Ogniwo galwaniczne - ogniwo, w którym źródłem prądu są reakcje chemiczne zachodzące między elektrodą a elektrolitem. Dwie elektrody zanurzone w elektrolicie (półogniwa) tworzą ogniwo galwaniczne. Różnica potencjałów elektrod gdy przez ogniwo nie płynie prąd jest równa sile elektromotorycznej ogniwa (SEM).

Ogniwo Leclanchégo - najpopularniejsze ogniwo galwaniczne występujące powszechnie w handlu np. jako popularne tzw. baterie okrągłe (różnej wielkości, oznaczane symbolami R3/AAA, R6/AA (tzw. paluszek), R10, R14, R20 (o napięciu 1,5 V) lub baterie płaskie (o napięciu 4,5 V - trzy ogniwa połączone szeregowo).

Powszechnie (i błędnie) używana nazwa bateria wynika z tego, że kiedy upowszechniał się sprzęt z zasilaniem bateryjnym, wymagane były napięcia możliwe do uzyskania jedynie z kilku ogniw (czyli baterii). Wtedy też najpopularniejszą formą, w jakiej spotykano ogniwa, była wspomniana bateria płaska.

Budowa

Schemat ogniwa: (-)Zn|NH₄Cl,MnO₂|C (+).

Pierwotnie ogniwo było zbudowane z elektrody węglowej w porowatym pojemniku ze sproszkowanym tlenkiem manganu(IV) umieszczonej w zbiorniku z roztworem chlorku amonu i zanurzoną w nim elektrodą cynkową.

Występujące na rynku ogniwa zwykle są zbudowane z cynkowego płaszcza wypełnionego wilgotną pastą chlorku amonu, w której jest porowaty pojemnik ze sproszkowanym tlenkiem manganu(IV)i grafitową elektrodą.

Działanie

Bezpośrednim źródłem SEM w ogniwie Leclanchégo są reakcje utlenienia cynku (elektroda cynkowa) i redukcji jonów amonowych (elektroda węglowa):

Zn → Zn²⁺ + 2e^-

2NH₄⁺ + 2e^- → 2NH₃ + H₂↑

Powstający amoniak jest wiązany przez kationy cynkowe w kompleks tetra aminacynkowy(II):

Zn²⁺ + 4NH₃ → [Zn(NH₃)₄]²⁺

Natomiast powstający wodór jest wiązany przez tlenek manganu(IV), który pełni rolę depolaryzatora:

2MnO₂ + H₂ → Mn₂O₃ + H₂O

Inne informacje

Ogniwo występować może w postaciach: mokrej, półsuchej i suchej. Z przyczyn praktycznych w handlu występuje tylko w tej ostatniej postaci. Elektroda cynkowa tworzy kubek, wewnątrz którego umieszcza się grafitową pałeczkę otoczoną masą tlenku manganu(IV) nasączoną roztworem salmiaku (chlorku amonu). Całość zatapia się masą smołową chroniącą przed wyciekiem elektrolitu i przed wyschnięciem ogniwa. SEM ogniwa: 1,5 V

Przykładowa konstrukcja ogniwa:
1 - zbiornik
2 - porowaty pojemnik ze sproszkowanym tlenkiem manganu(IV)
3 - roztwór chlorku amonu
4 - elektroda węglowa
5 - elektroda cynkowa

Bateria cynkowa
1 - metalowe wieczko (+)
2 - grafitowy pręt (dodatnia elektroda)
3 - cynkowy pojemnik (ujemna elektroda)
4 - tlenek manganu(IV)
5 - wilgotna pasta chlorku amonu (elektrolit)
6 - metalowe denko (-)

Ogniwo Volty - płytki: cynkowa i miedziana, zanurzone w roztworze wodnym kwasu siarkowego (VI). Obwód zamknięty: - Zn | H₂SO₄ | Cu +. Należy do jednych z najstarszych ogniw galwanicznych. Siła elektromotoryczna ogniwa wynosi około 1,1 V.

Zasada działania

Kwas siarkowy występuje w roztworze w formie zdysocjowanej:

H₂SO₄ + 2 H₂O → 2 H₃O⁺ + SO₄^2-

Na elektrodzie cynkowej zachodzi utlenianie jej materiału do kationów Zn²⁺, które przechodzą do roztworu, gdzie przeciwjonami dla nich są aniony siarczanowe SO₄^2-, pochodzące z dysocjacji kwasu siarkowego Na elektrodzie miedzianej zachodzi reakcja redukcji jonów hydroniowych do gazowego wodoru.

