गॅल्व्हॅनिक पेशी आणि बॅटरी - डिव्हाइस, ऑपरेशनचे सिद्धांत, प्रकार

विद्युत उर्जेचे कमी उर्जा स्त्रोत

गॅल्व्हॅनिक सेल आणि बॅटरी पोर्टेबल इलेक्ट्रिकल आणि रेडिओ उपकरणांना उर्जा देण्यासाठी वापरल्या जातात.

गॅल्व्हनिक पेशी - हे एक-वेळच्या क्रियांचे स्त्रोत आहेत, संचयक — पुन्हा वापरता येण्याजोगे कृती स्रोत.

सर्वात सोपा गॅल्व्हॅनिक घटक

सर्वात सोपा घटक दोन पट्ट्यांपासून बनविला जाऊ शकतो: तांबे आणि जस्त पाण्यात बुडवलेले सल्फ्यूरिक ऍसिडसह थोडेसे ऍसिड केलेले. जर झिंक पुरेसे शुद्ध असेल तर स्थानिक प्रतिक्रिया नसतील, तर तांबे आणि जस्त एकत्र येईपर्यंत कोणतेही लक्षणीय बदल होणार नाहीत.

तथापि, पट्ट्यांमध्ये भिन्न क्षमता असते, एक दुसऱ्याच्या संदर्भात, आणि जेव्हा वायरने जोडली जाते तेव्हा दिसून येईल वीज… या क्रियेने झिंकची पट्टी हळूहळू विरघळेल आणि तांब्याच्या इलेक्ट्रोडजवळ वायूचे फुगे तयार होतील, त्याच्या पृष्ठभागावर जमा होतील. हा वायू इलेक्ट्रोलाइटद्वारे तयार केलेला हायड्रोजन आहे. तांब्याच्या पट्ट्यातून विद्युत प्रवाह तारेच्या बाजूने झिंक पट्टीकडे वाहतो आणि त्यातून इलेक्ट्रोलाइटद्वारे परत तांब्याकडे जातो.

हळूहळू, इलेक्ट्रोलाइटचे सल्फ्यूरिक ऍसिड झिंक इलेक्ट्रोडच्या विरघळलेल्या भागातून तयार झालेल्या झिंक सल्फेटद्वारे बदलले जाते. यामुळे सेलचे व्होल्टेज कमी होते. तथापि, तांबे वर गॅस फुगे तयार झाल्यामुळे आणखी जास्त व्होल्टेज ड्रॉप होते. दोन्ही क्रियांमुळे 'ध्रुवीकरण' होते. अशा वस्तूंचे जवळजवळ कोणतेही व्यावहारिक मूल्य नसते.

गॅल्व्हनिक पेशींचे महत्त्वाचे मापदंड

गॅल्व्हॅनिक पेशींनी दिलेल्या व्होल्टेजची परिमाण केवळ त्यांच्या प्रकारावर आणि उपकरणावर अवलंबून असते, म्हणजेच इलेक्ट्रोडच्या सामग्रीवर आणि इलेक्ट्रोलाइटच्या रासायनिक रचनेवर, परंतु पेशींच्या आकारावर आणि आकारावर अवलंबून नसते.

गॅल्व्हॅनिक सेल प्रदान करू शकणारा प्रवाह त्याच्या अंतर्गत प्रतिकारामुळे मर्यादित आहे.

गॅल्व्हॅनिक सेलचे एक अतिशय महत्त्वाचे वैशिष्ट्य आहे विद्युत क्षमता… विद्युत क्षमता म्हणजे गॅल्व्हॅनिक किंवा स्टोरेज सेल त्याच्या संपूर्ण ऑपरेशनमध्ये, म्हणजेच अंतिम डिस्चार्जच्या सुरुवातीपर्यंत वितरित करण्यास सक्षम असलेली वीज.

सेलद्वारे दिलेली क्षमता, डिस्चार्ज करंटची ताकद गुणाकार करून निर्धारित केली जाते, अॅम्पीयरमध्ये व्यक्त केली जाते, ज्या कालावधीत सेल पूर्ण डिस्चार्ज सुरू होईपर्यंत डिस्चार्ज झाला होता. म्हणून, क्षमता नेहमी अँपिअर-तास (Ah) मध्ये व्यक्त केली जाते.

सेलच्या क्षमतेच्या मूल्यानुसार, पूर्ण डिस्चार्ज सुरू होण्यापूर्वी ते किती तास काम करेल हे आधीच निर्धारित करणे देखील शक्य आहे. हे करण्यासाठी, आपल्याला या घटकासाठी परवानगी असलेल्या डिस्चार्ज करंटच्या सामर्थ्याने क्षमता विभाजित करणे आवश्यक आहे.

तथापि, क्षमता काटेकोरपणे स्थिर नाही. घटकाच्या ऑपरेटिंग परिस्थिती (मोड) आणि अंतिम डिस्चार्ज व्होल्टेजवर अवलंबून ते बर्‍यापैकी मोठ्या मर्यादेत बदलते.

