Omdat batterijen stroom in een stroomkring produceren door elektronen uit te wisselen in ionische chemische reacties, en er een beperkt aantal moleculen in een opgeladen batterij beschikbaar is om te reageren, moet er een beperkte hoeveelheid totale lading zijn die een batterij door een stroomkring kan motiveren voordat zijn energiereserves zijn uitgeput. De capaciteit van een batterij zou kunnen worden gemeten in termen van een totaal aantal elektronen, maar dit zou een enorm aantal zijn. We zouden de eenheid van de coulomb kunnen gebruiken (gelijk aan 6,25 x 1018 elektronen, of 6.250.000.000.000.000.000 elektronen) om de hoeveelheden praktischer te maken om mee te werken, maar in plaats daarvan werd een nieuwe eenheid, de ampère-uur, voor dit doel gemaakt. Aangezien 1 amp eigenlijk een debiet van 1 coulomb aan elektronen per seconde is, en er 3600 seconden in een uur zitten, kunnen we een directe verhouding tussen coulomb en ampère-uur stellen: 1 ampère-uur = 3600 coulomb. Waarom een nieuwe eenheid verzinnen als een oude prima zou hebben volstaan? Om jullie het leven als studenten en technici moeilijker te maken, natuurlijk!
Amp-uur-toepassing om de capaciteit van de batterij te meten
Een batterij met een capaciteit van 1 ampère-uur moet in staat zijn om een belasting gedurende precies 1 uur continu te voeden met een stroom van 1 ampère, of 2 ampère gedurende een half uur, of 1/3 ampère gedurende 3 uur, enzovoort, voordat hij volledig ontladen is. In een ideale batterij is deze relatie tussen continue stroom en ontladingstijd stabiel en absoluut, maar echte batterijen gedragen zich niet precies zoals deze eenvoudige lineaire formule zou aangeven. Daarom wordt de capaciteit per ampère-uur van een batterij gespecificeerd bij een bepaalde stroom en een bepaalde tijd, of wordt ervan uitgegaan dat de batterij een capaciteit heeft van 8 uur (als er geen beperkende factor wordt opgegeven).
Een gemiddelde autobatterij heeft bijvoorbeeld een capaciteit van ongeveer 70 ampère-uur, gespecificeerd bij een stroom van 3,5 ampère. Dit betekent dat de tijd dat deze batterij continu stroom van 3,5 ampère aan een belasting kan leveren 20 uur is (70 ampère-uur / 3,5 ampère). Maar stel nu dat een belasting met een lagere weerstand op die batterij was aangesloten en continu 70 ampère trok. Onze ampère-uur vergelijking vertelt ons dat de batterij het precies 1 uur zou moeten uithouden (70 ampère-uur / 70 ampère), maar in het echte leven is dit misschien niet waar. Bij hogere stromen zal de batterij meer warmte afgeven via zijn interne weerstand, waardoor de chemische reacties die binnenin plaatsvinden, worden gewijzigd. De kans is groot dat de batterij bij deze grotere belasting eerder volledig zou zijn ontladen dan de berekende tijd van 1 uur.
Aan de andere kant, als een zeer lichte belasting (1 mA) op de batterij zou worden aangesloten, zou onze vergelijking ons vertellen dat de batterij 70.000 uur stroom zou moeten leveren, of iets minder dan 8 jaar (70 ampère-uur / 1 milliampère), maar de kans is groot dat veel van de chemische energie in een echte batterij zou zijn opgebruikt als gevolg van andere factoren (verdamping van elektrolyt, verslechtering van elektroden, lekstroom in de batterij) lang voordat er 8 jaar waren verstreken. Daarom moeten we de ampère-uur verhouding beschouwen als een ideale benadering van de levensduur van een batterij, waarbij de ampère-uur waarde alleen vertrouwd wordt in de buurt van de door de fabrikant opgegeven stroom of tijdsduur. Sommige fabrikanten verstrekken derating-factoren voor het aantal ampère-uur die de vermindering van de totale capaciteit bij verschillende stroomniveaus en/of temperaturen aangeven.
Voor secundaire cellen geeft de ampère-uurwaarde een regel voor de noodzakelijke oplaadtijd bij een gegeven oplaadstroomniveau. De 70 ampère-uur autoaccu in het vorige voorbeeld zou bijvoorbeeld 10 uur nodig hebben om op te laden vanuit een volledig ontladen toestand bij een constante laadstroom van 7 ampère (70 ampère-uur / 7 ampère).
Afbeeldingen van de ampère-uur-capaciteit van enkele veelgebruikte accu’s zijn hier te vinden:
- Typische autoaccu: 70 ampère-uur @ 3,5 A (secundaire cel)
- D-formaat koolstof-zink accu: 4.5 ampère-uur @ 100 mA (primaire cel)
- 9 volt koolstof-zink-batterij: 400 milliampère-uur @ 8 mA (primaire cel)
Hoe controleer je de conditie van de batterij – met en zonder belasting?
Als een batterij ontlaadt, neemt niet alleen de interne energievoorraad af, maar neemt ook de interne weerstand toe (omdat de elektrolyt steeds minder geleidend wordt) en neemt de open-circuit celspanning af (omdat de chemicaliën steeds meer verdund raken). De meest bedrieglijke verandering die een ontladen batterij vertoont is een verhoogde weerstand. De beste manier om de conditie van een batterij te controleren is een spanningsmeting onder belasting, terwijl de batterij een aanzienlijke stroom door een circuit levert. Anders kan een eenvoudige voltmetercontrole over de polen ten onrechte aangeven dat de batterij gezond is (voldoende spanning), ook al is de inwendige weerstand aanzienlijk toegenomen. Wat een “aanzienlijke stroom” is, wordt bepaald door de ontwerpparameters van de batterij. Een voltmeter die een te lage spanning aangeeft, duidt natuurlijk op een lege batterij:
Volledig opgeladen batterij:
Nu, als de batterij een beetje ontlaadt . .
. . en een beetje verder ontlaadt …
. . en nog een beetje verder tot hij leeg is.
Het is opvallend hoeveel beter de werkelijke conditie van de batterij aan het licht komt wanneer de spanning wordt gecontroleerd onder belasting in vergelijking met onbelast. Betekent dit dat het zinloos is om een batterij alleen met een voltmeter (onbelast) te controleren? Wel, nee. Als een eenvoudige voltmeter slechts 7,5 volt aangeeft voor een batterij van 13,2 volt, dan weet u zonder twijfel dat hij dood is. Als de voltmeter echter 12,5 volt aangeeft, kan de batterij bijna vol zijn of enigszins leeg – dat weet u niet zonder een controle van de lading. Houd er ook rekening mee dat de weerstand die wordt gebruikt om een batterij te belasten, moet zijn berekend op de hoeveelheid stroom die naar verwachting zal worden afgevoerd. Voor het controleren van grote batterijen zoals een loodzuur-batterij voor auto’s (nominaal 12 volt) kan dit een weerstand betekenen met een vermogen van enkele honderden watt.
REVIEW:
- Het ampère-uur is een eenheid voor de energiecapaciteit van een batterij, gelijk aan de hoeveelheid continue stroom vermenigvuldigd met de ontladingstijd, die een batterij kan leveren voordat de interne opslag van chemische energie is uitgeput.
- Een ampère-uurwaarde voor een batterij is slechts een benadering van de laadcapaciteit van de batterij en mag alleen worden vertrouwd op het stroomniveau of de stroomtijd die door de fabrikant zijn gespecificeerd. Een dergelijke waarde kan niet met enige nauwkeurigheid worden geëxtrapoleerd voor zeer hoge stromen of zeer lange tijden.
- Onvoldoende opgeladen batterijen verliezen spanning en nemen in weerstand toe. De beste controle op een lege batterij is een spanningstest onder belasting.
GERELATEERDE WERKBLADEN:
- Batterijen werkblad
- Basiswerkblad Voltmeter gebruik