Princip rada galvanske ćelije. Galvanska ćelija: sklop, princip rada, primjena

Izvori niske snage električna energija

Za napajanje prijenosne električne i radio opreme koriste se galvanske ćelije i baterije.

Galvanske ćelije su jednokratni izvori akumulatori- izvori višekratne upotrebe.

Najjednostavnija galvanska ćelija

Najjednostavniji element može se napraviti od dvije trake: bakra i cinka, potopljenih u vodu blago zakiseljenu sumpornom kiselinom. Ako je cink dovoljno čist da ne izaziva lokalne reakcije, neće doći do primjetne promjene dok se bakar i cink ne spoje zajedno.

Međutim, trake imaju različite potencijale jedna u odnosu na drugu, a kada su spojene žicom, to će se pojaviti. Kako ovo djelovanje napreduje, traka cinka će se postepeno otopiti, a mjehurići plina će se formirati u blizini bakarne elektrode, skupljajući se na njenoj površini. Ovaj plin je vodonik, koji nastaje iz elektrolita. Električna struja teče od bakarne trake kroz žicu do cink trake, a od nje kroz elektrolit natrag do bakra.

Postupno se sumporna kiselina elektrolita zamjenjuje cink sulfatom, koji nastaje iz otopljenog dijela cink elektrode. Zbog toga se smanjuje napon elementa. Međutim, još veći pad napona je uzrokovan stvaranjem plinskih mjehurića na bakru. Obje ove akcije proizvode "polarizaciju". Takvi elementi nemaju gotovo nikakvu praktičnu vrijednost.

Važni parametri galvanskih ćelija

Veličina napona koju daju galvanske ćelije zavisi samo od njihovog tipa i uređaja, odnosno od materijala elektroda i hemijski sastav elektrolita, ali ne zavisi od oblika i veličine elemenata.

Količina struje koju galvanska ćelija može isporučiti ograničena je njenim unutrašnjim otporom.

Visoko važna karakteristika galvanska ćelija je . Pod električnim kapacitetom podrazumeva se količina električne energije koju galvanska ili baterijska ćelija može da odaši tokom čitavog vremena svog rada, odnosno do konačnog pražnjenja.

Kapacitet koji daje element se određuje množenjem struje pražnjenja, izražene u amperima, sa vremenom u satima tokom kojeg je element bio pražnjen do početka potpunog pražnjenja. Stoga se električni kapacitet uvijek izražava u amper-satima (A x h).

Po vrijednosti kapaciteta elementa također možete unaprijed odrediti koliko će sati raditi otprilike prije početka potpunog pražnjenja. Da biste to učinili, trebate podijeliti kapacitivnost sa snagom struje pražnjenja dopuštene za ovaj element.

Međutim, električni kapacitet nije striktno konstantna vrijednost. Ona varira u prilično velikim granicama u zavisnosti od uslova (moda) elementa i konačnog napona pražnjenja.

Ako se element isprazni s maksimalnom jačinom struje i, osim toga, bez prekida, tada će ispustiti mnogo manji kapacitet. Naprotiv, kada se isti element isprazni strujom manje snage i sa čestim i relativno dugim prekidima, element će izgubiti svoj puni kapacitet.

Što se tiče uticaja na kapacitivnost elementa konačnog napona pražnjenja, mora se imati na umu da se u procesu pražnjenja galvanskog ćelije njegov radni napon ne ostaje na istom nivou, već se postepeno smanjuje.

Uobičajene vrste galvanskih ćelija

Najčešći galvanski sistemi su mangan-cink, mangan-vazduh, vazduh-cink i živa-cink sistemi sa soli i alkalnim elektrolitima. Suha mangan-cink elementi sa slanim elektrolitom imaju početni napon od 1,4 do 1,55 V, trajanje rada na temperaturi okruženje od -20 do -60 °C od 7 sati do 340 sati.

