Ponieważ baterie tworzą przepływ prądu w obwodzie poprzez wymianę elektronów w jonowych reakcjach chemicznych, i istnieje ograniczona liczba molekuł w każdej naładowanej baterii dostępnych do reakcji, musi istnieć ograniczona ilość całkowitego ładunku, który każda bateria może przenieść przez obwód zanim jej rezerwy energii zostaną wyczerpane. Pojemność baterii mogłaby być mierzona w kategoriach całkowitej liczby elektronów, ale byłaby to ogromna liczba. Moglibyśmy użyć jednostki kulomb (równej 6,25 x 1018 elektronów, lub 6 250 000 000 000 000 000 000 elektronów), aby uczynić te wielkości bardziej praktycznymi do pracy, ale zamiast tego stworzono nową jednostkę, amperogodzinę, do tego celu. Ponieważ 1 amper to w rzeczywistości przepływ 1 kulomb elektronów na sekundę, a w godzinie jest 3600 sekund, możemy określić bezpośrednią proporcję pomiędzy kulombami a amperogodzinami: 1 amperogodzina = 3600 kulombów. Po co wymyślać nową jednostkę, skoro stara byłaby w sam raz? Aby utrudnić wam życie jako studentom i technikom, oczywiście!
Zastosowanie amperogodzin do pomiaru pojemności akumulatora
Akumulator o pojemności 1 amperogodziny powinien być w stanie nieprzerwanie dostarczać prąd o natężeniu 1 ampera do obciążenia przez dokładnie 1 godzinę, lub 2 ampery przez 1/2 godziny, lub 1/3 ampera przez 3 godziny, itd. zanim zostanie całkowicie rozładowany. W idealnym akumulatorze, ta zależność pomiędzy ciągłym prądem a czasem rozładowania jest stabilna i bezwzględna, ale rzeczywiste akumulatory nie zachowują się dokładnie tak, jak wskazywałby na to prosty liniowy wzór. Dlatego, gdy pojemność amperogodzin jest podawana dla akumulatora, jest ona określona albo przy danym prądzie, danym czasie, lub zakłada się, że jest ona znamionowa dla okresu 8 godzin (jeśli nie podano czynnika ograniczającego).
Na przykład, przeciętny akumulator samochodowy może mieć pojemność około 70 amperogodzin, określoną przy prądzie 3,5 ampera. Oznacza to, że czas, przez jaki ten akumulator mógłby nieprzerwanie dostarczać prąd o natężeniu 3,5 ampera do obciążenia, wynosiłby 20 godzin (70 amperogodzin / 3,5 ampera). Załóżmy jednak, że do tego akumulatora podłączone jest obciążenie o niższej rezystancji, pobierające w sposób ciągły 70 amperów. Nasze równanie amperogodzin mówi nam, że akumulator powinien wytrzymać dokładnie 1 godzinę (70 amperogodzin / 70 amperów), ale w rzeczywistości może się to okazać nieprawdą. Przy wyższych prądach, akumulator będzie rozpraszał więcej ciepła przez swój wewnętrzny opór, co ma wpływ na reakcje chemiczne zachodzące w jego wnętrzu. Istnieje prawdopodobieństwo, że przy większym obciążeniu bateria rozładowałaby się całkowicie jakiś czas przed upływem obliczonego czasu 1 godziny.
I odwrotnie, gdyby do baterii podłączono bardzo lekkie obciążenie (1 mA), nasze równanie powiedziałoby nam, że bateria powinna dostarczać energię przez 70 000 godzin, czyli nieco poniżej 8 lat (70 amperogodzin / 1 miliamper), ale istnieje prawdopodobieństwo, że duża część energii chemicznej w prawdziwej baterii zostałaby wyczerpana z powodu innych czynników (odparowanie elektrolitu, zniszczenie elektrod, prąd upływu w baterii) na długo przed upływem 8 lat. Dlatego też, musimy przyjąć stosunek amperogodzin jako idealne przybliżenie żywotności akumulatora, amperogodziny zaufały tylko w pobliżu określonego prądu lub przedziału czasowego podanego przez producenta. Niektórzy producenci podają współczynniki obniżenia wartości amperogodzin, określające redukcję całkowitej pojemności przy różnych poziomach prądu i/lub temperatury.
