Galvanik hücreler ve piller — cihaz, çalışma prensibi, türleri

Düşük güçlü elektrik enerjisi kaynakları

Galvanik hücreler ve piller, taşınabilir elektrikli ve radyo ekipmanına güç sağlamak için kullanılır.

Galvanik hücreler — bunlar tek seferlik işlemlerin kaynaklarıdır, akümülatörler — yeniden kullanılabilir işlem kaynakları.

En basit galvanik element

En basit element iki şeritten yapılabilir: sülfürik asitle hafifçe asitleştirilmiş suya batırılmış bakır ve çinko. Çinko, yerel reaksiyon göstermeyecek kadar safsa, bakır ve çinko bir araya gelene kadar gözle görülür bir değişiklik olmaz.

Bununla birlikte, şeritler biri diğerine göre farklı bir potansiyele sahiptir ve bir tel ile bağlandığında ortaya çıkacaktır. elektrik… Bu işlemle çinko şerit kademeli olarak çözülecek ve yüzeyinde toplanarak bakır elektrodun yanında gaz kabarcıkları oluşacaktır. Bu gaz elektrolit tarafından üretilen hidrojendir. Elektrik akımı, tel boyunca bakır şeritten çinko şeride ve buradan da elektrolit yoluyla tekrar bakıra akar.

Yavaş yavaş, elektrolitin sülfürik asidi, çinko elektrotun çözünmüş kısmından oluşan çinko sülfat ile değiştirilir. Bu, hücrenin voltajını azaltır. Bununla birlikte, bakır üzerinde gaz kabarcıklarının oluşması daha da büyük bir voltaj düşüşüne neden olur. Her iki eylem de 'kutuplaşmaya' neden olur. Bu tür öğelerin neredeyse hiçbir pratik değeri yoktur.

Galvanik hücrelerin önemli parametreleri

Galvanik piller tarafından verilen voltajın büyüklüğü yalnızca tiplerine ve cihazlarına, yani elektrotların malzemesine ve elektrolitin kimyasal bileşimine bağlıdır, ancak hücrelerin şekline ve boyutuna bağlı değildir.

Bir galvanik hücrenin sağlayabileceği akım, iç direnci ile sınırlıdır.

Galvanik hücrenin çok önemli bir özelliği, elektrik kapasitesi... Elektrik kapasitesi, bir galvanik veya depolama hücresinin çalışması boyunca, yani son deşarjın başlangıcına kadar sağlayabildiği elektrik miktarı anlamına gelir.

Hücre tarafından verilen kapasite, deşarj akımının amper olarak ifade edilen kuvvetinin, hücrenin tam deşarj başlangıcına kadar deşarj olduğu saat cinsinden süre ile çarpılmasıyla belirlenir. Bu nedenle, kapasite her zaman amper-saat (Ah) cinsinden ifade edilir.

Hücrenin kapasitesinin değerine göre, tam deşarj başlamadan önce kaç saat çalışacağını önceden belirlemek de mümkündür. Bunu yapmak için, kapasiteyi bu eleman için izin verilen deşarj akımının gücüne bölmeniz gerekir.

Bununla birlikte, kapasite kesinlikle sabit değildir. Elemanın çalışma koşullarına (moduna) ve son deşarj voltajına bağlı olarak oldukça büyük sınırlar içinde değişir.

Hücre maksimum akımda ve üstelik kesintisiz olarak deşarj edilirse çok daha düşük bir kapasite verecektir. Aksine, aynı hücre daha düşük bir akımda ve sık ve nispeten uzun kesintilerle deşarj edildiğinde, hücre tam kapasitesini bırakacaktır.

Nihai deşarj voltajının hücre kapasitesi üzerindeki etkisine gelince, galvanik hücrenin deşarjı sırasında çalışma voltajının aynı seviyede kalmadığı, kademeli olarak azaldığı unutulmamalıdır.

Yaygın elektrokimyasal hücre türleri

En yaygın galvanik hücreler, tuz ve alkalin elektrolitli manganez-çinko, manganez-hava, hava-çinko ve cıva-çinko sistemleridir.Tuz elektrolitli kuru manganez-çinko pillerin başlangıç ​​voltajı 1,4 ila 1,55 V, çalışma süresi -20 ile -60 arası ortam sıcaklığında Sabah 7 ile 340 arası

Alkalin elektrolitli kuru çinko-mangan ve çinko-hava pilleri, 0,75 ila 0,9 V arasında bir gerilime ve 6 saat ila 45 saat arasında bir çalışma süresine sahiptir.

Kuru cıva-çinko piller, 1,22 ila 1,25 V arasında bir başlangıç ​​voltajına ve 24 saat ila 55 saat arasında bir çalışma süresine sahiptir.

Kuru cıva-çinko piller, 30 aya kadar garanti edilen en uzun raf ömrüne sahiptir.

piller

piller Bunlar ikincil elektrokimyasal hücrelerdir.Galvanik hücrelerin aksine montajdan hemen sonra aküde herhangi bir kimyasal işlem gerçekleşmez.

