Източниците на ток са химически. Видове химически източници на ток и тяхното устройство

Източници на текущи химикали (къси за HIT) - устройства, в които енергията на реакцията на окисление-редукция се превръща в електрическа. Другите имена са електрохимична клетка, галванична клетка , електрохимична клетка. Принципът на тяхното действие е следният: в резултат на взаимодействието на двата реагента се извършва химична реакция с освобождаване на енергията от постоянен електрически ток. В други източници на ток, процесът на производство на електроенергия се осъществява съгласно многоетапна схема. Първо, топлинната енергия се освобождава, след това се превръща в механична и едва тогава в електрическа. Предимството на HIT е едноетапен процес, т.е. токът се получава веднага, заобикаляйки етапите на получаване на топлинна и механична енергия.

история

Как се появиха първите източници на ток? Химични източници Получили са име на галванични елементи в чест на италианския учен от осемнадесети век - Луиджи Галвани. Той беше лекар, анатом, физиолог и физик. Едно от насоките на неговото изследване е изследването на реакциите на животните на различни външни влияния. Химическият метод за получаване на електроенергия е открит случайно от Галвани по време на един от експериментите с жаби. Свърза две метални плочи към голия нерв на крака на жабата. В същото време се наблюдава мускулна контракция. Неговото собствено обяснение за този феномен Галвани е било неправилно. Но резултатите от неговите експерименти и наблюдения помогнаха на неговия сънародник Алесандро Волта в следващите проучвания.

Волта представя в творбите си теорията за появата на електрически ток в резултат на химична реакция между два метала при контакт с мускулната тъкан на жаба. Първият химически източник на ток приличаше на контейнер със саламура, чийто цинк и мед бяха покрити.

В индустриален мащаб HIT започва да се произвежда през втората половина на XIX век, благодарение на французина Leclanche, който изобретил основния манганов цинков елемент със солев електролит, кръстен на него. Няколко години по-късно тази електрохимическа клетка е подобрена от друг учен и е единственият основен химически източник на ток до 1940 г.

Устройството и принципът на работа на HIT

Устройството за химически източници на ток включва два електрода (проводници от първия вид) и електролита, разположен между тях (проводник от втори вид или йонни проводници). На границата между тях има електронен потенциал. Електродът, върху който се окислява редуциращото средство, се нарича анод, а този, върху който се редуцира окислителят, е катод. Заедно с електролита те образуват електрохимична система.

Страничен ефект на реакцията на окисление-редукция между електродите е възникването на електрически ток. По време на тази реакция редукционният агент окислява и отделя електроните на окислителя, който ги отвежда и по този начин се възстановява. Присъствието между катода и анода на електролита е необходимо условие за реакцията. Ако просто смесвате праховете от два различни метала, няма да се отделя електричество, цялата енергия ще се отделя като топлина. Електролитът е необходим за поръчване на процеса на предаване на електрони. Най-често в качеството му е физиологичен разтвор или стопилка.

Електродите изглеждат като метални пластини или решетки. Когато се потопят в електролита, има разлика в електрическите им потенциали - напрежението на отворената верига. Анодът има тенденция да възвръща електроните, а катодът - до тяхното приемане. На тяхната повърхност започват химическите реакции. Спират, когато веригата се отвори, и когато един от реагентите се консумира. Веригата се отваря, когато един от електродите или електролитът бъде отстранен.

Състав на електрохимичните системи

Източниците на химически ток като окислители използват кислородсъдържащи киселини и соли, кислород, халогениди, по-високи метални оксиди, нитроорганични съединения и др. Реставраторите са метали и техните по-ниски оксиди, водородни и въглеводородни съединения. Как се използват електролитите:

1. Водни разтвори на киселини, основи, соли и др.
2. Неводни разтвори с йонна проводимост, получени чрез разтваряне на соли в органични или неорганични разтворители.
3. Смеси от соли.
4. Твърди съединения с йонна решетка, в която един от йоните е подвижен.
5. Матрични електролити. Това са течни разтвори или стопилки, които се намират в порите на твърдо непроводящо тяло, електрически превозвач.
6. Йонообменни електролити. Това са твърди съединения с фиксирани йоногенни групи от един и същ знак. Ионите на друг знак са мобилни едновременно. Това свойство прави проводимостта на такъв електролит еднополюсен.

Галванични батерии

Източниците на химически ток се състоят от галванични клетки - клетки. Напрежението в една от тези клетки е малко - от 0,5 до 4V. В зависимост от необходимостта, HIT използва галванична батерия, състояща се от няколко серийно свързани елементи. Понякога се използва паралелно или серийно-паралелно свързване на няколко елемента. В последователна схема винаги са включени едни и същи първични клетки или акумулатори. Те трябва да имат същите параметри: електрохимическа система, дизайн, технологичен вариант и размер. За паралелно свързване е приемливо използването на елементи с различен размер.

Класификация на HIT

Химическите източници на ток се различават по:

• размер;
• строителство;
• реагенти;
• Естество на енергийно-образуващата реакция.

Тези параметри определят експлоатационните свойства на HIT, които са подходящи за конкретно приложение.