Suve mangan-cink i vazdušno-cink ćelije sa alkalnim elektrolitom imaju napon od 0,75 do 0,9 V i vreme rada od 6 sati do 45 sati.

Suhe živino-cink ćelije imaju početni napon od 1,22 do 1,25 V i vrijeme rada od 24 sata do 55 sati.

najveći garantni rok skladištenje, do 30 mjeseci, imaju suhe živino-cink elemente.

To su sekundarne galvanske ćelije.Za razliku od galvanskih ćelija, u bateriji se ne dešavaju hemijski procesi odmah nakon montaže.

Da bi kemijske reakcije povezane s kretanjem počele u bateriji električnih naboja, morate u skladu s tim promijeniti kemijski sastav njegovih elektroda (i dijela elektrolita). Ova promjena u kemijskom sastavu elektroda nastaje pod djelovanjem električna struja.

Dakle, da bi baterija mogla proizvoditi električnu struju, prvo se mora “napuniti” jednosmjernom električnom strujom iz nekog vanjskog izvora struje.

Baterije su takođe povoljne u poređenju sa konvencionalnim galvanskim ćelijama po tome što se mogu ponovo puniti nakon što se isprazne. At dobra njega iza njih i pod normalnim radnim uslovima, baterije mogu izdržati do nekoliko hiljada punjenja i pražnjenja.
Akumulatorski uređaj

Trenutno se u praksi najčešće koriste olovne i kadmijum-nikl baterije. Za prve kao elektrolit služi otopina sumporne kiseline, a za druge otopina alkalija u vodi. Olovne baterije se takođe nazivaju kiselinskim, a kadmijum-nikl baterije se nazivaju alkalne.

Princip rada baterija zasniva se na polarizaciji elektroda. Protozoa kiselinska baterija Raspoređen je na sljedeći način: to su dvije olovne ploče umočene u elektrolit. Kao rezultat reakcije kemijske zamjene, ploče su prekrivene blagim premazom olovnog sulfata PbSO4, kao što slijedi iz formule Pb + H 2 SO 4 = PbSO 4 + H 2.

Uređaj za kiselinsku bateriju

Ovo stanje ploča odgovara ispražnjenoj bateriji. Ako je sada baterija uključena za punjenje, odnosno spojite je na generator jednosmerna struja, tada će u njemu, zbog elektrolize, početi polarizacija ploča. Kao rezultat napunjenosti baterije, njene ploče se polariziraju, odnosno mijenjaju tvar svoje površine, a iz homogene (PbSO 4) prelaze u heterogene (Pb i Pb O 2).

Baterija postaje izvor struje, a pozitivna elektroda je ploča obložena olovnim dioksidom, a negativna je čista olovna ploča.

Do kraja punjenja koncentracija elektrolita se povećava zbog pojave dodatnih molekula sumporne kiseline u njemu.

Ovo je jedna od karakteristika olovna baterija: njegov elektrolit ne ostaje neutralan i sam učestvuje u hemijske reakcije tokom rada baterije.

Do kraja pražnjenja, obje ploče baterije su ponovo prekrivene olovnim sulfatom, zbog čega baterija prestaje biti izvor struje. Baterija nikada nije dovedena u takvo stanje. Zbog stvaranja olovnog sulfata na pločama, koncentracija elektrolita na kraju pražnjenja opada. Ako se baterija napuni, onda je opet moguće izazvati polarizaciju da bi se ponovo ispraznila itd.

Postoji nekoliko načina za punjenje baterija. Najjednostavnije je normalno punjenje baterije, koje se događa na sljedeći način. U početku, 5-6 sati, punjenje se vrši dvostrukom normalnom strujom, sve dok napon na svakoj bateriji ne dostigne 2,4 V.

Normalna struja punjenja određena je formulom I punjenje = Q / 16

Gdje je Q - nominalni kapacitet baterije, Ah.

Nakon toga, struja punjenja se smanjuje na normalnu vrijednost i punjenje se nastavlja 15-18 sati, dok se ne pojave znakovi kraja punjenja.

