Пишу для школьников (для лучшего понимания ими основ физики). Материал излагаю в соответствии с признанной ныне научной трактовкой физических явлений. Критике существующей теории и глубоким теоретическим рассуждениям здесь не место.

Аккумуляторы, как и гальванические элементы, являются химическими источниками постоянного тока.

Но в отличие от гальванических элементов, образующиеся в аккумуляторах в результате реакций химические соединения, могут быть разложены и приведены в первоначальное состояние.

Иначе, в аккумуляторах возможны и обратные процессы — превращения электрической энергии в химическую.

Рассмотрим принцип работы аккумуляторов на примере свинцового аккумулятора, применяемого в автомобиле.

Свинцовый аккумулятор представляет собой сосуд, заполненный раствором серной кислоты (дистиллированной воды с небольшим количеством кислоты), в который помещены две пластинки — одна изготовлена из чистого свинца (губчатого свинца), другая — из диоксида свинца.

Чистый свинец является более активным веществом (быстрее растворяется в растворе кислоты). Из свинцовой пластинки в раствор выходят положительно заряженные ионы свинца, а пластинка заряжается отрицательно.

Электрод из диоксида свинца растворяется слабее. Молекулы диоксида свинца, соединяясь с молекулами воды, разделяются на положительные ионы четырёхвалентного свинца и отрицательные ионы ОН. Образовавшиеся ионы свинца осаждаются на пластинке, заряжая её положительно.

Между заряженными пластинками (электродами) возникает разность потенциалов, равная примерно 2 В.

Так как для работы приборов автомобиля требуется постоянное напряжение в 12 В, то в нём используется аккумуляторная батарея, состоящая из шести последовательно соединённых аккумуляторов — в обиходе её называют просто аккумулятором (хотя это батарея аккумуляторов).

Особенностью аккумулятора является то, что он способен накапливать и удерживать значительную энергию в течение некоторого промежутка времени, а затем (при подключении к нагрузке) быстро отдавать эту энергию.

Так, аккумулятор в автомобиле способен отдать стартёру кратковременный ток в сотни ампер, запустив этим работу двигателя внутреннего сгорания автомобиля.

Отдав энергию, аккумулятор в какой — то степени разряжается, но во время хода автомобиля он и заряжается от генератора. Так что в процессе работы автомобиля аккумулятор находится в нормальном (заряженном) состоянии.

Но если автомобиль долго не эксплуатировался, то аккумулятор разряжается. Он разряжается и в том случае, если отключен от потребителя (внешняя цепь разомкнута), когда он, например, стоит на столе.

Рассмотрим процесс разряда аккумулятора.

При подключении аккумулятора к потребителю свободные электроны с катода пойдут во внешнюю цепь, анод же будет поглощать свободные электроны из внешней цепи — по цепи пойдёт разрядный ток.

Процесс разряда аккумулятора можно изобразить формулой, идя в ней слева направо:

В левой части формулы записаны вещества, которые были в аккумуляторе изначально. В правой части записаны вещества образовавшиеся в процессе реакции.

В результате взаимодействия пластин с серной кислотой образуется вода и сернокислый свинец, откладывающийся на обеих пластинках.

Чем больше на пластинках накапливается сернокислого свинца, плохо проводящего ток, тем больше аккумулятор разряжается.

Таким образом, при разряде аккумулятора расходуется серная кислота и образуется вода, то есть плотность электролита уменьшается. По плотности электролита можно судить о степени заряженности аккумулятора.

На следующем рисунке приведены кривые зависимости напряжения на зажимах аккумулятора от времени, поясняющие процесс заряда (кривая 1) и разряда (кривая 2) аккумулятора.

Сейчас речь идёт о разряде, поэтому обратим внимание на кривую 2. Понижение напряжения на зажимах аккумулятора при разряде объясняется уменьшением плотности электролита при разряде.

Здесь приведены данные для одного аккумулятора. Если говорить о батарее, состоящей из 6 аккумуляторов, то напряжение надо увеличить в 6 раз.

