Гальваническая батарея

Литиевая батарейка

Литий-марганцевая диоксид батарейка -это относительно недавняя разработка, использующая преимущества высокого электродного потенциала и плотности энергии металлического лития. Она предлагает значительно большую плотность энергии и емкость, чем “щелочная” и угольная, при относительно небольшом увеличении стоимости.

Литий находится в форме очень тонкой фольги и запрессован внутри банки из нержавеющей стали, чтобы сформировать отрицательный электрод.

Положительный электрод – диоксид марганца, смешанный с углеродом для улучшения его проводимости, а электролит-перхлорат лития растворен в пропиленкарбонате.

Номинальное напряжение на клеммах литиевого элемента составляет 3,0 в, что в два раза больше, чем у “щелочных” и других гальванических элементов. Он также имеет очень низкую скорость саморазряда, что дает ему очень длительный срок хранения. Внутреннее сопротивление также довольно низкое и остается таким в течение всего срока службы.

Литиевая батарея хорошо работает при низких температурах, даже ниже -60 °C, и передовые разработки используют их в спутниках связи, космических аппаратах, военных и медицинских приложениях. Медицинские приложения, требующие длительного срока службы критически важных устройств, таких как искусственные кардиостимуляторы и другие имплантируемые электронные медицинские устройства, используют специализированные литий-ионные батареи, которые могут работать в течение многих лет.

Литиевые гальванические элементы батарейки подходят для менее важных применений для работы с игрушками, часами и камерами. Хотя литиевые батареи стоят дороже, они обеспечивают более длительный срок службы, чем “щелочные” батареи, и сводят к минимуму их замену.

На практике, однако, напряжение на клеммах уменьшается по мере уменьшения заряда. Именно по этой причине, в отличие от вторичных батарей, первичные, как правило, не получают спецификации емкости ни в ампер-часах, ни в миллиампер-часах от большинства производителей вместо этого обычно задается только максимальный ток разряда.
Литиевые гальванические элементы обладают значительно большей плотностью энергии и емкостью, чем “щелочные” и другие первичные батареи; они обеспечивают более высокое (примерно в два раза) напряжение на клеммах по сравнению с другими первичными элементами, и напряжение на клеммах остается почти постоянным в течение всего срока службы.

Путь на ощупь

Люди с древности сталкивались с электрическими явлениями, но не могли их правильно объяснить. Греческий философ VII в. до н. э. Фалес, заметив, что потёртый о шерсть янтарь притягивает лёгкие предметы, объяснил это свойством самого янтаря, не ведая, что и другие вещества могут обладать такими «способностями».

Наблюдение Фалеса, так и не получив внятного толкования, было забыто и воскресло только в 1600 г. в опытах английского физика Уильяма Гильберта. Гильберт обнаружил, что одни тела, подобно янтарю, после натирания притягивают лёгкие предметы, а другие — нет. Гильберт назвал эту притягивающую силу «электричеством» (от лат. electricus — «янтарный») и впервые твёрдо заявил о существовании в природе некого неведомого явления, требующего изучения.

Уильям Гильберт

Область применения

Область применения батареек и аккумуляторов типа «С» очень широка. Портативные источники электроэнергии используются в устройствах, в которых наблюдается повышенное электропотребление.

Кроме того, такие элементы питания могут устанавливаться последовательно, поэтому с их помощью можно обеспечить работоспособность устройств, для работы которых требуется значительно большее напряжение, чем 1,5 или 3,7 Вольта.

Наиболее часто источники питания этого типа можно обнаружить в батарейных отсеках следующих устройств:

1. Радиоприемников.
2. Фонарей.
3. Измерительных приборов.
4. Детских игрушек.

Элементы питания могут типа «С» могут устанавливаться не только в портативные устройства, но и в стационарно расположенные бытовые приборы. Например, с помощью одной или двух батареек может осуществляться запал горючего в газовых плитах или водогрейных колонках.

Типы гальванических элементов

Выделяют ряд батареек определенных типов.

