Источники тока, батареи, аккумуляторы

January 27, 2011 by admin Комментировать »

   

    

   Радиоприемники или усилители низкой частоты, с работой которых ты будешь знакомиться в ходе прак­тикумов, телевизоры, магнитофоны, звуковоспроизво­дящая аппаратура в кинотеатрах и многие другие ра­диотехнические устройства работают за счет потребле­ния электрической энергии из электроосветительной сети и от батареи гальванических элементов или аккуму­ляторов. Только самые простые Приемники — детектор­ные — не требуют дополнительных источников тока и работают благодаря «вылавливанию» из пространства энергии радиоволн, излучаемой антеннами радиовеща­тельных станций. Но чтобы передатчики этих станций могли излучать радиоволны, они должны непрерывно по­треблять энергию электрического тока. Короче говоря, источник тока является неотъемлемой частью радиотех­нического устройства. Именно поэтому твой первый практикум на пути знакомства с радиотехникой и будет посвящен источникам тока.

   Ты, надеюсь, уже знаешь из школьного курса физики или популярной литературы по электротехнике, что различают ток постоянный и ток переменный. При по­стоянном токе носители электрических зарядов (электро­ны) а проводнике, например в отрезке провода, вклю­ченном в электрическую цепь, или в нити лампочки на­каливания, движутся все время в одном направлении. Источниками постоянного тока могут быть, например, батареи 3336Л (их часто по старинке называют КБС) — те, что питают лампочки плоских карманных фонарей.

   При переменном же токе электроны в проводнике или в той же нити накала лампочки движутся попере­менно то в одну, то в другую сторону.

   В электроосветительной сети, питающей бытовые электроприборы, ламповые или транзисторные приемники и телевизоры, ток изменяет свое направление с частотой 50 Гц (герц — основная единица измерения ча­стоты: 1 Гц — одно полное колебание в секунду). При таком токе электроны в проводнике 50 раз в секунду движутся в одном направлении и столько же раз в об­ратном. В антеннах передатчиков, излучающих энергию радиоволн, частота питающих их переменных токов со­ставляет сотни килогерц (1 кГц =1000 Гц) и даже десят­ки мегагерц (1 МГц=1 000000 Гц или 1000 кГц).

   Электрический ток характеризуют напряжением, из­меряемым в вольтах (В), и силой, измеряембй в ампе­рах (А). Измеряют эти основные электрические пара­метры вольтметрами и амперметрами. В электрических цепях приемников и. усилителей протекают токи, чаще всего не превышающие нескольких десятков миллиам­пер (1 мА = 0,001 А). Поэтому для измерения токов ты будешь пользоваться главным образом миллиампермет­ром или даже микроамперметром (1 мкА = 0,001 мА).

   Для измерения напряжений, токов, сопротивлений участков цепей радиолюбителям чаще всего нужны аво-метры. Так называют электроизмерительный прибор, совмещающий в себе амперметр, миллиамперметр, вольтметр и омметр. Можно, например, пользоваться авометром «Школьный». Впрочем, авометр может быть и самодельным, о чем ты узнаешь в следующем прак­тикуме.

   Для опытов, иллюстрирующих принцип действия и свойства полупроводниковых диодов и транзисторов, для питания твоих первых транзисторных усилителей и приемников потребуются гальванические элементы 332, 343, 373 или батареи, составленные из гальванических элементов, например 3336Л, «Крона» (рис. 1) или акку­муляторная батарея 7Д-0,1 (цифра 7 в обозначении этой батареи говорит о том, что она состбит из семи аккумуляторов). Один свежий гальванический элемент, независимо от его размеров, развивает напряжение 1,5 В (заряженный аккумуляторный элемент — 1,2 В); бата­рея 3336Л — 4,5 В; батарея «Крона» или 7Д-0,1 — 9 В. Эти напряжения элементов и батарей обычно указыва­ются на этикетках-паспортах.

   Иногда элементы и батареи характеризуют электро­движущей силой, или сокращенно ЭДС. Это тоже на­пряжение, но развиваемое элементом или батареей без нагрузки, то есть без потребителя тока. При подключении к элементу нагрузки, например лампочки, напря­жение становится меньше, чем ЭДС.