Класификацията на електрохимичните клетки се основава на разликата в принципа на работа на устройството. В зависимост от тези характеристики, разграничавайте:

1. Първичните химични източници на ток са елементи на едно действие. В тях има определен запас от реагенти, които се консумират по време на реакцията. След пълно изпускане тази клетка губи своята оперативност. По друг начин, първичните HIT се наричат галванични клетки. Ще бъде правилно да ги наричате просто - елемент. Най-простите примери за първичен източник на енергия са "батерията" AA.
2. Акумулаторните химически източници на токови акумулатори (наричани също вторични, обратими HITs) са многократно използвани елементи. Чрез преминаване на ток от външната верига в обратна посока през батерията след пълно изпускане, консумираните реагенти се регенерират, като повторно се натрупват химическа енергия (зареждане). Поради възможността за презареждане от външен източник на постоянен ток, това устройство се използва дълго време с прекъсвания при презареждане. Процесът на генериране на електричество се нарича изхвърляне на акумулатора. Към този HIT е възможно да се носят електрически елементи на много електронни устройства (лаптопи, мобилни телефони и т.н.).
3. Топлинните химически източници на ток са устройства на непрекъснато действие. В хода на тяхната работа непрекъснато се доставя нова част реагенти и продуктите от реакцията се отстраняват.
4. В комбинираните (полу-горивни) галванични клетки има резерв на един от реагентите. Вторият се подава в устройството отвън. Животът на устройството зависи от резерва на първия реагент. Комбинирани химични източници на електрически ток се използват като акумулатори, ако е възможно да се възстанови заряда им чрез преминаване на ток от външен източник.
5. HIT възобновяемите енергийни източници се презареждат механично или химически. За тях е възможно да се заменят консумираните реагенти с нови порции след пълно изхвърляне. Това означава, че те не са непрекъснати устройства, а като акумулатори периодично презареждат.

Характеристики на HIT

Основните характеристики на химическите източници на ток са:

1. Отворено напрежение (NDC или изпускателно напрежение). Този индикатор, на първо място, зависи от избраната електрохимична система (комбинация от редуктор, окислител и електролит). Също така, концентрацията на електролита, степента на изпускане, температурата и други влияния на НЗР. NDC зависи от стойността на тока, преминаващ през HIT.
2. Ел.
3. Изходящият ток зависи от съпротивлението на външната верига.
4. Капацитет - максималното количество електричество, което HIT дава, когато е напълно разрешено.
5. Запазването на енергия е максималната енергия, получена, когато устройството е напълно разредено.
6. Енергийни характеристики. За батериите това е, преди всичко, гарантирано количество цикли на зареждане без да се намалява капацитета или напрежението на зареждане (ресурс).
7. Температурен диапазон на ефективност.
8. Срокът на годност е максимално допустимото време между производството и първата цифра на устройството.
9. Срокът на експлоатация е максималният допустим общ срок на годност и работа. За горивните клетки, експлоатационният живот е важен при продължителна и периодична работа.
10. Общата енергия, дадена за целия живот.
11. Механична якост по отношение на вибрации, удари и др.
12. Възможност за работа във всяка позиция.
13. Надеждност.
14. Лесно се поддържа.

Изисквания за HIT

Дизайнът на електрохимичните клетки трябва да осигури условията, които допринасят за най-ефективния ход на реакцията. Тези условия включват:

• Предотвратяване на ток на утечка;
• Унифицирана работа;
• Механична якост (включително плътност);
• Разделяне на реагентите;
• Добър контакт между електродите и електролита;
• Токът се отстранява от реакционната зона към външния терминал с минимални загуби.

Източниците на настоящите химични вещества трябва да отговарят на следните общи изисквания:

• Най-високите стойности на специфичните параметри;
• Максимален температурен диапазон на експлоатация;
• Най-голям стрес;
• Минималната цена на единица енергия;
• Стабилност на напрежението;
• Безопасност на заряда;
• сигурност;
• Простота на услугата и, в идеалния случай, няма нужда от нея;
• Дълъг експлоатационен живот.

Работа с HIT

Основното предимство на първичните галванични клетки е, че няма нужда от поддръжка. Преди да започнете да ги използвате, трябва само да проверите външния вид, срока на валидност. При свързване е важно да се спазва полярността и да се проверява целостта на контактите на устройството. По-сложните химически източници на ток - батерии изискват по-сериозна грижа. Целта на услугата е да се увеличи максималният срок на експлоатация. Грижата за батерията е:

• Поддържане на чистотата;
• Мониторинг на напрежението на отвореното напрежение;
• Поддържане на нивото на електролита (за зареждане може да се използва само дестилирана вода);
• Контрол на концентрацията на електролита (с помощта на хидрометър - просто устройство за измерване на плътността на течностите).

При работа на галванични клетки е необходимо да се спазват всички изисквания, свързани с безопасното използване на електрически уреди.

Класификация на HIT чрез електрохимични системи

Видове химически източници на ток в зависимост от системата:

• Олово (киселина);
• Никел-кадмий, никел-желязо, никел-цинк;
• Манган-цинк, мед-цинк, живак-цинк, хлор-цинк;
• Сребърен цинк, сребърен кадмий;
• въздух метал;
• Никел-водород и сребро-водород;
• манган-магнезий;
• Литий и др.

Съвременното приложение на HIT

Източници на ток, химически В момента се прилага в:

• превозни средства;
• Преносими устройства;
• Военна и космическа технология;
• Научно оборудване;
• Медицина (пейсмейкъри).

Познати примери за ХИТ в ежедневието:

• Батерии (сухи батерии);
• Батерии за преносими домакински уреди и електроника;
• Непрекъсваеми токозахранващи устройства;
• Автомобилни батерии.

Литиево-химичните източници на ток са особено широко използвани. Това се дължи на факта, че литий (Li) има най-висока специфична енергия. Фактът е, че той има най-негативния потенциал на електродите от всички останали метали. Литиево-йонните батерии (LIA) превъзхождат всички други HIT от гледна точка на специфичната енергия и работното напрежение. Сега те постепенно овладяват нова област - автомобилен транспорт. В бъдеще развитието на учените, свързани с подобряването на литиевите батерии, ще се движи в посока към ултра тънки структури и батерии с голяма мощност.