Курс лекций по физике Электротехника

Закон Ома Расчет электрических цепей Электрические машины переменного тока Электронные усилители и генераторы Трехфазные выпрямители

Способы соединения химических источников энергии в батареи

I. 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 Q = Iptp, где Ip — разрядный ток, tp — время разряда. Чем больше активных веществ в элементе, тем больше его емкость. Каждый элемент характеризуется также допустимым разрядным током (Iдр), 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 Еэ, ем­кость Qэ и внутренние сопротивления гэ, 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 I= P/U и его сопротивление r= U/I.

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 Е — nЕэ, аналогично определяется напряжение U = nU3 и внутреннее сопротивление батареи гвн = nгэ, где n — число оди­наковых последовательно соединенных элементов; Еэ Uэ, гэ — 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 Q3, т.е. Q=Q3. На рис. 4.21 показана аккумуляторная свинцовая батарея, состоящая из шести последовательно соеди­ненных элементов.

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 г. ЭДС ба­тареи при параллельном соединении равна ЭДС одного элемента Е=ЕЭ, напряжение U = Uэ. Внутреннее сопротивление батареи равно сопротивлению одного элемента, деленному на число эле­ментов в батарее: гвн = гэ/m. Если разрядный ток одного эле­мента Iэ, то ток батареи I = mIэ. 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.

4. 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: Е=nЕэ, гвн = nгэ/m, I=mIэ, где n — число элементов одной ветви батареи, соеди­ненных последовательно; m — число ветвей батареи.

Задание. Ответьте на вопросы контрольной карты 4.5.

Контрольная карта 4.5

Номе­ра за­даний

Содержание заданий

Ответы

Числа кода

 

 

Номе­ра кон­суль­таций

При непра­вильном ответе повторите

части

пара­граф

1

Из шести элементов с ЭДС Еэ = 1,5 В и емкостью Qэ = 3 А·ч составлены четыре различные батареи (рис. 4.25). Укажите, кото­рая из них имеет емкость Q и ЭДС Е, приведенные в ва­риантах

На рис. 4.25, а

На рис. 4.25, б

На рис. 4.25, в

На рис. 4.25, г

 

 

 

 

 

 

 

 

975 1087 1048

958

 

 

 

 

2,3,4

 

 

 

 

 

4.5

Значения

Варианты

1-й

2-й

3-й

4-й

Q, А·ч Е, В

3

9

6 4,5

9

3

18

1,5

 2

Определить внутреннее сопротивление батареи пер­вичных элементов, указан­ных в задании 1, если внут­реннее сопротивление одно­го элемента г3 = 1 Ом

1,5 Ом

6 Ом

0,67 Ом

0,167 Ом

 

347

997

884

1015

 

 

2,3,4

 

 

4.5

3

По данным заданий 1 и 2 определить внутреннее па­дение напряжения Uвн если ток нагрузки I

0,6 В

0,3 В

0,1 В

 

 

 

 

 

 

977 1028 1064

 

 

 

 

2,3,4

 

 

 

 

4.5

Значе­ние

Варианты

1-й

2-й

3-й

4-й

I. А

0,1

0,2

0,15

0,6

4

По данным заданий 1—3 определить напряжение ба­тареи и

8,4 В

2,9 В

4,2 В

1,4 В

 

410

1076

869

904

 

2,3,4

 

4.5

5

Заряженные кислотный и щелочной аккумуляторы соединены параллельно. Ка­кой из них будет разряжать­ся при отключенной на-

грузке?

Кислотный Щелочной

 

Оба разряжаться не будут

 

922 

943

 

 

960

 

3

 

4.5

Расчет сечения проводов по допустимому нагреву