Гальванические элементы — устройство, принцип работы, виды и основные характеристики

Гальванический элемент — это химический источник электрического тока, в котором происходит непосредственное преобразование химической энергии в электрическую. Поэтому он является первичным источником питания. Внешний вид наиболее распространенных элементов питания приведен на рисунке 1.

Рисунок 1. Внешний вид пальчиковых гальванических элементов

Существуют солевые (сухие), щелочные и литиевые элементы. Гальванические элементы часто называют батарейками, однако это название неверно, т.к. батареей является соединение нескольких одинаковых устройств. Например, при последовательном соединении трех гальванических элементов образуется широко используемая 4,5 вольтовая батарейка.

Принцип действия гальванического элемента основан на взаимодействии двух металлов через электролит, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока. Напряжение зависит от использованных металлов. Некоторые из этих химических источников тока приведены в таблице 1.

Тип источников тока Катод Электролит Анод Напряжение,В

Марганцево-цинковый	MnO2	KOH	Zn	1,56
Марганцево-оловянный	MnO2	KOH	Sn	1,65
Марганцево-магниевый	MnO2	MgBr2	Mg	2,00
Свинцово-цинковый	PbO2	H2SO4	Zn	2,55
Свинцово-кадмиевый	PbO2	H2SO4	Cd	2,42
Свинцово-хлорный	PbO2	HClO4	Pb	1,92
Ртутно-цинковый	HgO	KOH	Zn	1,36
Ртутно-кадмиевый	HgO2	KOH	Cd	1,92
Окисно-ртутно-оловянный	HgO2	KOH	Sn	1,30
Хром-цинковый	K2Cr2O7	H2SO4	Zn	1,8—1,9

В продаже в основном представлены Марганцево-цинковые элементы, которые называют солевыми. Производители батареек обычно не указывают их химический состав.

Это самые дешевые гальванические элементы, которые можно применять только в устройствах с низким потреблением, таких как часы, электронные термометры или пульты дистанционного управления.

На рисунке 2 приведены внешний вид и внутреннее устройство солевого элемента питания.

Рисунок 2. Внешний вид и устройство «сухого» гальванического элемента

Не менее распространенным элементом питания являются щелочные марганцевые батарейки. В продаже их называют алкалиновыми, не утруждая себя переводом названия на русский язык. Внутреннее устройство алкалинового гальванического элемента показано на рисунке 2.

Рисунок 3. Внутреннее и устройство щелочного гальванического элемента

Эти химические источники тока обладают большей емкостью (2…3 A/ч) и они могут обеспечивать больший ток в течение длительного времени.Больший ток стал возможным, т.к.

цинк используется не в виде стакана, а в виде порошка, обладающего большей площадью соприкосновения с электролитом. В качестве электролита применяется гидрооксид калия.

Именно благодаря способности данного вида гальванических элементов в течение длительного времени отдавать значительный ток (до 1 A), наиболее распространен в настоящее время.

Еще одним достаточно распространенным видом гальванических элементов являются литиевые барарейки. Благодаря использованию щелочного металла они обладают высокой разностью потенциалов. Напряжение литиевых элементов равно 3 В. Однако на рынке представлены и 1,5 В литиевые батарейки.

Эти элементы питания обладают наивысшей емкостью на единицу массы и длительным временем хранения. Применяются в основном для питания часов на материнских платах компьютеров и фототехнике. В качестве недостатка можно назвать высокую стоимость.

Внешний вид литиевых батареек приведен на рисунке 4.

Рисунок 4. Внешний вид литиевых элементов питания

Следует отметить, что практически все гальванические элементы способны подзаряжаться от сетевых источников питания. Исключение составляют литиевые батарейки, которые при попытке подзаряда могут взорваться.

Для применения в различных устройствах батарейки были стандартизированы. Наиболее распространенные виды корпусов гальванических элементов приведены в таблице 2.

Тип Номенклатура IEC JIS Советское Размеры, мм Напряжение, В Обиходное название

AAA	R03	286	44,5 × Ø10,5	1,2—1,6	«мизинчиковая», «микропальчиковая»
AA	R6	316	50,5 × Ø14,5	1,2—1,6	«пальчиковая»
С	R14	343	50,0 × Ø26,2	1,2—1,6	«средняя»
D	R20	373	61,5 × Ø34,2	1,2—1,6	«большая»
—	6F22	Крона	48,5 × 26,5 × 17,5	9	«крона»
—	3R12	3336	67 × 62 × 22	4,5	«плоская»

Для крепления батареек внутри корпуса радиоэлектронных устройств в настоящее время предлагаются готовые батарейные отсеки. Применение их позволяет значительно упростить разработку корпуса радиоэлектронного устройства и удешевить его производство. Внешний вид некоторых из них приведен на рисунке 5.

Первый вопрос, который волнует покупателей батареек — это время их работы. Оно зависит от технологии производства гальванического элемента. График типовой зависимости выходного напряжения от технологии производства элемента питания приведен на рисунке 5.

Результаты тестов батареек различных фирм, проведенные на сайте http://www.batteryshowdown.com/ приведены на рисунке 7.

И, наконец, давайте сделаем выводы где какой тип батареек имеет смысл применять, так как при приобретении батареек мы всегда стараемся получить максимум полезного эффекта при минимуме затрат.

Дата последнего обновления файла 15.12.2017

Классификация, устройство и принцип действия

По возможности или невозможности повторного использования химические источники тока делятся на:
1. Гальванический элемент
Гальванический элемент —

химический источник электрического тока, названный в честь Луиджи Гальвани.

