Článok sa zameriava na princíp fungovania 1,5 V monočlánkovej batérie, pričom sa dotýka aj širších súvislostí využívania elektrickej energie, bezpečnosti pri práci s elektrickými zariadeniami a vplyvu techniky na spoločnosť.
Úvod do sveta techniky a elektrickej energie
V predmete Technika na základnej škole sa žiaci oboznamujú s pojmami ako technika, technické prostredie a technické dielo. Učia sa o pozitívnych a negatívnych dôsledkoch techniky a o významných technických objavoch a vynálezoch. Dôležitou súčasťou je aj pochopenie technologického postupu a opisu vzniku výrobku. V rámci tematického celku „Elektrická energia“ sa kladie dôraz na bezpečnosť práce a na základné elektrotechnické práce. Žiaci sa učia čítať schémy elektrických zapojení a spoznávajú základné elektroinštalačné materiály.
Princíp fungovania monočlánkovej batérie
Monoclánková batéria je jedným zo zdrojov elektrického napätia, s ktorým sa žiaci v rámci výuky o elektrickej energii oboznamujú. Princíp činnosti batérií je založený na použití ireverzibilnej chemickej reakcie dvoch kovov (alebo ich oxidov) v elektrolyte, sprevádzanej výskytom elektromotorickej sily. Podľa normy IEC sa označovanie zdrojov galvanického prúdu robí na základe zloženia elektrolytu a aktívneho kovu použitého pri ich konštrukcii.
Typy batérií
Existuje niekoľko typov okrúhlych (cylindrických) batérií:
- Soľné batérie (R): Majú katódu vyrobenú zo zinku, anódu vyrobenú z oxidu manganičitého a elektrolyt z chloridu amónneho a zinočnatého. Poskytujú napätie 1,5 voltu, majú malú kapacitu, vysoké samovybíjanie a nízku životnosť (do 2 rokov). Pri nízkych teplotách sú nefunkčné. Sú najlacnejšie s priemernými technickými špecifikáciami.
- Alkalické batérie (LR): Majú katódu zinku, anódu oxidu manganičitého a elektrolyt hydroxidu alkalického kovu. Majú napätie 1,5 voltu, zvýšenú kapacitu, nízky samovybíjanie a dlhú životnosť až 10 rokov. Zostávajú funkčné pri nízkych teplotách až do -20 stupňov.
- Lítiové batérie: Poskytujú vyššie napätie a majú dlhšiu životnosť.
- Strieborné batérie (SR): Majú katódu zinku, anódu oxidu strieborného a elektrolyt hydroxidu alkalického kovu. Majú napätie 1,55 voltov, vysokú kapacitu, malé samovybíjanie a dlhú životnosť až 10 rokov. Zostávajú funkčné pri nízkych teplotách až do -30 stupňov. Zvyčajne sa používa v hodinkách.
- Batérie so zinkovým vzduchom (PR): Majú zinkovú katódu, kyslíkovú anódu a elektrolyt hydroxidu alkalického kovu. Tieto zdroje sú najčistejšie z hľadiska životného prostredia, a preto sa často používajú v špeciálnych zdravotníckych pomôckach, majú však najkratšiu životnosť (niekoľko týždňov po otvorení balenia).
Elektrolýza a galvanické články
Pri preberaní učiva o elektrickej energii je dôležité spomenúť aj elektrolýzu a galvanické články. Elektrolýza je chemický proces, pri ktorom sa pomocou elektrického prúdu rozkladajú chemické zlúčeniny. Naopak, galvanické články využívajú chemické reakcie na výrobu elektrickej energie.
Prečítajte si tiež: Výber batérií do kúpeľne z Merkury Market
Galvanické články
Galvanické články, ktoré premieňajú chemickú energiu na elektrickú, fungujú na princípe spontánnych redoxných reakcií. Typickým príkladom je Daniellov článok, ktorý sa skladá z dvoch polčlánkov: zinkového a medeného. V zinkovom polčlánku sa zinok oxiduje na zinočnaté ióny, pričom uvoľňuje elektróny. V medenom polčlánku sa meďnaté ióny redukujú na kovovú meď, pričom prijímajú elektróny. Tieto elektróny prúdia cez vonkajší obvod, čím vzniká elektrický prúd. Dôležitou súčasťou galvanického článku je soľný mostík, ktorý umožňuje prechod iónov medzi polčlánkami a udržiava tak elektrickú neutralitu roztokov.