Таблица гальванических элементов

Более детальнее эта тема раскрыта в статье виды батареек!

Назначение гальванического элемента

Он предназначен для запуска электрической технике. Это могут быть:

1. Часы.
2. Пульты.
3. Фонарики.
4. Медицинское оборудование.
5. Ноутбуки.
6. Игрушки.
7. Брелки.
8. Телефоны.
9. Лазерные указки.
10. Калькуляторы.

И им подобные окружающие нас вещи.

ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ: САМОДЕЛЬНАЯ БАТАРЕЯ

Каждому из нас знакомы химические источники тока различных типов и форм. Но как это часто случается, мы редко задумываемся о том, как устроен этот совершенно привычный и обыденный предмет. А между тем, появление первых химических источников тока, положило начало превращению электричества из лабораторной диковинки в нашего повседневного помощника.

Правильное объяснение этому явлению смог дать другой итальянский ученый Алессандро Вольта. Он установил, что это явление связано с наличием двух разнородных металлов, соприкасающихся с электролитом, в роли которого выступала кровь лягушки, а сама лапка играла лишь роль чувствительного индикатора электрического тока . Опираясь на свои исследования Вольта в 1799г. создал первый химический источник тока. В этом устройстве Вольта использовал медный и цинковый электроды, погруженные в раствор серной кислоты.

Цинк бурно реагирует с кислотами. В раствор переходят не атомы цинка, а положительные ионы, так что в электроде остается избыток электронов, следовательно, цинковая пластина заряжается отрицательно. Вообще, большинство металлов при погружении в электролит заряжается отрицательно, на поверхности медной пластинки протекает подобный процесс. Но избыток отрицательных зарядов на медном электроде гораздо меньше, а значит, относительно цинкового электрода его потенциал получается более высоким. Если соединить внешним проводником медную и цинковую пластины, то электроны начнут перемещаться с цинковой пластины на медную, т.е. в цепи потечет электрический ток .

Часто напряжения, даваемого одним гальваническим элементом, недостаточно. Тогда их можно соединять последовательно в батареи.

Вообще изготовить химический источник тока совсем нетрудно: надо поместить в электролит две пластинки из разных металлов . Такие гальванические элементы возникают самопроизвольно. Например, намочил дождь крышу, покрытую оцинкованным железом, на железе наверняка имеются царапины, так, что и железо, и цинк вступили в контакт с водой, которая играет роль электролита. Цинк в такой паре начнёт активно разрушаться, а вот железо не пострадает, пока не разрушится весь цинк. Именно для этого и покрывают железо слоем цинка.

Нагляднее всего можно пронаблюдать гальваническую коррозию на примере контактов железа с цинком и медью в растворе соли. Железные скрепки были надеты на цинковую и медную пластины и погружены в раствор соли.

Через сутки скрепка, соединенная с медной пластиной, покрылась ржавчиной. В то время, как скрепка, бывшая в контакте с цинком, совершенно не пострадала.

Ученые составили электрохимический ряд напряжений металлов. Чем дальше друг от друга отстоят металлы в этом ряду, тем более высокое напряжение дает гальванический элемент, составленный из этих металлов. Так пара золото – литий теоретически может дать электродвижущую силу (ЭДС) 4,72 В. Но такая пара в водной среде работать не сможет – литий это щелочной металл, легко реагирующий с водой, а золото стоит слишком дорого для подобного применения.

На практике элемент Вольта обладает рядом серьёзных недостатков.

