Spis treści:
- 1 Akumulator elektryczny – czym jest i gdzie jest wykorzystywany?
- 2 Akumulator w samochodzie
- 3 Akumulator samochodowy – podstawowa zasada działania
- 4 Co się dzieje wewnątrz akumulatora samochodowego?
- 5 Budowa akumulatora samochodowego
- 6 Jakie reakcje chemiczne zachodzą wewnątrz baterii samochodowej?
- 7 Jak akumulator samochodowy magazynuje energię?
- 8 W jaki sposób zachodzi ładowanie akumulatora w samochodzie?
Akumulator elektryczny – czym jest i gdzie jest wykorzystywany?
Akumulatory i baterie stanowią chemiczne źródła energii elektrycznej i znajdują liczne zastosowania w szeroko pojętej elektrotechnice i elektronice. W tym artykule przedstawiono ogólny zarys zasady działania akumulatorów elektrycznych na przykładzie akumulatora samochodowego.
Akumulator w samochodzie
Akumulator jest niezbędnym podzespołem do działania w większości urządzeń elektrycznych i elektronicznych, w tym prawie zawsze w instalacji elektrycznej pojazdów samochodowych. To dzięki niemu można używać oświetlenia i nawiewu podczas postoju, a także włączyć silnik.
Akumulator samochodowy – podstawowa zasada działania
Po włączeniu zapłonu i rozruchu silnika samochodowego w akumulatorze rozpoczyna się sekwencja reakcji chemicznych, w wyniku których powstaje siła elektromotoryczna. Aby utrzymać tę sekwencję, urządzenie zwane alternatorem, które jest napędzane od silnika, generuje napięcie wymuszające przepływ prądu ładującego akumulator w czasie pracy silnika.
Co się dzieje wewnątrz akumulatora samochodowego?
Standardowa bateria zawiera 12 siatek na sześciu ogniwach baterii SLI, co oznacza dwie siatki na ogniwo. Jedna z siatek składa się z ołowiu, a druga z tlenku ołowiu. W sumie bateria dostarcza napięcie ok. 12 V, a każde ogniwo generuje 2 V – ogniwa są ze sobą połączone szeregowo. Obie siatki są zanurzone w roztworze kwasu siarkowego (VI), który aktywuje reakcję między nimi. Roztwór kwasu katalizuje reakcję emisji, w wyniku której powstają jony i siarczan (VI) ołowiu (II). Jony powstałe w pierwszej reakcji reagują z drugą siatką, wydzielając wodór i siarczan ołowiu.
Elektrony pochodzące z tych reakcji wytwarzają energię elektryczną potrzebną do zasilania samochodu. Ten przepływ elektronów wokół ogniw aktywuje zaciski akumulatora, który za pośrednictwem kabli przekazuje go do całego pojazdu. Istnieje możliwość odwrócenia kierunku, jeśli alternator nie działa w celu ładowania akumulatora. Aby uniknąć rozładowania akumulatora, upewnij się, że jest ładowany podczas pracy samochodu – podczas pracy silnika napięcie na biegunach akumulatora 12 V powinno wynosić ok. 14,4 V. Twój akumulator samochodowy nie tylko emituje elektrony, które wytwarzają energię, ale także ujednolica dopływ energii elektrycznej, aby utrzymać sprawność pojazdu.
Budowa akumulatora samochodowego
Akumulator samochodowy nie przypomina ogniw stosowanych w mniejszych elektronicznych gadżetach, takich jak przenośne konsole do gier. Ma sześć innych mniejszych ogniw połączonych szeregowo. To połączenie sprawia, że energia z każdego ogniwa sumuje się, co daje napięcie 12 V, które pochodzi z każdego ogniwa (6 x 2 V), chociaż w prawidłowych obliczeniach wychodzi ok. 12,6 V dla nieobciążonego akumulatora. Zasada emisji energii pozostaje taka sama. Jednak niektóre modele mogą różnić się napięciami wyjściowymi o ułamki wolta.
Jakie reakcje chemiczne zachodzą wewnątrz baterii samochodowej?
