Электродвижущая сила аккумулятора

Можно ли по ЭДС точно судить о степени заряженности аккумулятора?

Электродвижущей силой (ЭДС) аккумулятора называется разность его электродных потенциалов, измеренная при разомкнутой внешней цепи:

Е = φ+ – φ–

где φ+ и φ– – соответственно потенциалы положительного и отрицательного электродов при разомкнутой внешней цепи.

ЭДС батареи, состоящей из n последовательно соединённых аккумуляторов:

Еб = n · Е

В свою очередь, электродный потенциал при разомкнутой цепи в общем случае состоит из равновесного электродного потенциала, характеризующего равновесное (стационарное) состояние электрода (при отсутствии переходных процессов в электрохимической системе), и потенциала поляризации.

Этот потенциал в общем случае определяется как разность между потенциалом электрода при разряде или заряде и его потенциалом в равновесном состоянии в отсутствии тока. Однако следует отметить, что состояние аккумулятора сразу после выключения зарядного или разрядного тока не является равновесным вследствие различия концентрации электролита в порах электродов и межэлектродном пространстве. Поэтому электродная поляризация сохраняется в аккумуляторе довольно длительное время и после отключения зарядного или разрядного тока и характеризует в этом случае отклонение электродного потенциала от равновесного значения за счёт переходного процесса, то есть в основном вследствие диффузионного выравнивания концентрации электролита в аккумуляторе от момента размыкания внешней цепи до установления равновесного стационарного состояния в аккумуляторе.

Химическая активность реагентов, собранных в электрохимическую систему аккумулятора, и, следовательно, изменение ЭДС аккумулятора весьма незначительно зависит от температуры. При изменении температуры от –30°С до+50°С (в рабочем диапазоне для АКБ) электродвижущая сила каждого аккумулятора в батарее изменяется всего на 0,04 В и при эксплуатации аккумуляторов им можно пренебречь.

С повышением плотности электролита ЭДС повышается. При температуре +18°С и плотности 1,28 г/см3 аккумулятор (имеется в виду одна банка) обладает ЭДС равной2,12 В. Аккумуляторная батарея из шести элементов обладает ЭДС равной 12,72 В(6 ? 2,12 В = 12,72 В).

По ЭДС нельзя точно судить о степени заряженности аккумулятора.
ЭДС разряженного аккумулятора с большей плотностью электролита будет выше, чем ЭДС заряженного аккумулятора, но имеющего меньшую плотность электролита. Величина ЭДС исправного аккумулятора зависит от плотности электролита (степени его заряженности) и изменяется от 1,92 до 2,15 В.

При эксплуатации аккумуляторных батарей путём измерения ЭДС можно обнаружить серьёзную неисправность аккумуляторной батареи (замыкание пластин в одной или нескольких банках, обрыв соединительных проводников между банками и тому подобное).

ЭДС измеряют высокоомным вольтметром (внутреннее сопротивление вольтметране менее 300 Ом/В). В ходе выполнения измерений вольтметр присоединяют к выводам аккумулятора или батареи. При этом через аккумулятор (батарею) не должен протекать зарядный или разрядный ток!

***
Электродвижущая сила (ЭДС) – скалярная физическая величина, характеризующая работу сторонних сил, то есть любых сил неэлектрического происхождения, действующих в квазистационарных цепях постоянного или переменного тока.
ЭДС так же, как и напряжение, в Международной системе единиц (СИ) измеряется в вольтах.

Эдс формула: схема, расчет, рисунок, как вычислить?

  

В разгар учебного года многим ученым деятелям требуется эдс формула для разных расчетов. Эксперименты, связанные с гальваническим элементом, так же нуждаются в информации об электродвижущей силе. Но для начинающих не так-то просто понять, что же это такое.

Формула нахождения эдс

Первым делом разберемся с определением. Что означает эта аббревиатура?

ЭДС или электродвижущая сила – это параметр характеризующий работу любых сил не электрической природы, работающих в цепях где сила тока как постоянного, так и переменного одинакова по всей длине. В сцепленном токопроводящем контуре ЭДС приравнивается работе данных сил по перемещению единого плюсового (положительного) заряда вдоль всего контура.

Ниже на рисунке представлена эдс формула.

Аст – означает работу сторонних сил в джоулях.

q это переносимый заряд в кулонах.

Сторонние силы – это силы которые выполняют разделение зарядов в источнике и в итоге образуют на его полюсах разность потенциалов.

Для этой силы единицей измерения является вольт. Обозначается в формулах она буквой «E».

Только в момент отсутствия тока в батареи, электродвижущая си-а будет равна напряжению на полюсах.

ЭДС индукции:

ЭДС индукции в контуре, имеющем N витков:

При движении:

 

Электродвижущая сила индукции в контуре, крутящемся в магнитном поле со скоростью w:

Таблица значений

Простое объяснение электродвижущей силы

Предположим, что в нашей деревне имеется водонапорная башня. Она полностью наполнена водой. Будем думать, что это обычная батарейка. Башня — это батарейка!

Вся вода будет оказывать сильное давление на дно нашей башенки. Но сильным оно будет только тогда, когда это строение полностью наполнено h3O.

В итоге чем меньше воды, тем слабее будет давление и напор струи будет меньше. Открыв кран, заметим, что каждую минуту дальность струи будет сокращаться.

В результате этого:

1. Напряжение – это сила с которой вода давит на дно. То есть давление.
2. Нулевое напряжение — это дно башни.

С батареей все аналогично.

Первым делом подключаем источник с энергией в цепь. И соответственно замыкаем ее. Например, вставляем батарею в фонарик и включаем его. Изначально заметим, что устройство горит ярко. Через некоторое время его яркость заметно понизится. То есть электродвижущая сила уменьшилась (вытекла если сравнивать с водой в башне).