1. Во-первых, электролитом ему служит весьма едкая жидкость – раствор серной кислоты. Жидкий электролит всегда представляет собой неудобство или даже опасность. Он может расплескаться, разлиться при повреждении корпуса.
2. Во-вторых, на медном электроде такого элемента будет выделяться водород. Это явление называется поляризацией. По многим свойствам водород весьма близок к металлам, так что его пузырьки создадут дополнительную ЭДС поляризации, стремящейся вызвать ток противоположного направления . Кроме того, пузырьки газа не пропускают электрический ток, что тоже ведет к ослаблению тока. Поэтому приходится периодически встряхивать сосуд, удаляя пузырьки механически, или вводя в состав электролита специальные деполяризаторы.
3. В третьих, в процессе работы гальванического элемента Вольта, цинковый электрод постепенно растворяется. Теоретически, когда гальванический элемент не используют, разрушение цинкового электрода должно прекратиться, но поскольку почти всегда в составе цинка есть примеси других металлов, они при соприкосновении с электролитом играют роль второго электрода, образуя короткозамкнутый элемент, что ведет к гальванической коррозии цинкового электрода . Для того, чтобы устранить этот недостаток, приходится использовать сверхчистый цинк или конструктивно предусматривать возможность извлечения цинкового электрода из электролита. Так что когда батарея не используется, электролит из нее следует сливать.

Но для демонстрационных целей всеми этими недостатками можно пренебречь, если заменить серную кислоту более безопасным электролитом.

Нормативные документы

Учитывая большое количество электроэлементов, для их буквенно-цифровых (далее БО) и условно графических обозначений (УГО) был разработан ряд нормативных документов исключающих разночтение. Ниже представлена таблица, в которой представлены основные стандарты.

Таблица 1. Нормативы графического обозначения отдельных элементов в монтажных и принципиальных электрических схемах.

Читать также: Как пользоваться ультразвуковой ванночкой

Следует учитывать, что элементная база со временем меняется, соответственно вносятся изменения и в нормативные документы, правда это процесс более инертен. Приведем простой пример, УЗО и дифавтоматы широко эксплуатируются в России уже более десятка лет, но единого стандарта по нормам ГОСТ 2.755-87 для этих устройств до сих пор нет, в отличие от автоматических выключателей. Вполне возможно, в ближайшее время это вопрос будет урегулирован. Чтобы быть в курсе подобных нововведений, профессионалы отслеживают изменения в нормативных документах, любителям это делать не обязательно, достаточно знать расшифровку основных обозначений.

Цели гальваники.

Главная цель — получение нужных свойств у изделия. Например, защита от коррозии. Представьте, что на огромной фабрике заржавел и сломался механизм основного двигателя и все процессы остановились. Это миллионы рублей потерь в день. Гораздо проще гальванически защитить от ржавчины все детали механизма и не допускать подобного.

Иногда место того, чтобы изготовить изделие полностью из дорогого металла, экономнее выполнить его из дешевого и покрыть гальваникой. По себестоимости выгодно. Например, таким образом изготавливают медали дял чемионатов.

Далее приведем основные металлы, наносимые в гальванике, и укажем, какие свойства они обеспечивают для изделия:

Цинк (защита от коррозии, улучшение внешнего вида)

Олово (защита от коррозии, улучшение электропроводности, улучшение паяемости, улучшение свинчиваемости резьбовых соединений)

Никель (защита от коррозии, увеличение твердости, увеличение износостойкости, улучшение электропроводности, улучшение паяемости, улучшение внешнего вида)

Медь (применяется как мягкий подслой под другие покрытия, улучшение свинчиваемости, улучшение тепло- и электропроводности)

Хром (защита от коррозии, увеличение твердости, увеличение износостойкости)

Серебро (улучшение электропроводности, улучшение паяемости, улучшение внешнего вида)

Свинец (антифрикционные свойства, улучшение паяемости, защита от кислот)

Кадмий (защита от коррозии в морских условиях)

Оксиды. (увеличение износостойкости, защита от коррозии). Это отдельная группа. О ней чуть позже

Это не полный перечень металлов и их свойств. Подробнее читайте в каталоге статей по гальванике в разделах «Как выбрать покрытие?» и «Где какие покрытия применяются?»

Материалы и оборудование

Гальваническая обработка разных материалов предполагает применение соответствующих «расходников» и оборудования. Для покрытия элементов металлами применяются однотипные гальванические установки. Разница будет лишь в составе применяемого электролитного раствора, его температурных показателях и в режимах работы.

