Меню

Как изготовить химический источник тока

Источник тока из алюминия своими руками

Перезарядка алюминиевых батарей отличается от зарядки аккумуляторов на основе лития. Но тем не менее в ней нет ничего сложного, просто нужно вставить новый алюминий, вылить электролит и налить новый электролит, все — по сути, то же самое, что и бензиновый автомобиль, только это уже электромобиль, и нет никаких нагрузок на электросети. К тому же не нужно плодить огромное количество розеток с проводами с огромным сечением, чтобы все эти электромобили зарядить.

Но тут не все так гладко. Достать электричество из алюминия оказывается совсем не так просто, как хотелось бы. Сперва давайте разберемся в чем заключается принцип алюминий-воздушной батареи.

Чтобы такая батарея начала работать понадобятся 2 электрода: один естественно из алюминия, а второй — из графита. Оба эти электрода находятся в растворе электролита.

В качестве электролита можно использовать поваренную соль (NaCl), но с ней можно поднять напряжение примерно до 0,7В. Щелочным электролитом (NaOH) напряжение можно поднять уже больше, примерно до 1В.

В ходе химической реакции алюминий покрывается слоем гидроксида алюминия (Al(OH)3), который плавно опускается на дно емкости. А на поверхности электрода из графита образуются пузырьки водорода, которые в свою очередь приводят к повышению сопротивления и падению напряжения, этот процесс называется поляризацией.

Для запуска реакции щёлочи нам понадобится совсем чуть-чуть, будет достаточно 1г щёлочи на 0,5л воды.

Первым делом давайте проверим действительно ли в данной батареи нужно использовать графитовый электрод. Для опыта возьмем вот такой вот электрод из нержавеющей стали.

С данным электродом получилось напряжение 1,3В, ток короткого замыкания остановился в районе 17мА. На первый взгляд кажется, что электрод из нержавеющей стали более эффективен, но площадь поверхности нержавеющего электрода больше, так что пока неизвестно что лучше графит или нержавейка.

Так как графит имеет достаточно большое сопротивление, нужно с ним как-то бороться. Необходимо изготовить электроды из хорошо проводящего ток материала, а графит должен быть только на его поверхности. Было решено просверлить графит насквозь, и в получившихся отверстиях нарезать резьбу под болты м6.

В итоге получился стальной электрод с графитовой оболочкой.


На лицо уменьшение сопротивления, а, следовательно — эффективность конструкции возрастет. В дальнейших экспериментах будем использовать дистиллированную воду.

Первый эксперимент с электролитом, в котором 4г щелочи на 1л воды.



Даже несмотря на то, что у такая простая батарея обладает не большой отдачей по току, но зато такая батарея может работать очень долго, а в качестве электродов можно использовать любой алюминий, который легко переплавить в электроды любой формы, например, алюминиевые банки из-под различных алкогольных и безалкогольных напитков, фольга от шоколада и т.п.

В итоге, после всех проделанных экспериментах с различной концентрацией электролита, становится понятно, что при такой конструкции батареи не имеет смысла добавлять более 12г щелочи на 1 литр воды, то есть у нас получается примерно 1% раствор.

Источник

ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ: САМОДЕЛЬНАЯ БАТАРЕЯ

Каждому из нас знакомы химические источники тока различных типов и форм. Но как это часто случается, мы редко задумываемся о том, как устроен этот совершенно привычный и обыденный предмет. А между тем, появление первых химических источников тока, положило начало превращению электричества из лабораторной диковинки в нашего повседневного помощника.

В 1790 г. итальянский физиолог Луиджи Гальвани заметил, что лапка препарированной лягушки дергается, если к ней одновременно прикоснуться двумя инструментами из разных металлов. В то время уже было известно, что мышцы могут сокращаться под действием электрического тока, так, что Гальвани правильно приписал это явление действию электрического тока. Правда, он считал, что электрический ток появляется благодаря каким-то физиологическим процессам в лапке лягушки.

Правильное объяснение этому явлению смог дать другой итальянский ученый Алессандро Вольта. Он установил, что это явление связано с наличием двух разнородных металлов, соприкасающихся с электролитом, в роли которого выступала кровь лягушки, а сама лапка играла лишь роль чувствительного индикатора электрического тока [1]. Опираясь на свои исследования Вольта в 1799г. создал первый химический источник тока. В этом устройстве Вольта использовал медный и цинковый электроды, погруженные в раствор серной кислоты.

Цинк бурно реагирует с кислотами. В раствор переходят не атомы цинка, а положительные ионы, так что в электроде остается избыток электронов, следовательно, цинковая пластина заряжается отрицательно. Вообще, большинство металлов при погружении в электролит заряжается отрицательно, на поверхности медной пластинки протекает подобный процесс. Но избыток отрицательных зарядов на медном электроде гораздо меньше, а значит, относительно цинкового электрода его потенциал получается более высоким. Если соединить внешним проводником медную и цинковую пластины, то электроны начнут перемещаться с цинковой пластины на медную, т.е. в цепи потечет электрический ток [2].

