Pilhas e baterias galvânicas — dispositivo, princípio de operação, tipos

Fontes de energia elétrica de baixa potência

Células e baterias galvânicas são usadas para alimentar equipamentos elétricos e de rádio portáteis.

Células galvânicas — são fontes de ações únicas, acumuladores — fontes de ação reutilizáveis.

O elemento galvânico mais simples

O elemento mais simples pode ser feito de duas tiras: cobre e zinco imersos em água levemente acidificada com ácido sulfúrico. Se o zinco for puro o suficiente para não ter reações locais, nenhuma mudança perceptível ocorrerá até que o cobre e o zinco sejam reunidos.

No entanto, as tiras têm um potencial diferente, uma em relação à outra, e quando conectadas por um fio, aparecerão eletricidade… Por esta ação, a tira de zinco se dissolverá gradualmente e bolhas de gás se formarão perto do eletrodo de cobre, acumulando-se em sua superfície. Este gás é o hidrogênio gerado pelo eletrólito. A corrente elétrica flui da tira de cobre ao longo do fio para a tira de zinco e dela através do eletrólito de volta ao cobre.

Gradualmente, o ácido sulfúrico do eletrólito é substituído por sulfato de zinco formado a partir da parte dissolvida do eletrodo de zinco. Isso reduz a voltagem da célula. No entanto, uma queda de tensão ainda maior é causada pela formação de bolhas de gás no cobre. Ambas as ações causam 'polarização'. Esses itens quase não têm valor prático.

Parâmetros importantes das células galvânicas

A magnitude da tensão fornecida pelas células galvânicas depende apenas do seu tipo e dispositivo, ou seja, do material dos eletrodos e da composição química do eletrólito, mas não depende da forma e tamanho das células.

A corrente que uma célula galvânica pode fornecer é limitada por sua resistência interna.

Uma característica muito importante da célula galvânica é capacidade elétrica… Capacidade elétrica significa a quantidade de eletricidade que uma célula galvânica ou de armazenamento é capaz de fornecer ao longo de sua operação, ou seja, até o início da descarga final.

A capacidade fornecida pela célula é determinada pela multiplicação da intensidade da corrente de descarga, expressa em ampères, pelo tempo em horas durante o qual a célula ficou descarregada até o início da descarga total. Portanto, a capacidade é sempre expressa em ampères-hora (Ah).

Pelo valor da capacidade da célula também é possível determinar com antecedência quantas horas ela funcionará antes do início da descarga total. Para fazer isso, você precisa dividir a capacidade pela força da corrente de descarga permitida para este elemento.

No entanto, a capacidade não é estritamente constante. Varia dentro de limites bastante amplos, dependendo das condições de operação (modo) do elemento e da tensão de descarga final.

Se a célula for descarregada na corrente máxima e, além disso, sem interrupções, ela dará uma capacidade muito menor. Pelo contrário, quando a mesma célula é descarregada a uma corrente mais baixa e com interrupções frequentes e relativamente longas, a célula irá ceder a sua capacidade total.

Quanto à influência da tensão de descarga final na capacidade da célula, deve-se ter em mente que durante a descarga da célula galvânica, sua tensão de operação não permanece no mesmo nível, mas diminui gradativamente.

Tipos comuns de células eletroquímicas

As células galvânicas mais comuns são sistemas manganês-zinco, manganês-ar, ar-zinco e mercúrio-zinco com sal e eletrólitos alcalinos. As células secas de manganês-zinco com eletrólito de sal têm uma tensão inicial de 1,4 a 1,55 V, a duração da operação a uma temperatura ambiente de -20 a -60 ОDas 7 às 340 da manhã

As células secas de zinco-manganês e zinco-ar com eletrólito alcalino têm uma voltagem de 0,75 a 0,9 V e um tempo de operação de 6 horas a 45 horas.

As células secas de mercúrio-zinco têm uma voltagem inicial de 1,22 a 1,25 V e um tempo de operação de 24 horas a 55 horas.

As células secas de mercúrio-zinco têm a maior vida útil garantida de até 30 meses.

baterias

baterias Estas são células eletroquímicas secundárias.Ao contrário das células galvânicas, nenhum processo químico ocorre na bateria imediatamente após a montagem.