Moderne baterije

Kadmijum-nikl, ili alkalne baterije, pojavile su se mnogo kasnije od olovnih i u poređenju sa njima su napredniji hemijski izvori struje. Glavna prednost alkalnih baterija u odnosu na olovne je hemijska neutralnost njihovog elektrolita u odnosu na aktivne mase ploča. Zbog toga je samopražnjenje alkalnih baterija mnogo manje nego kod olovno-kiselinskih baterija. Princip rada alkalnih baterija takođe se zasniva na polarizaciji elektroda tokom elektrolize.

Za napajanje radio opreme proizvode se zatvorene kadmijum-nikl baterije koje rade na temperaturama od -30 do +50 ° C i izdržavaju 400 - 600 ciklusa punjenja-pražnjenja. Ovi akumulatori su napravljeni u obliku kompaktnih paralelepipeda i diskova težine od nekoliko grama do kilograma.

Proizvode nikl-vodikove baterije za napajanje autonomnih objekata. Specifična energija nikl-vodonik baterija je 50 - 60 Wh kg -1.

Preduvjeti za nastanak galvanskih ćelija. Malo istorije. Godine 1786. talijanski profesor medicine, fiziolog Luigi Aloisio Galvani otkrio je zanimljiv fenomen: mišići stražnjih nogu svježe otvorenog žabljeg leša okačenog na bakrene kuke su se skupili kada ih je naučnik dodirnuo čeličnim skalpelom. Galvani je odmah zaključio da se radi o manifestaciji "životinjskog elektriciteta".

Nakon Galvanijeve smrti, njegov savremenik Alessandro Volta, kao hemičar i fizičar, će opisati i javno demonstrirati stvarniji mehanizam za stvaranje električne struje pri kontaktu. različitih metala.

Volta će, nakon niza eksperimenata, doći do nedvosmislenog zaključka da se struja pojavljuje u strujnom kolu zbog prisustva u njemu dva provodnika napravljena od različitih metala smještenih u tekućini, a to uopće nije "životinjski elektricitet", kako je Galvani mislio. Trzanje žabljih nogu bilo je posljedica djelovanja struje koja nastaje kada različiti metali dođu u kontakt (bakrene kuke i čelični skalpel).

Volta će pokazati iste fenomene koje je Galvani demonstrirao na mrtvoj žabi, ali na potpuno neživom domaćem elektrometru, a 1800. će dati tačno objašnjenje za nastanak struje: „provodnik druge klase (tečnost) je u sredini i u kontaktu je sa dva provodnika prve klase od dva razni metali... Kao rezultat toga, nastaje električna struja jednog ili drugog smjera.

U jednom od prvih eksperimenata, Volta je spustio dvije ploče od cinka i bakra u teglu kiseline i povezao ih žicom. Nakon toga, cink ploča je počela da se otapa, a na bakrenom čeliku su se pojavili mjehurići plina. Volta je predložio i dokazao da električna struja teče kroz žicu.

Tako je izmišljen "Volta element" - prva galvanska ćelija. Radi praktičnosti, Volta mu je dao oblik vertikalnog cilindra (stupa), koji se sastoji od međusobno povezanih prstenova od cinka, bakra i tkanine, impregniranih kiselinom. Naponski stub visok pola metra stvarao je napon koji je bio osjetljiv na ljude.

Budući da je početak istraživanja položio Luigi Galvani, ime je zadržalo uspomenu na njega u svom imenu.

Galvanska ćelija- ovo je hemijski izvor električna struja, zasnovana na interakciji dva metala i/ili njihovih oksida u elektrolitu, što dovodi do pojave električne struje u zatvorenom kolu. Tako se u galvanskim ćelijama hemijska energija pretvara u električnu energiju.

Galvanske ćelije danas

Danas se galvanske ćelije nazivaju baterijama. Rasprostranjene su tri vrste baterija: slane (suhe), alkalne (nazivaju se i alkalne, "alkalne" na engleskom - "alkalne") i litijumske. Princip njihovog rada je i dalje isti, opisao ga je Volta 1800: dva metala, a električna struja nastaje u vanjskom zatvorenom kolu.