Akumulátory
Akumulátor je typ galvanického článku, ktorý sa dá po vybití znovu nabiť pripojením na zdroj jednosmerného elektrického napätia. Využívajú sa pri tom tzv. vratné chemické reakcie. Prvý galvanický článok zostrojil v roku 1800 Alessandro Volta. Voltov stĺp sa skladal z mnohých streidavo na seba naukladaných strieborných a zinkových doštičiek (elektródy), oddelených od seba plsťou nasiaknutou 5%-ným vodným roztokom kyseliny sírovej (elektrolyt). Daniellov článok a Voltov stĺp boli takzvané mokré články, lebo obsahovali kvapalný elektrolyt (čo je ale nevýhodou). Väčšina dnes používaných batérií sú takzvané suché články. Prvý suchý článok, ktorý bol vyrobený, je takzvaný zinkovo-uhlíkový článok. Vo vnútri článku je katóda tvorená zmesou práškového oxidu manganičitého (burelu) a práškového uhlíka. V jej strede je vložená uhlíková tyčinka. Anódu tvorí zinková nádobka, v ktorej je katóda umiestnená. Elektrolytom je vodný roztok chloridu amónneho (salmiaku), ktorý sa však nenachádza voľne v kvapalnom stave, ale je nasiaknutý do prášku katódy. Medzi katódou a anódou sa nachádza separátor v podobe pijavého papiera. Pri chemickej reakcii vybíjania sa ale vytvára ďalšia voda. Preto sa stávalo, že vybitý článok bol roztečený.
NiCd a NiMH akumulátory
V minulosti boli u nás veľmi rozšírené NiCd akumulátory v tužkovom prevedení výrobcu Batéria Slaný (výrobcu všetkých batérií pre domácnosť v ČSSR) o kapacite 450 mAh. Hoci sa jednalo nespoľahlivé články s relatívne krátkou životnosťou, aj tak ich používanie prinášalo značné úspory finančných prostriedkov oproti bežným tužkovým batériám. Ich výhodou bolo, že NiCd akumulátory boli schopné dodávať vyšší prúd po dlhšiu dobu, ako obyčajné batérie. Neskôr sa začali u nás objavovať podstatne kvalitnejšie tužkové akumulátory, ktoré boli individuálne dovážená najmä z Maďarska, kde bol spotrebiteľský trh v niektorých oblastiach podstatne lepšie zásobený. NiCd akumulátory mali kapacitu 500 mAh a vynikajúcu životnosť, v niektorých aplikáciách s odberom cca 200 mAh vydržali slúžiť až desať rokov, kedy ale ich kapacita bola pod úrovňou 50% pôvodnej hodnoty.
Veľkou výhodou NiCd akumulátorov je ich schopnosť dodávať prúd aj pri teplotách na hranici -30°C! Každá batéria aj akumulátor s klesajúcou teplotou znižuje svoju využiteľnú kapacitu, ale NiCd najlepšie odolávajú dlhodobo nízkym teplotám. Na scéne sa objavili ekologickejšie a ekonomickejšie nikelmetalhydritové akumulátory. Ich životnosť zďaleka nedosahuje životnosť zakázaných, ale vojakmi a políciou nie len na Slovensku stále používaných NiCd akumulátorov. Pri športovom využívaní a odbere veľkých prúdov klesá ich využiteľná životnosť až na púhych 30 cyklov! Dnes najrozšírenejší typ akumulátora pre domácnosť, typ AA (tužkový akumulátor) sa predáva v rôznych kapacitách medzi 2300 až 2700 mAh. Veľa sa ich používa v digitálnych fotoaparátoch. Užívateľmi udávaná životnosť býva pol roka až rok. Najmä NiMH akumulátory s udávanou kapacitou 2700 mAh vo veľkosti AA (tužková batéria) sú zákazníkmi označované za slabé.
Samovybíjanie a formátovanie akumulátorov
Samovybíjaním je označovaná vlastnosť akumulátora, keď stráca časť svojej elektrickej kapacity aj keď nedodáva prúd do spotrebiča. U NiCd akumulátorov sa samovybíjanie pohybovalo na úrovni 1 až 3% podľa typu. Rovnako NiMH akumulátory trpia efektom samovybíjania, s max. hranicou 1%, teda po mesiaci ich možno použijete, ale po troch určite nie. Dnes si môžete kúpiť tužkové (ale aj mikrotužkové - AAA) NiMH akumulátory bez efektu samovybíjania od dvoch firiem. Udávaná kapacita rozmeru AA je 2000, 2050 alebo 2100 mAh.
