Источник тока, батаря, аккумулятор - что это такое

Радиоприемники или усилители низкой частоты, с работой которых ты будешь знакомиться в ходе практикумов, телевизоры, магнитофоны, звуковоспроизводящая аппаратура в кинотеатрах и многие другие радиотехнические устройства работают за счет потребления электрической энергии из электроосветительной сети и от батареи гальванических элементов или аккумуляторов. Только самые простые Приемники — детекторные — не требуют дополнительных источников тока и работают благодаря «вылавливанию» из пространства энергии радиоволн, излучаемой антеннами радиовещательных станций. Но чтобы передатчики этих станций могли излучать радиоволны, они должны непрерывно потреблять энергию электрического тока. Короче говоря, источник тока является неотъемлемой частью радиотехнического устройства. Именно поэтому твой первый практикум на пути знакомства с радиотехникой и будет посвящен источникам тока.

Ты, надеюсь, уже знаешь из школьного курса физики или популярной литературы по электротехнике, что различают ток постоянный и ток переменный. При постоянном токе носители электрических зарядов (электроны) а проводнике, например в отрезке провода, включенном в электрическую цепь, или в нити лампочки накаливания, движутся все время в одном направлении. Источниками постоянного тока могут быть, например, батареи 3336Л (их часто по старинке называют КБС) — те, что питают лампочки плоских карманных фонарей.

При переменном же токе электроны в проводнике или в той же нити накала лампочки движутся попеременно то в одну, то в другую сторону.

В электроосветительной сети, питающей бытовые электроприборы, ламповые или транзисторные приемники и телевизоры, ток изменяет свое направление с частотой 50 Гц (герц — основная единица измерения частоты: 1 Гц — одно полное колебание в секунду). При таком токе электроны в проводнике 50 раз в секунду движутся в одном направлении и столько же раз в обратном. В антеннах передатчиков, излучающих энергию радиоволн, частота питающих их переменных токов составляет сотни килогерц (1 кГц =1000 Гц) и даже десятки мегагерц (1 МГц=1 000000 Гц или 1000 кГц).

Электрический ток характеризуют напряжением, измеряемым в вольтах (В), и силой, измеряембй в амперах (А). Измеряют эти основные электрические параметры вольтметрами и амперметрами. В электрических цепях приемников и. усилителей протекают токи, чаще всего не превышающие нескольких десятков миллиампер (1 мА = 0,001 А). Поэтому для измерения токов ты будешь пользоваться главным образом миллиамперметром или даже микроамперметром (1 мкА = 0,001 мА).

Для измерения напряжений, токов, сопротивлений участков цепей радиолюбителям чаще всего нужны аво-метры. Так называют электроизмерительный прибор, совмещающий в себе амперметр, миллиамперметр, вольтметр и омметр. Можно, например, пользоваться авометром «Школьный». Впрочем, авометр может быть и самодельным, о чем ты узнаешь в следующем практикуме.

Для опытов, иллюстрирующих принцип действия и свойства полупроводниковых диодов и транзисторов, для питания твоих первых транзисторных усилителей и приемников потребуются гальванические элементы 332, 343, 373 или батареи, составленные из гальванических элементов, например 3336Л, «Крона» (рис. 1) или аккумуляторная батарея 7Д-0,1 (цифра 7 в обозначении этой батареи говорит о том, что она состбит из семи аккумуляторов). Один свежий гальванический элемент, независимо от его размеров, развивает напряжение 1,5 В (заряженный аккумуляторный элемент — 1,2 В); батарея 3336Л — 4,5 В; батарея «Крона» или 7Д-0,1 — 9 В. Эти напряжения элементов и батарей обычно указываются на этикетках-паспортах.

Иногда элементы и батареи характеризуют электродвижущей силой, или сокращенно ЭДС. Это тоже напряжение, но развиваемое элементом или батареей без нагрузки, то есть без потребителя тока. При подключении к элементу нагрузки, например лампочки, напряжение становится меньше, чем ЭДС.