Принцип действия гальванического элемента основан на взаимодействии двух металлов через электролит, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока. ЭДС гальванического элемента зависит от материала электродов и состава электролита.

Это первичные ХИТ, которые из-за необратимости протекающих в них реакций, невозможно перезарядить.

Гальванические элементы являются источниками электрической энергии одноразового действия. Реагенты (окислитель и восстановитель) входят непосредственно в состав гальванического элемента и расходуются в процессе его работы. Гальванический элемент характеризуется ЭДС, напряжением, мощностью, емкостью и энергией, отдаваемой во внешнюю цепь, а также сохраняемостью и экологической безопасностью.

ЭДС определяется природой протекающих в гальваническом элементе процессов. Напряжение гальванического элемента U всегда меньше его ЭДС в силу поляризации электродов и потерь сопротивления:

U = Eэ – I(r1–r2) – ΔE,

где Еэ – ЭДС элемента; I – сила тока в режиме работы элемента; r1 и r2 – сопротивление проводников I и II рода внутри гальванического элемента; ΔЕ – поляризация гальванического элемента, складывающаяся из поляризаций его электродов (анода и катода). Поляризация возрастает с увеличением плотности тока (i), определяемой по формуле i = I/S, где S – площадь поперечного сечения электрода, и ростом сопротивления системы.

В процессе работы гальванического элемента его ЭДС и, соответственно, напряжение постепенно снижаются в связи с уменьшением концентрации реагентов и увеличением концентрации продуктов окислительно-восстановительных процессов на электродах (вспомним уравнение Нернста).

Однако чем медленнее снижается напряжение при разряде гальванического элемента, тем больше возможностей его применения на практике. Емкостью элемента называют общее количество электричества Q, которое гальванический элемент способен отдать в процессе работы (при разрядке). Емкость определяется массой запасенных в гальваническом элементе реагентов и степенью их превращения.

При увеличении тока разряда и снижении температуры работы элемента, особенно ниже 00С, степень превращения реагентов и емкость элемента снижаются.

Энергия гальванического элемента равна произведению его емкости на напряжение: ΔН = Q.U. Наибольшей энергией обладают элементы с большим значением ЭДС, малой массой и высокой степенью превращения реагентов.

Сохраняемостью называют продолжительность срока хранения элемента, в течение которого его характеристики остаются в заданных параметрах. С ростом температуры хранения и эксплуатации элемента, его сохраняемость уменьшается.

Состав гальванического элемента
: восстановителями (анодами) в портативных гальванических элементах, как правило, служат цинк Zn, литий Li, магний Mg; окислителями (катодами) – оксиды марганца MnO2, меди CuO, серебра Ag2O, серы SO2, а также соли CuCl2, PbCl2, FeS и кислород О2.
Самым массовым в мире

остается производство марганец–цинковых элементов Mn–Zn, широко применяемых для питания радиоаппаратуры, аппаратов связи, магнитофонов, карманных фонариков и т.п. Конструкция такого гальванического элемента представлена на рисунке

Токообразующими реакциями в этом элементе являются
:
— на аноде
(–): Zn – 2ē → Zn2+ (на практике происходит постепенное растворение цинковой оболочки корпуса элемента);
— на катоде
(+): 2MnO2 + 2NH4+ + 2ē → Mn2O3 + 2NH3 + H2O.
В электролитическом пространстве также идут процессы:
— у анода
Zn2+ + 2NH3 →[Zn(NH3)2]2+;
— у катода
Mn2O3 + H2O → [Mn2O2(OH)2] или 2[MnOOH].
В молекулярном виде химическую сторону работы гальванического элемента можно представить суммарной реакцией:
Zn + 2MnO2 + 2NH4Cl → [Zn(NH3)2]Cl2 + 2[MnOOH].
Схема гальванического элемента:
(–) Zn|Zn(NH3)2]2+||[MnOOH]|MnO2 (С) (+).
ЭДС такой системы составляет Е= 1,25 ÷ 1,50В.

Гальванические элементы с подобным составом реагентов в щелочном электролите (КОН) имеют лучшие выходные характеристики, но они неприменимы в портативных устройствах в силу экологической опасности.

Еще более выгодными характеристиками обладают серебряно-цинковые элементы Ag-Zn, но они чрезвычайно дороги, а значит, экономически неэффективны.

В настоящее время известно более 40 различных типов портативных гальванических элементов, называемых в быту «сухими батарейками».

2. Электрические аккумуляторы

Электрические аккумуляторы (вторичные ХИТ)— перезаряжаемые гальванические элементы, которые с помощью внешнего источника тока (зарядного устройства) можно перезарядить.

Гальванические элементы. Виды и устройство. Работа и особенности

В первых опытах ученых в емкость с кислотой опускали две металлические пластины: медную и цинковую.

Пластины соединяли проводником, после чего на медной пластине появлялись газовые пузырьки, а цинковая пластина стала растворяться. Было доказано, что по проводнику проходит электрический ток.

Это исследование начинал итальянский ученый Гальвани, от него и получили название гальванические элементы.

После этого ученый Вольта разработал цилиндрическую форму этого элемента в виде вертикального столбика, включающего в себя набор колец меди, цинка и сукна, соединенных друг с другом, и пропитанных кислотой. Разработанный Вольтом вертикальный элемент полуметровой высоты вырабатывал напряжение, которое мог почувствовать человек.