Согласно кривой 2, при разрядке напряжение на аккумулятора падает. Если напряжение упало до 1,8 В, значит пора его заряжать. Если аккумулятор продолжать эксплуатировать, то напряжение на нём быстро упадёт до нуля. Это будет означать, что вся запасённая в аккумуляторе энергия израсходована, его пластины покрылись толстым слоем сернокислого свинца.

Если в это время аккумулятор отключить от нагрузки и поставить на зарядку, то напряжение на нём может увеличиться до 2 В (из — за проникновения электролита внутрь пластин). Но при включении нагрузки напряжение вновь быстро снизится до нуля. Аккумулятор полностью вышел из стоя, и не стоит тратить время на его зарядку.

Аккумулятор характеризуется ёмкостью.

Под ёмкостью аккумулятора понимается энергия, которую он может передать нагрузке при разряде до допустимого предела. равного 1,8 В. Измеряется ёмкость ампер-часами.

Например, аккумулятор ёмкостью 55 А ч может давать ток силой 55 А в течение 1 часа. Ёмкость зависит от количества активной массы, соприкасающейся с электролитом, силы разрядного тока и температуры электролита. При увеличении силы разрядного тока и уменьшении температуры электролита ёмкость аккумулятора уменьшается.

Для увеличения ёмкости аккумулятора несколько одноимённо заряженных пластин соединяют параллельно.

Каждая группа таких заряженных пластин работает как одна большая пластина, площадь которой равна сумме их площадей. Число отрицательных пластин должно быть на одну больше, чем положительных, чтобы обе стороны положительных пластин вступали во взаимодействие с электролитом.

Теперь рассмотрим как происходит процесс зарядки аккумулятора.

Для зарядки аккумулятора его подключают к другому источнику постоянного напряжения плюсом к плюсу (одноимёнными полюсами).

При этом зарядный ток в аккумуляторе течёт в направлении обратном разрядному току ( току при разрядке аккумулятора).

И химический процесс при разряде аккумулятора тоже идёт в обратном направлении (теперь надо смотреть на уравнение химической реакции справа налево)

В правой части уравнения записано то, что получено при разрядке аккумулятора, а в левой части — то, что получается при зарядке аккумулятора.

Происходит следующее.

На отрицательном электроде анионы свинца, образованные из сульфата свинца, связываются с электронами, поступающими из внешней цепи, образуя чистый губчатый свинец.

На положительном электроде происходит образование окиси свинца с отдачей во внешнюю цепь электронов.

Количество воды в электролите уменьшается, количество кислоты растёт, то есть растёт плотность электролита. Таким образом, при заряде наряду с образованием на электродах исходных веществ (свинца и окиси свинца) повышается плотность электролита за счёт восстановления серной кислотыаккумулятор купить в кирове

По завершению процесса восстановления электродов, зарядка аккумулятора прекращается.

Если продолжать пропускать дальше зарядный ток через электролит, то начнётся процесс разложения воды на кислород и водород. Смесь этих газов взрывоопасна, поэтому следует избегать лишней продолжительности зарядки аккумулятора.

Итак, нами рассмотрен механизм преобразования химической энергии в электрическую энергию аккумулятора при его зарядке, и преобразования электрической энергии в химическую при разрядке аккумулятора.

Чтобы аккумулятор служил долго, не надо допускать его глубокой разрядки. При уменьшении напряжения на одном аккумуляторе до 1,8 В (на батарее аккумуляторов в 6 раз большем), аккумулятор надо заряжать. Величина зарядного тока не должна превышать 0,1 от ёмкости аккумулятора, то есть при ёмкости 55 А ч зарядный ток не должен быть больше 5,5 А. Продолжительность зарядки определяется стабилизацией тока на аккумуляторе.

Задача.

Аккумулятор подключен для зарядки к сети с напряжением 14 В. Внутреннее сопротивление аккумулятора 0,4 Ом. Какова электродвижущая сила ЭДС этого аккумулятора, если при зарядке через него проходит ток силой 5 А?