Номер 422, страница 66 - гдз по физике 8 класс сборник вопросов и задач Марон, Марон

Электрические явления. Электрический ток. Электрические цепи - номер 422, страница 66.

Условие.

► 422. Выясните, какие виды аккумуляторов используются в автомобилях, мотоциклах, сотовых телефонах, плеерах. Как они устроены и действуют?

Решение.

Аккумуляторы в автомобилях и мотоциклах

В автомобилях и мотоциклах с двигателями внутреннего сгорания преимущественно используются свинцово-кислотные аккумуляторы. Они служат для запуска двигателя (стартерные батареи) и питания бортовой электросети при неработающем двигателе.

Устройство:

Свинцово-кислотный аккумулятор состоит из шести последовательно соединенных ячеек (банок), каждая из которых создает напряжение около 2,1 В. Общее напряжение аккумулятора составляет примерно 12,6 В. Каждая ячейка включает в себя:

- Положительные пластины, активным веществом которых является диоксид свинца ($PbO_2$).
- Отрицательные пластины, состоящие из губчатого свинца ($\text{Pb}$).
- Сепараторы – пористые пластины из диэлектрика, которые разделяют разноименные пластины, предотвращая короткое замыкание.
- Электролит – водный раствор серной кислоты ($H_2SO_4$).

Все эти компоненты помещены в прочный, кислотостойкий пластиковый корпус.

Принцип действия:

Действие аккумулятора основано на обратимых химических реакциях.

При разряде (когда аккумулятор отдает энергию), на электродах протекает реакция с образованием сульфата свинца ($PbSO_4$). При этом серная кислота из электролита расходуется, а ее плотность падает. Суммарная реакция разряда:

$Pb + PbO_2 + 2H_2SO_4 \rightarrow 2PbSO_4 + 2H_2O$

При заряде от генератора автомобиля происходит обратный процесс. Под действием внешнего тока сульфат свинца на пластинах преобразуется обратно в свинец и диоксид свинца, а концентрация (и плотность) серной кислоты в электролите восстанавливается. Суммарная реакция заряда:

$2PbSO_4 + 2H_2O \rightarrow Pb + PbO_2 + 2H_2SO_4$

Ответ: В автомобилях и мотоциклах используются свинцово-кислотные аккумуляторы. Они состоят из свинцовых ($\text{Pb}$) и покрытых диоксидом свинца ($PbO_2$) пластин, погруженных в раствор серной кислоты ($H_2SO_4$). Их действие основано на обратимой химической реакции превращения свинца и диоксида свинца в сульфат свинца при разряде и обратно при заряде.

Аккумуляторы в сотовых телефонах и плеерах

В портативной электронике, такой как сотовые телефоны, смартфоны и плееры, практически повсеместно применяются литий-ионные (Li-ion) и их разновидность — литий-полимерные (Li-Po) аккумуляторы. Они отличаются высокой плотностью энергии, малым весом, отсутствием "эффекта памяти" и медленным саморазрядом.

Устройство:

Основными компонентами литий-ионного аккумулятора являются:

- Положительный электрод (катод) на алюминиевой фольге, изготовленный из оксидов лития с переходными металлами (например, кобальтат лития $LiCoO_2$, феррофосфат лития $LiFePO_4$).
- Отрицательный электрод (анод) на медной фольге, изготовленный из пористого углеродного материала (обычно графита $C_6$).
- Сепаратор – пористая полимерная пленка, пропитанная электролитом, разделяющая электроды.
- Электролит – раствор соли лития (например, гексафторфосфат лития $LiPF_6$) в органическом растворителе. В Li-Po аккумуляторах используется гелеобразный полимерный электролит.

Эти слои скручиваются или укладываются друг на друга и помещаются в герметичный корпус.

Принцип действия:

Работа аккумулятора основана на перемещении ионов лития ($Li^+$) между катодом и анодом.

При разряде ионы лития выходят из кристаллической решетки анода (графита), перемещаются через электролит и внедряются (интеркалируют) в решетку катода (например, $LiCoO_2$). Одновременно электроны движутся по внешней цепи от анода к катоду, создавая электрический ток.

Упрощенная реакция на аноде (отрицательный электрод): $Li_xC_6 \rightarrow xLi^+ + xe^- + C_6$

Упрощенная реакция на катоде (положительный электрод): $Li_{1-x}CoO_2 + xLi^+ + xe^- \rightarrow LiCoO_2$

При заряде под действием внешнего напряжения процессы идут в обратном направлении: ионы лития покидают катод и внедряются в анод.

Ответ: В сотовых телефонах и плеерах используются литий-ионные (Li-ion) и литий-полимерные (Li-Po) аккумуляторы. Они состоят из двух электродов (графитового и из оксидов лития с металлами), разделенных сепаратором и пропитанных органическим электролитом с солями лития. Принцип их действия заключается в переносе ионов лития между электродами: при разряде ионы движутся от анода к катоду, а при заряде — в обратном направлении.