Sumarycznie procesy zachodzące na elektrodach sprowadzają się do:

• elektroda cynkowa: Zn → Zn²⁺ + 2e

• elektroda miedziana: 2 H⁺ + 2e → H₂

zaś jony siarczanowe nie uczestniczą w gruncie rzeczy w całym procesie, spełniając tylko rolę przeciwjonów dla jonów hydroniowych i cynkowych.

Ogniwo Westona - ogniwo galwaniczne w którym elektrodę dodatnią stanowi rtęć, ujemną amalgamat kadmu, a elektrolitem jest roztwór nasycony siarczanu kadmu.

Nad rtęcią znajduje się siarczan rtęci Hg₂SO₄ utarty z siarczanem kadmu CdSO₄ oraz z rtęcią, w postaci tzw. pasty. W obu rurkach znajdują się także kryształy CdSO₄, a całość wypełniona jest wodnym roztworem siarczanu kadmowego. W temperaturze równej 293,15 K (20 °C) siła elektromotoryczna ogniwa Westona wynosi 1,0185-1,0187 V.

Ogniwo to jest zwykle konstruowane w kształcie litery "H" z przewężeniami w połowie dolnych ramion, które zapobiegają przemieszczaniu się chemikaliów podczas transportu ogniwa.

Z ogniw tych nie należy pobierać ani też przepuszczać przez nie prądu przez dłuższy czas o natężeniu przekraczającym 1 μA. Pobór prądu o natężeniu powyżej 100 μA eliminuje ogniwo jako wzorzec napięcia. Rezystancja wewnętrzna ogniwa nie przekracza zwykle 1 kΩ. Aby zapobiec przeciążeniom ogniwa, należy zapewnić, aby rezystancja obwodu, w którym jest włączane ogniwo, nie była mniejsza niż 9 kΩ.

Ogniwo Westona było stosowane jako wzorzec jednostki miary napięcia elektrycznego, gdyż jego napięcie jest bardzo bliskie 1 V.

Akumulator kwasowo-ołowiowy - rodzaj akumulatora elektrycznego, opartego na ogniwach galwanicznych zbudowanych z elektrody ołowiowej, elektrody z tlenku ołowiu(IV) (PbO₂) oraz ok. 37% roztworu wodnego kwasu siarkowego(VI), spełniającego rolę elektrolitu.

Akumulator ołowiowy został wynaleziony przez francuskiego fizyka Gastona Planté w 1859 r. Mimo wielu jego wad jest to wciąż najbardziej popularny rodzaj akumulatorów elektrycznych. Występuje w niemal wszystkich samochodach, a także wielu innych pojazdach (np. Melex). Oprócz tego stanowi często jeden z elementów awaryjnego zasilania budynków, zakładów przemysłowych, szpitali, centrali telefonicznych i polowych systemów oświetleniowych.

Konstrukcja i działanie

Typowy akumulator samochodowy jest zbudowany z 6 ogniw ołowiowo-kwasowych połączonych szeregowo. Każde ogniwo generuje siłę elektromotoryczną (SEM) równą 2,1 V. Cały akumulator generuje zatem napięcie znamionowe równe 12,6 V. Rezystancja wewnętrzna akumulatora jest bardzo mała, umożliwiając przepływ bardzo dużych prądów. Z tego powodu znalazły zastosowanie jako akumulatory rozruchowe silników spalinowych.

Pojedyncze ogniwo składa się z:

• anody wykonanej z metalicznego ołowiu - (-) - w trakcie poboru prądu i (+) w trakcie ładowania

• katody wykonanej z PbO₂ - (+) - w trakcie poboru prądu i (-) w trakcie ładowania

• elektrolitu - którym jest wodny, ok. 37% roztwór kwasu siarkowego z rozmaitymi dodatkami

Rozładowywanie

W ogniwie tym, w trakcie poboru prądu zachodzą następujące reakcje chemiczne na elektrodach:

anoda - utlenianie

Pb + SO₄^2- ⇌ PbSO₄ + 2e^-; ε⁰ = 0,356 V

katoda - redukcja

PbO₂ + SO₄^2- + 4H⁺ + 2e^- ⇌ PbSO₄ + 2H₂O; ε⁰ = 1,685 V

Jak widać na obu elektrodach w trakcie poboru prądu wydziela się siarczan(VI) ołowiu(II) (PbSO₄). W trakcie ładowania zachodzą dokładnie takie same reakcje, tyle że w drugą stronę.

