Galvaaniset solut - laite, toimintaperiaate, tyypit ja pääominaisuudet

Edellytykset galvaanisten kennojen esiintymiselle. Hieman historiaa. Italialainen lääketieteen professori, fysiologi Luigi Aloisio Galvani löysi vuonna 1786 mielenkiintoisen ilmiön: vasta kuoreen koukkuihin ripustetun sammakon äskettäin avautuneen ruumin takajalojen lihakset supistuivat, kun tiedemies kosketti niitä teräksellä. Galvani päätteli heti, että tämä oli osoitus "eläinten sähköstä".

Galvanin kuoleman jälkeen hänen nykyajan Alessandro Volta kuvaa kemiana ja fyysikkona kuvaamaan ja julkisesti osoittamaan realistisemman mekanismin sähkövirran esiintymiselle, kun eri metallit joutuvat kosketuksiin.

Volta tulee kokeilusarjan jälkeen yksiselitteisesti siihen johtopäätökseen, että virta ilmenee piirissä johtuen siitä, että siinä on kaksi nesteeseen asetettua metallia erilaisella johtimella, ja tämä ei ole ollenkaan ”eläin sähköä”, kuten Galvani ajatteli. Sammakon jalkojen nykiminen oli seurausta erilaisten metallien (kuparikoukut ja teräsleikkaus) kosketuksesta johtuvan virran vaikutuksesta.

Volta näyttää samat ilmiöt, joita Galvani näytti kuolleella sammakolla, mutta täysin elottomalla kotitekoisella sähkömittarilla, ja antaa vuonna 1800 tarkan selityksen nykyisestä: ”toisen luokan johdin (neste) on keskellä ja on yhteydessä kahden ensimmäisen luokan johtimeen, joista on kaksi erilaista metallit ... Tämän seurauksena suuntaan tai toiseen suuntaan syntyy sähkövirta. ”

Yhdessä ensimmäisistä kokeista Volta laski kaksi levyä - sinkkiä ja kuparia - happipurkkiin ja yhdisti ne johdolla. Sen jälkeen sinkkilevy alkoi liueta ja kupariteräkseen muodostui kaasukuplia. Volta ehdotti ja todisti, että sähkövirta virtaa johtimen läpi.

Siten keksittiin "Volta-elementti" - ensimmäinen galvaaninen kenno. Mukavuussyistä Volta antoi sille pystysuoran sylinterin (pylvään) muodon, joka koostui toisiinsa liittyvistä sinkin, kuparin ja hapolla kyllästetyistä kankaista. Puoli metriä korkea volttinapa loi jännitteen ihmisille.

Tutkimuksen alusta lähtien nimi oli Luigi Galvani kemiallinen virran lähde säilyttänyt muiston hänestä nimessään.

Galvaaninen kenno Onko kemiallinen sähkövirran lähde, joka perustuu kahden metallin ja / tai niiden oksidien vuorovaikutukseen elektrolyytissä, mikä johtaa sähkövirran esiintymiseen suljetussa piirissä. Siksi galvaanisissa kennoissa kemiallinen energia muunnetaan sähköenergiaksi.

Solut tänään

Soluja kutsutaan nykyään paristoiksi. Kolme akkutyyppiä on laajalti levinnyt: suolaliuos (kuiva), alkalinen (niitä kutsutaan myös alkaliseksi, englanniksi käännettynä "alkaliseksi") ja litium. Heidän työnsä periaate on sama kuin Volta kuvasi vuonna 1800: kaksi metallia vuorovaikutuksessa elektrolyytin kautta, ja ulkoisessa suljetussa piirissä syntyy sähkövirta.

Akun jännite riippuu käytetyistä metalleista ja "akun" solujen lukumäärästä. Paristot, toisin kuin akut, eivät pysty palauttamaan ominaisuuksiaan, koska ne muuntavat suoraan kemiallisen energian, ts. Akun muodostavien reagenssien (pelkistimen ja hapettimen) energian sähköenergiaksi.

Akkuun sisältyvät reagenssit kulutetaan sen käytön aikana, virta pienenee asteittain, joten lähteen toiminta päättyy sen jälkeen, kun reagenssit reagoivat täysin.

Alkalisia ja suolaelementtejä (paristoja) käytetään laajasti erilaisten elektronisten laitteiden, radiolaitteiden, lelujen ja litiumin virrankäyttöön. Litiumia löytyy useimmiten kannettavista lääkinnällisistä laitteista, kuten verensokerimittarista, tai digitaalitekniikasta, kuten kameroista.

Suolaparistot

Mangaani-sinkkikennot, joita kutsutaan suolaakkuiksi, ovat ”kuivia” galvaanisia kennoja, joiden sisällä ei ole nestemäistä elektrolyyttiliuosta.