Итак, процедура может производиться с применением следующего оборудования:

• специальные ванны с электролитом, в которые помещается обрабатываемый элемент и аноды;
• источник электротока, который оборудован регулятором напряжения на входе;
• устройство нагрева, которое будет доводить электролит до нужной температуры.

Также требуются анодные пластины, которые будут подавать напряжение к электролиту и распределять его по обрабатываемому элементу.

Следует отметить, что для изготовления электролитов используются опасные соединения, потому их нужно хранить в надежных сосудах.

Любое гальваническое оборудование должно находиться в помещениях с хорошей вентиляцией. Нужно очень внимательно отнестись и к требованиям безопасности. Все мероприятия, связанные с гальванической обработкой, необходимо производить в защитном респираторе и очках, а также в специальной обуви, фартуке и перчатках. Если гальваника осуществляется дома, то следует предварительно изучить соответствующую литературу или посмотреть видеоуроки по данной тематике.

Меднение изделия

Перед началом работ по меднению в домашних условиях нужно подготовить необходимые материалы и оборудование. Надо позаботится об источнике напряжения и постоянного тока. Существует много рекомендаций касательно силы тока, разброс которого может быть большим. Поэтому желательно иметь реостат с возможностью плавной регулировки напряжения и для постепенного завершения процесса. Источником может служить автомобильный аккумулятор или выпрямитель с напряжением на выходе не больше 12 вольт. Для первых опытов будет достаточно обычной батарейки от 4.5 до 9 вольт.

Затем выбирается ёмкость для электролитического раствора, лучше всего из жаропрочного стекла. В любом случае все ёмкости для электролиза должны быть диэлектриками и выдерживать температуру не менее, чем 80 градусов по Цельсию.

В качестве анодов подойдут два больших медных листа. Они должны перекрывать по размеру заготовку. Из химических реактивов потребуются:

• Купорос медный.
• Кислота соляная либо серная.
• Вода дистиллированная.

Меднение в домашних условиях пользуется заслуженной популярностью, поскольку очень хорошо и надежно держится на стальных изделиях. Главное условие — правильно соблюдать технологию процесса.

Имеется два способа нанесения меди на поверхность:

1. Помещение заготовки в раствор электролита.
2. Неконтактный способ. В этом случае изделие не погружается в раствор.

Метод погружения

Подготавливается и обрабатывается поверхность изделия при помощи тонкого наждака и щеточки. После этого деталь моется в проточной воде, обезжиривается и еще раз промывается.

Этапы процесса омеднения следующие:

• Два медных анода подключают в сеть к положительным контактам и размещают их в стеклянную банку.
• К обработанному изделию подводят контакт с отрицательным значением напряжения и свободно подвешивают между анодами.
• Подключают реостат согласно электрической схеме для возможности регулирования силы тока.
• Подготавливается раствор в правильных пропорциях. На 100 г дистиллированной воды надо 20 г медного купороса и 2−3 г соляной кислоты. Вместо соляной кислоты можно использовать другую.
• Раствор выливается в посуду с медными пластинами и деталью таким образом, чтобы они полностью скрылись под поверхностью раствора.
• Подключается источник напряжения. Реостатом добиваются необходимой силы тока из примерного расчета 10−15 миллиампер на каждый квадратный сантиметр площади детали.

Покрытие медью без погружения

Этот метод интересен тем, что его можно использовать для обработки не только стальных предметов, но и сделанных из других материалов. Например, алюминия и цинка. Порядок процесса следующий:

• Из многожильного медного провода изготавливается «кисточка». Конец провода оголяется. Из медных проводков создается подобие кисточки, чтобы затем прикрепить ее к деревянной ручке-держателю.
• Второй конец провода подключается к плюсовому контакту электрической цепи.
• В широкую ёмкость заливается стандартный электролитный раствор из медного купороса и соляной кислоты.
• Предварительно очищенная и промытая металлическая заготовка присоединяется к отрицательному контакту и размещается в пустой ёмкости.
• Импровизированная кисточка окунается в раствор электролита и проводится по поверхности заготовки без контакта. Это действие повторяется до получения результата.

