Меню

Источники тока в гальванических установках

Особенности гальванических элементов

Время на чтение:

Люди довольно часто сталкиваются с электрохимическими элементами в повседневной жизни: от одноразовых батареек АА в пультах дистанционного управления ТВ до литий-ионных батарей в смартфонах. Существует два типа таких ячеек: гальванические и электролитические. Первые получают свою энергию от самопроизвольных окислительно-восстановительных реакций (ОВР), в то время как вторые требуют внешний источник электронов, например, блока питания переменного тока. Оба элемента состоят из анода (А) и катода (К), изготавливаемых из разнородных металлов и электролитов.

Что это такое

В любом электрохимическом процессе электроны переходят из одного вещества в другое, что обусловлено ОВР. Восстановитель представляет собой вещество, которое теряет электроны и в процессе окисляется. Связанная энергия определяется разностью потенциалов между валентными электронами в атомах различных элементов.

Принцип работы

Гальванический элемент — это устройство, которое преобразует химическую энергию в электрическую, используя электрохимию, а в быту называется батареей.

В такой ячейке есть контейнер, в котором содержится раствор концентрированного сульфата меди (CuSO4), а внутри раствора вставлен медный стержень — катод. Внутри контейнера находится пористый сосуд, заполненный концентрированной серной кислота (H2SO4), в нее вставлен цинковый стержень — анод. Таким образом, когда провод соединяет медный и цинковый стержни, по нему начинает протекать электрический ток.

Дополнительная информация. Реакции окисления и восстановления разделяются на части, называемые полуреакциями. Внешняя цепь используется для проведения потока электронов между электродами гальванического элемента. Электроды изготавливают из любых проводящих материалов, таких как металлы, полупроводники, графит и даже полимеры.

Источник токов

Существует два типа электрохимических элементов: гальванические и электролитические. Гальваническая клетка использует энергию, выделяемую во время спонтанной окислительно-восстановительной реакции для выработки электроэнергии.

Электролитическая ячейка потребляет энергию от внешнего источника, используя ее, чтобы вызвать непредвиденную окислительно-восстановительную реакцию.

Два типа ячеек

Гальванический элемент, история создания которого официально началась в 18 веке, дал старт развития науки электротехники. Во время проведения экспериментов с электричеством в 1749 году Бенджамин Франклин впервые ввел термин «батарея» для описания связанных конденсаторов. Однако его устройство не стала первой ячейкой. Находки археологов «батареи Багдада» в 1936 году имеют возраст более 2000 лет, хотя точное назначение их до сих пор спорно.

Луиджи Гальвани в честь которого названа гальваническая ячейка, впервые описал «электричество животных» в 1780 году, когда пропускал ток через лягушку. В то время он не знал об этом, но его устройство работало по принципу батареи. Его современник Алессандро Вольта в честь которого названа «вольтовая ячейка» был убежден, что «животное электричество» исходило не от лягушки, а от чего-то другого, он много работал над этим и в 1800 году изобрел первую настоящую батарею — «вольтовую кучу».

Александро Вольт

В 1836 году Джон Фредерик Даниэль, исследуя способы преодоления проблем вольтовой кучи создал свою ячейку. За этим открытием последовало создание ячейки Уильяма Роберта Гроува в 1844 году. Первая аккумуляторная батарея была изготовлена из свинцово-кислотного элемента в 1859 году компанией Gaston Plante, далее появились гравитационная ячейка Калло в 1860 и ячейка Лекланш Жоржа Лекланша в 1866 году.

До этого момента все батареи были мокрого типа. В 1887 году Карл Гасснер создал первую сухую батарею, изготовленную из углеродно-цинковой батареи. Никель-кадмиевая батарея была представлена в 1899 году Вальдмаром Юнгнером вместе с никель-железной батареей. Однако Юнгнер не смог запатентовать ее и в 1903 году изобретатель Томас Эдисон запатентовал свой слегка измененный дизайн.

Русский ученый-физик Василий Петров в 1802 году соорудил крупнейшую гальваническую батарею в мире, дающую напряжение 1500В. Для сооружения потребовалось около 4200 цилиндров из меди и цинка с диаметром 35.0 мм м толщиной 2.5 мм. Батарея была размещена в ящике из красного дерева, обработанного несколькими слоями различных смол. Опыты Петрова положили начало современной электрометаллургии в дуговых печах.

Обратите внимание! Крупный прорыв в гальваническом направлении источников тока произошел в 1955 году, когда Льюис Урри, сотрудник компании «Energizer», представил общую щелочную батарею. 1970-е годы привели к никель-водородной батарее, а 1980-е годы к никель-металлогидридной батарее.

