תאים גלווניים - מכשיר, עיקרון הפעולה, סוגים ומאפיינים עיקריים

תנאים מוקדמים להופעת תאים גלווניים. קצת היסטוריה. בשנת 1786 גילה הפרופסור לרפואה האיטלקית, הפיזיולוג לואיג'י אלואיסיו גלווני תופעה מעניינת: שרירי רגליה האחוריות של גווייה חדשה שנפתחה של צפרדע שהושעה על ווים נחושת התכווצו כשהמדען נגע בהן באיזמל פלדה. גלווני הסיק מיד שמדובר בביטוי של "חשמל מהחי".

לאחר מותו של גלווני, אלסנדרו וולטה בן זמנו, כימאי וכפיסיקאי, יתאר ויפגין בפומבי מנגנון ריאלי יותר להתרחשות הזרם החשמלי כאשר מתכות שונות באות במגע.

וולטה, לאחר סדרת ניסויים, יגיע למסקנה החד-משמעית כי הזרם מופיע במעגל בגלל נוכחותו של שני מוליכים של מתכות שונות שהונחו בנוזל, וזה בכלל לא "חשמל מהחי", כפי שחשב גלווני. התכווצות רגלי הצפרדע הייתה תוצאה של פעולת הזרם הנובעת ממגע של מתכות שונות (ווים נחושת ואזמל פלדה).

וולטה יציג את אותן תופעות שגלווני הראה על צפרדע מתה, אך על אלקטרומטר תוצרת בית לחלוטין, ובשנת 1800 ייתן הסבר מדויק על הזרם: "המוליך סוג 2 (נוזל) נמצא באמצע ונמצא בקשר עם שני מוליכים מהשורה הראשונה של שני שונים מתכות ... כתוצאה מכך נוצר זרם חשמלי בכיוון זה או אחר. "

באחד הניסויים הראשונים, הנפילה וולטה שתי צלחות - אבץ ונחושת לצנצנת של חומצה וחיברה אותן לחוט. לאחר מכן, צלחת האבץ החלה להתמוסס, ובועות גז נוצרו על פלדת הנחושת. וולטה הציע והוכיח כי זרם חשמלי זורם דרך החוט.

כך הומצא "תא הוולטה" - התא הגלווני הראשון. מטעמי נוחות, וולטה העניקה לו צורה של גליל אנכי (עמוד), המורכב מטבעות מחוברות זו מזו של אבץ, נחושת ובד ספוג בחומצה. עמוד וולט בגובה חצי מטר יצר מתח רגיש לבני אדם.

מאז תחילת המחקר הניח לואיג'י גלווני, השם מקור זרם כימי שמר את זכרו בשמו.

תא גלווני הוא מקור כימי לזרם חשמלי, המבוסס על אינטראקציה של שתי מתכות ו / או תחמוצות שלהם באלקטרוליט, מה שמוביל להופעת זרם חשמלי במעגל סגור. כך, בתאים גלווניים, אנרגיה כימית מומרת לאנרגיה חשמלית.

תאים היום

תאים כיום נקראים סוללות. שלושה סוגים של סוללות נפוצים: מלוחים (יבשים), אלקליין (הם נקראים גם אלקליין, "אלקליין" בתרגום מאנגלית - "אלקליין") וליתיום. העיקרון של עבודתם זהה לתאר על ידי וולטה בשנת 1800: שתי מתכות אינטראקציה באמצעות אלקטרוליט, וזרם חשמלי מתעורר במעגל סגור חיצוני.

מתח הסוללה תלוי במתכות ששימשו ובמספר התאים ב"מצבר ". מצברים, בניגוד לסוללות, אינם מסוגלים לשחזר את תכונותיהם, מכיוון שהם ממירים ישירות אנרגיה כימית, כלומר את האנרגיה של המגיבים (מפחית ומחמצנים) המרכיבים את הסוללה, לאנרגיה חשמלית.

הריגנטים הכלולים בסוללה נצרכים במהלך פעולתם, הזרם יורד בהדרגה, לכן פעולת המקור מסתיימת לאחר שהגיבויים מגיבים לחלוטין.

אלמנטים אלקליין ומלח (סוללות) נמצאים בשימוש נרחב להפעלת מגוון מכשירים אלקטרוניים, ציוד רדיו, צעצועים וליתיום, לרוב ניתן למצוא במכשירים רפואיים ניידים כמו מד גלוקוז בדם או בטכנולוגיה דיגיטלית כמו מצלמות.

סוללות מלח

תאי אבץ מנגן, המכונים סוללות מלח, הם תאים גלווניים "יבשים", שבתוכם אין פיתרון אלקטרוליטי נוזלי.

אלקטרודת אבץ (+) היא קתודה בצורת כוס, ותערובת אבקתית של דו תחמוצת מנגן וגרפיט משמשת כאנודה. זרם זורם דרך מוט גרפיט. כאלקטרוליט משתמשים בעיסה מתמיסה של אמוניום כלוריד בתוספת עמילן או קמח לעיבוי, כך ששום דבר לא זורם.