Если брать в пример водонапорную башню, то ЭДС это насос качающие воду в башню постоянно. И она там никогда не заканчивается.

Эдс гальванического элемента формула

Электродвижущую силу батарейки можно вычислить двумя способами:

• Выполнить расчет с применением уравнения Нернста. Нужно будет рассчитать электродные потенциалы каждого электрода, входящего в ГЭ. Затем вычислить ЭДС по формуле .
• Посчитать ЭДС формуле Нернста для суммарной ток образующей реакции, протекающей при работе ГЭ.

Таким образом вооружившись данными формулами рассчитать электродвижущую силу батарейки будет проще.

Где используются разные виды ЭДС?

1. Пьезоэлектрическая применяется при растяжении или сжатии материала. С помощью нее изготавливают кварцевые генераторы энергии и разные датчики.
2. Химическая используется в гальванических элементах и аккумуляторах.
3. Индукционная появляется в момент пересечения проводником магнитного поля. Ее свойства применяют в трансформаторах, электрических двигателях, генераторах.
4. Термоэлектрическая образуется в момент нагрева контактов разнотипных металлов. Свое применение она нашла в холодильных установках и термопарах.
5. Фото электрическая используется для продуцирования фотоэлементов.

 

 

Загрузка…

ЭДС аккумулятора

просмотров 7 749 Google+

ЭДС аккумулятора

ЭДС аккумулятора (Электродвижущая сила) это разность электродных потенциалов при отсутствии внешней цепи. Электродный потенциал складывается из равновесного электродного потенциала. Он характеризует состояние электрода в состоянии покоя, то есть отсутствии электрохимических процессов, и потенциала поляризации, определяющемуся как разность потенциалов электрода при зарядке (разрядке) и при отсутствии цепи.

Процесс диффузии.

Благодаря процессу диффузии, выравниванию плотности электролита в полости корпуса аккумулятора и в порах активной массы пластин, электродная поляризация может сохраняться в аккумуляторе при отключении внешней цепи.

Скорость прохождения диффузии напрямую зависит от температуры электролита, чем выше температура, тем быстрее проходит процесс и может сильно отличаться по времени, от двух часов до суток. Наличие двух составляющих электродного потенциала при переходных режимах привело к разделению на равновесную и не равновесную ЭДС аккумулятора.
На равновесную ЭДС аккумулятора влияет содержание и концентрация ионов активных веществ в электролите, а так же химические и физические свойства активных веществ. Главную роль в величине ЭДС играет плотность электролита и практически не влияет на неё температура. Зависимость ЭДС от плотности можно выразить формулой:

Е = 0,84 + рГде Е – ЭДС аккумулятора (В)Р – плотность электролита приведённая к температуре 25 гр. С (г/см3)Эта формула истинна при рабочей плотности электролита в пределах 1,05 – 1,30 г/см3. ЭДС не может характеризовать степень разрежённости аккумулятора напрямую. Но если замерить его на выводах и сравнить с расчётным по плотности, то можно, с долей вероятности, судить о состоянии пластин и ёмкости.
В состоянии покоя плотность электролита в порах электродов и полости моноблока одинаковы и равны ЭДС покоя. При подключении потребителей или источника заряда, изменяется поляризация пластин и концентрация электролита в порах электродов. Это приводит к изменению ЭДС. При заряде значение ЭДС увеличивается, а при разряде уменьшается. Это связано с изменением плотности электролита, который участвует в электрохимических процессах.

ЭДС аккумулятора не равна напряжению аккумулятора которое зависит от наличия или отсутствия нагрузки на его клеммах.

admin 25/07/2011«Если Вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста выделите это место мышкой и нажмите CTRL+ENTER» «Если статья была Вам полезна, поделитесь ссылкой на неё в соцсетях»

Электрические характеристики аккумуляторных батарей | Аккумуляторные батареи

Страница 2 из 26

1.3. Основные электрические характеристики аккумуляторных батарей

Электродвижущая сила и напряжение. Электродвижущей силой (ЭДС) называется разность потенциалов положительного и отрицательного электродов аккумулятора при разомкнутой внешней цепи.
Величина ЭДС зависит, главным образом, от электродных потенциалов, т. е. от физических и химических свойств веществ, из которых изготовлены пластины и электролит, но не зависит от размеров пластин аккумулятора.
ЭДС кислотного аккумулятора зависит также от плотности электролита. Теоретически и практически установлено, что ЭДС аккумулятора с достаточной для практики точностью можно определить по формуле

Е=0,85 + g,
где g– плотность электролита при 15°С, г/см³.
Для кислотных стартерных аккумуляторов, в которых плотность электролита колеблется в пределах от 1,12 до 1,29 г/см³,  ЭДС изменяется соответственно от 1,97 до 2,14 В.
Измерить ЭДС с абсолютной точностью почти невозможно. Однако для практических целей ЭДС приблизительно и достаточно точно можно измерить вольтметром, имеющим высокое внутреннее сопротивление (не менее 1000 Ом на 1 В). При этом через вольтметр будет проходить ток незначительной величины.
Напряжением аккумулятора называется разность потенциалов положительных и отрицательных пластин при замкнутой внешней цепи, в которую включен какой-либо потребитель тока, т. е. при прохождении тока через аккумулятор. При этом показания вольтметра при измерении напряжения всегда будут меньше, чем при замере ЭДС, и эта разность будет тем больше, чем больший ток проходит через аккумулятор.
ЭДС и напряжение зависят от ряда факторов. ЭДС изменяется от плотности и температуры электролита. Напряжение в свою очередь зависит от ЭДС, величины разрядного тока (нагрузки) и внутреннего сопротивления аккумулятора.
Зависимость ЭДС аккумулятора от плотности электролита (концентрации раствора Н2SО4) приведена ниже:

