Генрих Кардашев - Радиоэлектроника-с компьютером и паяльником

Интересная мысль… Жаль, что Э. Распэ, красочно описавший приключения знаменитого барона Мюнхгаузена, очевидно, не был знаком с электричеством, а то мы бы наверняка сейчас потешались над рассказом о том, как барон, восседая на туче во время летней грозы, визжал от удовольствия, полизывая сверкающие вокруг него молнии. Особое удовольствие ему доставляли те из них, которые влетали прямо в рот на его вытянутый язык. В гастрономических изысках барон тогда далеко бы превзошел французских гурманов: в конце обеда его гостям подавали бы в специальных вазочках замороженные шаровые молнии.

Рецепт приготовления этого фантастического блюда исчез вместе с загадочным бароном, и бедные физики до сих пор не могут его восстановить.

Вернемся, однако, к спору ученых XVIII в.

После ошеломительной критики со стороны Вольта, Гальвани ставит опыты, используя только один металл для замыкания цепи. На это Вольта замечает, что все равно условия на концах этого металла разные, так как там имеются различные части лапки лягушки, две части меди могут иметь разные примеси, может различаться температура этих концов и т. д.

В своей критике Вольта зашел слишком далеко, не заметив, что в новой серии опытов Гальвани все же имел дело именно с «животным электричеством». Однако реабилитация Гальвани, которого теперь по праву считают основателем электробиологии, последовала с запозданием на 100 лет после его исторического «балконного опыта». Вольта же на основе истолкования этого опыта и последующих экспериментов изобрел свой знаменитый «Вольтов столб», называемый до сих пор гальванической батареей. Вот уж поистине «невообразимы судьбы человеческие».

Пора в магазин или на поток за покупками…

Хотим купить «Крону», нам предлагают батарею на 9 V, на которой написано: 0 % Mercury, 0 % Cadmium, Jan 2000 (use before), MadeinE.U.

Р.Г. Варламов. Современные источники питания

Сотни миллионов разнообразных ХИТ с самыми различными характеристиками, фирменных и «левых» ежегодно обрушиваются на покупателя. Как не потонуть в этом море обозначений и красочных (но далеко не всегда достоверных) сведений? Проблема выбора здесь очень остра: цены отличаются в несколько раз, а при неверном выборе в лучшем случае устройство не заработает как надо, в худшем — может быть испорчено. За подробной информацией надо обратиться к справочникам или специалистам по конкретным устройствам. Здесь мы приведем лишь некоторые общие сведения.

Сосредоточимся на герметичных ХИТ для портативной аппаратуры, не рассматривая проточные топливные элементы и силовые источники большой мощности. Характеристики ХИТ и применяемую терминологию по возможности упростим до пользовательского уровня.

В простейшем случае ХИТ представляет собой два электрода различной природы, ионная проводимость между которыми обеспечивается электролитом, жидким или твердым. Один из электродов содержит окислитель, а другой — восстановитель. На отрицательном электроде при работе ХИТ восстановитель окисляется, и свободные электроны по внешней цепи переходят к положительному электроду, где участвуют в реакции восстановления окислителя.

Напомним, что за положительное (расчетное) направление тока во внешней цепи принимают движение условного положительного заряда. Этот заряд будет двигаться противоположно электронному току, т. е. от плюса к минусу во внешней цепи источника при его разрядке (работе).

Наиболее простыми и дешевыми являются первичные источники тока как бы однократного действия, в которых при работе (прерывистой или непрерывной) протекают необратимые (или частично обратимые) окислительно-восстановительные реакции. Эти источники — гальванические элементы, после исчерпания токообразующих реагентов подлежат замене. По поводу этих источников радиолюбители шутят: «Купил. Поставил. Поработал. Сели — выбрасывай и беги за новыми».

В гальванических элементах используют следующие электрохимические системы, аббревиатуры (или химические символы) которых используются при маркировке: Л (Li) — литиевые; МЦ (MnZn) — марганцево-цинковые; РЦ (HgZn) — ртутно-цинковые; СЦ (AgZn) — серябрено-цинковые.

Некоторые из гальванических элементов допускают относительно небольшое число циклов перезаряда. Примером могут служить алкалиновые (от англ. alkaline — щелочной) элементы. Их можно подзарядить, если корпус не имеет механических дефектов (выделяется газ!) и емкость снизилась не более чем наполовину.

