Лекция 1. Введение. Устройство ХИТ. Токообразующие реакции. ЭДС. Напряжение разряда и заряда. Плотность тока

«...столб, составленный из кружков медного, цинко­вого и влажного суконного. Чего ожидать, априори, от такой комбинации. Но это собрание, странное и, по-видимому, бездействующее, этот столб из разнород­ных металлов, разделенных небольшим количеством жидкости, составляет снаряд, чуднее которого ни­когда не изобретал человек, не исключая даже теле­скопа и паровой машины».

«Алессандро Вольта»

До конца XVIII в. единственными практическими источни­ками электроэнергии были электрофорные машины, основан­ные на электростатическом индуцировании зарядов и их на­коплении. Хотя с помощью таких машин можно было получить высокие напряжения на обкладках «лейденских банок» (де­сятки тысяч вольт) и реализовать искровые разряды. Генери­руемые в них электрические заряды были ничтожны - от 10^-6 до 10^-4 Кл.

В 1786 г. итальянский физиолог Л. Гальвани в своих зна­менитых опытах показал, что если прикладывать два различ­ных металла к оголенному нерву лягушки, то возникает мус­кульное сокращение, аналогичное тому, которое вызывается разрядом лейденской банки. Это явление он приписал нали­чию «животного электричества». Правильное истолкование этому явлению дал в 1794 г. итальянский физик А. Вольта, указав, что причиной такого «гальванического» эффекта явля­ется контакт двух разнородных металлов между собой и с мус­кульной тканью. Основываясь на этом, Вольта в марте 1800 г. сообщил о создании аппарата, производящего «неистощимый заряд». Этот аппарат, ныне известный как «вольтов столб», был первым образцом химического источника тока или «галь­ванической батареи». В дальнейшем были созданы другие, бо­лее совершенные варианты таких источников.

Появление первого химического источника тока (ХИТ), не­смотря на его несовершенство, открыло новую эру в учении об электричестве. До этого были известны понятия о положи­тельных и отрицательных зарядах, а также основные законы электростатики, например закон Кулона. Однако не было из­вестно явление непрерывного потока электрических зарядов, т. е. не существовало понятия электрического тока (разряд лейденских банок продолжался только микросекунды). Неиз­вестны были и разнообразные проявления электрического тока.

Буквально через несколько месяцев после создания воль­това столба было обнаружено химическое действие тока. Уже в мае 1800 г. У. Николсон и А. Карлейль провели электролиз воды. В 1803 г. были открыты процессы электроосаждения ме­таллов. В 1807 г. X. Дэви впервые выделил щелочные металлы электролизом расплавов солей.

В 1819 г. X. Эрстед наблюдал явление магнитного действия электрического тока. В дальнейшем были сформулированы ос­новные законы электродинамики и электромагнетизма: взаи­модействия электрических токов (А. Ампер, 1820 г.); пропор­циональности тока и напряжения (Г. Ом, 1827 г.); электромаг­нитной индукции (М. Фарадей, 1831 г); тепловыделения при прохождении тока (Дж. Джоуль, 1843 г.) и другие. Открытие всех этих явлений основывалось на опытах, проведенных с по­мощью ХИТ.

Существование ХИТ сделало возможным развитие работ по практическому использованию электрического тока. Первая по­пытка создания электрического телеграфа относится к 1804 г. В 1834 г. русский академик Б. Якоби создал первый практиче­ский электродвигатель, а в 1838 г. он уже испытывал лодку с таким двигателем на Неве вблизи Петербурга. В этом же году он открыл способ гальванопластики.

Химические источники оставались единственными практиче­скими источниками электрического тока во всей первой поло­вине XIX в. Бурное развитие теоретической и прикладной электротехники, ставшее возможным по мере усовершенство­вания ХИТ, привело в 1860-х годах к созданию принципиально нового типа источника электрической энергии — электромаг­нитного генератора. Вскоре оказалось, что генераторы значи­тельно превосходят своих предшественников, как по электри­ческим, так и по экономическим показателям. Только генера­торы сделали возможным развитие стационарных электриче­ских сетей и широкое использование электроэнергии для бытовых и промышленных нужд.