Гальванические элементы — это источники электрической энергии, вырабатывающие электрический ток методом химического взаимодействия двух металлов в электролите. Химическая энергия в гальванических элементах преобразуется в электрический ток.

Виды и особенности устройства

Батарейки широко используются для питания разных электронных устройств, приборов, цифровой техники и делятся на три основных вида:

Солевые.
Щелочные.
Литиевые.

Солевые гальванические элементы

Такие батарейки относятся к марганцево-цинковым элементам питания, и являются наиболее применяемыми в настоящее время.

Достоинствами солевых батареек являются:

Приемлемые электрические параметры для многих областей использования.
Удобство применения.
Малая цена ввиду небольших расходов на изготовление.
Простая технология изготовления.
Дешевое и доступное сырье.

Длительное время этот вид батареек является наиболее популярным, благодаря соотношению качества и цены.

Однако в последние годы заводы изготовители уменьшают производство солевых гальванических элементов, и даже отказываются от выпуска, так как требования к источникам питания повышаются производителями электронной техники.

Недостатками солевых батареек являются:

Малый срок хранения, не более 2-х лет.
Резкое падение свойств при снижении температуры.
Резкое уменьшение емкости при повышении рабочего тока до эксплуатационных значений современных потребителей.
Быстрое уменьшение напряжения во время работы.

Солевые гальванические элементы в конце своего разряда могут потечь, что связано с вытеканием электролита из-за увеличения объема положительного электрода, который выдавливает электролит. Активная масса плюсового электрода состоит из диоксида марганца и электролита. Сажа и графит, добавленный в активную смесь, повышают электропроводность активной смеси.

Их доля равна от 8 до 20% в зависимости от марки батарейки. Для увеличения срока работы окислителя активную смесь насыщают электролитом.

Минусовой электрод изготавливают из очищенного цинка, устойчивого к коррозии. В нем остается небольшая доля кадмия или свинца, являющегося ингибиторами коррозии. Раньше в батарейках в качестве электролита использовали хлорид аммония.

Он участвует в реакции образования тока, создает проходимость ионов. Но такой электролит не показал хороших результатов, и его заменили хлоридом цинка с примесями хлорида кальция.

Марганцево-кислые элементы работают дольше, и показывают лучшие результаты при пониженных температурах.

В солевых гальванических элементах отрицательным полюсом является цинковый корпус 7. Плюсовой электрод 6 изготовлен из активной прессованной массы, пропитанной электролитом. По центру этой массы находится угольный стержень 5, обработанный парафином для удержания влаги в электролите.

Верхняя часть стержня закрыта металлическим колпаком. В сепараторе 4 находится густой электролит. В газовую камеру 1 поступают газы, образованные при работе батарейки. Сверху батарейку закрывают прокладкой 3.

Весь гальванический элемент заключают в футляр 2, выполненный из картона или фольги.

Щелочные батарейки

Щелочные элементы питания появились в середине прошлого века. В них в качестве окислителя выступает диоксид марганца, а в качестве восстановителя порошковый цинк.

Это дает возможность увеличить поверхность. Для предохранения от коррозии раньше применялось амальгамирование.

Но после запрета на ртуть используют очищенные цинковые порошки с добавлением других металлов и ингибиторов коррозии.

Активным веществом анода щелочной (алкалиновой) батарейки стал очищенный цинк в виде порошка с добавлением алюминия, индия или свинца. Активная смесь катода включает в себя диоксид марганца, ацетиленовую сажу или графит. Электролит алкалиновых батареек состоит из едкого натра или калия с добавлением оксида цинка.

Порошковый анод позволяет значительно повысить использование активной смеси, в отличие от солевых батареек. Алкалиновые батарейки обладают значительно большей емкостью, чем солевые, при равных габаритных размерах. Они хорошо себя показали в работе на морозе.

Особенностью устройства алкалиновых элементов является порошковый цинк, поэтому вместо цинкового стакана используют стальной корпус для положительного вывода. Активная смесь положительного электрода находится возле внутренней стенки стального корпуса. В алкалиновой батарейке есть возможность разместить больше активной смеси положительного электрода, в отличие от солевой.

В активную смесь вставляется целлофановый сепаратор, смоченный электролитом. По центру батарейки проходит латунный отрицательный электрод. Остальной объем между сепаратором и отрицательным токоотводом заполняется анодной пастой в виде порошкового цинка, пропитанного густым электролитом.

Обычно в качестве электролита используют щелочь, насыщенную специальными соединениями цинка. Это дает возможность предотвратить потребление щелочи в начале работы элемента, и снизить коррозию. Масса щелочных батареек выше солевых из-за стального корпуса и большей плотности активной смеси.

По многим основным параметрам алкалиновые гальванические элементы превосходят солевые элементы. Поэтому в настоящее время увеличивается объем производства щелочных батареек.

Литиевые элементы питания

Литиевые гальванические элементы применяются в различных современных устройствах. Они выпускаются различных типоразмеров и видов.

Существуют литиевые батарейки и литиевые аккумуляторы, имеющие между собой большие отличия. Батарейки имеют в составе твердый органический электролит, в отличие от других видов элементов.

Литиевые элементы используются в местах, где требуются средние и малые токи разряда, стабильное рабочее напряжение.

Литиевый аккумулятор можно перезаряжать определенное количество раз, а батарейки не предназначены для этого, и используются только один раз. Их запрещается вскрывать или перезаряжать.

