Меню

Характеристика химического действия тока

Химическое действие электрического тока

date image2015-08-21
views image8941

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Растворы солей и кислот в воде или в каком-либо другом растворителе проводят электрический ток и называются электролитами или проводниками второго рода в отличие от металлических проводников, называемых проводниками первого рода.

Электрический ток может проходить через среды, имеющие электрически
заряженные частицы, обладающие способностью перемещаться.

При растворении солей и кислот в воде или в каком-либо ином растворителе (этиловый спирт, бензин, бензол и др.) часть молекул распадается на две части, называемые ионами, причем одна часть имеет положительный заряд, другая — отрицательный заряд.
Если в сосуд с электролитом погружены две металлические пластины, называемые электродами, которые при помощи проволочных проводников присоединены к
источнику энергии постоянного тока, то вследствие разности потенциалов между электродами через электролит будет протекать ток.

Прохождение тока через электролит сопровождается химическим процессом, называемым электролизом. Находящиеся в электролите ионы, притягиваясь к электродам, двигаются в противоположных направлениях: положительные ионы — к катоду, а отрицательные ионы — к аноду.

Подойдя к катоду, положительные ионы получают от него недостающие им электроны и образуют электрически нейтральные атомы. На аноде происходит обратный процесс: отрицательные ионы отдают аноду свои избыточные электроны.

При прохождении электрического тока через электролит на электродах выделяется определенное количество веществ, содержащихся в виде химического соединения в электролите.
Зависимость выделенного вещества от силы тока устанавливается
двумя законами Фарадея.

Первый закон Фарадея сформулирован так:количество вещества, выделившегося на электродах при прохождении тока через электролит, прямо пропорционально количеству электричества, прошедшему, через электролит.

При прохождении одного кулона электричества из электролита выделяется определенное количество массы вещества, которое называется электрохимическим эквивалентом данного вещества.
В практических расчетах для определения количества электричества удобнее пользоваться не кулонами, а ампер-часами (А-ч).
Так как один кулон равен ампер-секунде, то между ампер-часом и кулоном имеет место следующее соотношение:1 А-ч=3600 А-с=3600 Кл.

Электрохимический эквивалент К выражается в граммах, отнесенных к одному ампер-часу количества электричества (г/А -ч), т. е. это количество массы вещества, выделившегося из электролита и выраженное в граммах, при прохождении через электролит одного ампер-часа количества электричества.

Второй закон Фарадея гласит:при одном и том же количестве электричества, протекающего через различные электролиты, количества массы веществ, выделившихся на электродах, пропорциональны их химическим эквивалентам.

Из сопоставления 1-го и 2-го законов Фарадея вытекает, что электрохимические эквиваленты К пропорциональны их химическим эквивалентам, т. е.

К1/а1=К2/а2=К3/а3 =.
Следовательно, отношение электрохимических эквивалентов к их химическим эквивалентам является величиной постоянной и равной
К/а = 3,72/100 = 0,0372;
Итак, второй закон Фарадея может быть выражен следующим образом.
К = а х 0,0372;

Электролиз получил широкое применение в различных отраслях промышленности: в гальванопластике, гальваностегии, для очистки (рафинирования) металлов и др.

Гальванические элементы
Проводники первого рода (твердые) и второго рода (жидкие электролиты) совместно используются в гальванических элементах, служащих источниками постоянного тока.
В гальванических элементах во время их работы происходит движение ионов и оседание на электродах элемента, выделяющегося из электролита вещества.

Простейшим гальваническим элементом является медно-цинковый.

В стеклянный сосуд, наполненный раствором серной кислоты в воде, погружены медная и цинковая пластины, которые представляют собой положительный и отрицательный полюсы элемента.

При замыкании цепи элемента каким-либо проводником внутри этого элемента будет проходить ток от цинковой отрицательной пластины к медной положительной, а во внешней цепи от медной к цинковой.

Под действием тока внутри элемента положительные ионы водорода движутся по направлению тока, отрицательные ионы кислотного остатка — в противоположном направлении.
Соприкасаясь с медной пластиной, положительные ионы водорода отдают ей свои заряды, а водород в виде пузырьков газа скопляется на ее поверхности.

В это же время отрицательные ионы остатка серной кислоты отдают свои заряды цинковой пластине. Таким образом происходит непрерывный заряд пластин элемента, поддерживающий разность потенциалов (напряжение) на его зажимах.