Prečítajte si tiež: Ako predísť vybitej batérii v aute
NiCd akumulátory sa pred prvým použitím formovali. Pri formovaní sa preto nabíja každý článok zvlášť, aby sa dosiahlo jeho plné nabitie bez ohľadu na stav nabitia ostatných článkov v sade. A bežne dostupné automatické lacné nabíjačky dokážu nabíjať NiCd alebo NiMH akumulátory len v sade po dvoch alebo štyroch článkoch a merajú teda napätie len celej sady bez ohľadu na stav jednotlivých článkov. To je tiež dôvod, prečo baterky nevydržia dlho.
Nabíjanie akumulátorov
NiCd aj NiMH akumulátory sú citlivé na teplotu. Už pri teplote nad 50°C sa začína výrazne krátiť ich životnosť v počte využiteľných nabíjacích cyklov. K prehrievaniu akumulátorov dochádza pri nabíjaní veľkým prúdom a pri ich prebíjaní. Preto kvalitné nabíjačky merajú napätie na akumulátore a keď pri nabíjaní prestane napätie rásť, je nabíjanie ukončené. Úplne najhorším spôsobom nabíjania je používanie nabíjačky s pevne nastaveným nabíjacím prúdom a pevne nastaveným časom nabíjania, najmä ak je tento prúd vyšší, ako 1/10 C (kapacity).
Ekologická likvidácia batérií
Ak sa rozhodnete svoje staré NiCd alebo NiMH akumulátory prestať používať, nevyhadzujte ich do kontajnera. Ale využite zberné nádoby v predajniach, kde takéto batérie predávajú.
Využitie elektrickej energie v praxi
Elektrická energia má široké využitie v každodennom živote. Používame ju na napájanie rôznych zariadení, ako sú napríklad:
- Osvetlenie: Baterky, lampy, žiarovky
- Domáce spotrebiče: Rýchlovarné kanvice, práčky, elektrické rúry, žehličky, mixéry, ventilátory, vysávače
- Elektronika: Digitálne fotoaparáty, tablety, notebooky, mobilné telefóny, diaľkové ovládače pre TV a HiFi veže, nástenné hodiny
- Doprava: Elektroautá, vlaky
- Priemysel: Dopravné pásy, výrobné stroje
- Zdravotníctvo: Špeciálne zdravotnícke pomôcky
Bezpečnosť pri práci s elektrickou energiou
Pri práci s elektrickou energiou je dôležité dodržiavať bezpečnostné predpisy. Odber veľkých prúdov je nebezpečný, preto je každá domácnosť vybavená ističmi, ktoré odpoja zdroj pri priveľkom odbere prúdu.
Prečítajte si tiež: Štartovacia batéria Bosch 0 092 S40 080
Elektromotory a generátory
Elektromotor je zariadenie, ktoré premieňa elektrickú energiu na mechanickú. Generátor elektrického prúdu je zariadenie, ktoré mení mechanickú prácu na elektrickú. Generátory majú takú istú (alebo veľmi podobnú) konštrukciu ako elektromotory, ibaže fungujú opačne.
Magnetizmus a elektromagnetizmus
Ľudia dlho skúmali elektrinu a magnetizmus ako dva odlišné, navzájom nesúvisiace javy. V roku 1820 dánsky vedec Hans Christian Oersted zistil, že drôt, ktorým preteká elektrický prúd, dokáže vychýliť ručičku kompasu. Z Oerstedovho pokusu nám vyplýva, že okolo každého vodiča s prúdom sa nám vytvára magnetické pole. Ak dovnútra cievky vložím predmet z magneticky mäkkého materiálu, tak magnetické pole cievky ešte viac zosilníme. Takto upravená cievka sa nazýva elektromagnet.
Zábava s magnetmi
Sila magnetov sa dá využiť aj na zábavné triky. Napríklad, pomocou silných neodýmových magnetov a mincí sa dajú vytvárať rôzne zaujímavé útvary a obrazce.