Гальванический элемент

Гальванический элемент в домашних условиях

Простой источник тока можно сделать и своими руками. Для этого нам потребуется следующий инвентарь:

1. Пластиковый стакан.
2. Электролит. В качестве него можно взять соленый раствор, газировку или лимонную кислоту, разведенную в воде.
3. Пластинки двух разных металлов. К примеру алюминий и медь.
4. Провода

Процесс изготовления

Берем пластиковый стаканчик и наливаем в него электролит. Не следует наполнять стакан до самых краев. Лучше на 1-2 сантиметра не долить. К металлическим пластинам прикрепите проводники. Далее установите на края нашей емкости пластины из меди и алюминия. Они должны располагаться параллельно друг к другу. Когда все готова можно замерить с помощью вольтметра напряжение.

Подключите прибор и прикоснитесь щупами к контактам нашего источника тока. Держите и не отрывайте их пока на дисплее не высветится напряжение. Обычно оно составляет 0.5-0.7 вольт. Такие цифры показываются в зависимости от электролита. Точнее используемого вещества в его качестве.

Таким образом изготавливается самодельный гальванический элемент.

Область использования

Электрохимия имеет множество важных применений, особенно в промышленности. Ее процессы используются для изготовления электрических батарей. Они имеют множество применений, включая:

1. Топливный элемент преобразует химическую потенциальную энергию, получаемую при окислении топлива, например, газа, водорода, углеводородов, спиртов в электрическую энергию.
2. Различные виды пьезозажигалок для газа.
3. Электрические приборы, такие как мобильные телефоны.
4. Цифровые камеры-литиевые.
5. Слуховые аппараты (оксидно-серебряные).
6. Электронные часы (ртутные/оксидно-серебряные).
7. Военные источники тока (тепловые).
8. Батарейки A, AA, AAA, D, C и другие.

Использование химических реакций для производства электричества в настоящее время является приоритетом для многих исследователей. Возможность адекватно использовать химические реакции в качестве источника энергии в значительной степени поможет решить проблемы загрязнения окружающей среды.

Нормативные документы

Учитывая большое количество электроэлементов, для их буквенно-цифровых (далее БО) и условно графических обозначений (УГО) был разработан ряд нормативных документов исключающих разночтение. Ниже представлена таблица, в которой представлены основные стандарты.

Таблица 1. Нормативы графического обозначения отдельных элементов в монтажных и принципиальных электрических схемах.

Читать также: Как пользоваться ультразвуковой ванночкой

Следует учитывать, что элементная база со временем меняется, соответственно вносятся изменения и в нормативные документы, правда это процесс более инертен. Приведем простой пример, УЗО и дифавтоматы широко эксплуатируются в России уже более десятка лет, но единого стандарта по нормам ГОСТ 2.755-87 для этих устройств до сих пор нет, в отличие от автоматических выключателей. Вполне возможно, в ближайшее время это вопрос будет урегулирован. Чтобы быть в курсе подобных нововведений, профессионалы отслеживают изменения в нормативных документах, любителям это делать не обязательно, достаточно знать расшифровку основных обозначений.

Конструкция и состав

Устройство солевой батарейки достаточно простое и представляет собой:

1. Катод — он же корпус солевой батарейки сделан из цинка, с улучшенными антикоррозийными свойствами и высокой степенью очистки (минус).
2. Анод — агломерат, изготовлен методом прессовки, с пропиткой электролитом (плюс).
3. Электролит — хлорид аммония либо хлорид цинка, с добавлением загустителя (крахмал).
4. Угольный токовод — проходит по центру, обработан парафиновым составом.
5. Газовая камера — находится вверху, предназначена для сбора газов от химической реакции.
6. Прокладка — расположена в верхней части, выполняет функцию герметика.
7. Защитный футляр — картонный или жестяной для защиты от коррозии, протечек электролита.

Рассмотрим состав солевой батарейки с точки зрения химии:

1. Катод — высоко очищенный цинк, стойкий к коррозии.
2. Анод — смесь MnO2, графита, пропитка электролитом.
3. Электролит – хлорид аммония, либо хлоридно-цинковая смесь с хлоридом кальция.

Сухой гальванический элемент

Сухой гальванический элемент является источником питания при пользовании бритвой без подключения к электрической сети. Для пуска и остановки бритвы имеется выключатель, расположенный на верхней части ее корпуса.
 

