Рис 3.12.Внутреннее устройство сухого элемента
Элемент этого типа не является в действительности сухим. В качестве электролита он содержит влажную пасту. Уплотнитель предотвращает вытекание пасты при наклоне и переворачивании элемента. Электролитом сухого элемента является раствор хлорида аммония и двуокиси марганца. Электролит растворяет цинковый электрод (корпус элемента), оставляя в цинке избыток электронов. По мере протекания тока через элемент, цинк, хлористый аммоний и двуокись марганца разлагаются на воду, двуокись марганца, аммоний и хлористый цинк.
Угольный стержень (центральный электрод) отдает электроны, которые собираются на цинковом электроде. Элементы этого типа, названные элементами Лекланше, имеют напряжение не более 1,75-1,8 вольт, когда они свежие.
Элемент Лекланше общего назначения имеет плотность энергии примерно 66 ватт-часов на килограмм. По мере использования элемента химическая активность уменьшается, и в конце концов ток прекращается. Если элемент долго не использовался, электролитическая паста высыхает, срок его хранения около двух лет. Выходное напряжение элементов этого типа полностью определяется материалами, используемыми для электролита и электродов. Элементы типа АА, типа С, типа D и сухой элемент № 6 (рис. 3-13) сконструированы из одинаковых материалов и, следовательно, имеют одинаковое напряжение.
Рис 3-13.Примеры широко используемых сухих элементов
Необходимо заметить, что хотя элемент Лекланше часто относят к угольно-цинковым элементам, уголь не принимает участие в химической реакции, производящей электричество.
Щелочные элементы получили свое название потому, что в них в качестве электролита используется гидроокись калия (КОН). Внешне щелочные элементы очень похожи на угольно-цинковые. Однако внутреннее устройство щелочного элемента значительно отличается (рис. 3-14).
Рис. 3-14.Внутреннее устройство щелочных элементов. Катод окружает анод.
Щелочные элементы имеют напряжение при разомкнутой цепи примерно 1,52 вольта и плотность энергии около 40 ватт-часов на килограмм. Щелочные элементы могут использоваться в более широком диапазоне температур, чем угольно-цинковые. Щелочные элементы лучше работают при умеренных и высоких токах и сохраняют работоспособность более длительное время.
Литиевые элементы (рис. 3-15) имеют более высокие эксплуатационные свойства благодаря литию.
Рис. 3-15.Литиевые элементы обладают исключительно высокой плотностью энергии.
Литий сильно взаимодействует с водой. Конструкция литиевого элемента использует литий, двуокись марганца (МnO2) и перхлорат лития (LiClO4) в органическом растворителе (вода не может быть использована). Выходное напряжение литиевого элемента примерно 3 вольта. Литиевые элементы являются очень эффективными с плотностью энергии около 200 ватт-часов на килограмм. Наибольшее преимущество литиевых элементов в их исключительно долгом сроке хранения - от 5 до 10 лет.
Вторичные элементы - это элементы, которые можно подзаряжать приложением обратного напряжения. Примером является кислотно-свинцовая батарея, используемая в автомобилях (рис. 3-16).
Рис. 3-16. Пример вторичного элемента (в разрезе).
Она изготовлена из шести 12-вольтовых вторичных элементов, соединенных последовательно. Каждый элемент имеет положительный электрод из двуокиси свинца (РЬО2) и отрицательный электрод из пористого свинца (РЬ). Электроды разделены пластиком или резиной и погружены в раствор электролита, состоящего из серной кислоты (H2SO4) и дистиллированной воды (Н20). Когда элемент разряжен, серная кислота взаимодействует с окисью свинца и пористым свинцом, превращая их в сульфат свинца, а электролит в воду. При перезарядке элемента применяется источник постоянного тока с напряжением большим, чем вырабатывает элемент. При протекании тока через элемент электроды превращаются опять в двуокись свинца и пористый свинец, а электролит опять превращается в серную кислоту и воду. Элементы этого типа также называются жидкостными элементами.
Другой тип вторичных элементов - никель-кадмиевые (NiCd) элементы (рис. 3-17).
Рис. 3-17.Никель-кадмиевая батарея (NiCd) в качестве другого примера вторичного элемента.
Это сухой элемент, который сохраняет свой заряд длительное время и может многократно перезаряжаться. Элемент состоит из положительного и отрицательного электродов, разделителя, электролита и корпуса. Электроды состоят из порошкообразного никеля, нанесенного на экран из никелевой проволоки, пропитанной раствором соли никеля для положительного электрода и раствором соли кадмия для отрицательного электрода. Разделитель сделан из поглощающего изолирующего материала.
Электролитом является гидроокись калия. Корпус изготавливается из стали и плотно закрывается. Типичное напряжение элементов этого типа 1,2 вольта.
Способность батареи непрерывно вырабатывать электроэнергию выражается в ампер-часах. Батарея в 100 ампер-часов может выдавать ток в 1 ампер в течение 1 часа (100 x 1 = 100 ампер·часов), либо 10 ампер в течение 10 часов (10 x 10 = 100 ампер-часов), либо 1 ампер в течение 100 часов (1 x 100 = 100 ампер·часов).
3–2. Вопросы
1. Из каких компонентов состоит элемент?
2. Каковы два основных типа элементов?
3. В чем главное отличие двух основных типов элементов?
4. Приведите примеры первичных элементов.
5. Приведите примеры вторичных элементов.
3-3. СОЕДИНЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ И БАТАРЕЙ
Элементы и батареи могут быть соединены вместе для увеличения напряжения и/или тока. Они могут быть соединены последовательно, параллельно или последовательно-параллельно.
При последовательном соединении элементы или батареи могут быть соединены либо в последовательно-дополняющей либо в последовательно-препятствующей конфигурации. В последовательно-дополняющей конфигурации положительный электрод первого элемента соединяется с отрицательным электродом второго элемента; положительный электрод второго элемента соединяется с отрицательным электродом третьего элемента и так далее (рис. 3-18).
Рис. 3-18.Элементы или батареи могут быть соединены последовательно для увеличения напряжения.
При последовательно-дополняющей конфигурации через все элементы или батареи протекает одинаковый ток. Это может быть выражено следующим образом:
IT = I1 = I2 = I3.
Индексы обозначают номера отдельных элементов или батарей. Полное напряжение равно сумме напряжений отдельных элементов и может быть выражено следующим образом:
ET = E1 + Е2 + Е3.
При последовательно-препятствующей конфигурации элементы или батареи соединяются друг с другом одноименными выводами, отрицательный вывод с отрицательным или положительный с положительным. Однако эта конфигурация очень мало применяется на практике.
При параллельном соединении все положительные выводы соединяются вместе и все отрицательные выводы также соединяются вместе (рис. 3-19).