Выделение водорода на медной пластине элемента ослабляет его действие — поляризует элемент.
Явление поляризации состоит в том, что скопляющийся на положительном электроде водород создает в совокупности с металлом электрода дополнительную разность потенциалов, называемую электродвижущей силой поляризации. Эта эдс направлена противоположно электродвижущей силе элемента.

Кроме того, пузырьки водорода, покрывающие часть медной пластины, уменьшают ее действующую поверхность, а это увеличивает внутреннее сопротивление элемента.

Поляризация в рассмотренном элементе настолько значительна, что делает его непригодным для практических целей.
Для устранения явления поляризации в состав элемента вводят поглотитель (деполяризатор), который предназначен для поглощения водорода и недопускает скопления его на положительном полюсе элемента.
Деполяризаторами могут служить химические препараты, богатые кислородом или хлором.

Электродвижущая сила медно-цинкового элемента равна 1,1 В, а внутреннее сопротивление в зависимости от времени работы — 5—10 Ом.
В угольно-цинковом элементе положительным полюсом служит угольная пластина,
а отрицательным — цинковый стержень.
Деполяризатором в этом элементе является спрессованная под большим давлением смесь, называемая агломератом. Она состоит из перекиси марганца и графита.

В качестве электролита в угольно-цинковом элементе применяют водный раствор хлористого аммония.
Электродвижущая сила угольно-цинкового элемента 1,4—1,5 В в начале разряда при среднем значении 0,9—1,1 В, а внутреннее сопротивление в зависимости от конструкции элемента — 0,25—0,7 Ом в начале разряда и 1,4—5 Ом в конце.

Угольно-цинковые элементы выпускает отечественная промышленность в виде так называемых сухих элементов стаканчикового и галетного типов, весьма удобных для переноски и перевозки.
В сухих элементах стаканчикового типа положительный полюс с агломератом помещают внутри цинковой коробки , которая служит отрицательным полюсом элемента.
Пространство между стенками цинковой коробки и агломератом заполняют пастой, состоящей из раствора хлористого аммония и картофельной муки.
Над агломератом укладывают картонную прокладку , на которую насыплют прослойку опилок; сверху опилки закрывают прокладкой.

Затем элемент заливают смолой, в которую вставляют трубку. Назначение этой трубки — удалять образующиеся внутри элемента газы.
На выходящий из смолы угольный электрод насаживают медный колпачок с
винтом и гайкой для присоединения проводника.

К верхней части цинковой коробки (отрицательному полюсу) припаивают изолированный гибкий проводник. На дно коробки укладывают изолирующую прокладку.
В галетном элементе отрицательным электродом является цинковая пластина, положительным — спрессованный в виде галеты порошок двуокиси марганца с углем.

Между электродами помещают картонную пластинку, пропитанную раствором нашатырного спирта.
Наружная поверхность цинковой пластины покрыта слоем канифоли с частицами графита для электропроводности.

В качестве изоляции применяют хлорвиниловые пленки.
Галетные элементы компактны и их активные материалы (особенно цинк) используются лучше, чем в стаканчиковых элементах.

Аккумуляторы

Аккумулятором называется прибор, обладающий способностью накапливать и сохранять в течение некоторого времени электрическую энергию в результате химических процессов.

В аккумуляторе, как и в гальваническом элементе, электрический ток является следствием химических процессов.

Но в отличие от аккумулятора в гальваническом элементе получающиеся химические соединения не могут быть вторично разложены и приведены в первоначальное состояние током постороннего источника.

Поэтому гальванические элементы называются первичными, а аккумуляторы — вторичными или обратимыми.

Повторные заряд и разряд не только не вредят аккумулятору, но даже улучшают его свойства, так как в работе участвуют все более глубокие слои пластин электродов.

В зависимости от состава электролита аккумуляторы могут быть кислотными и щелочными.

Простейший кислотный аккумулятор
состоит из двух свинцовых пластин (электродов), погруженных в электролит, которым служит вода с небольшим добавлением серной кислоты.

Постоянный ток постороннего источника, проходя через электролит, разлагает его на составные части.
Внутри электролита возникает движение положительных ионов водорода Н2 к пластине, соединенной с отрицательным зажимом источника тока, и отрицательных ионов кислорода О к пластине, соединенной с положительным зажимом источника тока.

В результате электролиза окисляется свинец на положительном электроде и образуется губчатый свинец на отрицательном электроде.

