Sursele de curent sunt chimice. Tipuri de surse chimice ale unui curent și ale dispozitivului lor

Surse de curent chimice (scurt pentru HIT) - dispozitive în care energia reacției de oxidare-reducere este transformată în energie electrică. Alte nume sunt o celulă electrochimică, o celulă galvanică, o celulă electrochimică. Principiul acțiunii lor este după cum urmează: ca urmare a interacțiunii celor doi reactivi, reacția chimică are loc cu eliberarea energiei unui curent electric constant. În alte surse de curent, procesul de generare a energiei electrice este o schemă în mai multe etape. Mai întâi alocat energie termică,

poveste

Cum au apărut primele surse de curent? Sursele chimice au fost numite celule galvanice în cinstea omului de știință italian din secolul al XVIII-lea, Luigi Galvani. A fost doctor, anatomist, fiziolog și fizician. Una dintre direcțiile cercetărilor sale a fost studierea reacțiilor animalelor la diverse influențe externe. Metoda chimică de obținere a energiei electrice a fost descoperită de Galvani accidental, în timpul unuia dintre experimentele pe broaște. A legat două plăci metalice de nervul gol de piciorul broaștei. În același timp, a avut loc o contracție musculară. Explicația proprie a acestui fenomen Galvani a fost incorectă. Dar rezultatele experimentelor și observațiilor sale i-au ajutat pe compatriotul său Alessandro Volta în studiile ulterioare.

Volta a expus în lucrarea sa teoria apariției curentului electric printr-o reacție chimică între două metale în contact cu țesutul muscular al broasca. Prima sursă chimică de curent arăta ca un recipient cu soluție salină, cu zinc și cupru placate în el.

Pe scară industrială, HIT a început să fie produsă în a doua jumătate a secolului al XIX-lea, datorită francezului Leclanche, care a inventat elementul principal de mangan-zinc cu electrolit de sare, numit după el. Câțiva ani mai târziu, această celulă electrochimică a fost îmbunătățită de un alt om de știință și a fost singura sursă chimică primară de curent până în 1940.

Dispozitivul și principiul de funcționare a HIT

dispozitiv de sursă de curent chimic include doi electrozi (conductori de primul tip) și electrolitul care intervin (conductor al doilea tip, sau conductor de ioni). La granița dintre ele există un potențial electronic. Electrodul pe care se oxidează agentul reducător se numește anod, iar cel pe care este redus oxidantul este catodul. Împreună cu electrolitul formează un sistem electrochimic.

Un efect secundar al reacției de oxidare-reducere între electrozii este apariția unui curent electric. În timpul unei astfel de reacții, agentul reducător oxidează și eliberează electroni oxidantului, care le ia și prin urmare este restaurat. Prezența dintre catod și anodul electrolitului este o condiție necesară pentru reacție. Dacă amestecați pur și simplu pulberi din două metale diferite, nu va fi eliberată energie electrică, toată energia va fi eliberată sub formă de căldură. Electrolitul este necesar pentru a comanda procesul de transfer de electroni. Cel mai adesea în calitatea sa este o soluție salină sau o topire.

Electrozii arată ca plăci de metal sau laturi. Când se scufundă în electrolit, există o diferență în potențialul electric dintre ele - tensiunea circuitului deschis. Anodul tinde să dea electroni, iar catodul - la acceptarea lor. Pe suprafața lor, încep reacțiile chimice. Se opresc atunci când circuitul este deschis și când unul dintre reactivi este consumat. Circuitul este deschis când unul dintre electrozi sau electrolit este îndepărtat.

