Краткие теоретические сведения. Аккумуляторы – химические источники тока, в которых электрическая энергия получается за счёт химических реакций

Аккумуляторы – химические источники тока, в которых электрическая энергия получается за счёт химических реакций. На практике применяют аккумуляторы кислотные и щелочные. В качестве электролита в щелочных аккумуляторах используется 20 % раствор щёлочи в воде. В зависимости от химического состава электродов щелочные аккумуляторы делятся на железо-никелевые, кадмиево-никелевые, цинково-никелевые и т.д. Наиболее часто применяются железо-никелевые и кадмиево-никелевые. Корпуса таких аккумуляторов изготавливают из никелированного железа. Активной массой анодов до зарядки является гидроксил никеля Ni(OH)₂.

Схематически реакции зарядки − разрядки можно записать так:

При зарядке аккумулятора активная масса пластин на аноде превращается в гидроксид никеля Ni(OH)₂, а активная масса на аноде − в губчатое железо или губчатый кадмий. При разрядке аккумулятора совершается обратный процесс. Рабочее напряжение щелочных аккумуляторов 1,3 … 1,1 В.

Аккумулятор характеризуется электродвижущей силой e и внутренним сопротивлением r.

Мощность, расходуемая источником, частично выделяется во внешней цепи (P _полез), частично - на внутреннем сопротивлении (рис. 10.1).

Коэффициент полезного действия источника (КПД) равен:

(10.1)

Закон Ома для замкнутой цепи может быть записан в форме:

(10.2)

где e - электродвижущая сила источника, I - величина тока, R - внешнее сопротивление, r - внутреннее сопротивление источника.

Величину

(10.3)

называют напряжением во внешней цепи. С нарастанием тока напряжение линейно убывает. При разомкнутой цепи U = e.

Домножив уравнение (10.2) на величину тока

(10.4)

получим линейную зависимость полной мощности от величины тока (рис. 10.2, 2)

(10.5)

Полезная мощность определится выражением:

(10.6)

Через характеристики источника полезная мощность дает параболическую зависимость от величины тока (рис. 10.2, 3):

(10.7)

Исследование зависимости на максимум показывает, что полезная мощность максимальна при равенстве внешнего и внутреннего сопротивлений.

Зависимость КПД от величины тока линейная (рис. 10.2, 1):

(10.8)

Экспериментально, воспользовавшись вольтметром и амперметром, мы можем получить зависимость напряжения во внешней цепи от величины тока U (I) и рассчитать соответствующие зависимости от величины тока полной, полезной мощности и КПД. Аппроксимация этих зависимостей полиномом соответствующей степени позволит найти параметры e и r источника.

Описанные выше зависимости могут быть выражены также через отношение внешнего и внутреннего сопротивлений R/r

(10.9)

(10.10)

(10.11)

(10.12)

Максимальные значения этих величин соответственно равны

Обычно графически (10.9 - 10.12) изображают в относительных координатах (рис. 10.3)

(10.13)

(10.14)

(10.15)

Экспериментально требуется исследовать зависимость полезной и полной мощностей и КПД от силы тока. Обработку полученных результатов можно провести с помощью компьютерной программы, данной в приложении с аппроксимацией полученных данных полиномом, соответствующей степени, графическими построениями.