Аккумуляторы. Статья не
закончена.
Во всех учебниках пишут о накоплении заряда в аккумуляторе. Например:
заряд аккумулятора ст55 равен 55 ампер часам. Из теории статического
электричества следует что электрический
заряд равен одному кулону, доставляемому током в 1 ампер в течении секунды. И час
работы тока аккумулятора при токе разряда один ампер численно равен прохождению 3600 Кулонов.
По сегодняшней науке в аккумуляторе заряды
различной полярности концентрируются на электродах. Точнее энергия запасена на
поверхности электродов.
Небольшое отступление.
Электролит является проводником
с изменяемым сопротивлением, и оно очень
мало, но только при разряде. Электролит
одновременно является в одну сторону хорошим проводником, а в другую плохим.
Вот уже и полупроводник
получили. При заряде сопротивление аккумулятора
несомненно меняется и мало того, падает с увеличением температуры, а это как
раз свойство полупроводимости. В тоже время при
«правильном» включении (разряд) внутреннее сопротивление аккумулятора очень
мало.
Как там с электронно-дырочной
проводимостью в электролите? На смену ей вступает ионная. Вот только ток ионов почему-то в одну
сторону. Почему в одну и выясним.
Теперь немного поразвлекаемся с законом Кулона.
Из статического
электричества известно о силе, действующей между двумя противоположными
по знаку зарядами. Правда, точечными. Еще интересно,
что электростатическое взаимодействие работает по поверхности.
Значит в заряженном полностью
аккумуляторе, то есть между
поверхностями электродов должна будет действовать неимоверная сила.
И в данном случае силу можно
просто посчитать.
F= 3600*55/расстояние 2 между
электродами в ньютонах ( LMT-2 в системе
Си 100 гр.),
а расстояние взять
Заряженный аккумулятор
целехонек.
Так что закон Кулона тут ни на иоту не работает.
И ни какого объяснения. Тут вам
и отговорка найдется, что заряд в электролите объемный. Но и что из этого
. и в объеме должна быть сила
стягивающее это дело. Сила то есть, только не проявляется. Второе объяснение
приводимое, как правило, это нейтральность атомов и молекул. И дескать сила
заключена в них самих как химическая энергия, поэтому и не проявляется.
Зато несомненно есть интересный
и некрасивый для электростатики факт, стоит замкнуть два электрода
накоротко толстой перемычкой, отодрать
ее от них воистину почти невозможно
(эффект прилипания). Вот вам и
электростатика. То же самое происходит и при электросварке - прилипание электродов.
Закон Кулона то есть, а что
дальше, в простейшем случае не работает.
Выходит, статики нет. А работает динамика. И еще выходит, что
именно обмен электроэнергией между электродами, а точнее разряд как процесс
прохождения тока есть проявление силы притяжения! Процесс динамический.
И по
закону того же Кулона, наконец проявившего себя в деле, сила притяжения
находится приблизительно в обратно квадратичной зависимости от расстояния при
условии, если ток идет электрическим разрядом, дугой!!!!!если
проводник воздух, или по очень толстому проводу(который все равно греется очень
сильно)
Нас интересует, почему, когда происходит
соединение электродов касанием двух проводов эта сила возникает почти
мгновенно. Каким образом освобождается энергия и появляется разность
потенциалов.
С электродинамической стороны,
получается, что электрическая энергия в аккумуляторе запасается не в виде
зарядов, а в виде самого вещества. В виде плотности и количества. В виде
энергии связи молекул. Любой скажет, это и так видно!
Попробуем разобраться с
химической стороной дела. А уже потом перейдем к физике.
Аккумулятор кислотный.
Свинцовый
.
Здесь ниже приводится схема
химических реакций при зарядке и
разрядке аккумулятора.
Не будем рассматривать
устройство аккумулятора. Оно общеизвестно.
Всю работу аккумулятора, прежде
всего надо рассматривать с точки зрения накопления энергии. И в первую очередь как эквивалента энергии-
массы вещества и его свойств. У Эйнштейна по иному, свойства это квадрат скорости
света, масса она сама по себе, но это к слову.
Между прочим у Фарадея, установившего законы электролиза,
m=kIt
масса равна
количеству электричества, помноженному на время с безразмерным
коэффициентом.
