Аккумулятор для детей как работает

Как работает батарейка: строение и состав

Батарейки являются наиболее распространенным источником питания. Современный мир не представляет себя без различной электроники, для них необходима электроэнергия. Не всегда получается применять обычные сетевые источники, для этого и нужны гальванические элементы. Глядя на них наверняка каждый задавался вопросом из чего состоит батарейка и как она работает.

Что такое батарейка

Обыкновенная батарейка представляет собой электрический источник питания на основе химических реакций. При взаимодействии двух металлических электродов в жидком или твердом электролите происходит выработка энергии в результате взаимодействия элементов. Первая батарейка была изобретена более 2000 лет тому назад, при реакции меди и железа в уксусе вырабатывалось напряжение 1 В.

Важно! Одиночные гальванические элементы не подлежат восстановлению заряда.

Разновидности

По форме и размерам согласно мировым стандартам элементы питания разделяются на такие виды:

• АА- пальчиковая;
• ААА- мизинчиковая;
• АААА;
• С- дюймовочка;
• D- бочка;
• квадратная;
• РР3- крона;
• Источники питания миниатюрных размеров.

В настоящее время существует большое количество разнообразных источников питания. Между собой они отличаются материалами, применяемыми для изготовления электродов и электролита. Среди многочисленных батареек выделяют несколько основных видов:

Солевые

Такие гальванические элементы имеют низкую стоимость относительно аналогов, однако имеется один существенный недостаток это низкая внутренняя емкость таких батареек.

Щелочные

Состав батарейки такого вида отличается от своих аналогов применяемым электролитом, в них используется активная щелочь гидроксид калия KOH. Электрод выполнен из двуокиси таких металлов, как цинк и марганец. Нашли широкое применение в современной электронике, на корпусе элементов указывается маркировка «ALKALINE».

Основным плюсом такой батарейки является продолжительный срок службы, в процессе эксплуатации номинальное напряжение понижается с меньшей скоростью. К минусам относят повышенную стоимость.

Серебряные

В качестве электролита применяют КОН, в состав электродов включено серебро. В таких элементах отмечают значительно увеличение срока службы, повышенную энергетическую плотность, постоянное номинальное напряжение, а также полную безвредность. Недостатками являются высокая цена.

Ртутные

В строении таких батареек используется цинк в качестве металла для анода, катод выполняется из ртутного оксида. Электроды разделяются сепаратором пропитанным электролитом. Такой элемент питания способен выполнять функции аккумулятора, однако емкость будет постепенно понижаться с каждым циклом восстановления заряда. При разряде происходит слипание ртути, а при заряде образуются дендриты цинка. Во время эксплуатации не допускается разгерметизация корпуса в связи с повышенной вредностью паров ртути. К преимуществам относят сохранение длительных значений плотности энергии, емкости и напряжения.

Внимание! Ртутные источники питания являются опасными для здоровья человека и окружающей среды.

Литиевые

Данные элементы питания постепенно вытесняют все аналоги. Отрицательные электроды такой батарейки сделаны из лития. В них постоянно совершенствуются основные технические характеристики. К плюсам батареек с литиевым электродом относят увеличение срока хранения, широкий диапазон рабочих температур, повышенная внутренняя емкость. Основным минусом является повышенная стоимость.

Устройство батарейки

Рассмотрим, как устроена батарейка на примере щелочного элемента в разрезе. В качестве материала для отрицательного электрода применяется цинк, он пропитывается щелочным электролитом. Вывод анода на корпус изготавливается в виде стальной тарелки. Положительный электрод производят из никелированной стали.

Для того, чтобы не возникало коротких замыканий необходимо изолировать оболочку. Специальная прокладка удерживает газы, которые образуются в ходе химических реакций, так как их количество незначительно, камера для сбора выполняется малых размеров. В конструкции присутствует предохранительная мембрана, она защищает батарейку от возникновения короткого замыкания. Мембрана прорывается, и излишний электролит вытекает наружу.

Принцип работы батарейки

Любой химический источник питания имеет в своей конструкции положительно и отрицательно заряженные электроды, а также активный электролит. Заряженные частицы электроны перемещаются от минуса к плюсу при подключении нагрузки. Катод выполняет восстановительную функцию, напитываясь зарядом от анода. Жидкий или твердый электролит выполняет функцию проводника для заряженных частиц.

