Джерела струму хімічні. Види хімічних джерел струму та їх пристрій

джерела струму хімічні (скорочено ХДС) - пристосування, у яких енергія окислювально-відновної реакції перетворюється в електричну. Інші їх назви - електрохімічний елемент, гальванічний елемент, електрохімічна комірка. Принцип їх дії полягає в наступному: в результаті взаємодії двох реагентів відбувається хімічна реакція з виділенням енергії постійного електричного струму. В інших джерелах струму процес отримання електроенергії відбувається за багатоступеневою схемою. спочатку виділяється теплова енергія, потім вона перетворюється в механічну і лише після цього в електричну. Перевага ХІТ - одноступінчатий процесу, тобто електрику виходить відразу, минаючи стадії отримання теплової та механічної енергій.

Історія

Як з`явилися перші джерела струму? Хімічні істочнікіполучілі назву гальванічних елементів в честь італійського вченого вісімнадцятого століття - Луїджі Гальвані. Він був лікарем, анатомом, фізіологом і фізиком. Одним з напрямків його досліджень було вивчення реакцій тварин на різні зовнішні впливи. Хімічний спосіб отримання електроенергії був відкритий Гальвані випадково, під час одного з дослідів над жабами. Він приєднав до оголеного нерву на жаб`ячої лапки дві металеві пластини. При цьому відбулося м`язове скорочення. Власне пояснення цього явища Гальвані було невірним. Але результати його дослідів і спостережень допомогли його співвітчизнику Алессандро Вольта в подальших дослідженнях.

Вольта виклав у своїх працях теорію виникнення електричного струму в результаті хімічної реакції між двома металами при контакті з м`язової тканиною жаби. Перший хімічний джерело струму виглядав як ємність з соляним розчином, з зануреними в нього пластинами з цинку і міді.

У промислових масштабах ХІТ почали проводитися ще в другій половині дев`ятнадцятого століття, завдяки французу Лекланше, який винайшов первинний марганцево-цинковий елемент з сольовим електролітом, названий його ім`ям. Через кілька років ця електрохімічна комірка була вдосконалена іншим вченим і була єдиним первинним хімічним джерелом струму до 1940 року.

Пристрій і принцип роботи ХІТ

Пристрій хімічних джерел струму включає в себе два електроди (провідники першого роду) і знаходиться між ними електроліт (провідник другого роду, або іонний провідник). На кордоні між ними виникає електронний потенціал. Електрод, на якому відбувається окислення відновлювача називають анодом, а той, на якому відбувається відновлення окислювача, - катодом. Разом з електролітом вони складають електрохімічний систему.

Побічним результатом окислювально-відновної реакції між електродами є виникнення електричного струму. Під час такої реакції відновник окислюється і віддає електрони окислювача, який їх приймає і за рахунок цього відновлюється. Присутність між катодом і анодом електроліту є необхідною умовою реакції. Якщо просто змішати між собою порошки з двох різних металів, ніякого виділення електроенергії не станеться, вся енергія виділиться у вигляді тепла. Електроліт потрібен, щоб упорядкувати процес переходу електронів. Найчастіше в його якості виступає сольовий розчин або розплав.

Електроди виглядають як металеві пластини або решітки. При їх зануренні в електроліт виникає різниця електричних потенціалів між ними - напруга розімкнутого ланцюга. Анод має тенденцію до віддачі електронів, а катод - до їх прийняття. На їх поверхні починаються хімічні реакції. Вони припиняються у разі роз`єднання ланцюга, а також коли витрачений один з реагентів. Розмикання ланцюга відбувається при видаленні одного з електродів або електроліту.

Склад електрохімічних систем

джерела струму хімічні як окислювачі використовують кисень кислоти і солі, кисень, галоїди, вищі оксиди металів, нітроорганіческіе з`єднання і т. д. Восстановителями в них є метали і їх нижчі оксиди, водень і вуглеводні сполуки. Як електроліти використовуються:

1. Водні розчини кислот, лугів, сольові і т. Д.
2. Неводні розчини з іонною провідністю, отримані при розчиненні солей в органічних або неорганічних розчинниках.
3. Розплави солей.
4. Тверді сполуки з іонним гратами, в якій один з іонів рухливий.
5. Матричні електроліти. Це рідкі розчини або розплави, що знаходяться в порах твердого непровідного тіла - електроносіями.
6. Іонообмінні електроліти. Це тверді з`єднання з фіксованими йоногенних групами одного знака. Іони іншого знака при цьому рухливі. Ця властивість робить провідність такого електроліту уніполярної.

