Путем подключения электроприемника последовательно с катушкой (а) или

При отключении катушки, снабженной вторичной обмоткой (Ь).

постоянный ток, протекающий в обмотке катушки, L индуктивность,

затухающий импульс тока, возникающий в электроприемнике

Энергия, аккумулированная в катушке индуктивности, выражается известной формулой

– аккумулированная энергия, ; – индуктивность катушки, ; – ток, протекающий в катушке, .

Удельная аккумулирующая способность катушек индуктивности обычно весьма мала – , или .

Только в случае применения сверхпроводящих обмоток катушки индуктивности можно аккумулировать энергию, достаточную для использования, например, в энергосистемах, подверженных быстрым колебаниям электрической нагрузки.

Принцип действия первичных гальванических элементов основан на использовании электродвижущей силы (ЭДС), возникающей между электродами из отличающихся друг от друга веществ, вступающих в электрохимическую реакцию с электролитом, находящимся между ними. Получаемая при этом электрическая энергия определяется количеством реагирующих веществ (используемой массой электродов и электролита), и характеризуется

· начальной ЭДС, находящейся обычно, в зависимости от типа элемента, в пределах от 1 V до 3 V;

· зарядом, отдаваемым в питаемую элементом электрическую цепь при заданном способе разряда (например, при некотором неизменном токе нагрузки или при постоянном сопротивлении нагрузочной цепи); эта величина называется емкостью и выражается обычно в ампер-часах (A·h) ( рис. 5).

Рис. 5. Схема соединения гальванического элемента с нагрузочным

сопротивлением нагрузочный ток, и напряжение на зажимах элемента

Энергия, получаемая при разряде, можно считать равной аккумулирующей способности элемента и определяется формулой

На рис. 6 представлен принцип устройства широко применяемого угольно-цинкового первичного элемента.

Рис. 6. Принцип устройства угольно-цинкового первичного элемента. 1 контактная (например, латунная) шапка, 2 графитовый стержень, 3 изоляция, 4 катод (двуокись марганца), 5 электролит (паста хлористого аммония), 6 анод (в виде цинкового стаканчика),7 изоляционная оболочка, 8 донный (например, латунный) контактный кружок

При замкнутой внешней электрической цепи в элементе происходят химические реакции, в результате которых:

· на аноде атомы цинка растворяются, отдают два электрона и соединяются с электролитом в хлористо-аммониевый цинк,

· на катоде двуокись марганца редуцируется в окись трехвалентного марганца .

На границе графитового стержня и двуокиси марганца возникает при этом водородный слой, который увеличивает внутреннее сопротивление элемента и снижает ЭДС. Начальная ЭДС угольно-цинкового первичного элемента составляет приблизительно 1,5 V, а отдаваемая на единицу массы энергия при разряде до 0,8 V находится обычно, в зависимости от конкретного типа элемента, в пределах от до .

Электрохимические реакции происходят в гальваническом элементе и тогда, когда внешняя цепь разомкнута. Такой процесс называется саморазрядом; угольно-цинковый первичный элемент саморазряжается приблизительно за 1,5 года.

Более эффективными, чем угольно-цинковые, являются щелочные марганцево-цинковые первичные элементы, в качестве электролита в которых обычно применяется гидроокись калия (КОН). Внешне такой элемент похож на угольно-цинковый, но его оболочка выполнена из металла и соединена с положительным полюсом; кроме того, вместо графитового стержня применяется латунный. Начальная ЭДС также равна 1,5 V, но удельная энергоемкость намного больше - чаще всего от до .

Типичный гальванический элемент такого вида, обозначаемый обычно буквами АА (диаметр 14 mm, длина 50 mm, масса 24 g), допускает нагрузку током от 50 mA до 500 mA; емкость элемента при токе 50 mА составляет 3 A·h, а при токе 500 mА - 2 A·h. Если при разряде элемента считать средним значением напряжения 1,1 V, то энергия, получаемая из элемента составляет округленно .

Еще более эффективно энергия может аккумулироваться в литиевых первичных элементах, начальная ЭДС которых равна 3 V. Удельная аккумулирующая способность литиевыхэлементов находится, в зависимости от конкретного типа, в пределах от до . В этих элементах находит применение около 10 различных катодных материалов, и они могут выполняться как цилиндрическими, как и дисковыми. Миниатюрные дисковые элементы находят применение, в частности, в наручных часах, в карманных калькуляторах, в неотключаемых цепях видеокамер и в другой микроэлектронной аппаратуре.