Интересно знать! В результате химических реакций внутри элемента питания происходит необратимое разрушение металлических элементов питания, батарейка теряет свою емкость.

Применение

Различные виды могут применяться по-разному, зависит это от их основных конструктивных свойств и характеристик:

• Элементы питания с твердым электролитом используют в устройствах с малым значением потребляемого тока. Например, часы фонарики с малой мощностью, а также пульты дистанционного управления.
• Щелочные батарейки применяют в электротехнике с повышенным значением тока, к ним можно отнести различные камеры и магнитофоны, а также игрушки с электродвигателем.
• Источники питания с серебряными электродами способны обеспечить электроэнергией в калькуляторах, переносных инструментах и аппаратах для улучшения слуха.
• Литиевые батарейки используют в портативной электронике, где необходимо стабильное значение емкости и потребляемого тока.

Выбор источника питания

Для правильного выбора элементов питания необходимо обратить внимание на следующие факторы:

1. В аппаратах и оборудовании какого вида он будет применяться.
2. Электролит какого состава используется в конструкции.
3. Стоимость батарейки, иногда более выгодно приобрести несколько дешевых, чем один очень дорогой.
4. Каждый элемент питания на корпусе имеет маркировку, по которой можно определить вид и состав источника питания.
5. Необходимо ориентироваться по условиям окружающей среды в процессе эксплуатации.
6. Рекомендуется приобретать источники питания, произведенные сравнительно недавно, так как с течением времени емкость может понижаться.
7. Перед покупкой следует обратить внимание на целостность упаковки и самого корпуса элемента.
8. Батарейка должна конструктивно соответствовать своему посадочному месту в электроприборе.

Правильный выбор и соблюдение требований к безопасной эксплуатации позволит продлить работу любого элемента питания. Для определенных видов техники необходим свой вид батарейки.

Источник

Принцип работы батарейки

Принцип работы батарейки. Как работает батарейка

Весь принцип работы батарейки сводится к химической реакции.

Батарейки в зависимости от “начинки” разделяются на несколько видов.

Солевые конструкции намного дешевле щелочных. Их выпуском занимаются такие фирмы, как «Дюрасел», «Сони», «Тошиба». Они являются потомками марганцево-цинковых конструкций. Их рекомендуют использовать в устройствах с низким уровнем потребления напряжения, таких как часы, электронные весы, пульты управления. Существенным недостатком этих элементов является короткое время работы заряда.При длительном использовании элементы подобного типа начинают течь. При отрицательных температурах солевые конструкции не работают.

Щелочные устройства появились относительно недавно, в 60-х гг. прошлого века. Первыми их начала выпускать фирма «Дюрасел». Данный тип батарей более надежен и имеет большую мощность. При длительном хранении они не теряют свой заряд. На таких элементах всегда присутствует надпись “alkaline”. Их устанавливают в детских игрушках, радио, ночниках, иными словами, в приборах, потребляющих большое количество энергии.

Ртутные не получили широкого распространения. в силу ряда причин. О т их применения пришлось отказаться из-за вещества, за счет которого осуществляется их работа. Ртуть может нанести вред здоровью человека.

Наименее популярны серебряные элементы. В состав их электродов входит серебро. За счет этого увеличивается срок службы, повышается энергетическая плотность и постоянное номинальное напряжение.

Большим минусом является их высокая стоимость. Существенным плюсом – высокая емкость. Они одинаково хорошо работают и при высоких, и при низких температурах. Срок функционирования – достаточно велик по сравнению с другими типами элементов.

Литиевые конструкции объединили в себе все лучшие свойства остальных типов батарей. Их можно эксплуатировать практически в любых условиях, имеется возможность их дальнейшей подзарядки. Они являются самыми надежными элементами. Их рекомендуется использовать в приборах с большим энергопотреблением.

Формы батареек

Дисковые батарейки

Они являются наиболее востребованными. Существует 2 способа их маркировки: американская (менее распространена) и европейская (более привычна). Маркировка помогает точно подобрать необходимый для прибора элемент питания. Дисковые конструкции производят для совсем маленьких по размеру устройств. Показатель напряжения у этого типа – до 3V.

Цилиндрические батарейки

Самые маленькие изделия имеют маркировку – А23. Их называют мини-мизинчиковыми. Следующие, по списку – пальчиковые, их маркировка – АА. Потом следуют мизинчиковые – ААА. Редко для устройства могут понадобиться маленькие мизинчиковые – АААА. Следующие 2 вида практически не используются: средняя – С и большая – D. У цилиндрических устройств показатель напряжения доходит до 6V.