Если аккумулятор отключить от источника тока и замкнуть на какой-нибудь приемник энергии, то аккумулятор сам станет источником тока подобно гальваническому элементу, у которого электродами служат пластины, отличающиеся друг от друга по химическому составу.
Электролитом в кислотных аккумуляторах, как указывалось выше, служит раствор кислоты определенной плотности.

— Плотностью раствора называется число, показывающее, во сколько раз масса этого раствора больше массы воды того же объема.
— При составлении раствора для аккумуляторов серную кислоту тонкой струей наливают в воду.
— Нельзя вливать в серную кислоту воду, так как произойдёт бурное разбрызгивание кислоты, которая может причинить ожоги.
— Вода для электролита должна быть дистиллированной.
— Эдс аккумулятора зависит от плотности электролита и не зависит от его размеров и номинальной емкости.
— В процессе заряда и разряда аккумулятора плотность злектролита не остается постоянной, в связи с этим изменяется как его эдс, так и напряжение на его зажимах.

Читайте также:  Расчет полной мощности в трехфазной электрической сети переменного тока

График изменения напряжения
кислотного аккумулятора:

1 — при заряде,
2 — при разряде.

Количество электричества, которое аккумулятор может отдать при разряде определенным током до наинизшего допустимого напряжения, называется его емкостью.

Она равна произведению разрядного тока в амперах на продолжительность времени разряда в часах и выражается в ампер-часах.
Схема соединения пластин кислотного аккумулятора.

Емкость аккумулятора зависит от количества активной массы, величины тока и температуры.


Под номинальной емкостью понимают то количество электричества, которое отдает полностью заряженный аккумулятор при
10-часовом режиме разряда и температуре 25°С.

Таким образом, аккумулятор отдает номинальную емкость, разряжаясь в течение 10 ч током, численно равным 0,1 величины его номинальной емкости.

При увеличении разрядного тока емкость аккумулятора уменьшается, так как поверхность пластин покрывается сернокислым свинцом и затрудняет доступ электролита к внутренним слоям активной массы.

При понижении температуры увеличивается вязкость электролита, что также затрудняет его доступ к внутренним слоям активной массы и уменьшает емкость аккумулятора.

Для увеличения емкости аккумулятора несколько одноименных пластин соединяют параллельно.
Каждая группа положительных и отрицательных пластин работает как одна большая пластина, площадь которой равна сумме площадей параллельно соединённых пластин.

Так как положительные пластины должны находиться между отрицательными, число отрицательных пластин всегда на одну больше числа положительных.

При этом условии обе стороны положительных пластин вступают во взаимодействие с электролитом ( при односторонней работе положительные пластины коробятся и при соприкосновении с отрицательными пластинами может произойти короткое замыкание ).

Стационарные кислотные аккумуляторы изготовляют в стеклянных или керамических сосудах. Аккумуляторы больших емкостей имеют сосуды деревянные, выложенные внутри свинцом или кислотостойким изоляционным материалом.
Кислотные аккумуляторы применяют на электротехнических установках стационарного типа и на автотранспорте.
В качестве переносных аккумуляторов используют преимущественно щелочные аккумуляторы.

Щелочные аккумуляторы.
Сосуды щелочных аккумуляторов сваривают из тонкой листовой стали и с наружной стороны никелируют. В центре крышки сосуда имеется отверстие для заливки аккумуляторов электролитом.
Эдс щелочных аккумуляторов зависит от состояния активной массы пластин. От температуры и плотности электролита эдс зависит незначительно и только при низких температурах, близких к нулю, она резко изменяется.

Напряжение в конце заряда аккумулятора равно 1,8 В, по окончании заряда — 1,5—1,55 В;
эдс разряженного аккумулятора — 1,3 В.

Достоинством щелочных аккумуляторов является то, что

— они не требуют тщательного ухода;
— не боятся сотрясений;
— могут длительно оставаться в разреженном состоянии;
— выносят короткие замыкания, которые для кислотных аккумуляторов представляют большую опасность;
— саморазряд у щелочных аккумуляторов меньше, чем укислотных.

В зависимости от материала электродов щелочные аккумуляторы могут быть кадмиево-никелевые, железо-никелевые, серебряно-цинковые, золото-цинковые и газовые.

Применение в массовом масштабе золото-цинковых аккумуляторов ограничивается их высокой стоимостью.
Газовые аккумуляторы отличаются легкостью и дешевизной, но технология их производства недостаточно разработана.

