Home ⇒ 👍Фізика ⇒ Акумулятори та їх устрій

Акумулятори та їх устрій

Акумулятори, а в побуті ми їх називаємо “батареї”, використовуються зараз повсюдно на увазі появи дедалі більшої кількості різної електроніки (наприклад, смартфони, ноутбуки, планшети, фотокамери та ін.). Взагалі, акумулятори в електротехніці в широкому сенсі розуміються як спеціальні прилади, які здатні як накопичувати заряд, так і витрачати його в залежності від ситуації. З моменту появи цих компонентів істотно модернізувалися і тепер полегшують життя людини в різних сферах. Але незважаючи на велику поширеність акумуляторів мало хто зі споживачів повноцінно знайомий зі специфікою їх функціонування і, відповідно, до правил їх використання.

Головне призначення будь-якого типу акумулятора – це накопичення електроенергії для подальшого її використання в скоєнні будь-яких масштабних робіт.

Крім вище зазначених акумуляторів, що використовуються в сучасній цифровій техніці, існують більш серйозні пристрою. Одним з таких є гідравлічний акумулятор, який застосовується, як правило, в шлюзах. Такі акумулятори здатні піднімати судна на більш високі рівні русла річок.

Електричний акумулятор функціонує за аналогічним принципом, що і гідравлічний пристрій. Тобто, спочатку електрику акумулюється в пристрої від зовнішнього джерела. Після воно передається споживачам і використовується для здійснення тих чи інших робіт. Дані акумулятори є хімічними і відрізняються можливістю неодноразового заряду / розряду.

В процесі заряду в акумуляторі в безперервному режимі здійснюються ті чи інші хімічні реакції між електродними пластинами і тим хімічною речовиною, що заповнює простір між ними. Остання речовина іменується електролітом.

Примітивним чином схему пристрою акумулятора можна зобразити так: усередині корпусу розміщується пара металевих пластин, оснащених спеціальними висновками для контактів, а проміжок між ними заповнюється електролітом.

Робота акумулятора

Функціонування акумулятора в процесі розряду і заряду

Через замкнутий електричний ланцюг протікає струм розряду. Наприклад, при підключенні до електродів навантаження. Даний ток сформований рухаються в металевих елементах електронами, а також аніонами і катіонами, що знаходяться в електроліті.

Даний процес схематично відображено на малюнку з нікель-кадмієвих електродами. Матеріалом позитивного електрода є окис нікелю з додаванням графіту, за рахунок чого зростає електропровідність. Основа негативно зарядженого електрода – губчастий кадмій. При розряді з окису нікелю виділяються мікрочастинки активного кисню в електроліт, після чого передаються на негативно заряджені пластини. Тут відбувається окислення кадмію.

Заряд

Під час відсутності навантаження на клеми пластин з однорідного металу відбувається подача постійного (рідше пульсуючого) напруги. Показник даного напруги дещо перевищує те, яке притаманне заряджається акумулятора.

Всі зарядні пристрої мають набагато більшу потужність, здатну придушити енергію, невитрачену акумулятором. В наслідок чого виникає електричний струм, напрямок якого протилежно напрямку розряду. При цьому хімічні процеси зазнають змін.

Важливо відзначити, що процеси розряду і заряду змінюють хімічний склад електродів. Електроліт ж при цьому не відчуває жодних змін.

Яким чином можуть з’єднуватися акумулятори?

Акумулятори можуть з’єднуватися між собою двома способами: паралельним з’єднанням і послідовним.

Паралельний спосіб

Те, який показник струму розряду може витримати корпус акумулятора, безпосередньо залежить від різних факторів. Наприклад, дуже важливим моментом є конструктивні особливості, використовувані матеріали, а також розміри. Таким чином, чим більше площа наявних пластин, тим вище здатність витримати великі струми.

На даному принципі засновано паралельне підключення акумуляторів одного типу з існуючою необхідністю збільшення показника струму навантаження. У даній ситуації необхідно буде збільшити потужність джерела живлення.

Даний метод вкрай рідко застосовується в готових конструкціях, оскільки сьогодні набагато зручніше купити повноцінний акумулятор. В основному паралельний спосіб застосовується у виробництві кислотних автомобільних акумуляторах для з’єднання пластин в єдиний блок.