Квадратные батарейки

Самое большое напряжение выдают батарейки, имеющие квадратную форму, – до 9V. Но и этот тип почти не востребован.

На любом элементе питания обязательно указывается вид применяемого электролита.

Размер каждого типа элемента питания может отличаться на 1-2 мм в зависимости от производителя. Причина таких отличий кроется в толщине оболочки, которая используется для защиты от падения и неблагоприятных воздействий окружающей среды. Чаще всего на ней указывается название фирмы-производителя и маркировка.

Брендовые конструкции отличаются высоким качеством и имеют гарантию. На некоторых видах элементов питания есть особая маркировка – «rechargeable». Данная надпись означает, что элемент питания можно зарядить с помощью специального устройства. Дисковые батарейки Дисковые батарейки Среди многообразия батареек, выбрать нужную достаточно сложно. В первую очередь необходимо ориентироваться на прибор, для которого приобретаются элементы питания. Для мощных устройств нет смысла брать щелочные батареи, т.к. их заряд быстро закончится. В этом случае лучшее решение – литиевые. Их срок службы оправдывает высокую стоимость. Кроме того, часто производители приборов в инструкции указывают, какой тип батареек подходит для их техники.

Что происходит с точки зрения химии?

К примеру, в стеклянную емкость нальем раствор серной кислоты и поместим туда стержень, выполненный из цинка. На поверхности данного стержня имеются положительно заряженные ионы. А вокруг этого цинкового объекта, в растворе, скапливаются отрицательные ионы вещества. У раствора имеются силы притяжения, которые с легкостью отрывают ионы цинка. В результате жидкость получает положительный заряд, а цинковая пластина или стержень отрицательный.

Из физики известно, что разность потенциалов равна напряжению. Отсюда и возникает электрический ток. Когда происходит контакт кислотного раствора и металла, на границе образуется электрическое поле. В момент его появления химическая энергия превращается в электрическую. Таков принцип работы батареи.

Через некоторое время ресурс батареи будет истощен. Все зависит от того, где и как используется источник питания. Например, если от него работает фонарик, то при умеренном использовании 2-х батарей на 1,5 вольта каждая, хватит на 1 месяц. Но если вставить эти же самые батарейки в электрическую машинку, она будет работать несколько часов. В результате всего этого можно сделать вывод что чем больше нагрузка, тем быстрее разрядиться батарейка.

Как работает аккумуляторная батарейка, её отличие от обычной

Реакция, протекающая в АКБ, относится к разряду обратимых. Именно возможность протекания обратимой реакции в аккумуляторе позволяет заряжать его.

В АКБ, подключенной к сети, реакция протекает в обратном направлении, и ток идёт от «плюса» к «минусу», а не наоборот. Как результат – продукт реакции образует исходные вещества, а хозяин АКБ получает доступную «восстановленную» энергию в портативном формате.

История обыкновенной батарейки

Слово «батарея», происходящее от французского слова «batterie», давно вошло в русский язык.

Название происходит от артиллерийской батареи, как исторически первого типа батарей. Впоследствии название стало употребляться для обозначения соединения однотипных предметов вообще.

Официальное рождение батареи относят к 1800 г., когда итальянский физик Алессандро Вольта, основываясь на опытах итальянского врача и анатома Луиджи Гальвани, сделал устройство, получившее впоследствии название «вольтов столб». Сложив стопку высотой полметра из пластинок цинка, меди и войлока, смоченного раствором серной кислоты, Вольта, приложив руки к концам стопки, получил весьма чувствительный удар током. Так началась электрическая эра.

Изобретение Алессандро Вольта произвело фурор в обществе, Вольта осыпали почестями и наградами, его именем назвали единицу электрического напряжения. Свою долю славы получил и Луиджи Гальвани. В его честь электрохимический элемент, изобретенный Вольта, называется гальваническим.

Гальванические элементы делятся на два типа – первичные и вторичные.

Все батарейки являются первичными гальваническими элементами.

Вторичные гальванические элементы – элементы, в которых электрическая энергия от внешнего источника тока превращается в химическую энергию и накапливается, а затем, при необходимости, химическая энергия снова превращается в электрическую. Эти вторичные элементы называются аккумуляторами.

