Vooluallikad on keemilised. Voolu ja nende seadme keemiliste allikate liigid

Praeguse kemikaali allikad (lühidalt HIT-le) - seadmed, milles oksüdeerumis-vähendusreaktsiooni energia muundatakse elektrienergiaks. Teised nimed on elektrokeemiline rakk, galvaaniline rakk , elektrokeemiline rakk. Nende tegevuse põhimõte on järgmine: kahe reagendi vastasmõju tulemusena toimub keemiline reaktsioon konstantse elektrivoolu energia vabanemisega. Teiste praeguste allikate puhul toimub elektritootmine vastavalt mitmeastmelisele skeemile. Esiteks vabaneb soojusenergia, siis muutub see mehaaniliseks ja alles seejärel elektrienergiaks. HIT eelis on üheastmeline protsess, see tähendab, et elektrit saadakse koheselt, mööda soojus- ja mehaaniliste energiaallikate saavutamist.

Ajalugu

Kuidas ilmnesid esimesed allikad? Keemilised allikad Saanud galvaniliste elementide nime XVIII sajandi Itaalia teadlase auks - Luigi Galvani. Ta oli arst, anatoom, füsioloog ja füüsik. Üks tema uurimissuundadest oli loomade reaktsioonide uurimine erinevate välismõjude suhtes. Elektrilise gaasi saamise keemiline meetod avastati Galvani kogemata ühe konnade eksperimendi käigus. Ta ühendas kaks metallplaati konnapuu jalgade närviga. Samal ajal toimus lihaste kontraktsioon. Tema enda selgitus selle nähtuse kohta oli Galvani vale. Kuid tema eksperimentide ja vaatluste tulemused aitasid tema kaasmaalane Alessandro Volta järgmistel uurimustel.

Volta tutvustas oma teoseid elektrivoolu tekke teooriast, mis on tingitud kahe metalli keemilisest reaktsioonist konna kontakti lihaskoega. Esimene käimasolev keemiline allikas nägi välja nagu soolvees sisalduv konteiner, seal on tsingitud ja vasega kaetud.

Tööstuslikul skaalal hakkas HIT XIX sajandi teisel poolel tootma tänu prantslane Leclanchele, kes leiutas nime saanud soola-elektrolüüdi esmase mangaan-tsinkelemendi. Mõni aasta hiljem täiustas seda elektrokeemilist rakku teine teadlane ja oli ainus keemiline lähteaine praeguseks kuni 1940. aastani.

HIT-i seade ja tööpõhimõte

Voolu keemiliste allikate seade sisaldab kahte elektroodi (esimese liiki juhte) ja nende vahel paiknevat elektrolüüdit (teise liini juhtme või ioonjuhiga). Neis piirides on elektrooniline potentsiaal. Elektrood, mille redutseerija on oksüdeerunud, nimetatakse anoodiks ja oksüdandi vähendatud on katood. Koos elektrolüütiga moodustavad nad elektrokeemilise süsteemi.

Elektroodide oksüdatsiooni-vähendamise reaktsiooni kõrvaltoime on elektrivool. Selles reaktsioonis redutseeriv oksüdeerija oksüdeerib ja eraldab elektronid oksüdeerijale, mis neid võtab ja seeläbi taastub. Reaktsiooni vajalik tingimus on elektroodi katoodi ja elektrolüüdi anoodi vahel. Kui te lihtsalt kahe erineva metalli pulbreid segatakse, ei eraldata elektrit, koguenergia vabaneb kuumusena. Elektroniülekande protsessi tellimiseks on vajalik elektrolüüt. Tavaliselt on selle kvaliteedi all soolane lahus või sulamine.

Elektroodid näevad välja nagu metallplaadid või riivid. Kui nad elektrolüüdi sukelduma hakkavad, erineb nende vaheline elektriline potentsiaal - avatud ahela pinge. Anoodil on kalduvus elektronide tagasilöögiks ja katood - nende heakskiitmine. Nende pinnal algavad keemilised reaktsioonid. Nad lülituvad välja, kui ahel on avatud ja kui üks reagenti on tarbitud. Kui üks elektrodidest või elektrolüüdist eemaldatakse, avaneb ahel.