Литиевые батареи были впервые созданы еще в 1912 году, однако наиболее успешный тип, литий-ионный полимерный аккумулятор, используемый сегодня в большинстве портативных электронных устройств, был выпущен только в 1996 году.

Гальванические элементы классифицируются, как щелочные и нещелочные. Стандартная щелочная сухая батарея имеет цинковый А и К из диоксида марганца. Электролит выполнен в виде некислотной пасты. Обычно электролитом, используемым в щелочных батарейках — есть гидроксид калия. Она выполнена в форме стальной банки, заполненной диоксидом марганца в самой внутренней области К, и заполнена цинком и электролитом в центральной области А. Электролит, окружающий А, запускает химреакцию между ними.

График окислительно-восстановительной реакции

Типичная нещелочная батарея с сухими элементами имеет цинковый А и К из углеродного стержня/ диоксида марганца. Электролит обычно представляет собой кислое пастообразное вещество из смеси хлорида аммония и хлорида цинка. Физически она имеет обратную щелочной батареи конструкцию. Цинковый контейнер служит внешним анодом, тогда как углеродный стержень/ диоксид марганца занимает внутреннюю область в качестве К. Электролит смешивается с К и обеспечивает химическую реакцию между К и А.

Общее мнение специалистов говорит о том, что химически щелочная батарея имеет преимущества по отношению к нещелочной. Хотя последние более надежные и дешевые, тем не менее, щелочные, нужны, когда требуется быстрое, сильнотоковое потребление, например, вспышка на камере с быстрой перезарядкой.

Щелочные батареи

Эта конструкция ячейки получила свое название благодаря использованию щелочных водных растворов в качестве электролитов. Химия щелочных устройств была впервые введена в начале 60-х годов. И сразу стала крупнейшим конкурентом цинк-углеродной ячейки. Эти элементы обладают многими признанными преимуществами по сравнению с цинк-углеродом, включая более высокую плотность энергии, длительный срок хранения, превосходное сопротивление утечке, лучшие характеристики, как в непрерывном, так и в прерывистых рабочих циклах, и более низкое внутреннее сопротивление, что позволяет им работать при высоких скоростях разряда.

Щелочные батареи

Цинк в порошкообразной форме увеличивает площадь поверхности анода, что обеспечивает большее взаимодействие частиц. Это снижает внутреннее сопротивление и увеличивает плотность мощности. Катод, MnO2, произведен синтетически из-за его превосходства над природным MnO2, что дает рост плотности энергии. Как и в цинковой в углеродной ячейке, графит добавляется к катоду для увеличения проводимости.

Электролит КОН, обеспечивает высокую ионную проводимость. Оксид цинка часто включают для замедления коррозии цинкового анода. Производное от целлюлозы и гелеобразующего агента делают щелочной элемент более дорогим, чем цинк-углерод, но более экономичным, особенно в ситуациях с высоким расходом, когда плотность энергии щелочного элемента намного выше.

  • Zn + 2OH — -> ZnO + H2O + 2 e —
  • 2MnO2 + H2O + 2 e — -> Mn2O 3 + 2OH —
  • Zn + 2MnO2 -> ZnO + Mn2O3 E = 1,5 В

Существуют и другие конструкции ячеек, которые относятся к категории щелочных, в том числе оксиды ртути, серебра и цинка. Ртуть и серебро дают еще более высокую плотность энергии, но стоят намного дороже и постепенно исключаются требованиями международных организаций из-за их высокой токсичности.

Солевые ячейки

Аккумуляторы с сухими элементами — это устройства, в которых используется электролит с очень низким содержанием влаги. Они контрастируют с батареями с мокрыми элементами, такими как свинцово-кислотные, в которых используется жидкий электролит. Электролит, используемый в большинстве устройств с сухими элементами, является пастой, которая, хотя и содержит влагу, тем не менее остается относительно сухой. Наиболее часто используемые формы сухих элементов — это батареи типа «С», «А», 9 вольт батарейки и для электронных часов.

Сухой элемент

Важно! Сухих элементы вырабатывают электроэнергию путем преобразования химической энергии в электричество. Выходные данные зависят от типа батареи с сухими элементами. Более популярными являются конструкции с использованием цинка и углерода или цинка и диоксида марганца.

Читайте также:  Однофазный ток в картинках

Эти материалы помещаются в пасту электролита внутри батареи. Они реагируют друг с другом посредством химического процесса, в котором электролит, диоксид углерода или марганца реагирует с цинком, создавая электричество.

