Baterijas
Referāts fizikā
Rīga, 2008
Saturs
Ievads 3
Vēsture 4
Baterijas uzbūve 5
Bateriju veidi 6
• Ni-CD Baterijas
• Ni-MH Baterijas
• Li-Ion un Li-Pol Baterijas
Interesants fakts 9
Izmantotā literatūra 10
Ievads
Tā kā elektrību ne vienmēr var ražot laikā un vietā, kur tā vajadzīga, tika izstrādāta bateriju ražošana, lai nodrošinātu viegli transportējamu elektriskās enerģijas avotu. Lai arī eksistē daudzu veidu baterijas, to darbība pamatojas uz ķīmiskās enerģijas pārvēršanu elektriskajā enerģijā, kad tas ir nepieciešams. Baterijas nodrošina ar enerģiju visdažādākās ierīces un iekārtas, to skaitā ne vien rokaspulksteņus un mobilos telefonus, bet arī pavadoņus kosmosā.
Izšķir divu veidu baterijas – baterijas un akumulatorus. Stingri ņemot, tikai akumulatori ir uzlādējamas ierīces, bet baterijas paredzētas vienreizējai lietošanai. Bet arī baterijas dažreiz tiek angliski apzīmētas kā uzlādējamas ierīces (rechargeable battery).
Vēsture
Tikai nedaudz vairāk kā pirms 200 gadiem Pāvijas universitātes fizikas profesors Alesandro Volta (1745-1827) sarindoja vara, tūbas, cinka, atkal vara, tūbas, cinka utt. ripiņas stikla caurulē un uzlēja tām ieskābinātu ūdeni. Šķīdumā sākās ķīmiska reakcija, kuras rezultātā radās elektrība. Tika izgudrota pirmā elektriskā baterija jeb galvaniskais elements (līdzstrāvas avots). Tika likti pamati elektrības zinātnei. Šo Volta stabu, kā barošanas avotu izmantoja tikai pirmie telegrāfa izgudrotāji. Ilgi tam nebija liela noieta.
Tikai 1868. gadā Georgs Leklanšē izgudroja uzlabotu galvanisko elementu no cinka, ogles stienīša un mangāna dioksīda amonija hlorīda šķīdumā. Divu gadu laikā uzņēmīgais franču inženieris radīja firmu, kas saražoja 20 000 elementu, kurus ātri izpirka telegrāfa kompānijas.
Pilnveidojot Leklanšē elementu, 1888. gadā vācu pētnieks Gasners izgudroja mums zināmo sauso bateriju (piemēram, R6, AA u. c.) priekšteci, šķidro elektrolītu aizvietodams ar atbilstoša sastāva želeju.
Baterijas uzbūve
Baterija ir neliels, viegli pārvietojams elektrības avots. Kad bateriju pievieno ķēdei, tā nodrošina enerģiju, kas dzen elektronus cauri ķēdei. Baterija satur ķīmiskas vielas, kas reaģējot veido pozitīvus un negatīvus jonus.
Baterija sastāv no viena vai vairākiem galvaniskajiem elementiem – elektroķīmiskas ierīces, kas pārvērš ķīmisko enerģiju elektriskajā enerģijā. Katrā elementā divas ķīmiski aktīvas vielas, ko sauc par elektrodiem, ir atdalītas šķidrumu vai pastu, ko sauc par elektrolītu. Maza baterija parasti satur tikai vienu galvanisko elementu, bet liela un jaudīga baterija var saturēt sešus elementus.
Elementa iekšienē elektrolīts reaģē ar elektrodiem, izraisot elektronu pārvietošanos caur elektrolītu no viena elektroda uz otru. Viens elektrods kļūst pozitīvi lādēts, bet otrs – negatīvi. Elektrodi veido elementu pozitīvo un negatīvo spaili.
Bateriju veidi
Ja ir doma iegadāties jaunu telefonu vai kabatas datoru, noteikti lielākā vērība tiek pievērsta vienam no galvenajiem tā parametriem – akumulatora darbības ilgumam. Šīs faktors ir atkarīgs ne tikai no tā cik telefons vai kabatas dators ir ”ēdelīgs”, bet arī no tā, cik baterija ir jaudīga, un kāds ir baterijas tips.
Mūsdienas visos mobilajos telefonos, kabatas datoros un citās portatīvās iekārtās izmanto četrus dažādus barošanas elementus:
• niķeļa kadnija (NI-CD);
• niķeļa metālhidroksīda (Ni-MH);
• litija jonu (Li-Ion);
• litija polimēra (Li-Pol).
Pirmo divu elementu trūkums ir atmiņas efekts, kura cēlonis – īpaši virsmas lādiņi. Tos lādēšanas ierīce izprot kā papildinājumu līdz pilnai uzlādei – tādēļ pārtrauc lādēšanu. To dažkārt izdodas likvidēt ar lielas strāvas izlādi, tūdaļ gan uzlādējot ierīci no jauna. Abi pēdējie akumulatoru veidi ir dārgāki, satur indīgas substances un tālab pēc galīgas iztukšošanās būtu organizējama to atpakaļnodošana.