Производство сухих гальванических элементов, как следует из указанных схем, состоит из довольно большого количества операций, назначение которых сводится к изготовлению положительного и отрицательного электродов, электролита, бумажных и картонных изделий и к сборке элементов и батарей. Многие из этих операций у нас и за границей обычно выполняются на автоматах и полуавтоматах.
 

Устройство сухого гальванического элемента с марганцевой деполяризацией показано на рис. 1.18. В цинковом стакане, являющемся отрицательным электродом ( отрицательным полюсом) элемента, помещен электролит, представляющий собой раствор нашатыря, загущенного пшеничной или картофельной мукой. В центре стакана помещается положительный угольный электрод ( положительный полюс), окруженный деполяризатором ( агломерат), состоящим из смеси марганца и мелкотертого графита.
 

Устройство широко распространенного сухого гальванического элемента с марганцевой деполяризацией ( СМД) показано на рис. 1.18. В цинковом стакане, являющемся отрицательным электродом ( отрицательным полюсом) элемента, помещен электролит. Электролит представляет собой раствор нашатыря, загущенного пшеничной или картофельной мукой. Вокруг угольного электрода в марлевом мешочке находится агломерат, состоящий из смеси перекиси марганца и мелкотертого графита.
 

Как устроен сухой гальванический элемент.
 

На выходе моста целесообразно включить сухой гальванический элемент ( ФБС, Сатурн) или же малогабаритный аккумуляторный щелочной элемент. Ток подзаряда буферного элемента должен на 5 — 10 % превышать ток накала лампы. Нить накала лампы соединяется с элементом через ограничительное сопротивление. Сопротивление катодной нагрузки 200 — 500 ком соединяется с положительным концом нити.
 

В яшике собрана батарея из сухих гальванических элементов, соединенных последовательно в две самостоятельные секции с равным количеством элел ентон в каждой секции.
 

Нашатырь МН4С1 применяют для изготовления сухих гальванических элементов, при лужении и паянии. Применение нашатыря при паянии основано на способности его разлагаться на аммиак и хлористый водород, соприкасаясь с раскаленными окислами металлов.
 

Диоксид марганца входит в состав сухих гальванических элементов.
 

Батареи типов 3336Л и 3336У из сухих гальванических элементов ( ГОСТ 2583 — 70) стаканчиковой конструкции электрохимической системы цинк-двуокись марганца, предназначенные для карманных фонарей и другой аппаратуры в качестве источников электроэнергии.
 

Источником питания служат две батареи из сухих гальванических элементов напряжением 4 5 В каждая.
 

Имеются разные способы продолжения срока службы израсходованных сухих гальванических элементов и батарей. Иногда используется способ подзарядки элементов постоянным электрическим током. При этом, конечно, не происходит обратного процесса восстановления активной массы электродов, а используется следующее явление. В не полностью разряженном элементе активная масса израсходована не вся, а при прохождении через элемент электрического тока облегчается процесс химической реакции, которая была затруднена из-за появления побочных продуктов реакции. Гальванический элемент не выдерживает больше двух-трех таких циклов заряд — разряд. Активная масса его электродов при этом полностью расходуется и элемент выходит из строя.
 

Источником питания моста служит батарея из сухих гальванических элементов типа КБВ-Х-070 ( ГОСТ 2583 — 70) с номинальным напряжением 4 1 в. В корпусе моста предусмотрена камера для источника питания.
 

Область применения

Область применения батареек и аккумуляторов типа «С» очень широка. Портативные источники электроэнергии используются в устройствах, в которых наблюдается повышенное электропотребление.

Кроме того, такие элементы питания могут устанавливаться последовательно, поэтому с их помощью можно обеспечить работоспособность устройств, для работы которых требуется значительно большее напряжение, чем 1,5 или 3,7 Вольта.

Наиболее часто источники питания этого типа можно обнаружить в батарейных отсеках следующих устройств:

1. Радиоприемников.
2. Фонарей.
3. Измерительных приборов.
4. Детских игрушек.

Элементы питания могут типа «С» могут устанавливаться не только в портативные устройства, но и в стационарно расположенные бытовые приборы. Например, с помощью одной или двух батареек может осуществляться запал горючего в газовых плитах или водогрейных колонках.