Elektrokeemiliste süsteemide koosseis

Keemilise voolu allikana oksüdeerijatena kasutatakse hapnikku sisaldavaid happeid ja sooli, hapnikku, halogeniide, kõrgemaid metaloksiide, nitroorganiarelemente jne. Restaureerijateks on metallid ja nende madalamad oksiidid, vesinik ja süsivesinikühendid. Kuidas elektrolüüte kasutatakse:

1. Hapete, leeliste, soola vesilahused
2. Ioonse juhtivusega mittevesilahus, mis saadakse soolade lahustamisel orgaanilistes või anorgaanilistes lahustites.
3. Soolade sulatamine.
4. Tahked ühendid ioonvõrega, milles üks ioonidest on liikuv.
5. Matrix-elektrolüüdid. Need on vedelad lahused või sulavad, mis on tahke mitteelektrilise keha, elektrilise kandja poorid.
6. Ioonivahetus elektrolüüdid. Need on tahke ühendid, millel on sama märgiga fikseeritud ionogeensed rühmad. Teise tähise ioonid on samal ajal liikuvad. See omadus muudab sellise elektrolüüdi unipolaarse juhtivuse.

Galvaanilised akud

Keemilise vooluallikad koosnevad galvaanilistest rakkudest - rakkudest. Ühes neist rakkudest on pinge väike - 0,5 kuni 4 V. Sõltuvalt vajadusest kasutab HIT galvaanilist aku, mis koosneb mitmest seeriatoodetest. Mõnikord kasutatakse mitme elemendi paralleelset või seeria-paralleelset ühendust. Järjestikulises järjestuses on alati kaasatud ainult samad primaarsed elemendid või akud. Neil peaks olema samad parameetrid: elektrokeemiline süsteem, disain, tehnoloogiline variant ja suurus. Paralleelühenduse jaoks on lubatud kasutada eri suurusega elemente.

HIT klassifikatsioon

Keemilised allikad on erinevad:

• Suurus;
• Ehitus;
• Reagendid;
• Energia moodustamise reaktsiooni olemus.

Need parameetrid määravad HITi tööomadused, mis sobivad konkreetseks rakenduseks.

Elektrokeemiliste rakkude klassifikatsioon põhineb seadme töötamise põhimõtte erinevusel. Sõltuvalt nendest tunnustest eristatakse:

1. Voolu peamised keemilised allikad on ühe toimingu elemendid. Neis on reageerivate ainete kindel kogus, mida tarbitakse reaktsiooni ajal. Pärast täielikku tühjendamist kaotab see raku töövõime. Teise võimalusena nimetatakse esmaseid HIT galvaanilisi rakke. On õige neid lihtsalt helistada - element. Esmase toiteallika lihtsamateks näideteks on "aku" AA.
2. Akumuleeritavate aku laetavate keemiliste allikate (mida nimetatakse ka teisesteks, pöörduvaks HIT )ks on korduvkasutatavad elemendid. Voolu ülekandmine välise ahelaga vastupinge kaudu läbi aku täieliku tühjendamise järel reageerib tarbitud reagendid, taaskehtestab keemilist energiat (laadimist). Välise konstantse voolu allika laadimise võimaluse tõttu kasutatakse seda seadet pikka aega, laadimise katkestustega. Elektrienergia tootmist nimetatakse aku tühjenemiseks. Sellele HIT-le on võimalik paljude elektrooniliste seadmete (sülearvutite, mobiiltelefonide jne) toiteelemente kaasata.
3. Voolutemperatuurilised keemilised allikad on pideva toimimise seadmed. Töö käigus käivitatakse pidevalt uued reaktiivide osad ja eemaldatakse reaktsiooniproduktid.
4. Kombineeritud (poolkütuse) galvaanilises rakus on ühe reagendi reserv. Teine sisestatakse seadmesse väljastpoolt. Seadme elu sõltub esimese reaktiivi reservist. Akumuleeritavatena kasutatakse kombineeritud elektrivoolu keemilisi allikaid, kui nende laengut on võimalik taastada välisküljel oleva voolu kaudu.
5. HIT taastuvenergiaallikad täidetakse mehaaniliselt või keemiliselt. Nende jaoks on pärast täieliku väljaheitmist võimalik uute reaktiivide asendamine uute osadega. See tähendab, et need ei ole pidevad seadmed, kuid nagu akud on perioodiliselt laaditud.