По этой причине ХИТ к концу XIX в. потеряли свое значе­ние единственного источника электроэнергии, но продолжали совершенствоваться и использоваться как автономные источ­ники тока для развивающихся в те годы средств связи и для переносных приборов. Интересно отметить, что в конце XIX в. существовали аккумуляторные электромобили, которые ус­пешно конкурировали с еще несовершенными тогда автомоби­лями с двигателями внутреннего сгорания.

Новый подъем интереса к ХИТ начался примерно в 1920 г. в связи с широким развитием радиотехники. В течение почти двух десятилетий первичные элементы и аккумуляторы были единственными источниками питания для радиоприемников. Росту внимания к ХИТ способствовало и развитие автомобиль­ного транспорта, так как требовалось наладить крупносерий­ное производство стартерных аккумуляторов. В те же годы начались первые серьезные исследовательские работы в обла­сти ХИТ. После второй мировой войны развитие современных электронных приборов, а также авиационной, ракетной и кос­мической техники потребовало не только увеличения объема производства, но и резкого улучшения показателей ХИТ. Поэ­тому в последние два десятилетия появились и продолжают появляться новые разновидности источников тока.

В настоящее время ХИТ используются почти во всех об­ластях техники и народного хозяйства. Количество отдельных первичных элементов и аккумуляторов, изготавливаемых еже­годно во всем мире, исчисляется миллиардами. О большом их распространении свидетельствует, например, тот факт, что при одновременном включении всех ХИТ, находящихся в эксплуа­тации, можно было бы получить электрическую мощность, срав­нимую с мощностью всех электростанций мира, вместе взятых (около 10⁹ кВт). Необходимо, правда, иметь в виду, что в от­личие от непрерывно работающих электростанций, автоном­ные источники тока работают только кратковременно, с боль­шими перерывами, поэтому общая вырабатываемая ими элект­роэнергия мала по сравнению с энергией, вырабатываемой на электростанциях.

Существуют и другие устройства, которые могут быть ис­пользованы в качестве автономных источников электрической энергии. В термоэлектрических преобразователях (ТЭП) и в термоэмиссионных генераторах (ТЭГ) происходит прямое преобразование тепловой энергии в электрическую. Фотопре­образователи используются для преобразования солнечного из­лучения, а радиационные источники тока - для преобразования излучения радиоактивных изотопов. Однако ХИТ наиболее уни­версальны и имеют большее распространение. Это обусловлено рядом их эксплуатационных преимуществ - независимостью от посторонних источников тепла или излучения, постоянной го­товностью к действию. В отличие от дизель-электрических аг­регатов, используемых для автономного энергоснабжения, ХИТ работают бесшумно.

Большое распространение ХИТ обусловлено также широким Диапазоном электрической мощности, которая может быть по­лучена от них. Миниатюрные элементы в наручных электриче­ских часах работают со средней мощностью 10^-5 Вт, а аккуму­ляторные батареи на подводных лодках развивают мощность до 10⁷ Вт. Масса единичной химической «энергоустановки» ко­леблется от долей грамма до сотен тонн. Примечательно, что эффективность работы одинаково высока, как для миниатюрных, так и для крупных ХИТ; высокая эффективность сохра­няется в самых различных условиях эксплуатации. Ни один другой тип источников электроэнергии не обладает таким раз­нообразием возможностей использования и такой универсаль­ностью.

Современное производство ХИТ представляет собой само­стоятельную отрасль электротехнической промышленности. Вместе с тем, по своему характеру оно близко примыкает к другим производствам - химической технологии, машино­строению, приборостроению и т. д. - и имеет с ними некоторые общие черты. Отдельные типы ХИТ выпускаются в массовом масштабе на высокопроизводительном оборудовании при высо­кой степени механизации и автоматизации.