   

   Разобраться в том, как работают источники постоян­ного тока, тебе помогут несколько опытов, проведение которых займет не больше одного вечера. Для опытов потребуются совершенно разряженная и, следовательно, неприродная для дальнейшего применения батарея 3336Л, медная проволока или пластинка Аистовой меди, поваренная (столовая) соль, немного медного купороса в кристаллах и, конечно, вольтметр постоянного тока (авометр) для измерения напряжений опытных эле­ментов. –

   Удали с батареи бумажную этикетку и защитный слой бумаги (рис. 2, а) — увидишь три ее элемента. Крайние элементы изолированы от среднего полосками картона, пропитанными парафином. Сверху элементы залиты чер­ной мастикой (смолкой). Осторожно удали ее — уви­дишь угольные стержни с медными контактными кол­пачками на концах, выступающие из цинковых стаканчи­ков. Угольные стержни — это положительные электроды элементов, а цинковые стаканчики — отрицательные.

   Как соединены между собой элементы батареи?

   Последовательно. Угольные стержни двух элементов соединены отрезками провода с цинковыми стаканчика­ми соседних элементов. К колпачку свободного стержня и свободному стаканчику крайних элементов припаяны жестяные пластинки, являющиеся выводами электродов батареи. Короткая пластинка — вывод положительного электрода, длинная — отрицательного.

   На схемах отрицательные электроды элементов или аккумуляторов обозначают короткими, положительные — более длинными черточками, а рядом ставят соответст­вующие им знаки: « — » и « + ». Одиночный гальваниче­ский элемент или аккумулятор, используемые для пита­ния прибора или радиотехнического устройства, на схе­мах обозначают латинской буквой G («же»), а батарею, составленную из элементов или аккумуляторов, буквами GB.

   Разрезав соединительные проводнички, отдели один элемент. Осторожно разрежь по длине его цинковый стаканчик (рис. 2, б). Отогнув края, увидишь мешочек, в котором находится угольный электрод. Обрати внимание на студенистую пасту, заполняющую пространство меж­ду мешочком и стенками стаканчика.

   Подогрей стаканчик и извлеки из него мешочек с угольным стержнем. Распори мешочек — увидишь чер­ную массу. Очисти от нее угольный стержень.

   О назначении угольной массы в мешочке положитель­ного электрода и студенистой пасты, отделяющей мешо­чек от стенок стаканчика отрицательного электрода, узнаешь позже. Сейчас же займись опытами. i

   В стакан или стеклянную банку из-под майонеза на­лей чистую воду комнатной температуры и раствори в ней две-три чайные ложки поваренной соли. Опусти в раствор медную пластинку или кусочек медной проволо­ки, сложенной вдвое, и цинковую пластинку, отрезанную от цинкового стаканчика разобранного элемента. У тебя получился простейший источник постоянного тока. Что­бы проверить, действует ли он, подключи к нему вольт­метр, как показано на рис. 3 (на схемах электроизмери­тельные приборы обозначают кружками с буквами РА (измеритель тока) или PU (измеритель напряжения), а выполняемые ими функции — буквами в кружках: V — вольтметр: мА — миллиамперметр: мA — микроампер-метрг и — омметр). Зажим положительного вывода вольтметра должен соединяться с медной пластинкой, зажим отрицательного вывода — с цинковой пластинкой. Между собой пластинки не должны соединяться,

   Что показывает вольтметр? Постоянное напряжение около 1В. Не отключая вольтметра, вытащи одну из пластинок из раствора соли — стрелка вольтметра тут же вернется к нулевой отметке на шкале. Опусти пластинку в раствор — вольтметр покажет то же напряжение.

   

   Таким образом элемент действует. Его медная плас­тинка является прложитель-ным электродом, цинко­вая — отрицательным, а раст­вор поваренной соли, в ко­торую погружены пластин­ки, электролитом элемента.

