Хімічне джерело струму: принцип дії, класифікація

Хімічні джерела струму – це пристрої та прилади які в процесі хімічної окисно-відновної реакції виділяють напругу. Також вони називаються електрохімічними, гальванічними елементами. Основний принцип дії їх заснований на взаємодії хімічних реагентів які вступаючи, в реакцію один з одним виробляють електроенергію, у вигляді постійного струму. Цей процес відбувається без механічного або теплового впливу, що є основними факторами грають переважаючу роль серед інших генераторів постійного напруження. Хімічні джерела струму, скорочено ХІТ, вже давно знайшли застосування не тільки в побуті, але і на виробництві.

Трохи історії створення ХІТ

Ще у вісімнадцятому столітті італійський вчений Луїджі Гальвані придумав найпростіший елемент який хімічним способом виділяв електричний струм. Однак він був не тільки вченим, але і фізиком, лікарем, фізіологом. Він цікавився і проводив досліди які були спрямовані на вивчення реакції тварин на зовнішні подразники. Як і все геніальне перший хімічний джерело енергії було отримано Луїджі абсолютно випадково, під час численних експериментів над жабами. Після приєднання двох пластин з металу до жаб’ячої м’язі на лапці, було помічено м’язове скорочення. Гальвані вважав це нервовою реакцією на зовнішній подразник і виклав це в результатах своїх досліджень, які потрапили в руки іншого великого вченого Алессандро Вольта. Він і виклав свою теорію про виникнення напруги в результаті хімічної реакції, що виникла між двома металевими пластинами в середовищі м’язової тканини жаби.

Перший хімічний джерело електричного струму був ємність з соляним складом, в який було завантажено дві пластини з різних матеріалів. Одна з міді, інша з цинку. Саме цей пристрій в майбутньому, а конкретніше в другій половині дев’ятнадцятого століття, було застосовано при винаході і створенні марганцево-цинкового елемента всередині якого був той же сольовий електроліт.

Принцип дії

Пристрої виробляє електричний струм містить два електроди, які містяться між електролітом. Саме на їх кордоні дотику і з’являється невеликий потенціал. Один з них називають катодом, а інший анодом. Всі ці елементи разом утворюють електрохімічний систему.
Під час виникнення окисно-відновної реакції між електродами один елемент віддає найдрібніші частинки електрони іншому. Тому вона і не може відбуватися вічно, а згодом просто губляться властивості кожного елемента цього ланцюга.
Електроди можуть бути представлені у вигляді пластин або решіток з металу. Після занурення їх в середу з електролітом меду їх висновками виникає різниця потенціалів, яка називається напругою розімкнутого ланцюга. Навіть при видаленні бодай одного з електродів з електроліту процес генерації напруги припиняється.

Склад електрохімічних систем

В якості електроліту використовуються наступні хімічні речовини:

  1. Водні розчини на основі лугів, кислот, солей і т. Д .;
  2. Розчини з іонною провідністю на основі наведених, які отримані при розчиненні солей у неорганічних або органічних розчинниках;
  3. Тверді сполуки, що містять іонну грати, де один з іонів є рухомим;
  4. Матричні електроліти. Це особливий вид рідких розчинів і розплавів, які знаходяться в порах твердого непровідного елемента – електроносіями;
  5. Розплави солей;
  6. Іонообмінні електроліти на уніполярну системою провідності. Тверді тіла з фіксованою ионогенной групою одного знака.

Класифікація гальванічних елементів і їх підбір

Генератори електричного струму виходить під час хімічної реакції поділяються за:

  • розмірами;
  • Конструктивними особливостями;
  • Способу і реагенту, за рахунок якого, і виходить електроенергія.

Всі елементи виробляє струм під час хімічної реакції діляться на:

  1. Заряджаються, які в процесі експлуатації можуть неодноразово заряджатися від джерела постійного струму, вони називаються акумуляторами;
  2. Чи не заряджаються, тобто джерела одноразового використання які після завершення хімічної реакції просто приходять в непридатність і повинні бути утилізовані. Попросту це гальванічний елемент або батарейка.