Литиевые аккумуляторы

Литий-ионная технология включает в себя несколько химических процессов: ионы лития хранятся в аноде или отрицательном электроде, и транспортируются во время разряда к катоду или положительному электроду в органическом электролите.

Наиболее популярными материалами являются графит для анода и оксид металла для катода на основе никеля, марганца и кобальта. Все эти материалы обладают хорошими свойствами интеркалирования лития, что позволяет хранить большое количество энергии.

Литий-ионный элемент

Выбор аккумуляторной технологии зависит от требований эксплуатации по производительности, сроку службы, безопасности и стоимости, причем каждый тип аккумулятора обеспечивает определенные функциональные возможности.

Преимущества литий-ионных аккумуляторов:

  1. Высокая плотность энергии. Высокая плотность энергии является одним из главных преимуществ технологии литиевых батарей, для того чтобы работать дольше.
  2. Саморазряд. Одной из проблем многих аккумуляторов является скорость саморазряда. Литий-ионные элементы в том, что скорость их саморазряда намного ниже, чем у Ni-Cad и NiMH. Обычно составляет около 5% в первые 4 часа после зарядки, но затем падает до 1 или 2% в месяц.
  3. Низкие эксплуатационные расходы, поскольку требуют технического обслуживания для обеспечения их производительности.
  4. Разнообразие типов: для бытовой электроники, для электроинструментов и электромобилей.

У таких батарей есть один существенный недостаток — им требуется встроенная схема защиты. Кроме того они страдают от старения и могут выдержать 500–1000 циклов зарядки-разрядки.

Устройство гальванического элемента

Гальваническая ячейка представляет собой простое устройство, с помощью которого химическая энергия преобразуется в электрическую энергию.

Строение гальванического элемента для литиевых батарей:

  1. Анод, при разряде отдает электроны во внешнюю цепь и окисляется во время электрохимической реакции. Большинство коммерческих элементов в настоящее время используют электрод на основе углерода/графита, однако можно использовать металл или сплав.
  2. Катод, на разряде принимает электроны из внешней цепи и восстанавливается во время электрохимической реакции. Обычно это переходный металлический оксид или фосфат.
  3. Электролит.

Обратите внимание! Строение электролита ионный проводник, при этом электронный изолятор, разделяет два электрода и обеспечивает среду для переноса заряда внутри ячейки между анодом и катодом. Электролитом обычно является неводный неорганический растворитель, содержащий растворенную соль лития, например LiPF6 в пропиленкарбонате.

Принцип работы

Литиевая батарея известна как «электронный насос» из-за носителей заряда, перемещающихся между двумя электродами во время зарядки и разрядки. Электрическое (насосное) давление или разность потенциалов между положительной и отрицательной клеммами называется напряжением или электродвижущей силой (ЭДС). Свободная энергия, связанная с переносом электронов вокруг внешней цепи и ионов лития между двумя интеркалирующими электродами, связана с разницей в химическом потенциале лития в двух электродах.

Элементы батареи накапливают энергию химически в своих электроактивных материалах. Эта химическая энергия преобразуется в электрическую энергию по требованию, посредством электрохимической реакции окисления-восстановления.

Аккумуляторная батарейка

Клетки построены в разряженном состоянии. При зарядке положительный электрод, катод, материал окисляется, ионы Li + де-интеркалируются из слоистого интеркалирующего литиевого источника, например LiCoO2, проходят через электролит.

Когда элемент разряжается, на отрицательном электроде происходит реакция окисления, ионы Li + де-интеркалируются из анода и мигрируют через электролит, чтобы быть повторно интеркалированными в материал катода. Одновременная реакция электрохимического восстановления протекает на положительном электроде и принимает электроны из внешнего контура, ионы Li + из электролита, чтобы преобразовать исходный материал. Переход от электронного тока к ионному току происходит на границе раздела электрод/электролит.

  • Реакция восстановления положительного электрода (катода): Li 1 -xCoO 2 + xLi + + xe- → LiCoO2
  • Реакция окисления отрицательного электрода (анода): LiC 6 → xLi + + xC6 + e-
  • Общая обратимая, окислительно-восстановительная, клеточная реакция: LiC 6 + CoO 2 C6 + LiCoO 2

Применение ячеек

Область использования

Электрохимия имеет множество важных применений, особенно в промышленности. Ее процессы используются для изготовления электрических батарей. Они имеют множество применений, включая:

  1. Топливный элемент преобразует химическую потенциальную энергию, получаемую при окислении топлива, например, газа, водорода, углеводородов, спиртов в электрическую энергию.
  2. Различные виды пьезозажигалок для газа.
  3. Электрические приборы, такие как мобильные телефоны.
  4. Цифровые камеры-литиевые.
  5. Слуховые аппараты (оксидно-серебряные).
  6. Электронные часы (ртутные/оксидно-серебряные).
  7. Военные источники тока (тепловые).
  8. Батарейки A, AA, AAA, D, C и другие.