Электрическое напряжение, возникающее между электродами, зависит от того, из каких металлов изготовлены электроды и от их взаимодействия с электролитом. Напряжение, даваемое элементом, никак не зависит от площади пластин.

Часто напряжения, даваемого одним гальваническим элементом, недостаточно. Тогда их можно соединять последовательно в батареи.

Вообще изготовить химический источник тока совсем нетрудно: надо поместить в электролит две пластинки из разных металлов [3]. Такие гальванические элементы возникают самопроизвольно. Например, намочил дождь крышу, покрытую оцинкованным железом, на железе наверняка имеются царапины, так, что и железо, и цинк вступили в контакт с водой, которая играет роль электролита. Цинк в такой паре начнёт активно разрушаться, а вот железо не пострадает, пока не разрушится весь цинк. Именно для этого и покрывают железо слоем цинка.

По той же самой причине скручивать вместе медные и алюминиевые провода, это, мягко говоря, не самая лучшая идея. В месте контакта начнется гальваническая коррозия, которая приведет к росту электрического сопротивления контакта, что в свою очередь приведет к большему выделению тепла и еще более быстрой коррозии. Все вместе это может стать причиной разрушения соединения и даже пожара.

Нагляднее всего можно пронаблюдать гальваническую коррозию на примере контактов железа с цинком и медью в растворе соли. Железные скрепки были надеты на цинковую и медную пластины и погружены в раствор соли.

Через сутки скрепка, соединенная с медной пластиной, покрылась ржавчиной. В то время, как скрепка, бывшая в контакте с цинком, совершенно не пострадала.

Ученые составили электрохимический ряд напряжений металлов. Чем дальше друг от друга отстоят металлы в этом ряду, тем более высокое напряжение дает гальванический элемент, составленный из этих металлов. Так пара золото – литий теоретически может дать электродвижущую силу (ЭДС) 4,72 В. Но такая пара в водной среде работать не сможет – литий это щелочной металл, легко реагирующий с водой, а золото стоит слишком дорого для подобного применения.

На практике элемент Вольта обладает рядом серьёзных недостатков.

  1. Во-первых, электролитом ему служит весьма едкая жидкость – раствор серной кислоты. Жидкий электролит всегда представляет собой неудобство или даже опасность. Он может расплескаться, разлиться при повреждении корпуса.
  2. Во-вторых, на медном электроде такого элемента будет выделяться водород. Это явление называется поляризацией. По многим свойствам водород весьма близок к металлам, так что его пузырьки создадут дополнительную ЭДС поляризации, стремящейся вызвать ток противоположного направления [2]. Кроме того, пузырьки газа не пропускают электрический ток, что тоже ведет к ослаблению тока. Поэтому приходится периодически встряхивать сосуд, удаляя пузырьки механически, или вводя в состав электролита специальные деполяризаторы.
  3. В третьих, в процессе работы гальванического элемента Вольта, цинковый электрод постепенно растворяется. Теоретически, когда гальванический элемент не используют, разрушение цинкового электрода должно прекратиться, но поскольку почти всегда в составе цинка есть примеси других металлов, они при соприкосновении с электролитом играют роль второго электрода, образуя короткозамкнутый элемент, что ведет к гальванической коррозии цинкового электрода [2]. Для того, чтобы устранить этот недостаток, приходится использовать сверхчистый цинк или конструктивно предусматривать возможность извлечения цинкового электрода из электролита. Так что когда батарея не используется, электролит из нее следует сливать.

Но для демонстрационных целей всеми этими недостатками можно пренебречь, если заменить серную кислоту более безопасным электролитом.

Изготовление батарейки

При изготовлении демонстрационной батареи гальванических элементов будем использовать стандартную пару – медь и цинк. Медную фольгу можно найти в некоторых трансформаторах. В крайнем случае, можно сделать медный электрод из свернутой в спираль голой медной проволоки [4]. Цинк можно добыть из разрядившихся солевых элементов питания, как правило, в них остается достаточно много металлического цинка даже, когда элемент непригоден к дальнейшему использованию. Вместо раствора кислоты, возьмем 10% раствор поваренной соли. В качестве емкости для электролита взяты пластиковые емкости от витаминов объемом примерно 50-100 мл.

В качестве контактов использованы винты, которые одновременно закрепляю электроды на крышке. При этом крайне желательно крепить медные электроды латунным винтом. Цинковую пластину можно без проблем крепить стальным винтом. Для герметизации под гайку подложена подходящая по размеру резиновая сантехническая прокладка.

Читайте также:  Зависимость температуры проводника от силы тока в нем

Батарея из трех гальванических элементов позволяет питать светодиод.

Напряжение на одном элементе батареи составляет около 1 В.

Ток, отдаваемый в нагрузку, составляет около 0,23 мА

Такого тока достаточно для свечения светодиода. Однако на фотографии это свечение можно заметить, только если снимать при большой светочувствительности.

Такую батарею можно использовать в школе, например для выполнения лабораторной работы, по определению внутреннего сопротивления источника тока [5].