Путь на ощупь

Люди с древности сталкивались с электрическими явлениями, но не могли их правильно объяснить. Греческий философ VII в. до н. э. Фалес, заметив, что потёртый о шерсть янтарь притягивает лёгкие предметы, объяснил это свойством самого янтаря, не ведая, что и другие вещества могут обладать такими «способностями».

Наблюдение Фалеса, так и не получив внятного толкования, было забыто и воскресло только в 1600 г. в опытах английского физика Уильяма Гильберта. Гильберт обнаружил, что одни тела, подобно янтарю, после натирания притягивают лёгкие предметы, а другие — нет. Гильберт назвал эту притягивающую силу «электричеством» (от лат. electricus — «янтарный») и впервые твёрдо заявил о существовании в природе некого неведомого явления, требующего изучения.

Уильям Гильберт

Разница между щелочными и литиевыми батарейками

Литиевые элементы считаются передовым типом. Они имеют другой состав, в чем разница с прочими типами. Они отличаются от солевых или щелочных батареек полной герметичностью, небольшой массой, работоспособностью в морозы до -40°C, малым саморазрядом. Так, при втрое меньшем весе относительно щелочных элементов литиевые существенно превосходят их по длительности эксплуатации. Спустя 10 лет использования остаточная энергия составляет более половины емкости. По диапазону напряжения литиевые элементы уступают аналогам другого состава. Этот показатель составляет до 4,5 В. Емкость равна 3000 мАч, что соответствует мощным щелочным вариантам. Названные отличия обуславливают примерно вдвое большую стоимость в сравнении с алкалиновыми аналогами, что не позволяет занять ведущие позиции. К тому же существуют литий-ионные элементы.

Оборудование и материалы

Нанесение гальванических покрытий на различные металлы требует использования соответствующего оборудования и расходных материалов. Для хромирования, цинкования, а также для покрытия обрабатываемых деталей другими металлами используется однотипное гальваническое оборудование. Различия при выполнении таких процессов будут заключаться только в составе используемого электролита, его температуре и других режимах выполнения обработки.

Обработка металла методом гальваники выполняется с использованием такого оборудования, как:

• гальванические ванны, в которые заливается электролитический раствор, помещаются аноды и обрабатываемое изделие;
• источник постоянного тока, оснащенный регулятором выходного напряжения;
• нагревательное устройство, при помощи которого электролитический раствор доводят до требуемой рабочей температуры.

Гальваническая ванна с механизмом покачивания

Для выполнения гальваники также необходимы анодные пластины, которые могут быть изготовлены из различных металлов. Назначение таких пластин состоит не только в подаче электрического тока в электролит, а также в равномерном распределении тока по поверхности обрабатываемого изделия, но и в том, чтобы восполнять убыль наносимого на деталь металла, активно расходуемого из состава электролита.

Различные виды гальванических покрытий наносятся с использованием электролитических растворов с разным химическим составом. Для приготовления таких растворов применяются опасные химические вещества, поэтому храниться они должны в герметичных стеклянных емкостях с притертыми крышками. Все химические реагенты, из которых готовится электролитический раствор для гальваники, должны отмеряться в точных количествах, поэтому для выполнения такой процедуры необходимо использовать электронные весы.

Ручная линия гальванопластики драгоценных металлов

Любая линия для выполнения гальваники металлов или простейшее гальваническое оборудование должны устанавливаться в помещениях, оснащенных эффективной вентиляционной системой. Необходимо также очень ответственно отнестись к личной безопасности специалиста, обслуживающего оборудование для гальваники. Все работы, связанные с гальваникой, надо выполнять в респираторе и защитных очках, в плотных резиновых перчатках, клеенчатом фартуке и обуви, способной защитить кожу ног от ожогов. Если этот процесс выполняется в домашних условиях, при этом вы еще в полной мере не знаете, что такое гальванизация, то следует заранее внимательно изучить специальную литературу или посмотреть обучающее видео на эту тему.

Сфера применения

К производству гальванических элементов выдвигают ряд требований. Корпус батареек должен быть надёжным и герметичным. Электролит не должен вытекать, а также нельзя допускать попадания внутрь устройства посторонних веществ. В некоторых случаях при вытекании жидкости она загорается. Повреждённый элемент нельзя использовать. Габариты у всех батареек практически одинаковы, отличаются только размеры аккумуляторов. Элементы могут иметь разную форму: цилиндрическую, призматическую или дисковую.

