Amateur Radio Station R9AL

Элементы питания, батареи и аккумуляторы.


      На прошлом занятии, в примере с двумя бутылками, мы выяснили, что вода будет перетекать из одной бутылки в другую, пока уровень воды в обоих бутылках не станет одинаковым, после чего переток воды остановится.

      Как сделать так, чтобы ток воды в шланге был постоянным?

      Очевидно, для этого надо постоянно переливать воду из правой бутылки в левую, или поставить какой-нибудь насос, который будет непрерывно перекачивать воду.


      Но вернемся к нашим электронам. Если мы зарядим два одинаковых шарика, один - отрицательно, создав в нем избыток электронов, а второй - положительно, забрав часть электронов, создав недостаток электронов. Если теперь шарики соединить металлической проводом - электроны из шарика, где их много будут стремиться туда, где их мало. Такой переток электронов будет продолжаться, создавая ток в проводе, пока заряды шариков не станут одинаковыми.


      Чтобы у нас в проводнике электрический ток протекал непрерывно, нам нужно как-то поддерживать избыток электронов на левом шарике и недостаток на правом. Если взять электрон, который, как вы знаете имеет отрицательный заряд, и разместить его вне провода между нашими заряженными шариками, то электрическое поле, созданное нашими заряженными шариками, будет толкать его к положительному шарику, так как разноименные заряды притягиваются и будет отталкивать его от отрицательного, так как одноименные заряды отталкиваются. При этом, сила, которая действует на электрон - называется электрической силой, или силой электрического поля. Нам же нужно создать такую силу, которая будет совершать работу толкая электрон в обратном направлении, преодолевая электрическую силу, и будет двигать электрон в сторону шарика, который заряжен отрицательно. Такая сила называется сторонней силой не электростатического происхождения, которая совершает работу по переносу электронов против электрической силы. Таким образом, наша электрическая цепь оказалась замкнутой, и теперь в ней непрерывно течет ток, в одну сторону по проводнику, совершая какую-то полезную работу, и в другую сторону внутри устройства, где у нас работает сторонняя сила, перенося электроны от положительного шарика к отрицательному.


Устройство, в котором сторонние силы совершают работу по перемещению зарядов против электрической силы - называется источником тока. Введем еще одно понятие: Электродвижущая сила (ЭДС) - скалярная физическая величина, характеризующая работу сторонних сил, как и напряжение, ЭДС измеряется в Вольтах. Обозначается буквой Е или маленькой греческой буквой эпсилон ε. Благодаря тому, что сторонние силы перемещают заряды против электрического поля - на левом шарике постоянно поддерживается избыток отрицательных зарядов, а на правом их недостаток, или избыток положительных зарядов. У источников тока всегда есть два проводника (в нашем случае это шарики), эти проводники называются полюсами источника тока - положительный полюс и отрицательный полюс. В идеальном источнике тока ЭДС равна напряжению на полюсах источника.

Существует очень много различных источников тока, работающих на самых разных принципах, некоторые из них мы рассмотрим. А для того, чтобы обнаруживать и измерять слабые электрические токи существует прибор - гальванометр. Этот прибор назван так в честь итальянского ученого Луиджи Гальвани (1737-1798).


Гальванометр - очень хороший и чувствительный прибор, и очень удобен при проведении физических экспериментов. Но для наших экспериментов он не очень удобен, мы будем использовать другие приборы для измерения слабых токов, например цифровой мультиметр в режиме измерения микротоков (микроамперы) или в режиме измерения напряжения (миливольты)

А теперь проведем небольшой эксперимент. Возьмем две монеты, одну достоинством 10 или 50 копеек (сплав на основе меди), другую достоинством 1 или 2 рубля (сплав на основе никеля). Можно взять и другие, главное чтобы они были из разных металлов. Вместо гальванометра будем использовать мультиметр, в режиме измерения напряжения (миливольты).

Если мы соединим две монеты как показано на фото и подключим к ним прибор - прибор покажет: 0 мВ, т.е. тока между монетками нет, а если и есть какое-то движение электронов, то оно настолько незначительно, что прибор не может его зарегистрировать.


А теперь положим между монетками кусочек обычной бумаги, пропитанной раствором обычной поваренной соли:


Чудеса! Прибор показал 20 мВ! Мы только что сделали простейший гальванический элемент! Это простейший химический элемент, в нем действуют сторонние силы химической природы.

А почему гальванический? Все дело в том, что однажды Луиджи Гальвани проводил эксперименты с лягушачьими лапками и однажды, занимаясь физиологией и медициной, он открыл так называемое гальваническое электричество. На это открытие натолкнули Гальвани опыты, в которых он наблюдал сокращения мышц препарированной лягушки при прикосновении металлических предметов, когда вблизи в электрической машины проскакивали искры. Гальвани решил проверить, имеет ли место подобное явление при действии атмосферного электричества. Для этого он развесил препарированных лягушек на железной решетке сада на медных крючках, воткнутых в спинной мозг лягушки. Гальвани отметил, что мышцы лягушки сокращаются независимо от состояния атмосферы, если медные крючки касаются железной ограды сада. Открытие Гальвани и его теория "животного" электричества, опубликованная в 1791 г., вызвали большой интерес. Среди ученых, повторивших эксперимент Гальвани был и Алессандро Вольта. Он не только подтвердил эксперимент, но и обнаружил, что разные металлы создают токи разной силы. Экспериментируя с разными материалами Вольта в конце концов заменил лягушку картонками, пропитанными соленой водой, получив первый химический элемент, такой же какой сделали мы, используя монетки.