Наиболее широкое распространение получили кадмиево-никелевые ( КН )
и железоникелевые ( ЖН ) аккумуляторы, электролитом которых служит раствор едкого кали в воде; плотность электролита 1,2.
По своему устройству и электрическим данным аккумуляторы КН и ЖН незначительно отличаются друг от друга.
Активную массу запрессовывают в брикеты ( пакеты ), а затем из брикетов собирают отдельные пластины.
У аккумуляторов типа ЖН отрицательных пластин на одну больше, чем положительных.
У аккумуляторов типа КН положительных пластин на одну больше, чем отрицательных.

Один из полюсов аккумулятора соединяется с сосудом (у ЖН — отрицательный,
а у КН — положительный полюс).

Серебряно-цинковый аккумулятор представляет собой пластмассовый сосуд, в котором помещены положительные и отрицательные электроды, составленные из отдельных пластин.

Отрицательные электроды, изготовленные из пластин окиси цинка, заключены в защитные пакеты из материала, который хорошо пропускает электролит, но задерживает металлические частицы.
Положительные пластины изготовлены из серебра.

Для составления аккумуляторной батареи или батареи гальванических элементов несколько элементов соединяют последовательно, т. е.
катод первого аккумулятора соединяют с анодом второго,
катод второго — с анодом третьего и т. д.

Получившиеся таким образом свободные электроды, а именно, анод первого элемента и катод последнего являются соответственно положительным и отрицательным полюсами аккумуляторной батареи.

При определении эдс аккумуляторной батареи из n кислотных аккумуляторов или гальванических элементов с эдс одного элемента Ео и внутренним сопротивлением Ro эдс батареи Е = nЕ0 и внутреннее сопротивление R = nR0.

Источник

Действия электрического тока

Мы не обладаем возможностью увидеть электроны, бегущие по проводнику. Как же тогда можно обнаружить ток в проводнике? Наличие электрического тока можно обнаружить по косвенным признакам. Так как, ток, протекая по проводнику, оказывает воздействие на него.

Вот некоторые из признаков:

  1. тепловой;
  2. химический;
  3. магнитный.

Тепловое действие тока

Благодаря такому действию тока мы можем освещать помещения с помощью ламп накаливания. А, так же, используем различные нагревательные электроприборы – конвекторы, электроплиты, утюги (рис. 1).

Используя метровый кусок никелиновой проволоки (рис. 2), можно продемонстрировать нагревание проводника при протекании по нему электрического тока. Для заметного провисания нагретой проволоки из-за теплового увеличения длины и наблюдения красноватого ее свечения будет достаточно тока в 2 — 3 Ампера.

Кусок провода нагревается, когда по нему протекает электрический ток. Чем больше ток в проводнике, тем больше он нагреется. Длина нагретого проводника увеличивается.

Подробнее о выделившемся количестве теплоты можно прочитать в статье о законе Джоуля-Ленца (ссылка).

Примечание: Нихром, никелин, константан – сплавы металлов, обладающие большим удельным сопротивлением (ссылка). Проволоки, изготовленные из таких сплавов, используются в различных нагревательных электроприборах.

Химическое действие тока

Электрический ток, проходя через растворы некоторых кислот, щелочей или солей, вызывает выделение из них вещества. Это вещество осаждается на электродах – пластинках, опущенных в раствор и подключенных к источнику тока.

Такое действие тока используют в гальванопластике – покрытии металлом некоторых поверхностей. Применяют никелирование, омеднение, хромирование, а, так же, серебрение и золочение поверхностей.

С помощью раствора медного купороса можно продемонстрировать выделение вещества под действием тока. Водный раствор этой соли имеет голубоватый оттенок. Пропуская электрический ток (ссылка) через раствор, можно обнаружить выделение меди на одном из электродов (рис. 3).

На каком электроде будет выделяться медь

Медь в растворе купороса присутствует в виде положительных ионов. Тела, имеющие разноименные заряды, притягиваются. Поэтому, ионы меди будут притягиваться к пластинке, имеющей заряд со знаком «минус». То есть, пластинке, подключенной к отрицательному выводу источника тока. Такую пластинку называют отрицательным электродом, или катодом.

Вторую пластинку, подключенную к положительному выводу батареи, называют анодом.

