Реклама на сайте (разместить):



Реклама и пожертвования позволяют нам быть независимыми!

АККУМУЛЯТОР

Материал из Викизнание
Перейти к: навигация, поиск

АККУМУЛЯТОР электрический (лат. ас-ciimulare - накоплять) - гальваническая система, способная накапливать под действием электрич. тока химич. энергию и по мере надобности отдавать её в виде электрич. энергии во внешнюю цепь. Во время разряда в А. энергия химич. реакций превращается в электрич. энергию; при заряде, наоборот, элоктрич. энергия превращается в химическую. Химич. энергия заряженного А. находится в потенциальном состоянии и обнаруживается только в замкнутом аккумуляторе в виде электрич. тока. С точки зрения химической динамики процессы в А. вполне обратимы: активные вещества электродон после цикла заряд-разряд имеют тот же состав, какой они имели до начала цикла. По свойству электролита, представляющего собой в существующих А. раствор кислоты или щёлочи, подобные гальпанич. системы носят название гидроэлектрических. В отличие от первичных гальванических элементов (см.), п к-рых ток получается за счёт первичных реакций, А., в к-рых используется поляризационный эффект, называют вторичными элементами. А. различаются между собой химич. природой вещества электродов и электролита, конструкцией электродов и других составных частей.

А. электрический, как и всякий химич. источник тока, состоит из трёх основных частой: положительного электрода, отрицательного электрода п электролита, в к-рый они погружены. Разность потенциалов, возникающих на границах соприкосновения электродов с электролитом, составляет электродвижущую силу А. (или напряжение А. при разомкнутой цепи).

Если в электролите находятся два одинаковых металла, то они имеют одинаковые потенциалы, и система источником тока не является. Чтобы такая система превратилась в источник тока, необходимо создать химич. различие между электродами. Действительно, 11 гальвапич. элементах электроды уже при изготовлении делаются различными. Однако различие между электродами может быть достигнуто действием самого электрич. тока.

Если погрузить две свинцовые пластины, покрытые окисью свинца, в разбавленную серную кислоту и пропустить через эту систему постоянный электрич. ток от постороннего источника, на пластинах с окисью свинца произойдут резкие изменения. На одной из них, приключённой к положительному полижу источника тока, окись свинца будет соединяться с кислородом сорной кислоты и перейдёт в двуокись свинца. На другой пластине окись свинца будет соединяться с водородом серной кислоты и перейдёт в губчатый свинец. Электроды благодаря этому сделаются химически различными, что послужит причиной образования между ними разности потенциалов. Такова схема образования А. В действительности его электроды изготовляются более сложным путём.

Процесс изменения электрич. потенциала на границе электрод - электролит прослежен па примере металлич. электрода. При соприкосновении металла с раствором ионы металла переходят в раствор, стремясь к выравниванию эноргетич. состояний в твёрдом теле и жидкости. При этом на электроде остаются избыточные электроны, т. е. электрод каря жается отрицательно. Перешедшие в раствор положительно заряженные ионы металла притягиваются отрицательно заряженным электродом и остаются вблизи его поверхности. Таким образом, по одну сторону границы раздела, на металле, создаётся отрицательный заряд (электроны), по другую - в электролите у поверхности электрода - положительный (ионы металла). Это вызывает определённое изменение потенциала электрода. Переход ионов металлов в раствор продолжается до тех пор, пока электродный потенциал не достигнет такого значения, к-рое уравновесит стремление ионов переходить в раствор.

Основными технич. характеристиками электрич. А. являются: 1) ёмкость, т. е. количество электричества в ампер-часах, к-рое А. может отдать в питаемую им цепь; 2) среднее напряжение во время заряда и разряда в вольтах; 3) удельная энергия по весу и объёму, т. е. энергия, снимаемая с 1 кг веса и 1 дм3 объёма А. при разряде, выражаемая в

ватт-"асах и ватт;Та* ; 4) отдача по ёмкости, т. е.

КИ ОМ

отношение количества ампер-часов, отдаваемого А. при разряде, к количеству ампер-часов, которое нужно сообщить А. при заряде; 5) отдача по энергии (или кпд А.) - отношение энергии, отдаваемой А при разряде, к энергии, сообщаемой А. при заряде

Чтобы получить источник тока требуемого напряжения, соответствующее число А. соединяется последовательно в батарею. А. могут предназначаться для питания различных стационарных и переносных установок. К А. стационарного типа относятся А., применяемые для собственных нужд электрич. станций, телефонных станций, телеграфа и др. Группа переносных А. объединяет: стартерные, тяговые, фонарные, радио-А. и пр.