Все свойства массы в
электричестве!!!!!! .
Свойство инерции уже
зарыто в массе. А понятие импульса уже достаточно.
p=mv, чтоб именно его считать энергией
движущегося тела. Формулы в математике - формализм.
Давайте вместо тока
подставим импульс частиц (электронов, ну пусть это будут электроны!!!)
переносящих его энергию. и будем очень аккуратны с размерностями.
М=kmvt
(v=s/t), время сокращаем, m=kms
размерности поплыли, появился путь, но этот путь может физически
объясним. Это расстояние между электродами. Электричество перемещает массу.
Вместо расстояния можно воткнуть безразмерные координаты и формально условие
равенства станет выполнимо.
Чего-то не хватает…
Вы наверное
заметили, все таки есть неформальная
часть, волюнтаризм. Ток действует определенное время, а импульс
есть мгновенное значение силы. Интеграл от силы и значит: .
Надо подставлять
силу. F=ma.
M=kmat тогда получим M=kmv, (v=s/t), а это реальное
воплощение силы тока в массе(массе
частиц, которые двигаются), выражение массы через массу с ее инерционными
свойствами(импульс) и свойствами конкретного вещества, зависящими от данного
тока.
А механическая
сила вот тут и будет эквивалентна
силе тока. Физически!!!!!
И математически!!!
Сила тока, умноженная
на время и является импульсом!!!!!! То
есть масса пропорциональна
энергии(импульсу) электрического тока, с безразмерным коэффициентом,
определяющим свойства вещества.
http://fatyf.aiq.ru/newton.htm
Таким образом,
выявлена связь закона Ньютона с законом электролиза Фарадея.
Теперь подставим mv2/2 , собственно энергию в классической
интерпретации.
m=Ktmv2/2 сократим время, получим m=Kms2/2
t кг
м2/сек это уже физически
необъяснимо, площадь за 1/2 секунды????
Да пусть и пространство-время!!!
Точно так же физически необъясним и эйнштейновский эквивалент энергии покоя E=mc2
при размерности кг m2/сек2
Точно так же физически необъяснима
постоянная Планка. Дж сек.
1 кг·м²/сек
Да и сам джоуль 1 Дж
= 1 кг·м²/с² как единица
измерения Энергии или работы с дважды
пройденным путем, выраженным в квадрате скорости.
Выражение
M=kmv, (v=s/t), справедливо только для
одного электрода и для одного вещества, выделяемого на нем. Однако в электролизе принимает участие
молекула вещества, состоящая минимум из двух различных атомов. И второе вещество выделяется на втором
электроде. Следовательно, нельзя закон Фарадея для одного электрода считать
полностью удовлетворяющему физическому процессу. Те атомы, которые вместе с
носителем электрического тока производят перемещение через электролит,
выделяются на первом электроде, одновременно перемешивают раствор. И атомам,
выделяющимся на втором электроде необходимости в принудительном перемещении
нет. То есть нет этого ионного
тока!!!!!! Есть ток один от
положительного к отрицательному и вызванный противоток перемешивания.
Поэтому
основной закон должен выглядеть так:
M1+М2=(k1+k2)mv
Тогда,
зная время прохождения тока, расстояние между электродами, коэффициенты, и
массы веществ, полученных в результате электролиза, можно вычислить «электромагнитную массу».
Что нам
это дает: мы имеем возможность опытным путем получить достаточно точные
значения энергии связи (количество энергии эквивалентной (электромагнитной
массе») в молекулах любых веществ, разложение которых происходит при электролизе. Естественно в
опытах необходимо учитывать и побочные реакции типа электролиза самого
растворителя и электролиза примесных веществ. Необходимо при сложных реакциях(электролизе
многоатомных молекул) учитывать изменение плотности электролита. При этом
значение этой энергии мы получим в измеряемых единицах веса, килограммах. Сколько килограмм надо подвесить к атому
вещества, чтобы оторвать его от молекулы!!!!!
Данные
выводы достаточно серьезно подрывают сложившееся мнение об одинаковости
электронов как носителей электрического тока и подтверждают ранее высказанные в
статье http://fatyf.aiq.ru/ELECTRON.htm
сомнения в реальном существовании
«элементарного» электрического заряда.