Для того щоб підібрати джерело електроенергії, заснований на хімічній реакції, потрібно розуміти його характеристики, до яких відносяться:

  • Напруга між анодом і катодом при розімкнутому ланцюзі. Цей показник найчастіше залежить від обраної електрохімічної системи, а також концентрації і вилікувані всіх складових;
  • Потужність джерела;
  • Показник сили струму;
  • ємність;
  • Електротехнічні показники, тобто кількість циклів заряду і розряду;
  • Діапазон робочих температур;
  • Термін зберігання між тим часом як елемент був створений і до початку його експлуатації;
  • Повний термін служби;
  • Міцність, тобто захист корпусу від різних механічних пошкоджень і впливів, а також вібрацій;
  • Положення роботи, деякі з них працюють тільки в горизонтальних положеннях;
  • надійність;
  • Простота в експлуатації і обслуговуванні. В ідеалі відсутність необхідності найменшого втручання в роботу протягом всього терміну експлуатації.

При виборі потрібної батареї або акумулятора обов’язково потрібно врахувати його електричні номінали такі як напруга і струм, а також ємність. Саме вона є ключовою для збереження працездатності, що підключається до джерела приладу.

Сучасні хімічні джерела струму та їх застосування

Сучасний побут людини важко приставити без цих мобільних генераторів енергії, з якими він стикається протягом усього життя, починаючи з дитячих іграшок і закінчуючи, скажімо, автомобілем.
Сфери застосування різних батарейок і акумуляторів настільки різноманітні що перерахувати їх дуже складно. Робота будь-якого мобільного телефону, комп’ютера, ноутбука, годин, пульта дистанційного керування була б неможлива без цього переносного і дуже компактного пристрою для створення стабільного електричного заряду.
У медицині широко використовуються джерела хімічної енергії при створенні будь-якого апарату, який допомагає людині повноцінно жити. Наприклад, для слухових апаратів та електрокардіостимуляторів які можуть працювати тільки від переносних джерел напруги, щоб не сковувати людини проводами.
У виробництві застосовуються цілі системи акумуляторних батарей для забезпечення напругою ланцюгів відключення і захистів в разі зникнення вхідного високої напруги на підстанціях. І також широко застосовується це харчування у всіх транспортних засобах, військової та космічної техніки.
Одним з видів поширених батарей є літієві джерела електричного струму, так як саме цей елемент має високий показник питомої енергії. Справа в тому що тільки цей хімічний елемент, виявляється, володіє сильним негативним потенціалом серед всіх відомих і вивчених людиною речовин. Літій-іонні батареї виділяються серед всіх інших елементів живлення за величиною виробленої енергії і низьким габаритам, що дозволяє застосовувати їх в самих компактних і дрібних електронних пристроях.

Способи утилізації хімічних джерел енергії

Проблема утилізації різних по габаритах хімічних джерел напруги є екологічною проблемою всієї планети. Сучасні джерела містять в собі до тридцяти хімічних елементів які можуть нанесіть відчутної шкоди природним ресурсам, тому для їх утилізації розроблені цілі програми і побудовані спеціалізовані цехи з переробки. Деякі методи дозволяють не тільки якісно переробляти ці шкідливі речовини, але і повертати у виробництво, тим самим захистивши навколишнє середовище. З метою вилучення кольорових металів з батарей і акумуляторів зараз розроблені і застосовані в цивілізованих країнах, що стежать і піклуються про навколишнє середовище, цілі пірометалургічні і гідрометалургійні комплекси. Самий же поширений спосіб утилізації відпрацьованих хімічних джерел струму є метод, який працює на з’єднанні цих процесів. Головною його перевагою вважається висока ступінь вилучення з мінімальною кількістю відходів.
Цей метод пирометаллургической, гідрометалургійної і механічної переробки включає в себе вісім основних стадій:

  1. подрібнення;
  2. Магнітна сепарація;
  3. випал;
  4. Додаткове подрібнення;
  5. Виділення великих і дрібних елементів за допомогою просіювання;
  6. Водне очищення і вилуговування;
  7. Сірчанокислотне вилуговування;
  8. Електроліз.

Організація правильного збору та утилізації ХІТ дозволяє максимально зменшити негативний вплив як на навколишню природу, так і на здоров’я самої людини.

Ссылка на основную публикацию