Несмотря на всё многообразие электронных компонентов, есть один элемент, без которого большинство портативных устройств работать не сможет. Обычно его обходят стороной, обращая внимание читателя прежде всего на типы транзисторов, конденсаторов или микроконтроллеров. Однако сегодня мы исправим эту несправедливость и разберём конструкцию и особенности химических источников тока — гальванических элементов питания.
Немного истории
Интересно, что изобретению привычных нам батареек или гальванических элементов питания, способствовала наблюдательность итальянского профессора Луиджи Гальвани при проведении опытов. Так, в 1786 году им впервые был описан феномен, при котором мышцы задних лапок лягушки, закреплённые на медном крючке, начинали сокращаться, если учёный подносил к ним стальной скальпель.
Учёный назвал это явление животным электричеством. Однако другой его знаменитый соотечественник — Алессандро Джузеппе Антонио Анастасио Вольта, проводя опыты с 1792 по 1794 года, пришёл к выводу, что дело тут не в животном электричестве, а в образовании электрической цепи, состоявшей из разных проводников и жидкости.
В 1800 году учёному удалось создать первый в мире химический источник тока, который стали впоследствии называть «Вольтов столб». Устройство состояло из вертикально расположенных пластин меди и цинка, между которыми помещались диски из сукна, пропитанного кислотой.
Учёному также удалось установить электрохимическую активность известных металлов на тот момент. Он расположил их в таком порядке: Zn, Pb, Sn, Fe, Cu, Ag, Au. При этом чем дальше металлы были расположены в этом ряду, тем большее напряжение выдавал источник тока.
Однако, хотя источник тока был изобретён успешно применить его на практике удалось нашему соотечественнику Василию Владимировичу Петрову. Так, в 1802 году учёный открыл электрическую дугу.
Для этого он сконструировал огромную батарею, выдававшую примерно 1500 В и состоявшую из 4200 медных и цинковых дисков, между которыми были помещены картонные диски, пропитанные нашатырём. Длина батареи составляла значительные 12 м, и для удобства, батарея была разделена на 4 части, расположенные горизонтально.
Хотя такая конструкция батарей и позволяла получать требуемые значения тока и напряжения, применять их на практике было не всегда возможно. Более удобной конструкцией обладал элемент британского учёного Даниэля, созданный им в 1836 году.
Этот источник тока состоял из сосуда с медным электродом, заполненного раствором сульфата меди и сосуда с цинковым электродом, заполненным сульфатом цинка. Сосуды соединялись друг с другом солевым мостиком — стеклянной трубкой, в которой находился раствор соли.
Однако конструкция такого элемента также не отличалась удобством в эксплуатации. В 1865 году французский учёный Жорж Лекланше улучшил его настолько, что данная конструкция дошла до наших дней с небольшими изменениями, и сейчас нам он знаком как марганцево-цинковый элемент или солевая батарейка.
Почему щелочные батарейки работают дольше?
Разумеется, что каждый производитель, рекламируя свою продукцию, в частности, и элементы питания, старается подчеркнуть тот факт, что именно эта марка батареек работает дольше остальных. Потребителю стараются внушить мысль о том, что на срок службы влияет бренд. Однако все знают, что это не так, а срок службы зависит от конструктивных особенностей батарейки.
Вернёмся к солевым батарейкам. Они обладают значительным внутренним сопротивлением, что не позволяет им выдавать сравнительно небольшой ток, а также имеют невысокую плотность энергии. По своим параметрам солевые батарейки уступают щелочными (алкалиновым) элементам питания.
В щелочном элементе имеется латунный стержень, подключённый к отрицательному полюсу. Стержень погружён в анодную пасту, которая состоит из цинка и щелочного электролита.
Далее располагается сепаратор, отделяющий пасту и стержень от активной массы. Эта масса состоит из диоксида марганца и сажи. Весь элемент находится в никелированном стакане.
Такая конструкция позволяет в меньшей степени расходовать электролит, что увеличивает срок службы, по сравнению с солевым элементом. Также анод в щелочном элементе обладает большей площадью, а это снижает внутреннее сопротивление.
Однако более совершенная конструкция не является залогом длительной работы. Ведь многое зависит и от качества применяемых материалов, и от технологического процесса. Вот здесь и соревнуются производители — стараются оптимизировать производственные процессы и улучшить конструкцию.
Литиевые батарейки
Источники тока этого типа стали производить в некоторых странах только в семидесятых годах ХХ века. Особенностью применения лития в них является то обстоятельство, что напряжение в них составляет как 1,5 так и 3 В. Это обусловлено тем, что литий занимает первое место в электрохимическом ряду активности металлов.
Кроме химической активности, литий обладает меньшим весом. Такие элементы питания весят на треть меньше, чем остальные. Также литиевые батарейки обладают низким саморазрядом, что вместе с высокой плотностью энергии обеспечивает большой срок хранения и работы.
Литиевые элементы питания легко перепутать, поэтому необходимо проверять маркировку перед их установкой!
Состав компонентов катода и электролита может различаться, но в качестве анода используется литий
Разумеется, что выпускаются и батарейки — таблетки, хорошо знакомые всем, кто пользуется пультами от автомобильной сигнализации. Кроме того, эти батарейки устанавливают на материнские платы, для обеспечения работы BIOS, в игрушки и тому подобное.
Заключение
Конечно, промышленность выпускает большой ассортимент источников питания и в статье были рассмотрены только основные типы. Кроме того, в разных областях одноразовые батарейки вытесняются аккумуляторами. Однако у батареек есть свои преимущества, которые позволяют им успешно конкурировать.
К таким причинам можно отнести:
- Время работы: аккумуляторы требуют больше времени для зарядки, поэтому они не всегда подходят для устройств с ограниченным временем работы, таких как пульты ДУ или наручные часы.
- Стоимость: аккумуляторы обычно дороже батареек, особенно если учитывать стоимость зарядного устройства.
- Экологический аспект: перезаряжаемые аккумуляторы требуют специальных зарядных устройств и могут выделять вредные вещества при неправильной утилизации.