В качестве электродов и электролита в А. может применяться ряд веществ. Однако широкое прак-тич. применение получили 3 системы А.: 1) свинцовый, или кислотный; 2) кадмие-никелевый и 3) железо-никелевый. Последние две системы обычно носят общее название щелочных А., по составу применяемого в них электролита.

Свинцовый А. Активным веществом положительного электрода здесь является двуокись свинца РЬ02, отрицательного электрода - губчатый металлический свинец РЬ. Электролитом служит раствор серной кислоты H2S04 с уд. в. 1,18-1,29, в зависимости от типа и состояния А. При разряде свинцового А. происходит следующий химич. процесс: РЬ02 + Pb + 2H,S04--2PbSO4 + 2Н20. При

заряде А. процесс идёт в обратном направлении. Как видно из уравнения, при разряде свинцового А. количество серной кислоты в электролите уменьшается, и в нём образуется вода. Поэтому уд. в. электролита при разряде А. падает. При заряде А. из раствора

Зол 2.6 2,5 2,* 2,3 2,2 V 2,0 ',9 •,8 '•7с iff)

S*

/

/А ар чд *s S

^

'

^ = ^ -ч. Та Ф> ъ

' 1 2 3 4 5 в t Часы

Рис. 1.

электролита расходуется вода, количество серной кислоты в растворе увеличивается и уд. в. электролита возрастает. Напряжение А. зависит от концентрации кислоты. По мере расходования активных материалов при разряде концентрация кислоты уменьшается, и напряжение А. падает, при заряде же, по мере перехода материалов в их

первоначальное активное состояние, напряжение растёт. Изменение напряжения свинцового А. во время заряда и разряда представлено на рис. 1. Среднее разрядное напряжение свинцового А.- 1,98 V, среднее зарядное напряжение - 2,4V (при нормальных режимах работы).

В зависимости от условий эксплоатации и требований, предъявляемых к различным типам А., конструкция их различна. Стартерные А. должны

Рис. 2. Свинцовый А. стартер-него типа и комплект пластин.

выдерживать кратковременные нагрузки токами большой силы, сохраняя устойчивое напряжение, и иметь минимальный вес и объём. Электроды для таких А. (см. рис. 2) изготовляются путём вмазывания пасты из окислов свинца, серной кислоты (или сернокислого аммония) и воды в тонкую решётку, отлитую из свинцово-сурмяного сплава (пасти-рованные пластины). В А. станционного типа положительный электрод делается из толстой свинцо-пой пластины с развитой повзрхностью, на к-рой после многократного повторения заряда и разряда (формования) образуется достаточно толстый слой активной двуокиси свинца. Отрицательный электрод такого А. представляет собой свинцовую решетчатую рамку, с обеих сторон закрытую перфорированным листовым свинцом. Между этими свинцовыми стенками, внутри электрода, помещается активное вещество -губчатый свинец.

Кадмие-никелевый А. Активным веществом положительного Електрода являются окислы никеля, смешанные для увеличения электропроводности с графитом; отрицательного электрода - губчатый металлич. кадмий в смеси с губчатым железом. Электролитом служит раствор едкого кали с уд. в. 1,20 или едкого натра с уд. в. 1,18 с добавкой небольшого количества гидроокиси лития. При разряде такого А. на положительном электроде расходуется часть активного кислорода, содержащегося в окислах никеля; на отрицательном электроде окисляется металлич. кадмий. Как показано работами советских учёных, активное вещество заряженного окисло-никелевого электрода не является определённым химич. соединением, как это предполагалось ранее, а представляет собой раствор кислорода в окислах никеля. Поэтому уравнение процесса, происходящего в кадмие-никелевом А., может быть написано лишь в самом общем виде: при разряде Ninpm + Cd-*Ш„От_1-1-СсЮ; при заряде процесс идёт в обратную сторону.

Концентрация электролита при работе кадмие-никелевого А. почти не меняется, так как он в химич. реакциях участия не принимает. Советскими электрохимиками было установлено, что некоторое изменение концентрации щёлочи у положительного электрода вызвано поглощением и выделением щёлочи электродом при заряде и разряде А.; изменение напряжения при заряде и разряде кадмие и/ »a * ""

Т""1 ™ -

I1

г*"1

u

i ял W

а 5 >Л7 с ы , 5 5 7

Рис. 3.