Примечание: Медный купорос можно найти в хозяйственном магазине. Его химическая формула \(\large CuSO_<4>\). Он используется в сельском хозяйстве для опрыскивания листвы плодовых деревьев, кустарников и овощных культур – к примеру, томатов, картофеля. Входит в составы различных растворов, применяемых в борьбе с болезнями растений и насекомыми-вредителями.

Применение химического действия тока в медицине

Химическое действие тока применяют не только в гальванопластике.

Пропускание электрического тока через растворы вызывает в них движение заряженных частиц вещества – положительных и отрицательных ионов. Человеческое тело содержит жидкости, в которых растворены некоторые вещества. А значит, в таких жидкостях присутствуют ионы.

Прикладывая специальные электроды, смоченные растворами лекарств на отдельные участки тела, и пропуская через них маленькие токи, можно вводить в организм некоторые лекарственные препараты (рис. 4).

Химическое действие тока применяют в медицине

Такое введение лекарств называют электрофорезом и используется в физиопроцедурных кабинетах поликлиник и санаториев.

Магнитное действие тока

Медь сама по себе не притягивается к магниту. В этом можно убедиться с помощью небольшого магнита и кусочка медного провода (рис. 5а).

На рисунке 5 кусок медного провода подвешен к двум штативам с помощью тонких нитей, не проводящих электрический ток.

Однако, во время протекания электрического тока, медный проводник начинает взаимодействовать с магнитом — притягиваться, или отталкиваться от него (рис. 5б).

С магнитом взаимодействует не сам медный проводник, а ток, протекающий по этому проводнику.

Почему проводок с током взаимодействует с магнитом

Электрический ток — это большое количество электронов, бегущих по проводку от одного его края к другому краю. Электроны обладают зарядом.

Вокруг движущихся зарядов возникает магнитное поле. Благодаря этому проводок с током превращается в маленький магнитик. И начинает взаимодействовать с магнитом, притягиваясь к нему, или отталкиваясь от него.

Читайте также:  Химический генератор тока это

При этом, проводок, как более легкий предмет, будет двигаться. А магнит продолжит оставаться на месте. Из-за того, что его масса значительно больше массы кусочка провода.

Направление движения проводка зависит от полярности его подключения к батарейке и, от того, как располагаются полюса магнита.

На магнитном действии тока основано действие электромагнита.

Самодельный электромагнит

Его легко изготовить из куска гибкой изолированной медной проволоки и железного гвоздя.

Гвоздь нужно обернуть кусочком бумаги – гильзой (рис. 6). Затем на гильзу нужно намотать 200 – 300 витков тонкого медного провода в изоляции. К выводам полученной катушки нужно подключить батарейку от карманного электрического фонаря.

Во время протекания тока, к гвоздю притягиваются различные мелкие железные предметы – скрепки, кнопки, гвоздики, железные стружки, опилки и т. п.

Отсоединив батарейку, увидим, что как только ток прекращается, гвоздь перестает притягивать к себе железные предметы.

Рамка с током и подковообразный магнит

Провод, обладающий достаточной жесткостью, можно изогнуть в виде плоской фигуры – прямоугольника, квадрата, окружности. Эластичные же провода навивают на жесткий каркас, изготовленный из подходящего материала – фанеры, картона, пластмассы и т. д. Такой изогнутый провод образует рамку. Проволочную рамку часто называют контуром.

Проволочная рамка, по которой течет электрический ток, может ориентироваться в магнитном поле.

Чтобы убедиться в этом, проведем такой эксперимент. Используем для него подковообразный магнит и проводник, изогнутый в виде прямоугольной рамки. Подвесим рамку к лапке штатива с помощью нити. Размеры рамки нужно выбрать так, чтобы она поместилась между полюсами магнита.

Сначала используем только подвешенную рамку (рис. 7а), без магнита. Подключим к рамке источник тока. Можно убедиться, что после подключения тока рамка продолжает висеть неподвижно. Отключим источник тока.

Теперь поместим магнит так, чтобы рамка находилась между его полюсами (рис. 7б) и, пропустим по цепи электрический ток. Легко заметить, что во время протекания тока рамка поворачивается и ориентируется по магнитному полю. А когда цепь размыкается, рамка возвращается в первоначальное положение.

Примечание: Если изменить полярность подключения источника к рамке, то она будет поворачиваться в противоположную сторону.

Замечательное свойство рамки с током поворачиваться в магнитном поле, используют в различных измерительных приборах. Один из таких приборов – гальванометр.