Плотность электролита при 25°С,
г/см³……………………………… 1,05        1,10        1,15        1,20        1,25        1,28        1,30
Н2SО4, %……………………….. 7,44       14,72      21,68      27,68       33,8        37,4        39,7
ЭДС аккумулятора, в………. 1,906      1,960      2,005      2,048      2,095      2,125      2,144
Из этой зависимости видно, что с увеличением концентрации серной кислоты ЭДС также увеличивается. Отсюда, однако, не следует, что для получения большей ЭДС можно чрезмерно увеличивать плотность электролита. Установлено, что стартерные аккумуляторные батареи достаточно хорошо работают тогда, когда плотность электролита в них составляет 1,27 – 1,29 г/см

3.Кроме того, электролит плотностью 1,29 г/см³имеет самую низкую точку замерзания.
При изменении температуры электролита ЭДС аккумулятора также меняется. Так, с изменением температуры электролита от +20°С до -40°С ЭДС аккумулятора снижается с 2,12 до 2,096 в. В значительно большей степени с изменением температуры электролита меняется напряжение, так как оно зависит не только от ЭДС, но и от внутреннего сопротивления аккумулятора, которое с понижением температуры значительно возрастает.
Между ЭДС, напряжением, внутренним сопротивлением и величиной разрядного тока существует следующая зависимость:
U=Е-Ir,
где U – напряжение;
Е – э. д. с. аккумулятора;
I – величина разрядного тока;
r – внутреннее сопротивление аккумулятора.
Из этой формулы видно, что при постоянном значении ЭДС, измеряемой при разомкнутой цепи, напряжение аккумулятора падает по мере увеличения отдаваемого в процессе разряда тока.
Внутреннее сопротивление. Внутреннее сопротивление аккумулятора сравнительно мало, но в тех случаях, когда аккумуляторная батарея разряжается силой тока большой величины, например, при пуске двигателя стартером, внутреннее сопротивление каждого аккумулятора имеет очень существенное значение.
Внутреннее сопротивление складывается из сопротивления электролита, сепараторов и пластин. Главной составляющей является сопротивление электролита, которое изменяется с изменением температуры и концентрации серной кислоты.

Зависимость удельного сопротивления электролита плотностью 1,30 г/см³ от температуры показана ниже:

Температура, °С                            Удельное   сопротивление электролита Ом·см
+ 40                                                                             0,89
+ 25                                                                             1,28
+ 18                                                                             1,46
0                                                                             1,92