https://youtube.com/watch?v=RVbR6LBkHdA

Обработка алюминия

Часто с помощью медного электролиза обновляют столовые приборы, сделанные из алюминия. Если нет опыта проведения этого процесса, то можно потренироваться нанести медь на алюминиевые пластинки. Порядок проведения процесса:

• Алюминиевую пластинку зачищают и обезжиривают.
• Наносят на неё небольшое количество раствора медного купороса.
• Подсоединяют отрицательную клемму от источника питания к алюминиевой пластинке. Удачным способом соединения является металлический зажим-крокодил.
• Положительный полюс питания подается на медную «щеточку». Это конструкция из медного провода, один конец которого освобожден от оплетки, а медные щетинки образовали кисточку. Зажим от питания присоединяется ко второму концу провода. Сечение провода должно быть от одного до полутора миллиметров.
• Медную щетину обмакивают в раствор сернокислой меди и водят на близком расстоянии от поверхности алюминиевой пластинки. При этом нужно стараться не прикасаться щеточкой к заготовке, чтобы не замкнуть цепь.
• Омеднение происходит буквально на глазах.
• После окончания работы с пластины удаляют остатки не закрепившейся меди и протирают спиртом.

Сфера применения

К производству гальванических элементов выдвигают ряд требований. Корпус батареек должен быть надёжным и герметичным. Электролит не должен вытекать, а также нельзя допускать попадания внутрь устройства посторонних веществ. В некоторых случаях при вытекании жидкости она загорается. Повреждённый элемент нельзя использовать. Габариты у всех батареек практически одинаковы, отличаются только размеры аккумуляторов. Элементы могут иметь разную форму: цилиндрическую, призматическую или дисковую.

Сферы применения батареек многочисленны:

• цифровая техника;
• детские игрушки;
• медицинские приборы;
• оборонная и авиационная промышленность;
• космическое производство.

Что нужно знать о гальванике в домашних условиях

Независимо от того, выполняется гальваника на производстве или же своими руками в домашних условиях, обработка осуществляется в емкости, наполненной токопроводящим раствором. Предмет помещается между двумя растворимыми или нерастворимыми анодами и подключается к отрицательному контакту. Аноды подсоединяются к плюсовому контакту. Оптимальное соотношение площадей катода/анода – 1:1. Процесс гальваники запускается при замыкании электрической сети – с этого момента начинается перенос на отрицательно заряженное изделие (катод) ионов металла. В результате этого на предмете образуется покрытие нужной толщины.

Самодельная батарейка из подручных средств

Батарейка или гальванический элемент – это химический источник электрического тока. Все батарейки, продающиеся в магазинах, по сути, имеют одинаковую конструкцию. В них используются два электрода из разного состава. Основным элементом для отрицательного вывода (анода) солевых и щелочных батареек является цинк, а для их положительного (катода) – марганец. Катод литиевых батареек изготавливается из лития, а для анода используются самые различные материалы.

Между электродами батареек расположен электролит. Состав его различен: для солевых батареек, имеющих самый низкий ресурс, используется хлорид аммония. Для изготовления щелочных батареек применяют гидроксид калия, а в литиевых батарейках используется органический электролит.

https://youtube.com/watch?v=chfVwKF5R1A

При взаимодействии электролита с анодом вблизи него образуется избыток электронов, создающий разность потенциалов между электродами. При замыкании электрической цепи количество электронов за счет химической реакции постоянно пополняется, и батарейка поддерживает протекание тока через нагрузку. При этом материал анода постепенно коррозирует и разрушается. При полной его выработке ресурс батарейки оказывается исчерпан.

Несмотря на то, что состав батареек сбалансирован производителями для обеспечения долгой и стабильной их работы, изготовить элемент питания можно и самому. Рассмотрим несколько способов, как можно сделать батарейку своими руками.