בדרך כלל, יצרני הסוללות אינם מציינים את ההרכב המדויק של מרכיבי המלח, אולם סוללות המלח הן הזולות ביותר, הן משמשות בדרך כלל במכשירים בהם צריכת האנרגיה נמוכה ביותר: בשעות, בשלטים, במדחומים אלקטרוניים וכו '.

 

לעתים רחוקות משתמשים במושג "קיבולת נומינלית" לאפיון סוללות מנגן-אבץ, מכיוון שהיכולת שלהם תלויה מאוד בתנאי ההפעלה ובתנאים. החסרונות העיקריים של אלמנטים אלה הם קצב הפחתת מתח משמעותי לאורך כל הפריקה וירידה משמעותית בקיבולת הפלט עם הגדלת זרם הפריקה. מתח הפריקה הסופי מוגדר בהתאם לעומס בטווח 0.7-1.0 וולט.

חשוב לא רק את גודל זרם הפריקה, אלא גם את לוח הזמנים של העומס. עם פריקות לסירוגין של זרמים גדולים ובינוניים, ביצועי הסוללות גדלים באופן משמעותי בהשוואה לפעולה רציפה. עם זאת, עם זרמי פריקה קטנים וחודשים של הפרעות בפעולה, קיבולם עשוי להצטמצם כתוצאה מהפריקה העצמית.

הגרף לעיל מציג את עקומות הפריקה של סוללת מלח ממוצעת למשך 4, 10, 20 ו -40 שעות לצורך השוואה לאלה בסיסית, שנדון בהמשך.

סוללות אלקליות (אלקליות)

מצבר אלקליין הוא סוללה גלוונית של מנגן-אבץ, בה משמשת דו תחמוצת המנגן כקתודה, אבץ אבקה משמש כאנודה, ופתרון אלקלי משמש כאלקטרוליט, בדרך כלל בצורה של משחת אשלגן הידרוקסיד.

לסוללות אלה מספר יתרונות (בפרט, קיבולת גדולה משמעותית, ביצועים טובים יותר בטמפרטורות נמוכות וזרמי עומס גבוהים).

סוללות אלקליות, בהשוואה לסוללות מלח, יכולות לספק זרם רב יותר למשך זמן רב. זרם גדול יותר אפשרי מכיוון שמשמש כאן אבץ לא בצורה של זכוכית, אלא בצורה של אבקה עם שטח מגע גדול יותר עם האלקטרוליט. אשלגן הידרוקסיד בצורת משחה משמש כאלקטרוליט.

בזכות יכולתם של תאים גלווניים מסוג זה להעביר זרם משמעותי (עד 1 A) למשך זמן רב, סוללות אלקליות נפוצות ביותר כיום.

בצעצועים חשמליים, בציוד רפואי נייד, במכשירים אלקטרוניים, במצלמות, משתמשים בכל מקום בסוללות אלקליות. הם מגישים פי 1.5 יותר ממלח אם הפריקה בעלת זרם נמוך. התרשים מציג את עקומות הפריקה בזרמים שונים להשוואה עם סוללת מלח (הגרף ניתן לעיל) למשך 4, 10, 20 ו- 40 שעות.

סוללות ליתיום

סוג נוסף נפוץ למדי של תאים גלווניים הוא סוללות ליתיום - תאים גלווניים בודדים שאינם נטענים בהם ליתיום או תרכובותיו משמשים כאנודה. בשל השימוש במתכות אלקליות יש להן הפרש פוטנציאל גבוה.

הקתודה והאלקטרוליט של תא ליתיום יכולים להיות שונים מאוד, ולכן המונח "תא ליתיום" משלב קבוצה של תאים עם אותו חומר אנודה.כקתודה ניתן להשתמש, למשל, דו תחמוצת המנגן, monofluoride פחמן, פיריט, תיוניל כלוריד וכו '.

סוללות ליתיום נבדלות מסוללות אחרות בזכות זמן הריצה הגבוה והעלות הגבוהה שלהן. תלוי בגודל שנבחר ובחומרים הכימיים שבהם נעשה שימוש, סוללת ליתיום יכולה לייצר מתח מתח 1.5 וולט (תואם סוללות אלקליין) ל -3.7 וולט.

לסוללות אלה יש את הקיבולת הגבוהה ביותר למסת יחידה ואורך מדף ארוך. תאי ליתיום נמצאים בשימוש נרחב בציוד אלקטרוני נייד ומודרני: להפעלת שעונים על לוחות אם למחשבים, להפעלת מכשירים רפואיים ניידים, שעונים, מחשבונים, בציוד צילום וכו '.

הגרף למעלה מציג את עקומות הפריקה לשתי סוללות ליתיום משני יצרנים פופולריים. הזרם ההתחלתי היה 120 מיליאמפר (לכל נגר בסדר גודל של 24 אוהם).

ראה גם: סוללות נטענות מודרניות - יתרונות וחסרונות