Одним из первых гальванических элементов, которым можно было пользоваться вне лабораторий, был изобретен Жоржем Лекланше в 1866 году.

Конструкция имени Лекланше проста — цинковый анод, катод из диоксида марганца с углем, размещенные в электролите из хлорида аммония, т.е. соли аммония.

В течении некоторого времени элемент Лекланше претерпел изменения: цинковый анод стал делаться в виде цинкового стаканчика, в стаканчике размещен катод из смеси диоксида марганца и графита, в центре катода находится угольный стержень, являющийся токосъемником, катод окружен электролитом из хлорида аммония с добавкой хлорида цинка, только не в жидком виде, как у Лекланше, а в загущенном, в виде геля, из-за добавления крахмала и муки. Это необходимо для того, чтобы электролит не мог вытечь или высохнуть при хранении и эксплуатации элемента.

Элементы с загущенным электролитом получили название «сухие батареи».

Одним из всплесков было появление щелочных батарей. Впервые щелочные батарейки выпустила компания Eveready (ныне Energizer) в 1959г. Принцип ее работы практически идентичен принципу работы солевой батареи – анод из цинка, катод из диоксида марганца, единственное отличие в составе электролита – он не из соли аммония, как в солевой, а из раствора щёлочи, обычно гидроксида калия. У щелочной батареи анод в виде пасты из цинкового порошка в смеси с электролитом находится внутри катода из смеси диоксида марганца с графитом.

Анод и катод разделены тонким сепаратором, пропитанным электролитом, и все это располагается в стальном корпусе. Получается, что если у солевого элемента корпус (-), а центральный токоотвод (+), то у щелочного элемента все наоборот, корпус (+), а центральный токоотвод (-).

Такая конструкция, разумеется, сделана не просто так. В солевых элементах при химической реакции расходуются все реагенты, составляющие этот элемент — анод, катод, электролит. А в щелочном элементе при химической реакции расходуется только анод и катод, электролит не расходуется. Поэтому электролита там совсем мало, и освободившееся место электролита заполнено увеличенным количеством анода и катода, что значительно увеличивает электроемкость щелочного элемента.

Форм-фактор распространенных гальванических элементов

Преимущества и недостатки солевых и щелочных элементов

У солевых сейчас осталось только одно преимущество — цена. Технология производства проста, стоимость реагентов и материалов низка, поэтому себестоимость очень маленькая. Но на этом преимущества заканчиваются.

Недостатки:

1. маленькая ёмкость

В среднем ёмкость солевого элемента в 3-5 меньше, чем у щелочного. К тому же это при малой и средней нагрузке, при высокой нагрузке (мощные фонари, фотоаппараты и видеокамеры) разница в ёмкости еще больше увеличивается и достигает 10. Например, солевая батарейка питает маломощный прибор 10 дней, а щелочная 10*3=30 дней.

2. маленький срок хранения

У солевого элемента – 2 года, у щелочного – 7-10 лет. Срок хранения солевой батареи можно увеличить, если держать ее в холодильнике. При низкой температуре химические реакции замедляются. Для щелочных элементов температура хранения некритична

3. узкий температурный диапазон эксплуатации

Солевые батареи вообще не могут работать при отрицательных температурах, а щелочная при -20 °С отдает такую же емкость, как солевая в режиме беспрерывного разряда при комнатной температуре.

В последние несколько лет в продаже появились новый тип элементов — литиевый. Принцип действия похож на принцип солевого и щелочного элемента, но анод изготовлен из лития или его соединения. Из химии известно, что литий имеет наивысший отрицательный потенциал по отношению к остальным металлам. А значит, он имеет наибольшее номинальное напряжение при минимальных размерах.

Другие параметры тоже превосходные – очень большое время хранения (до 15 лет), исключительно малые токи саморазряда и высокая степень герметичности, хранение и работа в широком диапазоне отрицательных и положительных температур.

Советы от опытных пользователей

Не надо стремиться покупать элементы известных фирм, которые на слуху благодаря навязчивой рекламе. Да, высокотехнологичная батарейка может оказаться самой долгоиграющей, но ее цена взлетает в небеса.

На одном сайте был проведен большой тест батареек различных фирм, там посчитали комплексный параметр цена/емкость, и в результате тестов лидером отказалась безымянная батарейка, продающаяся в гипермаркете Ашан, ее ватт мощности оказался самым дешевым, оставив далеко позади именитые фирмы.

Источник