Основные требования к производству

Надежная герметизация корпуса. Нельзя допускать утечки электролита и проникновения внутрь других веществ из внешней среды. Нарушение герметичности приводит к их возгоранию, так как литий является высоко активным элементом. Гальванические элементы с нарушенной герметичностью не годятся для эксплуатации.
Изготовление должно проходить в герметичных помещениях с аргоновой атмосферой и контролем влажности.

Форма литиевых аккумуляторов бывает цилиндрической, дисковой или призматической.

Габариты практически не отличаются от других видов батареек.

Область использования

Литиевые гальванические элементы обладают более длительным сроком работы, по сравнению с другими элементами. Область применения очень широка:

Космическая промышленность.
Авиационное производство.
Оборонная промышленность.
Детские игрушки.
Медицинская техника.
Компьютеры.
Фото- и видеокамеры.

Преимущества

Широкий интервал рабочих температур.
Компактные размеры и масса.
Длительная эксплуатация.
Стабильные параметры в различных условиях.
Большая емкость.

Недостатки

Возможность внезапного возгорания при несоблюдении правил пользования.
Высокая цена, по сравнению с другими видами батареек.

Принцип работы

Действие гальванических элементов основано на том, что два разных металла в среде электролита взаимодействуют между собой, в результате чего во внешней цепи образуется электрический ток.

Такие химические элементы сегодня называют батарейками. Величина напряжения батарейки зависит от применяемых видов металлов и от числа элементов, находящихся в ней. Все устройство батарейки расположено в металлическом цилиндре. Электроды представляют собой металлические сетки с напылением восстановителя и окислителя.

Батарейки не могут восстанавливать утраченные свойства, так как в них осуществляется прямое преобразование химической энергии окислителя и восстановителя в электрическую. Химические реагенты при функционировании батарейки постепенно расходуются, а электрический ток уменьшается.

Отрицательный вывод батарейки выполнен из цинка или лития, он теряет электроны и является восстановителем. Другой положительный вывод играет роль окислителя, его изготавливают из оксида магния или солей металлов.

Состав электролита в обычных условиях не пропускает через себя электрический ток. При замыкании электрической цепи начинается распад электролита на ионы, что обуславливает появление его электрической проводимости.

Электролит состоит чаще всего из раствора кислоты или солей натрия и калия.

Гальванический элемент

Схема гальванического элемента Даниэля-Якоби
Обозначение гальванического элемента на принципиальных электрических схемах

Гальвани́ческий элеме́нт — химический источник электрического тока, основанный на взаимодействии двух металлов и/или их оксидов в электролите, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока. Назван в честь Луиджи Гальвани. Переход химической энергии в электрическую энергию происходит в гальванических элементах.

История изучения гальванических процессов

Луиджи Гальвани

Явление возникновения электрического тока при контакте разных металлов было открыто итальянским физиологом, профессором медицины Болонского университета (г. Болонья, Италия) — Луиджи Гальвани в 1786 году: Гальвани описал процесс сокращения мышц задних лапок свежепрепарированной лягушки, закреплённых на медных крючках, при прикосновении стального скальпеля. Наблюдения были истолкованы первооткрывателем как проявление «животного электричества».

Итальянский физик и химик Алессандро Вольта, заинтересовавшись опытами Гальвани, увидел совершенно новое явление — создание потока электрических зарядов. Проверяя точку зрения Гальвани, А. Вольта проделал серию опытов и пришёл к выводу, что причиной сокращения мышц служит не «животное электричество», а наличие цепи из разных проводников в жидкости. В подтверждение — А.

Вольта заменил лапку лягушки изобретённым им электрометром и повторил все действия.
В 1800 году А.

Вольта впервые публично заявляет о своих открытиях на заседании Лондонского королевского общества, что проводник второго класса (жидкий) находится в середине и соприкасается с двумя проводниками первого класса из двух различных металлов… Вследствие этого возникает электрический ток того или иного направления.

В 1802 году русский физик Василий Владимирович Петров сконструировал самую большую в мире гальваническую батарею, состоявшую из 4200 медных и цинковых кружков диаметром около 35 миллиметров и толщиной около 2,5 миллиметра, между которыми были размещены бумажные, пропитанные раствором нашатыря.

Именно Петровым впервые была применена изоляция (с помощью сургуча). Вся конструкция была помещена в ящик из твердой древесины красного дерева, покрытый изолирующим слоем из различных смол[1]. По современным оценкам батарея Петрова давала напряжение около 1500В.

[2] Русский учёный исследовал свойства этой батареи как источника тока и показал, что действие её основано на химических процессах между металлами и электролитом. М. А. Шателен отмечал, что опыты Петрова можно считать исследованиями, положившими начало современной электрометаллургии в дуговых печах.

[3] Построенную им батарею Петров использовал для построения электрической дуги. Результаты его работы были подробно изложены в труде «Известия о гальвани-вольтовских опытах»,[4] увидевшем свет в 1803 году.[5][6]

Виды электродов

В состав гальванического элемента входят электроды.
Электроды бывают:

Обратимые электроды

Электроды 1-го рода — электроды, состоящие из металла, погружённого в раствор его соли;
Электроды 2-го рода — электрод, состоящий из металла, покрытого труднорастворимой солью этого же металла, погружённый в раствор соли, который содержит общий анион с нерастворимой солью (хлорсеребряный электрод, каломельный электрод, металл-оксидные электроды);
Электроды 3-го рода — электроды, состоящие из двух нерастворимых осадков электролитов: в менее растворимом есть катион, который образуется из металла электрода, а в более растворимом — есть общий анион с первым осадком;
Газовые электроды — электроды, состоящие из неактивного металла в растворе и газа (кислородный электрод, водородный электрод);
Амальгамные электроды — электроды, состоящие из раствора металла в ртути;
Окислительно-восстановительные электроды — электроды, состоящие из неактивного металла (ферри-ферро-электрод, хингидронный электрод).