–  18                                                                            2,39
Как видно из приведенных данных, с понижением температуры электролита от +40°С до -18°С удельное сопротивление возрастает в 2,7 раза. Наименьшее значение удельного сопротивления имеет электролит плотностью 1,223 г/см³при 15°С (30%-ный раствор Н2SО4 по весу).
Вторым составляющим сопротивления в аккумуляторе является сопротивление сепараторов. Оно зависит в основном от их пористости. Сепараторы изготавливают из электроизолирующего материала, поры которого заполнены электролитом, что и обусловливает электропроводимость сепаратора.
В связи с этим можно было бы предположить, что с изменением температуры сопротивление сепаратора будет изменяться в той же пропорции, что и сопротивление электролита, но это не совсем так. Некоторые виды сепараторов, например, сепараторы из микропористого эбонита (мипора) не чувствительны к изменению температуры.
Третьим фактором, входящим в общую сумму внутреннего сопротивления элемента, служит активная масса и решетки положительных и отрицательных пластин.
Сопротивление губчатого свинца отрицательной пластины незначительно отличается от сопротивления материала решетки, в то время как сопротивление перекиси свинца положительной пластины превышает сопротивление решетки в 10000 раз. В отличие от сопротивления электролита сопротивление решетки уменьшается с понижением температуры. Но ввиду того, что сопротивление электролита во много раз больше сопротивления пластин, то уменьшение их сопротивления с понижением температуры весьма незначительно компенсирует общее снижение сопротивления электролита.
На сопротивление пластин влияет степень заряженноcти аккумуляторной батареи. В процессе разряда сопротивление пластин возрастает, так как сернокислый свинец, образующийся на положительных и отрицательных пластинах, почти не проводит электрический ток.
По сравнению с другими типами аккумуляторов кислотные аккумуляторы имеют сравнительно малое внутреннее сопротивление, что и определяет их широкое применение в качестве стартерных батарей на автомобильном транспорте.
Емкость. Емкостью аккумулятора называется количество электричества, которое может отдать полностью заряженный аккумулятор при заданном режиме разряда, температуре и конечном напряжении. Емкость измеряют в ампер-часах и определяют по формуле
C=Iptp,
где С – емкость, а·ч;
Ip – сила разрядного тока, а;
tp – время разряда, ч.
Величина емкости аккумуляторной батареи в основном определяется следующими факторами: режимом разряда (величиной разрядного тока), концентрацией электролита и температурой. Аккумуляторы при форсированных режимах разряда отдают емкость меньше, чем при разряде более длительными режимами (небольшой величиной тока).
Снижение емкости при форсированных режимах разряда происходит по следующим причинам.
В процессе разряда превращение активной массы пластин сернокислый свинец происходит не только на поверхности пластин, но и внутри них. Если разряд осуществляют током небольшой силы и медленно, то электролит успевает проникать в глубокие слои активной массы, а вода, образующаяся в результате реакции в порах, успевает смешаться с основной массой электролита. При форсированных режимах разряда концентрация серной кислоты в электролите внутри пластин значительно снижается, свежий электролит не успевает проникнуть в глубь активной массы, реакция идет в основном на поверхности пластин, так как поры закупориваются и внутрилежащие слои активной массы почти не принимают участия в реакции. При этом в результате значительного увеличения внутреннего сопротивления аккумулятора напряжение на его зажимах резко падает.
Однако после того как аккумулятор будет разряжен при форсированном режиме, после небольшого перерыва его снова можно разряжать. Это служит наглядным подтверждением того, что снижение емкости в аккумуляторе при разряде большой величиной силы тока происходит в результате неполного использования активной массы пластин.
Кроме величины разрядного тока, на емкость аккумулятора значительно влияет концентрация электролита, которая определяет потенциал пластин, электрическое сопротивление электролита и его вязкость, влияющую в свою очередь на способность проникания электролита в глубокие слои активной массы пластин.
В процессе разряда плотность электролита уменьшается и в конце разряда к активной массе пластин поступает недостаточное количество кислоты, в результате чего напряжение аккумулятора падает и дальнейший его разряд становится невозможным. Чем больше разница между концентрациями электролита, находящегося вне пластин, и электролита, находящегося в порах активной массы, тем интенсивнее происходит процесс проникновения кислоты в поры пластин. В этом отношении применение электролита с большей плотностью, казалось бы, должно увеличить емкость. Но в действительности чрезмерно большая плотность не ведет к увеличению емкости, так как увеличение плотности электролита неизбежно приводит к повышению вязкости электролита, в результате чего процесс проникновения электролита в глубину активной массы пластин ухудшается, и напряжение на зажимах аккумулятора падает.
Установлено, что наибольшую емкость имеет аккумуляторная батарея с плотностью электролита 1,27 – 1,29 г/см³.
Емкость аккумуляторной батареи зависит также от температуры. С понижением температуры емкость снижается, а с повышением увеличивается. Это объясняется тем, что с понижением температуры увеличивается вязкость электролита, в результате чего он поступает к пластинам в недостаточном количестве.
Значения вязкости электролита плотностью 1,223 г/см³ в зависимости от температуры приведены ниже:
Температура, °С………… +30        +25        +20        +10          0          – 10       – 20       – 30
Абсолютная вязкость,
пз(пуаз)………………….. 1,596     1,784     2,006    2,600    3,520    4,950     7,490    12,200
Емкость положительных и отрицательных пластин с изменением температур изменяется не в одинаковой степени. Если при обычной температуре емкость элемента лимитируется положительными пластинами, то при низких температурах – отрицательными, так как при понижении температуры емкость отрицательной пластины уменьшается в значительно большей степени, чем положительной.
В последнее время емкость аккумуляторных батарей при низких температурах удалось значительно повысить за счет применения более тонких синтетических сепараторов с высокой пористостью (до 80%) и присадок, так называемых расширителей, к активной массе отрицательных пластин, которые придают ей большую пористость.
Помимо режима разряда, концентрации электролита и температуры емкость аккумуляторной батареи зависит от срока ее службы, от срока хранения, в течение которого батарея бездействовала, от наличия вредных примесей и т. д. Емкость новой аккумуляторной батареи, поступающей в эксплуатацию, первое время (в течение гарантийного срока службы) повышается, так как происходит формирование пластин, после чего на протяжении определенного периода остается постоянной и затем начинает постепенно падать. Потеря емкости аккумуляторной батареей в конце срока службы объясняется уменьшением пористости отрицательных пластин и выпадением активной массы положительных пластин.
Если заряженная батарея продолжительное время бездействовала, то при ее разряде отданная емкость будет значительно меньше. Это объясняется естественным явлением саморазряда при бездействии батареи.

Урок 31. Лабораторная работа № 08. Измерение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока.

Лабораторная работа № 8

   Тема: «Определение электродвижущей силы и внутреннего сопротивления источника тока».

   Цель: научиться определять электродвижущую силу и внутреннее сопротивление источника электрической энергии.

   Оборудование: 1. Амперметр лабораторный;

                             2. Источник электрической энергии;

                             3. Соединительные провода,

                             4. Набор сопротивлений 2 Ом и 4 Ом;

                             5. Переключатель однополюсный; ключ.

Теория.

   Возникновение разности потенциалов на полюсах любого источника является результатом разделения в нем положительных и отрицательных зарядов. Это разделение происходит благодаря работе, совершаемой сторонними силами.

   Силы неэлектрического происхождения, действующие на свободные носители заряда со стороны источников тока, называются сторонними силами.

   При перемещении электрических зарядов по цепи постоянного тока сторонние силы, действующие внутри источников тока, совершают работу.

   Физическая величина, равная отношению работы A_ст сторонних сил при перемещении заряда q внутри источника тока к величине этого заряда, называется электродвижущей силой источника (ЭДС):

 

   ЭДС определяется работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда.

   Электродвижущая сила, как и разность потенциалов, измеряется в вольтах [В].

   Чтобы измерить ЭДС источника, надо присоединить к нему вольтметр при разомкнутой цепи.

   Источник тока является проводником и всегда имеет некоторое сопротивление, поэтому ток выделяет в нем тепло. Это сопротивление называют внутренним сопротивлением источника и обозначают r.

   Если цепь разомкнута, то работа сторонних сил превращается в потенциальную энергию источника тока. При замкнутой цепи эта потенциальная энергия расходуется на работу по перемещению зарядов во внешней цепи с сопротивлением R и во внутренней части цепи с сопротивлением r , т.е. ε = IR + Ir.

   Если цепь состоит из внешней части сопротивлением R и внутренней сопротивлением r, то,  согласно закону сохранения энергии, ЭДС источника будет равна сумме напряжений на внешнем и внутреннем участках цепи, т.к. при перемещении по замкнутой цепи заряд возвращается в исходное положение , где IR – напряжение на внешнем участке цепи, а Ir — напряжение на внутреннем участке цепи.