Использование химических реакций для производства электричества в настоящее время является приоритетом для многих исследователей. Возможность адекватно использовать химические реакции в качестве источника энергии в значительной степени поможет решить проблемы загрязнения окружающей среды.

Источник

Все о гальваническом элементе

Впервые в мире гальванический элемент был разработан Луиджи Гальвани. Об его истории читайте в этой статье. По сути это временный источник электрического тока, который формируется за счет протекания химической реакции. Поток электронов формируется за счет взаимодействия между двумя разноименными металлами. В результате этого химическая энергия преобразуется в электрическую, которую уже можно использовать в повседневной жизни.

Концентрационный гальванический элемент – это источник тока в состав которого входит 2 однотипных металлических электродов помещенных в смесь солей этого металла в различных концентрациях.

Кроме Гальвани созданием эффективной батареи занимался Даниэль Якоби. Он немного видоизменил свой источник энергии. В его состав входит пластина, выполненная из меди, помещенная в CuSO4 и пластина из цинка погруженная в ZnSO4. Чтобы не дать им воздействовать прямо друг на друга между ними установлена пористая стенка. Ниже представлена схема гальванического элемента Даниэля Якоби.

Якоби гальванический элемент

Цинк и медь обладают разной активностью и поэтому их заряд по величине будет различным. В итоге уровень электродов также не однозначен. Это позволяет им перемещаться и производить электрический или гальванический ток. Он начинает протекать, когда любой человек или изобретатель тока хранящего аппарата присоединяет нагрузку. В качестве нее может быть лампочка, приемник, компьютерная мышка и другие электрические устройства.

Схема гальванического элемента

Под схемой подразумевают его состав и устройство. Он может быть выполнен из нескольких химических элементов с применением вспомогательных приспособлений. Ниже об строение гальванического элемента будет рассказано кратко. Подробнее о нем читайте в этой статье!

Устройство гальванического элемента

Самый простой энергетический накопитель состоит из:

  1. Стрежня из угля.
  2. Двух разнородных металлов.
  3. Электролита.
  4. Смола или пластик.
  5. Изолятора.

схема гальванического элемента питания

Как видно из этой схемы в составе строения гальванического элемента имеется отрицательный и положительный электрод. Они могут быть выполнены из меди, цинка и других металлов. Имеют название по типу медно цинковые. Иногда их называют сухие батарейки.

Обозначение гальванического элемента на схеме выполнено в виде двух вертикальных прямых приближенных друг к другу на небольшом расстоянии. Одна из которых будет меньше. По краям возле каждой такой линии имеются знаки, обозначающие полярность. У длинной линии ставят плюс, а у короткой минус. Рядом может располагаться вольтаж. Это означает что схема в которой используется батарейка работает только от этого напряжения.

Принцип работы гальванического элемента

Работа гальванического элемента осуществляется за счет движения электронов от одного металлического контакта к другому. Идет некое химическое превращение. Подробнее про термодинамику гальванического элемента и образование гальванического электричества читайте здесь.

Ответы на часто задаваемые вопросы

Гальванический/ая Разъяснение
Батарея Источник энергии работающий за счет процессов, происходящих в ограниченном миниатюрном пространстве. В частности, энергия появляется, когда идет химическая реакция.
Элемент Вольта или Вольтов столб Это энергетический элемент впервые созданный ученым по фамилии Вольт.
Процесс Взаимодействие между химическими элементами в результате которого образуется электрический ток.
Разряд Это завершение протекания химической реакции. То есть взаимодействия между веществами не будет.Гальванический разряд есть в игре Warframe. По сути это модификация, которая находится в большом дефиците. Ее используют для холодного оружия. Полярность V2.
Гальванический контакт Это контакт между электродами и раствором.
Эффект Появление разности между двумя контактами из 2-х типов металлов. Величина зависит от температуры и химии проводников. По сути это первый закон Вольта.
Соединение/связь/цепь Объединение 2-х и более участков электрической цепи с источником тока.
Гальванический заряд Наполнение батареи энергией.
Читайте также:  Ток потребления втягивающего реле ваз

Гальваника – это протекание химических процессов с использование электрического тока. В ходе реакция сокращается количество растворенных катионов металла до такой степени что в конечном итоге они создают единое покрытие на металлическом электроде. В итоге предмет получается более прочным, исчезают небольшие вмятины и его вид становится более привлекательным.