Pilin elektrik yüklerinin hareketiyle ilişkili kimyasal reaksiyonları başlatması için, elektrotlarının (ve kısmen elektrolitin) kimyasal bileşimini uygun şekilde değiştirmek gerekir.Elektrotların kimyasal bileşimindeki bu değişiklik, pilden geçen bir elektrik akımının etkisi altında gerçekleşir.

Bu nedenle, bir pilin elektrik akımı üretebilmesi için önce bazı dış akım kaynaklarından doğru elektrik akımı ile "şarj edilmesi" gerekir.

Piller ayrıca, boşaldıktan sonra yeniden şarj edilebilmeleri gerçeğiyle geleneksel galvanik hücrelerden farklıdır. İyi bir bakım ve normal çalışma koşulları altında piller birkaç bin şarj ve deşarja kadar dayanabilir.
Pille çalışan cihaz

Şu anda, pratikte en çok kurşun ve kadmiyum-nikel piller kullanılmaktadır. İlk sülfürik asit çözeltisinde elektrolit görevi görür ve ikinci suda alkali çözeltisinde. Kurşun asitli pillere asit ve nikel-kadmiyum-alkalin piller de denir.

Pillerin çalışma prensibi elektrotların polarizasyonuna dayanır. elektroliz sırasında... En basit asit bataryası şu şekilde yapılandırılmıştır: bir elektrolit içine daldırılmış iki kurşun levhadır. Kimyasal ikame reaksiyonunun bir sonucu olarak, plakalar Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2 formülünden aşağıdaki gibi ince bir kurşun sülfat PbSO4 kaplaması ile kaplanır.

Asit pil cihazı

Plakaların bu durumu, boşalmış bir bataryaya karşılık gelir. Pil şimdi şarj için açılırsa, yani bir doğru akım jeneratörüne bağlanırsa, elektroliz nedeniyle plakaların polarizasyonu içinde başlayacaktır. Pilin şarj edilmesi sonucunda plakaları polarize olur, yani yüzeylerindeki maddeyi homojenden (PbSO4) farklıya (Pb ve PbO2) değiştirin.

Pil, pozitif elektrot olarak kurşun dioksitle kaplı bir plaka ve negatif elektrot olarak temiz bir kurşun plaka ile akım kaynağı haline gelir.

Şarjın sonunda, içinde ilave sülfürik asit moleküllerinin ortaya çıkması nedeniyle elektrolit konsantrasyonu artar.

Bu, kurşun asitli akünün özelliklerinden biridir: elektroliti nötr kalmaz ve akünün çalışması sırasında kimyasal reaksiyonlara katılır.

Boşalmanın sonunda, akünün her iki plakası da kurşun sülfatla kaplanır ve bunun sonucunda akünün bir akım kaynağı olması sona erer. Pil asla bu duruma getirilmez. Plakalar üzerinde kurşun sülfat oluşumu nedeniyle deşarj sonunda elektrolit konsantrasyonu azalır. Pil şarj edilirse, kutuplaşmanın yeniden boşalmasına vb. neden olabilir.

pil nasıl şarj edilir

Pilleri şarj etmenin birkaç yolu vardır. En basiti, aşağıdaki gibi yapılan normal pil şarjıdır. Başlangıçta, 5 - 6 saat boyunca, her bir pilin voltajı 2,4 V'a ulaşana kadar çift normal akımda şarj gerçekleştirilir.

Normal şarj akımı, Aztax = Q / 16 formülü ile belirlenir.

nerede Q - pilin nominal kapasitesi, Ah.

Bundan sonra şarj akımı normal bir değere düşürülür ve şarjın bittiğine dair işaretler görünene kadar 15-18 saat şarj devam eder.

Modern piller

Nikel-kadmiyum veya alkalin piller, kurşun pillerden çok daha sonra ortaya çıktı ve bunlara kıyasla daha modern kimyasal akım kaynaklarıdır.Alkalin pillerin kurşun pillere göre ana avantajı, plakaların aktif kütlelerine göre elektrolitlerinin kimyasal nötrlüğünde yatmaktadır. Bu nedenle, alkalin pillerin kendiliğinden boşalması, kurşun-asit pillerden önemli ölçüde daha düşüktür. Alkalin pillerin çalışma prensibi de elektroliz sırasında elektrotların polarizasyonuna dayanmaktadır.

Radyo ekipmanına güç sağlamak için, -30 ila +50 ОC arasındaki sıcaklıklarda etkili olan ve 400 - 600 şarj-deşarj döngüsüne dayanan kapalı kadmiyum-nikel piller üretilir. Bu akümülatörler, kompakt paralelyüzlüler ve birkaç gramdan kilograma kadar olan diskler şeklinde yapılır.

Nikel-hidrojen piller, otonom nesnelere güç sağlamak için üretilir. Nikel-hidrojen pilinin özgül enerjisi 50 — 60 Wh kg-1'dir.