Sinkkielektrodi (+) on kuppimainen katodi, ja anodina toimii mangaanidioksidin ja grafiitin jauhemainen seos. Virta virtaa grafiittitangon läpi. Elektrolyyttinä käytetään tahnaa ammoniumkloridiliuoksesta lisäämällä tärkkelystä tai jauhoja sakeuttamiseksi siten, että mikään ei valu.

Tyypillisesti paristojen valmistajat eivät ilmoita suolaelementtien tarkkaa koostumusta. Suolaparistot ovat kuitenkin halvimpia. Niitä käytetään yleensä laitteissa, joissa energiankulutus on erittäin pieni: tunneissa, kaukosäätimissä, elektronisissa lämpömittarissa jne.

Käsitettä "nimelliskapasiteetti" käytetään harvoin mangaani-sinkki-paristojen karakterisointiin, koska niiden kapasiteetti on suuresti riippuvainen käyttöolosuhteista ja olosuhteista. Näiden elementtien päähaitat ovat merkitsevä jännitteen pienenemisnopeus koko purkauksen aikana ja lähtökapasitanssin merkittävä väheneminen purkausvirran kasvaessa. Lopullinen purkujännite asetetaan kuormituksesta riippuen alueella 0,7-1,0 V.

Purkausvirran suuruuden lisäksi on tärkeätä myös kuorman aikataulu. Suurten ja keskisuurten virtojen purkautuessa paristojen suorituskyky kasvaa huomattavasti jatkuvaan käyttöön verrattuna. Kuitenkin pienillä purkausvirroilla ja kuukausien keskeytyksillä niiden kapasitanssi voi vähentyä itsensä purkautumisen seurauksena.

Yllä oleva kaavio näyttää keskimääräisen suolaakun purkauskäyrät 4, 10, 20 ja 40 tunniksi alkaliparistoon verrattuna, joista keskustellaan myöhemmin.

Alkaliparistot (alkaliparistot)

Alkaliparisto on galvaaninen mangaani-sinkki-akku, jossa mangaanidioksidia käytetään katodina, sinkkijauhetta käytetään anodina ja alkaliliuosta käytetään elektrolyyttinä, yleensä kaliumhydroksidipastan muodossa.

Näillä akkuilla on useita etuja (erityisesti huomattavasti suurempi kapasiteetti, parempi suorituskyky alhaisissa lämpötiloissa ja suuret kuormavirrat).

Alkaliparistot voivat suolaliuokseen verrattuna tarjota enemmän virtaa pitkään. Suurempi virta tulee mahdolliseksi, koska sinkkiä käytetään tässä ei lasin muodossa, vaan jauheen muodossa, jolla on suurempi kosketuspinta elektrolyytin kanssa. Elektrolyyttinä käytetään kaliumhydroksidia pastana muodossa.

Tämän tyyppiset galvaaniset kennot kykenevät toimittamaan merkittävän virran (jopa 1 A) pitkään, alkaliparistot ovat tällä hetkellä yleisimmät.

Sähköleluissa, kannettavissa lääkinnällisissä laitteissa, elektronisissa laitteissa, kameroissa alkaliparistoja käytetään kaikkialla. Ne toimivat 1,5 kertaa pidempään kuin suolaliuos, jos purkaus on heikkoa. Kaavio näyttää purkauskäyrät eri virroilla verrattuna suolaakkuun (kaavio on annettu yllä) 4, 10, 20 ja 40 tunnin ajan.

Litiumparistot

Toinen melko yleinen galvaanisten kennojen tyyppi on litiumparistot - yksittäiset kertakäyttöiset galvaaniset kennot, joissa litiumia tai sen yhdisteitä käytetään anodina. Alkalimetallin käytöstä johtuen niiden potentiaaliero on suuri.

Litiumkennon katodi ja elektrolyytti voivat olla hyvin erilaisia, joten termi ”litiumkenno” yhdistää soluryhmän samalla anodimateriaalilla.Katodina voidaan käyttää esimerkiksi mangaanidioksidia, hiilimonofluoridia, pyritiä, tionyylikloridia jne.

Litiumparistot erottuvat muista akkuista korkealla käyttöaikallaan ja korkeilla kustannuksillaan. Käytetystä koosta ja kemiallisista materiaaleista riippuen litiumparisto voi tuottaa jännitettä 1,5 V (yhteensopiva alkaliparistojen kanssa) - 3,7 V.

Näillä akkuilla on suurin kapasiteetti massayksikköä kohti ja pitkä varastointiaika. Litiumparistoja käytetään laajalti nykyaikaisissa kannettavissa elektronisissa laitteissa: tietokoneiden emolevyjen kellon virran lisäämiseen, kannettavien lääketieteellisten laitteiden, rannekellojen, laskimien, valokuvauslaitteiden jne.

Yllä oleva kaavio näyttää kahden suositun valmistajan kahden litiumpariston purkauskäyrät. Alkuvirta oli 120 mA (vastus luokkaa 24 ohmia).

Katso myös: Nykyaikaiset ladattavat akut - edut ja haitat