Источник

Как изготовить химический источник тока

Введение

Недавно, на мой день рождения, мне подарили игрушечного робота, работающего на соленой воде. Я был очень удивлён, что робот работает не от обычной батарейки, а от какого-то необычного источника питания.

Заинтересовав этим вопросом родителей, мы стали изучать научную литературу по данному вопросу. Оказалось, что это обычный химический источник электрического тока – более простой аналог широко известных батареек и аккумуляторов.

Вот так мы и выбрали тему для своего исследования. А помогала нам моя учительница.

Объект исследования: химические источники электрического тока.

Предмет исследования: медно-цинковый элемент питания.

Гипотеза исследования: предположим, что мы сможем в домашних условиях собрать химический источник электрического тока с достаточным напряжением, для работы электродвигателя игрушечного робота.

Цель исследования: изготовить элемент питания на основе химического источника электрического тока.

Задачи исследования:

1. Ознакомиться с устройством и процессами, протекающими в химическом источнике электрического тока.

2. Подобрать материалы и собрать химический источник электрического тока в домашних условиях.

3. Применить на практике изготовленный элемент питания.

Методы исследования: исследование проводилось через анализ, наблюдение, сбор информации из книг, журналов, интернет-сайтов, эксперимент.

Практическая значимость: практическая значимость нашей исследовательской работы заключается в том, что любой заинтересованный человек способен собрать в домашних условиях элементы питания, способные вырабатывать достаточное количество электроэнергии для работы устройств, работающих от одной — двух батареек (1,5 — 3 вольта). Изготовление таких элементов питания не требует особых знаний и умений, а материалы для их изготовления есть в каждом доме.

Глава 1. Основная часть

1.1 Что такое электричество?

В повседневной жизни мы часто сталкиваемся с таким понятием как «электричество». Без электричества представить нашу современную жизнь практически невозможно. Скажите, как можно обойтись без освещения и тепла, без электродвигателя и телефона, без компьютера и телевизора? Электричество настолько глубоко проникло в нашу жизнь, что мы порой и не задумываемся, что это за волшебник помогает нам в работе.

Суть электричества сводится к тому, что поток заряженных частиц движется по проводнику (проводник – это вещество, способное проводить электрический ток) в замкнутой цепи от источника тока к потребителю. Двигаясь, поток частиц выполняет определённую работу. Это явление называется «электрический ток». Силу электрического тока можно измерить. Единица измерения силы тока — Ампер, получила своё название в честь французского ученого, который первым исследовал свойства тока. Имя ученого-физика – Андре Ампер.

Открытие электрического тока и других новшеств, связанных с ним, можно отнести к периоду: конец девятнадцатого — начало двадцатого века. Но наблюдали первые электрические явления люди ещё в пятом веке до нашей эры. Они замечали, что потёртый мехом или шерстью кусок янтаря притягивает к себе лёгкие тела, например, пылинки. Древние греки даже научились использовать это явление – для удаления пыли с дорогих одежд. Ещё они заметили, что если сухие волосы расчесать янтарным гребнем, они встают, отталкиваясь друг от друга.

Вернёмся ещё раз к определению электрического тока. Ток – направленное движение заряженных частиц. Если мы имеем дело с металлом, то заряженные частицы – это электроны. Слово «янтарь» по-гречески – это электрон. Таким образом, мы понимаем, что всем нам известное понятие «электричество» имеет древние корни.

Электричество – это наш друг. Оно помогает нам во всём. Утром мы включаем свет, электрический чайник, ставим подогревать пищу в микроволновую печь, пользуемся лифтом, едем в трамвае, разговариваем по сотовому телефону. Трудимся на промышленных предприятиях, в банках и больницах, на полях и в мастерских, учимся в школе, где тепло и светло. И везде «работает» электричество.

Как и многое в нашей жизни, электричество, имеет не только положительную, но и отрицательную сторону. Электрический ток, как волшебника-невидимку, нельзя рассмотреть, учуять его по запаху. Определить наличие или отсутствие тока можно только, используя приборы, измерительную аппаратуру. Первый случай поражения электрическим током со смертельным исходом был описан в 1862 году. Трагедия произошла при непреднамеренном соприкосновении человека с токоведущими частями. В дальнейшем случаев поражения электрическим током произошло немало.

1.2 Что такое химический ток?

Электрическую энергию можно получать различными способами, один из них осуществляется за счет преобразования энергии химических реакций. Впервые химический ток из химических растворов получил Алессандро Вольта. Он использовал соленую воду и металлы — цинк и медь. Таким образом, была собрана первая соляная батарейка, которую назвали «Вольтовым столбом». Потом ее всячески совершенствовали, но изначально все было предельно просто.

Электрический химический ток вырабатывается в результате высвобождения электронов в процессе окислительно-восстановительных реакций. При этом участвуют непосредственно окислитель, восстановитель (в виде электродов), которые помещены в раствор электролита. «Собрать» ток возможно только при замыкании цепи. Движение электронов осуществляется от отрицательно заряженного электрода к положительному.

1.3 Химическое электричество и его источники.

Одной из основных характеристик источников химического тока, или просто батареек, считается возможность вторичного их использования. Выделяют 3 вида таких источников.