HIT omadused

Kehtivate keemiliste allikate põhiomadused on järgmised:

1. Avatud ahela pinge (NDC või tühjenduspinge). See näitaja sõltub kõigepealt valitud elektrokeemilisest süsteemist (redutseerija, oksüdeerija ja elektrolüüdi kombinatsioon). Samuti on elektrolüüdi kontsentratsioon, väljalaskeaste, temperatuur ja muu mõju NRC. NDC sõltub HIT kaudu voolava voolu väärtusest.
2. Võimsus
3. Väljalaskevool sõltub välise vooluahela takistusest.
4. Mahutavus - maksimaalne elektrienergia kogus, mille HIT annab, kui see täielikult tühjeneb.
5. Energiasalvesti on maksimaalne energia, mis on saadud seadme täieliku tühjenemise ajal.
6. Energia omadused. Patareide puhul on see kõigepealt tagatud arv laadimistsüklit, vähendamata mahtuvust või laadimispinget (ressurssi).
7. Tõhususe temperatuurivahemik.
8. Kõlblikkusaeg on seadme tootmise ja seadme esimese numbri vaheline maksimaalne lubatud aeg.
9. Kasutusaeg on maksimaalne lubatud kogu säilivusaeg ja tööaeg. Kütuseelementide puhul on tööiga tähtis pideva ja katkendliku töötamise korral.
10. Koguenergia kogu elu jooksul.
11. Mehaaniline tugevus seoses vibratsiooniga, šokiga jne
12. Võime töötada mis tahes positsioonis.
13. Usaldusväärsus.
14. Lihtne hooldada.

Nõuded HIT-le

Elektrokeemiliste rakkude disain peab tagama tingimused, mis aitavad kaasa reaktsiooni kõige tõhusamale kulgemisele. Need tingimused hõlmavad järgmist:

• Lekkevoolu vältimine;
• Ühtne töö;
• Mehaaniline tugevus (sh tihedus);
• Reaktiivide eraldamine;
• Hea kontakt elektroodide ja elektrolüüdi vahel;
• Vool eemaldatakse reaktsioonitsoonist välisele terminalile minimaalse kahjuga.

Praeguse kemikaali allikad peaksid vastama järgmistele üldistele nõuetele:

• Parameetrite suurimad väärtused;
• Tööomaduste maksimaalne temperatuurivahemik;
• Suurim stress;
• Energiaühiku minimaalne maksumus;
• Pinge stabiilsus;
• Laengu ohutus;
• Turvalisus;
• Teenuse lihtsus ja ideaalis pole seda vaja;
• Pikk kasutusiga.

HIT-i käitamine

Primaarsete galvaaniliste rakkude peamine eelis on see, et mingit hooldust pole vaja. Enne kui hakkate neid kasutama, peate lihtsalt kontrollima välimust, aegumiskuupäeva. Ühendamisel on oluline jälgida polaarsust ja kontrollida seadme kontaktide terviklikkust. Keerulisemad keemilised vooluallikad - akud nõuavad tõsist hoolt. Teenuse eesmärk on maksimaalselt teenimisaeg. Aku hooldus on:

• Puhtuse säilitamine;
• Avatud ahela pinge jälgimine;
• Elektrolüütide taseme säilimine (uuesti täitmiseks võib kasutada ainult destilleeritud vett);
• Elektrolüütide kontsentratsiooni kontroll (kasutades hüdromeetrit - lihtsat seadet vedelike tiheduse mõõtmiseks).

Galvaanikaamerate kasutamisel tuleb järgida kõiki elektriseadmete ohutu kasutamise nõudeid.

HIT klassifikatsioon elektrokeemiliste süsteemide abil

Voolu keemilised allikad, olenevalt süsteemist:

• Plii (hape);
• Nikkel-kaadmium, nikkel-raua, nikkel-tsink;
• Mangaan-tsink, vasktsink, elavhõbe-tsink, kloortsink;
• Hõbe-tsink, hõbe-kaadmium;
• Õhkmetall;
• Nikkel-vesinik ja hõbe-vesinik;
• Mangaan-magneesium;
• Liitium jne

Kaasaegne HIT-i rakendamine

Vooluallikad, kemikaalid Praegu rakendatakse:

• Sõidukid;
• Teisaldatavad seadmed;
• Sõjaline ja kosmosetehnoloogia;
• Teaduslikud seadmed;
• Meditsiin (südamestimulaatorid).

HIT-i tuttavad näited igapäevaelus:

• Patareid (kuivad patareid);
• Kaasaskantavate kodumasinate ja elektroonika akud;
• Katkematu vooluallikad;
• Autovarustus.

Liitiumikemikaalid olid eriti laialt levinud. See on tingitud asjaolust, et liitiumil (Li) on kõrgeim eriline energia. Fakt on see, et sellel on kõigi teiste metallide seas kõige negatiivsem elektrood . Liitium-ioonakud (LIA) ületavad kõik muud HIT-i spetsiifilise energia- ja tööpinge osas. Nüüd on nad uue valdkonna järk-järgult omandanud - autotranspordi. Tulevikus liiguvad liitiumpatarei täiustamisega seotud teadlaste areng ülimalt õhukeste konstruktsioonide ja suure võimsusega ülelaaditavate patareide suunas.