Ионоселективные мембранные электроды

Электроды с ионообменной мембраной с фиксированными зарядами — стеклянный электрод;
Электроды, состоящие из жидких ассоциированных ионитов;
Электроды с мембраной на основе мембраноактивных комплексонов;
Электроды с моно- и поликристаллической мембранами.

Характеристики гальванических элементов

Гальванические элементы характеризуются электродвижущей силой (ЭДС), ёмкостью; энергией, которую он может отдать во внешнюю цепь; сохраняемостью.

Электродвижущая сила (ЭДС) гальванического элемента зависит от материала электродов и состава электролита. ЭДС описывается термодинамическими функциями протекающих электрохимических процессов в виде уравнения Нернста.
Электрическая ёмкость элемента — это количество электричества, которое источник тока отдаёт при разряде. Ёмкость зависит от массы реагентов, запасённых в источнике, и степени их превращения; снижается с понижением температуры или увеличением разрядного тока.
Энергия гальванического элемента численно равна произведению его ёмкости на напряжение. С увеличением количества вещества реагентов в элементе и до определённого предела, с увеличением температуры, энергия возрастает. Энергию уменьшает увеличение разрядного тока.
Сохраняемость — это срок хранения элемента, в течение которого его характеристики остаются в заданных пределах. Сохраняемость элемента уменьшается с ростом температуры хранения.

Классификация гальванических элементов

Использованные источники питания различных типов и размеров

Гальванические первичные элементы — это устройства для прямого преобразования химической энергии, заключенных в них реагентов (окислителя и восстановителя), в электрическую. Реагенты, входящие в состав источника, расходуются в процессе его работы, и действие прекращается после расхода реагентов. Примером гальванического элемента является элемент Даниэля—Якоби.

Широкое распространение получили марганцево-цинковые элементы, не содержащие жидкого раствора электролита (сухие элементы, батарейки).

Так, в солевых элементах Лекланше: цинковый электрод служит катодом, электрод из смеси диоксида марганца с графитом служит анодом, графит служит токоотводом.

Электролитом является паста из раствора хлорида аммония с добавкой муки или крахмала в качестве загустителя.

Щелочные марганцево-цинковые элементы, в которых в качестве электролита используется паста на основе гидроксида калия, обладают целым рядом преимуществ (в частности, существенно большей ёмкостью, лучшей работой при низких температурах и при больших токах нагрузки).

Солевые и щелочные элементы широко применяются для питания радиоаппаратуры и различных электронных устройств.

Литий-ионный аккумулятор сотового телефона

Вторичные источники тока (аккумуляторы) — это устройства, в которых электрическая энергия внешнего источника тока превращается в химическую энергию и накапливается, а химическая — снова превращается в электрическую.

Одним из наиболее распространённых аккумуляторов является свинцовый (или кислотный). Электролитом является 25—30 % раствор серной кислоты. Электродами кислотного аккумулятора являются свинцовые решётки, заполненные оксидом свинца, который при взаимодействии с электролитом превращается в сульфат свинца (II) — PbSO4.

Также существуют щелочные аккумуляторы: наибольшее применение получили никель-кадмиевые и никель-металлгидридные аккумуляторы, в которых электролитом служит гидроксид калия (K-OH).

В различных электронных устройствах (мобильные телефоны, планшеты, ноутбуки), в основном, применяются литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы, характеризующиеся высокой ёмкостью и отсутствием эффекта памяти.

Электрохимические генераторы (топливные элементы) — это элементы, в которых происходит превращение химической энергии в электрическую. Окислитель и восстановитель хранятся вне элемента, в процессе работы непрерывно и раздельно подаются к электродам. В процессе работы топливного элемента электроды не расходуются.

Восстановителем является водород (H2), метанол (CH3OH), метан (CH4); в жидком или газообразном состоянии. Окислителем обычно является кислород — из воздуха или чистый.
В кислородно-водородном топливном элементе с щелочным электролитом, происходит превращение химической энергии в электрическую.

Энергоустановки применяются на космических кораблях: они обеспечивают энергией космический корабль и космонавтов.

Применение

Гальванические элементы используются в системе сигнализации, фонарях, часах, калькуляторах, аудиосистемах, игрушках, радио, автооборудовании, пультах дистанционного управления, компьютерах.
Аккумуляторы используются для запуска двигателей машин; возможно так же и применение в качестве временных источников электроэнергии в местах, удалённых от населенных пунктов.
Топливные элементы применяются в производстве электрической энергии (на электрических станциях), аварийных источниках энергии, автономном электроснабжении, транспорте, бортовом питании, мобильных устройствах.

Нередко, химические источники тока применяются в составе батарей (батареек).