Гальванический элемент. Самые обычные батарейки, которые используются в различных электрических приборах: от фонарика до заводных игрушек. После того как в батарейке расходуется запас химических веществ, реакция проходить больше не может и ток не вырабатывается. Такие батарейки просто выбрасывают. Существуют два вида гальванических элементов, вырабатывающих первичный ток — соляные и щелочные. В первом случае в реакции участвуют электроды из марганца и цинка, а в качестве электролита выступает раствор хлорида аммония с различными загустителями. Во втором, электроды погружены в гидроксид калия. Щелочные элементы обладают большей емкостью и способны работать в более экстремальных условиях.

Аккумуляторы. Повсеместно используются источники вторичного тока, которые заряжаются за счет электроэнергии. В этих случаях возможно возобновление окислительно-восстановительной реакции в реагентах. Для большинства современных электроприборов применяют литий — полимерные аккумуляторы, которые дают больший выход энергии.

Топливные элементы. Мало отличаются от обычных батареек, но действуют по совершенно другому механизму. В этом случае система остается открытой, и необходимые химические вещества постоянно поступают из вне. Причем в качестве восстановителя может выступать обычный водород, а окислителя — воздух или кислород в чистом виде. Такие элементы используются в условиях космического пространства для обеспечения электроэнергией космических станций.

Столь несложные конструкции используются в повседневной жизни каждым. Сейчас трудно представить человека, который, собираясь в дорогу, не возьмет с собой около десятка электроприборов, которые работают либо на батарейках, либо за счет аккумулятора. Современные информационные технологии позволяют работать и общаться далеко от источников электроэнергии за счет именно таких долговечных батареек. И сложно представить, что изобретены они были в самом начале XIX века.

1.4 Классификация первичных химических источников электрического тока.

Классификация первичных химических источников электрического тока предусматривает три группы.

Первая группа — простые элементы Лекланше напряжением 1,5 В. Отрицательными полюсами являются дно цинкового стаканчика, положительный латунный колпачок на конце графитового стержня. Они имеют простой солевой электролит, малую емкость и не имеют специального защитного корпуса; стаканчик обернут кабельной бумагой. В процессе работы элемент быстро разрушается, электролит через бумажную оболочку протекает внутрь аппарата.

Вторая группа — конструктивно усовершенствованные элементы Лекланше. Изделия характеризуются плотной набивкой активных элементов, что увеличивает их емкость на 30%, и наличием более эффективного хлоридного электролита. Показателем качества является внешний вид дна. Если дно отрицательного вывода элемента плоское, то его следует отнести к первой или второй группе. Конструкция дна, выполненная в виде штампованной фасонной шайбы, позволяет отнести элемент к третьей группе.

Третья группа — это элементы с хлоридным электролитом и специальными добавками в активные материалы. Их конструкция более герметична, а между цинковым стаканчиком и металлическим или пластмассовым корпусом есть особая прокладка. Элементы третьей труппы бывают двух разновидностей: емкость у первых увеличена на 60-70%, у вторых — почти вдвое. Их срок годности увеличен до 24 мес. Отсутствие единых требований к маркировке элементов на международном уровне не позволяет точно определить их принадлежность к группам.

Цилиндрические алкалиновые элементы, использующие щелочной электролит и металлический стакан, отличаются высокой степенью герметичности и емкостью, в три раза большей, чем у цементов с хлоридным электролитом. Ил срок службы составляет до 5 лет, а масса на 15-20% больше, чем у предыдущих цементов. В маркировку этих изделий дополнительно вносится буква L.

1.5 Вторичные химические источники тока

К вторичным источникам тока относят аккумуляторы. В них в качестве электролита используют раствор серной кислоты (кислотные аккумуляторы с положительным электродом из диоксида свинца и отрицательным — из губчатого свинца) и раствор гидроксида калия (щелочные аккумуляторы систем гидроксида никель-железа, гидроксида никель-кадмия и др.). Их ассортимент подразделяется по числу элементов, емкости, напряжению и по форме.

Читайте также:  Как взаимодействуют два проводника с током если направления токов совпадают

Номинальная емкость аккумулятора (А*ч) — количество электричества, которое он может отдать при разряде до определенного снижения напряжения. На количество циклов и емкость аккумулятора влияют характер подключения нагрузки (непрерывный, переменный или импульсный), отбираемая мощность (максимальная, средняя, минимальная), режим заряда (нормальный, ускоренный, быстрый/форсированный), постоянный режим подзаряда. Зарядные и разрядные характеристики определяют время стандартного или быстрого заряда и допустимые при этом напряжение и токи. При стандартном времени заряда, емкость аккумулятора больше, чем при быстром, что позволяет обеспечить большие разрядные токи и время работы. При импульсной (повторно-кратковременной) нагрузке, когда время рабочего цикла меньше следующей за ним паузы, величина разрядного тока может быть в несколько раз больше, чем при обычном разряде. Учитывая эти обстоятельства, выпускаются отдельные группы аккумуляторов с одним профилирующим параметром. В конструкции аккумуляторов в виде элементов или батарей предусмотрено наличие встроенного или автономного зарядного устройства.