Итак, при зарядке аккумулятора
энергия накапливается естественно на том электроде, где скапливается большая
масса и это логично. А большая масса при заряде скапливается именно на
принимающем, скажем пассивном электроде с двуокисью свинца. Вся остальная энергия
запасается в массе электролита, плотность которого растет по мере заряда за
счет замещения легкого водорода в серной кислоте тяжелым свинцом.
Электрод с окисью свинца,
источник по молекулярной массе, сначала (до зарядки) больше – т.е. Плюс в
массе. А принимающий электрод,
соответственно меньше – т.е. Минус в массе.
В общепринятой постановке этот электрод при заряде аккумулятора
выполняет рол катода, а принимающий роль анода.
Естественно после зарядки и последующем разряде аккумулятора все
меняется местами.
Таким образом, и направление
потока массы от плюса к минусу. Это с
точки зрения накопления массы. По окончании зарядки масса принимающего
электрода становится больше массы активного электрода – катода.
Поэтому при подключении к
нагрузке пассивный электрод становится активным – катодом, а принимающий
становится пассивным электродом – анодом.
Но обще принятое обозначение
тока от минуса к плюсу. Им и воспользуемся.
Поэтому неверно обозначение при
подключении нагрузки, которое как правило приводится в литературе (см. таблицу). Это верно только при зарядке аккумулятора.
А также и не верна запись
химической реакции, как правило, описывающей химический процесс.
Неверна потому, что не
учитывается растворитель, вода и сопутствующая реакция – электролиз воды. Не
учитывается, что реакция серной кислоты при нормальных условиях с чистым
свинцом практически не идет. Именно поэтому в качестве электродов выступает
комбинация свинцовой пластины в виде остова, ячейки которого заполняются
свинцовым глетом – окисью свинца, с которым кислота взаимодействует достаточно
активно. К тому же чистый свинец на воздухе и в контакте с кислородом мгновенно
окисляется до окиси свинца. И достучаться до чистого свинца при залитом
электролите возможно только удалив его окисную пленку.
Приведем общепринятое обозначение и направление тока
+ Зарядного минус Зарядного
Устройства подсоединяется на устройства на на минус аккумулятора
+ аккумулятора направление тока <==========
Горизонтальными линиями показан выход продуктов реакции.
СОСТАВ при первой зарядке.
PbO2 H2O H2SO4 PbO Pb
ЗАРЯД- реакция:
+++Пассивный <<------ направление тока ---- активный
Электрод-анод электрод-катод
Схема реакции при зарядке.
На первом этапе происходит взаимодействие кислоты с окисью свинца.
2H2 SO4 +
2PbO = 2Pb
SO4 + 2H2+ O2
Кислород и водород растворяются
в воде.
Растворенная соль, молекула
кислорода и молекулы водорода под действием тока двигаются к аноду, где с
запозданием происходит реакция с осаждением двуокиси свинца на электроде и
восстановлением кислоты.
Pb SO4 +2H2 + O2= PbO2 + H2
SO4 +H2
в растворе остается
молекула водорода, который накапливается
в растворе и при насыщении начинает блокировать катод и мешает течению реакции.
Сегодня это называют поляризацией электрода и борются с ней добавлением специальных реагентов, связывающих водород.
При реакции происходит постоянное
перемешивание раствора за счет потока молекул от катода к аноду.
Процесс продолжается до той поры
пока не оголится весь свинец.
После того как исчерпается окись свинца, начинается вяло
текущий процесс окисления свинца и бурное выделение водорода у электрода за
счет ускорения реакции разложения воды.
Процесс зарядки на этом не прекращается,
но течет гораздо медленнее.
Создается избыток водорода.
Электролит начинает кипеть (водородом).
Как правило, начиная с кипения процесс
зарядки прекращают.
Сульфатация начинается уже при зарядке аккумулятора, причем
суммарная молекулярная масса соли растет быстрее, чем падает суммарная
молекулярная масса кислоты. Плотность электролита растет.