   Таким образом, для участка цепи, содержащего ЭДС:

   Эта формула выражает закон Ома для полной цепи: сила тока в полной цепи прямо пропорциональна электродвижущей силе источника и обратно пропорциональна сумме сопротивлений внешнего и внутреннего участков цепи.

   ε и r можно определить опытным путем.

   Часто источники электрической энергии соединяют между собой для питания цепи. Соединение источников в батарею может быть последовательным и параллельным.

   При последовательном соединении два соседних источника соединяются разноименными полюсами.

   Т.е., для последовательного соединения аккумуляторов, к ″плюсу″ электрической схемы подключают положительную клемму первого аккумулятора. К его отрицательной клемме подключают положительную клемму второго аккумулятора и т.д. Отрицательную клемму последнего аккумулятора подключают к ″минусу″ электрической схемы.

   Получившаяся при последовательном соединении аккумуляторная батарея имеет ту же емкость, что и у одиночного аккумулятора, а напряжение такой аккумуляторной батареи равно сумме напряжений входящих в нее аккумуляторов. Т.е. если аккумуляторы имеют одинаковые напряжения, то напряжение батареи равно напряжению одного аккумулятора, умноженному на количество аккумуляторов в аккумуляторной батарее.

   1. ЭДС батареи равна сумме ЭДС отдельных источников ε= ε₁ + ε₂ + ε₃

   2. Общее сопротивление батареи источников равно сумме внутренних сопротивлений отдельных источников r_{батареи}= r₁ + r₂ + r₃

Если в батарею соединены n одинаковых источников, то ЭДС батареи ε= nε_1, а сопротивление r_{батареи}= nr₁

   3. Сила тока в такой цепи по закону Ома 

   При параллельном соединении соединяют между собой все положительные и все отрицательные полюсы двух или n источников.

   Т.е., при параллельном соединении, аккумуляторы соединяют так, чтобы положительные клеммы всех аккумуляторов были подключены к одной точке электрической схемы (″плюсу″), а отрицательные клеммы всех аккумуляторов были подключены к другой точке схемы (″минусу″).

   Параллельно соединяют только источники с одинаковой ЭДС. Получившаяся при параллельном соединении аккумуляторная батарея имеет то же напряжение, что и у одиночного аккумулятора, а емкость такой аккумуляторной батареи равна сумме емкостей входящих в нее аккумуляторов. Т.е. если аккумуляторы имеют одинаковые емкости, то емкость аккумуляторной батареи равна емкости одного аккумулятора, умноженной на количество аккумуляторов в батарее.

 

1. ЭДС батареи одинаковых источников равна ЭДС одного источника. ε= ε₁= ε₂ = ε₃

2. Сопротивление батареи меньше, чем сопротивление одного источника r_{батареи}= r₁/n
3. Сила тока в такой цепи по закону Ома 

   Электрическая энергия, накопленная в аккумуляторной батарее равна сумме энергий отдельных аккумуляторов (произведению энергий отдельных аккумуляторов, если аккумуляторы одинаковые), независимо от того, как соединены аккумуляторы — параллельно или последовательно.

   Внутреннее сопротивление аккумуляторов, изготовленных по одной технологии, примерно обратно пропорционально емкости аккумулятора. Поэтому т.к.при параллельном соединении емкость аккумуляторной батареи равна сумме емкостей входящих в нее аккумуляторов, т.е увеличивается, то внутреннее сопротивление уменьшается.

Ход работы.

   1. Начертите таблицу:

№ опыта	Источник электрической энергии ВУП, В	1-й отсчет		2-й отсчет		Э.Д.С. ε , В	Внутреннее сопротивление, r , Ом
		R1, Ом	Сила тока I1 , А	R2, Ом	Сила тока I2 , А
1	1	1		2

   2. Рассмотрите  шкалу амперметра  и определите цену одного деления.
   3. Составьте электрическую цепь по схеме, изображенной на рисунке 1. Переключатель поставить в среднее положение.

Рисунок 1.

   4. Замкнуть цепь, введя меньшее сопротивление R₁. Записать величину силы тока I₁. Разомкнуть цепь.

   5. Замкнуть цепь, введя большее сопротивление R₂. Записать величину силы тока I₂. Разомкнуть цепь.

   6. Вычислить значение ЭДС и внутреннего сопротивления источника электрической энергии.

   Закон Ома для полной цепи для каждого случая:     и    

   Отсюда получим формулы для вычисления ε и r:

   

  

   7. Результаты всех измерений и вычислений запишите в таблицу.

   8. Сделайте вывод.

   9. Ответьте на контрольные вопросы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

   1. Раскройте физический смысл понятия «электродвижущая сила источника тока».

   2. Определить сопротивление внешнего участка цепи, пользуясь результатами полученных измерений и законом Ома для полной цепи.

   3. Объяснить, почему внутреннее сопротивление возрастает при последовательном соединении аккумуляторов и уменьшается при параллельном в сравнении с сопротивлением r₀ одного аккумулятора.

   4. В каком случае вольтметр, включенный на зажимы генератора, показывает ЭДС генератора и в каком случае напряжение на концах внешнего участка цепи? Можно ли это напряжение считать также и напряжением на концах внутреннего участка цепи?

Вариант выполнения измерений.

Опыт 1. Сопротивление R₁=2 Ом, сила тока I₁=1,3 А.

              Сопротивление R₂=4 Ом, сила тока I₂=0,7 А.