Разобраться в том, как работают источники постоянного тока, тебе помогут несколько опытов, проведение которых займет не больше одного вечера. Для опытов потребуются совершенно разряженная и, следовательно, неприродная для дальнейшего применения батарея 3336Л, медная проволока или пластинка Аистовой меди, поваренная (столовая) соль, немного медного купороса в кристаллах и, конечно, вольтметр постоянного тока (авометр) для измерения напряжений опытных элементов. -

Удали с батареи бумажную этикетку и защитный слой бумаги (рис. 2, а) — увидишь три ее элемента. Крайние элементы изолированы от среднего полосками картона, пропитанными парафином. Сверху элементы залиты черной мастикой (смолкой). Осторожно удали ее — увидишь угольные стержни с медными контактными колпачками на концах, выступающие из цинковых стаканчиков. Угольные стержни — это положительные электроды элементов, а цинковые стаканчики — отрицательные.

Как соединены между собой элементы батареи?

Последовательно. Угольные стержни двух элементов соединены отрезками провода с цинковыми стаканчиками соседних элементов. К колпачку свободного стержня и свободному стаканчику крайних элементов припаяны жестяные пластинки, являющиеся выводами электродов батареи. Короткая пластинка — вывод положительного электрода, длинная — отрицательного.

На схемах отрицательные электроды элементов или аккумуляторов обозначают короткими, положительные — более длинными черточками, а рядом ставят соответствующие им знаки: « — » и « + ». Одиночный гальванический элемент или аккумулятор, используемые для питания прибора или радиотехнического устройства, на схемах обозначают латинской буквой G («же»), а батарею, составленную из элементов или аккумуляторов, буквами GB.

Разрезав соединительные проводнички, отдели один элемент. Осторожно разрежь по длине его цинковый стаканчик (рис. 2, б). Отогнув края, увидишь мешочек, в котором находится угольный электрод. Обрати внимание на студенистую пасту, заполняющую пространство между мешочком и стенками стаканчика.

Подогрей стаканчик и извлеки из него мешочек с угольным стержнем. Распори мешочек — увидишь черную массу. Очисти от нее угольный стержень.

О назначении угольной массы в мешочке положительного электрода и студенистой пасты, отделяющей мешочек от стенок стаканчика отрицательного электрода, узнаешь позже. Сейчас же займись опытами.

В стакан или стеклянную банку из-под майонеза налей чистую воду комнатной температуры и раствори в ней две-три чайные ложки поваренной соли. Опусти в раствор медную пластинку или кусочек медной проволоки, сложенной вдвое, и цинковую пластинку, отрезанную от цинкового стаканчика разобранного элемента. У тебя получился простейший источник постоянного тока. Чтобы проверить, действует ли он, подключи к нему вольтметр, как показано на рис. 3 (на схемах электроизмерительные приборы обозначают кружками с буквами РА (измеритель тока) или PU (измеритель напряжения), а выполняемые ими функции — буквами в кружках: V — вольтметр: мА — миллиамперметр: мA — микроампер-метрг и — омметр). Зажим положительного вывода вольтметра должен соединяться с медной пластинкой, зажим отрицательного вывода — с цинковой пластинкой. Между собой пластинки не должны соединяться.

Что показывает вольтметр? Постоянное напряжение около 1В. Не отключая вольтметра, вытащи одну из пластинок из раствора соли — стрелка вольтметра тут же вернется к нулевой отметке на шкале. Опусти пластинку в раствор — вольтметр покажет то же напряжение.

Таким образом элемент действует. Его медная пластинка является прложитель-ным электродом, цинковая — отрицательным, а раствор поваренной соли, в которую погружены пластинки, электролитом элемента.

Еще один эксперимент. Замени медную пластинку угольным стержнем разобранного элемента батареи 3336Л. Вольтметр тоже будет фиксировать напряжение, только, возможно, несколько меньшее, чем с электродом из меди, — и в ,этом случае элемент действует, а его цинковая пластинка остается отрицательным электродом.