Полная реакция заряда на
активном и пассивном электродах
Основная реакция
Активный электрод-катод пассивный -анод
( 2H2SO4 +2Pb O = 2Pb SO4+ 2H2+ O2)
=== (Pb
SO4 +O2+ 2H2 = H2SO4 + H2+PbO2
)
Дополнительная реакция в конце
процесса
активный электрод-анод
(2H2O= 2H2+ O2)
== (2Pb+ O2= 2PbO) ===2H2
Красным цветом показан активный
электрод, зеленым - растворенный
водород-поляризатор катода, синим
пассивный электрод, оранжевый - водород при кипении.
Вообще здесь нет ни слова о
диссоциации молекул вещества. Ее по жизни нет и быть не может. Это бы означало
разрушение молекул, а этого не происходит, так как без воды молекулы не перестают оставаться быть молекулами, например, именно серной
кислоты.
Ионная теория никак не может
объяснить, почему с водой есть
положительные и отрицательные ионы, а
вот без воды… и ни туды
и ни сюды. И уже ионные кристаллы. Еще можно сказать,
что нет таких молекул – SO4 .
небольшое отступление, есть кислая и щелочная реакция определяемая
тестом Ph.
Рассмотрим образование под действием тока оксония , молекулы
с тремя атомами водорода H3O
Это очень неустойчивое
соединение, если соединение в смысле химии вообще. В свободном виде не
существует, но под действием тока имеем
кислую реакцию, то есть просто происходит рост активности кислорода. Это
объясняет и плохую растворимость водорода в воде. Опять же окислитель кислород,
а не водород. И никак концентрация ионов водорода не может определять кислую
реакцию.
HCl + H2O = H3O + Cl такая запись определяет кислую реакцию т.к. хлор
окислитель
NH3 + H2O = NH4
+ OH а такая запись –
щелочную, поскольку нет в растворе окислителя
А в популярной химической библиотеке
в статье «Водород» с точностью до наоборот. Выходит при разбавлении водой
кислота или щелочь теряет свои свойства.
Продолжим.
Разряд.
Что необходимо для начала реакции, замкнуть контакты.
Замыкая контакты, мы автоматически получаем контактную разницу потенциалов
веществ, участвующих в реакции. Вся энергия, накопленная в результате зарядки
аккумулятора, в конечном итоге,
выражается в разнице плотностей соединений, участвующих в деле. И ток пойдет в
сторону от соединения с большей плотностью (от активного электрода и совместно
с ним растворенной в воде соли) к соединению с меньшей плотностью (пассивному
электроду). То есть надо суммировать удельную плотность электролита и удельную
плотность активного электрода. А
сопротивление электролита току не дает разряжаться внутри.
Исходные вещества:
Pb O2 H2O Pb SO4 H2 SO4 PbO Pb
Что необходимо, чтобы обеспечить
быстрый разряд аккумулятора? Необходимым условием является быстрота химической
реакции, которая может быть обеспечена только избытком окислителя в электролите
и его лавинообразное накопления из-за роста силы тока.
Первая реакция на активном
электроде образование перекиси водорода и сернокислого свинца переходящего в
раствор.
Pb O2 +H2 SO4=
Pb SO4+ (H2 +
O2 )
либо кислород и водород растворяется в воде полностью, что для
водорода проблематично из-за его плохой растворимости..
Вторая реакция на активном
электроде это разложение воды. Данная реакция начинается не сразу, а по мере
роста силы тока с нарастанием интенсивности.
2H2O = H2 + O2
Реакция на втором электроде восстановление кислоты и осаждение свинца.
(H2 +O2 ) + Pb
SO4 = H2 SO4 + Pb + O2
остаток H2 2O2 в электролите
на втором электроде
губчатый свинец оседает на аноде
и восстановление кислоты
H2 +Pb
SO4= Pb
+H2 SO4
2O2+
4Pb= 4Pb O образование окиси свинца
Резко падает плотность
электролита
Официальная версия падения
плотности это расходование кислоты. Как
видно из данной реакции кислота никуда не пропадает. А происходит даже ее
восстановление. Но на один цикл расходуется только одна молекула
Pb SO4
а синтезируется аж 6 (шесть компонент электрода), что обеспечивает
такую высокую скорость разряда, причем при заряде на один компонент пассивного
электрода расходуется только одна молекула Pb SO4
Вывод: на каждый цикл получается
по одной лишней и не участвующей в дальнейшей работе молекуле сульфата свинца.