В бытовой радиоэлектронной аппаратуре широко применяются никель-кадмиевые аккумуляторы. По сравнению с кислотными аккумуляторами щелочные аккумуляторы лучше переносят тряску, короткие замыкания и при равных электрических показателях в три раза легче.

Кислотные аккумуляторы отличаются большой емкостью, способностью подзаряжаться от генератора во время использования, значительным током разряда. В то же время они способны терять свои свойства при хранении и несвоевременной зарядке. Их применяют в автомобилях, например для питания термоэлектрических холодильников. За последние годы конструкция кислотных аккумуляторов существенно изменилась.

Появились необслуживаемые или малообслуживаемые аккумуляторы, обеспечена иммобилизация («неподвижность») электролита, выпушены герметизированные модели, улучшена работа в буферных режимах со сроком службы до 25 лет и увеличением ресурса до 800 циклов. Сформирована единая стандартизация кислотных аккумуляторов.

К преимуществам литиевых аккумуляторов относятся высокое рабочее напряжение 3,6 В, малые габаритные размеры, наличие встроенных микропроцессорных устройств в зарядных системах.

Для удобства потребителей в конструкции химических источников тока (например, алкалические элементы Duracell, Energizer) предусмотрены электрохимические индикаторы, позволяющие оценить величину электрической энергии по интенсивности окраски полосы тестера, появлению надписей или др.

Глава 2. Экспериментальная часть.

Изучив научную литературу по нашей проблеме, мы сделали вывод, что элемент питания нашего робота является хлористосвинцово-магниевым элементом. Это первичный химический источник тока, в котором анодом служит магний, катодом — хлористый свинец в смеси с графитом, а электролитом — водный раствор хлорида натрия, известного нам как поваренная соль. Так как в бытовых условиях мы не имели аналогичных материалов, для создания своего элемента питания мы выбрали медь и цинк. Медь является широкодоступным материалом, а для изготовления цинковой пластины использовали стаканчик щелочной батарейки, предварительно её разобрав.

Оборудование и материалы для проведения эксперимента:

— водный раствор хлорида натрия;

— пластичный диэлектрический материал;

— обрезки медных проводов;

— игрушка «Робот», со съемным химическим источником электрического тока;

— светодиодный фонарь «Яркий луч», работающий от одной батареи типа AA (LR6) 1,5 вольта.

Ход эксперимента: для начала мы протестировали оригинальный элемент питания робота. Он был собран по прилагающийся инструкции и залит электролитом (раствор натрий хлорида и воды, в соотношении один к пяти). Спустя две минуты нами был произведен замер напряжения на контактах элемента питания (Приложение 1).

Следующим этапом эксперимента стало изготовление медно-цинкового элемента питания, с последующим замером выдаваемого им напряжения (Приложение 2).

Так как напряжение нашего источника питания не было достаточным для работы робота, мы изготовили дополнительный элемент питания и соединили их последовательно, для повышения номинального напряжения.

После этого, мы подключили наши элементы питания к контактам электродвигателя робота с помощью медных проводов и убедились в работоспособности батарей (Приложение 3).

В целях контрольной проверки нашего источника питания, мы подключили светодиодный фонарь. Сравнили яркость свечения фонаря от нашего элемента питания и батареи купленной в магазине (Приложение 4).

В результате эксперимента были сделаны следующие наблюдения:

— оригинальный элемент питания, прилагавшийся к роботу, выдал большее напряжение (около 1,5 вольт), но робот проработал лишь 19 минут;

— собранный нами один химический источник электрического тока показал меньшее напряжение ( 0,8 вольт), но 2 последовательно соединенных элемента (1,6 вольт) проработали в течение 87 минут.

— явных различий в яркости свечения светодиодного фонаря мы не обнаружили.

Научное обоснование: в нашем элементе питания цинковый стаканчик действует как анод (отрицательный электрод), а медный стержень – катод (положительный электрод). Электролитом является водный раствор натрия хлорида (раствор поваренной соли).

Химический источник электрического тока собранный нами в домашних условиях с применением легко доступных материалов доказал свою работоспособность. Элементы питания такого вида могут применяться для устройств и приборов с малым энергопотреблением.

Заключение

При проведении нашего эксперимента мы научились изготавливать, из подручных материалов, химический источник электрического тока в домашних условиях. Сделанные нами элементы питания подтвердили нашу гипотезу. Мы смогли получить достаточное напряжение для работы электродвигателя робота и свечения фонаря, на достаточно большой промежуток времени.

Выводы:

Проанализировав научную литературу, мы выяснили, что первый химический источник электрического тока был изобретен более ста лет назад. Со временем начали применяться другие материалы и вещества, улучшающие свойства элементов питания, но строение их практически не изменилось.

