|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
ІСТОРІЯ ТЕХНІКИ, ТЕХНОЛОГІЇ, ПРЕДМЕТІВ НАВКОЛО НАС
Акумулятор. Історія винаходу та виробництва
Довідник / Історія техніки, технології, предметів довкола нас Електричний акумулятор - джерело струму багаторазової дії, основна специфіка якого полягає у оборотності внутрішніх хімічних процесів, що забезпечує його багаторазове циклічне використання (через заряд-розряд) для накопичення енергії та автономного електроживлення різних електротехнічних пристроїв та обладнання, а також для забезпечення резервних джерел енергії медицини, виробництва та інших сферах.
Відкриття акумулюючого ефекту належить до найважливіших і значних винаходів в галузі електротехніки. Дуже часто виникала і виникає потреба живити електрикою прилади чи механізми у місці, де немає джерел енергії. Довгий час для цього використовували гальванічну батарею, але вона була слабким, дорогим і надмірно громіздким джерелом струму. Створення електричного акумулятора значно спростило це завдання. Ще в 1802 році Ріттер відкрив, що дві мідні пластини, опущені в кислоту і з'єднані з гальванічною батареєю, заряджаються і їх потім можна протягом короткого часу використовувати як постійне джерело струму. Це пізніше вивчалося багатьма іншими вченими. У 1854 році німецький військовий лікар Вільгельм Зінстеден спостерігав наступний ефект: при пропусканні струму через свинцеві електроди, занурені в розведену сірчану кислоту, позитивний електрод покривався двоокис свинцю PbO2, в той час як негативний електрод не зазнавав жодних змін. Якщо такий елемент замикали потім коротко, припинивши пропускання через нього струму від постійного джерела, то в ньому з'являвся постійний струм, який виявлявся до тих пір, поки весь двоокис свинцю не розчинялася в кислоті. Таким чином, Зінстеден впритул наблизився до створення акумулятора, проте він не зробив жодних практичних висновків зі свого спостереження. Лише через п'ять років, у 1859 році, французький інженер Гастон Планте випадково зробив те саме відкриття і побудував перший в історії свинцевий акумулятор. Цим було започатковано акумуляторну техніку. Акумулятор Планте складався із двох однакових свинцевих пластин, навитих на дерев'яний циліндр. Один від одного вони відокремлювалися тканинною прокладкою. Влаштований таким чином прилад поміщали в посудину з підкисленою водою та з'єднували з електричною батареєю. Через кілька годин, відключивши батарею, можна було знімати з акумулятора досить сильний струм, який протягом деякого часу зберігав своє постійне значення.
Чим пояснюються процеси, які відбуваються в акумуляторі? Як і в гальванічному елементі, електричний струм тут – наслідок хімічної реакції, яка може протікати багаторазово в обидва боки. Уявімо, що ми починаємо зарядку акумулятора, що розрядився, приєднавши його до джерела постійного струму. Зазвичай ще не заряджена маса позитивної свинцевої пластинки містить залишки попереднього циклу - окис свинцю PbO і сірчанокислий свинець PbSO4, а негативна - тільки окис свинцю PbO. Під дією електричного струму електроліт - підкислена вода - починає розкладатися: на позитивному електроді виділяється кисень, який відразу окислює окис свинцю і сірчанокислий свинець до перекису PbO2 (причому кислотний залишок SO4 йде в розчин), а на негативній пластині виділяється водень. Останній з'єднується з киснем окису, утворюючи металевий свинець та воду. Потім газ починає накопичуватися у порах свинцевої пластини. Якщо заряджений акумулятор увімкнути в ланцюг, то струм, що проходив через акумулятор під час заряджання, змінює свій напрямок. Внаслідок цього