См. также

Топливные элементы
Электрохимия
Электрический аккумулятор
Химический источник тока
Типоразмеры гальванических элементов
Воздушно-цинковый элемент
Тионилхлорид#Литийтионилхлоридные_батарейки

Примечания

↑ Бастион. Батарея Василия Петрова (неопр.). «Бастион». Дата обращения 9 февраля 2019.
↑ Батарея Василия Петрова (неопр.). www.powerinfo.ru. Дата обращения 9 февраля 2019.
↑ Шателен М. А. Русские электротехники второй половины XIX века.

— Москва: Издательство и типография Госэнергоиздата, 1949. — С. 49. — 380 с.
↑ Петров В. В. ИЗВѢСТІЕ о гальвани-вольтовскихъ опытахъ, которые производилъ профессоръ физики Василій Петровъ. — Санкт-Петербургъ: Типографія Государственной Медицинской Коллегіи, 1803.
↑ Физик Василий Владимирович Петров: биография, открытия, изобретения (рус.). Электрознаток (28 июня 2017). Дата обращения 9 февраля 2019.
↑ «Огромная наипаче» батарея Василия Петрова. Мир электричества (неопр.) (недоступная ссылка). librolife.ru. Дата обращения 9 февраля 2019.

Архивировано 9 февраля 2019 года.

Литература

Ахметов Н. С. Общая и неорганическая химия
Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания.
Еремин В. В., Каргов С. И., Успенская И. А., Кузменко Н. Е., Лунин В. В. Основы физической химии. Теория и задачи: учебное пособие для вузов

Ссылки

Гальванические элементы и батареи // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
dic.academic.ru/dic.nsf/enc_tech/268
Химические источники тока // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
www.xumuk.ru/encyklopedia/914.html

В этой статье или разделе имеется список источников или внешних ссылок, но источники отдельных утверждений остаются неясными из-за отсутствия сносок.Утверждения, не подкреплённые источниками, могут быть поставлены под сомнение и удалены. Вы можете улучшить статью, внеся более точные указания на источники.

Некоторые внешние ссылки в этой статье ведут на сайты, занесённые в спам-лист.Эти сайты могут нарушать авторские права, быть признаны неавторитетными источниками или по другим причинам быть запрещены в Википедии. Редакторам следует заменить такие ссылки ссылками на соответствующие правилам сайты или библиографическими ссылками на печатные источники либо удалить их (возможно, вместе с подтверждаемым ими содержимым).
Список проблемных ссылок

dic.academic.ru/dic.nsf/enc_tech/268
www.xumuk.ru/encyklopedia/914.html

8.2. Устройство и принцип действия гальванических элементов

Гальванический
элемент (ГЭ)
— это устройство для превращения
химической энергии в электрическую. ГЭ
состоит из двух электродов (полуэлементов).
Простейший полуэлемент состоит из
металлической пластинки, опущенной в
раствор своей соли. Более
активный металл называется анодом.

На его поверхности протекает процесс
окисления. При работе ГЭ анод заряжается
отрицательно. На
менее активном металле, называемом
катодом,
протекает процесс восстановления. При
работе гальванического элемента катод
заряжается положительно. На рис.

15
представлена схема медно-цинкового
гальванического элемента Якоби-Даниеля.

Рисунок
15. —
Медно-цинковый элемент Якоби-Даниеля

Медный и цинковый
электроды соединены металлическим
проводником, образующим внешнюю цепь
гальванического элемента.

Растворы
солей CuSO4
и ZnSO4
соединены между собой солевым мостиком,
образующим внутреннюю цепь гальванического
элемента. Солевой мо

png» width=»132″>стик
(электролитический ключ)—
это стеклянная трубка, заполненная
раствором электролита.

Цинковый электрод
является анодом; на нем протекает процесс
окисления:
Zn0
– 2e-Zn2+.
Катионы Zn2+
переходят в раствор, вследствие чего
раствор приобретает положительный
заряд, а электрод – отрицательный.

Медный электрод
является катодом; на нем протекает
процесс восстановления:

Cu
2+
+ 2e-Cu0.

Катионы Cu2+
принимают электроны, поступающие из
внешней цепи, восстанавливаются и
осаждаются на медном электроде. В
результате раствор приобретает
отрицательный заряд, а электрод –
положительный.

Схема медно-цинкового
гальванического элемента записывается
следующим образом:
(-)
Zn
/ Zn2+
// Cu2+/
Cu
(+),
где /
обозначает поверхность раздела
металл-раствор, а также ОВ потенциал
(электродный потенциал), возникающий
на поверхности электрода вследствие
того, что металл и раствор имеют
разноименные заряды;
// обозначают
границу раздела двух растворов, а так
же диффузионный потенциал, возникающий
из-за их разноименных зарядов.
Суммируя уравнения
окислительно-восстановительных
полуреакций, получаем уравнение суммарной
токообразующей реакции:
Катод: Zn0
– 2e-
Zn2+ 1
Анод: Cu
2+
+ 2e-Cu0 1
Zn0
+ Cu2+Zn2+
+ Cu0
Эдс
гальванического элемента рассчитывают
как разность окислительно-восстановительных
потенциалов катода и анода:
Е=φ(катод)
– φ(анод).

Помимо
окислительно-восстановительных и
диффузионных потенциалов, возникновение
электрического тока в гальваническом
элементе происходит за счет мембранных
потенциалов, возникновение которых
обусловлено неравномерным распределением
заряженных частиц (например, ионов) по
обе стороны мембраны. Именно такое
распределение ионов характерно для
клеток человека (таблица 6).