Элемент питания, прилагавшийся к роботу – это хлористосвинцово-магниевый элемент. Так как в бытовых условиях мы не имели аналогичных материалов, для создания своего элемента питания мы выбрали медь и цинк. Медь является широкодоступным материалом, а для изготовления цинковой пластины использовали стаканчик щелочной батарейки, предварительно её разобрав. В качестве электролита использовали водный раствор хлорида натрия – растворив поваренную соль в воде, в соотношении один к пяти (в соответствии с инструкцией к хлористосвинцово-магниевому элементу питания робота).

Собранный нами элемент питания показал прекрасный результат по времени работы. Наша батарейка проработала в четыре раза дольше, чем прилагавшийся к роботу элемент питания, но значительно уступила ему по размерам, весу и удобству использования.

Багоцкий, В.С. Химические источники тока/ В. С. Багоцкий, А. М. Скундин. — Москва: Энергоиздат, 1981. – 360 с.

Жуков, В. А. Моя первая энциклопедия/ В. А. Жуков, Ю.Н.Касаткина, Д.С.Щигель – Москва: АСТ, 2010. – 127 с.

Поваляев, О. А. Набор лабораторного оборудования «Электрические явления»/ О.А.Поваляев, Я.В.Надольская – Москва: ООО «Научные развлечения», 2011.

Мариуш, Л. Обо всём на свете/энциклопедия для детей/ Л. Мариуш, Б. Маевская – Москва: Владис, 2013. – 272 с.

Окслейд, К. Юному эрудиту обо всём/энциклопедия для детей/ К. Окслейд, А. Гэнери – Москва: Махаон, 2005. – 112 с.

Источник



Как изготовить химический источник тока

Строительные калькуляторы Расчеты онлайн

Самодельный гальванический элемент для автономного питания

Элемент Вольта

Для питания и зарядки портативной электроники в тех местах, где нет электросети можно успешно использовать на ряду с другими источниками электроэнергии и простейшие химические источники тока, гальванические элементы.

Их использование возможно на дачах при долгосрочном проживании при отсутствии электросети,а также в отдалённых деревнях где или нет совсем электроэнергии, или постоянные перебои с электроснабжением. В советской России химические источники тока или гальванические элементы получили широкое распространение в радиолюбительской технике в середине прошлого столетия, так как эти источники просты в изготовлении и изготовляются из легкодоступных материалов.

Сейчас, когда портативная электроника стала очень экономична в плане электропотребления, её питание от самодельных химических источников тока может оказаться очень эффективным, так как такие источники тока с успехом применяли ещё на заре развития радиотехники. Тогда техника потребляла в разы больше электроэнергии чем современная аппаратура,а сейчас с развитием энергосберегающей светотехники. Например, светодиодной, на освещение тратится в 4-5 раз меньше электроэнергии, чем от потребления обычной лампочки. Также современные мобильные телефоны, КПК и другие гаджеты потребляют ни чуть не больше, а даже меньше, чем радиоаппаратура прошлых десятилетий.

Внимание!

В статье имеются орфографические и пунктуационные ошибки, т.к. материал взят с сайта http://soliaris2010.narod2.ru , и редактирование текста практически осталось как у оригинала. Не судите строго, пожалуйста.

ПРОСТЕЙШИЙ ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ, ЭЛЕМЕНТ ВОЛЬТА

Вольтов столб Первый химический источник тока был изобретён итальянским учёным Алессандро Вольта в 1800 году. Это был элемент Вольта — сосуд с солёной водой с опущенными в него цинковой и медной пластинками, соединенными проволокой. Затем учёный собрал батарею из этих элементов, которая впоследствии была названа Вольтовым столбом. Это изобретение впоследствии использовали другие учёные в своих исследованиях. Так, например, в 1802 году русский академик В. В. Петров сконструировал Вольтов столб из 2100 элементов для получения электрической дуги.

В 1836 году английский химик Джон Дэниель усовершенствовал элемент Вольта, поместив цинковый и медный электроды в раствор серной кислоты. Эта конструкция стала называться «элементом Даниэля».В 1859 году французский физик Гастон Планте изобрёл свинцово-кислотный аккумулятор. Этот тип элемента и по сей день используется в автомобильных аккумуляторах.В 1865 году французский химик Ж.Лекланше предложил свой гальванический элемент (элемент Лекланше), состоявший из цинкового стаканчика, заполненного водным раствором хлористого аммония или другой хлористой соли, в который был помещён агломерат из оксида марганца (IV) MnO2 с угольным токоотводом.

Читайте также:  Эдс формула физика через силу тока

Модификация этой конструкции используется до сих пор в солевых батарейках для различных бытовых устройств.В 1890 году в Нью-Йорке Конрад Губерт, иммигрант из России, создаёт первый карманный электрический фонарик. А уже в 1896 году компания National Carbon приступает к массовому производству первых в мире сухих элементов Лекланше «Columbia». Самый долгоживущий гальванический элемент — серно-цинковая батарея, изготовленная в Лондоне в 1840 г. Подключенный к ней звонок работает и по сей день.