Репетитор-онлайн — подготовка к ЦТ

Пример 11. Шесть одинаковых резисторов по 20 Ом каждый и два конденсатора с электроемкостями 15 и 25 мкФ соединены в цепь так, как показано на рисунке. К концам участка подключают источник с ЭДС, равной 0,23 кВ, и внутренним сопротивлением 3,5 Ом. Найти разность потенциалов между обкладками второго конденсатора.

Решение. Между точками A и Б ток не протекает, так как между этими точками в схему включены конденсаторы. Для определения разности потенциалов между указанными точками упростим схему, исключив из рассмотрения участок АБ.

На рис. а показана схема упрощенной цепи.

Ток течет через резисторы R ₁, R ₂, R ₃, R ₄ и R ₆, соединенные последовательно. Общее сопротивление такой цепи:

R _общ = R ₁ + R ₂ + R ₃ + R ₄ + R ₆ = 5R,

где R ₁ = R ₂ = R ₃ = R ₄ = R ₆ = R.

Сила тока I определяется законом Ома для полной цепи:

I=ℰRобщ+r=ℰ5R+r,

где ℰ — ЭДС источника тока, ℰ = 0,23 кВ; r — внутреннее сопротивление источника тока, r = 3,5 Ом; R _общ — общее сопротивление цепи, R _общ = 5R.

Рассчитаем падение напряжения между точками А и Б.

Между точками А и Б находятся резисторы сопротивлениями R ₂, R ₃ и R ₄, соединенные между собой последовательно, как показано на рис. б.

Их общее сопротивление

R _общ1 = R ₂ + R ₃ + R ₄ = 3R.

Падение напряжения на указанных резисторах определяется формулой

U _АБ = IR _общ1,

или в явном виде, —

UАБ=3ℰR5R+r.

Между точками А и Б включена батарея конденсаторов C ₁ и C ₂, соединенных между собой последовательно, как показано на рис. в.

Их общая электроемкость

Cобщ=C1C2C1+C2,

где C ₁ — электроемкость первого конденсатора, C ₁ = 15 мкФ; C ₂ — электроемкость второго конденсатора, C ₂ = 25 мкФ.

Разность потенциалов на обкладках батареи:

Uобщ=qCобщ,

где q — заряд на обкладках каждого из конденсаторов (совпадает с зарядом батареи при последовательном соединении конденсаторов), q = = C ₁U ₁ = C ₂U ₂; U ₁ — разность потенциалов между обкладками первого конденсатора; U ₂ — разность потенциалов между обкладками второго конденсатора (искомая величина).

В явном виде разность потенциалов между обкладками конденсаторов определяется формулой

Uобщ=C2U2Cобщ=(C1+C2)U2C1.

Падение напряжения на резисторах между точками А и Б совпадает с разностью потенциалов на батарее конденсаторов, подключенной к указанным точкам:

U _АБ = U _общ.

Данное равенство, записанное в явном виде

3ℰR5R+r=(C1+C2)U2C1,

позволяет получить выражение для искомой величины:

U2=3ℰRC1(5R+r)(C1+C2).

Произведем вычисление:

U2=3⋅0,23⋅103⋅20⋅15⋅10−6(5⋅20+3,5)(15+25)⋅10−6=50 В.

Между обкладками второго конденсатора разность потенциалов составляет 50 В.

Техническое обслуживание (ТО) аккумуляторной батареи

Правила техники безопасности

Аккумуляторные батареи заполнены серной кислотой и в процессе нормального цикла заряда-разряда в них выделяются взрывоопасные газы (водород и кислород). Во избежание травмирования персонала или повреждения автомобиля неукоснительно соблюдайте следующие правила техники безопасности:

1. Перед тем как приступать к работе с любыми электрическими компонентами автомобиля, отсоедините кабель питания от минусовой клеммы аккумулятора. При отсоединенном минусовом кабеле питания все электрические цепи в автомобиле будут разомкнуты, что обеспечит предотвращение случайного замыкания любого электрического компонента на массу. Электрическая искра создает потенциальную опасность травмирования и возникновения возгорания.
2. Любые работы, связанные с аккумуляторной батареей, должны выполняться в защитных очках.
3. Для защиты от попадания серной кислоты, которой заполнена аккумуляторная батарея, на кожу используйте защитную одежду.
4. Не нарушайте указанных в процедурах технического обслуживания правил техники безопасности при обращении с оборудованием, используемым для технического обслуживания и испытания аккумуляторных батарей.
5. Категорически запрещается курить или использовать открытый огонь в непосредственной близости от аккумуляторной батареи.

Текущее обслуживание аккумуляторной батареи

Текущее техническое обслуживание аккумуляторной батареи заключается в проверке чистоты корпуса аккумуляторной батареи и, при необходимости, добавлении в нее чистой воды. Все производители аккумуляторных батарей рекомендуют использовать для этой цели дистиллированную воду, но в случае ее отсутствия можно использовать чистую питьевую воду с низким содержанием солей. Поскольку вода — это единственный расходуемый компонент аккумуляторной батареи, доливать в аккумуляторную батарею кислоту не допускается. Часть воды из электролита улетучивается в процессе заряда и разряда аккумуляторной батареи, но кислота, содержащаяся в электролите, остается в аккумуляторной батарее. Не переполняйте аккумуляторную батарею электролитом, потому что в таком случае нормальный барботаж (газообразование), возникающий в электролите в процессе работы аккумуляторной батареи, приведет к утечке электролита, вызывающей коррозию клемм аккумуляторной батареи,ее кронштейнов крепления и поддона. Аккумуляторные батареи следует заполнять электролитом до уровня примерно на полтора дюйма (3,8 см) ниже верха заливной горловины.

Контакты кабелей питания, подключаемых к аккумуляторной батарее, и клеммы самой аккумуляторной батареи необходимо осмотреть и очистить во избежание падения напряжения на них. Одной из распространенных причин того, что двигатель не заводится, является ослабление или коррозия контактов кабелей питания, подсоединенных к клеммам аккумуляторной батареи.

Рис. Сильно корродированная клемма аккумуляторной батареи

Рис. Было обнаружено, что этот кабель питания, подсоединенный к аккумуляторной батарее, сильно корродирован под изоляцией. Хотя коррозия насквозь разъела изоляцию, но оставалась незамеченной до тех пор, пока кабель не был тщательно осмотрен. Этот кабель подлежит замене

Рис. Тщательно проверьте все клеммы аккумуляторной батареи на наличие признаков коррозии. В этом автомобиле два кабеля питания присоединены к плюсовой клемме аккумуляторной батареи с помощью длинного болта. Это — распространенная причина коррозии, которая вызывает нарушение электрического пуска двигателя

Измерение ЭДС аккумуляторной батареи

Электродвижущая сила (ЭДС) — это разность потенциалов положительного и отрицательного электродов аккумулятора при разомкнутой внешней цепи.

Величина ЭДС зависит, главным образом, от электродных потенциалов, т.е. от физических и химических свойств веществ, из которых изготовлены пластины и электролит, но не зависит от размеров пластин аккумулятора. ЭДС кислотного аккумулятора зависит также от плотности электролита.

Измерение электродвижущей силы (ЭДС) аккумуляторной батареи с помощью вольтметра является простым способом определения степени ее заряженности. ЭДС аккумуляторной батареи не является показателем, который гарантирует работоспособность аккумуляторной батареи, но этот параметр полнее характеризует состояние аккумуляторной батареи, чем просто ее осмотр. Аккумуляторная батарея, которая по внешнему виду вполне работоспособна, на самом деле может оказаться не такой хорошей, как кажется.

Эта проверка называется измерением напряжения в режиме холостого хода (проверкой ЭДС) аккумуляторной батареи потому, что измерение проводится на клеммах аккумуляторной батареи без подключенной к ней нагрузки, при нулевом токе потребления.

1. Если проверка производится сразу же по окончании зарядки аккумуляторной батареи или в автомобиле по окончании поездки, перед измерением необходимо освободить аккумуляторную батарею от ЭДС поляризации. ЭДС поляризации — это повышенное, по сравнению с нормальным, напряжение, которое возникает только на поверхности аккумуляторных пластин. ЭДС поляризации быстро исчезает, когда аккумуляторная работает под нагрузкой, поэтому она не дает точной оценки степени заряженности аккумуляторной батареи.
2. Для освобождения аккумуляторной батареи от ЭДС поляризации включите фары в режим дальнего света на одну минуту, а затем, выключите их и подождите пару минут.
3. При выключенном двигателе и всем остальном электрооборудовании, при закрытых дверях (чтобы был выключен свет в салоне), подключите вольтметр к клеммам аккумуляторной батареи. Красный, плюсовой, провод вольтметра подсоедините к плюсовой клемме аккумуляторной батареи, а черный, минусовой, провод — к ее минусовой клемме.
4. Зафиксируйте показание вольтметра и сравни те его с таблицей степени заряженности аккумуляторной батареи. Приведенная ниже таблица подходит для оценки степени заряженности аккумуляторной батареи по величине ЭДС при комнатной температуре — от 70°Ф до 80°Ф (от 21 °С до 27°С).

Таблица

ЭДС аккумуляторной батареи (В)	Степень заряженности
12,6 В и выше	Заряжена на 100%
12,4	Заряжена на 75%
12,2	Заряжена на 50%
12	Заряжена на 25%
11,9 и ниже	Разряжена

Рис. Вольтметр показывает напряжение аккумуляторной батареи через одну минуту после включения фар (а). После выключения фар напряжение, измеренное на аккумуляторной батарее, быстро восстановилось до 12,6 В (б)

ПРИМЕЧАНИЕ

Если вольтметр выдает отрицательное показание, то, либо аккумуляторная батарея заряжена в обратной полярности (и тогда подлежит замене), либо вольтметр подключен к аккумуляторной батарее в обратной полярности.

Измерение напряжения аккумуляторной батареи под нагрузкой

Одним из наиболее точных способов определения работоспособности аккумуляторной батареи является измерение напряжения аккумуляторной батареи под нагрузкой. В большинстве тестеров пусковых и зарядных характеристик автомобильных аккумуляторных батарей в качестве нагрузки аккумуляторной батареи используется угольный реостат. Параметры нагрузки определяются номинальной емкостью проверяемой аккумуляторной батареи. Номинальная емкость аккумуляторной батареи характеризуется величиной пускового тока, который способна обеспечить аккумуляторная батарея при температуре 0°Ф (-18°С) в течение 30 секунд. Ранее использовалась характеристика номинальной емкости аккумуляторных батарей в ампер-часах. Измерение напряжения аккумуляторной батареи под нагрузкой производится при величине разрядного тока, равной половине номинального ССА тока аккумуляторной батареи или утроенной номинальной емкости аккумуляторной батареи в ампер-часах, но не менее 250 ампер. Измерение напряжения аккумуляторной батареи под нагрузкой производится после проверки степени ее заряженности по встроенному ареометру или путем измерения ЭДС аккумуляторной батареи. Аккумуляторная батарея должна быть заряжена не менее чем на 75%. К аккумуляторной батарее подключают соответствующую нагрузку и по истечении 15 секунд работы аккумуляторной батареи под нагрузкой фиксируют показания вольтметра при подключенной нагрузке. Если аккумуляторная батарея — хорошая, то показание вольтметра должны оставаться выше 9,6 В. Многие производители аккумуляторных батарей рекомендуют проводить измерение дважды:

• первые 15 секунд работы аккумуляторной батареи под нагрузкой используются для освобождения от ЭДС поляризации
• вторые 15 секунд — для получения более достоверной оценки состояния аккумуляторной батареи

Между первым и вторым циклом работы под нагрузкой необходимо сделать выдержку в 30 секунд, чтобы дать аккумуляторной батарее время на восстановление.