Устройство гальванометра

Гальванометром прибор назвали в честь итальянского физика и врача Луиджи Гальвани. Этот прибор способен измерять маленькие электрические токи (постоянные).

На схемах прибор обозначают кружком, внутри которого расположена большая латинская буква G. На некоторых схемах внутри круга находится стрелка, направленная вертикально вверх.

  • подковообразный магнит и
  • находящуюся внутри него рамку, содержащую витки тонкого медного провода (рис. 8).

Подвижная рамка находится на оси и может вокруг нее поворачиваться.

К рамке прикреплена стрелка. Она указывает, на какой угол рамка повернулась во время протекания в ней электрического тока.

Угол поворота отмечают по делениям шкалы.

Кто такой Луиджи Гальвани

Гальвани был одним из основателей учения об электричестве.

Обнаружил, что в местах контакта различных видов металлов возникает электрическое напряжение.

Проводил опыты с использованием железного ключа и серебряной монеты.

Изучал сокращения мышц под воздействием электричества и пришел к выводу, что мышцы управляются электрическими импульсами, поступающими по нервным волокнам из мозга.

В итальянском городе Болонья неподалеку от здания Болонского университета находится памятник Гальвани. Он находится на площади Piazza Luigi Galvani, носящей имя ученого.

В его честь, так же, назвали один из кратеров на обратной стороне Луны.

А Болонский лицей назван именем Гальвани еще с 1860-го года.

О приборах магнитоэлектрической системы

Такие приборы, содержащие проводящую рамку и небольшой магнит, называют приборами магнитоэлектрической системы. Они получили широкое распространение из-за своего сравнительно простого устройства.

Шкалы приборов можно градуировать в различных единицах измерения, в зависимости от измеряемых физических величин. На основе таких приборов изготавливают вольтметры, амперметры, омметры и т. п.

Источник

Основные химические источники электроэнергии

Химические источники тока — это устройства и приборы которые в процессе химической окислительно-восстановительной реакции выделяют напряжение. Также они называются электрохимическими, гальваническими элементами. Основной принцип действия их основан на взаимодействии химических реагентов которые вступая, в реакцию друг с другом вырабатывают электроэнергию, в виде постоянного тока. Этот процесс происходит без механического или теплового воздействия, что является основными факторами играющими превосходящую роль среди других генераторов постоянного напряжения. Химические источники тока, сокращённо ХИТ, уже давно нашли применение не только в быту, но и на производстве.

Немного истории создания ХИТ

Батарея Вольта

Ещё в восемнадцатом веке итальянский учёный Луиджи Гальвани придумал простейший элемент который химическим способом выделял электрический ток. Однако он был не только учёным, но и физиком, врачом, физиологом. Он интересовался и проводил опыты которые были направлены на изучение реакции животных на внешние раздражители. Как и всё гениальное первый химический источник энергии был получен Луиджи абсолютно случайно, во время многочисленных экспериментов над лягушками. После присоединения двух пластин из металла к лягушачьей мышце на лапке, было замечено мускульное сокращение. Гальвани посчитал это нервной реакцией на внешний раздражитель и изложил это в результатах своих исследований, попавших в руки другого великого учёного Алессандро Вольта. Он и выложил свою теорию о возникновении напряжения в результате химической реакции, возникшей между двумя металлическими пластинами в среде мускульной ткани лягушки.

Первый химический источник электрического тока представлял собой емкость с соляным составом, в который было погружено две пластины из разных материалов. Одна из меди, другая из цинка. Именно это устройство в будущем, а конкретнее во второй половине девятнадцатого века, было применено при изобретении и создании марганцево-цинкового элемента внутри которого был тот же солевой электролит.

Принцип действия

Принцип действия химического источника питания

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:

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

Классификация гальванических элементов и их подбор

Генераторы электрического тока получающегося во время химической реакции разделяются по:

  • Размерам;
  • Конструктивным особенностям;
  • Способу и реагенту, за счёт которого, и получается электроэнергия.

Все элементы вырабатывающее ток во время химической реакции делятся на:

  1. Заряжаемые, которые в процессе эксплуатации могут неоднократно заряжаться от источника постоянного тока, они называются аккумуляторами;
  2. Не заряжаемые, то есть источники одноразового использования которые после завершения химической реакции просто приходят в негодность и должны быть утилизированы. Попросту это гальванический элемент или батарейка.

