Элементы питания. Прошлое, будущее и настоящее

Из школьного учебника физики

Напряжение описывает электрический потенциал батареек, от него зависит сила, действующая на электроны в электрической цепи. Существует ещё один физический термин - электродвижущая сила, ЭДС. С другой стороны, электрический ток характеризуется количеством электронов, которое может обеспечить электрический потенциал. Электрический ток измеряется в амперах, в честь французского физика и математика Андре Мари Ампера (1775-1836). Мощность - произведение напряжения и силы электрического тока - измеряется в Ваттах, в честь шотландского инженера-изобретателя Джеймса Уатта(1736-1819).

Напряжение у батареек с одной стороны, остаётся постоянным, с другой стороны, постоянно изменяется. Попробуем объяснить эту фразу: напряжение характеризуют химические реакции, протекающие в батареях, и эти реакции не изменяются. Но кроме этого, напряжение зависит и от температурного режима, в котором работает элемент питания (в большинстве батарей при снижении рабочей температуры падает и напряжение), и от возраста батарейки (чем она старее, тем меньше напряжение), и от нагрузки (чем больше тока они расходуют, тем меньше становится напряжение).

В результате всех этих факторов, реальное напряжение может значительно отличаться от номинального. В начале своей жизни элементы питания могут давать напряжение до 1,8 вольт и могут оставаться годными к использованию, пока напряжение не упадёт до 0,8 вольт. Из-за такого широкого разброса современные устройства либо разрабатываются не чувствительными к напряжению, либо просто регулируют его, и внутренние схемы всегда получают одинаковое напряжение. Именно поэтому вы можете использовать и углецинковые (с номинальным напряжением 1,5 вольт), и никель-кадмиевые (1,2 вольта), и литиевые дисульфидные (lithium disulfide - 1,6 вольт) элементы.

В зависимости от химических реакций одинаковые элементы могут давать напряжение от доли вольта, до более чем трёх вольт. Элементы, дающее напряжение выше трёх вольт, как правило, составные. (Хотя мы и привыкли называть батарейкой любой элемент питания, с технической точки зрения термин "батарея" означает собрание нескольких отдельных электрохимических элементов.)

Из-за своего устройства, элементы питания дают ограниченный электрический ток. Теоретически, если бы химическая реакция в элементе протекала мгновенно, элемент за это время мог выработать, скажем, неограниченный ток. Но существуют факторы, ограничивающие скорость прохождения химических реакций, а, следовательно, и производимый ток. Основными факторами являются скорость реакции химических элементов, устройство элемента и площадь, на которой протекают эти химические реакции.

Соответственно, существуют и элементы, способные создавать большой ток и элементы, создающие только слабые токи. Например, ток, вырабатываемый свинцовыми аккумуляторами и никель-кадмиевыми батареями, настолько велик, что при коротком замыкании можно плавить металл и зажечь огонь! Если положить никель-кадмиевую батарейку в карман, она может замкнуться о ключи или мелочь, а при замыкании при таких высоких токах существует вероятность воспламенения. Поэтому, обычно на таких батарейках можно прочесть предупреждения.

Размер элементов питания определяет выбор химических реакций, а, следовательно, влияет и на вырабатываемый ток. Чем больше размер элемента, тем больший ток он способен выработать. Поэтому сверхмощные устройства зачастую требуют более крупных элементов. Батарейки размера "D" производят больше тока, чем батарейки размера "AA".

Все эти различные факторы можно свести к одному: на вырабатываемый ток влияет эквивалентное внутреннее сопротивление элемента. Чем оно ниже, тем выше ток.

Емкость батарейки вычисляется как количество электричества, или электрического заряда, вырабатываемого при определённых условиях полностью заряженной батарейкой. Как и с напряжением, реальный заряд батарейки изменяется в зависимости от температуры и тока разрядки.

В науке единицей измерения емкости батареек является кулон (в честь французского физика Шарля Огюстена Кулона, 1736-1806). Именно ёмкость описывает количество времени, в течение которого элемент питания способен вырабатывать определённый электрический ток. Один кулон равен одному амперу, произведённому за одну секунду. На практике же, обычно, ёмкость батареек измеряется в ампер-часах, что в 3600 раз больше кулона. Общее количество энергии батарейки вычисляется как ёмкость, умноженная на напряжение, и измеряется в ватт-часах.

Батарейки не могут хранить энергию вечность. Химические элементы в батарейках неминуемо вступают в реакцию и постепенно портятся. В результате разряжается сама батарейка. Разряд батарейки может происходить в двух формах.

Некоторые химические реакции постоянно влияют на способность элементов хранить химическую энергию. Через некоторое время элементы питания теряют заряд и превращаются в тяжелые красиво раскрашенные цилиндры. Время, в течение которого элементы сохраняют работоспособность, называется сроком годности. Срок годности определяется устройством батареек, химическими реакциями и условиями хранения. Некоторые батарейки, такие как современные литиевые, имеют срок годности, превышающий десятилетие, некоторые же портятся в считанные недели (например, цинково-воздушные - после начала эксплуатации). Плохие условия хранения - особенно высокие температуры - ускоряют разряд батареек. Если же хранить элементы питания в холодных условиях, срок их годности увеличится.

В подзаряжаемых элементах обратимые химические реакции, в результате которых создаётся электричество, протекают, даже если не использовать батарейку. Правда, скорость таких реакций невелика. Такое явление получило название саморазряда. Как и после обыкновенного разряда, батарейку можно будет просто подзарядить. Скорость такого саморазряда зависит от тех же факторов, от каких зависит и срок годности батареек. Хотя в современных батарейках основными факторами являются всё же устройство и типы химических реакций. Например, некоторые химические составы теряют до десяти процентов заряда в день, а некоторые - менее процента.

Соотношение ёмкости к весу (размеру) батарейки называют плотностью батарейки. Чем она выше, тем большее количество энергии может вырабатывать элемент определённого размера и веса, и соответственно тем больше такой элемент востребован - по крайней мере, если вам доводилось целый день носить с собой ноутбук с батарейкой, то вы поймёте. В следующей таблице представлена плотность элементов большинства химических типов для персональных компьютеров и сотовых телефонов. Плотность представлена ватт-часами на килограмм.

Далее будут рассмотрены - устройство элементов питания, углецинковые, свинцовые, никель-кадмиевые, никель-металлгидридные, литий-ионные аккумуляторы, литий полимерные и литий-железодисульфидные элементы, цинково-воздушные аккумуляторы, технологии подзарядки. А так же - системы обеспечения бесперебойного питания, питание периферийных устройств, батарейки материнских плат и т.д...