никелевого А, представлено па рис. 8. Среднее разрядное напряжение -1,23 V, среднее зарядное напряжение -1,65 V при нормальных режимах. ftMW

Ж елезо-нике-л е п ы и А. отличается от кадмие-никеле-вого лишь заменой кадмия в активном вещество отрицательного электрода мелким порошком железа. Однако это является причиной существенных различий в свойствах того и другого А. Железо-никелевый А. имеет значительно 'больший саморазряд (т. е. потерю ёмкости во время бездействия А.) и более чувствителен к изменению температуры, чем кад-мие-никелевый. Кривые изменения напряжения при разряде и заряде железо-никелевого А. представлены на рис. 3. Среднее зарядное напряжение -1,74 V. Преимуществами железо-никелевых А. являются меньшая" стоимость и больший срок службы, недостатками - большой саморазряд и жёсткий температурный режим, поэтому для питания установок, работающих при высоких и низких температурах, применяются кадмие-никелевые А. Благодаря малому саморазряду, они особенно ценны тогда, когда А. длительно находятся в заряженном состоянии. Поэтому кадмие-никелевые А. широко применяются в радиоустановках для питания цепей анода и накала. В тех случаях, когда аккумуляторная батарея работает при нормальной температуре и не находится длительное время в бездействии, напр, п рудничных электровозах, с успехом пользуются железо-никелевыми А.

Конструкция щелочного А. показана на рис 4. Различные типы А. отличаются друг от друга только размерами и числом пластин.

Преимущества щелочных А., но сравнению со свинцовыми, заключаются в их механич. прочности,

простоте ухода при экс-плоатации, малом саморазряде (кадмие-никеле-вый А.) и отсутствии вредных испарений. Более высокая стоимость щелочных А. окупается большим сроком службы и условиях тряски (напр, па транспорте). Основным недостатком щелочных А. является сравнительно малая энергия по весу и объёму.

Дальнейшие перспективы развития аккумуляторной техники состоят в наиболее совершен-Гис. 4. Щелочной кадмие- ном разрешении пробле-пиислевый А. и комплект мь| СОЗдапия А. с высо-нластин. ними показателями по

удельной энергии на единицу веса и объёма кап при длительных режимах работы, так и при кратковременных нагрузках большими силами тока, в широком интервале температур.

И с т о р и я А. Первые опыты, приведшие к созданию А., относятся к самому началу 19 в., когда русским физиком В. В. Петровым Ныло замечено появление вторичных токов при электролизе, а Риттером был построен прибор («зарядный столб») из 50 медных круглых пластин диаметром 30 мм, с

76 В. С. Э. т, 1,

прокладками из сукна, пропитанного раствором поваренной соли (NaCl). Под действием электрич. тока от вольтова столба (см.) этот прибор приобретал свойство по отключении от источника тока сохранять заряд, а при замыкании внешней цепи давал на короткое время сильный ток. Объяснение этого явления гальванической поляризацией (см.), т. е. возникновением противоэлектродвижущеи силы,вызванной химическими явлениями в пограничных слоях электродов и электролита, было данов работахГотеро и русского учёного X. Д. Гротгуса (см.). Классическое исследование этих явлений было произведено русским академиком 9. X. Ле.ицем (см.), полностью выяснившим характер явления и открывшим основные законы (1843). Ленц установил зависимость величины гальванической поляризации от силы зарядного тока, возрастающей до нек-рых пределов с возрастанием последнего. Наибольшая величина гальванической поляризации зависит от вещества электродов и от рода газов, выделяемых па их поверх-' ности. Ленц доказал также, что в создании электродвижущей силы поляризации участвуют оба электрода, и полностью отверг предположение о каком-то особом «сопротивлении перехода». Работы Ленца в области установления законов поляризации сыграли исключительную роль как в развитии А., так и в других отраслях электротехники. В дальнейшем изучением поляризации занимались русские физики Савельев, Савинов, Соколов, Нижибицкий и др. Явление поляризации, наблюдаемое во всех гальванических элементах, рассматривалось как вредное, уменьшающее полезное действие этих источников тока, и немало предложений было сделано специально для ослабления поляризации. Только в 1839 английский физик Гров (см.) построил первый А. специально для использования поляризационных токов.

В 1860 французский физик Гастон Планте, занимавшийся изучением гальванопластики, по совету русского физика Б. С. Якоби (см.) применил свинцовые пластины для получения поляризационных токов и представил в Парижскую академию наук А. из свинцовых пластин с электролитом из 10-процентного раствора серной кислоты. Однако аккумулятор Плапте обладал существенным недостатком - процесс формирования его продолжался не менее 500 час., сам же А. отличался непрочностью.

