. لذلك ، يتم التعبير عن السعة دائمًا بساعات الأمبير (آه).

من خلال قيمة سعة الخلية ، من الممكن أيضًا تحديد عدد الساعات التي ستعمل بها مسبقًا قبل بدء التفريغ الكامل. للقيام بذلك ، تحتاج إلى تقسيم السعة على قوة تيار التفريغ المسموح به لهذا العنصر.

ومع ذلك ، فإن السعة ليست ثابتة بشكل صارم. يختلف في حدود كبيرة إلى حد ما اعتمادًا على ظروف التشغيل (الوضع) للعنصر وجهد التفريغ النهائي.

إذا تم تفريغ الخلية بأقصى تيار ، علاوة على ذلك ، دون انقطاع ، فإنها ستعطي سعة أقل بكثير. على العكس من ذلك ، عندما يتم تفريغ نفس الخلية بتيار منخفض ومع انقطاعات متكررة وطويلة نسبيًا ، فإن الخلية ستتخلى عن سعتها الكاملة.

بالنسبة لتأثير جهد التفريغ النهائي على سعة الخلية ، يجب أن يؤخذ في الاعتبار أنه أثناء تفريغ الخلية الجلفانية ، لا يظل جهد التشغيل عند نفس المستوى ، ولكنه يتناقص تدريجياً.

الأنواع الشائعة من الخلايا الكهروكيميائية

الخلايا الجلفانية الأكثر شيوعًا هي المنغنيز والزنك والمنغنيز والهواء وأنظمة الهواء والزنك والزئبق والزنك مع الملح والكهارل القلوية.خلايا المنغنيز والزنك الجافة مع إلكتروليت الملح لها جهد أولي من 1.4 إلى 1.55 فولت ، مدة التشغيل عند درجة حرارة محيطة تتراوح من -20 إلى -60 درجة مئوية من 7 إلى 340 صباحًا

تحتوي خلايا الزنك والمنغنيز الجافة وخلايا الزنك الهوائية التي تحتوي على إلكتروليت قلوي بجهد كهربائي يتراوح من 0.75 إلى 0.9 فولت ووقت تشغيل من 6 ساعات إلى 45 ساعة.

خلايا الزئبق والزنك الجافة لها جهد بدء من 1.22 إلى 1.25 فولت ووقت تشغيل من 24 ساعة إلى 55 ساعة.

تتمتع خلايا الزئبق والزنك الجافة بأطول مدة صلاحية مضمونة تصل إلى 30 شهرًا.

بطاريات

بطاريات هذه خلايا كهروكيميائية ثانوية ، على عكس الخلايا الجلفانية ، لا تحدث أي عمليات كيميائية في البطارية بعد التجميع مباشرة.

لكي تبدأ البطارية تفاعلات كيميائية مرتبطة بحركة الشحنات الكهربائية ، من الضروري تغيير التركيب الكيميائي للأقطاب الكهربائية (وجزئيًا من الإلكتروليت) بشكل مناسب.يحدث هذا التغيير في التركيب الكيميائي للأقطاب الكهربائية تحت تأثير تيار كهربائي يمر عبر البطارية.

لذلك ، لكي تنتج البطارية تيارًا كهربائيًا ، يجب أولاً "شحنها" بتيار كهربائي مباشر من بعض مصادر التيار الخارجية.

تختلف البطاريات أيضًا عن الخلايا الجلفانية التقليدية في حقيقة أنه يمكن إعادة شحنها بعد التفريغ. مع العناية الجيدة وتحت ظروف التشغيل العادية ، يمكن أن تدوم البطاريات حتى عدة آلاف من الشحنات والتفريغ.
جهاز يعمل بالبطارية

حاليًا ، غالبًا ما تستخدم بطاريات الرصاص والنيكل والكادميوم في الممارسة العملية. في المحلول الأول من حامض الكبريتيك بمثابة إلكتروليت ، وفي المحلول الثاني القلوي في الماء. تسمى بطاريات الرصاص الحمضية أيضًا بطاريات النيكل والكادميوم والقلوية.