   Еще один эксперимент. Замени медную пластинку угольным стержнем разоб­ранного элемента батареи 3336Л. Вольтметр тоже бу­дет фиксировать напряже­ние, только, возможно, не­сколько меньшее, чем с электродом из меди, — и в ,этом случае элемент действует, а его цинковая пластин­ка остается отрицательным электродом.

   Будет ли лампочка от карманного фонаря, подклю­ченная к такому элементу, гореть?

   Нет (проверь, так ли это). Но ток через нить лампоч­ки будет все же идти, в чем можно убедиться, включив последовательно с ней миллиамперметр. Ток этот чрез­вычайно мал — всего 2…3 мА, а чтобы нить лампочки накалить, через нее надо пропускать примерно в 100 раз больший ток.

   При погружении цинковой пластинки в раствор пова­ренной соли между ними возникает химическая реакция, в результате которой на цинковой пластинке образуется излишек электронов и она заряжается отрицательно. При этом раствор соли (то есть электролит) и медная пла­стинка по отношению к цинковой заряжаются положи­тельно. В результате между пластинками-электродами элемента возникает напряжение, которое и фиксирует вольтметр. Сам же вольтметр при измерении является как бы нагрузкой элемента, потребляющей небольшой ток.

   

   Если к электродам элемента подключить лампочку накаливания или замкнуть их, то есть соединить между собой, ток потечет внутри элемента, через электролит. При этом внутри элемента начинает интенсивно выделять­ся водород, покрывающий поверхности пластинок слоем пузырьков. Это явление называют поляризацией. Слои пузырьков водорода уменьшают напряжение элемента. Из-за поля­ризации такой элемент не представ­ляет практической ценности, но благодаря своей простоте он инте­ресен как демонстрационное посо­бие.

   Практическое применение мо­жет найти другой вариант элемен­та — медно-цинковый (рис. 4). На дно стакана положи круглую плас­тинку, вырезанную из листовой ме­ди, или спираль из голой медной проволоки толщиной 1… 1,5 мм. Это — положительный электрод элемента. На его про­волочный вывод надень резиновую либо поливинилхло-ридную трубочку или оберни его изоляционной лентой. У цинкового стаканчика разобранного тобой сухого эле­мента отрежь донышко, а к оставшемуся незамкнутому цилиндру припаяй отрезки медной проволоки, которые бы удерживали этот электрод в стакане и одновремен­но служили его выводами. Это — отрицательный элект­род элемента.

   На медный электрод насыпь горкой 20…30 г медного купороса и осторожно налей в стакан раствор поварен­ной соли, используемый тобой для первого опытного элемента. Через некоторое время часть медного купо­роса растворится и образует в нижней части стакана слой жидкости голубовато-зеленого цвета. После этого опусти в раствор цинковый электрод так, чтобы его ниж­ний конец не доходил до верхней границы раствора мед­ного купороса на 10…12 мм. Закрепи его в таком поло­жении в стакане.

   Элемент готов. Чтобы привести его в действие, надо лишь замкнуть его выводы на 10…15 мин. После этого подключи к элементу лампочку от карманного электри­ческого фонаря. Лампочка горит. Нить накала светится, но тускло. Так оно и должно быть: нить накала этой лам­почки рассчитана на напряжение источника тока 2,5 В, а твой элемент развивает напряжение не более 1 В. Из­мерь это напряжение вольтметром. Чтобы лампочка све­тилась ярче, надо сделать три одинаковых элемента и соединить их последовательно. Как работает такой элемент?

   Принципиально так же, как и первый опытный Благо­даря химической реакции между цинком и раствором поваренной соли цинк приобретает отрицательный элект­рический заряд. При этом образуются пузырьки водоро­да, которые движутся к положительному электроду, но, не доходя до него, растворяются в толще раствора мед­ного купороса. Поэтому поляризация не наступает, и эле­мент работает устойчиво. Таким образом, раствор медно-ного купороса является здесь деполяризатором.

   Один такой элемент, независимо от его размеров, да-jer напряжение около 1 В. А вот сила тока, которую он может развить в электрической цепи, полностью зависит от его размеров: чем больше объем сосуда и площадь поверхностей электродов, тем больше может быть ток, создаваемый элементом в подключенной к нему нагруз­ке. Так, например, если элемент с цинковым электродом диаметром 70…75 мм собрать в пол-литровой стеклян­ной банке, от него можно получить ток до 200,..250 мА (0,2…0,25 А).

