Akkun toimintaperiaate: Miten akku toimii?

Akkujen toimintaperiaate

Akkujen toiminta perustuu sähkölyyteen ja reduktioon reaktioihin, jotka tapahtuvat elektroliittisen nesteen kanssa metallien kanssa. Kun kaksi erilaista metallista aineistoa, joita kutsutaan elektrodeiksi, sijoitetaan kevyesti vesittyneeseen elektroliittiin, niissä tapahtuu oksidointi- ja reduktioreaktioita riippuen metallin elektronien affiniteetista. Oksidointireaktion seurauksena yksi elektrodi negatiivisella varautuu, ja tätä kutsutaan katodiksi, kun taas reduktioreaktion seurauksena toinen elektrodi positiivisella varautuu, ja tätä kutsutaan anodiksi.

Katodi muodostaa akun negatiivisen poltin, kun taas anodi muodostaa akun positiivisen poltin. Ymmärtääksesi akun perusperiaatetta oikein, meidän pitäisi ensin omaksua jokin peruskäsite elektroliiteista ja elektronien affiniteetista. Itse asiassa, kun kaksi erilaista metallia upotetaan elektroliittiin, syntyy potentiaaliero näiden metallien välille.

On havaittu, että kun tietyt yhdisteet lisätään veteen, ne hajoavat ja tuottavat negatiivisia ja positiivisia ionit. Tällaisia yhdisteitä kutsutaan elektroliiteiksi. Suosittuja elektroliitteja ovat melkein kaikki suolat, hapet ja baset jne. Energiä, joka vapautuu neutraalin atomin elektronin hyväksymisen aikana, kutsutaan elektronien affiniteetiksi. Koska atomin rakenne on erilainen eri aineilla, elektronien affiniteetti vaihtelee aineen mukaan.

Jos kaksi erilaista metallia upotetaan samaan elektroliittiin, toinen niistä saa elektroneja ja toinen vapauttaa elektroneja. Mikä metalli (tai metalliyhdiste) saa elektroneja ja mikä vapauttaa elektroneja, riippuu näiden metallien elektronien affiniteetista. Metalli, jolla on alhainen elektronien affiniteetti, saa elektroneja elektroliitin negatiivisista ioaneista.

Toisaalta, metalli, jolla on korkea elektronien affiniteetti, vapauttaa elektroneja, ja nämä elektronit pääsevät elektroliittiin ja liittyvät sen positiivisiin ioaneihin. Täten yksi näistä metalleista saa elektroneja ja toinen menettää elektroneja. Tämän seurauksena syntyvä elektronipitoisuuden ero näiden kahden metallin välillä.

Tämä elektronipitoisuuden ero aiheuttaa sähköisen potentiaalieron metallien välillä. Tämä sähköinen potentiaaliero tai emf voidaan käyttää jännitelähteenä elektroniikan tai sähköverkossa. Tämä on yleinen ja perus akun periaate, ja näin akku toimii.

Kaikki akku elementit perustuvat vain tähän perusperiaatteeseen. Keskustellaan nyt yksi kerrallaan. Kuten sanoimme aiemmin, Alessandro Volta kehitti ensimmäisen akku-elementin, ja tämä elementti on tunnettu yksinkertaisena voltaellem. Tämänkaltaista yksinkertaista elementtiä voidaan luoda hyvin helposti. Otetaan säiliö ja täytetään se kevyesti vesittyneellä suppaohappolahdella elektroliittina. Upotetaan nyt yksi sinkki- ja yksi kuparipalkki nesteen sisään ja yhdistetään ne ulkoisesti sähköllä. Nyt yksinkertainen voltaeli on valmis. Sähkö virtaa ulkoisessa kuormassa.

Sinkki vesittyneessä suppaohappolahdessa antaa elektroneja seuraavasti:

Nämä Zn + + ionit kulkevat elektroliittiin, ja jokainen Zn + + ioni jättää kaksi elektronia palkissa. Edellä mainitun oksidointireaktion seurauksena sinkkielektrodi jää negatiivisesti varautuneeksi, ja siksi se toimii katodina. Seurauksena Zn + + ionien pitoisuus kasvaa katodin lähellä elektroliiteissä.

Elektroliitin ominaisuuden mukaan, vesittyneessä suppaohappolahdessa ja vedessä on jo irrotettu positiiviset hydroniumionit ja negatiiviset sulfat-ionit seuraavasti:

Korkean Zn+ + ionien pitoisuuden vuoksi katodin lähellä H3O+ ionit repeytyvät kuparielektrodin suuntaan ja vapautuvat imeydessään elektroneja kuparin atomeista. Seuraava reaktio tapahtuu anodissa:

Reduktioreaktion, joka tapahtuu kuparielektrodissa, seurauksena kuparipalkki varautuu positiivisesti, ja siksi se toimii anodina.

Daniellin solmu

Daniellin solmu koostuu kuparin säiliöstä, joka sisältää kuparisulfaattiratkaisun. Kuparisäiliö itse toimii positiivisena elektrodina. Porreinen astia, joka sisältää vesittyneen suppaohappolahden, on asetettu kuparisäiliön sisälle. Amalgamoitu sinkkipalkki, joka on upotettu suppaohappolahden sisään, toimii negatiivisena elektrodina.

Vesittyneessä suppaohappolahdessa porreisessa astiassa reagoi sinkki, ja tuloksena syntyy hydrogeeni. Reaktio tapahtuu seuraavasti:

ZnSO4:n muodostuminen porreisessa astiassa ei vaikuta solmun toimintaan, kunnes ZnSO4:n kristallit alkavat kertyä. Hydrogenikaasu kulkee porreisen astian läpi ja reagoi CuSO4:n ratkaisun kanssa seuraavasti:

Syntyneet kupari kertyvät kuparisäiliölle.

Akun historia

Vuonna 1936 kesäkuussa Bagdadin kaupungin lähellä Irakissa rakennettaessa uutta rautatieviiva, löydettiin vanha hauta. Löydetyt esineet olivat noin 2000 vuotta vanhoja. Näiden esineiden joukossa oli joitakin savijärjestöjä, jotka oli peitetty päällä pitsillä. Rautapalkki, jota ympäröi kuparin levyn muodostama sylinterimäinen putki, oli upotettu tämän peitellyn osan läpi.

Kun löytäjät täyttivät nämä savijärjestöt happamalla nesteyksellä, he löysivät noin 2 voltin potentiaalieron rauta- ja kuparelektrodeiden välillä. Nämä savijärjestöt epäiltiin olevan 2000 vuotta vanhoja akkusoluja. He kutsuivat potin Partian akkuksi.

Vuonna 1786 italialainen anatomi ja fysiologi Luigi Galvani hämmästyi huomatessaan, että kun hän koskettaa kuolleita sammakkajalkoja kahdella eri metallilla, jalkojen lihaskudosta tulee kutistumaan.

Hän ei ymmärtänyt todellista syytä, muuten hän olisi tiedetty ensimmäisenä akku-elementin kehittäjänä. Hän ajatteli, että reaktio voisi johtua kudoksen ominaisuudesta.