М. Боголепов.
Правильное использование аккумуляторов и, главное, правильные уход за ними и их зарядка играют важнейшую роль в смысле продолжительности службы аккумуляторов.
Сами по себе аккумуляторы представляют как бы те же гальванические элементы, так как точно так же состоят из пары электродов, погруженных в раствор; но в то время, как обычные гальванические элементы являются непосредственно производителями электрической энергии, т. е. генераторами, аккумуляторы энергии не производят, но они служат как бы резервуарами, в которых можно накоплять и запасать впрок энергию, производимую каким-либо посторонним источником энергии, т. е. динамомашиной, гальванической батареей и пр.
По этой причине казалось бы, что преимущества на стороне гальванических элементов; однако это не так, и аккумуляторы во многом по своим качествам превосходят последние. Вопервых, в них почти не расходуется никаких веществ, что весьма удешевляет их содержание, вовторых, напряжение аккумуляторов в большинстве выше обычно применяемых элементов и держится оно значительно устойчивее, втретьих, внутреннее их сопротивление весьма незначительно, ввиду чего, даже при малых своих размерах, они могут дать ток весьма большой силы, и, наконец, в четвертых, аккумуляторы дают полную возможность запасать электрическую энергию даже в больших размерах от самых слабейших генераторов, которые сами по себе не могут иметь почти никакого применения на практике.
Существующие аккумуляторы можно подразделить на две группы: аккумуляторы кислотные и аккумуляторы щелочные. Наибольшее применение на практике благодаря своей простоте, сравнительной дешевизне и более высокому напряжению, имеют аккумуляторы кислотные, со свинцовыми пластинами.
Однако в тех случаях, когда аккумуляторам приходится выдерживать сильные толчки и сотрясения, преимущества в большинстве на стороне аккумуляторов щелочных, которые обладают несколько большей прочностью; вместе с тем последние не столь страдают, по сравнению с кислотными аккумуляторами, от коротких замыканий, продолжительного пребывания в незаряженном состоянии и т. п.
Рис. 1.
Все устройство простейшего кислотного аккумулятора (Планте) заключается в том, что две одинаковые свинцовые пластины погружают в сосуд с раствором серной кислоты.
При соединении пластин аккумулятора с каким-либо генератором постоянного (но не переменного) тока, например с батареей (см. рис. 1), протекающий от батареи через аккумулятор электрический ток будет разлагать его раствор, и из него будут выделяться два газа: кислород и водород, причем кислород будет выделяться на свинцовой пластине, соединенной с положительным полюсом батареи, окисляя поверхность этой пластины, водород же — на пластине, соединенной с отрицательным полюсом батареи и частью будет поглощаться этой пластиной, частью же улетучиваться наружу; если же эта пластина покрыта окисью, то будет раскислять последнюю.
Образование окиси на поверхности одной из пластин и составляет сущность зарядки аккумулятора, причем эта пластина составляет положительный полюс аккумулятора.
Рис. 2.
Если по получении окиси, т. е. после зарядки аккумулятора, соединить его пластины помощью проводника между собою, то по этому проводнику потечет уже самостоятельный ток, но направление этого тока будет уже обратное, нежели имел зарядный ток, как то видно из рис. 2, почему та пластина аккумулятора, которая была при зарядке соединена с положительным полюсом генератора, и будет составлять положительный полюс аккумулятора.
На рис. 1 и 2 стрелками показаны направления зарядного и разрядного токов.
Процесс, происходящий при разрядке тот же, что и при зарядке, но уже в обратном порядке, а именно, раствор точно так же разлагается, с выделением кислорода и водорода, но кислород в данном случае воздействует на ту пластину, которая ранее была соединена с отрицательным полюсом генератора, и окисляет ее поверхность; водород же выделяется уже на поверхности положительной пластины, покрытой окисью, и химически соединяется с содержащимся в последней кислородом, образуя воду, поверхность же пластины до некоторой степени раскисляется.
Как только обе пластины приходят в одинаковое состояние, действие аккумулятора прекращается и он нуждается в новой зарядке.
Из сказанного понятно, что запасательная способность аккумулятора, т. е. его электрическая емкость всецело зависит от количества окиси свинца, то есть вернее, от количества содержащегося в последней кислорода. Окись, получающаяся при зарядке аккумулятора, с наивысшим содержанием кислорода, носит название перекиси свинца; при разрядке же перекись превращается уже в простую окись свинца.
На этом основании, вся забота при изготовлении аккумуляторов клонится к тому, чтобы во время зарядки можно было получить возможно большее количество перекиси. Однако, благодаря плотности свинца, образование перекиси происходит лишь на самую незначительную глубину и лишь с течением времени, благодаря многим зарядам и разрядам, окисление происходит все на большую и большую глубину.
Поэтому на практике производят процесс, называемый формованием. Заключается он в следующем: вновь изготовленный аккумулятор заряжают в каком-либо направлении, и, затем разряжают через какое-либо сопротивление, например, через лампочку (отнюдь не следует разряжать аккумулятор, замыкая его пластины на-коротко) ; после этого заряжают его вновь, но уже в обратном направлении и снова разряжают; затем снова заряжают в первоначальном направлении и т. д.