гальванічні батареї

Джерела струму хімічні складаються з гальванічних елементів - осередків. Напруга в одній з таких осередків невелика - від 0,5 до 4В. Залежно від потреби, в ХІТ використовують гальванічний батарею, що складається з декількох послідовно з`єднаних елементів. Іноді застосовується паралельне або послідовно-паралельне з`єднання декількох елементів. В послідовний ланцюг завжди включають виключно однакові первинні осередки або акумулятори. Вони повинні мати одні й ті ж параметри: електрохімічний систему, конструкцію, технологічний варіант і типорозмір. Для паралельного з`єднання допустимо використання елементів різного типорозміру.

Відео: Хімічні джерела струму. урок №2

Класифікація ХІТ

Хімічні джерела струму відрізняються по:

• розміром;
• конструкції;
• реагентів;
• природі енергообразующую реакції.

Ці параметри визначають експлуатаційні властивості ХІТ, які підходять для конкретної області застосування.

Класифікація електрохімічних елементів заснована на різниці в принципі роботи пристрою. Залежно від цих характеристик, розрізняють:

1. Первинні хімічні джерела струму - елементи одноразової дії. У них є певний запас реагентів, який витрачається при реакції. Після повного розряду такий осередок втрачає працездатність. По-іншому первинні ХІТ називають гальванічними елементами. Вірним буде і називати їх просто - елемент. Найпростіші приклади первинного джерела живлення - "батарейка" А-А.
2. Перезаряджаються хімічні джерела струму - акумулятори (їх також називають вторинними, оборотними ХДС) є багаторазовими елементами. Шляхом пропускання струму від зовнішнього ланцюга в зворотному напрямку через акумулятор після повного розряду витрачені реагенти регенеруються, знову накопичуючи хімічну енергію (заряжаясь). Завдяки можливості підзарядки від зовнішнього постійного джерела струму цей пристрій використовується протягом довгого часу, з перервами на підзарядку. Процес вироблення електричної енергії називається розрядом акумулятора. До таких ХІТ можна віднести елементи живлення багатьох електронних пристроїв (ноутбуки, мобільні телефони і т. П.).
3. Теплові хімічні джерела струму - прилади безперервної дії. В процесі їх роботи відбувається безперервне надходження нових порцій реагентів і видалення продуктів реакції.
4. У комбінованих (полутоплівних) гальванічних елементах є запас одного з реагентів. Другий подається в пристрій ззовні. Термін роботи пристрою залежить від запасу першого реагенту. Комбіновані хімічні джерела електричного струму використовуються як акумулятори, якщо є можливість відновлення їх заряду шляхом пропускання струму від зовнішнього джерела.
5. ХІТ поновлювані перезаряджаються механічним або хімічним шляхом. Для них існує можливість заміни після повного розряду витрачених реагентів на нові порції. Тобто вони не є пристроями безперервної дії, а, подібно до акумуляторів, періодично заряджаються.

Відео: Хімічне джерело світла

характеристики ХІТ

До основних характеристик хімічних джерел струму відносяться:

