Аккумуляторы

Явление поляризации, вредное в гальванических элементах, находит, однако, и полезное применение. В 1895 г. Планте показал, что э. д. с. поляризации можно, использовать для практического получения электрического тока. Он построил элемент с двумя свинцовыми электродами, погруженными в раствор серной кислоты. Элемент в таком виде не обладает еще э. д. с., так как оба его электрода одинаковы. Если, однако, через такой элемент пропускать известное время ток, то на его электродах выделяются продукты электролиза, которые вступают в химическую реакцию с электродами. Благодаря этому электроды оказываются различными по химическому составу, и появляется определенная э. д. с. – именно, э. д. с. поляризации, равная приблизительно 2 В. Элемент в таком состоянии является уже сам источником тока и при замыкании на какую-либо цепь может создавать в ней в течение некоторого времени электрический ток. Таким образом, для появления э. д. с. в элементе Планте через него необходимо пропускать в течение известного времени ток от постороннего источника. Этот процесс называется зарядкой элемента.

Элемент Планте и ему подобные, использующие явление поляризации, называются вторичными элементами или аккумуляторами, так как в них можно запасать (аккумулировать) энергию. После израсходования энергии аккумулятора его можно вновь зарядить пропусканием тока и повторять этот процесс много раз.

С энергетической точки зрения дело обстоит так. Реакции, протекающие в аккумуляторе при его зарядке и делающие первоначально одинаковые электроды химически различными, являются реакциями, которые могут осуществляться лишь при притоке энергии извне. Эту энергию доставляет генератор, при помощи которого мы заставляем ионы перемещаться в растворе и выделяться на соответствующих электродах. Напротив, при разрядке аккумулятора в нем происходят реакции, идущие с выделением энергии. Эти реакции и являются источником э. д. с. аккумулятора. Таким образом, при зарядке аккумулятора происходит превращение электрической энергии в скрытую химическую энергию, а при его разрядке – обратный переход химической энергии в энергию электрического тока.

Устройство современного свинцового аккумулятора показано на рис. 124. Он состоит из ряда положительных и отрицательных пластин, находящихся в банке с водным раствором (15-20%) серной кислоты. Все положительные пластины соединены между собой, так же как и все отрицательные, благодаря чему в небольшом сосуде можно иметь большую площадь электродов, разделенных тонким слоем электролита, т. е. иметь элемент с чрезвычайно малым внутренним сопротивлением.

Рис. 124. Свинцовый аккумулятор

Отрицательные пластины состоят из чистого металлического свинца, поверхность которого сделана мелкопористой для увеличения действующей площади электродов (губчатый свинец). Положительные пластины имеют более сложное строение, показанное на рис. 125. При их изготовлении сначала отливают (или штампуют) раму из свинца, снабженную многими ячейками наподобие пчелиных сотов, и в них впрессовывают специальную массу, состоящую из окислов свинца и связующих веществ.

Рис. 125. Положительная пластина свинцового аккумулятора

В незаряженном состоянии оба электрода покрыты слоем сернокислого свинца ( ). При зарядке ионы перемещаются к одному электроду и превращают его в перекись свинца по уравнению

а ионы H+ восстанавливают второй электрод в металлический свинец по уравнению

Соединение становится анодом, a Pb – катодом заряженного аккумулятора. При разрядке ток по внешней цепи идет от к Pb, а внутри аккумулятора ионы и движутся в направлениях, обратных их движению при зарядке, и реакции на электродах протекают в обратном направлении. Во вполне разряженном аккумуляторе оба электрода опять состояли бы из . В рабочих условиях не доводят аккумулятор до полной разрядки и вновь заряжают его, когда напряжение на электродах падает примерно до 1,8 В. Свежезаряженный свинцовый аккумулятор имеет напряжение около 2,7 В. Но при разрядке это напряжение быстро падает до 2 В и затем долго остается постоянным. После длительной разрядки напряжение аккумулятора вновь начинает падать; разрядку его следует прекратить, когда напряжение упадет до 1,85 В.

Помимо свинцовых аккумуляторов существуют и другие. В настоящее время широко употребляются железоникелевые аккумуляторы («щелочные» аккумуляторы). У них электродами являются железо и никель, а электролитом – 20%-ный раствор едкой щелочи (КОН или NaOH). В заряженном состоянии никелевые пластины покрыты слоем окиси никеля ( ) и служат положительным полюсом, а металлическое железо – отрицательным; э. д. с. этих аккумуляторов равна 1,4-1,1 В. Железоникелевые аккумуляторы характеризуются большой устойчивостью: механические сотрясения и небрежность в уходе, могущая вызывать вредные химические реакции, для этих элементов гораздо менее опасны, чем для свинцовых.

Различные аккумуляторы характеризуются максимальным количеством электричества, которое можно получить от них без новой зарядки. Это количество электричества принято выражать в ампер-часах (А×ч) и называть емкостью аккумулятора. Так, например, переносные аккумуляторы, применяющиеся для автомобилей, имеют обычно емкость 40 А×ч. Это значит, что они могут давать ток 1 А в течение 40 ч или ток 2 А в течение 20 ч и т. д. При этом, конечно, разрядный ток не должен превышать некоторой максимальной силы (для свинцового аккумулятора приблизительно 1 А на каждый квадратный дециметр поверхности положительных пластин), так как в противном случае пластины быстро разрушаются. Чем больше площадь пластин аккумулятора, тем больше продуктов электролиза может быть удержано на пластинах, а значит, и тем больший заряд можно получить от аккумулятора при разрядке, т. е. тем больше его емкость.

79.1. Батарея аккумуляторов емкости 20 А×ч питает лампочку, потребляющую ток 0,25 А. Сколько времени может гореть лампочка без новой зарядки аккумуляторов?

Аккумуляторы играют в современной электротехнике важную роль. Так, например, на электрических станциях с неравномерной нагрузкой часто устанавливают, кроме генераторов постоянного тока, еще и батареи аккумуляторов (буферные аккумуляторы). При малой нагрузке станции часть энергии, вырабатываемой генераторами, расходуется на зарядку аккумуляторов, а в периоды большой нагрузки эти аккумуляторы питают сеть параллельно с генераторами. Электростанции, использующие энергию ветра, всегда бывают снабжены аккумуляторами, которые заряжаются в те периоды, когда имеется ветер, а затем уже расходуют запасенную энергию по мере надобности и независимо от метеорологических условий.

Аккумуляторы широко применяют на всех подводных судах (кроме подводных судов с атомным двигателем). При надводном плавании аккумуляторы заряжаются от генератора постоянного тока, а при погружении под воду все механизмы приводятся в движение исключительно от аккумуляторов. Аккумуляторы с успехом применяются в электрических грузовых тележках, так называемых электрокарах, которые должны работать короткие промежутки времени и делать частые остановки и на которых поэтому невыгодна установка двигателей внутреннего сгорания, непрерывно поглощающих топливо; в автомобилях (зажигание в моторах, освещение); для питания рудничных ламп и еще во многих важных промышленных машинах и приборах. Очень широко распространены аккумуляторы в лабораторной практике, где они являются хорошими источниками постоянного тока, а также в радиотехнике.

Несмотря на большие преимущества аккумуляторов, которые во многих случаях вытеснили гальванические элементы, последние все еще имеют ряд важных применений: в качестве эталонов напряжения (нормальные элементы, § 75), для питания радиоприемников, карманных фонарей, микрокалькуляторов и т. п.