Простейший медно-цинковый элемент состоит из двух электродов-пластин, погруженных в раствор электролита, при погружении в электролит между металлами возникает разница потенциалов. При погружении в раствор повареной соли медной пластины и цинковой возникает разница потенциалов примерно в 1 вольт, и один элемент независимо от размеров имеет напряжение в один вольт, а мощность такого элемента зависит от его размеров и площади пластин погруженных в электролит. Для получения более высокого напряжение эти элементы, как и зоводские батарейки соеденяют последовательно для получения нужного напряжения.

ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕДНОЦИНКОВОГО ЭЛЕМЕНТА

Медно-цинковые источники тока. Производство этих химических источников тока началось еще в 1889 г. В настоящее время они выпускаются в небольших масштабах в виде элементов емкостью от 250 до 1000 А·ч. Гладкие цинковые пластины и пластины из смеси оксида меди, меди и связующего помещают в стеклянный или металлический сосуд с 20%-ным раствором NaОН. Элементы имеют напряжение 0,6-0,7 В и удельную энергию 25-30 Вт·ч/кг. К их достоинствам относится постоянство разрядного напряжения, очень малый саморазряд, безотказность в работе и невысокая цена. Применялись в системах сигнализации и связи на железных дорогах.

В реальных условиях энергоёмкость может сильно отличатся и зависит она от площади пластит, чистоты металлов и плотности электролита.Элемент собранный в литровой банке,с пластинами максимальной площади, двадцати процентным раствором соли в виде электролита, выдаёт напряжение от 0,6-1,1 вольта,10-20а/ч,но в таких элементах очень маленький разрядный ток маленький ,и ток замыкания может быть около 100-150мА/ч.,а чем меньше подсоединенный источник потребляет, тем больше медно-цинковый элемент может вырабатывать электроэнергии. Элемент собранный в литровой банке при токе разряда 50 мА/ч проработает от 200часов до 400часов и более и более,но со временем пластины окисляются и напряжение падает и в итоге элемент перестаёт работать. Для восстановления элемента надо заменить электролит и очистить пластины от окисления и элемент снова будет работать.

Процесс окисления зависит от разрядного тока чем он выше ,тем быстрее элемент выйдет из строя,но в среднем элемент в литровой банке до чистки и перезарядки ,при разрядном токе 50 мА/ч проработает около 3-4 месяца,а при разрядном токе в 2-5 мА/ч его хватит на год и более.Простого литрового элемента не хватит для питания даже простого миниатюрного радиоприемника,и для того чтобы получить нужные характеристики нужно собрать блок из нескольких элементов.

Сейчас в основном вся портативная электроника питается напряжением в 3,6-4,5 вольта ,и для того чтобы получить такие числа нужно соединить последовательно 4-5 таких элементов,если соединить 5 литровых элементов ,то получится примерно 3,5-4,8 вольта, и ёмкость возрастает до 40-50 А/ч,а ток разряда может достигать 400-600 мА/ч,следовательно такой источник легко справится с питанием маленького радиоприёмника или светодиодного фонарика, а также с зарядкой миниатюрных аккумуляторов телефонов в течении 10-30 часов. Но для питания мощных светодиодных фонарей и питания современных телефонов и КПК такого источники будет маловато.

ДЛЯ СТАБИЛЬНОГО ДОЛГОСРОЧНОГО АВТОНОМНОГО ПИТАНИЯ ПОРТАТИВНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

понадобится что-то побольше, например, элемент ёмкостью как на рисунке, объем 40-50 литров,для стабильного питания портативных комнатных светодиодных светильников и другой техники. Для изготовления такого химического источника электроэнергии на понадобятся: 5 медных пластин размерами 20х40, и 5 таких же цинковых, далее на каждую пластинку нужно припаять или запрессовать путём загибания уголка пластины вставить проводок и заплющить молотком.

После надо пластины через электронопроводящие прокладки (деревянный брусочек или пластмассовая трубка) закрепить между собой, потом опускаем их в ёмкости с электролитом, это или раствор поваренной соли или раствор нашатыря или раствор серной кислоты (авто электролит), после соединяем получившиеся батарейки последовательно, то есть медная пластина одного элемента через проводок соединяется с цинковой пластиной другого элемента. В итоге, с одной стороны получившегося блока остаётся пластина медная с проводком (+), а с другой цинковая (-). Чем больше площадь пластин и чем лучше электролит, тем выше эффективность такого источника тока.

САМОДЕЛЬНЫЙ МЕДНО-КУПОРОСНЫЙ ЭЛЕМЕНТ

В этой самодельной конструкции из-за недоступности чистого цинка,применён алюминиевый электрод,но э.д.с. алюминия ниже чем у цинка,составляет 0,5 В, то есть одна банка даёт всего 0,5 вольт, из-за этого прибор состоит не из 4-х банок для напражения в 3,5-4 вольты,а из 6-ти,чтобы получить как минимум 3,6 вольт.

При испытании данного прибора не было никаких измерительных приборов, но как видно из фото ,прибор свободно обеспечивает свечение 12-ти светодиодов-ток потребления150-200мА, и заряжает мобильный телефон-ток потребления около 400мА.
При испытании элемент зарядил батарею телефона ёмкостью 750мА за 2,40 минут.