Типы гальванических элементов

Выделяют ряд батареек определенных типов.

Таблица гальванических элементов

Тип Напряжение Основные плюсы
Литиевые 3 V Большая емкость, высокая сила тока.
Солевые батарейки или угольно – цинковые 1.5 в Самые дешевые.
Никельоксигидроксильные NiOOH 1.6 вольт Повышенный ток. Большая емкость.
Щелочные или алкалиновые 1.6 V Большая сила тока. Хороший объем.

Более детальнее эта тема раскрыта в статье виды батареек!

Назначение гальванического элемента

Он предназначен для запуска электрической технике. Это могут быть:

  1. Часы.
  2. Пульты.
  3. Фонарики.
  4. Медицинское оборудование.
  5. Ноутбуки.
  6. Игрушки.
  7. Брелки.
  8. Телефоны.
  9. Лазерные указки.
  10. Калькуляторы.

И им подобные окружающие нас вещи.

Гальванический элемент в домашних условиях

Простой источник тока можно сделать и своими руками. Для этого нам потребуется следующий инвентарь:

  1. Пластиковый стакан.
  2. Электролит. В качестве него можно взять соленый раствор, газировку или лимонную кислоту, разведенную в воде.
  3. Пластинки двух разных металлов. К примеру алюминий и медь.
  4. Провода

Процесс изготовления

Берем пластиковый стаканчик и наливаем в него электролит. Не следует наполнять стакан до самых краев. Лучше на 1-2 сантиметра не долить. К металлическим пластинам прикрепите проводники. Далее установите на края нашей емкости пластины из меди и алюминия. Они должны располагаться параллельно друг к другу. Когда все готова можно замерить с помощью вольтметра напряжение.

Подключите прибор и прикоснитесь щупами к контактам нашего источника тока. Держите и не отрывайте их пока на дисплее не высветится напряжение. Обычно оно составляет 0.5-0.7 вольт. Такие цифры показываются в зависимости от электролита. Точнее используемого вещества в его качестве.

Более детально создание батареи своими руками описано в этой статье.

Таким образом изготавливается самодельный гальванический элемент.

Источник

Электрооборудование гальванических установок

Гальванотехника — способ осаждения металлов на поверхности металлических и неметаллических изделий при помощи электролиза. После такого осаждения поверхность изделия приобретает большую стойкость против коррозии, более красивый вид (декоративное покрытие), иногда — большие твердость, стойкость против истирания.

Если при этом изделие покрывается весьма тонким (5 — 30 мкм) слоем металла, лишь в редких случаях (упрочнение поверхности) доходящего до десятых долей миллиметра, то такого рода процесс носит название гальваностегии.

Для нанесения металлических покрытий на другие металлы широко используется электролитический способ — гальваностегия.

Гальваностегия имеет в настоящее время широкое применение (омеднение, никелирование, хромирование, серебрение, золочение, кадмирование, покрытие поверхности цинком, оловом, свинцом).

Изделие (катод) соединяется с отрицательным полюсом источника постоянного тока и погружается в ванну с электролитом — кислотным или щелочным раствором, который содержит ионы покрывающего металла. В ванну погружается электрод из покрывающего металла (анод), соединенный с положительным полюсом источника тока. В процессе электролиза металл анода переносится через электролит и осаждается на изделии.

Способом гальваностегии наносят антикоррозионное и декоративное покрытия металлических деталей электрических машин, для изготовления пластмассовых и миканитовых деталей коллекторов, контактных колец и т. п. Количество осажденного металла пропорционально количеству прошедшего через электролит электричества с учетом потерь из-за побочных химических реакций, утечек тока и других причин.

Гальванические ванны представляют собой прямоугольные резервуары из листовой стали. Для кислотных электролитов ванны внутри футеруются материалом, не вступающим во взаимодействие с электролитом, например свинцом, винипластом, резиной. Ванны изготовляют также из полистирола.

Перед нанесением покрытий производят тщательную подготовку поверхности изделий: механическую обработку (очистку пескоструйным аппаратом, вращающимися щетками из проволоки, шлифование и полирование специальными пастами) и химическую или электрохимическую обработку.