يعتمد مبدأ تشغيل البطاريات على استقطاب الأقطاب الكهربائية أثناء التحليل الكهربائي... أبسط بطارية حمضية مبنية على النحو التالي: إنها لوحتان من الرصاص مغمورتان في إلكتروليت. نتيجة تفاعل الاستبدال الكيميائي ، يتم تغطية الألواح بطبقة رقيقة من كبريتات الرصاص PbSO4 ، على النحو التالي من الصيغة Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2.

جهاز البطارية الحمضية

تتوافق حالة اللوحات هذه مع بطارية فارغة. إذا كانت البطارية قيد التشغيل الآن للشحن ، أي متصلة بمولد تيار مباشر ، فسيبدأ استقطاب الألواح فيها بسبب التحليل الكهربائي. نتيجة لشحن البطارية ، تكون لوحاتها مستقطبة ، أي تغيير المادة الموجودة على سطحها ومن متجانسة (PbSO4) إلى مختلفة (Pb و PbO2).

تصبح البطارية هي المصدر الحالي ، بلوحة مطلية بثاني أكسيد الرصاص كقطب موجب ولوحة رصاص نظيفة مثل القطب السالب.

بنهاية الشحن ، يزداد تركيز المنحل بالكهرباء بسبب ظهور جزيئات حمض الكبريتيك الإضافية فيه.

هذه إحدى خصائص بطارية الرصاص الحمضية: لا يبقى المنحل بالكهرباء محايدًا ويشارك في التفاعلات الكيميائية أثناء تشغيل البطارية.

بحلول نهاية التفريغ ، يتم تغطية كلا لوحي البطارية مرة أخرى بكبريتات الرصاص ، ونتيجة لذلك تتوقف البطارية عن أن تكون مصدرًا للتيار. لم يتم إحضار البطارية إلى هذه الحالة أبدًا. بسبب تكوين كبريتات الرصاص على الألواح ، ينخفض ​​تركيز المنحل بالكهرباء في نهاية التفريغ. إذا كانت البطارية مشحونة ، فيمكن أن يتسبب الاستقطاب مرة أخرى في تفريغها مرة أخرى ، وما إلى ذلك.

كيفية شحن البطارية

هناك عدة طرق لشحن البطاريات. أبسطها هو الشحن العادي للبطارية ، والذي يتم على النحو التالي. في البداية ، لمدة 5-6 ساعات ، يتم الشحن بتيار عادي مزدوج حتى يصل جهد كل بطارية إلى 2.4 فولت.

يتم تحديد تيار الشحن العادي بواسطة الصيغة Aztax = Q / 16

حيث Q - السعة الاسمية للبطارية ، آه.

بعد ذلك ، يتم تقليل تيار الشحن إلى القيمة العادية ويستمر الشحن لمدة 15-18 ساعة حتى تظهر علامات انتهاء الشحن.

البطاريات الحديثة

ظهرت بطاريات النيكل والكادميوم أو البطاريات القلوية في وقت متأخر جدًا عن بطاريات الرصاص ، ومقارنتها بمصادر أكثر حداثة للتيار الكيميائي.تكمن الميزة الرئيسية للبطاريات القلوية على بطاريات الرصاص في الحياد الكيميائي للكهارل بالنسبة للكتل النشطة للألواح. لذلك ، فإن التفريغ الذاتي للبطاريات القلوية أقل بكثير من تفريغ بطاريات الرصاص الحمضية. يعتمد مبدأ تشغيل البطاريات القلوية أيضًا على استقطاب الأقطاب الكهربائية أثناء التحليل الكهربائي.

لتشغيل المعدات اللاسلكية ، يتم إنتاج بطاريات الكادميوم والنيكل محكمة الغلق ، والتي تكون فعالة في درجات حرارة من -30 إلى +50 درجة مئوية وتتحمل 400-600 دورة شحن-تفريغ. تصنع هذه المراكم في شكل متوازي سطوح وأقراص مدمجة تزن من بضعة جرامات إلى كيلوغرامات.

يتم إنتاج بطاريات النيكل والهيدروجين لتشغيل الأجسام المستقلة. الطاقة النوعية لبطارية النيكل-الهيدروجين هي 50-60 واط / ساعة كجم -1.