W naładowanym akumulatorze gęstość elektrolitu wynosi 1,26 - 1,28 g/cm³ (w akumulatorach stosowanych w klimacie tropikalnym 1,23 g/cm³). Proces rozładowywania powoduje zmniejszenie stężenia elektrolitu oraz gęstości. Kiedy w rozładowanym akumulatorze napięcie na biegunach spadnie do 1,8V a gęstość elektrolitu do 1,18 g/cm³, akumulator należy niezwłocznie naładować. Stan naładowania można można zmierzyć areometrem.

Stan całkowitego rozładowania akumulatora polega na całkowitym przekształceniu obu elektrod w stały siarczan ołowiu i jest nieodwracalny. Siarczan ołowiu po pewnym czasie przechodzi w stan krystaliczny, będący elektrycznym izolatorem, trudno reagującym, powodującym spadek pojemności akumulatora. W praktyce zapobiega się tzw. zasiarczeniu elektrod stosując specjalną ich konstrukcję, która utrudnia osadzanie się na ich powierzchni nieprzenikalnej warstwy kryształów siarczanu ołowiu. Akumulatory samochodowe nie są jednak generalnie zaprojektowane do częstego całkowitego rozładowania, lecz raczej do funkcjonowania w stanie całkowitego naładowania.

Ładowanie

Proces ładowania polega na podłączeniu akumulatora do źródła prądu (np. zasilacza lub prostownika) i trwa on około 10 godzin. Prąd ładowania wynosi 10% pojemności akumulatora (dla akumulatora 40 Ah prąd ładowania wynosi 4 A). Możliwe jest ładowanie przyśpieszone (1 godzina) według zaleceń producenta. Podczas ładowania napięcie ogniwa wzrasta powoli od ok. 2 V do 2,35 V, potem szybciej. Gęstość elektrolitu rośnie. Po przekroczeniu napięcia 2,4 V zaczyna się rozkład wody na tlen i wodór (tzw. gazowanie akumulatora). Po osiągnięciu napięcia 2,5 V należy przerwać ładowanie, w przeciwnym razie dochodzi do przeładowania akumulatora. Skutkuje to wydzieleniem dużych ilości wodoru (tzw. zagotowaniem). Wodór w połączeniu z powietrzem tworzy mieszankę wybuchową, która może eksplodować pod wpływem iskry elektrycznej. Stąd ładowanie akumulatorów należy przeprowadzać w dobrze wentylowanych wnętrzach lub na otwartym terenie i unikać iskrzenia przy odłączaniu zacisków prostownika (odłączyć prostownik ze sieci). W czasie ładowania wydziela się w elektrolicie ciepło, które przy temperaturze powyżej 40 °C działa szkodliwie na płyty akumulatora. Nie powinno się użytkować akumulatorów sprzedawanych w Polsce w temperaturze otoczenia powyżej 40 °C.

Nieużywany akumulator trzeba okresowo (co miesiąc) doładowywać aby nie dopuścić do zasiarczenia spowodowanego samorozładowywaniem się akumulatora.

Pojemność

Pojemność akumulatorów ołowiowych podaje się w amperogodzinach (Ah). Pojemność zależy od sposobu rozładowywania, dlatego wprowadzono pojęcie pojemności 10-godzinnej. Dla przykładu aby rozładować w ciągu 10 godzin akumulator 40 Ah, należy czerpać z niego prąd o natężeniu 4 A.

W ujemnych temperaturach pojemność maleje powodując trudności z uruchomieniem pojazdów w zimie. Przy dużych mrozach w rozładowanym akumulatorze może dojść do zamarznięcia elektrolitu, doprowadzając do jego uszkodzenia. W dawnych czasach zalecane było wyjmowanie akumulatora z samochodu, przechowywanie w ciepłym miejscu i zamontowanie przed uruchomieniem silnika. Obecnie prace przy akumulatorach w nowoczesnych samochodach są często zabronione z powodu możliwości uszkodzenia elektroniki oraz skasowania pamięci sterowników.