на тій платівці, де раніше виділявся кисень, починає виділятися водень, який вступає в реакцію з киснем перекису свинцю. На іншій платівці відбувається виділення кисню. Сірчана кислота з рідини переходить на позитивний електрод і утворює знову сірчанокислий свинець, тоді як водень і свинець на негативній пластині окислюються, перший - у воду, другий - в окис свинцю. У дещо спрощеному вигляді (без урахування паралельних процесів) хімічна реакція розрядки має вигляд: PbO2 + Pb + 2H2S4 = 2PbSO4 + 2H2O. При зарядці явища йдуть у протилежний бік. Ця реакція, що супроводжується виділенням електричного струму, продовжується до тих пір, поки кількість окису свинцю на обох пластинках не врівноважується. Та ж реакція йде в розімкнутому акумуляторі, але набагато повільніше. При зарядженні (внаслідок виділення кислотного залишку в розчин) питома вага рідини в акумуляторі збільшується, а при розрядженні зменшується (оскільки при розрядженні сірчана кислота з'єднується з окисом свинцю і утворює на електродах сірчанокислий свинець). Під час розрядки енергія хімічних реакцій перетворюється на електричну, а під час зарядки - навпаки. Суттєвим недоліком акумулятора Планте була його невелика ємність – він дуже швидко розряджався. Незабаром Планте зауважив, що ємність можна збільшити спеціальною підготовкою поверхні свинцевих пластин, які мають бути якомога більш пористими. Щоб досягти цього, Планте розряджав заряджений акумулятор, а потім знову пропускав через нього струм, але в протилежному напрямку. Цей процес формування пластин повторювався багаторазово протягом приблизно 500 годин і мав на меті збільшити на обох пластинках шар окису свинцю. Доки не була винайдена динамо-машина, акумулятори представляли для електротехніків мало інтересу, але коли з'явилася можливість легко і швидко заряджати їх за допомогою генератора, акумулятори отримали широке поширення. В 1882 Камілл Фор значно вдосконалив техніку виготовлення акумуляторних пластин. Якщо акумулятор Планте починав добре працювати лише після багаторазової зарядки та розрядки (поки пластини не робилися пористими), в акумуляторі Фора формування пластин відбувалося набагато швидше. Суть удосконалення Фора полягала в тому, що він придумав покривати кожну платівку суриком чи іншим окислом свинцю. При зарядженні шар цієї речовини на одній із пластин перетворювався на перекис, тоді як на іншій пластинці внаслідок реакції виходив низький ступінь оксиду. Під час цих процесів на обох пластинах утворювався шар оксидів з пористою будовою, що сприяло накопиченню газів, що виділяються на електродах. Щоб маса оксидів, що утворюється на пластинах, не відвалювалася, їх покривали тканиною. Акумулятор Фора не тільки заряджався швидше за акумулятор Планте, але мав також значно більшу ємність і міг давати дуже сильний струм. Він складався з паралельних свинцевих пластин, поміщених близько одна від одної і з'єднаних через одну, так що кожен електрод одного знака містився між двома протилежними електродами. Винахід Фора одразу звернув на себе увагу електротехніків. Німецький банкір Фолькмар, який взявся за виробництво акумуляторів Фора, незабаром ще вдосконалив їх. У колишніх акумуляторах шар оксидів, як уже говорилося, погано тримався на ґратах і при трясці легко відвалювався. Це було серйозним недоліком конструкції, оскільки заважало застосовувати акумулятори на транспорті. Щоб виправити справу, Фолькмар запропонував робити свинцеві пластинки не суцільними, а у вигляді ґрат, отвори яких набивали губчастим свинцем. На таких ґратах активна маса вже не просто налипала до свинцю, а міцно трималася у осередках.