Последняя состоит из электролитического обезжиривания и травления в растворах кислот или щелочей. Изделие погружается в ванну с раствором и служит одним из электродов. В процессе электролиза раствора выделяющиеся на поверхности изделия пузырьки газа (водорода на изделии — катоде или кислорода на изделии — аноде) отрывают от поверхности изделия капли жиров, масел, грязи и т. п. При травлении (с большими, чем при обезжиривании, плотностями тока) происходит как отрыв пленок окислов пузырьками газа, так и восстановление окислов или их электролитическое растворение.

Последним этапом подготовки изделий, непосредственно перед поступлением в гальваническую ванну для нанесения покрытий, служит электрохимическое декапирование, т.е. легкое анодное травление в слабых растворах кислот.

Электрооборудование и схемы питания гальванических ванн.

При гальваностегии, как и при всех электролитических процессах, применяется постоянный ток обычно низкого напряженияРегулирование процесса осуществляется изменением плотности тока, значение последней меняется в зависимости от процесса от сотых и десятых долей А/дм2 при золочении и серебрении до десятых долей А/см2 при хромировании.

Для питания ванн применяют постоянный ток до нескольких тысяч ампер при напряжении 6 — 24 В. В качестве источников тока используют электромашинные преобразователи серии АДН с генераторами на токи от 250 до 10 000 А при напряжении 6 — 12 или 9 В или полупроводниковые выпрямители на токи от 200 до 25 000 А при напряжении 6 — 28 В.

Полупроводниковые выпрямители в настоящее время стали основным видом источников питания гальванических установок. Выпрямители с неуправляемыми вентилями серий ВАКГ, ВАЗ и другие и тиристорные выпрямители серии ВАК выпускаются на токи от 100 до 25 000 А и напряжения от 6 до 48 В. Изготовляются также выпрямители серии ВАКР с реверсированием тока нагрузки.

От источников тока к гальваническим ваннам ток передается по медным, алюминиевым, реже — латунным или стальным шинам. Когда прокладка шин невозможна, допускается применение кабелей. Сечения шин и проводов должны быть выбраны так, чтобы обеспечить минимальные потери электроэнергии.

Подвод тока к ваннам осуществляется через анодные и катодные штанги, укрепляемые на бортах ванн. Часто помещают катодную штангу между двумя анодными. В более широких ваннах укрепляют две катодные штанги с одной анодной посередине и двумя анодными по краям.

Во избежание утечки тока и нарушения режима работы ванны должны быть хорошо изолированы от земли, для чего подставки ванн устанавливают на фарфоровые или резиновые прокладки.

Для ванн, потребляющих большие токи, особенно когда требуется регулировка тока, рекомендуются индивидуальные схемы питания.

Во многих гальванических цехах питание нескольких ванн осуществляется от общего источника ИПТ. В этом случае для регулирования тока, в цепь каждой ванны включается реостат.

При больших плотностях тока (например, при хромировании) применяют ванны непрерывного действия, в которых изделия в процессе покрытия перемещаются от одного края ванны к другому. Такие ванны обычно снабжены устройствами для перемешивания электролита сжатым воздухом и его фильтрации.

При больших производительностях применяют автоматы, снабженные рядом ванн, в которых проводится не только само покрытие изделий, но и подготовка их поверхности (обезжиривание, травление и промывка). В таких автоматах изделия, перемещаясь шагами по горизонтали и вертикали, поочередно проходят все ванны.

В последние годы проводится эксперименты по применению в гальванических процессах периодического тока. Обычно накладывают переменную составляющую на постоянный ток, причем амплитуда переменной составляющей примерно в 2 раза превышает значение постоянного тока. Применение периодического тока при выполнении никелевых, медных и цинковых покрытий позволяет улучшить их качество, в частности уменьшить загрязнение осаждаемого слоя примесями.

Электрооборудование электроэрозионных станков

Электроэрозионная обработка (ЭЭО) — это непосредственное исполь­зование теплового эффекта электрической энергии для размерной обработки металлов с высокими механическими свойствами.

Она основана на эффекте расплавления и испарения микрочастиц мате­риала под действием импульсов электрической энергии, выделяемой между электродом-инструментом и деталью, погруженными в жидкую непроводя­щую среду.

Таким способом можно обрабатывать токопроводящие материалы лю­бой механической прочности, вязкости, хрупкости и получать изделия слож­ных форм, выполнять операции, не выполняемые другими методами.

Читайте также:  Гост класс защиты приборов от поражения электрическим током

Электроэрозионная обработка является разновидностью электрофизической обработки и характеризуется тем, что изменение формы, размеров и качества поверхности заготовки происходит под действием электрических разрядов. Электрические разряды возникают при пропускании импульсного электрического тока в зазоре шириной 0,01 – 0,05 мм между электродом-заготовкой и электродом-инструментом. Под действием электрических разрядов материал заготовки плавится, испаряется и удаляется из межэлектродного зазора в жидком или парообразном состоянии. Подобные процессы разрушения электродов (заготовок) называют электрической эрозией.

