Celle e batterie galvaniche: dispositivo, principio di funzionamento, tipi

Fonti di energia elettrica a bassa potenza

Le celle e le batterie galvaniche vengono utilizzate per alimentare apparecchiature elettriche e radio portatili.

Celle galvaniche: queste sono fonti di azioni una tantum, accumulatori — fonti d'azione riutilizzabili.

L'elemento galvanico più semplice

L'elemento più semplice può essere costituito da due lamelle: rame e zinco immerse in acqua leggermente acidificata con acido solforico. Se lo zinco è abbastanza puro da non avere reazioni locali, non si verificherà alcun cambiamento evidente fino a quando il rame e lo zinco non saranno riuniti.

Tuttavia, le strisce hanno un potenziale diverso, l'una rispetto all'altra, e quando sono collegate da un filo, appariranno elettricità… Con questa azione la striscia di zinco si dissolverà gradualmente e si formeranno delle bolle di gas vicino all'elettrodo di rame, raccogliendosi sulla sua superficie. Questo gas è idrogeno generato dall'elettrolita. La corrente elettrica fluisce dalla striscia di rame lungo il filo fino alla striscia di zinco e da essa attraverso l'elettrolita torna al rame.

A poco a poco, l'acido solforico dell'elettrolita viene sostituito dal solfato di zinco formato dalla parte disciolta dell'elettrodo di zinco. Ciò riduce la tensione della cella. Tuttavia, una caduta di tensione ancora maggiore è causata dalla formazione di bolle di gas sul rame. Entrambe le azioni causano la "polarizzazione". Tali articoli non hanno quasi alcun valore pratico.

Parametri importanti delle celle galvaniche

L'entità della tensione fornita dalle celle galvaniche dipende solo dal loro tipo e dispositivo, cioè dal materiale degli elettrodi e dalla composizione chimica dell'elettrolita, ma non dipende dalla forma e dalle dimensioni delle celle.

La corrente che una cella galvanica può fornire è limitata dalla sua resistenza interna.

Una caratteristica molto importante della cella galvanica è capacità elettrica… Per capacità elettrica si intende la quantità di elettricità che una cella galvanica o di accumulo è in grado di erogare durante tutto il suo funzionamento, cioè fino all'inizio della scarica finale.

La capacità data dalla cella è determinata moltiplicando l'intensità della corrente di scarica, espressa in ampere, per il tempo in ore durante il quale la cella è stata scaricata fino all'inizio della scarica completa. Pertanto la capacità è sempre espressa in ampere-ora (Ah).

In base al valore della capacità della cella, è anche possibile determinare in anticipo quante ore funzionerà prima dell'inizio della scarica completa. Per fare ciò, è necessario dividere la capacità per l'intensità della corrente di scarica consentita per questo elemento.

Tuttavia, la capacità non è strettamente costante. Varia entro limiti abbastanza ampi a seconda delle condizioni operative (modalità) dell'elemento e della tensione di scarica finale.

Se la cella viene scaricata alla massima corrente e, inoltre, senza interruzioni, darà una capacità molto inferiore. Al contrario, quando la stessa cella viene scaricata con una corrente inferiore e con interruzioni frequenti e relativamente lunghe, la cella perderà la sua piena capacità.

Per quanto riguarda l'influenza della tensione di scarica finale sulla capacità della cella, va tenuto presente che durante la scarica della cella galvanica, la sua tensione di esercizio non rimane allo stesso livello, ma diminuisce gradualmente.

Tipi comuni di celle elettrochimiche

Le celle galvaniche più comuni sono i sistemi manganese-zinco, manganese-aria, aria-zinco e mercurio-zinco con elettroliti salini e alcalini.Le celle a secco manganese-zinco con elettrolita salino hanno una tensione iniziale da 1,4 a 1,55 V, la durata del funzionamento a una temperatura ambiente compresa tra -20 e -60 ОDalle 7 alle 340 del mattino

Le celle a secco zinco-manganese e zinco-aria con elettrolita alcalino hanno una tensione da 0,75 a 0,9 V e un tempo di funzionamento da 6 ore a 45 ore.

Le celle al mercurio-zinco a secco hanno una tensione iniziale da 1,22 a 1,25 V e un tempo di funzionamento da 24 ore a 55 ore.

Le celle al mercurio-zinco a secco hanno la durata di conservazione garantita più lunga, fino a 30 mesi.

Batterie

Batterie Si tratta di celle elettrochimiche secondarie che, a differenza delle celle galvaniche, non hanno luogo processi chimici nella batteria subito dopo il montaggio.