जर सेल जास्तीत जास्त प्रवाहात सोडला गेला आणि त्याशिवाय, व्यत्यय न घेता, तो खूप कमी क्षमता देईल. याउलट, जेव्हा समान सेल कमी प्रवाहाने आणि वारंवार आणि तुलनेने दीर्घ व्यत्ययांसह सोडला जातो, तेव्हा सेल आपली पूर्ण क्षमता सोडून देईल.

सेल क्षमतेवर अंतिम डिस्चार्ज व्होल्टेजच्या प्रभावाबद्दल, हे लक्षात घेतले पाहिजे की गॅल्व्हनिक सेलच्या डिस्चार्ज दरम्यान, त्याचे ऑपरेटिंग व्होल्टेज समान पातळीवर राहत नाही, परंतु हळूहळू कमी होते.

इलेक्ट्रोकेमिकल पेशींचे सामान्य प्रकार

सर्वात सामान्य गॅल्व्हॅनिक पेशी मॅंगनीज-जस्त, मॅंगनीज-हवा, हवा-जस्त आणि मीठ आणि अल्कधर्मी इलेक्ट्रोलाइट्ससह पारा-जस्त प्रणाली आहेत. मीठ इलेक्ट्रोलाइटसह कोरड्या मॅंगनीज-जस्त पेशींचा प्रारंभिक व्होल्टेज 1.4 ते 1.55 V असतो, ऑपरेशनचा कालावधी सकाळी ७ ते ३४० पर्यंत -२० ते -६० तापमानात

क्षारीय इलेक्ट्रोलाइटसह कोरड्या झिंक-मॅंगनीज आणि जस्त-एअर पेशींचा व्होल्टेज 0.75 ते 0.9 V आणि 6 तास ते 45 तासांचा कार्य वेळ असतो.

कोरड्या पारा-जस्त पेशींचा प्रारंभ व्होल्टेज 1.22 ते 1.25 V आणि कार्यकाळ 24 तास ते 55 तासांचा असतो.

कोरड्या पारा-जस्त पेशींमध्ये 30 महिन्यांपर्यंत दीर्घकाळ हमी दिलेली शेल्फ लाइफ असते.

बॅटरीज

बॅटरीज हे दुय्यम इलेक्ट्रोकेमिकल पेशी आहेत. गॅल्व्हॅनिक पेशींच्या विपरीत, असेंब्लीनंतर लगेच बॅटरीमध्ये कोणतीही रासायनिक प्रक्रिया होत नाही.

बॅटरीने विद्युत शुल्काच्या हालचालीशी संबंधित रासायनिक अभिक्रिया सुरू करण्यासाठी, त्याच्या इलेक्ट्रोड्सची (आणि अंशतः इलेक्ट्रोलाइटची) रासायनिक रचना योग्यरित्या बदलणे आवश्यक आहे.इलेक्ट्रोडच्या रासायनिक रचनेतील हा बदल बॅटरीमधून जाणाऱ्या विद्युत प्रवाहाच्या कृती अंतर्गत होतो.

म्हणून, बॅटरीला विद्युत प्रवाह निर्माण करण्यासाठी, प्रथम ती काही बाह्य विद्युत् स्त्रोतांकडून थेट विद्युत प्रवाहाने "चार्ज" करणे आवश्यक आहे.

बॅटरी देखील पारंपारिक गॅल्व्हॅनिक पेशींपेक्षा भिन्न आहेत कारण, डिस्चार्ज केल्यानंतर, त्या रिचार्ज केल्या जाऊ शकतात. चांगली काळजी घेऊन आणि सामान्य ऑपरेटिंग परिस्थितीत, बॅटरी हजारो चार्ज आणि डिस्चार्जपर्यंत टिकू शकतात.
बॅटरीवर चालणारे उपकरण

सध्या, शिसे आणि कॅडमियम-निकेल बॅटरी बहुतेक वेळा व्यवहारात वापरल्या जातात. सल्फ्यूरिक ऍसिडच्या पहिल्या द्रावणात इलेक्ट्रोलाइट म्हणून काम करते आणि दुसऱ्या द्रावणात पाण्यात अल्कली. लीड-ऍसिड बॅटर्यांना ऍसिड आणि निकेल-कॅडमियम-अल्कलाईन बॅटरियां देखील म्हणतात.

बॅटरीच्या ऑपरेशनचे सिद्धांत इलेक्ट्रोडच्या ध्रुवीकरणावर आधारित आहे इलेक्ट्रोलिसिस दरम्यान... सर्वात सोपी ऍसिड बॅटरीची रचना खालीलप्रमाणे आहे: ती इलेक्ट्रोलाइटमध्ये बुडलेल्या दोन लीड प्लेट्स आहेत. रासायनिक प्रतिस्थापन प्रतिक्रियेच्या परिणामी, प्लेट्स Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2 या सूत्रानुसार खालीलप्रमाणे लीड सल्फेट PbSO4 च्या पातळ आवरणाने झाकल्या जातात.