Zwykłą metodą działania baterii w połączeniu z obwodem elektrycznym jest emitowanie elektronów. Mówiąc najprościej, elektron ma ładunek ujemny (jedyna ujemna część atomu) i odgrywa najważniejszą rolę w dostarczaniu energii. W typowym ogniwie kwasowo-ołowiowym znajdują się zaciski dodatnie i ujemne. Zacisk dodatni to tlenek ołowiu (katoda), a zacisk ujemny to element ołowiu (anoda). Katalizatorem znanym jako roztwór kwasu jest kwas siarkowy (H2SO4), który podczas pracy akumulatora tworzy siarczan ołowiu na zaciskach. Zaciski te wchodzą głęboko w roztwór kwasu siarkowego, reagując z anodą i wydzielając elektrony.
Następnie katoda wysyła te elektrony z powrotem do roztworu, aby utrzymać równowagę chemiczną. To przeniesienie elektronu jest zupełnie nową reakcją między katodą a kwasem, która różni się od pierwszej reakcji. Jeśli bateria jest rozładowana, oznacza to, że jedna z tych reakcji była niekompletna. W skrócie, wyrażając ten proces za pomocą równań reakcji chemicznych na wzorach sumarycznych, przedstawia się to następująco:
PbO2 + 4H+ + SO2– + 2e- → PbSO2 + 2H2O
Pb + SO2– → PbSO4 + 2e-
Reakcja pierwsza pochłania elektrony, podczas gdy reakcja druga oddaje elektrony.
Jak akumulator samochodowy magazynuje energię?
Szybki przepływ elektronów z zacisków uderza w silnik samochodu, sprawiając, że alternator zaczyna dostarczać elektrony. Bateria cynkowo-miedziano-solna Alessandra Volty nie odwraca tak szybko reakcji elektronowej jak bateria ołowiowo-ołowiowa H2SO4 Gastona Planté. Nadmiar generowanych elektronów trafia do roztworu, który oddaje je do zacisków w celu wytworzenia energii elektrycznej. Te sekwencje reakcji w obu kierunkach są niezawodnym źródłem mocy dla samochodów.
W jaki sposób zachodzi ładowanie akumulatora w samochodzie?
Użytkownicy będą musieli szybko naładować akumulator samochodowy, aby zapobiec jego rozładowaniu, dlatego niezbędna jest niezawodna metoda ładowania. Bez tego, gdy akumulator dostarczy energię potrzebną do uruchomienia samochodu, z pewnością zostanie trwale uszkodzony i nie będzie zdatny do dalszego użytkowania. W typowym nowoczesnym samochodzie alternator ładuje akumulator podczas pracy, ale w starszych modelach samochodów to dynamo wykonuje obowiązki ładowania. Oba są zależne od systemu napędzanego paskiem z silnika, który obraca wirnik w kablach alternatora. Wirnik pozyskuje elektrony poprzez namagnesowanie małych cząstek, gdy węgiel miedzi rysuje żelazny pierścień zaciskowy na belce.
Obracanie elektromagnesu wewnątrz cewki stojana wytwarza energię elektryczną. Przepływ elektronów jest naprzemienny. Oznacza to, że płynie do przodu i do tyłu, w zależności od kierunku wirnika. Ale dla lepszej wydajności należy go wyprostować, aby uzyskać prąd stały. Alternator wytwarza prąd przemienny, który jest zamieniany na prąd zmienny jednokierunkowy (wyprostowany) przez diody umożliwiające przepływ elektronów w kierunku zaporowym. Regulator wewnątrz alternatora zapewnia stabilizację dostarczanego napięcia. Oba urządzenia znajdują się wewnątrz lub na zewnątrz obudowy alternatora.
Gdy akumulator nie ładuje się prawidłowo, zazwyczaj na desce rozdzielczej podczas pracy silnika świeci się lampka kontrolna akumulatora – w większości przypadków przyczyną tego stanu rzeczy są zużyte szczotki węglowe, uszkodzenie pierścienia ślizgowego, awaria regulatora napięcia lub diod prostowniczych, a także zwarcia zwojowe lub przerwy w uzwojeniach wirnika lub stojana.
W takiej sytuacji dobrze jest mieć pod ręką zapasowy akumulator, aby móc bezpiecznie dojechać do najbliższego warsztatu samochodowego w celu naprawy lub wymiany alternatora. Problem z ładowaniem ujawnia się również przy zbyt wysokim napięciu ładowania, co świadczy o usterce regulatora napięcia – wówczas zalecana jest jazda z włączonym nawiewem i ogrzewaniem szyby tylnej, aby wygenerować obciążenie chroniące akumulator przed zniszczeniem.