Napon baterije zavisi i od metala koji se koriste i od broja ćelija u "bateriji". Baterije, za razliku od baterija, nisu sposobne da povrate svoja svojstva, jer direktno pretvaraju hemijsku energiju, odnosno energiju reagensa (reducenta i oksidatora) koji čine bateriju, u električnu energiju.

Reagensi koji se nalaze u bateriji troše se tokom njenog rada, dok se struja postepeno smanjuje, tako da izvor prestaje nakon što reagensi potpuno reaguju.

Alkalne i slane ćelije (baterije) se naširoko koriste za napajanje raznih uređaja elektronskih uređaja, radio oprema, igračke i litijum se najčešće mogu naći u prenosivim medicinskim uređajima kao što su glukometri ili u digitalna tehnologija kao kamere.

Mangan-cink ćelije, koje se nazivaju slane baterije, su "suhe" galvanske ćelije, unutar kojih nema tečnog rastvora elektrolita.

Cinkova elektroda (+) je katoda u obliku čaše, a anoda je praškasta mješavina mangan dioksida i grafita. Struja teče kroz grafitnu šipku. Elektrolit koji se koristi je pasta od rastvora amonijum hlorida sa dodatkom skroba ili brašna da se zgusne tako da ništa ne teče.

Obično proizvođači baterija ne navode tačan sastav slanih ćelija, međutim, slane baterije su najjeftinije, obično se koriste u uređajima gdje je potrošnja energije izuzetno niska: u satovima, u daljinskim upravljačima daljinski upravljač, u elektronskim termometrima itd.

Koncept "nominalnog kapaciteta" rijetko se koristi za karakterizaciju mangan-cink baterija, budući da njihov kapacitet u velikoj mjeri ovisi o režimima i uvjetima rada. Glavni nedostaci ovih elemenata su značajna brzina pada napona tokom pražnjenja i značajno smanjenje izlaznog kapaciteta sa povećanjem struje pražnjenja. Konačni napon pražnjenja se postavlja ovisno o opterećenju u rasponu od 0,7-1,0 V.

Nije važna samo veličina struje pražnjenja, već i vremenski raspored opterećenja. Sa povremenim pražnjenjem sa visokim i srednjim strujama, performanse baterija se značajno povećavaju u poređenju sa kontinuiranim radom. Međutim, pri niskim strujama pražnjenja i višemjesečnim prekidima u radu, njihov kapacitet se može smanjiti kao rezultat samopražnjenja.

Gornji grafikon prikazuje krivulje pražnjenja za prosječnu solnu bateriju za 4, 10, 20 i 40 sati u poređenju sa alkalnom baterijom, o čemu će biti riječi kasnije.

Alkalna baterija je elektrohemijska ćelija mangan-cink koja koristi mangan dioksid kao katodu, cink u prahu kao anodu i alkalni rastvor, obično u obliku paste kalijum hidroksida, kao elektrolit.

Ove baterije imaju niz prednosti (posebno značajnih veći kapacitet, najbolji posao at niske temperature i pri visokim strujama opterećenja).

Alkalne baterije, u poređenju sa fiziološkim baterijama, mogu dugo vremena da obezbede veću struju. Veća struja postaje moguća jer se cink ovdje ne koristi u obliku čaše, već u obliku praha koji ima veća površina kontakt sa elektrolitom. Kalijum hidroksid se koristi kao elektrolit u obliku paste.

To je zahvaljujući sposobnosti ove vrste galvanskih ćelija dugo vremena da daju značajnu struju (do 1 A), alkalne baterije trenutno najčešći.