Prądnica prądu stałego - prądnica, przetwarzająca energię mechaniczną ruchu obrotowego na energię elektryczną prądu stałego. Składa się z części nieruchomej zwanej stojanem i z części ruchomej, zwanej wirnikiem. Wirnik służy do wytwarzania prądu elektrycznego. Wiruje on w polu magnetycznym wytwarzanym przez magnes stały lub uzwojenie stojana zasilane zewnętrznym źródłem prądu stałego. Prąd elektryczny jest odbierany z komutatora znajdującego się na osi wirnika przy pomocy szczotek grafitowych, umieszczonych na stojanie.

Prądnice prądu stałego były niegdyś stosowane w pojazdach do zasilania urządzeń elektrycznych pojazdu oraz ładowania akumulatora rozruchowego, zostały jednak stopniowo wyparte przez alternatory, charakteryzujące się większą wydajnością i niezawodnością oraz mniejszymi gabarytami.

Prądnica prądu przemiennego (generator prądu przemiennego) to maszyna elektryczna przetwarzająca energię mechaniczną, pobieraną z zewnętrznego urządzenia napędzającego prądnicę, na energię elektryczną w postaci przemiennego prądu. Do tego celu wykorzystuje się zjawisko indukowania siły elektromotorycznej w wyniku ruchu przewodnika w polu magnetycznym indukcji elektromagnetycznej. Prądnice prądu przemiennego dzielą się (ze względu na różnice w konstrukcji) na prądnice asynchroniczne i synchroniczne, oraz (ze względu na liczbę faz) na prądnice jednofazowe i wielofazowe. Prądnica prądu przemiennego stanowi odwrócenie silnika elektrycznego. W przypadku silnika energia elektryczna była zmieniana na pracę mechaniczną. W prądnicy natomiast praca zostaje zmieniona na energię elektryczną. Prądnica składa się z części nieruchomej zwanej stojanem i ruchomej zwanej wirnikiem.

Autorem patentu na prądnicę prądu przemiennego był serbski wynalazca Nikola Tesla.

Prądnice synchroniczne [edytuj]

Prądnice te składają się ze stojana, który stanowi zewnętrzną, statyczną część maszyny. Na obwodzie stojana umieszczone są uzwojenia (cewki), w których indukuje się napięcie przemienne, pod wpływem którego płynie prąd przemienny. Wytwarzany prąd może być jedno- lub wielofazowy (najczęściej trójfazowy) - zależy to od liczby uzwojeń. Natomiast wewnątrz stojana znajduje się wirnik wykonany w postaci rdzenia magnetycznego, który stanowi dynamiczny element maszyny. Wirnik jest osadzony na wale, który w przypadku pracy prądnicowej połączony jest z urządzeniem napędzającym. Na wirniku umieszczona jest tzw. cewka wzbudzająca, przez którą płynie prąd stały doprowadzany z zewnętrznego źródła. Prąd ten wytwarza stałe pole magnetyczne w wirniku, stanowiącym elektromagnes. Obrót wirnika (a więc i pola magnetycznego) powoduje zmianę strumienia pola magnetycznego przenikającego przez uzwojenie stojana i na zasadzie zjawiska indukcji elektromagnetycznej powoduje indukowanie się napięcia przemiennego w uzwojeniach stojana, pod wpływem którego płynie prąd przemienny o przebiegu sinusoidalnym. Dla uzyskania odpowiedniej częstotliwości napięcia wirnik musi obracać się z odpowiednią prędkością, w celu regulacji napięcia zmienia się natężenie prądu wzbudzającego. Nazwa prądnicy synchronicznej wynika z synchronizmu prędkości obrotowej wirnika i pola magnetycznego maszyny. Pole magneśnicy i twornika wiruje w tym samym kierunku i z taką samą prędkością.

Niemal wszystkie urządzenia wytwarzające prąd przemienny są prądnicami synchronicznymi, przykładowo: generatory w elektrowniach, alternatory w samochodach.

Prądnica synchroniczna prądu przemiennego może być używana jako silnik synchroniczny.