Affinché la batteria possa avviare reazioni chimiche associate al movimento di cariche elettriche, è necessario modificare opportunamente la composizione chimica dei suoi elettrodi (e in parte dell'elettrolita).Questo cambiamento nella composizione chimica degli elettrodi avviene sotto l'azione di una corrente elettrica che attraversa la batteria.

Pertanto, affinché una batteria produca corrente elettrica, deve prima essere "caricata" con corrente elettrica continua proveniente da una fonte di corrente esterna.

Le batterie differiscono dalle tradizionali celle galvaniche anche per il fatto che, dopo essere state scaricate, possono essere ricaricate. Con buona cura e in condizioni operative normali, le batterie possono durare fino a diverse migliaia di cariche e scariche.
Dispositivo alimentato a batteria

Attualmente, nella pratica vengono utilizzate più spesso batterie al piombo e al nichel-cadmio. Nella prima soluzione di acido solforico funge da elettrolita, e nella seconda soluzione di alcali in acqua. Le batterie al piombo sono anche chiamate acido e batterie alcaline al nichel-cadmio.

Il principio di funzionamento delle batterie si basa sulla polarizzazione degli elettrodi durante l'elettrolisi... La batteria ad acido più semplice è strutturata come segue: si tratta di due piastre di piombo immerse in un elettrolita. Come risultato della reazione di sostituzione chimica, le piastre sono ricoperte da un sottile strato di solfato di piombo PbSO4, come segue dalla formula Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2.

Dispositivo a batteria acida

Questo stato delle piastre corrisponde ad una batteria scarica. Se la batteria è ora accesa per la ricarica, cioè collegata a un generatore di corrente continua, la polarizzazione delle piastre inizierà in essa a causa dell'elettrolisi. Come risultato della carica della batteria, le sue piastre sono polarizzate, ad es. cambia la sostanza sulla loro superficie e da omogenea (PbSO4) a diversa (Pb e PbO2).

La batteria diventa la sorgente di corrente, con una piastra rivestita di biossido di piombo come elettrodo positivo e una piastra di piombo pulita come elettrodo negativo.

Alla fine della carica, la concentrazione dell'elettrolita aumenta a causa della comparsa di ulteriori molecole di acido solforico al suo interno.

Questa è una delle caratteristiche della batteria al piombo: il suo elettrolita non rimane neutro e partecipa esso stesso alle reazioni chimiche durante il funzionamento della batteria.

Alla fine della scarica, entrambe le piastre della batteria sono nuovamente ricoperte di solfato di piombo, per cui la batteria cessa di essere una fonte di corrente. La batteria non viene mai portata in questo stato. A causa della formazione di solfato di piombo sulle piastre, la concentrazione dell'elettrolita diminuisce al termine della scarica. Se la batteria è carica, la polarizzazione può essere nuovamente causata per scaricarla di nuovo, ecc.

Come caricare la batteria

Esistono diversi modi per caricare le batterie. Il più semplice è la normale ricarica della batteria, che viene eseguita come segue. Inizialmente, per 5 - 6 ore, la ricarica viene eseguita a doppia corrente normale fino a quando la tensione di ciascuna batteria raggiunge 2,4 V.

La normale corrente di carica è determinata dalla formula Aztax = Q / 16

dove Q — capacità nominale della batteria, Ah.

Successivamente, la corrente di carica viene ridotta a un valore normale e la carica continua per 15-18 ore fino a quando non compaiono segni di fine carica.

Batterie moderne

Le batterie al nichel-cadmio o alcaline sono apparse molto più tardi delle batterie al piombo e rispetto a loro sono fonti più moderne di corrente chimica.Il vantaggio principale delle batterie alcaline rispetto alle batterie al piombo risiede nella neutralità chimica del loro elettrolita rispetto alle masse attive delle piastre. Pertanto, l'autoscarica delle batterie alcaline è notevolmente inferiore a quella delle batterie al piombo. Il principio di funzionamento delle batterie alcaline si basa anche sulla polarizzazione degli elettrodi durante l'elettrolisi.

Per alimentare le apparecchiature radio, vengono prodotte batterie al nichel-cadmio sigillate, che sono efficaci a temperature da -30 a +50 ОC e resistono a 400 - 600 cicli di carica-scarica. Questi accumulatori sono realizzati sotto forma di parallelepipedi compatti e dischi che pesano da pochi grammi a chilogrammi.

Le batterie al nichel-idrogeno sono prodotte per alimentare oggetti autonomi. L'energia specifica della batteria al nichel-idrogeno è di 50-60 Wh kg-1.