Таблица
6 — Ионный состав нервной клетки

Ионы	Внутренняя среда	Внешняя среда
К+	400 ммоль/л	20 ммоль/л
Na+	50 ммоль/л	440 ммоль/л
Cl‾	120 ммоль/л	550 ммоль/л

Для каждого
проникающего иона мембранный потенциал
рассчитывается по уравнению Нернста:

где
[X] внешн.
среда и [x]
внутр. среда —
это концентрации иона во внешней и
внутренней средах соответственно,
моль/л;

n
— заряд иона.

Мембранные
потенциалы клеток называют биопотенциалами.
Метод регистрации
биопотенциалов используется при
исследовании деятельности различных
органов, например, при диагностике
сердечных заболеваний (электрокардиография).
Регистрация биопотенциалов мозга
(электроэнцефалограмма) в ряде случаев
позволяет судить о патологических
нарушениях центральной нервной системы.

Классификация
гальванических элементов по устройству

Различают три типа
гальванических элементов: химические,
концентрационные и топливные.

Химические
гальванические элементы состоят из
различных электродов. Примером является
медно-цинковый элемент Якоби-Даниеля.
Концентрационные элементы состоят из
одинаковых электродов и отличаются
только концентрацией электролитов них:

(–) Zn
/ ZnSO4
aq
// ZnSO4
aq
/ Zn
(+)
СМ(1) СМ(2)
В топливных
элементах энергия, выделяющаяся при
горении топлива, превращается в
электрическую энергию:
С3Н8
+ 5 О2
→ 3 СО2
+ 4 Н2О.
Классификация
гальванических элементов по назначению
Различают элементы,
используемые как химические источники
тока, и элементы, применяемые для
потенциометрических методов анализа.

Статьи из Большой Советской энциклопедии, БСЭИсточники тока

Источники тока, устройства, преобразующие различные виды энергии в электрическую. По виду преобразуемой энергии И. т. условно можно разделить на химические и физические. Сведения о первых химических И. т. (гальванических элементах и аккумуляторах) относятся к 19 в. (например, батарея Вольта, элемент Лекланше). Однако вплоть до 40-х гг.

20 в. в мире было разработано и реализовано в конструкциях не более 5 типов гальванических пар. С середины 40-х гг. вследствие развития радиоэлектроники и широкого использования автономных И. т. создано ещё около 25 типов гальванических пар. Теоретически в И. т.

может быть реализована свободная энергия химических реакции практически любого окислителя и восстановителя, а следовательно, возможна реализация несколько тысяч гальванических пар. Принципы работы большинства физических И. т. были известны уже в 19 в.

В дальнейшем вследствие быстрого развития и совершенствования турбогенераторы и гидрогенераторы стали основными промышленными источниками электроэнергии. Физические И. т., основанные на других принципах, получили промышленное развитие лишь в 50—60-х гг. 20 в.

, что обусловлено возросшими и достаточно специфическими требованиями современной техники. В 60-х гг. технически развитые страны уже имели промышленные образцы термогенераторов, термоэмиссионных генераторов (СССР, ФРГ, США), атомных батарей (Франция, США, СССР).

Технический прогресс, проникновение электротехники и электроники на транспорт, в быт, медицину и т. д. стимулировали разработку автономных источников электропитания, среди которых химические И. т.

в количественном отношении заняли видное место, став продукцией массового потребления. Переносные осветительные приборы, магнитофоны и радиоприёмники, телевизоры и переносная медицинская аппаратура, средства ж.-д.

транспорта, автомобили, тракторы, самолёты, искусственные спутники, космические корабли, средства связи и многое другое оснащены малогабаритными И. т.

Теория И. т. предусматривает исследование всех стадий процесса генерирования электрического тока на основе современных представлений о физике твёрдого тела, жидкости и газа, о процессах переноса зарядов и электрохимических реакциях. Теория И. т.

изучает также вопросы оптимизации, включающие как выбор исходных параметров, обеспечивающих оптимальные выходные характеристики И. т., так и разработку методов прогнозирования характеристик будущих И. т. К важнейшим характеристикам И. т. относятся: кпд, энергоёмкость (или удельная энергоёмкость), мощность (или удельная мощность, отнесённая к единице массы, объёма и т. д.

), срок службы, качество генерируемой электроэнергии (частота, напряжение, способность к перегрузкам, стоимость, надёжность).

Химическими источниками тока принято называть устройства, вырабатывающие электрический ток за счёт энергии окислительно-восстановительных реакций химических реагентов. В соответствии с эксплуатационной схемой и способностью отдавать энергию в электрическую сеть химические И. т.

подразделяются на первичные, вторичные и резервные, а также электрохимические генераторы. Первичные И. т. (гальванические элементы и батареи) допускают, как правило, однократное использование энергии химических реагентов.

Отдельные конструкции гальванических элементов и батарей разрешают кратковременное повторное использование энергии реагентов после электрической подзарядки.

Положительный (катод) и отрицательный (анод) электроды, разделённые электролитом в жидком или пастообразном состоянии или же пористой мембраной-сепаратором с поглощённым в ней электролитом, электрически связаны (гальваническая связь) в течение всего срока службы И. т.

Вторичные И. т. (отдельные аккумуляторы и аккумуляторные батареи) допускают многократное (сотни и тысячи заряд-разрядных циклов) использование энергии составляющих химических реагентов.

Электроды и электролит весь срок службы аккумуляторов находятся в электрическом контакте друг с другом. Для увеличения ресурса аккумуляторов в некоторых специфических условиях эксплуатации разработаны способы сухозаряженного хранения аккумуляторов.