Zobacz też: Generator synchroniczny

Prądnice asynchroniczne [edytuj]

Prądnice asynchroniczne, podobnie jak prądnice synchroniczne, składają się z dwóch zasadniczych elementów: stojana i wirnika. Na wewnętrznym obwodzie stojana umieszczone są uzwojenia (cewki), w których w wyniku działania zjawiska indukcji elektromagnetycznej pojawia się siła elektromotoryczna. W zależności od liczby uzwojeń wytwarzany prąd jest jedno- lub wielofazowy. Wirnik jest rdzeniem magnetycznym na obwodzie którego przymocowane są uzwojenia, w których płynie prąd wzbudzający pole magnetyczne. Obracanie się wirnika powoduje wirowanie wytworzonego pola magnetycznego, a jego zmienność względem uzwojeń stojana indukowanie się napięcia w jego przewodach. Maszyny asynchroniczne są rzadko stosowane jako prądnice ze względu na trudność w ich sterowaniu. W maszynach klatkowych polega ona na tym, że jedyny dostęp do maszyny jaki mamy to napięcie i częstotliwość, nie ma natomiast dostępu do wirnika. Obecnie jednak trwają prace nad rozwiązaniem tego problemu.

Natomiast w maszynach pierścieniowych jest dostęp do wirnika za pośrednictwem pierścieni ślizgowych jednak sterowanie parametrami maszyny nie jest proste - nadal występują problemy, ponieważ prądnica taka jest bardzo czuła na zmiany obciążenia w sieci. Spowodowane to jest brakiem zasilania wirnika stałym prądem magnesującym (tak jak to sie dzieje w pradnicach synchronicznych), a prąd magnesujący w prądnicach asynchronicznych powstaje na skutek indukcji magnetycznej (pradnica jest odbiornikiem mocy biernej indukcyjnej) zależnej m.in. od prędkości obrotowej. Efektem jest niestabilność napięcia na zaciskach maszyny. Dla utrzymania stałości napięcia trzeba odpowiednio szybko regulować prędkością obrotową wirnika. Należy w tym celu dodatkowo zainstalować układ sterowania tym parametrem, który bardzo szybko reaguje na wszelkie zmiany obciążenia w sieci. Układy takie, składające się z mikroprocesorów i falowników sterowanych, znajdują się jeszcze w fazie badań i udoskonaleń.

Silnik elektryczny asynchroniczny podłączony do sieci prądu przemiennego obracający się z prędkością obrotową większą od prędkości synchronicznej pracuje jako prądnica asynchroniczna.

Alternator to prądnica prądu przemiennego, często trójfazowa. Służy do zmiany energii mechanicznej w prąd przemienny. W alternatorze prąd jest wytwarzany w nieruchomych uzwojeniach stojana przez wirujące pole magnetyczne wirnika. Stosowany jest powszechnie jako źródło prądu w pojazdach mechanicznych. Pierwszy alternator skonstruował Nikola Tesla w 1891 i opatentował go w USA pod numerem 447921.

Alternator jest znacznie wydajniejszy i bardziej niezawodny od prądnicy prądu stałego, gdyż w przeciwieństwie do prądnicy główne uzwojenia robocze są w stojanie, a nie w wirniku, dzięki czemu nie ma potrzeby stosowania komutatora. Alternator jest wzbudzany podobnie do prądnicy prądu zmiennego przez uzwojenia wirnika, ale w alternatorze jest jedno uzwojenie nawinięte osiowo, a wykonane z ferromagnetyka elementy kształtują odpowiednio pole magnetyczne, tak by podczas obrotu wirnika zmieniało się pole magnetyczne przenikające przez uzwojenia statora (stojana).

Dla zapewnienia współpracy z akumulatorem, który wymaga napięcia stałego, alternator posiada wbudowany prostownik na diodach krzemowych. Czasem zawiera też wbudowany regulator napięcia.

Układ prostowania prądu posiada często oddzielne diody do prostowania prądu głównego i oddzielne 3 diody do prostowania prądu używanego do wzbudzania alternatora (alternator 9-diodowy). Układ taki zapewnia, że podczas małych obrotów silnika lub przy włączonej instalacji elektrycznej przy wyłączonym silniku wirnik alternatora nie jest magnesowany i nie pobiera prądu z akumulatora, jak to się dzieje w prądnicach lub alternatorach 6-diodowych. W nowoczesnych samochodach układ prostowania i regulator poziomu wzbudzania, zwany regulatorem napięcia, są instalowane w alternatorze.

Obecnie alternatorów używa się coraz częściej, ponieważ są znacznie lżejsze od prądnicy prądu stałego i zdolne do oddawania maksymalnego prądu już przy niewielkiej prędkości obrotowej wirnika.

---