Para que a bateria inicie reações químicas associadas ao movimento de cargas elétricas, é necessário alterar adequadamente a composição química de seus eletrodos (e parte do eletrólito).Essa mudança na composição química dos eletrodos ocorre sob a ação de uma corrente elétrica que passa pela bateria.

Portanto, para que uma bateria produza corrente elétrica, ela deve primeiro ser "carregada" com corrente elétrica direta de alguma fonte externa de corrente.

As baterias também diferem das células galvânicas convencionais pelo fato de que, após a descarga, podem ser recarregadas. Com bom cuidado e em condições normais de operação, as baterias podem durar até vários milhares de cargas e descargas.
Dispositivo alimentado por bateria

Atualmente, as baterias de chumbo e cádmio-níquel são as mais usadas na prática. Na primeira solução de ácido sulfúrico serve como eletrólito, e na segunda solução de álcali em água. As baterias de chumbo-ácido também são chamadas de ácidas e de níquel-cádmio-alcalinas.

O princípio de funcionamento das baterias é baseado na polarização dos eletrodos durante a eletrólise... A bateria ácida mais simples é estruturada da seguinte forma: são duas placas de chumbo imersas em um eletrólito. Como resultado da reação de substituição química, as placas são cobertas com uma fina camada de sulfato de chumbo PbSO4, conforme segue a fórmula Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2.

dispositivo de bateria ácida

Este estado das placas corresponde a uma bateria descarregada. Se a bateria agora estiver ligada para carregar, ou seja, conectada a um gerador de corrente contínua, a polarização das placas começará nela devido à eletrólise. Como resultado do carregamento da bateria, suas placas são polarizadas, ou seja, mudam a substância em sua superfície e de homogênea (PbSO4) para diferente (Pb e PbO2).

A bateria se torna a fonte de corrente, com uma placa revestida com dióxido de chumbo como eletrodo positivo e uma placa de chumbo limpa como eletrodo negativo.

No final do carregamento, a concentração do eletrólito aumenta devido ao aparecimento de moléculas adicionais de ácido sulfúrico nele.

Essa é uma das características da bateria de chumbo-ácido: seu eletrólito não permanece neutro e ele próprio participa de reações químicas durante a operação da bateria.

Ao final da descarga, ambas as placas da bateria são novamente cobertas com sulfato de chumbo, fazendo com que a bateria deixe de ser fonte de corrente. A bateria nunca é levada a este estado. Devido à formação de sulfato de chumbo nas placas, a concentração do eletrólito diminui ao final da descarga. Se a bateria estiver carregada, a polarização pode ser causada novamente para colocá-la em descarga novamente, etc.

Como carregar a bateria

Existem várias maneiras de carregar as baterias. O mais simples é o carregamento normal da bateria, que é feito da seguinte maneira. Inicialmente, por 5 a 6 horas, o carregamento é realizado com o dobro da corrente normal até que a tensão de cada bateria atinja 2,4 V.

A corrente de carga normal é determinada pela fórmula Aztax = Q / 16

onde Q — capacidade nominal da bateria, Ah.

Depois disso, a corrente de carga é reduzida a um valor normal e a carga continua por 15 a 18 horas até que apareçam sinais de fim de carga.

baterias modernas

As baterias de níquel-cádmio ou alcalinas apareceram muito depois das baterias de chumbo e, comparadas a elas, são fontes mais modernas de corrente química.A principal vantagem das baterias alcalinas sobre as baterias de chumbo reside na neutralidade química de seu eletrólito em relação às massas ativas das placas. Portanto, a auto-descarga das baterias alcalinas é significativamente menor do que a das baterias de chumbo-ácido. O princípio de operação das baterias alcalinas também é baseado na polarização dos eletrodos durante a eletrólise.

Para alimentar equipamentos de rádio, são produzidas baterias seladas de cádmio-níquel, que são eficazes em temperaturas de -30 a +50 ОC e suportam 400 a 600 ciclos de carga e descarga. Esses acumuladores são feitos na forma de paralelepípedos compactos e discos que pesam de alguns gramas a quilos.

As baterias de níquel-hidrogênio são produzidas para alimentar objetos autônomos. A energia específica da bateria de níquel-hidrogênio é de 50 — 60 Wh kg-1.