Такие аккумуляторы перед включением предварительно заливают электролитом.

Резервные И. т. допускают только однократное использование энергии химических реагентов. В отличие от гальванических элементов и аккумуляторов, в резервных И. т. электролит при хранении никогда гальванически не связан с электродами.

Он хранится в жидком состоянии (в стеклянных, пластмассовых или металлических ампулах) либо в твёрдом (но неэлектропроводном) состоянии в межэлектродных зазорах. При подготовке к работе резервных И. т.

ампулы разрушают сжатым воздухом, взрывом, а кристаллы твёрдого электролита расплавляют с помощью электрического или пиротехнического разогрева. Резервные И. т.

применяют для питания электрической аппаратуры, которая долгое время может (вынуждена) находиться в резервном (неработающем) состоянии. Срок хранения современных резервных И. т. превышает 10—15 лет.

Электрохимические генераторы (топливные элементы) представляют собой разновидность химических И. т. Электрохимические генераторы способны длительное время непрерывно генерировать электрический ток в результате преобразования энергии химических реагентов (газообразных или жидких), поступающих в генератор извне.

К 1970 в США и СССР были созданы промышленные образцы электрохимических генераторов. Ведутся интенсивные работы по созданию электрохимических генераторов для космических объектов, электромобилей, стационарных установок и т. д.

Разрабатываются разновидности электрохимических генераторов (высоко-, средне- и низкотемпературные, на газообразных, жидких и твёрдых реагентах и т. д.), из которых наиболее перспективны генераторы, непосредственно преобразующие энергию природного топлива в электрическую.

(Подробнее о химических И. т. см. в ст. Химические источники тока.)

Физическими источниками тока называют устройства, преобразующие тепловую, механическую, электромагнитную энергию, а также энергию радиационного излучения и ядерного распада в электрическую.

В соответствии с наиболее часто употребляемой классификацией к физическим И. т.

относят: электромашинные генераторы, термоэлектрические генераторы, термоэмиссионные преобразователи, МГД-генераторы, а также генераторы, преобразующие энергию солнечного излучения и атомного распада.

Электромашинные генераторы, преобразующие механическую энергию в электрическую, — наиболее распространённый вид источников электрической энергии, основа современной энергетики.

Они могут быть классифицированы по мощности (от долей вт до сотен Мвт), по назначению и особенностям эксплуатации (стационарные, транспортные, резервные и т. д.), по роду первичного двигателя (дизель-генераторы, турбо- и гидрогенераторы), по рабочему телу (пар, вода, газ) и т. д.

Благодаря длительному периоду теоретического, конструктивного и технологического совершенствования характеристики этого типа И. т. достигли значений, близких к предельным (см. Генератор электромашинный).

Работа термоэлектрического генератора (ТЭГ) основана на использовании Зеебека эффекта. Рабочим материалом в ТЭГ служат различные полупроводниковые соединения кремния, германия и т. п. (как правило, твёрдые растворы).

Кпд ТЭГ от 3 до 15% в диапазоне температур от 100 до 1000°C. Исследования ТЭГ ведутся в СССР, США, Франции и др.

Области возможного применения ТЭГ: автономные источники питания (на транспорте, в технике связи, медицине), антикоррозионная защита (на магистральных трубопроводах) и др. (см. Термоэлектрический генератор).

Принцип работы термоэмиссионного преобразователя (ТЭП) основан на использовании термоэмиссионного эффекта (испускание электронов поверхностью нагретого металла). Термоэмиссионный поток электронов зависит главным образом от температуры и свойств поверхности материала.

Кпд отдельных лабораторных образцов ТЭП достигает 30%, а действующих энергетических установок 15% (при электрической мощности, снимаемой с единицы поверхности катода, — 30 вт/см2). Наиболее перспективно применение ТЭП в качестве автономных источников электроэнергии большой мощности (до 100 квт).

Работы по ТЭП ведутся в СССР, США, ФРГ, Франции и др. (см. Термоэмиссионный преобразователь энергии).

Принцип действия И. т., преобразующих энергию солнечного излучения, основан на использовании внутреннего фотоэффекта (см. Фотоэлектрические явления). Фотоэлектрический генератор (солнечная батарея) представляет собой совокупность вентильных фотоэлементов, преобразующих энергию солнечного излучения в электрическую.

Практически прямое преобразование энергии солнечного излучения стало возможно лишь после создания в 1953 высокоэффективного фотоэлемента из монокристаллического кремния. Лучшие образцы кремниевых фотоэлементов имеют кпд около 15%; срок службы их практически неограничен.

Солнечные батареи применяются главным образом в космической технике, где они занимают доминирующее положение как источники энергии на искусственных спутниках Земли, орбитальных станциях и космических кораблях, а также для снабжения электроэнергией удалённых от линии электропередачи районов с большим числом солнечных дней в году, например в Туркменской ССР, Индии, Пакистане (см. Гелиотехника).

И. т., преобразующие энергию атомного распада (атомные батареи), используют кинетическую энергию электронов, образующихся при b-распаде. Эти И. т.

находились к 1971 в стадии разработки, и их практическое использование требует решения многих конструкторских и технологических задач.

Кпд атомных батарей невысок (до 1%), а область применения может быть определена лишь после накопления достаточного опыта их использования.

Лит. см. при статьях с описанием конкретных типов источников тока.

Н. С. Лидоренко.

Оглавление