"Физика. Электродинамика (углублённый уровень)", Мякишев Г.Я., Синяков А.З.
Аккумулятор — источник тока, который можно использовать многократно: при зарядке внешнее электричество запускает химические реакции в обратном направлении, а при разрядке запасённая химическая энергия превращается в электрическую. В свинцовом аккумуляторе пластины из свинца и оксида свинца находятся в растворе серной кислоты. Ёмкость показывает, какой заряд аккумулятор способен отдать. Чтобы правильно его использовать, нужно различать зарядку и разрядку, учитывать полярность и напряжение источника.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Аккумулятор — источник электрического тока, в котором химические процессы при разрядке могут быть обращены пропусканием тока от внешнего источника. Иначе говоря, его можно не только разрядить, но и восстановить зарядкой. Это свойство позволяет использовать его многократно.
Разрядка аккумулятора — процесс, при котором химическая энергия превращается в электрическую, а аккумулятор отдаёт ток во внешнюю цепь. Во время разрядки аккумулятор питает подключённые устройства. Это понятие помогает определить, куда направлен ток и какая энергия расходуется.
Зарядка аккумулятора — процесс, при котором внешний источник тока вызывает обратные химические реакции и запасает энергию в аккумуляторе. В таком режиме ток подводится извне, а аккумулятор восстанавливает способность отдавать энергию. Понимание этого процесса нужно, чтобы не путать зарядку с обычной работой источника.
Электрическая ёмкость аккумулятора — заряд, который он может отдать при разрядке; её обычно выражают в ампер-часах (А·ч). Например, ёмкость связана с током и временем соотношением Q = It. По ней можно оценить, как долго аккумулятор будет питать устройство при заданном токе.
В свинцовом аккумуляторе пластины из свинца и оксида свинца погружены в раствор серной кислоты, который называют электролитом. Пластины служат электродами, а электролит участвует в химических реакциях и переносит заряд внутри аккумулятора. Между пластинами устанавливают разделители: они пропускают электролит, но не дают электродам соприкоснуться и вызвать короткое замыкание.
При разрядке на электродах происходят химические реакции, в результате которых заряды перераспределяются. Из-за этого между электродами возникает разность потенциалов, то есть напряжение, способное вызвать ток во внешней цепи. Когда к полюсам подключают потребитель, заряды движутся по цепи, а химические процессы поддерживают это движение.
По мере разрядки оба электрода постепенно покрываются сульфатом свинца, а концентрация серной кислоты уменьшается. Это происходит потому, что вещества электродов и электролита участвуют в реакции и превращаются в продукты разрядки. Одновременно запас химической энергии убывает, а энергия передаётся внешней цепи в электрической форме.
Для зарядки аккумулятор подключают к внешнему источнику с соблюдением полярности: положительный полюс соединяют с положительным, отрицательный — с отрицательным. Напряжение источника должно быть выше ЭДС аккумулятора, чтобы ток пошёл в направлении, противоположном току разрядки. Тогда внешняя электрическая энергия вызывает обратные химические реакции и восстанавливает исходное состояние электродов и электролита.
Аккумулятор не создаёт энергию из ничего: при зарядке он получает энергию от внешнего источника, а при разрядке отдаёт её цепи. Часть энергии при обоих процессах рассеивается, например, в виде тепла, поэтому вернуть удаётся меньше энергии, чем было затрачено на зарядку. Потери означают, что реальный аккумулятор не может бесконечно работать без подзарядки и обслуживания.
| Характеристика | Разрядка | Зарядка |
|---|---|---|
| Направление химических реакций | В прямом направлении | В направлении, обратном разрядке |
| Преобразование энергии | Химическая энергия превращается в электрическую | Электрическая энергия превращается в химическую |
| Направление тока во внешней цепи | От аккумулятора к потребителю | От внешнего источника к аккумулятору |
| Изменение состояния электродов | Оба электрода покрываются сульфатом свинца | Состояние электродов восстанавливается |
| Изменение концентрации электролита | Концентрация серной кислоты уменьшается | Концентрация серной кислоты увеличивается |
Сравнивайте в таблице одну и ту же характеристику в двух режимах: это помогает увидеть, что зарядка обращает изменения, происходившие при разрядке. Направление тока указано относительно внешней цепи, а не внутри электролита. Таблица также показывает, как вместе меняются энергия, электроды и электролит.
Задача 1. Аккумулятор ёмкостью 60 А·ч разряжается постоянным током 3 А. Нужно найти время разрядки. Используем связь ёмкости, тока и времени Q = It, поэтому время равно ёмкости, делённой на ток.
Ответ: аккумулятор будет разряжаться 20 часов при указанном постоянном токе. Такой расчёт предполагает, что ток не меняется и вся ёмкость доступна. В реальных условиях результат может отличаться из-за режима работы и потерь.