В целях интенсификации электрической эрозии зазор между заготовкой и электродом заполняют диэлектрической жидкостью (керосин, минеральное масло, дистиллированная вода). При достижении на электродах напряжения, равного напряжению пробоя, в среде между электродом и заготовкой образуется канал проводимости в виде заполненной плазмой цилиндрической области малого сечения с плотностью тока 8000 – 10000 А/мм 2 . Высокая плотность тока, поддерживаемая в течении 10 -5 – 10 -8 с, обеспечивает температуру на поверхности заготовки до 10000 — 12000˚С.

Удаленный с поверхности заготовки металл охлаждается диэлектрической жидкостью и застывает в виде сферических гранул диаметром 0,01 – 0,005 мм. В каждый последующий момент времени импульс тока пробивает межэлектродный зазор в том месте, где промежуток между электродами оказался наименьшим. Непрерывное подведение импульсов тока и автоматическоесближение электрода-инструмента с электродом-заготовкой обеспечивают продолжение эрозии до тех пор, пока не будет, достигнут заданный размер заготовки или не будет удален весь металл заготовки в межэлектродном зазоре.

Режимы ЭЭО делятся на электроискровые и электроимпульсные.

Электроискровые режимы характеризуются использованием искровых разрядов с малой длительностью (10 -5 …10 -7 с) при прямой полярности подключения электродов (заготовка “+”, инструмент “-”). В зависимости от мощности искровых разрядов режимы делятся на жесткие и средние (для предварительной обработки), мягкие и особо мягкие (для окончательной обработки). Использование мягких режимов обеспечивает отклонение размеров детали до 0,002 мм при параметре шероховатости обработанной поверхности Rа=0.01 мкм.

Электроискровые режимы используют при обработке твердых сплавов, труднообрабатываемых металлов и сплавов, тантала, молибдена, вольфрама и т.д.; обрабатывают сквозные и глубокие отверстия любого поперечного сечения, отверстия с криволинейными осями; используя проволочные и ленточные электроды, вырезают детали из листовых заготовок; нарезают зубья и резьбы; шлифуют и клеймят детали.

Для проведения обработки на электроискровых режимах используют станки (см. рис.), оснащенные RC-генераторами, состоящего из заряженного и разряженного контура. Зарядный контур включает конденсатор С, заряжающийся через сопротивление R от источника тока с напряжением 100 – 200 В, а в разрядный контур параллельно конденсатору С включены электроды 1 (инструмент) и 2 (заготовка). Как только напряжение на электродах достигает пробойного, через межэлектродный зазор происходит искровой разряд энергии, накопленной в конденсаторе С. Производительность эрозионного процесса может быть увеличена уменьшением сопротивления R. Постоянство межэлектродного зазора поддерживается специальной следящей системой, управляющей механизмом автоматического движения подачи инструмента, изготовленного из меди, латуни или углеграфитных материалов.

Электроимпульсные режимы характеризуются применением импульсов большой длительности (0,5…10 с), соответствующих дуговому разряду между электродами и более интенсивному разрушению катода. В связи с этим при электроимпульсных режимах катод соединяется с заготовкой, что обеспечивает более высокую производительность эрозии (в 8-10 раз) и меньшей, чем при электроискровых режимах, износ инструмента.

Наиболее целесообразной областью применения электроимпульсных режимов является предварительная обработка заготовок сложнопрофильных деталей (штампы, турбины, лопатки и т.д.), изготовленных из труднообрабатываемых сплавов и сталей. Электроимпульсные режимы реализуются установками (см рис), в которых на электроды 1 и 2 подаются униполярные импульсы от электромашинного 3 или электронного генератора. Возникновение Э.Д.С. индукции в намагниченном теле движущимся под некоторым углом к направлению оси намагничивания позволяет получать ток большей величины.

Источник



Гальванические установки — устройство, конструкции и использование

Агрегаты для питания гальванических установок.

Гальванические установкиДля питания гальванических ванн и станков электрохимической обработки металлов применяют выпрямительные агрегаты на тиристорах или вентилях, подключаемые к трехфазной сети 380 В. Для электролиза можно использовать также генераторы постоянного тока соответствующего напряжения.