Элементы питания

Сегодня гальванические элементы очень распространены. Конечно, они уже сложнее чем два металлических диска разделенные пропитанной картонкой, да и вместо раствора соли используются более сложные химические вещества, но все-таки они по прежнему называются гальваническими элементами. А мы их будем называть элементами питания:


Есть два стандартных размера, которые можно отличать друг от друга визуально. Самые распространённые "пальчиковые" (АА) и "мизинчиковые" (ААА), с одинаковым напряжением в полтора вольта и корпусом цилиндрической формы. Их часто называют батарейками, но это все-таки элементы!

Есть ещё три типа. Элементы типа С или LR14 выпускаются в форме маленького бочонка. Элементы D или LR20, в форме большого бочонка, выпускаемые для фонариков. И батарейки R10, выпускались в Советском Союзе. Они служили в качестве источников тока для измерительных приборов и игрушек.


У элементов, имеющих цилиндрическую форму, на торце, со стороны положительного полюса, есть выступы, это видно и на фото. А с противоположной стороны поверхность плоская.

На схемах элементы питания обозначаются следующим образом:


Недостаток элементов питания - малое напряжение, но эта проблема была решена. Потратив несколько лет на исследование и выбор металлов, Алессандро Вольта предложил миру законченный вариант химического генератора, в котором соединил последовательно два десятка гальванических элементов. Такая конструкция получила название "Вольтов столб". Вскоре русский физик Василий Петров построил большую батарею с напряжением 2500В, и впервые получил электрическую дугу, и доказал возможность применения этой дуги для плавки и сварки металлов. Изучая электропроводимость различных веществ, Петров впервые употребил термин сопротивление, как физической величины, характеризующей свойства вещества препятствовать прохождению электрического тока. В опытах по электролизу он первым обратил внимание на различные свойства полюсов батареи, поставив вопрос: "определить направление движения гальвани-вольтовской жидкости".




Батареи

Батарея - это два или более соединённых параллельно или последовательно элементов. Как и элементы питания, батареи также широко используются в настоящее время. Например, "квадратная" батарея, которую очень часто можно встретить в литературе, и которая ранее была очень распространена, содержит три гальванических элемента типоразмера 3R12, соединённых последовательно и залитых смолой в общем картонном корпусе. Например батарея "Планета-1" (3336).





Более распространена сегодня батарея "Крона", (также 1604, 6F22, 6R61 (солевые); 1604A, 6LF22, 6LR61, MN1604, MX1604 (щелочные); PP3, E-Block, 9V Brick Battery, AM6, Корунд, 522, 6AM6, CR-9V, ER9V (литиевые)) - типоразмер батареек. Название "Крона" происходит от торгового названия, под которым батарейки этого типоразмера впервые появились в СССР.


Устройство разных типов батареи типа "Крона", слева направо: из 6 элементов F22 по 1,5 В солевая и щелочная; из 6 элементов LR61 по 1,5 В



Аккумуляторы

Основной недостаток гальванических элементов и батарей - одноразовость. С течением времени химические элементы, в которых химическая реакция превращается в электрическую энергию, выработав свой ресурс - приходят в негодность. Наступает пора выбросить их и заменить новыми, так как химические реакции внутри них необратимые, т.е. полученное в результате реакции вещество нельзя вернуть к первоначальному виду..

В отличии от гальванических элементов, аккумуляторы можно использовать многократно. Аккумулятор (от латинского "аккумуляре" - собирать) это по сути дела, тот же гальванический элемент, внутри него также протекают химические реакции, но отличие в том, что это реакции обратимые. То есть их можно повернуть вспять, вернув им ту энергию, которая была затрачена на создание электрического тока. Аккумулятор работает в двух режимах. В первом - он передает электрическую энергию во внешнюю цепь, точно так же как гальванический элемент, происходит разряд аккумулятора. Во втором режиме аккумулятор получает энергию от зарядного устройства для восстановления изменившихся при разрядке электрода и электролита, этот процесс называется зарядкой.

Существует большое многообразие аккумуляторов, в зависимости от используемых материалов. Рассмотрим только некоторые из них:


В радиолюбительской практике огромное распространение получили Li-ion аккумуляторы форм-фактора 18650, что означает: диаметр 18 мм, длина 65 мм.


Эти аккумуляторы имеют напряжение 3.7В, и емкость до нескольких тысяч мА/ч

Источники электроэнергии

Какие еще источники электроэнергии могут быть?