U električnim igračkama, u prijenosnim medicinska tehnologija, u elektronskim uređajima, u kamerama - svuda se koriste alkalne baterije. Služe 1,5 puta duže od slanih ako je pražnjenje slabe struje. Grafikon prikazuje krivulje pražnjenja pri različitim strujama za poređenje sa slanom baterijom (grafikon je dat iznad) za 4, 10, 20 i 40 sati.

Litijumske baterije

Drugi prilično čest tip galvanskih ćelija su litijumske baterije - pojedinačne nepunjive galvanske ćelije u kojima se litijum ili njegovi spojevi koriste kao anoda. Zbog upotrebe alkalnog metala, imaju veliku potencijalnu razliku.

Katoda i elektrolit litijumske ćelije mogu biti veoma različiti, tako da izraz "litijumska ćelija" grupiše grupu ćelija sa istim anodnim materijalom. Na primjer, mangan dioksid, ugljen monofluorid, pirit, tionil hlorid itd. mogu se koristiti kao katoda.

Litijumske baterije se razlikuju od drugih baterija po dugom veku i visoka cijena. Ovisno o odabranoj veličini i hemijski materijali, litijumska baterija može proizvesti napon od 1,5V (kompatibilno sa alkalnim baterijama) do 3,7V.

Ove baterije imaju najveći kapacitet po jedinici mase i dugo vrijeme skladištenje. Litijumske ćelije se široko koriste u modernim prenosivim uređajima elektronski inženjering: za uključivanje sata matične ploče računare, za napajanje laptopa medicinski uređaji, ručni sat, kalkulatori, u fotografskoj opremi itd.

Gornji grafikon prikazuje krivulje pražnjenja za dva litijumske baterije od dva popularna proizvođača. Početna struja je bila 120 mA (za otpornik od oko 24 oma).

Danas su galvanske ćelije jedna od najčešćih hemijskih ćelija.Uprkos svojim nedostacima, aktivno se koriste u elektrotehnici i stalno se usavršavaju.

Princip rada

Najjednostavniji primjer rada galvanske ćelije izgleda ovako. AT staklena tegla dvije ploče su uronjene u vodeni rastvor sumporne kiseline: jedna je bakar, druga cink. Oni postaju pozitivni i negativni pol elementa. Ako su ovi polovi povezani provodnikom, dobijate najjednostavnije.Unutar elementa struja će teći od cinkove ploče koja ima negativan naboj do bakarne ploče koja je pozitivno naelektrisana. U vanjskom kolu, kretanje nabijenih čestica odvijat će se u suprotnom smjeru.

Pod djelovanjem struje, vodikovi ioni i kiseli ostaci sumporne kiseline će se kretati različitim pravcima. Vodik će dati svoje naboje bakrenoj ploči, a kiselinski ostatak - cinku. Tako će se napon održavati na stezaljkama elementa. Istovremeno, mjehurići vodonika će se taložiti na površini bakarne ploče, što će oslabiti djelovanje galvanske ćelije. Vodik stvara, zajedno sa metalom ploče, dodatni napon, koji se naziva elektromotorna sila polarizacije. Smjer naboja ovog EMF-a je suprotan smjeru naboja EMF-a galvanske ćelije. Sami mjehurići stvaraju dodatni otpor u elementu.

Element koji razmatramo je klasičan primjer. U stvarnosti, takve galvanske ćelije se jednostavno ne koriste zbog velike polarizacije. Da se to ne bi dogodilo, u proizvodnji elemenata u njihov sastav se uvodi posebna tvar koja apsorbira atome vodika, a koja se naziva depolarizator. U pravilu se radi o preparatima koji sadrže kisik ili klor.

Prednosti i mane modernih galvanskih ćelija

Moderne galvanske ćelije su napravljene od različitih materijala. Najčešći i poznati tip su ćelije ugljik-cink koje se koriste u baterijama za prste. Njihove prednosti uključuju relativnu jeftinoću, nedostatke su kratak rok trajanja i mala snaga.

Više pogodna opcija su alkalne galvanske ćelije. Nazivaju se i mangan-cink. Ovdje elektrolit nije suha tvar kao što je ugalj, već alkalna otopina. Pražnjenjem, takvi elementi praktički ne emituju plin, tako da se mogu zatvoriti. Rok trajanja takvih elemenata je duži od onih ugljično-cink.

Elementi žive su po konstrukciji slični alkalnim elementima. Ovdje se koristi živin oksid. Takvi izvori struje koriste se, na primjer, za medicinsku opremu. Njihova prednost je otpornost na visoke temperature(do +50, au nekim modelima i do +70 ˚S), stabilan napon, visoka mehanička čvrstoća. Nedostatak su toksična svojstva žive, zbog kojih se istrošenim elementima mora vrlo pažljivo rukovati i slati na reciklažu.

U nekim elementima srebrni oksid se koristi za izradu katoda, ali zbog visoke cijene metala njihova upotreba nije ekonomski isplativa. Ćelije sa litijumskim anodama su češće. Također se razlikuju po visokoj cijeni, ali imaju najveći napon među svim razmatranim vrstama galvanskih ćelija.

Druga vrsta galvanskih ćelija su koncentracijske galvanske ćelije. U njima se proces kretanja čestica može odvijati sa ili bez prijenosa jona. Prvi tip je element u koji su dvije identične elektrode uronjene u različitim koncentracijama, razdvojene polupropusnom pregradom. U takvim elementima EMF nastaje zbog činjenice da se ioni prenose u otopinu s nižom koncentracijom. U elementima drugog tipa elektrode su izrađene od različitih metala, a koncentracija je izjednačena zbog hemijskih procesa koji se dešavaju na svakoj od elektroda. ovi elementi su viši od elemenata prvog tipa.

Galvanska ćelija

Dijagram galvanske ćelije Daniel-Jacobija

Galvanska ćelija- zasnovano na interakciji dva metala i (ili) njihovih oksida u elektrolitu, što dovodi do pojave električne struje u zatvorenom kolu. Ime je dobio po Luiđiju Galvaniju.

Fenomen pojave električne struje pri kontaktu različitih metala otkrio je italijanski fiziolog, profesor medicine na Univerzitetu u Bolonji Luigi Galvani 1786. godine. Galvani je opisao kontrakcije mišića stražnjih nogu svježe secirane žabe, pričvršćene na bakrene kuke, kada se dodiruju čeličnim skalpelom. Zapažanja je pronalazač protumačio kao manifestaciju "životinjskog elektriciteta".

Elektrohemijski generatori (gorive ćelije) su elementi u kojima se transformacija odvija hemijsku energiju u električnu. Oksidacijsko sredstvo i redukcijsko sredstvo se čuvaju izvan ćelije i kontinuirano i odvojeno se dovode do elektroda tokom rada. Tokom rada gorivne ćelije, elektrode se ne troše. Redukciono sredstvo je vodonik (H 2), metanol (CH 3 OH), metan (CH 4) u tečnom ili gasovitom stanju. Oksidacijsko sredstvo je obično kisik zraka ili čisti kisik. U kiseonik-vodonik gorivne ćelije Sa alkalnim elektrolitom, hemijska energija se pretvara u električnu energiju. Elektrane se koriste na svemirskim letjelicama, one daju energiju svemirski brod i astronauti.

Aplikacija

• Baterije Koristi se u alarmnom sistemu, baterijskim lampama, satovima, kalkulatorima, audio sistemima, igračkama, radijima, auto opremi, daljinskim upravljačima.
• Baterije služe za pokretanje motora automobila, moguće ih je koristiti i kao privremene izvore električne energije na mjestima udaljenim od naselja.
• gorivne ćelije koristi u proizvodnji električne energije elektrane), izvori napajanja u nuždi, autonomno napajanje, transport, napajanje u vozilu, mobilni uređaji.

vidi takođe

Književnost

• Ahmetov N.S. Opća i neorganska hemija
• Aksenovich L. A. Fizika u srednja škola: Theory. Zadaci.

Linkovi