Сферы применения батареек многочисленны:

• цифровая техника;
• детские игрушки;
• медицинские приборы;
• оборонная и авиационная промышленность;
• космическое производство.

Понятие об электролизе. Принципиальная схема электролизера.

Гальваника — это осаждение металла или оксида на поверхности изделия для придания ему новых функциональных свойств или улучшения внешнего вида. Гальваника выполняется под действием электрического тока, отсюда возникает понятие «электролиз».

Электролиз с практической точки зрения является комплексом окислительно-восстановительных реакций, протекающих под действием электрического тока в электролите.

Электролит — это среда (для классической гальваники — водный раствор), обладающая ионной электрической проводимостью. Проще говоря — жидкость, способная проводить через себя электрический ток. Электрический ток проводится в основном за счет сольватированных в растворителе ионов. Сольватация является своего рода «растаскиванием» ионов из прочной кристаллической решетки твердого вещества диполями воды. В результате каждый ион становится окружен некоторым количеством молекул воды и в этом виде передвигается либо к положительному, либо к отрицательному электроду.

Когда через электролит пропускается электрический ток, то первоначально происходит направленное движение электронов в металлических проводниках. От анода электроны переходят к катоду, в результате чего на аноде образуется избыточный положительный заряд. При включенной электрической цепи с внешним источником тока на растворимом аноде будет происходить отнятие электронов у атомов металла-основы анода, а на нерастворимом — отнятие электронов у тех анионов, которые находятся прианодной области. На катоде же появляется избыточный отрицательный заряд за счет скопившихся на нем электронов. К положительному аноду начинают движение противоположно заряженные анионы, а к катоду — катионы. При этом достигнув электродов они могут претерпевать определенные химические превращения.

Проходящий через электролит ток обычно постоянный, хотя иногда он может быть и переменным или изменяться по определенной функции. В любом случае, мы всегда сможем выделить катодный (восстановление) и анодный (окисление) процессы.

Электролиз не обязательно должен происходить только в водных растворах. Существуют также неводные электрохимические системы на основе органических (в основном апротонных) растворителей, солевых расплавов и даже твердых электролитов, однако их применение в промышленности для получения металлических покрытий ограничено, а в случае твердых электролитов — вообще невозможно.

 В гальванике, исходя из вышеприведенной схемы, может быть три варианта организации процесса:1. Электролиз с растворимыми анодами. Металл анода растворяется и его ионы переходят в раствор, а на катоде эти же ионы восстанавливаются и осаждается металлическое покрытие. Примеры такого процесса — цинкование, меднение, никелирование и т.п.

 2. Электролиз с нерастворимыми анодами. Анод не растворяется, на нем происходит побочная реакция, например, выделение кислорода. На катоде происходит восстановление металла, ионы которого подтягиваются из электролита. Происходит непрерывное снижение концентрации ионов металла в растворе.

 3. Анодирование — получение оксидного покрытия на детали, завешенной в ванну анодом, на катоде идет выделение водорода.Устройство для проведения электролиза называется электролизером. Небольшой лабораторный электролизер принято называть ячейкой, в то время как промышленная установка будет называться гальванической ванной.

Схема простейшего электролизера (рисунок 1 и 2) всегда включает в себя:

• электролит, через который протекает электрический ток;

• катод(ы) — покрываемые детали (отрицательный электрический полюс, на котором происходит процесс принятия электронов — восстановления).

• Катод, на который наносится покрытие также может называться подложкой или основой, а покрытие на катоде — осадком;

• аноды — противоэлектроды (положительный электрический полюс, на котором происходит процесс отдачи электронов — окисления);

• источник электрического тока.

 В случае нанесения анодного оксидного покрытия, например, на алюминии (процесс анодирования), покрываемые изделия находятся на аноде, а катоды выполняют роль противоэлектродов.

 Электролизер может комплектоваться и дополнительным оборудованием:• нагреватели; • системы перемешивания; • системы фильтрации;• бортовые отсосы;• крышки;• датчики технологических параметров (температуры, рН, уровень, потенциал, концентрация компонентов и т.п.), дозаторы и другие средства автоматизации.

