गैल्वेनिक सेल और बैटरी - उपकरण, संचालन का सिद्धांत, प्रकार

विद्युत ऊर्जा के कम शक्ति स्रोत

पोर्टेबल इलेक्ट्रिकल और रेडियो उपकरण को बिजली देने के लिए गैल्वेनिक सेल और बैटरी का उपयोग किया जाता है।

गैल्वेनिक कोशिकाएं - ये एक बार की क्रियाओं के स्रोत हैं, एक्युमुलेटरों - पुन: प्रयोज्य कार्रवाई स्रोत।

सबसे सरल गैल्वेनिक तत्व

सबसे सरल तत्व दो स्ट्रिप्स से बना हो सकता है: सल्फ्यूरिक एसिड के साथ थोड़ा अम्लीकृत पानी में डूबा हुआ तांबा और जस्ता। यदि जस्ता इतना शुद्ध है कि कोई स्थानीय प्रतिक्रिया नहीं होती है, तो तांबे और जस्ता को एक साथ लाने तक कोई ध्यान देने योग्य परिवर्तन नहीं होगा।

हालांकि, स्ट्रिप्स की एक अलग क्षमता होती है, एक दूसरे के संबंध में, और जब एक तार से जुड़ा होता है, तो दिखाई देगा बिजली... इस क्रिया से जिंक की पट्टी धीरे-धीरे घुल जाएगी और तांबे के इलेक्ट्रोड के पास गैस के बुलबुले बनेंगे, जो इसकी सतह पर एकत्रित होंगे। यह गैस इलेक्ट्रोलाइट द्वारा उत्पन्न हाइड्रोजन है। विद्युत धारा तांबे की पट्टी से तार के साथ जस्ता पट्टी तक प्रवाहित होती है, और इससे इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से वापस तांबे में जाती है।

धीरे-धीरे, इलेक्ट्रोलाइट के सल्फ्यूरिक एसिड को जिंक इलेक्ट्रोड के भंग हिस्से से बने जिंक सल्फेट से बदल दिया जाता है। यह सेल के वोल्टेज को कम करता है। हालांकि, तांबे पर गैस के बुलबुले बनने के कारण और भी अधिक वोल्टेज की गिरावट होती है। दोनों क्रियाएं 'ध्रुवीकरण' का कारण बनती हैं। ऐसी वस्तुओं का लगभग कोई व्यावहारिक मूल्य नहीं है।

गैल्वेनिक कोशिकाओं के महत्वपूर्ण पैरामीटर

गैल्वेनिक कोशिकाओं द्वारा दिए गए वोल्टेज का परिमाण केवल उनके प्रकार और उपकरण पर निर्भर करता है, अर्थात इलेक्ट्रोड की सामग्री और इलेक्ट्रोलाइट की रासायनिक संरचना पर, लेकिन कोशिकाओं के आकार और आकार पर निर्भर नहीं करता है।

एक गैल्वेनिक सेल जो करंट प्रदान कर सकता है, वह उसके आंतरिक प्रतिरोध द्वारा सीमित होता है।

गैल्वेनिक सेल की एक बहुत ही महत्वपूर्ण विशेषता है विद्युत क्षमता… विद्युत क्षमता का मतलब बिजली की वह मात्रा है जो एक गैल्वेनिक या स्टोरेज सेल अपने पूरे ऑपरेशन के दौरान, यानी अंतिम डिस्चार्ज की शुरुआत तक देने में सक्षम है।

सेल द्वारा दी गई क्षमता को डिस्चार्ज करंट की ताकत को गुणा करके निर्धारित किया जाता है, जिसे एम्पीयर में व्यक्त किया जाता है, घंटों में उस समय तक जिसके दौरान सेल को पूर्ण डिस्चार्ज की शुरुआत तक डिस्चार्ज किया गया था। इसलिए, क्षमता हमेशा एम्पीयर-घंटे (आह) में व्यक्त की जाती है।

सेल की क्षमता के मूल्य से, यह भी निर्धारित करना संभव है कि यह पूर्ण निर्वहन की शुरुआत से पहले कितने घंटे काम करेगा। ऐसा करने के लिए, आपको इस तत्व के लिए अनुमेय डिस्चार्ज करंट की ताकत से क्षमता को विभाजित करने की आवश्यकता है।

हालांकि, क्षमता सख्ती से स्थिर नहीं है। यह तत्व की परिचालन स्थितियों (मोड) और अंतिम डिस्चार्ज वोल्टेज के आधार पर काफी बड़ी सीमा के भीतर भिन्न होता है।