Задача 2. Аккумулятор напряжением 12 В отдаёт заряд 5 А·ч. Найдём электрическую энергию, полученную внешней цепью, в джоулях. Формула A = UQ требует, чтобы заряд был выражен в кулонах, поэтому сначала переводим ампер-часы в СИ.
Ответ: внешняя цепь получает 216 000 Дж, или 216 кДж. Проверка единиц даёт В·Кл = Дж. Если оставить заряд в А·ч, результат формально не будет выражен в джоулях.
Задача 3. Для зарядки аккумулятора напряжением 12 В используют источник с напряжением 14 В, ток равен 2 А. Требуется найти передаваемую мощность и объяснить выбор напряжения источника. Для мощности электрического тока применяем формулу P = UI, используя напряжение источника.
Ответ: мощность, передаваемая источником, равна 28 Вт. Напряжение источника должно превышать ЭДС аккумулятора, иначе ток не пойдёт в нужном направлении и обратные реакции не будут поддерживаться. В расчёте использовано заданное напряжение источника; часть передаваемой энергии теряется.
Считать аккумулятор первичным источником энергии — значит забыть, что его сначала заряжают от другого источника. Такая ошибка возникает, если рассматривать только момент, когда аккумулятор питает устройство. Проверьте себя вопросом: откуда взялся его запас энергии? Он был получен при зарядке и затем сохранён в химическом виде.
Путать зарядку с разрядкой — значит приписывать аккумулятору отдачу тока во время зарядки. Путаница появляется потому, что ток проходит через аккумулятор в обоих режимах, но его направление и роль аккумулятора различны. Проверьте, кто задаёт ток: при разрядке аккумулятор питает внешнюю цепь, а при зарядке ток вызывает внешний источник.
Считать, что для зарядки подойдёт источник с любым напряжением, опасно и неверно. Если напряжение не превышает ЭДС аккумулятора, нужный ток не будет направлен в аккумулятор; кроме того, ошибочная полярность меняет направление тока. Перед подключением сравните напряжения и проверьте соответствие полюсов.
Подставлять ёмкость в А·ч прямо в формулу A = UQ, когда ответ нужен в джоулях, — ошибка в единицах. Её часто допускают, потому что ампер-час тоже содержит единицу тока и кажется похожим на кулон. Проверьте размерность: сначала переведите заряд по правилу 1 А·ч = 3600 Кл, а затем вычисляйте энергию.
Чтобы понять работу аккумулятора, нужно знать понятия электрического тока, напряжения и ЭДС. Химический источник тока уже преобразует энергию реакций в электрическую, а аккумулятор отличается возможностью обратить реакции при зарядке. Связь химических процессов с током показывает, как энергия переходит из одной формы в другую.
Аккумуляторы применяют в электрических цепях, транспортных средствах и автономных системах питания. Их работа помогает изучать источники тока, расчёт заряда и преобразование энергии. Формулы ёмкости и работы тока связывают устройство источника с практическими задачами: оценкой времени работы и количества переданной энергии.
Чем аккумулятор отличается от обычного гальванического элемента?
В гальваническом элементе химические реакции обычно идут только в одном направлении, поэтому после расходования реагентов элемент нельзя восстановить обычной зарядкой. В аккумуляторе реакции при разрядке можно обратить, пропустив ток от внешнего источника. Поэтому аккумулятор можно заряжать и использовать снова.
Почему аккумулятор можно использовать многократно?
При зарядке электрический ток вызывает химические реакции, обратные тем, которые происходили при разрядке. Так восстанавливается запас химической энергии аккумулятора. Циклы не бесконечны: из-за потерь и изменений материалов ёмкость со временем снижается.
Что происходит с аккумулятором во время зарядки?
Внешний источник пропускает ток через аккумулятор в направлении, противоположном току при разрядке. Из-за этого химические реакции также идут в обратном направлении, и электрическая энергия запасается в виде химической. Для зарядки важно правильно подключить полюса.
Почему напряжение зарядного устройства должно быть выше напряжения аккумулятора?
Чтобы ток шёл внутрь аккумулятора и запускал обратные химические реакции, источник должен создавать достаточную разность потенциалов. Поэтому его напряжение должно превышать ЭДС аккумулятора, а полярность подключения должна быть правильной. Если условие не выполнено, нужная зарядка не пойдёт.
Как по ёмкости и току определить время разрядки?
При постоянном токе ёмкость Q связана с силой тока I и временем t формулой Q = It. Поэтому время находят делением ёмкости на ток: t = Q/I. Если ёмкость дана в А·ч, а ток — в амперах, время получится в часах.
§ 2.13. Аккумуляторы
