Принцип роботи акумулятора: як працює акумулятор?

Принцип роботи акумулятора

Акумулятор працює на основі окисно-відновних реакцій електроліту з металами. Коли два неподібні металеві матеріали, відомі як електроди, розміщуються в розчиненому електроліті, у електродах відбуваються окисно-відновні реакції відповідно до електронної афінності металу електродів. В результаті окисної реакції один електрод стає зарядженим від'ємно, і його називають катодом, а через відновну реакцію інший електрод стає зарядженим додатно, і його називають анодом.

Катод утворює від'ємний контакт, тоді як анод утворює додатний контакт акумулятора. Щоб правильно зрозуміти основний принцип акумулятора, спочатку ми повинні мати деякі базові знання про електроліти та електронну афінність. Насправді, коли два неподібні метали занурюються в електроліт, між ними виникає різниця потенціалів.

З'ясовано, що, коли деякі специфічні сполуки додаються до води, вони розчиняються і виробляють від'ємні та додатні іони. Такий тип сполуки називається електролітом. Популярними прикладами електролітів є майже всі види солей, кислот та основ тощо. Енергія, що виділяється під час прийняття електрона нейтральним атомом, відома як електронна афінність. Оскільки атомна структура для різних матеріалів різна, електронна афінність різних матеріалів буде відрізнятися.

Якщо два різних види металів занурити в один і той же розчин електроліту, один з них набуде електронів, а інший — втратить. Який з металів (або металевих сполук) набуде електронів, а який втратить, залежить від електронної афінності цих металів. Метал з низькою електронною афінністю набуде електронів від від'ємних іонів розчину електроліту.

З іншого боку, метал з високою електронною афінністю віддасть електрони, і ці електрони потрапляють в розчин електроліту і додаються до додатних іонів розчину. Таким чином, один з цих металів набуде електронів, а інший — втратить. В результаті між цими двома металами буде різниця концентрації електронів.

Ця різниця концентрації електронів викликає розвиток електричної різниці потенціалів між металами. Цю електричну різницю потенціалів або електромотивну силу можна використовувати як джерело напруги в будь-яких електронних або електричних колах. Це загальний і базовий принцип акумулятора, і так працює акумулятор.

Всі акумуляторні елементи основані лише на цьому базовому принципі. Давайте обговоримо кожен з них. Як ми говорили раніше, Алессандро Вольта розробив перший акумуляторний елемент, і цей елемент відомий як простий вольтовий елемент. Такий простий елемент можна створити дуже легко. Узявши контейнер і заповнивши його розчиненою сірководною кислотою як електролітом. Тепер ми занурюємо один цинковий і один мідний прут в розчин і з'єднуємо їх зовнішньо електричним навантаженням. Тепер ваш простий вольтовий елемент завершений. Струм почне протікати через зовнішнє навантаження.

Цинк у розчиненій сірководній кислоті віддає електрони, як показано нижче:

Ці Zn + + іони переходить до електроліту, і кожен із Zn + + іонів залишає два електрони у пруті. В результаті вищезазначеного окисного процесу, цинковий електрод стає зарядженим від'ємно і тому виступає як катод. Наслідком цього є збільшення концентрації Zn + + іонів поблизу катоду в електроліті.

За властивостями електроліту, розчинена сіркова кислота і вода вже розпалилися на додатні гідронійні іони та від'ємні сульфатні іони, як показано нижче:

З-за високої концентрації Zn+ + іонів поблизу катоду, H3O+ іони відштовхуються до медного електрода і розряджаються, поглинаючи електрони від атомів медного прута. Наступна реакція відбувається на аноді:

В результаті відновної реакції, що відбувається на медному електроді, медний прут стає зарядженим додатно, і тому він виступає як анод.

Даниелевський елемент

Даниелевський елемент складається з медного судна, що містить розчин сульфату меди. Саме медне судно діє як додатний електрод. Пористий горщик, що містить розчинену сірководну кислоту, розміщується в медному судні. Амальгамований цинковий прут, занурений у середу, діє як від'ємний електрод.

Розчинена сірководна кислота в пористому горщику реагує з цинком, і в результаті відбувається виділення водню. Реакція відбувається наступним чином:

Утворення ZnSO4 в пористому горщику не впливає на роботу елемента, поки кристали ZnSO4 не осадяться. Газ водню проходить через пористий горщик і реагує з розчином CuSO4 наступним чином:

Медь, що утворилася, осідає на медному судні.

Історія акумулятора

У 1936 році посередині літа під час будівництва нової залізничної колії поблизу міста Багдад у Іраку було виявлено стародавній гробницю. Реліквії, знайдені в цій гробниці, були приблизно 2000-річної давності. Серед цих реліквій були деякі глиняні горщики, запечатані на верху смолою. Железний прут, оточений циліндричною трубкою, зробленою з обгорнутого медного листа, виходив з цього запечатаного верху.

Коли виявники заповнили ці горщики кислим розчином, вони знайшли різницю потенціалів приблизно 2 вольта між железом і міддю. Ці глиняні горщики були підозрілі в тому, що вони є 2000-річними акумуляторними елементами. Вони назвали горщик Партським акумулятором.

У 1786 році Луїджі Гальвані, італійський анатом і фізіолог, здивувався, побачивши, що коли він торкався мертвих ляшок жаби двома різними металими, м'язи ляшок скорчувались.