Compoziția sistemelor electrochimice

Surse de curent substanțele chimice ca oxigenați folosesc acizi și săruri care conțin oxigen, oxigen, halogenuri, oxizi de metal mai mari, compuși nitroorganici etc. Restauratorii sunt metalele și oxizii lor inferiori, compușii hidrogenului și hidrocarburilor. Cum se utilizează electroliții:

1. Soluții apoase de acizi, alcalii, sare, etc.
2. Soluții neapoase cu conductivitate ionică, obținute prin dizolvarea sărurilor în solvenți organici sau anorganici.
3. Topituri de săruri.
4. Compușii solizi cu o latură ionică în care unul dintre ioni este mobil.
5. Electroliți de matrice. Acestea sunt soluții lichide sau topiri care se află în porii unui corp solid neconductor, un purtător electric.
6. Ion electroliți. Acestea sunt compuși solizi cu grupări ionogene fixe de același semn. Ioni ai celuilalt semn sunt mobili în același timp. Această proprietate face conductivitatea unui astfel de electrolit unipolar.

Baterii galvanice

Clasificarea HIT

Sursele chimice de curent diferă prin:

• dimensiune;
• construcții;
• reactivi;
• natura reacției de formare a energiei.

Acești parametri determină proprietățile operaționale ale HIT potrivite pentru o anumită aplicație.

Clasificarea celulelor electrochimice se bazează pe diferența dintre principiul de funcționare a dispozitivului. În funcție de aceste caracteristici, distingeți:

1. Sursele chimice primare de curent sunt elemente ale unei singure acțiuni. Ei au un anumit stoc de reactivi, care este consumat în timpul reacției. După o descărcare completă, această celulă își pierde eficiența. Într-un alt mod, HIT-urile primare sunt numite celule galvanice. Va fi corect să le numim pur și simplu - un element. Cele mai simple exemple de sursă principală de alimentare sunt bateria AA.
2. Sursele chimice reîncărcabile ale bateriilor curente (numite și HIT-uri secundare, reversibile) sunt elemente reutilizabile. Prin trecerea curentului de la circuitul extern în direcția inversă prin baterie după o descărcare completă, reactivii consumați sunt regenerați, recâștigând energia chimică (încărcare). Datorită posibilității de reîncărcare de la o sursă externă de curent continuu, acest dispozitiv este utilizat o perioadă lungă de timp, cu întreruperi pentru reîncărcare. Procesul de generare a energiei electrice se numește descărcare a bateriei. La astfel de HIT pot fi atribuite bateriile multor dispozitive electronice (laptop-uri, telefoane mobile, etc.).
3. Sursele chimice de curent chimice sunt dispozitive de acțiune continuă. În cursul activității lor, sunt furnizate continuu noi porțiuni de reactivi și produsele reacției sunt îndepărtate.
4. În celulele galvanice combinate (semi-combustibile) există o rezervă a unuia dintre reactivi. Al doilea este introdus în dispozitiv din exterior. Durata de viață a dispozitivului depinde de rezerva primului reactiv. Sursele chimice combinate de curent electric sunt folosite ca acumulatori dacă este posibil să se restabilească încărcarea prin trecerea curentului de la o sursă externă.
5. Energiile regenerabile HIT sunt reîncărcate mecanic sau chimic. Pentru ei, este posibil să înlocuiți reactivii consumați cu porțiuni noi după o descărcare completă. Asta este, ele nu sunt dispozitive continue, dar, cum ar fi acumulatorii, reîncărcați periodic.

Caracteristicile HIT

Principalele caracteristici ale surselor de energie chimică sunt:

1. Tensiunea de circuit deschis (NDC sau tensiunea de descărcare). Acest indicator, în primul rând, depinde de sistemul electrochimic ales (o combinație de agent reducător, oxidant și electrolit). De asemenea, concentrația de electroliți, gradul de descărcare, temperatura și alte influențe asupra NST. NDC depinde de valoarea curentului care trece prin HIT.
2. Putere.
3. Curentul de descărcare depinde de rezistența circuitului extern.
4. Capacitate - cantitatea maximă de energie electrică pe care HIT o oferă atunci când este complet descărcată.
5. Stocarea energiei este energia maximă primită când dispozitivul este complet descărcat.
6. Caracteristicile energetice. Pentru acumulatori, acesta este, în primul rând, un număr garantat de cicluri de încărcare fără scăderea capacității sau a tensiunii de încărcare (resursă).
7. Intervalul de temperatură de operabilitate.
8. Perioada de valabilitate este timpul maxim permis între fabricare și prima cifră a dispozitivului.
9. Durata de viață a produsului este durata maximă de depozitare maximă admisibilă și locul de muncă. Pentru celulele de combustie, durata de viață este importantă cu funcționarea continuă și intermitentă.
10. Energia totală dată pentru întreaga durată a vieții.
11. Rezistența mecanică în raport cu vibrațiile, șocurile etc.
12. Abilitatea de a lucra în orice poziție.
13. Fiabilitate.
14. Ușor de întreținut.