Примерные технические характеристики батареи элементов, состоящей из 6-ти банок, емкостью 0,33л.: 3,7 Вольт, ток замыкания около 500мА, ёмкость 25-30А/ч.

В ходе испытания батарея элементов стабильно проработала на одной столовой ложке купороса около 100 часов при токе разряда примерно 200мА/ч,сейчас прибор так-же работает, но сила тока значительно меньше и составляет около 80мА/ч,купарос практически истрачен,таким образом если посчитать ,то можно определить,сколько времени вообще элементы проработают на определённом количестве купороса, питая определенные приборы.

ПОРЯДОК ИЗГОТОВЛЕНИЯ

В ЭТОЙ КОНСТРУКЦИИ В КАЧЕСТВЕ АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОДА ИСПОЛЬЗОВАЛИСЬ АЛЮМИНИЕВЫЕ БАНКИ (ПИВНЫЕ) И ДРУГИЕ ИЗДЕЛИЯ ИЗ АЛЮМИНИЯ.

ЕСЛИ БУДУТ ИСПОЛЬЗОВАТЬСЯ АЛЮМИНИЕВЫЕ БАНКИ, ТО ИХ НУЖНО ТЩАТЕЛЬНО ЗАЧИСТИТЬ ОТ ЗАЩИТНОГО ВНУТРЕННЕГО СЛОЯ И ВНЕШНИХ НАДПИСЕЙ, ТАК КАК ОНИ НЕ ПРОПУСКАЮТ ТОК.

Сначала внутренняя поверхность банки обмазывается вазелином или салом на расстоянии 3-4 сантиметра от верхнего края банки,это делается для того чтобы предупредить выползание кристаллов солей из сосуда элемента.

Далее из тонкого листа меди,или латуни или свинца изготавливается цилиндр по внутреннему диаметру и высоте банки.

Далее в цилиндре надо с одной стороны сделать двойные прорези на глубину 4-5 мм., и получившиеся скобки загнуть наружу,для того что-бы цилиндр висел на них, на горлышке банки, не доходя до дна банки на 5 см.,после изготовления припаять к нему медный провод,это и будет (+).

Далее изготавливается диафрагма,диафрагма изготавливается из картона ,делается цилиндр из картона по длине банки ,или короче банки на 5 см.,а потом к нему пришивается нитками картонное дно ,так что-бы не оставалось щелей,а места сшивки пропитываются горячим парафином чтобы герметизировать дно от вытекания жидкости.

Далее на цилиндр плотно наматывают несколько слоёв пергамента или газетной бумаги,предварительно вымоченного в солёном растворе,чтобы не оставалось воздушных прослоек,а после получившейся «стакан» плотно обшивается обёрнутой в несколько слоёв тканью ,для механической прочности.

Потом на верх диафрагмы наклеивают или пришивают кольцо ,чтобы стакан не проваливался,и места крепления обмазывают горячим парафином,в кольце делают отверстие, через которое в банку наливается вода и вставляется мешалка для помешивания купороса.

Потом в диафрагму надо налить раствор поваренной соли и оставить на несколько часов,правильно собранная диафрагма не должна подтекать ,а её поверхность должна быть всего-лишь влажной.далее по внутреннему диаметру диафрагмы изготавливается из листа цинка цилиндр к нему припаивается медный провод который будет служить (-),цинковый цилиндр должен свободно входить в диафрагму ,но при этом быть как можно ближе к её стенкам,то есть ближе к медному цилиндру,чтобы уменьшить внутренне сопротивление ,и соответственно повысить эффективность.

СБОРКА ЭЛЕМЕНТА.

В чистую банку ,если 0,5л.,насыпают столовую ложку медного купороса ,вставляют мешалку,а потом устанавливают диафрагму,наполненную раствором поваренной соли,после в то отверстие,которое для мешалки,в банку наливается вода ,а за тем вставляется в диафрагму цинковый цилиндр ,после сборки элемент полностью готов к работе,остаётся соединить элементы последовательно ,как обычные батарейки,и питать и заряжать приборы.

Применение пористой диафрагмы обусловлено разделением электролитов, тоесть разделением кристаллов купороса,и соляного раствора от смешивания,иначе купорос бурно вступает в реакцию и слишком быстро расходуется, даже когда элемент не используется,а через диафрагму расход купороса равномерен и экономичен,что обеспечивает долгую работу источника тока-гальванического элемента..

Удод за элементом заключается в периодической заправке купороса, смене электролита и очистке от окисления электродов. При потреблении тока около 600мА(сотовый телефон), батарея состоящая из 4-х пол-литровых элементов элементов проработает на одной заправке купороса(4 стол.л.) около месяца ,при условии использования его каждый день около 6 часов. .При падении мощности периодически мешалкой надо взбалтывать медный купорос.За время работы в течении месяца израсходуется около 100г.купороса, и 40г. цинка.

Примечание. Если заменить цинк на алюминий,то элементов надо не 4 или 5, а 6 или 7 ,соединенных последовательно,так как э.д.с. алюминия ниже чем у цинка,и состовляет 0,4-0,6 V.

Источник