Более сложными являются вторичные источники, которые создаются с обратимо работающими электродами. Это перезаряжаемые ХИТ, или аккумуляторы. Они допускают до тысячи циклов перезаряда (от дополнительного источника постоянного тока), восстанавливающих их работоспособность. В аккумуляторах используют следующие электрохимические системы: никель-кадмиевые (NiCd) и никель-металлогидридные (NiMH); свинцово-кислотные (Sealed Lead Acid, SLA); литий-ионные (Li-Ion) и литий-полимерные (Li-Polimer).

Основными электрическими характеристиками ХИТ являются: напряжение на его зажимах, внутреннее (омическое) сопротивление и емкость. Напряжение на зажимах ХИТ зависит от типа и состояния его электрохимической системы и характера нагрузки.

При холостом ходе (разомкнутый источник) напряжение на нем равно его электродвижущей сипе (ЭДС); последняя характеризует работу, производимую химическими реакциями по разделению зарядов на электродах.

Внутреннее сопротивление характеризует потери в самом источнике при его работе. Емкость ХИТ — количество электричества (заряд) в ампер-часах (А·ч) или миллиампер-часах (мА·ч), которое отдается при его разряде до заданного напряжения. Обратите внимание на то, что размерность «емкости ХИТ» кулон, а не кулон/Вольт = Фарад, как у «электрической емкости конденсатора», ибо это разные физические понятия.

Соединяя отдельные гальванические или аккумуляторные элементы в группы, последовательно для увеличения напряжения, параллельно для увеличения тока или смешанным образом, образуют соответствующие батареи. На радиожаргоне или в быту зачастую любой ХИТ называют просто батарейкой.

Конструктивно, гальванические элементы и аккумуляторы выпускают в трех видах исполнения: дисковые (так называемые «пуговичные» или «кнопочные»), цилиндрические («пальчиковые» или «стаканчиковые») и призматические («галетные», и т. п.). Корпуса батарей из них, как правило, имеют вид параллелепипеда, зачастую со скругленными гранями, например плоские батареи (рис. 1, а).

На УГО (условно-графических обозначениях) ХИТ, как правило, показывают полярность выводов (см. рис. 1, б, в). На конкретных схемах в программе EWB указывают рядом с ним позиционное обозначение компонента и величину ЭДС, например Е1 = 9 В (см. рис. 1, г).

Рис. 1. Химические источники тока:

а — внешний вид; б, в — УГО на принципиальных схемах; г — модельный компонент EWB

Общие сравнительные характеристики ХИТ таковы.

Солевые МЦ элементы наиболее дешевы, но их энергетические характеристики сильно зависят от скорости разряда, а напряжение существенно меняется за время разряда; срок их годности не превышает 5 лет с момента выпуска.

Щелочные МЦ элементы более стабильны и работоспособны; срок их сохранности (не работы) доходит до 10 лет.

Литиевые элементы имеют еще более высокие показатели по всем перечисленным параметрам.

Щелочные аккумуляторы в отличие от щелочных элементов обладают большей стабильностью рабочего напряжения. «Перезарядка» этих аккумуляторов может быть проведена за время от 16 ч до 1 ч (а для некоторых за 15 мин.). При хранении в разряженном состоянии они длительное время не теряют работоспособности: никель-металлогидридные — до 1 года, а никель-кадмиевые аккумуляторы (НКА) — до 10 лет. Последние пользуются большой популярностью у любителей портативных радиостанций, так как они переносят «ударные» нагрузки при работе в режиме передатчика. Радиолюбители ласково прозывают их «НКАшками». К основным недостаткам НКА относится «эффект памяти», заключающийся в уменьшении его полезной емкости при неполной разрядке. НКА необходимо периодически полностью разряжать.

Никель-металлогидридные аккумуляторы имеют более высокую емкость и значительно меньший «эффект памяти».

Свинцово-кислотные аккумуляторы имеют более высокое напряжение, чем щелочные, и выпускаются, как правило, в виде батарей из 3 или 6 аккумуляторов, соединенных последовательно и соответственно с напряжением 6 и 12 В. Примером могут служить стартерные батареи для мотоциклов и автомобилей. Жизнь автолюбителей, особенно в зимний период, во многом разнообразится капризами этих батарей, особенно при неряшливой эксплуатации. Эти батареи нашли применение также в источниках бесперебойного питания, системах охраны и сигнализации.