В эксплуатации для гальваники на небольших предприятиях находятся еще гальванические установки с генераторами типа НД на токи до 5000 А. на напряжение 6/12 В. В настоящее время такие агрегаты не выпускаются.

Выпрямительные агрегаты гальванических установок классифицируются по номинальному выпрямленному току и напряжению и по параметрам выпрямленного тока — нереверсивные, реверсивные и импульсные. Основные типы агрегатов для питания гальванических ванн: ТЕ, ТЕР, ТВ, ТВР, ТВИ, ВАК, ВАКР на номинальные токи от 100 до 3200 А.

Тиристорные агрегаты ТЕ, ТВ обеспечивают автоматическую стабилизацию выпрямленного тока, или выпрямленного напряжения, или плотности тока. Диапазон регулирования тока и напряжения—от 10 до 100% номинального.

Реверсивные агрегаты ТЕР, ТВР, ВРКС позволяют получать на выходе разнополярный выпрямленный ток (т. е. изменять направление тока в ванне) с автоматическим повторением заданной длительности протекания прямого и обратного тока. Длительность уставок тока прямой полярности 2—200 с, обратной — 0,2—20 с.

Реверсивные агрегаты допускают также и длительную работу с током любой полярности — без реверсирования.

Импульсные агрегаты (напр. ТВИ) обеспечивают на выходе как импульсный ток, так и непрерывный. Длительность импульсного тока 0,01—0,1 с, длительность пауз между импульсами 0,03—0,5 с.

Выпрямительный агрегат для гальваники

Выпрямительный агрегат для гальваники

Выпрямительные агрегаты гальванических установок имеют защиту от коротких замыканий на стороне переменного и постоянного тока, защиту от перегрузки свыше 1,1 от номинального тока и защиту от перегрева тиристоров.

Выпрямительные агрегаты смонтированы в шкафах и устанавливаются в закрытых отапливаемых и вентилируемых производственных помещениях. Агрегаты могут располагаться в непосредственной близости от ванн при условиях, исключающих попадание брызг электролита.

Параллельное и последовательное соединение агрегатов гальванических установок не допускается.

Схемы питания гальванических ванн

Наиболее распространенная схема питания гальванических ванн — питание от своего выпрямителя, т. е. индивидуальное. В этом случае наиболее просто обеспечить оптимальный режим и автоматическое регулирование электролитических процессов, стабилизацию силы тока или напряжения, реверсирование и т. п. с помощью автоматических устройств выпрямительного агрегата.

В гальванических установках небольшой мощности применяется групповая схема питания: от источника постоянного тока отходит шинопровод или магистраль, к которой присоединено несколько ванн через свои индивидуальные щитки.

Схема группового питания гальванических ванн

Схема группового питания гальванических ванн: 1 — магистраль от источника питаний, 2 — щиток ванны, 3 — рубильник, 4 — peгулировочное сопротивление

Реостаты для гальванических ванн

При питании нескольких гальванических ванн от одного общего источника постоянного тока (выпрямитель, генератор) поддерживать необходимый режим с помощью устройств на питающем агрегате невозможно. Регулирование осуществляется индивидуально для каждой ванны.

Для ступенчатого регулирования силы тока в ванне применяют реостаты, располагаемые на щитке каждой ванны. Наиболее часто реостат выполняют на 6 ступеней, которые включаются параллельно друг другу и все вместе последовательно с ванной.

Реостаты изготовляют из константановой, железной или нихромовой проволоки, свитой в спираль. Каждая секция-спираль включается своим однополюсным рубильником. Включая рубильниками разное количество спиралей, регулируют силу тока в ванне.

Для уменьшения нагрева контактов в местах присоединения спиралей к контактным болтам рубильников конец спирали выпрямляется на длине 50—75 мм так, чтобы расстояние в свету от спирали до плоскости щитка было не менее 50 мм.

Гальваническая установка

Щитки для гальванических установок

Для контроля за работой ванн на каждой из них необходимо иметь амперметр. Если по технологическому процессу требуется регулирование напряжения на ванне, на щиток устанавливают также вольтметр. Измерительные приборы применяются магнитоэлектрической системы.

Приборы, контактные болты для присоединения токоподводов, реостаты и рубильники монтируются на щитках, располагаемых около ванны на стойках из угловой стали.

Щитки изготовляются из стального листа толщиной 3 мм с антикоррозионным покрытием. Аппаратура крепится на фарфоровых подкладках. Допускается изготовление щитков из мрамора. При этом для уменьшения гигроскопичности (поглощения влаги) в сырых помещениях гальванических цехов задняя поверхность щитков должна окрашиваться масляной краской.

Источник