ऍसिड बॅटरी उपकरण

प्लेट्सची ही स्थिती डिस्चार्ज केलेल्या बॅटरीशी संबंधित आहे. जर बॅटरी आता चार्जिंगसाठी चालू केली असेल, म्हणजेच डायरेक्ट करंट जनरेटरशी जोडलेली असेल, तर इलेक्ट्रोलिसिसमुळे त्यामध्ये प्लेट्सचे ध्रुवीकरण सुरू होईल. बॅटरी चार्ज केल्यामुळे, त्याच्या प्लेट्सचे ध्रुवीकरण होते, म्हणजे त्यांच्या पृष्ठभागावरील पदार्थ आणि एकसंध (PbSO4) वरून भिन्न (Pb आणि PbO2) मध्ये बदल होतो.

पॉझिटिव्ह इलेक्ट्रोड म्हणून लीड डायऑक्साइडने लेपित प्लेट आणि नकारात्मक इलेक्ट्रोड म्हणून स्वच्छ लीड प्लेटसह बॅटरी वर्तमान स्त्रोत बनते.

चार्जिंगच्या शेवटी, इलेक्ट्रोलाइटची एकाग्रता त्यात अतिरिक्त सल्फ्यूरिक ऍसिड रेणू दिसल्यामुळे वाढते.

हे लीड-ऍसिड बॅटरीच्या वैशिष्ट्यांपैकी एक आहे: त्याचे इलेक्ट्रोलाइट तटस्थ राहत नाही आणि बॅटरीच्या ऑपरेशन दरम्यान स्वतः रासायनिक अभिक्रियांमध्ये भाग घेते.

डिस्चार्जच्या शेवटी, बॅटरीच्या दोन्ही प्लेट्स पुन्हा लीड सल्फेटने झाकल्या जातात, परिणामी बॅटरी विद्युत् प्रवाहाचे स्त्रोत बनते. बॅटरी कधीही या स्थितीत आणली जात नाही. प्लेट्सवर लीड सल्फेट तयार झाल्यामुळे, डिस्चार्जच्या शेवटी इलेक्ट्रोलाइटची एकाग्रता कमी होते. जर बॅटरी चार्ज झाली असेल, तर ती पुन्हा डिस्चार्जवर ठेवण्यासाठी ध्रुवीकरण होऊ शकते, इ.

बॅटरी कशी चार्ज करावी

बॅटरी चार्ज करण्याचे अनेक मार्ग आहेत. सर्वात सोपा म्हणजे बॅटरीचे सामान्य चार्जिंग, जे खालीलप्रमाणे केले जाते. सुरुवातीला, प्रत्येक बॅटरीचे व्होल्टेज 2.4 V पर्यंत पोहोचेपर्यंत 5-6 तासांसाठी, दुप्पट सामान्य प्रवाहाने चार्जिंग केले जाते.

सामान्य चार्जिंग वर्तमान सूत्र Aztax = Q / 16 द्वारे निर्धारित केले जाते

जेथे Q — बॅटरीची नाममात्र क्षमता, आह.

त्यानंतर, चार्जिंग करंट सामान्य मूल्यापर्यंत कमी केला जातो आणि चार्जिंग समाप्त होण्याची चिन्हे दिसेपर्यंत चार्जिंग 15-18 तास चालू राहते.

आधुनिक बॅटरी

निकेल-कॅडमियम किंवा अल्कधर्मी बॅटरी लीड बॅटरीपेक्षा खूप नंतर दिसू लागल्या आणि त्यांच्या तुलनेत रासायनिक प्रवाहाचे अधिक आधुनिक स्त्रोत आहेत.लीड बॅटरीपेक्षा अल्कधर्मी बॅटरीचा मुख्य फायदा प्लेट्सच्या सक्रिय जनतेच्या संबंधात त्यांच्या इलेक्ट्रोलाइटच्या रासायनिक तटस्थतेमध्ये आहे. म्हणून, अल्कधर्मी बॅटरीचे स्वयं-डिस्चार्ज लीड-ऍसिड बॅटरीपेक्षा लक्षणीय कमी आहे. अल्कधर्मी बॅटरीच्या ऑपरेशनचे सिद्धांत देखील इलेक्ट्रोलिसिस दरम्यान इलेक्ट्रोडच्या ध्रुवीकरणावर आधारित आहे.

रेडिओ उपकरणांना उर्जा देण्यासाठी, सीलबंद कॅडमियम-निकेल बॅटरी तयार केल्या जातात, ज्या -30 ते +50 OC पर्यंत तापमानात प्रभावी असतात आणि 400 - 600 चार्ज-डिस्चार्ज चक्रांचा सामना करतात. हे संचयक काही ग्रॅम ते किलोग्रॅम वजनाच्या कॉम्पॅक्ट पॅरालेलीपीड्स आणि डिस्कच्या स्वरूपात बनवले जातात.

निकेल-हायड्रोजन बॅटरी स्वायत्त वस्तूंना शक्ती देण्यासाठी तयार केल्या जातात. निकेल-हायड्रोजन बॅटरीची विशिष्ट ऊर्जा 50 — 60 Wh kg-1 आहे.