Природа та виробництво енергії
Природа пропонує багато способів виробництва енергії. Більшість із них виникають через горіння, механічний рух та фотосинтез, як у сонячній батареї. Генерація електричної енергії в батареї відбувається внаслідок електрохімічної реакції між двома металами різної спорідненості. Під впливом кислот між металами виникає напруга в рамках переносу іонів; замикання кола індукує струм. У 1800 році винахідник Алессандро Вольта виявив, що потенціал напруги стає сильнішим, чим далі рухаються числа спорідненості.
Лимонна батарейка
Найпростішим проявом батарейки є лимон. Вбивання оцинкованого цвяха та мідної монети в лимон створює напругу, але ця квазібатарея не дає багато енергії. Система подачі струму слабка, і будь-яке електричне навантаження призводить до падіння напруги. Енергія походить не від самого лимона, а від хімічної зміни розчинення цинку в кислоті або лимонному соку. Рисунок 1 ілюструє лимонну батарейку.
Рисунок 1: Лимонна батарея. Електроди – цинк у формі оцинкованого цвяха та мідь у монеті. Лимонний сік діє як електроліт, що викликає хімічну реакцію.
Елементи з найбільшим негативним потенціалом електрода служать катодами; ті, що мають найвищий позитивний потенціал, виконують роль анодів. Різниця між електродами забезпечує напругу на клемах. Щоб акумуляторна батарея була практичною, хімічні реакції між елементами повинні бути оборотними. Ситуацію ускладнює те, що реакції між сполуками не можуть споживати активні хімічні речовини без обмежень, що обмежує кількість відповідних електродів.
Потужність та енергія
Множення напруги на силу струму забезпечує потужність. Потужність вимірюється у ватах на честь Джеймса Ватта, розробника парового двигуна 18 століття. Кількість енергії, яку може зберігати акумулятор, виражається у ват-годинах (Вт·год).
Усі джерела енергії мають обмеження, і потужність потрібно використовувати обережно, щоб не спричинити перевантаження. Аналогією може бути велосипедист, який вибирає найкраще передавальне число для передачі потужності в рушійну силу. На рівній дорозі висока передача забезпечує високу швидкість із помірним крутним моментом на педалях, імітуючи високу напругу. Під час підйому на пагорб крутний момент на педалях збільшується, а швидкість зменшується. Зусилля на педалях пов’язане з крутним моментом у ньютон-метрах (Нм); витривалість до виснаження визначає енергію у ват-годинах (Вт·год).
Рисунок 2: Аналогія з велосипедистом.
Енергія – це добуток потужності та часу, вимірюється у ват-годинах (Вт·год); потужність – це потік енергії в будь-який момент часу, вимірюється у ватах. Ємність акумулятора вимірюється в ампер-годинах (А·год), що вказує, скільки заряду може утримувати батарея. Як рідина в контейнері, енергія може виділятися повільно протягом тривалого періоду або швидко за короткий час.
Фізичні характеристики
Фізичні розміри визначають об’єм у літрах (л) та кілограмах (кг). Поєднання розміру та ваги дає питому енергію у Вт·год/кг, щільність потужності у Вт/л та питому потужність у Вт/кг. Більшість акумуляторів вимірюються у Вт·год/кг, що показує, скільки енергії може генерувати задана вага. Вт·год/л позначає ват-години на літр.
Акумулятори виготовляються на замовлення для конкретного використання, і виробники добре розуміють потреби клієнтів. Ринки мобільних телефонів та електромобілів є прикладами різних підходів. У споживчих батареях наголошують на малому розмірі, високій питомій енергії та низькій вартості, тоді як промислові батареї прагнуть надійної роботи та тривалого терміну служби. Безпека у всіх сферах застосування є першочерговою.
