Как работают настенные часы, пульт от телевизора или детская игрушка на радиоуправлении? Большинство людей, не задумываясь, ответят — «от батареек» и будут, в принципе, правы. Но вряд ли кто-то из них сможет рассказать, как именно портативный элемент питания утроен, каким образом он функционирует и без чего весь процесс передачи электрического тока от батарейки к конечному потребителю был бы невозможен. Давайте же восполним этот досадный пробел в знаниях.
Разделы статьи
Что такое батарейка
В батарейках электричество возникает благодаря взаимодействию разных химических веществ. И принцип работы этих изделий легко можно отыскать в учебниках по физике. Все элементы собраны из одних и тех же частей.
Устройство батарейки
Устройство батарейки простое. Различия между разными типами батарей минимальны. В основе каждой конструкции имеются:
- Полюс положительный — анод.
- Полюс отрицательный — катод.
- Электролит.
Как работает батарейка
Сегодня в магазинах можно увидеть большое количество батареек, они различны по некоторым принципам, но схема работы у них одна. У любой батарейки есть положительный полюс (анод–цинк Zn), отрицательный полюс (катод–марганец Mg) и электролит (может быть сухим, жидким). Именно эти составляющие и являются основными элементами батарейки. Электрический ток бежит от анода (+) к катоду (—), но между ними обязательно должна быть нагрузка (лампочка, диод, двигатель или что-то ещё). Если нагрузки не будет (соединить «–» с «+» напрямую), то произойдёт короткое замыкание (К.З.).
Катоды выполняют функцию восстановителя, т.е. принимают электроны от прибывшего анода. Электролит это среда, в которой перемещаются ионы, которые образуются в процессе химической реакции. В процессе работы батарейки постепенно образовываются новые вещества, а электроды постепенно разрушаются — батарейка садится.
Вот и вся работа батарейки, кстати, все процессы, проходящие в гальваническом элементе, необратимы, то есть заряжать батарейки нельзя. Кратко говоря о работе батарейки: анод — нагрузка — катод — электролит.
Электролит изначально изготовляли в жидком виде, но это неудобно, так как при переворачивании батарейки она просто не работала. Из-за этого электролит стали загущать, превращать его в сухой вид.
Принцип работы батарейки
Для того чтобы понять принцип функционирования обычной «пальчиковой» батарейки, необходимо иметь общее представление о её устройстве. Итак, любая батарейка состоит из трёх основных элементов — анода, катода и электролита. При этом последний может иметь фактически любое агрегатное состояние: помещённые в соляной раствор катод и анод, в принципе, так же являются «батарейкой», только в непривычном для рядового обывателя виде.
Интересно! Так называемый «вольтов столб», изобретённый Алессандро Вольта, так же имел все необходимые для производства электротока элементы. Он состоял из уложенных друг на друга цинковых и медных пластин, между которыми в качестве «прослойки» помещалась смоченная в кислоте ткань.
Анод в подобных системах – это главный источник электронов, которые, как мы знаем из школьного курса физики, имеют отрицательный заряд. Отрицательно заряженные частицы притягиваются к положительным, а в качестве «плюса» в данном случае выступает поверхность катода.
Но для возникновения электротока этого мало, ведь электронам нужна ещё и своеобразная «магистраль» — среда, которая поддерживала бы взаимодействие катода и анода. Именно здесь «на сцене» появляется электролит – соль, щёлочь или кислота, способные проводить ток.
Разберём принцип действия на конкретном примере: имеется элемент питания, рассчитанный на 18 вольт. Напряжение между электродами в нём стабильно, пока он не включён в сеть. Как только появляется потребитель (к примеру, обычная лампочка), напряжение начинает постепенно снижаться, от «минусового» электрода к «плюсовому» начнёт течь ток, и в электролите произойдёт химическая реакция, направленная на поддержание разности потенциалов между электродами.
Справка. Чем больше энергии требуется потребителю, тем интенсивнее течёт реакция внутри элемента питания и тем быстрее он выйдет из строя.
Обратная реакция
Все типы батареек и элементов имеют сходный тип химической реакции, происходящей для выработки электроэнергии.
Но в некоторых типах элементов или батарей химические вещества различны, и реакция может быть обратной. Таким образом, элементы могут быть перезаряжены — так же, как литий-ионные аккумуляторы в автомобилях или смартфонах.
Раньше было гораздо дешевле производить неперезаряжаемые элементы, такие как щелочные элементы, поэтому они использовались очень широко.
Но теперь, когда люди осознали, насколько вредно для окружающей среды просто выбрасывать неперезаряжаемые элементы, а поскольку перезаряжаемые элементы становятся дешевле, мы, вероятно, будем использовать неперезаряжаемые элементы все меньше и меньше в будущем.
Типы батареек
- Солевые (угольно-цинковые, марганцево-цинковые) батарейки.
Что это такое солевые батарейки
Солевая батарейка изготавливается из пассивного угля и двуокиси марганца, электролит из хлорида аммония и катод из цинка. В перерывах работы элементы питания могут восстанавливаться, т.е. выравнивать локальные неоднородности в композите электролита, вызванных разрядом. Такой процесс немного продлевает срок службы батарейки.
- Алкалиновые (щёлочные) батарейки
Алкалиновые (щелочные) батарейки что это такое
В отличие от солевых батарей у алкалиновой батарейки химический элемент электролита — щелочной. Щёлочные батарейки (алкалин) имеют продолжительный срок хранения, а в процессе эксплуатации напряжение на электродах меняется гораздо меньше, чем у элементов с солевым раствором.
- Литиевые батарейки — li ion
Литиевые батарейки что это такое
Самые современные. В отличие от щелочных и солевых батареек, в состав катода входит литий (Li – наивысший отрицательный потенциал), в состав анода — различные материалы. Электролит — органический электролит. В связи с такими элементами литиевые батарейки получили большой срок хранения, большую плотность энергии и различную рабочую температуру.
0 комментариев