Аккумуляторы и их устройство

Аккумуляторы, а в быту мы их называем «батареи», используются сейчас повсеместно в виду появления все большего числа различной электроники (например, смартфоны, ноутбуки, планшеты, фотокамеры и др.). Вообще, аккумуляторы в электротехнике в широком смысле понимаются как специальные приборы, которые способны как накапливать заряд, так и расходовать его в зависимости от ситуации. С момента появления данные устройства существенно модернизировались и теперь облегчают жизнь человека в различных сферах. Но несмотря на большую распространенность аккумуляторов мало кто из потребителей полноценно знаком со спецификой их функционирования и, соответственно, с правилами их использования. 

Главное предназначение любого типа аккумулятора – это накапливание электроэнергии для последующего ее использования в совершении каких-либо масштабных работ.

Помимо выше указанных аккумуляторов, используемых в современной цифровой технике, существуют более серьезные устройства. Одним из таких является гидравлический аккумулятор, который применяется, как правило, в шлюзах. Такие аккумуляторы способны поднимать судна на более высокие уровни русла рек.

Электрический аккумулятор функционирует по аналогичному принципу, что и гидравлическое устройство. То есть, первоначально электричество аккумулируется в устройстве от внешнего источника. После оно передается потребителям и используется для совершения тех или иных работ. Данные аккумуляторы являются химическими и отличаются возможностью неоднократного заряда/разряда.

В процессе заряда в аккумуляторе в непрерывном режиме совершаются те или иные химические реакции между электродными пластинами и тем химическим веществом, что заполняет пространство между ними. Последнее вещество именуется электролитом.
  
Примитивным образом схему устройства аккумулятора можно изобразить так: внутри корпуса размещается пара металлических пластин, оснащенных специальными выводами для контактов, а промежуток между ними заполняется электролитом. 

Функционирование аккумулятора в процессе разряда и заряда

Разряд

Через замкнутую электрическую цепь протекает ток разряда. Например, при подключении к электродам нагрузки. Данный ток сформирован двигающимися в металлических элементах электронами, а также анионами и катионами, что находятся в электролите.

Данный процесс схематично отображен на рисунке с никель-кадмиевыми электродами. Материалом положительного электрода является окись никеля с добавлением графита, за счет чего возрастает электропроводимость. Основа отрицательно заряженного электрода – губчатый кадмий. При разряде из окиси никеля выделяются микрочастицы активного кислорода в электролит, после чего передаются на отрицательно заряженные пластины. Здесь происходит окисление кадмия.

Заряд

Во время отсутствия нагрузки на клеммы пластин из однородного металла происходит подача постоянного (реже пульсирующего) напряжения. Показатель данного напряжения несколько превышает то, которое присуще заряжаемому аккумулятору.

Все зарядные устройства имеют гораздо большую мощность, способную подавить энергию, неизрасходованную аккумулятором. В следствие чего возникает электрический ток, направление которого противоположно направлению разряда. При этом химические процессы претерпевают изменения. 

Важно отметить, что процессы разряда и заряда изменяют химический состав электродов. Электролит же при этом не испытывает никаких изменений.

Каким образом могут соединяться аккумуляторы?

Аккумуляторы могут соединяться между собой двумя способами: параллельным соединением и последовательным.

Параллельный способ

То, какой показатель тока разряда может выдержать корпус аккумулятора, напрямую зависит от различных факторов. Например, очень важным моментом являются конструктивные особенности, используемые материалы, а также размеры. Таким образом, чем больше площадь имеющихся пластин, тем выше способность выдержать большие токи.

На данном принципе основано параллельное подключение аккумуляторов одного типа с существующей необходимостью увеличения показателя тока нагрузки. В данной ситуации необходимо будет увеличить мощность источника питания.

Данный метод крайне редко применяется в готовых конструкциях, поскольку сегодня гораздо удобнее купить полноценный аккумулятор. В основном параллельный способ применим в производстве кислотных автомобильных аккумуляторах для соединения пластин в единый блок.

Последовательный способ

В популярных в бытовом применении аккумуляторах напряжение между пластинами достигает 1,5 В или 2 В (на данный показатель также влияет используемый материал). Большая часть используемого электрооборудования требует более высокого напряжения. Для этого аккумуляторы одного типа соединяют последовательным образом, помещая их под единый корпус. Самый яркий пример – автомобильный аккумулятор, в основе которого серная кислота и электродные пластины из свинца.

Отметим важный и интересный факт: сегодня автолюбители привыкли называть аккумулятором любой источник питания, что не совсем верно. Например, правильное наименование напрямую зависит от числа составных элементов. Так, если несколько так называемых «банок» соединены единой схемой, то это уже батарея, а сокращенно АКБ – автомобильная аккумуляторная батарея.

Каждая «банка» имеет в своем составе два блока с пластинами, часть которых предназначена для отрицательных электродов, а часть – для положительных. Данные блоки не имеют металлического контакта между собой, а имеют крепкую гальваническую связь посредством электролита.

Между контактными пластинами установлен сепаратор – разделитель в виде дополнительной решетки с целью увеличения расстояния. Таким образом, соединенные в блоки пластины увеличивают показатель мощности подаваемых нагрузок.

Корпус данных АКБ изготовлен из прочной пластмассы и плотно закрывается крышкой. Сверху имеются две клеммы, используемые в подключении к электросхеме автомобиля. Обязательно каждая клемма маркирована знаками полярности, а именно знаки "+" и "-". также во избежание ошибочного подключения положительная клемма имеет больший диаметр, чем отрицательная.

Над каждой банкой также располагается специальная горловина, которая предназначена для отслеживания уровня электролита, а также для доливания воды при возникновении таковой необходимости вовремя эксплуатации. Горловина закрывается пробкой, дабы избежать попадания внутрь банки посторонних частиц и предотвратить выливание электролита при движении аккумуляторной батареи.

Пробки имеют отверстия, которые служат отводами возникающих при быстрой езде газов в электролите. Тем самым предотвращается возникновение давления внутри банок. То есть, через отверстия пробок выходят кислород и водород, а также образующиеся электролитом пары. Безусловно, лучше избегать ситуации, которые возникают из-за высоких токов заряда.

Свинцово-кислотные АКБ основаны на принципе двойной сульфатации. В таких устройства при заряде или разряде происходят электрохимические процессы, которые изменяют химический состав основной доли активных электродов, при этом либо выделяя в серную кислоту воду, либо поглощая ее из электролита.

Именно данные нюансы объясняют рост показателя плотности электролита во время заряда, а также его снижение во время разряда. Таким образом, степень плотности является показателем оценки состояния батареи. С целью измерения используется специально предназначенный для этого прибор – ареометр.

Как было сказано выше, в состав электролита кислотных АКБ входит вода. Известно, что при низких температурах она замерзает. Следовательно, для предотвращения замерзания АКБ с наступлением холодов необходимо следовать всем правилам эксплуатации.