Najważniejszą właściwością ogniwa jest jego siła elektromotoryczna - SEM, czyli różnica potencjałów pomiędzy półogniwami. Potencjał półogniwa opisuje równanie Nernsta.

gdzie:

• $E^0$ – potencjał standardowy półogniwa redoks;

• $z$ – liczba elektronów reakcji redoks;

• $F$ – Faradaya;

• $a$ – aktywność substancji w formie utlenionej i zredukowanej.

W warunkach standardowych wzór wygląda następująco:

zatem:

gdzie:

• $E_k$ – potencjał katodykatodakatody półogniwa o wyższym, bardziej dodatnim potencjale;

• $E_a$ - potencjał anodyanodaanody półogniwa o niższym, bardziej ujemnym potencjale.

R6FWfm4CFxMVr

Ilustracja przedstawia ogniwo z katodą i anodą. Anoda to blaszka wykonana z cynku, katoda z miedzi. Są zanurzone w elektrolicie. Przy anodzie jest napis: $Z{n}^{2+}$, ${\mathrm{S}\mathrm{O}}_4^{2-}$, poniżej zapis: $1.0\mathrm{M}{\mathrm{Z}\mathrm{n}}^{2+}$. Przy katodzie jest zapis: ${\mathrm{C}\mathrm{u}}^{2+}$, ${\mathrm{S}\mathrm{O}}_4^{2-}$, pod spodem zapis: $1.0\mathrm{M}{\mathrm{C}\mathrm{u}}^{2+}$. Katoda i anoda są połączone ze sobą przewodem. Elektrony płyną od anody do katody. Na środku przewodu jest napis SEM = ?.

Na przykład, jeżeli chcemy obliczyć SEM powyższego ogniwa, wiedząc, że:

• $E_k=+\mathrm{0,34}$

• $E_a=-\mathrm{0,76}$

otrzymujemy:

Jeżeli $SEM>0$, to ogniwo może wykonać pracę elektryczną. Im większe SEM, tym łatwiej zachodzą samorzutne reakcje w ogniwie. SEM jest zależne od natężenia prądu pobieranego z ogniwa, zatem ogniwo przyjmuje największą wartość SEM wtedy, gdy nie pracuje.

Jeśli przez ogniwo przechodzi prąd, to pokonuje on opór zewnętrzny $R$ (np. opór żarówki), jak i opór wewnętrzny r źródła napięcia na biegunach ogniwa. Wtedy różnica potencjałów między zaciskami źródła jest mniejsza od jego siły elektrochemicznej.

Wzór na obliczenie napięcia:

gdzie:

• $SEM$ - różnica potencjałów pomiędzy półogniwami;

• $I$ - natężenie prądu [A];

• $r$ - opór elektryczny [Ωomega].

Zatem, mierząc napięcie ogniwa za pomocą woltomierza, powodujemy przepływ prądu przez ogniwo, w wyniku czego woltomierz wskazuje mniejsze napięcie niż wynosi siła elektrochemiczna ogniwa.

Kolejną wielkością ogniwa jest jego pojemność, czyli wielkość ładunku, jaką można pobrać z ogniwa w czasie rozładowywania do momentu, kiedy SEM spadnie do określonej wartości. Ładunek oblicza się, korzystając ze wzoru:

gdzie:

• $t$ - czas przepływu prądu [s];

• $I$ - natężenie prądu [A].

Akumulator składa się z wielu połączonych ogniw. Każdy akumulator zawiera oznakowanie zgodne z pewną normą. Powinny się na nim znaleźć informacje, takie jak:

• napięcie znamionowenapięcie elektrycznenapięcie znamionowe w woltach [V];

• prąd wyładowania w temp. -18°C w amperach [A];

• pojemność znamionowapojemność znamionowa akumulatorapojemność znamionowa QIndeks dolny zn_zn w amperogodzinach [A·h];

• data produkcji;

• oznaczenie biegunowości;

• znak wytwórcy lub nazwa;

• wyróżnik zawierający informacje na temat liczby ogniw, sposobu ładowania, pojemności, materiału obudowy itp.;

• klasa A - dotyczy akumulatorów do pojazdów osobowych lub B - dotyczy akumulatorów do ciężarówek, autobusów;

• informacja o obsłudze, np. bezobsługowy - gdy działa bez uzupełnienia wody.