यदि सेल को अधिकतम करंट पर डिस्चार्ज किया जाता है और इसके अलावा, बिना किसी रुकावट के, यह बहुत कम क्षमता देगा। इसके विपरीत, जब एक ही सेल को कम करंट पर और लगातार और अपेक्षाकृत लंबे रुकावटों के साथ डिस्चार्ज किया जाता है, तो सेल अपनी पूरी क्षमता छोड़ देगा।

सेल की क्षमता पर अंतिम डिस्चार्ज वोल्टेज के प्रभाव के लिए, यह ध्यान में रखा जाना चाहिए कि गैल्वेनिक सेल के डिस्चार्ज के दौरान, इसका ऑपरेटिंग वोल्टेज समान स्तर पर नहीं रहता है, लेकिन धीरे-धीरे कम हो जाता है।

सामान्य प्रकार के विद्युत रासायनिक सेल

नमक और क्षारीय इलेक्ट्रोलाइट्स के साथ सबसे आम गैल्वेनिक कोशिकाएं मैंगनीज-जस्ता, मैंगनीज-वायु, वायु-जस्ता और पारा-जिंक सिस्टम हैं। नमक इलेक्ट्रोलाइट के साथ सूखी मैंगनीज-जस्ता कोशिकाओं में 1.4 से 1.55 वी का प्रारंभिक वोल्टेज होता है, ऑपरेशन की अवधि -20 से -60 के परिवेश के तापमान पर सुबह 7 से 340 बजे तक

सूखे जस्ता-मैंगनीज और जस्ता-वायु कोशिकाओं में क्षारीय इलेक्ट्रोलाइट के साथ 0.75 से 0.9 वी का वोल्टेज और 6 घंटे से 45 घंटे का संचालन समय होता है।

सूखी पारा-जस्ता कोशिकाओं में 1.22 से 1.25 वी का प्रारंभिक वोल्टेज और 24 घंटे से 55 घंटे का संचालन समय होता है।

सूखी पारा-जस्ता कोशिकाओं में 30 महीने तक की सबसे लंबी गारंटी वाली शेल्फ लाइफ होती है।

बैटरियों

बैटरियों ये द्वितीयक इलेक्ट्रोकेमिकल सेल हैं। गैल्वेनिक सेल के विपरीत, असेंबली के तुरंत बाद बैटरी में कोई रासायनिक प्रक्रिया नहीं होती है।

विद्युत आवेशों की गति से जुड़ी रासायनिक प्रतिक्रियाओं को शुरू करने के लिए बैटरी के लिए, इसके इलेक्ट्रोड (और आंशिक रूप से इलेक्ट्रोलाइट) की रासायनिक संरचना को उचित रूप से बदलना आवश्यक है।इलेक्ट्रोड की रासायनिक संरचना में यह परिवर्तन बैटरी से गुजरने वाले विद्युत प्रवाह की क्रिया के तहत होता है।

इसलिए, एक बैटरी के लिए विद्युत प्रवाह उत्पन्न करने के लिए, इसे पहले किसी बाहरी वर्तमान स्रोत से प्रत्यक्ष विद्युत प्रवाह के साथ "चार्ज" किया जाना चाहिए।

बैटरियां पारंपरिक गैल्वेनिक कोशिकाओं से इस तथ्य में भी भिन्न होती हैं कि, निर्वहन के बाद, उन्हें रिचार्ज किया जा सकता है। अच्छी देखभाल और सामान्य परिचालन स्थितियों के तहत, बैटरी कई हजार चार्ज और डिस्चार्ज तक चल सकती है।
बैटरी चालित उपकरण

वर्तमान में, व्यवहार में सीसा और कैडमियम-निकल बैटरी का सबसे अधिक उपयोग किया जाता है। सल्फ्यूरिक एसिड के पहले घोल में इलेक्ट्रोलाइट के रूप में काम करता है, और पानी में क्षार के दूसरे घोल में। लीड-एसिड बैटरी को एसिड और निकल-कैडमियम-क्षारीय बैटरी भी कहा जाता है।

बैटरी के संचालन का सिद्धांत इलेक्ट्रोड के ध्रुवीकरण पर आधारित है इलेक्ट्रोलिसिस के दौरान... सबसे सरल एसिड बैटरी की संरचना इस प्रकार है: यह एक इलेक्ट्रोलाइट में डूबी हुई दो लीड प्लेटें हैं। रासायनिक प्रतिस्थापन प्रतिक्रिया के परिणामस्वरूप, प्लेटें लेड सल्फेट PbSO4 की एक पतली परत से ढकी होती हैं, जैसा कि सूत्र Pb + H2SO4 = PbSO4 + H2 से होता है।

