Przeczytaj
Siła elektromotoryczna ogniwa
Najważniejszą właściwością ogniwa jest jego siła elektromotoryczna - SEM, czyli różnica potencjałów pomiędzy półogniwami. Potencjał półogniwa opisuje równanie Nernsta.
gdzie:
– potencjał standardowy półogniwa redoks;
– liczba elektronów reakcji redoks;
– Faradaya;
– aktywność substancji w formie utlenionej i zredukowanej.
W warunkach standardowych wzór wygląda następująco:
zatem:
gdzie:
– potencjał katodykatody półogniwa o wyższym, bardziej dodatnim potencjale;
- potencjał anodyanody półogniwa o niższym, bardziej ujemnym potencjale.
Na przykład, jeżeli chcemy obliczyć SEM powyższego ogniwa, wiedząc, że:
otrzymujemy:
Jeżeli , 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 (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:
- różnica potencjałów pomiędzy półogniwami;
- natężenie prądu [A];
- opór elektryczny [omega].
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:
- czas przepływu prądu [s];
- 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 znamionowe w woltach [V];
prąd wyładowania w temp. -18°C w amperach [A];
pojemność znamionowapojemność znamionowa QIndeks dolny znzn 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.
Badanie stanu akumulatora
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 . Zatem zmiana temperatury o 1°C powoduje zmianę gęstości elektrolitu o 0,00066 .
Znając gęstość elektrolitu, można ocenić stan naładowania akumulatora:
Gęstość elektrolitu | Naładowanie akumulatora |
---|---|
1,28 | 100% |
1,26 | 88% |
1,24 | 75% |
1,22 | 62% |
1,20 | 50% |
1,17 | 35% |
1,15 | 25% |
1,13 | 15% |
1,10 | 0% |
Indeks górny Opracowano na podstawie: www.dane.oke.waw.pl Indeks górny koniecOpracowano na podstawie: www.dane.oke.waw.pl
Pomiar napięcia za pomocą próbnika
Próbnik bada napięcie akumulatora pod obciążeniem, kiedy przez akumulator przepływa określony prąd.
Stan naładowania, zależny od zmierzonego napięcia, przedstawia poniższa tabela:
Wartość napięcia [V] | Naładowanie akumulatora |
---|---|
UIndeks dolny akuaku > 11 | Akumulator naładowany |
UIndeks dolny akuaku < 10,2 | Akumulator rozładowany |
W praktyce, siłę elektromotoryczną [V] ogniwa, z wystarczającą dokładnością, wyznacza się z równania:
w którym:
– gęstość elektrolitu w temperaturze 20°C [].
Można posłużyć się gotowymi tablicami:
Stopień naładowania ogniwa [%] | 100 | 75 | 50 | 25 | 0 |
---|---|---|---|---|---|
Gęstość elektrolitu [V] | 1,28 | 1,24 | 1,19 | 1,14 | 1,10 |
SEM [V] | 2,12 | 2,08 | 2,03 | 1,98 | 1,94 |
Indeks górny Zależność stopnia naładowania akumulatora od gęstości elektrolitu w temperaturze 20°C i siły elektromotorycznej Indeks górny koniecZależność 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:
– prąd wyładowania [A];
– czas wyładowania [h].
Ze względu na trwałość płyt, należy obliczać prąd wyładowania akumulatora, zakładając, że czas wyładowania będzie równy 20h.
Słownik
układ dwóch elektrod/półogniw umieszczonych w elektrolicie, między którymi zachodzą reakcje chemiczne i powstaje różnica potencjałów; połączenie ze sobą elektrod przewodem elektrycznym umożliwia przepływ prądu
symbol napięcia „U”. Jest to różnica potencjałów/pól elektrycznych między dwoma elektrodami
(gr. ἄnuomicrondeltaomicronς (anodos) „wchodzenie”) w ogniwach galwanicznych, czyli źródłach prądu, jest to elektroda ujemna, przez którą prąd elektryczny wpływa do urządzenia w postaci ładunku ujemnego; w odbiornikach prądu elektrycznego anoda jest elektrodą dodatnią
(gr. kappaάomicrondeltaomicronς (káthodos) „schodzenie”) w ogniwach galwanicznych, czyli źródłach prądu, jest to elektroda dodatnia, przez którą prąd elektryczny wypływa z urządzenia w postaci ładunku ujemnego
ilość ładunku elektrycznego wyrażona w [A·h], jaką może oddać w pełni sprawny i naładowany akumulator, do osiągnięcia stanu normalnego wyładowania w temperaturze 25°C
wartość prądu, jaki można pobrać z akumulatora całkowicie sprawnego i naładowanego w czasie 20 godzin, do osiągnięcia przez akumulator stanu normalnego wyładowania
ilość ładunku elektrycznego wyrażona w [A·h], jaką może oddać w pełni sprawny i naładowany akumulator, do osiągnięcia stanu normalnego wyładowania w czasie 20 godzin w temperaturze 25°C
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.