Для того чтобы подобрать источник электроэнергии, основанный на химической реакции, нужно понимать его характеристики, к которым относятся:

  • Напряжение между анодом и катодом при разомкнутой цепи. Этот показатель чаще всего зависит от выбранной электрохимической системы, а также концентрации и вылечены всех составляющих;
  • Мощность источника;
  • Показатель силы тока;
  • Емкость;
  • Электротехнические показатели, то есть количество циклов заряда и разряда;
  • Диапазон рабочих температур;
  • Срок хранения между тем временем как элемент был создан и до начала его эксплуатации;
  • Полный срок службы;
  • Прочность, то есть защита корпуса от различных механических повреждений и влияний, а также вибраций;
  • Положение работы, некоторые из них работают только в горизонтальных положениях;
  • Надёжность;
  • Простота в эксплуатации и обслуживании. В идеале отсутствие необходимости малейшего вмешательства в работу в течение всего срока эксплуатации.
Читайте также:  Обмотка параллельного или независимого возбуждения машины постоянного тока

При выборе нужной батареи или аккумулятора обязательно нужно учесть его электрические номиналы такие как напряжение и ток, а также ёмкость. Именно она является ключевой для сохранения работоспособности, подключаемого к источнику прибора.

Современные химические источники тока и их применение

Современный источник тока

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.

Способы утилизации химических источников энергии

Батарейка

Проблема утилизации разных по габаритах химических источников напряжения является экологической проблемой всей планеты. Современные источники содержат в себе до тридцати химических элементов которые могут нанесите ощутимый вред природным ресурсам, поэтому для их утилизации разработаны целые программы и построены специализированные цеха по переработке. Некоторые методы позволяют не только качественно перерабатывать эти вредные вещества, но и возвращать в производство, тем самым защитив окружающую среду. В целях извлечения цветных металлов из батарей и аккумуляторов в настоящий момент разработаны и применены в цивилизованных странах, следящих и заботящихся об окружающей среде, целые пирометаллургические и гидрометаллургические комплексы. Самый же распространённый способ утилизации отработанных химических источников тока является метод, работающий на соединении этих процессов. Главным его достоинством считается высокая степень извлечения с минимальным количеством отходов.
Этот метод пирометаллургической, гидрометаллургической и механической переработки включает в себя восемь основных стадий:

  1. Измельчение;
  2. Магнитная сепарация;
  3. Обжиг;
  4. Дополнительное измельчение;
  5. Выделение крупных и мелких элементов с помощью грохочения;
  6. Водное очищение и выщелачивание;
  7. Сернокислотное выщелачивание;
  8. Электролиз.

Организация правильного сбора и утилизации ХИТ позволяет максимально уменьшить негативное влияние как на окружающую природу, так и на здоровье самого человека.

Видео о химических источниках тока

Источник



Химические источники тока: основные характеристики

Химические источники тока: основные характеристикиУже более двух столетий человечество использует энергию химических реакций между различными веществами для получения постоянного тока.

Принцип работы

Окислительно-восстановительная реакция, протекающая между веществами, обладающими свойствами окислителя и восстановителя, сопровождаются выделением электронов, движение которых образует электрический ток. Однако, чтобы использовать его энергию, необходимо создать условия для прохождения электронов через внешнюю цепь, в противном случае она при простом смешивании окислителя и восстановителя выделяется во внешнюю среду теплом.

Поэтому все химические источники тока имеют два электрода:

анод, на котором происходит окисление;

катод, осуществляющий восстановление вещества.

Электроды на расстоянии помещены в сосуд с электролитом — веществом, проводящим электрический ток за счет процессов диссоциации среды на ионы.

Принцип преобразования химической энергии в электрическую

Принцип преобразования химической энергии в электрическую

На рисунке показано, что электроды размещены в отдельных сосудах, соединенных солевым мостиком, через который создается движение ионов по внутренней цепи. Когда внешняя и внутренняя цепь разомкнуты, то на электродах протекают два процесса: переход ионов из металла электрода в электролит и переход ионов из электролита в кристаллическую решетку электродов.

Скорости протекания этих процессов одинаковы и на каждом электроде накапливаются потенциалы напряжения противоположных знаков. Если их соединить через солевой мостик и приложить нагрузку, то возникнет электрическая цепь. По внутреннему контуру электрический ток создается движением ионов между электродами через электролит и солевой мостик. По внешней цепи возникает движение электронов по направлению от анода на катод.