एसिड बैटरी डिवाइस

प्लेटों की यह स्थिति एक डिस्चार्ज की गई बैटरी से मेल खाती है। यदि बैटरी को अब चार्ज करने के लिए चालू किया जाता है, अर्थात एक प्रत्यक्ष धारा जनरेटर से जोड़ा जाता है, तो इलेक्ट्रोलिसिस के कारण इसमें प्लेटों का ध्रुवीकरण शुरू हो जाएगा। बैटरी को चार्ज करने के परिणामस्वरूप, इसकी प्लेटें ध्रुवीकृत हो जाती हैं, यानी उनकी सतह पर मौजूद पदार्थ को सजातीय (PbSO4) से अलग (Pb और PbO2) में बदल देती हैं।

सकारात्मक इलेक्ट्रोड के रूप में लीड डाइऑक्साइड के साथ लेपित प्लेट और नकारात्मक इलेक्ट्रोड के रूप में एक साफ लीड प्लेट के साथ बैटरी वर्तमान स्रोत बन जाती है।

चार्जिंग के अंत तक, इसमें अतिरिक्त सल्फ्यूरिक एसिड अणुओं की उपस्थिति के कारण इलेक्ट्रोलाइट की एकाग्रता बढ़ जाती है।

यह लीड-एसिड बैटरी की विशेषताओं में से एक है: इसका इलेक्ट्रोलाइट तटस्थ नहीं रहता है और बैटरी संचालन के दौरान खुद रासायनिक प्रतिक्रियाओं में भाग लेता है।

डिस्चार्ज के अंत तक, बैटरी की दोनों प्लेटें फिर से लेड सल्फेट से ढक जाती हैं, जिसके परिणामस्वरूप बैटरी करंट का स्रोत बन जाती है। बैटरी को कभी भी इस अवस्था में नहीं लाया जाता है। प्लेटों पर लेड सल्फेट बनने के कारण डिस्चार्ज के अंत में इलेक्ट्रोलाइट की सांद्रता कम हो जाती है। अगर बैटरी चार्ज हो जाती है, तो इसे फिर से निर्वहन पर रखने के लिए ध्रुवीकरण फिर से किया जा सकता है, आदि।

बैटरी कैसे चार्ज करें

बैटरी चार्ज करने के कई तरीके हैं। सबसे सरल बैटरी की सामान्य चार्जिंग है, जो निम्नानुसार की जाती है। प्रारंभ में, 5 - 6 घंटे के लिए, चार्जिंग को डबल सामान्य करंट में तब तक किया जाता है जब तक कि प्रत्येक बैटरी का वोल्टेज 2.4 V तक नहीं पहुंच जाता।

सामान्य चार्जिंग करंट सूत्र Aztax = Q / 16 द्वारा निर्धारित किया जाता है

जहाँ क्यू - बैटरी की नाममात्र क्षमता, आह।

उसके बाद, चार्जिंग करंट को सामान्य मान तक कम कर दिया जाता है और चार्जिंग के अंत के संकेत दिखाई देने तक चार्जिंग 15-18 घंटे तक जारी रहती है।

आधुनिक बैटरी

निकेल-कैडमियम या क्षारीय बैटरी सीसे की बैटरी की तुलना में बहुत बाद में दिखाई दीं, और उनकी तुलना में रासायनिक प्रवाह के अधिक आधुनिक स्रोत हैं।लीड बैटरियों पर क्षारीय बैटरियों का मुख्य लाभ प्लेटों के सक्रिय द्रव्यमान के संबंध में उनके इलेक्ट्रोलाइट की रासायनिक तटस्थता में निहित है। इसलिए, क्षारीय बैटरी का स्व-निर्वहन लीड-एसिड बैटरी की तुलना में काफी कम है। क्षारीय बैटरी के संचालन का सिद्धांत भी इलेक्ट्रोलिसिस के दौरान इलेक्ट्रोड के ध्रुवीकरण पर आधारित होता है।

रेडियो उपकरण को बिजली देने के लिए, सीलबंद कैडमियम-निकल बैटरी का उत्पादन किया जाता है, जो -30 से +50 ओसी के तापमान पर प्रभावी होती हैं और 400 - 600 चार्ज-डिस्चार्ज चक्रों का सामना करती हैं। ये संचायक कुछ ग्राम से लेकर किलोग्राम वजन के कॉम्पैक्ट समांतर चतुर्भुज और डिस्क के रूप में बनाए जाते हैं।

निकेल-हाइड्रोजन बैटरियों का उत्पादन स्वायत्त वस्तुओं को शक्ति प्रदान करने के लिए किया जाता है। निकेल-हाइड्रोजन बैटरी की विशिष्ट ऊर्जा 50-60 Wh kg-1 है।