На початку XX століття удосконаленням акумулятора зайнявся Едісон, який хотів зробити його більш пристосованим до потреб транспорту. У зв'язку з цим завданням потрібно полегшити вагу акумуляторів, збільшити їх ємність, позбутися отруйного свинцю та їдкої сірчаної кислоти, яка швидко роз'їдала свинцеві пластини, після чого їх доводилося замінювати. Як завжди, Едісон приступив до справи з великим розмахом: він створив спеціальну лабораторію з великим штатом фахівців-хіміків і доручив їм дослідження з усіх перерахованих напрямків. Фактично, йшлося про створення абсолютно нового типу акумулятора, у якому електролітом служила луг, а негативним електродом - подрібнене залізо з деякими домішками. Довгий час не вдалося вибрати матеріал для позитивного електрода. Оскільки хімічні процеси в лужному акумуляторі були дуже складні і не до кінця зрозумілі, доводилося буквально навпомацки. В експериментальних моделях позитивний електрод робили з вугілля, пори якого заповнювали різними речовинами: випробували безліч металів та їх сполук, але вони давали недостатньо хороший результат. Нарешті, зупинилися на нікелі, який виявився найбільш підходящим. Так Едісон прийшов до залізно-нікелевого акумулятора з електролітом у вигляді їдкого калію. (Хімічна реакція, що протікає при розряді в лужному акумуляторі, у спрощеному вигляді описується рівнянням: 2NiOOH + Fe + 2H2O = 2Ni(OH)2 + Fe(OH)2; при зарядці процес йде у зворотному напрямку; електроліт KOH, хоч і створює необхідне середовище, у реакції участі не бере. Було виготовлено кілька таких акумуляторів для всебічних випробувань, і тут дослідників спіткало розчарування - ємність акумуляторів виявилася дуже маленькою. Едісон звернув увагу, що чистота матеріалу має значення для збільшення ємності. Він замовив для проб високосортний канадський нікель, після чого ємність акумуляторів одразу зросла втричі. У Вест-Оренджі була побудована невелика фабрика для рафінування (очищення) заліза та нікелю. Місткість нового акумулятора виявилася в 2 рази більшою, ніж у старого свинцевого. Едісон стверджував, що це найбільший прогрес в акумуляторній техніці з часів її зародження. Подальші досліди виявилися настільки успішними, що в 1903 Едісон вирішив приступити до промислового виробництва своїх акумуляторів на спеціально побудованому для цього заводі. Однак перші лужні акумулятори, що надійшли у продаж, виявилися дуже далекі від досконалості: вони погано тримали задану величину напруги, часто давали текти і мали багато інших дрібних дефектів. Від розповсюджувачів почали надходити численні рекламації. Едісон довелося зупинити завод і знову зайнятися удосконаленням свого винаходу. Незважаючи на невдачі, він твердо вірив у успіх справи. Доведення було доручено відразу кільком групам: одна працювала над удосконаленням зварювання акумуляторних судин, інша - над рафінуванням заліза, третя займалася нікелем і присадками до нього. До 1905 року було проведено понад 10 тисяч додаткових дослідів, а 1910 року значно вдосконалений акумулятор знову надійшов у виробництво. У перший рік було випущено продукції на 1 мільйон доларів, і вся вона знайшла хороший збут. Незабаром новий портативний акумулятор набув широкого поширення у транспорті, на електростанціях, у невеликих суднах та на підводних човнах. Автор: Рижов К.В.
▪ Двигун газовий та бензиновий
Машина для проріджування квітів у садах
02.05.2024 Удосконалений мікроскоп інфрачервоного діапазону
02.05.2024 Пастка для комах
01.05.2024
▪ Модулі Wi-Fi 6E для комп'ютерів на базі Ryzen ▪ Модулі пам'яті DDR3L-1333 та DDR3L-1600 від Silicon Power ▪ Камера, що працює як сітківка людського ока ▪ ПЕТ-пластик із відходів біомаси ▪ Російський відеорекордер на флеш-пам'яті
▪ розділ сайту Зварювальне обладнання. Добірка статей ▪ стаття Небезпека наркотиків. Основи безпечної життєдіяльності ▪ стаття Чи може вода проводити звук? Детальна відповідь ▪ стаття Хрін гулявниковий. Легенди, вирощування, способи застосування ▪ стаття Виклик паралельного телефону. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки ▪ стаття Захист НВЧ транзисторів. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки
Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт
www.diagram.com.ua |
Рекомендуємо цікаві статті розділу 
Дивіться інші статті розділу 
Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:
All languages of this page