Ni-CD Baterijas
Tehnoloģija, kā var izgatavot niķeļa kadnija bateriju tika izveidota 1899g., bet pilnība šā veida baterija tika pilnveidota līdz 1947.gadam, tad arī tika izgatavots hermētiskais niķeļa-kadnija barošanas elements, kas plaši tiek izmantots arī mūsdienās. Vel nedaudz gadus atpakaļ varēja teikt, ka 90% pārnēsajamās aparatūras stāvēja tieši šādi akumulatori, jo pārējie nebija pietekoši attīstīti, vai ari pārāk dārgi maksāja. Iespējams, ka niķeļa kadnija baterijas vēl ilgu laiku skaitīsies pašas izdevīgākās, jo tām ir zema cena un to ilgdarbība ir pietekoši liela. Tie var strādāt lielā temperatūru diapazonā, kā arī tie ir izturīgāki par citiem. Taču tiem ir arī trūkumi, dēļ kā jaunajos mobilajos telefonos ar šāda veida akumulatori netiek komplektēti. Ka jau minēts šiem akumulatoriem ir lieli izmēri, kā arī ja tie netiek pareizi likvidēti, tie var būt kaitīgi videi.
Šos akumulatorus var pārlādēt 1000 reižu, pēc tā tie savu mūžu ir nokalpojuši. Diemžēl nepareizas lietošanas dēļ, baterija savas labās īpašības pazaudē daudz ātrā
Ni-MH Baterijas
Plašāk tiek izmantotas niķeļa matālhidroksīda baterijas. Tos var sastapt telefonos jau no 1990. gada.
Šīs baterijas daudz vieglākas par Ni-CD, kā arī mazāka izmēra. Tas nevar tik viegli sabojāt kā Ni-CD. Arī videi tās nav tik kaitīgas.
Pie trūkumiem pieskaitāms tās lielais pašizlādēšanās koeficients (no 15% nedēļā līdz 305 mēnesī). Šo bateriju nekādā gadījumā nedrīkst lādēt ilgāk par 2 dienām.
Li-Ion un Li-Pol Baterijas
Pirmie mēģinājumi radīt LI-Ion bateriju notika 1912.gadā, bet tikai 1970.gada parādījās pirmie komerciālie piedāvājumi. Diemžēl baterijas lielu atsaucību neieguva, jo nereti notika nelieli sprādzieni un ugunsgrēki Li-Ion bateriju dēļ. Uzlādēs laikā viņas karsa, kusa, kā arī notika ķīmiskas reakcijas starp to elementiem.
Mūsdienās šīs problēmas ir atrisinātas. Galvenās šīs baterijas priekšrocības, protams, ir tās neliels izmērs, svars, kā arī tās mazais pašizlādēšanās koeficients.
Galvenais tās trūkums tagad ir – augsta cena. Tas ir saistīts ar to, ka katrs baterijas elements satur atsevišķu shēmu, kas kontrolē uzlādēs procesu (strāvu, laiku, temperatūru). 90 gados LI-Ion baterijas neizturēja kalpošanas laiku ilgāk par 1-1,5 gadu. Mūsdienās šīs laiks arvien palielinās.
LI-Pol baterijas ir pašas labākas no visām, tās ir fantastiski mazas, vieglas, kā arī tās var pieņemt jebkuru formu (netradicionālu). Tādējādi telefonu var padarīt vel mazāku, jo bateriju var izveidot tā, lai tas aizņemtu visu telefonā brīvo vietu.
Trūkums ir gan tas, ka viņās nav tik daudz enerģijas, bet jaunie telefoni jau nav tik ”ēdelīgi”. Tas ir arī vēl dārgākas par LI-Ion bateriju. Dažiem telefoniem rodas problēmas ar izlādes līmeņa noteikšanu. Zinātnieki nav noskaidrojuši iemeslu. Šo bateriju nedrīkst ilgi atstāt salā, tas var galīgi sabojāt viņu.
Li-Pol akumulatorus jau izmanto mobilajos tālruņos, kas deva iespēju samazināt to masu gandrīz līdz spalvas svaram – atbilstoši 83 un 72g. Ieguvums ir arī Li-Pol akumulatoru iespējami dažādie ģeometriskie izmēri. Tagad projektētājiem nav vairs jārēķinās ar noteiktas formas tilpumu. Ir cerības, ka tuvākajā laikā ar Li-Pol akumulatoriem tiks aprīkoti arī videokameras.
Interesants fakts
Ar citrona palīdzību var radīt enerģiju, kas ir līdzīga baterijas radītajai. Ir nepieciešama tērauda papīra saspraude un misiņa piespraude. Tās ir jāiedur citronā un ar elektrības vadiņu palīdzību jāpiestiprina neliela spuldzīte, lai pārliecinātos par iznākumu. Citrona sula izraisa elektroķīmisku reakciju, kas tādā veidā liek iedegties spuldzītei.
Izmantotā literatūra
Andersone I., Kalniņa I., Nāntiņa D. Atklājumi, izgudrojumi, pieņēmumi, mīklas – Rīga: Avots, 2005.
Raits M., Reitels M. Kā darbojas lietas – Rīga: Zvaigzne ABC, 2000.
Skolēna enciklopēdija – Rīga: Zvaigzne ABC, 2000.
E-enciklopēdija – Rīga: Zvaigzne ABC, 2005.