Рис. Тестер пусковых и зарядных характеристик автомобильных аккумуляторных батарей, выпущенный компанией Bear Automotive, автоматически включает проверяемую аккумуляторную батарею в режим работы под нагрузкой в течение 15 секунд — для удаления ЭДС поляризации, затем отключает нагрузку на 30 секунд для восстановления аккумуляторной батареи и снова подключает нагрузку на 15 секунд. На дисплей тестера выводится информация о состоянии аккумуляторной батареи

Рис. Тестер VAT 40 (вольтамперметр, модель 40) компании Sun Electric, подключенный к аккумуляторной батарее для испытаний под нагрузкой. Оператор с помощью регулятора тока нагрузки устанавливает по показанию амперметра величину тока разряда, равную половине номинального ССА тока аккумуляторной батареи. Аккумуляторная батарея работает под нагрузкой в течение 15 секунд и по окончании этого интервала времени напряжение аккумуляторной батареи, измеренное при подключенной нагрузке, должно быть не ниже 9,6 В

ПРИМЕЧАНИЕ

Некоторые тестеры для определения степени заряженности и работоспособности аккумуляторной батареи измеряют емкость аккумуляторной батареи. Соблюдайте процедуру проверки, установленную производителем испытательного оборудования.

Если аккумуляторная батарея не прошла испытания под нагрузкой, подзарядите ее и повторите проверку. В случае если вторая проверка закончилась неудачно, аккумуляторная батарея подлежит замене.

Зарядка аккумуляторной батареи

Если аккумуляторная батарея сильно разряжена, ее необходимо подзарядить. Зарядку аккумуляторной батареи, во избежание ее повреждения вследствие перегрева, лучше всего производить в стандартном режиме зарядки. Пояснения, касающиеся стандартного режима зарядки аккумуляторной батареи, приведены на рисунке.

Рис. Это устройство для зарядки аккумуляторных батарей отрегулировано на зарядку аккумуляторной батареи номинальным зарядным током 10 А. Зарядка аккумуляторной батареи в стандартном режиме, как на приведенной фотографии, не так сильно действует на аккумуляторную батарею, как режим ускоренной зарядки, в котором не исключается перегрев аккумуляторной батареи и коробление аккумуляторных пластин

Необходимо помнить о том, что для зарядки полностью разряженной аккумуляторной батареи может потребоваться часов восемь, а то и более. Первоначально необходимо в течение 30 минут поддерживать зарядный ток на уровне около 35 А — для того, чтобы облегчить начало процесса зарядки аккумуляторной батареи. В режиме ускоренной зарядки аккумуляторной батареи происходит ее усиленный нагрев и возрастает опасность коробления аккумуляторных пластин. В режиме ускоренной зарядки происходит также усиленное газообразование (выделение водорода и кислорода), что создает опасность для здоровья и опасность возгорания. Температура аккумуляторной батареи не должна выходить за пределы 125°Ф (52°С, аккумуляторная батарея — горячая на ощупь). Зарядку аккумуляторных батарей рекомендуется, как правило, производить зарядным током, равным 1% паспортного значения ССА-тока.

• Режим ускоренной зарядки — максимум 15 А
• Стандартный режим зарядки — максимум 5 А

Это может произойти с каждым!

Владелец автомобиля Toyota отключил аккумуляторную батарею. После подключения новой аккумуляторной батареи владелец заметил, что на приборной панели загорелась желтая лампочка сигнализации «подушка безопасности», а радиоприемник заблокировался. Владелец приобрел подержанный автомобиль у дилера и не знал секретного четырехзначного кода, необходимого для разблокирования радиоприемника. Вынужденный искать способ решения этой проблемы, он наугад попробовал ввести три разных четырехзначных числа в надежде, что одно из них подойдет. Однако после трех неудачных попыток радиоприемник полностью отключился.

Расстроенный владелец обратился к дилеру. Устранение возникшей проблемы обошлось более чем в триста долларов. Для сброса сигнализации «подушка безопасности» потребовался специальный прибор. Радиоприемник пришлось вынуть из автомобиля и отослать в другой штат, в авторизованный сервисный центр, а по возвращении заново установить в автомобиле.

Поэтому, прежде чем отключать аккумуляторную батарею, обязательно согласуйте это с владельцем автомобиля — вы должны убедиться в том, что владельцу известен секретный код включения закодированного радиоприемника, который одновременно используется в системе охраны автомобиля. Может потребоваться использование устройства резервного питания памяти радиоприемника при отключенной аккумуляторной батарее.

Рис. Вот удачная мысль. Техник сделал источник резервного питания памяти из старого аккумуляторного фонарика и кабеля с переходником к гнезду прикуривателя. Он просто подсоединил провода к выводам аккумулятора имевшегося у него аккумуляторного фонарика. Аккумулятор фонарика использовать удобней, чем обычную 9-вольтовую батарейку — на случай, если кому-то придет в голову открыть дверь автомобиля в то время, когда источник резервного питания памяти будет включен в цепь. 9-вольтовая батарейка, имеющая небольшую емкость, в этом случае быстро бы разрядилась, в то время как емкость аккумулятора фонарика достаточно велика и ее хватит на то, чтобы даже при включении освещения салона обеспечить необходимое питание памяти