Послідовний спосіб

У популярних в побутовому застосуванні акумуляторах напруга між пластинами досягає 1,5 В або 2 В (на даний показник також впливає використовуваний матеріал). Велика частина використовуваного електрообладнання вимагає більш високої напруги. Для цього акумулятори одного типу з’єднують послідовним чином, поміщаючи їх під єдиний корпус. Найяскравіший приклад – автомобільний акумулятор, в основі якого сірчана кислота і електродні пластини зі свинцю.

Відзначимо важливий і цікавий факт: сьогодні автолюбителі звикли називати акумулятором будь-яке джерело живлення, що не зовсім вірно. Наприклад, правильне найменування безпосередньо залежить від числа складових елементів. Так, якщо кілька так званих “банок” з’єднані єдиною схемою, то це вже батарея, а скорочено АКБ – автомобільна акумуляторна батарея.

Кожна “банка” має в своєму складі два блоки з пластинами, частина яких призначена для негативних електродів, а частина – для позитивних. Дані блоки не мають металевого контакту між собою, а мають міцну гальванічний зв’язок за допомогою електроліту.

Між контактними пластинами встановлено сепаратор – роздільник у вигляді додаткової решітки з метою збільшення відстані. Таким чином, з’єднані в блоки пластини збільшують показник потужності подаються навантажень.

Корпус даних АКБ виготовлений з міцної пластмаси і щільно закривається кришкою. Зверху є дві клеми, використовувані в підключенні до електросхемі автомобіля. Обов’язково кожна клема маркована знаками полярності, а саме знаки “+” і “-“. також щоб уникнути помилкового підключення позитивна клема має більший діаметр, ніж негативна.

Над кожною банкою також розташовується спеціальна горловина, яка призначена для відстеження рівня електроліту, а також для доливання води при виникненні такої необхідності вчасно експлуатації. Горловина закривається пробкою, щоб уникнути попадання всередину банки сторонніх часток і запобігти виливання електроліту при русі акумуляторної батареї.

Пробки мають отвори, які служать відводами виникають при швидкій їзді газів в електроліті. Тим самим запобігає виникненню тиску всередині банок. Тобто, через отвори пробок виходять кисень і водень, а також утворюються електролітом пари. Безумовно, краще уникати ситуації, які виникають через високі струмів заряду.

Свинцево-кислотні АКБ засновані на принципі подвійного сульфатации. У таких пристрої при заряді або розряді відбуваються електрохімічні процеси, які змінюють хімічний склад основної частки активних електродів, при цьому або виділяючи в сірчану кислоту воду, або поглинаючи її з електроліту.

Саме дані нюанси пояснюють зростання показника щільності електроліту під час заряду, а також його зниження під час розряду. Таким чином, ступінь щільності є показником оцінки стану батареї. З метою вимірювання використовується спеціально призначений для цього прилад – ареометр.

Як було сказано вище, до складу електроліту кислотних АКБ входить вода. Відомо, що при низьких температурах вона замерзає. Отже, для запобігання замерзання АКБ з настанням холодів необхідно дотримуватися всіх правил експлуатації.

Сьогодні виробники випускають понад 30 акумуляторів. Розрізняються вироби між собою складом електродів і самого електроліту. Наприклад, в основу 12 популярних типів входить літій.

Електроди можуть виготовлятися з свинцю, заліза, літію, титану, кобальту, кадмію, нікелю, цинку, ванадію, срібла, алюмінію і ін. Від того, які речовини використані в електродах, залежать властивості і характеристики акумулятора і, відповідно, сфера використання.

Наприклад, свинцево-кислотні АКБ використовуються в ДБЖ, автотранспорті, системах електропостачання за рахунок високої здатності витримувати колосальні короткочасні навантаження.

Гальванічні стандартні батареї сьогодні витісняються нікель-кадмієвих, нікель-цинковими, нікель-металгідридними акумуляторами.

У мобільних пристроях і іншій цифровій техніці, а також в електроінструментах, використовуються літій-іонні і літій-полімерні типи акумуляторів.

Акумулятори розрізняються між собою також типом використовуваного електроліту. Таким чином, пристрої бувають лужними і кислотними.

Також класифікуються пристрої і за призначенням. Наприклад, сьогодні особливо популярними зовнішні акумулятори, які рятують власників сучасних смартфонів в ситуації відсутності можливості підзарядки від електромережі.

Важливі характеристики акумулятора – це ємність, щільність енергії, самозаряд і температура експлуатації.