Гальванические элементы могут объединяться в батареи требуемого напряжения и требуемой емкости последовательным, параллельным или смешанным соединением. Весьма часто используются, например компактные малые батареи напряжением 9 V, содержащие 6 угольно-цинковых или марганцево-цинковых элементов.

Вторичный гальванический элемент или аккумулятор после разряда может повторно заряжаться от нескольких десятков до нескольких тысяч раз, в зависимости от конкретного типа. Наиболее распространенным является свинцовый (кислотный) аккумулятор, принцип устройства которого представлен на рис. 7.

Рис. 7. Принцип устройства свинцового аккумулятора и электрохимическая схема разрядного процесса

В заряженном состоянии катод (отрицательный электрод) такого аккумулятора состоит из свинца, а анод (положительный электрод) - из двуокиси свинца РbO₂. Оба электрода изготовлены пористыми, чтобы площадь их соприкосновения с электролитом была как можно больше. Конструктивное исполнение электродов зависит от назначения и емкости аккумулятора и может быть весьма разнообразным.

При разряде перекись свинца (Рb0₂)и металлический свинец электродов пере­ходят в сульфаты свинца с выделением воды. Это вызывает уменьшение кон­центрации электролита (снижение его плотности), его проводимости и э.д.с. аккумулятора. При заряде реакция идет в обратном порядке.

Химические реакции при заряде и разряде аккумулятора представляются формулой

Для полного заряда аккумулятора теоретически требуется удельная энергия

. Этим же числом выражается и теоретический его предел удельной аккумулирующей способности. Однако фактическая аккумулирующая способность намного меньше, вследствие чего из аккумулятора при разряде обычно получается электрическая энергия примерно . Кпд аккумулятора (отношение энергии, получаемой при разряде, к энергии, расходуемой при заряде) обычно находится в пределах от 70 % до 80 %.

Различными специальными мерами (повышением концентрации кислоты до 39 %, использованием пластмассовых конструкционных частей и медных соединительных частей и др.) в последнее время удалось повысить удельную аккумулирующую способность до и даже немногим выше.

Из вышеприведенных данных вытекает, что удельная аккумулирующая способность свинцового аккумулятора (а также и других типов аккумуляторов) существенно ниже, чем первичных гальванических элементов. Однако этот недостаток обычно компенсируется

· возможностью многократного заряда и, как результат, приблизительно десятикратным снижением стоимости получаемой из аккумулятора электроэнергии,

· возможностью составлять аккумуляторные батареи с очень большой энергоемкостью (при необходимости, например, до 100 MWh).

ЭДС свинцового аккумулятора зависит от плотности электролита и может определяться экспериментальной формулой

─ ЭДС, V; ─ плотность электролита .

Согласно этой формуле, начальная ЭДС аккумулятора, в зависимости от конкретного типа, находится в пределах от 2,05 V до 2,10 V. Напряжение на зажимах аккумулятора может в конце разряда снизиться до 1,7 V, а в конце заряда повыситься до 2,6 V.

Каждый цикл заряда-разряда сопровождается некоторыми необратимыми процессами на электродах, в том числе медленным накапливанием невосстанавливающегося сернокислого свинца в массе электродов. По этой причине через определенное число (обычно приблизительно 1000) циклов аккумулятор теряет способность нормально заряжаться. Это может случиться и при длительном неиспользовании аккумулятора, так как электрохимический разрядный процесс (медленный саморазряд) протекает в аккумуляторе и тогда, когда он не соединен с внешней электрической цепью. Свинцовый аккумулятор теряет из-за саморазряда обычно от 0,5 % до 1 % своего заряда в сутки. Для компенсации этого процесса в электроустановках используется постоянный подзаряд при достаточно стабильном напряжении (в зависимости от типа аккумулятора, при напряжении от 2,15 V до 2,20 V).

Другим необратимым процессом является электролиз воды («закипание» аккумулятора), возникающий в конце зарядного процесса. Потерю воды легко компенсировать путем доливки, но выделяющийся водород может вместе с воздухом привести к образованию взрывоопасной смеси в аккумуляторном помещении или отсеке. Во избежание опасности взрыва должна предусматриваться соответствующая надежная вентиляция.

В последние 20 лет появились герметически закрытые свинцовые аккумуляторы, в которых применяется не жидкий, а желеобразный электролит. Такие аккумуляторы могут устанавливаться в любом положении, во время заряда они не выделяют водорода, могут размещаться в любых помещениях.