Типы гальванических элементов

Выделяют ряд батареек определенных типов.

Таблица гальванических элементов

Более детальнее эта тема раскрыта в статье виды батареек!

Назначение гальванического элемента

Он предназначен для запуска электрической технике. Это могут быть:

1. Часы.
2. Пульты.
3. Фонарики.
4. Медицинское оборудование.
5. Ноутбуки.
6. Игрушки.
7. Брелки.
8. Телефоны.
9. Лазерные указки.
10. Калькуляторы.

И им подобные окружающие нас вещи.

Химические источники электрического тока

Химические источники тока – это устройства, работа которых обусловлена преобразованием выделяемой при окислительно-восстановительном процессе химической энергии в энергию электрическую.

К преимуществам химических источников тока относится универсальность их применения.

Источником питания многих бытовых устройств, а также приборов, используемых в научных лабораториях или на производстве, являются именно химические источники питания.

Востребованность химических источников тока в обеспечении функционирования аппаратуры связи или портативной электронной аппаратуры заслуживает особого внимания, так как в этом случае они являются незаменимыми.

Химические источники электротока

Конструктивно химические источники тока представляют собой два металлических электрода, разделенных электролитом. Электроды изготавливаются из металла, который является проводником электронов (электронная проводимость), а электролит изготавливается из жидкого или твердого вещества, являющегося проводником ионов (ионная проводимость).

Если для питания, какого либо потребителя, требуется высокое напряжение, то электрические аккумуляторы соединяются последовательно. В случае, когда для электропитания требуется большой ток, электрические аккумуляторы соединяются параллельно и носят название аккумуляторной батареи.

Советуем изучить Литий ионный аккумулятор

Последовательное соединение (согласное включение)

Еобщ = Е1 + Е2 + Е3

Смешанное соединение (встречное)

Еобщ = Е1 – Е2 + Е3

• Параллельное соединение источников питания. ( Такое соединение применяется
• для увеличения тока в цепи. )

Еобщ = Е1 = Е2 = Е3

В зависимости от характера работы различные типы химических источников питания носят название гальванических элементов либо электрических аккумуляторов.

К отличительной особенности химических источников тока, называемых гальваническими элементами, относится возможность одноразового применения, так как их выделяющие электрическую энергию активные вещества подлежат полному распаду в процессе химической реакции. При полном разряде гальванического элемента его дальнейшее применение невозможно.

Особенностью таких химических источников тока, как электрические аккумуляторы, является их многоразовое использование за счет обратимости основных действующих процессов.

Разряженный электрический аккумулятор обладает способностью регенерировать свои дающие электрическую энергию активные вещества за счет процесса пропускания через него постоянного тока, источником которого служит другое устройство.

При заряде электрического аккумулятора постоянный тока другого источника должен протекать в направлении, противоположном разрядному току. Такое условие способствует замене реакции окисления на реакцию восстановления на положительном электроде, и наоборот, на отрицательном электроде реакция окисления заменяется на реакцию восстановления.

К химическим источникам тока предъявляется ряд общих и специальных технических требований. Все требования оговорены в соответствующей нормативной документации.

Общими являются требования: к габаритно-массовым характеристикам; к надежности; к отсутствию вредного влияния на окружающую среду; к безопасному использованию обслуживающим персоналом; к сроку службы; к минимальному саморазряду.

Специальными техническими условиями являются требования к удельным характеристикам, к механической прочности, к температурному диапазону рабочего режима, к невысокому значению внутреннего сопротивления, к работоспособности в любом положении, к удобству в эксплуатации.

Похожие записи:

Как подключить тройной проходной выключатель схема подключения Расчет системы охранного освещения периметра Обзор однофазного электросчетчика меркурий 201 Как снять противотуманную фару на хендай солярис? Установка ходовых огней на форд фокус 2: рестайлинг и дорестайл Обзор однофазного электрического счетчика энергомера се 101