Что такое аккумулятор?
Аккумулятор — это специальное устройство, главная задача которого заключается в накоплении энергии для её дальнейшего использования. Само название происходит от латинского слова «accumulator», что означает «собиратель» или «накопитель». Существует несколько основных типов аккумуляторов в зависимости от вида энергии, которую они запасают: электрические, гидравлические, тепловые и инерционные.
Электрические аккумуляторы
Наиболее широко распространены именно электрические аккумуляторы. Их прямое назначение — накопление электрической энергии. Конструкция такого устройства включает в себя три ключевых элемента: положительный электрод (анод), отрицательный электрод (катод) и электролит (жидкость на основе щёлочи или кислоты), в который эти электроды погружены.
Важное условие работы — электроды должны быть изготовлены из разных материалов, создавая химическое различие. Однако есть и исключения, как в случае со свинцовым аккумулятором, где изначально одинаковые электроды становятся химически различными под действием пропускаемого через них электрического тока. Именно такие аккумуляторы мы встречаем повсеместно: они обеспечивают энергией автомобили и мотоциклы, тракторы и самолёты, используются на производствах и в учебных лабораториях.
Как устроен и работает свинцовый аккумулятор?
Рассмотрим принцип действия на примере классического свинцово-кислотного аккумулятора. Его основу составляют две группы пластин из свинца, покрытые оксидом свинца. Эти пластины-электроды погружены в электролит — раствор серной кислоты.
При подключении устройства к внешнему источнику постоянного тока (процесс зарядки) на электродах начинаются химические реакции. На аноде выделяется кислород, который окисляет оксид свинца до пероксида. На катоде, напротив, выделяется водород, восстанавливающий оксид до чистого свинца. Электрическая энергия от внешнего источника тратится на эту «перестройку», преобразуясь в химическую энергию, которая запасается в аккумуляторе. В результате между электродами возникает разность потенциалов — аккумулятор становится источником тока.
Процессы в таком аккумуляторе обратимы. При разрядке концентрация серной кислоты в электролите падает, образуется больше воды. При зарядке — концентрация кислоты, наоборот, повышается. Эта обратимость реакций позволяет многократно заряжать и разряжать аккумулятор, восстанавливая его работоспособность.
Другие типы и характеристики
Помимо свинца, для создания электродов используют и другие пары металлов: кадмий-никель, железо-никель, серебро-цинк и т.д. Аккумуляторы также различаются по типу электролита — кислотные или щелочные.
Ключевой параметр любого электрического аккумулятора — его ёмкость. Она показывает, какой электрический заряд (количество энергии) полностью заряженное устройство может отдать при разрядке. Ёмкость измеряется в ампер-часах (А·ч). Один ампер-час — это заряд, который проходит через цепь при токе в 1 ампер за 1 час.
Где применяются аккумуляторы?
Область применения аккумуляторов чрезвычайно широка. Они служат автономными источниками энергии для электрокаров, перевозящих грузы на заводах, складах и вокзалах. Без них невозможно представить работу подводных лодок, где использование двигателей, требующих воздуха, исключено. В повседневной жизни аккумуляторы запускают двигатели автомобилей, питают свет при стоянке, обеспечивают работу радиоприёмников, фонариков и множества других портативных устройств.
Накопители других типов энергии
Понятие «аккумулятор» не ограничивается электричеством. Например, гигантским гидравлическим аккумулятором можно считать гидроаккумулирующую электростанцию (ГАЭС), которая запасает энергию, перекачивая воду в верхний резервуар, чтобы в часы пик снова спустить её через турбины.
Инерционные аккумуляторы накапливают кинетическую энергию во вращающихся с огромной скоростью маховиках. Такие системы, называемые маховозами, уже используются, например, в шахтном транспорте. Перспективным направлением является разработка супермаховиков, способных запасать большое количество энергии для использования на грузовом и даже легковом транспорте.
Даже обычная пружина в механических часах или резиновый жгут, раскручивающий пропеллер авиамодели, — это тоже аккумуляторы, только механической энергии. Таким образом, аккумуляторы в том или ином виде окружают нас повсюду, являясь неотъемлемой частью современной техники.