1. Напруга розімкненого ланцюга (НРЦ або розрядна напруга). Цей показник, перш за все, залежить від обраної електрохімічної системи (поєднання відновника, окислювача і електроліту). Також на НРЦ впливають концентрація електроліту, ступінь розрядженого, температура і інше. НРЦ залежить від значення проходить через ХІТ струму.
2. Потужність.
3. Струм розряду - залежить від опору зовнішнього ланцюга.
4. Ємність - максимальної кількість електрики, яке ХІТ віддає при повному його розряді.
5. Енергозапас - максимальна енергія, що отримується при повному розряді пристрою.
6. Енергетичні характеристики. Для акумуляторів, це, перш за все, гарантовану кількість зарядно-розрядних циклів без зниження ємності або напруги заряду (ресурс).
7. Температурний діапазон працездатності.
8. Термін зберігання - максимально допустимий проміжок часу між виготовленням і першим розрядом пристрою.
9. Термін служби - максимально допустимий загальний термін зберігання і роботи. Для паливних елементів значення мають терміни служби при безперервної і переривчастою роботі.
10. Загальна енергія, що віддається за весь термін служби.
11. Механічна міцність по відношенню до вібрації, ударів і т. П.
12. Можливість роботи в будь-якому положенні.
13. Надійність.
14. Простота в обслуговуванні.

Вимоги до ХІТ

Конструкція електрохімічних елементів повинна забезпечувати умови, що сприяють найбільш ефективному протіканню реакції. До цих умов відносяться:

• запобігання витокам струму;
• рівномірна робота;
• механічна міцність (в тому числі герметичність);
• поділ реагентів;
• хороший контакт між електродами і електролітом;
• відведення струму від зони реакції до зовнішнього виведення з мінімальними втратами.

Джерела струму хімічні повинні відповідати наступним загальним вимогам:

• найвищі значення питомих параметрів;
• максимальний температурний інтервал працездатності;
• найбільше напруження;
• мінімальна вартість одиниці енергії;
• стабільність напруги;
• збереження заряду;
• безпеку;
• простота обслуговування, а в ідеалі відсутність необхідності в ньому;
• тривалий термін служби.

експлуатація ХІТ

Головна перевага первинних гальванічних елементів - відсутність необхідності будь-якого обслуговування. Перед початком їх використання досить провести перевірку зовнішнього вигляду, терміну придатності. При підключенні важливо дотримати полярність і перевірити цілісність контактів приладу. Більш складні хімічні джерела струму - акумулятори, вимагають вже більш серйозного догляду. Мета їх обслуговування - максимальне продовження терміну служби. Догляд за акумуляторною батареєю полягає в:

• підтримання чистоти;
• контролі напруги розімкнутого ланцюга;
• підтримці рівня електроліту (для доливання можна використовувати тільки дистильовану воду);
• контролі концентрації електроліту (з допомогою ареометра - простого приладу для вимірювання щільності рідин).

При експлуатації гальванічних елементів необхідно дотримуватися всіх вимог, що ставляться до безпечного використання електроприладів.

Класифікація ХІТ по електрохімічним системам

Види хімічних джерел струму, в залежності від системи:

Відео: Виробництво лужних (алкалінових) батарейок. батарейка

• свинцеві (кислотні);
• нікель-кадмієві, нікель-залізні, нікель-цинкові;
• марганцево-цинкові, мідно-цинкові, ртутно-цинкові, хлорно-цинкові;
• срібно-цинкові, срібно-кадмієві;
• повітряно-металеві;
• нікель-водневі та срібно-водневі;
• марганцево-магнієві;
• літієві і т. д.

Сучасне застосування ХІТ

Джерела струму хімічні даний час застосовуються в:

• транспортних засобах;
• переносних приладах;
• військової та космічної техніки;
• науковому обладнанні;
• медицині (електрокардіостимулятори).

Звичні приклади ХДС в побуті:

• батарейки (сухі батареї);
• акумуляторні батареї переносних побутових приладів і електроніки;
• джерела безперебійного живлення;
• автомобільні акумулятори.

Особливо широке застосування отримали літієві хімічні джерела струму. Це пов`язано з тим, що літій (Li) має найвищу питомою енергією. Справа в тому, що він відрізняється самим негативним електродним потенціалом серед всіх інших металів. Літій-іонні акумулятори (ЛІА) випереджають всі інші ХІТ по величинам питомої енергії і робочої напруги. Зараз вони поступово освоюють нову сферу - автомобільний транспорт. Надалі розробки вчених, пов`язані з удосконаленням літієвих елементів живлення, будуть рухатися в напрямку надтонких конструкцій і великих надпотужних акумуляторних батарей.