До создания первых, практически приемлемых, конструкций электрических генераторов (см.) А. имели ограниченное применение, т. к. заряд их производился от гальванич. элементов. Только создание генераторов позволило использовать для заряда А^. первичную энергию в виде топлива или падающей воды Перед А. открылись перспективы разнообразного применения. Одним из первых было предложение применить А. для транспорта - сухопутного и водного. Позднее, с созданием первых небольших центральных электрич. станций, служивших почти исключительно для целей освещения, потребовалось применение А. для снижения установленной мощности генераторов. Заряжая А. в часы снижения нагрузки и включая их в цепь в часы пик, такие станции добивались нек-рого, хотя и незначительного, снижения первоначальных затрат и эксплоа-тационных расходов.

Растущее распространение А. требовало значительного улучшения их конструкции. Сокращение вре-MLMIH 'формирования и увеличение ёмкости и мощности А. становятся предметом исследовании многих изобретателей. Предложенный Планте способ нало жения на одну из пластин сурика (РЬ304) позволил ускорить процесс формирования, но слой этот не имел прочной связи со свинцовой пластинкой, что служило причиной частых повреждений А.

В 1881 ученик Планте - Фор предложил особый способ крепления слоя сурика на свинцовой пла стине с помощью войлочной прокладки и пергамента Достигаемое при этом сокращение продолжитель ности срока формирования давало аккумулятору Фора некоторое преимущество перед аккумулятором Планте. Однако, несмотря на преувеличенно восторженные отзывы об аккумуляторе Фора, высказанные на Парижской электрической выставке (1881), А. эти оказались непрочными и не обладали достаточной ёмкостью.

Гораздо большее значение имело изобретение, сделанное русским физиком и электротехником проф. Д. А. Лачиновым (см,.), предложившим (1881) получение активного вещества подогревом свинца в ед ком кали пли натре с последующим электролизом раствора. Полученные в порошке двуокись и ме-таллич. свинец смешивались вместе и укреплялись механически на свинцовых пластинах, применяемых в качестве электродов. Одновременно им была предложена особая форма аккумуляторных пластин, дававшая при.массовом производстве их значительную экономию свинца.

В 1881-83 под руководством преподавателя Офицерских минных классов в Кронштадте Е. П. Твери-тинова (см.) был разработан оригинальный тип А., получивший мировую известность. Особенностью этого типа А. является применение свинцового глета, размягчённого 15-процентным раствором серной кислоты и впрессованного в свинцовую решётку (пластину). Помещённые в раствор серной кислоты пластины эти соединялись с отрицательным полюсом генератора и подвергались формованию (к положительному полюсу подключались вспомогательные свинцовые листы). Выделение водорода восстанавливало глет в свинце. По окончании формования пластины покрывались металлич. лаком и применялись в А. в качестве одного из электродов; вторым электродом служили пластины с впрессованным глетом. Для окончательного формования А. подключался к генератору так, чтобы пластины с восстановленным свинцом были соединены с, положительным полюсом машины. В процессе этого формования, продолжавшегося обычно до 80 час., свинцовые пластины окислялись в двуокись свинца, а глетовые - восстанавливались в свинец. Отформованный А. заполнялся сверх электролита олеонафтом или смесью его с парафином, предохранявшим электролит от расплёскивания. Особенностью этих А. являлась быстрая формовка, большая ёмкость, продолжительное сохранение заряда, прочность. Этот А. получил широкое распространение па судах русского военного флота и вызвал ряд подражаний за границей (напр. А. Годо, Маижа и др.).

В начале 80-х гг. русский инженер, изобретатель электрической сварки, Н. Н. Бенардос (см.), изготовил особую буферную аккумуляторную батарею из А. собственной конструкции специально для сварочных работ. Аккумулятор Бенардоса был приспособлен к работе с резкими толчками тока, вызываемыми сваркой. Пластины аккумулятора Бенардоса состояли из свинцовой рамы с наклонно приваренными свинцовыми полосами (прямыми и волнистыми). Большая площадь соприкосновения поверхности свинца и электролита и способность пластин свободно расширяться и сокращаться при заряде-разряде позволяли при малом весе и небольших размерах

получать ток большой силы и включать батарею таких А. параллельно с заряжающей машиной в сварочную цепь. Аккумуляторы Бенардоса были очень выносливы по отношению к сильным разрядным токам.