Научные основы разработки, производства и эксплуатации ХИТ находятся на стыке разных научных дисциплин - элект­рохимии, электротехники, теплофизики, материаловедения и др.

Основные понятия

Химические источники тока (ХИТ) являются преобразова­телями химической энергии в электрическую. Во время ра­боты (разряда) в них происходит химическая реакция взаи­модействия двух реагентов. Энергия этой реакции выделяется в виде энергии постоянного электрического тока.

Преобразование химической энергии в электрическую про­исходит и в других установках, например в энергоблоках теп­ловых электростанций или в дизель-электрических агрегатах. В них энергия горения топлива превращается сначала в тепло­вую энергию (в топке, камере сгорания), затем - в механиче­скую (в турбине, цилиндре двигателя внутреннего сгорания) и лишь после этого - в электрическую энергию (в электри­ческом генераторе). В отличие от такого многоступенчатого процесса в ХИТ энергия преобразуется непосредственно, одноступенчато, без промежуточного образования других видов энергии.

Таким образом, химический источник тока - это устрой­ство, в котором энергия химической реакции непосредственно превращается в электрическую энергию.

Существует много вариантов ХИТ, отличающихся разме­рами, конструктивными особенностями и природой протекаю­щей в них токообразующей реакции. В зависимости от вари­анта меняются показатели и эксплуатационные свойства. Та­кое разнообразие вполне оправдано, так как ХИТ использу­ются в различных условиях и каждая область применения имеет свои специфические особенности.

ХИТ состоит из одной или нескольких единичных ячеек - гальванических элементов. Напряжение отдельного такого эле­мента невысокое — в зависимости от варианта оно колеблется от 0,5 до 4 В. Когда требуются более высокие напряжения, не­обходимое число элементов соединяется последовательно-в гальваническую батарею.

По принципу работы гальванические элементы (и ХИТ в целом) делятся на группы:

а) первичные элементы (элементы одноразового действия, иногда называемые гальваническими элементами или просто элементами). В первичных элементах заложен определенный запас реагентов, вступающих в реакцию; после израсходования этого запаса (после полного разряда) первичные элементы теряют работоспособность;

б) аккумуляторы (элементы многоразового действия, перезаряжаемые, вторичные или обратимые элементы). Аккумуляторы после разряда допускают повторный заряд путем пропускания тока от внешней цепи в обратном направлении; при этом из продуктов реакции регенерируются исходные реагенты. Таким образом, при заряде в аккумуляторе в виде химической энергии накапливается электрическая энергия от внешнего источника; при разряде она возвращается потребителю. Боль­шинство аккумуляторов допускает проведение большого числа таких циклов заряда-разряда (сотни и тысячи), т. е. общая длительность их работы велика, хотя работа является прерывистой;

в) топливные элементы. В топливные элементы в процессе работы непрерывно подводятся новые порции реагентов и одновременно удаляются продукты реакции, поэтому они могут разряжаться непрерывно в течение длительного времени.

Деление на первичные элементы и аккумуляторы не вполне строго, так как в определенных условиях первичные элементы могут быть повторно заряжены; с другой стороны, аккумуля­торы иногда используются только для единичного разряда, без последующего заряда.

Существуют также две промежуточные группы гальваниче­ских элементов. В комбинированных (полутопливных) эле­ментах заложен запас только одного из реагентов, в то время как второй при работе непрерывно подается извне. Длитель­ность работы такого источника определяется запасом первого реагента. Если этот реагент может быть регенерирован про­пусканием тока, комбинированный элемент работает как акку­мулятор. В возобновляемых (механически или химически пе­резаряжаемых) элементах предусмотрена возможность за­мены после окончания разряда израсходованных реагентов на новые порции. Таким образом, в отличие от топливных эти элементы работают не с непрерывным, а с периодическим во­зобновлением реагентов. Часто возобновляемые элементы яв­ляются комбинированными, и в них периодически заменяется запас только одного из реагентов.