Cerințe pentru HIT

Proiectarea celulelor electrochimice ar trebui să ofere condițiile care să contribuie la cel mai eficient curs al reacției. Aceste condiții includ:

• prevenirea curentului de scurgere;
• muncă uniformă;
• rezistența mecanică (inclusiv etanșeitatea);
• separarea reactivilor;
• contact bun între electrozi și electrolit;
• scurgerea curentă de la zona de reacție la terminalul extern cu pierderi minime.

• valorile cele mai ridicate ale parametrilor specifici;
• intervalul de temperatură maximă de operabilitate;
• cel mai mare stres;
• costul minim al unei unități de energie;
• Stabilitatea tensiunii;
• siguranța încărcării;
• de securitate;
• simplitatea serviciului și, în mod ideal, nu este nevoie de el;
• durată lungă de funcționare.

Funcționarea HIT

Principalul avantaj al celulelor galvanice primare este că nu este nevoie de nicio întreținere. Înainte de a începe să le folosiți, trebuie doar să verificați aspectul, data de expirare. La conectare, este important să respectați polaritatea și să verificați integritatea contactelor dispozitivului. Sursele chimice mai complexe ale bateriilor curente necesită o îngrijire mai serioasă. Scopul serviciului lor este maximizarea duratei de viață. Îngrijirea bateriei este:

• menținerea curățeniei;
• monitorizarea tensiunii circuitului deschis;
• menținerea nivelului de electroliți (numai apa distilată poate fi utilizată pentru reumplere);
• controlul concentrației electrolitului (folosind un hidrometru - un dispozitiv simplu pentru măsurarea densității lichidelor).

Atunci când se lucrează cu celule galvanice, trebuie respectate toate cerințele referitoare la utilizarea în siguranță a aparatelor electrice.

Clasificarea HIT prin sisteme electrochimice

Tipuri de surse de energie chimică, în funcție de sistem:

• plumb (acid);
• nichel-cadmiu, nichel-fier, nichel-zinc;
• mangan-zinc, cupru-zinc, mercur-zinc, clor-zinc;
• argint-zinc, argint-cadmiu;
• Aer metal;
• nichel-hidrogen și hidrogen de argint;
• mangan-magneziu;
• litiu, etc.

Aplicarea modernă a HIT

• vehicule;
• dispozitive portabile;
• tehnica militară și spațială;
• echipament științific;
• medicamente (stimulatoare cardiace).

Exemple familiare de HIT în viața de zi cu zi:

• baterii (baterii uscate);
• baterii de aparate de uz casnic și electronice portabile;
• surse de alimentare neîntreruptibile;
• baterii auto.

Litiu chimice surse de curent au fost utilizate în special pe scară largă. Acest lucru se datorează faptului că litiul (Li) are cea mai mare energie specifică. Faptul este că se distinge prin cele mai negative potențialul electrodului printre toate celelalte metale. Bateriile litiu-ion (LIA) depășesc toate celelalte tipuri de HIT în ceea ce privește energia specifică și tensiunea de funcționare. Acum ei stapanesc treptat un nou domeniu - transportul auto. În viitor, dezvoltarea oamenilor de știință asociată cu îmbunătățirea bateriilor cu litiu se va deplasa în direcția structurilor ultra-subțiri și a bateriilor super-puternice.