   Лучше всего для отрицательных электродов подойдет листовой цинк (не путай с оцинкованным железом) тол­щиной 0,8…1 мм. Чем он толще, тем элемент дольше бу­дет служить. Эти электроды крепи на крышках банок, защищающих электролит от пыли и сора. Для раствора поваренной соли используй дистиллированную или дож­девую воду. В зимнее время можно растопить чистый снег.

   Элементы нельзя переносить, трясти, иначе слои электролита перемешаются и элементы перестанут да­вать ток. Поэтому элементы собирай и заливай электро­литом в том месте, где они будут стоять неподвижно.

   Голубовато-зеленый слой электролита должен быть только в нижней части банки. Не допускай, чтобы его верхняя граница поднималась до цинка, иначе действие элемента ухудшится, а цинк станет быстро разрушаться. Если эта граница подойдет к цинку ближе, чем на б… 10 мм, то подержи электроды замкнутыми накоротко, пока граница не опустится до нужного уровня. Если же она слишком понизится, осторожно брось в элемент не­сколько кристалликов медного купороса.

   На поверхность электролита полезно пустить несколь­ко капель растительного или вазелинового масла, кото­рое образует пленку, предотвращающую испарение электролита. Края банки и цинкового электрода, выстулающего над электролитом, а также выводы обоих электродов желательно смазать вазелином или салом.

   Вот, собственно, те основные советы, которые надо помнить при сборке и эксплуатации самодельных медно-цинкозых источников постоянного тока.

   Вернемся к батарее 3336Л. Разбирая ее элемент, ты, конечно, заметил, что внутренняя поверхность его цинко­вого стаканчика сильно изъедена. В нем даже кое-где есть сквозные отверстия. Догадываешься о причине? Да, ты прав: во время работы элемента цинк, вступая в хи­мическую реакцию с электролитом, расходуется и раз­рушается.

   А какова роль черной массы в мешочке, окружаю­щей положительный электрод? Это деполяризатор — спрессованная смесь толченого угля, порошка графита и двуокиси марганца. Студенистая паста, заполняющая пространство между деполяризатором и стенками ста­канчика, — электролит, представляющий собой раствор нашатыря с примесью крахмала или муки.

   Во время работы гальванического элемента, а рабо­тает он принципиально так же, как и твои опытные эле­менты, выделяющийся водород соединяется с кислоро­дом, содержащимся в двуокиси марганца, в результате чего поляризация не наступает.

   Точно так же устроены и работают элементы 332, 343, 373, только их размеры и запасы энергии иные. Они мо­гут служить до полного разрушения цинка отрицательно­го электрода. Обычно раньше истощается и высыхает электролит, в то время как Цинк еще мог бы порабо­тать. Чтобы убедиться в этом, проведи такой опыт.

   У одного из оставшихся элементов разобранной бата­реи удали картонку, закрывающую цинковый стакан­чик. Подключи к электродам элемента вольтметр. Если элемент действительно полностью разряжен, то стрелка вольтметра будет стоять возле нулевой отметки шкалы. Следя за стрелкой прибора, влей в элемент немного чи­стой воды. Уже через несколько секунд вольтметр ста­нет показывать напряжение, постепенно возрастающее почти до 1,5 В. Элемент «оживает»! Через одну-две ми­нуты к нему можно подключить лампочку от круглого карманного фонаря, и ее нить слегка накалится. Значит, элемент может еще поработать.

   Так многие радиолюбители продлевают «жизнь», ка­залось бы, совершенно бросовых гальванических эле-

   ментов и батарей. Попробуй и ты таким же способом временно восстановить работоспособность отслужившей свой срок батареи 3336Л. Этот опыт тебе пригодится в будущем.

   

Литература:
Борисов В. Г. Практикум начинающего радиолюбителя.2-е изд., перераб. и доп. — М.: ДОСААФ, 1984. 144 с., ил. 55к.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты