Keemilised vooluallikad - Referaat (0)

Rakvere Ametikool
Keemilised vooluallikad
Raimo Johanson
AV13
Juhendaja: Leo Nirgi
Rakvere 2014

Sisukord

Keemilised vooluallikad 3
Üldine ehitus ja talitlus 3
Tunnussuurused 4
Elektromotoorjõud 4
Nimipinge 4
Sisetakistus 4
Mahutavus 4
Energiatihedus 4
Säilimiskestus 4
Liigitus ja terminid 5
Patarei 5
Galvaanielement 5
Elektriakumulaator 6
Tesla Motors 6
Lõppsõna 7
Viited 8
Pildimaterjal 8

Keemilised vooluallikad

Keemiline vooluallikas on seade, milles elektrokeemilises reaktsioonis vabanev energia muundub vahetult elektrienergiaks.[1]

Üldine ehitus ja talitlus

Keemilise vooluallika põhiosadeks on positiivne ja negatiivneelektrood ning elektrolüüt . Elektroodi aktiivainena kasutatakse elektrokeemiliselt aktiivseid metalle ja nende keemilisi ühendeid. Elektrolüüdiks on hapete, aluste ja soolade lahused või ioonvedelikud. Keemilises vooluallikas toimuvad elektrokeemilised protsessid põhinevad redoksreaktsioonidel.
Vooluallika elemendi negatiivne elektrood on niisugusest metallist, mis elektrolüüdiga reageerides oksüdeerub. Oksüdeerumisprotsessis eralduvad metalli aatomeist elektronid, s.o negatiivse laengu kandjad . Kui ühendada vooluallika klemmidega elektritarviti, moodustub vooluring ja elektronid liiguvad välisahelas negatiivselt elektroodilt positiivsele, s.t tekib elektrivool.
Positiivsel elektroodil osalevad elektronid reduktsioonireaktsioonis. Elektrolüüdis kannavad laengut ühelt elektroodilt teisele ioonid . Elektroode eraldav separaator võib olla immutatud elektrolüüdilahusega või sisaldada tahkiselektrolüüti. Voolu tarbimisel toimib positiivne elektrood vooluallika sees katoodina ning negatiivne elektrood anoodina. Vastupidisel juhul – kui keemilise vooluallika laadimisel toimub elektrolüüsiprotsess – vahetavad katood ja anood kohad, nii et oksüdatsioon leab aset positiivsel elektroodil ja reduktsioon negatiivsel elektroodil.[1]

Tunnussuurused

Elektromotoorjõud

Elektromotoorjõud ehk avaahelapinge on koormamata elemendi klemmidevaheline pinge. [1]

Nimipinge

Nimipinge on uue elemendi klemmipinge (positiivse ja negatiivse elektroodi vaheline pinge) teatud kindla koormusvoolu korral. [1]

Sisetakistus

Sisetakistus on takistus, mida avaldavad elemendi elektroodid ja elektrolüüt teda läbivale voolule. Koormamisel jääb allika klemmipinge väiksemaks ava-ahelapingest vooluallika sisetakistusel tekkiva pingelangu võrra. Järelikult mida väiksem on vooluallika sisetakistus, seda vähem tema pinge koormamisel langeb, ja seda tugevamat voolu on element suuteline tarbijale andma. Sisetakistus suureneb elemendi säilitamisel, kasutamisel , samuti temperatuuri alanemisel. [1]

Mahutavus

Mahutavus ehk nimilaeng on elektrihulk, mida värske primaarelement (galvaanielement) või laetud aku on võimeline andma teatud kindlatel tühjendustingimustel; seda väljendatakse ampertundides (Ah). [1]

Energiatihedus

Energiatihedus ehk erienergia väljendab vooluallika energiasisaldust vatt - tundides (Wh) allika massiühiku kohta (ühik enamasti Wh/kg) või mahuühiku kohta (ühik nt Wh/dm2).[1]

Säilimiskestus

Säilimiskestus ehk säilivus on ajavahemik, mille lõppedes toatemperatuuril säilitatud primaarelemendil on alles veel 90% esialgsest mahutavusest. Säilimisaja lõpu kuu ja aasta on märgitud elemendile. Kuigi primaarelemente võib ka pikemat aega hoida toatemperatuuril, säilivad nad jahedas mõnevõrra kauem; temperatuuril üle 25 ºC kiireneb isetühjenemine tunduvalt.[1]

Liigitus ja terminid

Keemilised vooluallikad jagunevad ühekordselt ja mitmekordselt kasutatavaiks. Esimesi saab tühjendada, s.t neist energiat elektrivooluna tarbida ühekordselt (pidevalt või vaheaegadega), korduvalt kasutatavad vooluallikad on tühjendamise järel elektrivooluga laetavad; laadimisel muundub tarbitav elektrienergia aktiivainete keemiliseks energiaks. Ühekordselt kasutatav keemiline vooluallikas on tehnikaterminites väljendatuna primaarne (esmane) vooluallikas, lühemalt primaarvooluallikas ehk primaarallikas, ja laetav keemiline vooluallikas on sekundaarne (teisene) vooluallikas, lühemalt sekundaarvooluallikas ehk sekundaarallikas. Primaarvooluallika algüksus on primaarelement ja sekundaarvooluallika algüksus on sekundaarelement. Primaarelemendi kohta kasutatakse veel ka ajaloolist nimetust galvaanielement. Sekundaarelemendi tuntum nimetus on akuelement. Kaks või enam elektriliselt ühendatud elementi moodustavad patarei. Primaarelementide ühendamisel saadakse primaarpatarei. Sekundaarelementide ühendusena saadud sekundaarpatareid tuntakse rohkem akupatareina. Igapäevases keelekasutuses on välja kujunenud lühinimetused: kõiki ühekordselt kasutatavaid keemilisi vooluallikaid (seega siis ka üksikuid primaarelemente) nimetatakse patareideks (nt kellapatarei) ja laetavaid allikaid (ka mitmest elemendist koosnevaid) akudeks (nt autoaku). Mõnes seoses tähendab patarei mistahes liiki keemilist vooluallikat; nii võib seadme (taskulambi, seinakella, juhtmeta hiire ) patareitoite (s.t mitte võrgutoite) allikaks olla üks või mitu nn ümarpatareid või vastavat akut. Inglise keeles ongi battery üldiselt kasutusel selles laias tähenduses. Primaar- sekundaar -liigitus on eri keeltes samatähenduslik.[1]
Patarei
Patarei on keemiline vooluallikas, mis koosneb ühest või mitmest galvaanielemendist või akust, mis muundavad salvestatud keemilise energia elektrienergiaks. Esimese patarei leiutas 1800. aastal Alessandro Volta ning sellest ajast saadik on patareid muutunud igapäevaselt vajalikuks energiaallikaks nii kodudes kui ta tootmisettevõtetes.[7]

Galvaanielement

Galvaanielement ehk element on Luigi Galvani järgi nime saanud elektrivoolu allikas, kus toimub isevooluline keemiline reaktsioon ja sellest vabanev energia kasutatakse elektri saamiseks. Esimese galvaanielemendi ehitas 1799. aastal Luigi Galvani katsetest lähtuvalt Alessandro Volta. Galvaanielement on ühekordse kasutusega, erinevalt akust ei saa seda uuesti laadida .Tänapäeval on galvaanielementidest kasutusel põhiliselt
kuivelemendid, milles elektrolüüt on pasta kujul. kuivelemente kasutatakse patareidena
taskulampides, raadiotes, elektronkellades ja mujal. kuivelemendid on mõeldud
ühekordseks kasutamiseks. nad töötavad niikaua, kuni jätkub reageerivaid aineid.
Kuivelementide hulka kuuluvad näiteks Danielli-Jacobi, Grené, Volta ja Leclanche’i
element. Leclanche’i elemendi tööpinge on 1,5V ning tema mahutavus ja tööiga on
väikesed. Kuna sellel elemendil on suur sisetaksistus, ei saa temalt tugevat voolu.[2]
Primaarelement on keemiline vooluallikas, mis on ette nähtud ühekordseks (pidevaks või vaheaegadega) kasutamiseks. Seega ei saa primaarelemente laadida (nende elektrilaengut taastada), nagu see on võimalik sekundaarallikate ehk akude puhul. Primaarelementide hulka kuuluv leeliselement on teatavatel tingimustel küll laetav, ent selle laengu täiendamist nimetatakse siis elemendi värskendamiseks. Primaarelemente liigitatakse nende elektroodide ja elektrolüüdi materjalide järgi. Elemendi nimetuses on üldiselt esikohal negatiivse elektroodi ‒ anoodi ‒ materjal.[4]

Elektriakumulaator

Elektriakumulaator ehk elektriaku ehk aku on korduvalt laetav ja kasutatav keemiline vooluallikas elektrienergia salvestamiseks ja taaskasutamiseks. Akusse salvestataks elektrienergiat, juhtides akust läbi alalisvoolu, mille suund on vastupidine tühjendusvoolu omale. Laadimise käigus muundub akut läbiv alalisvool keemiliseks energiaks, salvestudes aku plaatidele.[3] Elektriakumulaator on sekundaarvooluallikas.[5]
Akupatarei ehk akumulaatorpatarei on ehituslikku tervikut moodustav rühm elektriliselt ühendatud ühetüübilisi elektriakumulaatoreid, et saada kõrgemat pinget või tugevamat voolu.[6]
Ühetüübilised akumulaatorid (akuelemendid) ühendatatakse:

• järjestikku ehk jadamisi kõrgema pinge saamiseks;
  
• paralleelselt ehk rööbiti tugevama voolu saamiseks;
  
• kombineeritult ehk segaühenduses – kui on tarvis suurendada nii pinget kui elektrivoolu.[6]
  

Tesla Motors

Erinevalt teistest autotootjatest, ei kasuta Tesla suuri akumulaatorielemente. Tesla kasutab tuhandeid liitium- ioon 18650 kaubanduslikke elektriakumulaatorpatareisid (vt. Pilt 1). Need on väikesed, silindrikujulised akupatareid, mida kasutatakse üldjuhul sülearvutites ja muudes tavatarbija elektroonikaseadmetes. Tesla Motors kasutab unikaalseid versioone sellest patareist, mida on disainitud silmas pidades odavamaid tootmiskulusid ja kergemat kaalu võrreldes tavaversiooniga. Hinna- ja kaaluvõit tuleneb osade ohutusfunktsioonide eemaldamisest, mis Tesla Motorsi sõnul on ebavajalikud arenenud soojusjaotussüsteemi ja paisumise eest kaitsva kemikaali tõttu. See kemikaal väidetavalt ennetab akupõlengut. Hetkel on autotootja ainuke akumulaatori tarnija Panasonic, kes on ühtlasi ka Tesla Motorsi investorfirmaks.[8]
Pilt 1

Lõppsõna

Keemilised vooluallikad on tänapäeva inimese elus väga olulisel kohal, sest need on enamus mobiilsete tehnikaseadmete funktsioneerimiseks vajalikud – alates käekella galvaanilisest patareist, lõpetades auto sekundaarallikast elektriakumulaatoriga. Referaadis on olemas enamus vajalik informatsioon, mida keemiliste vooluallikate kohta uurija peaks leidma.

Viited

Vikipeedia, Keemiline vooluallikas: http://et.wikipedia.org/wiki/Keemiline_vooluallikas

Vikipeedia, Galvaanielement: http://et.wikipedia.org/wiki/Galvaanielement

Vikipeedia, Elektriakumulaator: http://et.wikipedia.org/wiki/Elektriakumulaator

Vikipeedia, Primaarelement: http://et.wikipedia.org/wiki/Primaarelement

Vikipeedia, Sekundaarelement: http://et.wikipedia.org/wiki/Sekundaarelement

Vikipeedia, Akupatarei: http://et.wikipedia.org/wiki/Akupatare i

Vikipeedia, Patarei: http://et.wikipedia.org/wiki/Patare i

Vikipeedia, Tesla Motors: http://en.wikipedia.org/wiki/Tesla_Motors#Battery_technology

Pildimaterjal

Pilt 1: http://www.flashlightslighting.com/wp-content/uploads/2014/01/114.jpg