После многих десятков раз такой зарядки и разрядки, аккумулятор приобретает уже значительно большую емкость.
Так как количество образующейся перекиси всецело зависит также от поверхности пластин, то, для ее увеличения, пластины отливают с массой тонких ребер (аккумуляторы Тюдор), или, хотя бы поверхности их при помощи ножа сплошь испещряют бороздками.
Однако для того чтобы наивозможно сократить процесс формования и в то же время, при тех же размерах пластин, получить уже во много раз большую емкость, на практике почти исключительно применяются пластины в виде решоток, ячейки которых заполняются готовыми окисями свинца (аккумуляторы Фора).
Рис. 3.
Такие пластины уже во много раз превосходят по своей емкости простые свинцовые пластины, даже после продолжительного формования последних.
Следует иметь в виду, что задняя сторона положительной пластины аккумулятора принимает участие в работе в значительно меньшей мере, нежели передняя, обращенная к отрицательной пластине и, следовательно, при заряде перекись на ней образуется в значительно меньшем количестве, почему на практике и принято положительную пластинку помещать уже между двумя отрицательными, соединенными вместе, как то и видно из рис. 3.
Рис. 4.
Емкость аккумулятора приэтом увеличивается приблизительно в полтора раза. При аккумуляторах больших емкостей, для экономии места, а следовательно и для возможного уменьшения наружных сосудов, обычно применяют уже по нескольку положительных пластин, соединенных вместе, и их размещают между отрицательными, число которых всегда желательно брать на одну более (см. рис. 4).
Какой бы формы и величины ни был аккумулятор с простыми или решетчатыми свинцовыми пластинами, напряжение его в среднем составляет около 2 вольт, а потому-то для батареи накала приходится брать 2 аккумулятора, для составления же анодной батареи в 80 вольт — около 40 штук.
Соединение аккумуляторов производится последовательное, т. е. положительный полюс одного аккумулятора соединяют с отрицательным — второго, положительный полюс второго аккумулятора — с отрицательным—третьего и т. д. Общее напряжение, как и при гальванических элементах, будет равно сумме напряжений всех аккумуляторов.
Напряжение аккумуляторов довольно постоянно, тем не менее, как при зарядке, так и при разрядке в нем происходят определенные изменения.
Во время зарядки совершенно незаряженного аккумулятора, с момента соединения его с генератором тока, в нем возникает обратная электровозбудительная сила и напряжение от нуля быстро достигает до 2—2,1 вольт, затем оно во все время зарядки медленно повышается до 2,3—2,4 вольт и к концу зарядки делает скачок, быстро возрастая до 2,6—2,7 вольт.
На этом зарядка прекращается и, в дальнейшем, сколько бы ни производить таковую, проходящий ток будет расходоваться лишь на бесполезное разложение раствора, нисколько уже не увеличивая запас энергии в аккумуляторе.
При разряде первоначальное напряжение составляет около 2,4—2,3 вольт, но оно весьма быстро падает до 2,2—2,15 вольт, дальнейшее же падение совершается весьма медленно втечение всего времени разряда и постепенно доходит до 1,8—1,75 вольт, но при самом конце разряда делает скачок, в несколько минут доходя почти до нуля.
Рис. 5 и 6.
В пределах от 2,2 до 1,80 вольт и считается полезное, — рабочее напряжение аккумулятора, так как дальнейшая разрядка аккумулятора практического значения не имеет и вместе с тем, в большинстве, вредно отзывается на его пластинах.
Кривые, указанные на рис. 5 и 6, дают наглядное представление об изменениях напряжения аккумулятора при равномерных разрядке и зарядке.
Емкость аккумулятора в пределах его рабочего напряжения от 2,2 до 1,8 вольт может колебаться, в зависимости от вида пластин и их формовки, в весьма широких пределах, а среднее же можно считать при простых свинцовых пластинах около 0,005—0,01 ампер-часов на 1 кв. см площади положительных пластин, считая с двух сторон, при решетчатых же пластинах около 0,05 ампер-часов на 1 кв. см.
Что касается силы тока, даваемого аккумуляторами, то таковая даже у самых небольших аккумуляторов, вследствие малого внутреннего сопротивления, может достигнуть большой величины. Но так как при слишком сильном разрядном токе могут пострадать пластины аккумулятора, то максимальную допустимую силу разрядного тока можно принять не свыше ¹/10 емкости аккумулятора, т. е. смотря по типу пластин, от 0,0005 до 0,005 на 1 кв. см поверхности положительных пластин.
Такой же примерно величины можно допустить и силу зарядного тока.
Внутреннее сопротивление аккумуляторов всецело зависит от размеров пластин и их взаимного расстояния, при решетчатых же пластинах, — в некоторой степени и от конструкции пластин, обычно же оно выражается лишь в десятых и сотых долях ома.
Все, что сказано относительно свинцовых (кислотных) аккумуляторов, примерно относится и к щелочным аккумуляторам, но напряжение последних обычно составляет не более 1,3—1,5 вольт, внутреннее же сопротивление уже значительно выше.
В последующих статьях будут даны указания для изготовления некоторых типов аккумуляторов, а равно и все необходимые сведения по уходу за ними, зарядке и т. д.