Poglądowo można sprawdzić stan akumulatora, sprawdzając poprawność pracy rozrusznika w czasie zapłonu silnika oraz poziom świecenia reflektorów. Gdy słyszymy, że obroty rozrusznika są obniżone, to możemy przyjąć, że akumulator wymaga podładowania. Z kolei włączając reflektory, podczas gdy silnik nie pracuje, i porównując ich jasność po włączeniu silnika, możemy wnioskować o stanie naładowania akumulatora.

Do najważniejszych wielkości, które można zbadać, żeby ocenić stan akumulatora, jest pomiar gęstości elektrolitu, pomiar napięcia za pomocą próbnika i pomiar pojemności akumulatora Q.

Pomiar gęstości elektrolitu

Gęstość elektrolitu akumulatora mierzy się za pomocą areometru. Maleje ona wraz ze wzrostem temperatury i mierzy się ją w temperaturze 25°C. Oczywiście można również przeliczyć gęstość zmierzoną w innej temperaturze. Wówczas przy zmianie temperatury o 15°C gęstość zmienia się o 0,01 $\frac{\mathrm{g}}{{\mathrm{cm}}^3}$. Zatem zmiana temperatury o 1°C powoduje zmianę gęstości elektrolitu o 0,00066 $\frac{\mathrm{g}}{{\mathrm{cm}}^3}$.

RKriyE9lQLLM9

Ilustracja przedstawia akumulator. Na górze akumulatora znajdują się korki. Jeden z nich jest otwarty - włożono do niego areometr, służący do pomiaru gęstości elektrolitu. Areometr to pusta rurka szklana, której górna wydłużona część zaopatrzona jest w skalę, część dolna w postaci bańki wypełniona jest materiałem o dużej gęstości. Urządzenie na górze wyposażone jest w gumową pompkę. Obok areometru znajduje się zbliżenie na jego skalę z pewną wysokością pobranego z akumulatora płynu.

Znając gęstość elektrolitu, można ocenić stan naładowania akumulatora:

Indeks górny Opracowano na podstawie: www.dane.oke.waw.pl Indeks górny koniec^{Opracowano na podstawie: www.dane.oke.waw.pl}

Pomiar napięcia za pomocą próbnika

Próbnik bada napięcie akumulatora pod obciążeniem, kiedy przez akumulator przepływa określony prąd.

RguakaYfq06J4

Na zdjęciu znajduje się akumulator. Ma kształt prostopadłościanu. Na górze znajduje się sześć korków, które można odkręcać. Po lewej i prawej stronie są małe kostki z otworami oznaczone obok jako minus (lewa strona) i plus (prawa strona).

Stan naładowania, zależny od zmierzonego napięcia, przedstawia poniższa tabela:

W praktyce, siłę elektromotoryczną [V] ogniwa, z wystarczającą dokładnością, wyznacza się z równania:

w którym:

• $y$ – gęstość elektrolitu w temperaturze 20°C [$\frac{\mathrm{g}}{{\mathrm{cm}}^3}$].

Można posłużyć się gotowymi tablicami:

Indeks górny Zależność stopnia naładowania akumulatora od gęstości elektrolitu w temperaturze 20°C i siły elektromotorycznej Indeks górny koniec^{Zależność stopnia naładowania akumulatora od gęstości elektrolitu w temperaturze 20°C i siły elektromotorycznej}

Pomiar pojemności akumulatora Q

Mowa tu o pomiarze ładunku elektrycznego, jaki można pobrać z naładowanego akumulatora do chwili, gdy napięcie na jego zaciskach spadnie do wartości minimalnej, odpowiadającej dopuszczalnemu rozładowaniu. Temperatura otoczenia ma znaczny wpływ na pojemność akumulatora.

Pojemność [A·h] określa zależność:

• $I$ – prąd wyładowania [A];

• $t$ – czas wyładowania [h].

Ze względu na trwałość płyt, należy obliczać prąd wyładowania akumulatora, zakładając, że czas wyładowania będzie równy 20h.

Słownik

Bibliografia

Czerwiński A., Akumulatory, baterie, ogniwa, Warszawa 2005.

Gomółka J., Kowalczyk F., Franke A., Współczesne chemiczne źródła prądu, Warszawa 1977.

Linden D., Reddy T.B., Handbook of batteries, Nowy Jork 1993.