Тогда же получили распространение А., сконструированные известным русским электротехником П. Н. Яблочковым (см.). Особенностью этих А. было диагональное расположение клеток в пластинах, устраняющее опасность внутренних замыканий. Положительные пластины были покрыты суриком, а отрицательные - глетом.

Быстро растущее значение А. требовало развития их производства в широких масштабах. Политика царского правительства, покровительствовавшего иностранным фирмам, привела к тому, что в начале 20 в. в России А. изготовлялись гл. обр. па заводах иностранных фирм. Однако русские конструкторы, работавшие в петербургском отделении иностранной фирмы «Тюдор», разработали своеобразный тин решётчатых и коробкообразных отрицательных пластин, обеспечивавших большую ёмкость А. и получивших широкое распространение во всём миро.

По мере усовершенствования А. и расширения области их применения (гл. обр. на транспорте) всё более выявлялись недостатки свинцовых А.- значительный вес, дороговизна и др. Поэтому, наряду с усовершенствованаем свинцовых А., изобретательская мысль была направлена на создание А. из более лёгких металлов. Еще в 1881 русский учёный М. П. Авенариус (см.) предложил А. из угольных пластин, погружённых в водный раствор кремнекислого натрия. В 1884 Яблочков предложил А. с тремя электродами: 1) окисляемым (железо, цинк), 2) неокисляемым (свинец, медь) и 3) из пластин пористого угля. Этот А., названный им а в т о а к к у-мулятором, обладал меньшим весом, по сравнению со свинцовыми А., и значительно дольше сохранял заряд, но имел ряд эксплоатационных неудобств.

В 1900 Эдисон (см.) предложил А. щелочного типа с окислами никеля в положительных пластинах, железом - в отрицательных и электролитом из раствора едкого кали. Обладая меньшим весом па единицу ёмкости, этот А. вскоре нашёл широкое применение в переносных источниках тока. В том же году Юнгер предложил щелочной А. с отрицательным электродом из окислов кадмия. Позднее никелевые и кадмиевые А. получили широкое распространение и применяются гл. обр. в радиоустановках.

В пашей стране аккумуляторная промышленность начала развиваться лишь после Великой Октябрьской социалистической революции. Работы советских конструкторов направлены па создание наиболее совершенных типов А. для аккумуляторных батарей силового назначения (центр, электрич. станции, морской флот и др.), для различных видов транспорта, связи и небольшие переносных А. для осветительных целей (аккумуляторов рудничных и др.). Советские учёные внесли свой вклад в науку об А., выяснив ряд важных вопросов протекания процессов в А. В результате этих работ электрические характеристики советских А. значительно улучшены, и отечественные А. (в частности железо-никелевые) по эксплоатационным качествам превосходят иностранные. Производство А. в СССР быстро развивается на крупных специализированных предприятиях, оснащённых передовой техникой, с механизированными процессами и поточными методами обработки и сборки деталей.

Лит.: Т в е р и т и ц о в Е., Электрические анкумулн-торы, СПБ, 1888; [Си к г. II. А. и Э н г е л ь м аи И. Г. |, Материалы к истории минного офицерского класса и школы, СПБ, 1899; III а т е л к н М. А., Русские электротехники второй половины 19 века, Москва, 1949; Инженерно-технический справочник по электросвязи, т. 6 - Электропитание, М., 1948; Комаров Б. С., Электропитание и электрооборудование предприятий проводной связи, М., 1940; К о р о б а н Н. Т., Авиационные аккумуляторы, М., 1945; л амтев II. II., Электрические аккумуляторы, М.- л., 1935.

А. тепла - устройство для накапливания различных видов тепла (выхлопного пара, излишкоп пара и т. д.). См. Паросборник, Пароводяной аккумулятор.

А. гидравлический - устройство для накапливания напорной воды н промежутках между рабочими периодами действия гидравлических машин (см. Гидроаккумулятор).

А. торфяной - бассейн, сооружаемый и торфяной залежи для сбора массы при гидравлическом способе добычи торфа (см.).


Требуется проверка викификации!
Шаблон:Проверить источники

Шаблон:БСЭ2:Опущен рисунок


Статья из Большой советской энциклопедии

Эта статья подлежит модернизации и корректировке!

Если Вы заметили неточность — Вы можете исправить её с помощью ссылки редактировать (или править) на этой странице.
Статью можно улучшить?
✍ Редактировать 💸 Спонсировать 🔔 Подписаться 📩 Переслать 💬 Обсудить
Позвать друзей
Вам также может быть интересно: