रासायनिक धारा स्रोत (HIT के रूप में संक्षिप्त) वे उपकरण हैं जिनमें एक रेडॉक्स प्रतिक्रिया की ऊर्जा विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है। उनके अन्य नाम इलेक्ट्रोकेमिकल सेल, गैल्वेनिक सेल, इलेक्ट्रोकेमिकल सेल हैं। उनके संचालन का सिद्धांत इस प्रकार है: दो अभिकर्मकों की बातचीत के परिणामस्वरूप, प्रत्यक्ष विद्युत प्रवाह से ऊर्जा की रिहाई के साथ एक रासायनिक प्रतिक्रिया होती है। अन्य मौजूदा स्रोतों में बिजली पैदा करने की प्रक्रिया एक बहुस्तरीय योजना के अनुसार होती है। सबसे पहले, थर्मल ऊर्जा जारी की जाती है, फिर इसे यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित किया जाता है, और उसके बाद ही विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित किया जाता है। एचआईटी का लाभ सिंगल-स्टेज प्रक्रिया है, यानी तापीय और यांत्रिक ऊर्जा प्राप्त करने के चरणों को दरकिनार करते हुए बिजली तुरंत प्राप्त की जाती है।
इतिहास
पहले वर्तमान स्रोत कैसे दिखाई दिए? अठारहवीं शताब्दी के इतालवी वैज्ञानिक - लुइगी गलवानी के सम्मान में रासायनिक स्रोतों को गैल्वेनिक सेल कहा जाता है। वह एक चिकित्सक, शरीर रचना विज्ञानी, शरीर विज्ञानी और भौतिक विज्ञानी थे। इसकी एक दिशाअनुसंधान विभिन्न बाहरी प्रभावों के लिए जानवरों की प्रतिक्रियाओं का अध्ययन था। बिजली पैदा करने की रासायनिक विधि की खोज गलवानी ने संयोग से, मेंढकों पर एक प्रयोग के दौरान की थी। उसने दो धातु की प्लेटों को मेंढक के पैर की खुली नस से जोड़ा। इसके परिणामस्वरूप मांसपेशियों में संकुचन हुआ। इस घटना के बारे में गलवानी की अपनी व्याख्या गलत थी। लेकिन उनके प्रयोगों और टिप्पणियों के परिणामों ने उनके हमवतन एलेसेंड्रो वोल्टा को बाद के अध्ययनों में मदद की।
वोल्टा ने अपने लेखन में एक मेंढक के मांसपेशी ऊतक के संपर्क में दो धातुओं के बीच रासायनिक प्रतिक्रिया के परिणामस्वरूप विद्युत प्रवाह की घटना के सिद्धांत को रेखांकित किया। पहला रासायनिक करंट स्रोत खारा के कंटेनर जैसा दिखता था, जिसमें जस्ता और तांबे की प्लेटें डूबी हुई थीं।
हिट का उत्पादन उन्नीसवीं शताब्दी के उत्तरार्ध में औद्योगिक पैमाने पर किया जाने लगा, जिसका श्रेय फ्रांसीसी लेक्लेन्श को जाता है, जिन्होंने नमक इलेक्ट्रोलाइट के साथ प्राथमिक मैंगनीज-जस्ता सेल का आविष्कार किया, जिसका नाम उनके नाम पर रखा गया। कुछ साल बाद, इस इलेक्ट्रोकेमिकल सेल में एक अन्य वैज्ञानिक द्वारा सुधार किया गया था और 1940 तक एकमात्र प्राथमिक रासायनिक वर्तमान स्रोत था।
डिजाइन और ऑपरेशन हिट का सिद्धांत
रासायनिक वर्तमान स्रोतों के उपकरण में दो इलेक्ट्रोड (पहली तरह के कंडक्टर) और उनके बीच स्थित एक इलेक्ट्रोलाइट (दूसरे प्रकार का कंडक्टर, या आयनिक कंडक्टर) शामिल है। उनके बीच की सीमा पर एक इलेक्ट्रॉनिक क्षमता उत्पन्न होती है। इलेक्ट्रोड जिस पर कम करने वाले एजेंट का ऑक्सीकरण होता हैएनोड कहा जाता है, और जिस पर ऑक्सीकरण एजेंट कम हो जाता है उसे कैथोड कहा जाता है। इलेक्ट्रोलाइट के साथ मिलकर, वे इलेक्ट्रोकेमिकल सिस्टम बनाते हैं।
इलेक्ट्रोडों के बीच रेडॉक्स प्रतिक्रिया का उप-उत्पाद विद्युत प्रवाह की पीढ़ी है। ऐसी प्रतिक्रिया के दौरान, कम करने वाले एजेंट का ऑक्सीकरण होता है और ऑक्सीकरण एजेंट को इलेक्ट्रॉनों का दान करता है, जो उन्हें स्वीकार करता है और इस तरह कम हो जाता है। कैथोड और एनोड के बीच एक इलेक्ट्रोलाइट की उपस्थिति प्रतिक्रिया के लिए एक आवश्यक शर्त है। यदि आप केवल दो अलग-अलग धातुओं के चूर्ण को एक साथ मिला दें, तो कोई बिजली नहीं निकलेगी, सारी ऊर्जा गर्मी के रूप में निकल जाएगी। इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण की प्रक्रिया को सुव्यवस्थित करने के लिए इलेक्ट्रोलाइट की आवश्यकता होती है। अक्सर, यह नमक का घोल या पिघला हुआ होता है।
इलेक्ट्रोड धातु की प्लेट या ग्रिड की तरह दिखते हैं। जब उन्हें इलेक्ट्रोलाइट में डुबोया जाता है, तो उनके बीच एक विद्युत संभावित अंतर उत्पन्न होता है - एक ओपन सर्किट वोल्टेज। एनोड इलेक्ट्रॉनों को दान करता है, जबकि कैथोड उन्हें स्वीकार करता है। उनकी सतह पर रासायनिक प्रतिक्रियाएं शुरू होती हैं। जब सर्किट खोला जाता है तो वे बंद हो जाते हैं, और जब भी अभिकर्मकों में से एक का उपयोग किया जाता है। सर्किट का उद्घाटन तब होता है जब इलेक्ट्रोड या इलेक्ट्रोलाइट में से एक को हटा दिया जाता है।
विद्युत रासायनिक प्रणालियों की संरचना
रासायनिक स्रोत ऑक्सीजन युक्त एसिड और लवण, ऑक्सीजन, हैलाइड, उच्च धातु ऑक्साइड, नाइट्रोऑर्गेनिक यौगिक आदि का उपयोग ऑक्सीकरण एजेंटों के रूप में करते हैं। धातु और उनके निचले ऑक्साइड, हाइड्रोजन उनमें कम करने वाले एजेंट हैंऔर हाइड्रोकार्बन यौगिक। इलेक्ट्रोलाइट्स का उपयोग कैसे किया जाता है:
- अम्ल, क्षार, लवण आदि के जलीय विलयन
- आयनिक चालकता के साथ गैर-जलीय समाधान, कार्बनिक या अकार्बनिक सॉल्वैंट्स में लवण को भंग करके प्राप्त किया जाता है।
- पिघला हुआ नमक।
- आयनिक जाली के साथ ठोस यौगिक जिसमें एक आयन गतिशील होता है।
- मैट्रिक्स इलेक्ट्रोलाइट्स। ये एक ठोस गैर-प्रवाहकीय पिंड - एक इलेक्ट्रॉन वाहक - के छिद्रों में स्थित तरल घोल या मेल्ट होते हैं।
- आयन-विनिमय इलेक्ट्रोलाइट्स। ये एक ही चिन्ह के निश्चित आयनिक समूहों वाले ठोस यौगिक हैं। दूसरी राशि के आयन मोबाइल हैं। यह गुण ऐसे इलेक्ट्रोलाइट की चालकता को एकध्रुवीय बनाता है।
गैल्वेनिक बैटरी
रासायनिक धारा स्रोतों में गैल्वेनिक कोशिकाएँ - कोशिकाएँ होती हैं। इन कोशिकाओं में से एक में वोल्टेज छोटा है - 0.5 से 4V तक। आवश्यकता के आधार पर, HIT में एक गैल्वेनिक बैटरी का उपयोग किया जाता है, जिसमें कई श्रृंखला-जुड़े सेल होते हैं। कभी-कभी कई तत्वों के समानांतर या श्रृंखला-समानांतर कनेक्शन का उपयोग किया जाता है। केवल समान प्राथमिक सेल या बैटरी को हमेशा एक श्रृंखला सर्किट में शामिल किया जाता है। उनके पास समान पैरामीटर होने चाहिए: विद्युत प्रणाली, डिजाइन, तकनीकी विकल्प और मानक आकार। समानांतर कनेक्शन के लिए, विभिन्न आकारों के तत्वों का उपयोग करना स्वीकार्य है।
हिट वर्गीकरण
रासायनिक वर्तमान स्रोत भिन्न हैं:
- आकार;
- डिजाइन;
- अभिकर्मक;
- ऊर्जा बनाने वाली प्रतिक्रिया की प्रकृति।
ये पैरामीटर किसी विशेष एप्लिकेशन के लिए उपयुक्त हिट प्रदर्शन गुणों को निर्धारित करते हैं।
विद्युत रासायनिक तत्वों का वर्गीकरण उपकरण के संचालन के सिद्धांत में अंतर पर आधारित है। इन विशेषताओं के आधार पर, वे भेद करते हैं:
- प्राथमिक रासायनिक धारा स्रोत डिस्पोजेबल तत्व हैं। उनके पास अभिकर्मकों की एक निश्चित आपूर्ति होती है, जो प्रतिक्रिया के दौरान खपत होती है। पूर्ण निर्वहन के बाद, ऐसी कोशिका अपनी कार्यक्षमता खो देती है। दूसरे तरीके से, प्राथमिक एचआईटी को गैल्वेनिक सेल कहा जाता है। उन्हें सरलता से कहना सही होगा - तत्व। प्राथमिक शक्ति स्रोत के सबसे सरल उदाहरण "बैटरी" A-A हैं।
- रिचार्जेबल रासायनिक करंट स्रोत - बैटरी (इन्हें सेकेंडरी, रिवर्सिबल एचआईटी भी कहा जाता है) पुन: प्रयोज्य सेल हैं। बैटरी के माध्यम से विपरीत दिशा में एक बाहरी सर्किट से करंट पास करने से, एक पूर्ण निर्वहन के बाद, खर्च किए गए अभिकर्मकों को पुनर्जीवित किया जाता है, फिर से रासायनिक ऊर्जा (चार्जिंग) जमा होती है। बाहरी निरंतर वर्तमान स्रोत से रिचार्ज करने की क्षमता के लिए धन्यवाद, इस डिवाइस का उपयोग लंबे समय तक रिचार्जिंग के लिए ब्रेक के साथ किया जाता है। विद्युत ऊर्जा उत्पन्न करने की प्रक्रिया को बैटरी डिस्चार्ज कहा जाता है। इस तरह के हिट में कई इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों (लैपटॉप, मोबाइल फोन, आदि) के लिए बैटरी शामिल हैं।
- थर्मल केमिकल करंट सोर्स - निरंतर डिवाइस। परउनके काम की प्रक्रिया में, अभिकर्मकों के नए भागों और प्रतिक्रिया उत्पादों को हटाने का निरंतर प्रवाह होता है।
- संयुक्त (अर्ध-ईंधन) गैल्वेनिक कोशिकाओं में अभिकर्मकों में से एक का भंडार होता है। दूसरे को बाहर से डिवाइस में फीड किया जाता है। डिवाइस का जीवन पहले अभिकर्मक की आपूर्ति पर निर्भर करता है। विद्युत प्रवाह के संयुक्त रासायनिक स्रोतों का उपयोग बैटरी के रूप में किया जाता है, यदि बाहरी स्रोत से करंट प्रवाहित करके उनके चार्ज को बहाल करना संभव हो।
- हिट नवीकरणीय रिचार्जेबल यंत्रवत् या रासायनिक रूप से। उनके लिए, पूर्ण निर्वहन के बाद खर्च किए गए अभिकर्मकों को नए भागों के साथ बदलना संभव है। यानी ये निरंतर डिवाइस नहीं हैं, बल्कि बैटरी की तरह समय-समय पर रिचार्ज होते रहते हैं।
हिट फीचर्स
रासायनिक शक्ति स्रोतों की मुख्य विशेषताओं में शामिल हैं:
- ओपन सर्किट वोल्टेज (ORC या डिस्चार्ज वोल्टेज)। यह सूचक, सबसे पहले, चुने हुए इलेक्ट्रोकेमिकल सिस्टम (कम करने वाले एजेंट, ऑक्सीकरण एजेंट और इलेक्ट्रोलाइट का संयोजन) पर निर्भर करता है। इसके अलावा, एनआरसी इलेक्ट्रोलाइट की सांद्रता, डिस्चार्ज की डिग्री, तापमान और बहुत कुछ से प्रभावित होता है। NRC HIT से गुजरने वाले करंट के मूल्य पर निर्भर करता है।
- शक्ति।
- डिस्चार्ज करंट - बाहरी सर्किट के प्रतिरोध पर निर्भर करता है।
- क्षमता - बिजली की अधिकतम मात्रा जो एचआईटी पूरी तरह से डिस्चार्ज होने पर देता है।
- पावर रिजर्व - डिवाइस के पूरी तरह से डिस्चार्ज होने पर प्राप्त अधिकतम ऊर्जा।
- ऊर्जा गुण। बैटरी के लिए, यह सबसे पहले, क्षमता या चार्ज वोल्टेज (संसाधन) को कम किए बिना चार्ज-डिस्चार्ज चक्रों की एक गारंटीकृत संख्या है।
- तापमान ऑपरेटिंग रेंज।
- डिवाइस के निर्माण और पहले डिस्चार्ज के बीच अधिकतम अनुमेय समय है।
- उपयोगी जीवन - भंडारण और संचालन की अधिकतम स्वीकार्य कुल अवधि। ईंधन कोशिकाओं के लिए, निरंतर और रुक-रुक कर सेवा जीवन मायने रखता है।
- जीवन भर में नष्ट हो गई कुल ऊर्जा।
- कंपन, झटके आदि के खिलाफ यांत्रिक शक्ति।
- किसी भी स्थिति में काम करने की क्षमता।
- विश्वसनीयता।
- आसान रखरखाव।
हिट आवश्यकताएँ
विद्युत रासायनिक कोशिकाओं के डिजाइन को सबसे कुशल प्रतिक्रिया के लिए अनुकूल परिस्थितियां प्रदान करनी चाहिए। इन शर्तों में शामिल हैं:
- वर्तमान रिसाव को रोकें;
- यहां तक कि काम;
- यांत्रिक शक्ति (कसने सहित);
- अभिकर्मकों का पृथक्करण;
- इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोलाइट के बीच अच्छा संपर्क;
- न्यूनतम नुकसान के साथ प्रतिक्रिया क्षेत्र से बाहरी टर्मिनल तक करंट का अपव्यय।
रासायनिक वर्तमान स्रोतों को निम्नलिखित सामान्य आवश्यकताओं को पूरा करना चाहिए:
- विशिष्ट मापदंडों के उच्चतम मूल्य;
- अधिकतम ऑपरेटिंग तापमान रेंज;
- सबसे बड़ा तनाव;
- न्यूनतम लागतऊर्जा की इकाइयाँ;
- वोल्टेज स्थिरता;
- चार्ज सुरक्षा;
- सुरक्षा;
- रखरखाव में आसानी, और आदर्श रूप से इसकी कोई आवश्यकता नहीं है;
- लंबी सेवा जीवन।
शोषण हिट
प्राथमिक गैल्वेनिक कोशिकाओं का मुख्य लाभ यह है कि उन्हें किसी रखरखाव की आवश्यकता नहीं होती है। इससे पहले कि आप उनका उपयोग करना शुरू करें, उपस्थिति, समाप्ति तिथि की जांच करना पर्याप्त है। कनेक्ट करते समय, ध्रुवीयता का निरीक्षण करना और डिवाइस के संपर्कों की अखंडता की जांच करना महत्वपूर्ण है। अधिक जटिल रासायनिक वर्तमान स्रोत - बैटरी, अधिक गंभीर देखभाल की आवश्यकता होती है। उनके रखरखाव का उद्देश्य उनके सेवा जीवन को अधिकतम करना है। बैटरी की देखभाल है:
- स्वच्छ रखें;
- ओपन सर्किट वोल्टेज मॉनिटरिंग;
- इलेक्ट्रोलाइट स्तर को बनाए रखना (टॉपिंग के लिए केवल आसुत जल का उपयोग किया जा सकता है);
- इलेक्ट्रोलाइट सांद्रता का नियंत्रण (हाइड्रोमीटर का उपयोग - तरल पदार्थ के घनत्व को मापने के लिए एक सरल उपकरण)।
गैल्वेनिक सेल का संचालन करते समय, विद्युत उपकरणों के सुरक्षित उपयोग से संबंधित सभी आवश्यकताओं का पालन किया जाना चाहिए।
इलेक्ट्रोकेमिकल सिस्टम द्वारा एचआईटी का वर्गीकरण
सिस्टम के आधार पर रासायनिक वर्तमान स्रोतों के प्रकार:
- सीसा (एसिड);
- निकल-कैडमियम, निकल-लौह, निकल-जस्ता;
- मैंगनीज-जस्ता, तांबा-जस्ता, पारा-जस्ता, जिंक क्लोराइड;
- चांदी-जस्ता, चांदी-कैडमियम;
- हवा-धातु;
- निकल-हाइड्रोजन और सिल्वर-हाइड्रोजन;
- मैंगनीज-मैग्नीशियम;
- लिथियम आदि
हिट का आधुनिक अनुप्रयोग
रासायनिक वर्तमान स्रोतों का वर्तमान में उपयोग किया जाता है:
- वाहन;
- पोर्टेबल उपकरण;
- सैन्य और अंतरिक्ष प्रौद्योगिकी;
- वैज्ञानिक उपकरण;
- दवा (पेसमेकर)।
दैनिक जीवन में हिट के सामान्य उदाहरण:
- बैटरी (सूखी बैटरी);
- पोर्टेबल घरेलू उपकरणों और इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए बैटरी;
- निर्बाध विद्युत आपूर्ति;
- कार की बैटरी।
लिथियम रासायनिक वर्तमान स्रोत विशेष रूप से व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं। ऐसा इसलिए है क्योंकि लिथियम (Li) में उच्चतम विशिष्ट ऊर्जा होती है। तथ्य यह है कि इसमें अन्य सभी धातुओं के बीच सबसे अधिक नकारात्मक इलेक्ट्रोड क्षमता है। विशिष्ट ऊर्जा और ऑपरेटिंग वोल्टेज के मामले में लिथियम-आयन बैटरी (LIA) अन्य सभी CPS से आगे हैं। अब वे धीरे-धीरे एक नए क्षेत्र - सड़क परिवहन में महारत हासिल कर रहे हैं। भविष्य में, लिथियम बैटरी के सुधार से संबंधित वैज्ञानिकों का विकास अल्ट्रा-थिन डिज़ाइन और बड़ी भारी-शुल्क वाली बैटरी की ओर बढ़ेगा।