Будет ли лампочка от карманного фонаря, подключенная к такому элементу, гореть?

Нет (проверь, так ли это). Но ток через нить лампочки будет все же идти, в чем можно убедиться, включив последовательно с ней миллиамперметр. Ток этот чрезвычайно мал — всего 2...3 мА, а чтобы нить лампочки накалить, через нее надо пропускать примерно в 100 раз больший ток.

При погружении цинковой пластинки в раствор поваренной соли между ними возникает химическая реакция, в результате которой на цинковой пластинке образуется излишек электронов и она заряжается отрицательно. При этом раствор соли (то есть электролит) и медная пластинка по отношению к цинковой заряжаются положительно. В результате между пластинками-электродами элемента возникает напряжение, которое и фиксирует вольтметр. Сам же вольтметр при измерении является как бы нагрузкой элемента, потребляющей небольшой ток.

Если к электродам элемента подключить лампочку накаливания или замкнуть их, то есть соединить между собой, ток потечет внутри элемента, через электролит. При этом внутри элемента начинает интенсивно выделяться водород, покрывающий поверхности пластинок слоем пузырьков. Это явление называют поляризацией. Слои пузырьков водорода уменьшают напряжение элемента. Из-за поляризации такой элемент не представляет практической ценности, но благодаря своей простоте он интересен как демонстрационное пособие.

Практическое применение может найти другой вариант элемента — медно-цинковый (рис. 4). На дно стакана положи круглую пластинку, вырезанную из листовой меди, или спираль из голой медной проволоки толщиной 1... 1,5 мм. Это — положительный электрод элемента. На его проволочный вывод надень резиновую либо поливинилхло-ридную трубочку или оберни его изоляционной лентой. У цинкового стаканчика разобранного тобой сухого элемента отрежь донышко, а к оставшемуся незамкнутому цилиндру припаяй отрезки медной проволоки, которые бы удерживали этот электрод в стакане и одновременно служили его выводами. Это — отрицательный электрод элемента.

На медный электрод насыпь горкой 20...30 г медного купороса и осторожно налей в стакан раствор поваренной соли, используемый тобой для первого опытного элемента. Через некоторое время часть медного купороса растворится и образует в нижней части стакана слой жидкости голубовато-зеленого цвета. После этого опусти в раствор цинковый электрод так, чтобы его нижний конец не доходил до верхней границы раствора медного купороса на 10...12 мм. Закрепи его в таком положении в стакане.

Элемент готов. Чтобы привести его в действие, надо лишь замкнуть его выводы на 10...15 мин. После этого подключи к элементу лампочку от карманного электрического фонаря. Лампочка горит. Нить накала светится, но тускло. Так оно и должно быть: нить накала этой лампочки рассчитана на напряжение источника тока 2,5 В, а твой элемент развивает напряжение не более 1 В. Измерь это напряжение вольтметром. Чтобы лампочка светилась ярче, надо сделать три одинаковых элемента и соединить их последовательно. Как работает такой элемент?

Принципиально так же, как и первый опытный Благодаря химической реакции между цинком и раствором поваренной соли цинк приобретает отрицательный электрический заряд. При этом образуются пузырьки водорода, которые движутся к положительному электроду, но, не доходя до него, растворяются в толще раствора медного купороса. Поэтому поляризация не наступает, и элемент работает устойчиво. Таким образом, раствор медно-ного купороса является здесь деполяризатором.

Один такой элемент, независимо от его размеров, да-jer напряжение около 1 В. А вот сила тока, которую он может развить в электрической цепи, полностью зависит от его размеров: чем больше объем сосуда и площадь поверхностей электродов, тем больше может быть ток, создаваемый элементом в подключенной к нему нагрузке. Так, например, если элемент с цинковым электродом диаметром 70...75 мм собрать в пол-литровой стеклянной банке, от него можно получить ток до 200,..250 мА (0,2...0,25 А).