Dla ogniw wtórnych, wartość amperogodzin stanowi regułę dla niezbędnego czasu ładowania przy danym poziomie prądu ładowania. Na przykład, 70 amperogodzinny akumulator samochodowy z poprzedniego przykładu powinien potrzebować 10 godzin, aby naładować się od stanu pełnego rozładowania przy stałym prądzie ładowania 7 amperów (70 amperogodzin / 7 amperów).
Przybliżone pojemności amperogodzin niektórych popularnych akumulatorów są podane tutaj:
- Typowy akumulator samochodowy: 70 amperogodzin @ 3.5 A (ogniwo wtórne)
- Bateria węglowo-cynkowa rozmiaru D: 4.5 amperogodzin @ 100 mA (ogniwo podstawowe)
- 9-woltowa bateria węglowo-cynkowa: 400 miliamperogodzin @ 8 mA (ogniwo podstawowe)
Jak sprawdzić stan baterii – z obciążeniem i bez?
W miarę rozładowywania się baterii, nie tylko zmniejsza się jej wewnętrzny zasób energii, ale również zwiększa się jej opór wewnętrzny (ponieważ elektrolit staje się coraz mniej przewodzący), a napięcie ogniwa w obwodzie otwartym spada (ponieważ substancje chemiczne stają się coraz bardziej rozcieńczone). Najbardziej zwodniczą zmianą, jaką wykazuje rozładowująca się bateria, jest zwiększona oporność. Najlepszym sprawdzeniem stanu akumulatora jest pomiar napięcia pod obciążeniem, gdy akumulator dostarcza znaczny prąd przez obwód. W przeciwnym razie, zwykłe sprawdzenie woltomierzem na zaciskach może fałszywie wskazywać na zdrowy akumulator (odpowiednie napięcie), mimo że wewnętrzna rezystancja znacznie wzrosła. Co stanowi „znaczny prąd” jest określane przez parametry konstrukcyjne akumulatora. Sprawdzenie woltomierzem zbyt niskiego napięcia, oczywiście, wskazywałoby na rozładowany akumulator:
Bezpiecznie naładowany akumulator:
Teraz, jeśli akumulator trochę się rozładuje . .
. . i rozładowuje się jeszcze trochę …
. … i jeszcze trochę, aż padnie.
Zauważ, o ile lepiej widać prawdziwy stan akumulatora, gdy sprawdza się jego napięcie pod obciążeniem, niż bez obciążenia. Czy to oznacza, że nie ma sensu sprawdzać akumulatora tylko woltomierzem (bez obciążenia)? Cóż, nie. Jeśli zwykłe sprawdzenie woltomierzem wykaże tylko 7,5 V na 13,2-woltowym akumulatorze, to bez wątpienia wiesz, że jest on martwy. Jeśli jednak woltomierz wskazywałby 12,5 V, akumulator może być bliski pełnego naładowania lub nieco wyczerpany – nie da się tego stwierdzić bez sprawdzenia obciążenia. Należy również pamiętać, że opór użyty do obciążenia akumulatora musi być dostosowany do ilości energii, która ma zostać rozproszona. W przypadku sprawdzania dużych akumulatorów, takich jak samochodowy (12 V nominalnie) akumulator kwasowo-ołowiowy, może to oznaczać rezystor o mocy znamionowej kilkuset watów.
PRZEGLĄD:
- Amperogodzina jest jednostką pojemności energetycznej akumulatora, równą ilości ciągłego prądu pomnożonej przez czas rozładowania, którą akumulator może dostarczyć przed wyczerpaniem swojego wewnętrznego zapasu energii chemicznej.
- Ocena amperogodzin akumulatora jest jedynie przybliżeniem jego pojemności ładowania i należy jej ufać jedynie przy poziomie natężenia prądu lub czasie określonym przez producenta. Taka ocena nie może być ekstrapolowana dla bardzo wysokich prądów lub bardzo długich czasów z jakąkolwiek dokładnością.
- Rozładowane akumulatory tracą napięcie i zwiększają opór. Najlepszym sposobem sprawdzenia, czy bateria jest wyczerpana, jest test napięcia pod obciążeniem.
POWIĄZANE MODUŁY:
- Armatura
- Arkusz roboczy
- Podstawowe użycie woltomierza