Практически все окислительно-восстановительные реакции сопровождаются выработкой электроэнергии. Но ее величина зависит от многих факторов, включающих объемы и массы используемых химических веществ, примененных материалов для изготовления электродов, типа электролита, концентрации ионов, конструкции.

Наибольшее применение в современных химических источниках тока нашли:

для материала анода (восстановителя) — цинк (Zn), свинец (Pb), кадмий (Cd) и некоторые другие металлы;

для материала катода (окислителя) — оксид свинца PbO2, оксид марганца MnO2, гидроксооксид никеля NiOOH и другие;

электролиты на основе растворов кислот, щелочей или соли.

Способы классификации

Одна часть химических источников тока может повторно использоваться, а другая нет. Этот принцип взят за основу их классификации.

Классификация химических элементов

Классификация химических элементов

Электродвижущая сила гальванических элементов, в зависимости от конструкции, достигает 1,2÷1,5 вольта. Для получения больших значений их объединяют в батареи, соединяя последовательно. При параллельном подключении батарей увеличивается ток и мощность.

Принято считать, что первичные химические источники тока не поддерживают повторную зарядку, хотя более точно это положение можно сформулировать по-другому: ее проведение экономически не целесообразно.

Резервные первичные химические источники тока хранятся в состоянии, когда электролит изолирован от электродов. Это исключает протекание окислительно-восстановительной реакции и обеспечивает готовность к вводу в работу. Они не используются повторно. Срок хранения резервных химических источников тока ограничен в 10÷15 лет.

Аккумуляторы успешно перезаряжаются приложением внешней электрической энергии. Благодаря этой возможности их называют вторичными источниками тока. Они способны выдерживать сотни и тысячи циклов заряда-разряда. ЭДС аккумулятора может быть в пределах 1,0÷1,5 вольта. Их тоже объединяют в батареи.

Электрохимические генераторы работают по принципу гальванических элементов, но у них для проведения электрохимической реакции вещества поступают извне, а все выделяющиеся продукты удаляются из электролита. Это позволяет организовать непрерывный процесс.

Основные рабочие характеристики химических источников тока

1. Величина напряжения на разомкнутых клеммах

В зависимости от конструкции единичный источник может создавать только определенную разность потенциалов. Для использования в электрических устройствах их объединяют в батареи.

2. Удельная емкость

За определенное время (в часах) один химический источник тока может выработать ограниченное количество тока (в амперах), которые относят к единице веса либо объема.

3. Удельная мощность

Характеризует способность единицы веса или объема химического источника тока вырабатывать мощность, образованную произведением напряжения на силу тока.

4. Продолжительность эксплуатации

Еще этот параметр называют сроком годности.

5. Значение токов саморазряда

Эти побочные процессы электрохимических реакций приводят к расходу активной массы элементов, вызывают коррозию, снижают удельную емкость.

6. Цена на изделие

Зависит от конструкции, применяемых материалов и ряда других факторов.

Лучшими химическими источниками тока считаются те, у которых высокие значения первых четырех параметров, а саморазряд и стоимость низкие.

Принципы заряда аккумуляторов

Среди вторичных химических источников тока большую популярность набирают литий ионные модели, которые стали массово применяться для питания электронных устройств. У них материалом положительного электрода используется LiMO2 (M Co, Ni, Mn), а отрицательного — графит.

При заряде ионы лития от приложенной внешней энергии выделяются из металла катода, проходят через электролит и проникают в пространство между слоями графита, накапливаясь там.

Принципы заряда аккумуляторов

Когда энергия зарядного устройства отсутствует, а к электродам подключена нагрузка, то ионы лития в электролите двигаются в противоположную сторону.

Если заряд и разряд не проводятся, то энергия в аккумуляторе не расходуется, а сохраняется. Но ее количество ограничивается свойствами применяемых материалов. К примеру, у литий-ионных аккумуляторов значение удельной электроемкости составляет 130÷150 мАч/г. Оно лимитировано свойствами материала анода. Для графита емкость выше примерно в два раза.

Ученые сейчас ищут способы повышения емкости аккумулятора, изучают возможности использования химической реакции, проходящей между литием и кислородом воздуха. Для этого разрабатываются конструкции с воздушным, не расходуемым катодом, используемые в отдельных аккумуляторах. Этот метод может до 10 раз увеличить плотность энергии.

Эксплуатация химических источников тока требует знания основ электротехники, электрохимии, материаловедения и физики твердых тел.

Источник