Способы соединения химических источников энергии в батареи

Виды источников энергии и их основные электрические характеристики. Химические источники энергии делятся на пер­вичные элементы и аккумуляторы. В первичных элементах происходит необратимый процесс преобразования химической энергии в электрическую. После полного разряда активные вещества первичных элементов не восстанавливаются и приходят в негодность. В технике применяются элементы марганцево-цин­ковой и воздушно-марганцево-цинковой систем (рис. 4.18, а), ртутно-цинковые элементы (рис. 4.18,6) и др.

В отличие от первичных элементов активные вещества акку­муляторов можно восстановить, пропуская через них ток, по сво­ему направлению обратный току разряда. Этот процесс назы­вается зарядом аккумуляторов. Таким образом, после разряда аккумулятор можно зарядить и он снова будет служить источ­ником электрической энергии. В технике применяются свинцовые (кислотные), никель-железные и никель-кадмиевые (щелочные)

(рис. 4.19), серебряно-цинковые аккумуляторы.

Количество электричества, которое можно получить от эле­мента во время его разряда, называется емкостью элемента. Она выражается в ампер-часах (А ∙ч) и определяется по форму­ле , где I_р — разрядный ток, t_p — время разряда. Чем больше активных веществ в элементе, тем больше его емкость. Каждый элемент характеризуется также допустимым разрядным током (I_др), который зависит от его емкости.

Первичные элементы и аккумуляторы имеют сравнительно низкую ЭДС (в вольтах), равную 1,5 у первичных элементов марганцево-цинковой и воздушно-марганцево-цинковой систем, 1,35 у ртутно-цинковых элементов, 2 у кислотных аккумуляторов и 1,4 у щелочных. Допустимый разрядный ток аккумуляторов большой емкости достигает нескольких сотен ампер.

Первичные элементы с большим внутренним сопротивлением могут разряжаться небольшими токами. Между тем очень часто для работы потребителей энергии требуются напряжение U и ток I большего значения, чем может дать один элемент. В таких случаях однородные элементы, имеющие одинаковые ЭДС E_э , ем­кость Q_э и внутренние сопротивления г₃, соединяются в батареи.

Применяются три способа соединения элементов в батареи: последовательный, параллельный и смешанный. Для выбора способа соединения необходимо знать номинальное напряжение U и мощность Р приемника энергии. По этим данным можно определить ток приемника  и его сопротивление .

2.Последовательное соединение элементов. Если номиналь­ное напряжение приемника энергии больше напряжения одного элемента, а его ток не превышает допустимого разрядного тока одного элемента, то применяют последовательное соединение элементов (рис. 4.20). При этом положительный полюс первого элемента соединяют с отрицательным полюсом второго, положи­тельный полюс второго — с отрицательным третьего и т. д. Отри­цательный полюс первого и положительный полюс последнего элемента являются полюсами созданной таким образом батареи. Нетрудно заметить, что ЭДС всех элементов при последователь­ном соединении направлены в одну сторону. Поэтому ЭДС бата­реи , аналогично определяется напряжение и

внутреннее сопротивление батареи , где n — число оди­наковых последовательно соединенных элементов; Е_э, U_э, r — ЭДС, напряжение и внутреннее сопротивление одного элемента. При последовательном соединении все элементы разряжаются и заряжаются одинаковым током. Поэтому для одновременности разряда или заряда они должны иметь одинаковую емкость. По этой же причине емкость батареи Q равна емкости одного элемента Q_э т. е. Q= Q_э. На рис. 4.21 показана аккумуляторная свинцовая батарея, состоящая из шести последовательно соеди­ненных элементов.

Рис. 4.24

3.Параллельное соединение элементов. В тех случаях, когда номинальное напряжение приемника энергии равно напряжению одного элемента, а его ток больше допустимого разрядного тока одного элемента, применяют параллельное соединение эле­ментов (рис. 4.22). При этом положительные полюсы отдельных элементов соединяют в один узел, а отрицательные — в другой. К уз­ловым точкам подключают приемник с сопротивлением r ЭДС ба­тареи при параллельном соединении равна ЭДС одного элемента Е = Е_э , напряжение U = U _э. Внутреннее сопротивление батареи равно сопротивлению одного элемента, деленному на число эле­ментов в батарее:  Если разрядный ток одного эле­мента I_э, то ток батареи  Емкость батареи равна сумме емкостей параллельно соединенных элемен­тов. Таким образом, при параллельном соединении увеличиваются разрядный ток и емкость батареи; а ее внутреннее сопротив­ление уменьшается. Все параллельно соеди­ненные элементы должны иметь одинаковые ЭДС и внутреннее сопротивление. В против­ном случае элемент с большей ЭДС будет разряжаться на элемент с меньшей ЭДС.

При одинаковых ЭДС элементы с меньшим внутренним сопротивлением разрядятся бы­стрее элементов с большим внутренним сопротивлением.

Смешанное соединение элементов. Смешанное соединение элементов (рис. 4.23) применяется для увеличения напряжения и емкости батареи. ЭДС, внутреннее сопротивление и ток бата­реи в этом случае определяются так: , ,  где n — число элементов одной ветви батареи, соеди­ненных последовательно; m — число ветвей батареи

Глава 5