Лучше всего для отрицательных электродов подойдет листовой цинк (не путай с оцинкованным железом) толщиной 0,8...1 мм. Чем он толще, тем элемент дольше будет служить. Эти электроды крепи на крышках банок, защищающих электролит от пыли и сора. Для раствора поваренной соли используй дистиллированную или дождевую воду. В зимнее время можно растопить чистый снег.

Элементы нельзя переносить, трясти, иначе слои электролита перемешаются и элементы перестанут давать ток. Поэтому элементы собирай и заливай электролитом в том месте, где они будут стоять неподвижно.

Голубовато-зеленый слой электролита должен быть только в нижней части банки. Не допускай, чтобы его верхняя граница поднималась до цинка, иначе действие элемента ухудшится, а цинк станет быстро разрушаться. Если эта граница подойдет к цинку ближе, чем на б... 10 мм, то подержи электроды замкнутыми накоротко, пока граница не опустится до нужного уровня. Если же она слишком понизится, осторожно брось в элемент несколько кристалликов медного купороса.

На поверхность электролита полезно пустить несколько капель растительного или вазелинового масла, которое образует пленку, предотвращающую испарение электролита. Края банки и цинкового электрода, выстулающего над электролитом, а также выводы обоих электродов желательно смазать вазелином или салом.

Вот, собственно, те основные советы, которые надо помнить при сборке и эксплуатации самодельных медно-цинкозых источников постоянного тока.

Вернемся к батарее 3336Л. Разбирая ее элемент, ты, конечно, заметил, что внутренняя поверхность его цинкового стаканчика сильно изъедена. В нем даже кое-где есть сквозные отверстия. Догадываешься о причине? Да, ты прав: во время работы элемента цинк, вступая в химическую реакцию с электролитом, расходуется и разрушается.

А какова роль черной массы в мешочке, окружающей положительный электрод? Это деполяризатор — спрессованная смесь толченого угля, порошка графита и двуокиси марганца. Студенистая паста, заполняющая пространство между деполяризатором и стенками стаканчика, — электролит, представляющий собой раствор нашатыря с примесью крахмала или муки.

Во время работы гальванического элемента, а работает он принципиально так же, как и твои опытные элементы, выделяющийся водород соединяется с кислородом, содержащимся в двуокиси марганца, в результате чего поляризация не наступает.

Точно так же устроены и работают элементы 332, 343, 373, только их размеры и запасы энергии иные. Они могут служить до полного разрушения цинка отрицательного электрода. Обычно раньше истощается и высыхает электролит, в то время как Цинк еще мог бы поработать. Чтобы убедиться в этом, проведи такой опыт.

У одного из оставшихся элементов разобранной батареи удали картонку, закрывающую цинковый стаканчик. Подключи к электродам элемента вольтметр. Если элемент действительно полностью разряжен, то стрелка вольтметра будет стоять возле нулевой отметки шкалы. Следя за стрелкой прибора, влей в элемент немного чистой воды. Уже через несколько секунд вольтметр станет показывать напряжение, постепенно возрастающее почти до 1,5 В. Элемент «оживает»! Через одну-две минуты к нему можно подключить лампочку от круглого карманного фонаря, и ее нить слегка накалится. Значит, элемент может еще поработать.

Так многие радиолюбители продлевают «жизнь», казалось бы, совершенно бросовых гальванических элементов и батарей. Попробуй и ты таким же способом временно восстановить работоспособность отслужившей свой срок батареи 3336Л. Этот опыт тебе пригодится в будущем.

Литература:  Борисов В. Г. Практикум начинающего радиолюбителя.2-е изд., перераб. и доп. — М.: ДОСААФ, 1984. 144 с., ил. 55к.

0 2003 Для начинающих
батарея аккумулятор начинающим
кэшбек