  Рисунок 1 — Принципиальная схема электролизера

 Рисунок 2 — Реальный электролизер (гальваническая ванна блестящего цинкования из щелочного цинкатного электролита).

Классификация по типу химической реакции

Лабораторные испытания

Прототипы бета-гальванических батарей, разработанные в Nano Diamond Battery, были протестированы в двух лабораториях – Кавендишской лаборатории Кембриджского университета и Ливерморской национальной лаборатории им Э. Лоуренса. Результаты испытаний показали, что творение ученых компании обходили другие элементы питания на основе синтетических алмазов – если те демонстрировали 15-процентный прирост эффективности в сравнении с традиционными батареями, включая литий-ионные, то в случае разработки Nano Diamond Battery этот показатель был 40-процентным.

Форму батарее Nano Diamond Battery можно придать любую

В то же время разработчики пока не могут точно сказать, когда элементы питания, основанные на разработанной ими технологии, начнут использоваться повсеместно. Первые версии таких элементов питания, пригодные для повседневного использования, могут появиться в течение двух лет.

В российских банках появляются самообучаемые СХД
ИТ в банках

По их заявлению, использование таких батарей, к примеру, электромобилях намного более эффективно в сравнении с литиевыми. При тех же габаритах они смогут нести в себе большее количество энергии, а использование дешевого искусственного алмаза вместо дорогого лития позволит снизить итоговую стоимость электрокаров.

Способ четвертый: батарейка в пивной банке

Анодом батарейки служит алюминиевый корпус банки из-под пива. Катодом – графитовый стержень.

• кусок пенопласта толщиной более 1 см;
• угольная крошка или пыль (можно применить то, что осталось от костра);
• вода и обычная поваренная соль;
• воск или парафин (можно использовать свечи).

От банки нужно отрезать верхнюю часть. Затем сделать кружок из пенопласта по размеру дна банки и вставить его внутрь, заранее сделав посередине отверстие для графитового стержня. Сам стержень вставляется в банку строго по центру, полость между ним и стенками заполняется угольной крошкой. Затем приготавливается водный раствор соли (на 500 мл воды 3 столовых ложки) и заливается в банку. Чтобы раствор не вылился, края банки заливаются воском или парафином.

Для подключения проводов к графитовым стержням можно использовать бельевые прищепки.

Принцип работы

Литиевая батарея известна как «электронный насос» из-за носителей заряда, перемещающихся между двумя электродами во время зарядки и разрядки. Электрическое (насосное) давление или разность потенциалов между положительной и отрицательной клеммами называется напряжением или электродвижущей силой (ЭДС). Свободная энергия, связанная с переносом электронов вокруг внешней цепи и ионов лития между двумя интеркалирующими электродами, связана с разницей в химическом потенциале лития в двух электродах.

Элементы батареи накапливают энергию химически в своих электроактивных материалах. Эта химическая энергия преобразуется в электрическую энергию по требованию, посредством электрохимической реакции окисления-восстановления.

Аккумуляторная батарейка

Клетки построены в разряженном состоянии. При зарядке положительный электрод, катод, материал окисляется, ионы Li + де-интеркалируются из слоистого интеркалирующего литиевого источника, например LiCoO2, проходят через электролит.

Когда элемент разряжается, на отрицательном электроде происходит реакция окисления, ионы Li + де-интеркалируются из анода и мигрируют через электролит, чтобы быть повторно интеркалированными в материал катода. Одновременная реакция электрохимического восстановления протекает на положительном электроде и принимает электроны из внешнего контура, ионы Li + из электролита, чтобы преобразовать исходный материал. Переход от электронного тока к ионному току происходит на границе раздела электрод/электролит.

• Реакция восстановления положительного электрода (катода): Li 1 -xCoO 2 + xLi + + xe- → LiCoO2
• Реакция окисления отрицательного электрода (анода): LiC 6 → xLi + + xC6 + e-
• Общая обратимая, окислительно-восстановительная, клеточная реакция: LiC 6 + CoO 2 C6 + LiCoO 2

Применение ячеек

Похожие записи:

Выбор импульсных зарядных устройств для автомобильного аккумулятора Как подключить бра с выключателем шнурком, цепочкой Гофрированная труба для вытяжки и ее преимущества Оптоволоконные линии связи: неограниченные возможности Какой дифавтомат поставить? Рекани анжело люстры