Этим и объясняется сульфатация пластин аккумулятора, выпадение соли в виде
осадка. А точнее перенасыщение солью электролита. В результате этого выпадения
плотность электролита падает. А электроды покрываются солью, которая уже не
растворяется.
А концентрация кислоты остается
на прежнем уровне.
При разряде происходит расход
воды.
Официаьная версия роста плотности электролита при
заряде это расход воды на реакцию и образование кислоты. Но как мы видим, рост
плотности происходит по причине образования сульфата свинца. А вода начинает расходоваться только на
конечном этапе, когда аккумулятор практически заряжен и его выключают.
Большой недостаток – потеря воды
при электролизе на зарядке и на разрядке.
Недостаток – сульфатация
электрода, что препятствует операции зарядки. Хороший способ избавиться от
засорения электрода – залив нового электролита или долив и полная разрядка.
Явление
поляризации – водород на PbO электроде при зарядке – добавление
марганцовки или двухромовокислого калия в электролит.
Остальные виды аккумуляторов мы
пока рассматривать не будем.
Есть несколько рекомендаций.
Поскольку после зарядки вся
масса переносимого вещества в процессе скапливается на принимающем электроде,
который в дальнейшем используется в качестве минусового электрода аккумулятора,
то потенциал (потенциальная энергия) этого электрода выше чем электрода,
который потом используется в качестве плюсового зажима батареи.
Поэтому при контакте с любой более или менее
проводящей средой появляется ток утечки или ток замыкания через среду и
аккумулятор начинает разряжаться.
Совет первый, если аккумулятор не
используется, то необходимо тщательно изолировать его выводы от контакта с
окружающей средой.
Особенно это касается влажного
воздуха или воздуха насыщенного испарениями, проводящими электрический
ток.
Самый простейший способ, это отключения
аккумулятора от сетевых проводов. Это уменьшает поверхность контакта со средой
до минимума. Далее следует надеть на клеммы аккумулятора изолирующие колпаки
для исключения доступа к контактам воздуха или воды.
Совет второй. Всем известно, какая коррозия
разъедает автомобили и прочие устройства, использующие в качестве источников
электричества аккумуляторы. И сколько антикоррозийных примочек только не
используется. А дело как раз в том, что на корпус всегда сажают минусовую
клемму аккумулятора, то есть электрод с большей массой и потенциалом. Тем самым
многократно увеличивая площадь его контакта с окружающей средой. Тем самым
увеличиваются токи, замыкающиеся через среду с плюсовым выводом.
А токи эти ведут к воздушному электролизу,
то есть на контакте металл воздух начинает идти электролиз например воды (влаги)
электролиз соединений попавших на металл и находящихся в воздухе. Таким
образом, металл вовлекается в химические реакции и ,например, окисляется если в
данной точке происходит разложение молекул воды.
Это
заметно видно на самом аккумуляторе, на минусовой клемме которого
постоянно присутствует белый налет. Это и есть результат электролиза. Соли
прореагировавших компонентов реакции. В основном это соли свинца контакта.
Рекомендуется просто поменять полярность
подключения корпуса и изменить полярность подключения приборов и устройств и
пользоваться этим постоянно.
Тогда вместо коррозии можно получить и
обратный эффект. Но это не исключает мер приведенных в первой рекомендации.
Совет третий: не стоит заземлять корпус, если он подключен
к любой из клемм аккумулятора, по крайней мере, если это не вызвано
необходимостью.
Фатьянов А.В. СПб
11.03.2006 3.11.2010 fatyalink@mail.ru
Добавка вместо воды дистиллированной в
электролит перекиси водорода
Увеличивает окислительную способность
электролита(синтезируется надсерная кислота с лишним
атомом кислорода, при разложении один атом лишний быстрее окисляет оголившийся
свинец при окислении окиси свинца, после
чего восстанавливается серная кислота
и опять реагирующая с «новой»
окисью свинца, при этом образуется
лишняя молекула воды, а не выкипает водород.
То есть предотвращается потеря воды и
вместе с тем убивается сульфатация электрода. И вообще накопление соли…а и
скорость зарядки увеличивается…
То есть фактически не надо все глетом
забивать…
Разложение диоксида свинца: 600 градусов нагреванием….равносильно
замыканию контактов заряженного аккумулятора…
Фатьянов А.В. Спб
