Tartós elemek tesztelése
Zsigó Zsolt
2004/07/26 09:45
3195 megtekintés
A cikk már legalább egy éve nem frissült, az akkor még aktuális információk lehet, hogy mára elavultak.
Walkman, discman, számológép, játékautó, ébresztőóra, karóra, zseblámpa, távirányító és még ki tudná felsorolni, hogy hány és hány eszközünk erőforrásai az elemek. A kémia és a fizika tantárgyból megismerjük működésük elméletét, a reklámokból megtudjuk, hogy milyen tartósak és erősek. Sok mindent tudhatunk róluk, de hogy milyenek ők valójában? Nos, ezt egyenlőre csak kevesen tudják.

Hogyan ismerhetünk meg egy elemet? Ez nem kérdés, még egy hároméves gyerek is felismer egy elemet. Olyan henger formájú, és a távirányítóban van benne. Azonban ne keverjük össze a felismerést és a megismerést! Nem hiába mondják, hogy együttlakva ismerni meg a másikat, meg hogy a puding próbája az evés; egy elemet is csak használat közben ismerhetünk meg. Ha pedig objektív összehasonlító adatokat szeretnénk, akkor mérnünk kell.

Mérjünk, de mit, miért és hogyan? Az elemek legfontosabb tulajdonsága a feszültség. Ezt az adatot rá is írják az elemekre, ez alapján választjuk ki a nekünk, illetve a készülékünknek megfelelőt. Ha túl kicsit választunk, akkor meg se nyikkan a szerkentyű, ha túl nagyot, akkor meg füstölögni kezd. Most azonban tegyük fel, hogy eltaláljuk a választást!
A használattal kapcsolatos második és egyben utolsó tudnivaló, hogy meddig tart, és ez az, amit nem írnak rá, de amiről a legtöbbet beszélnek. Nem neheztelhetünk azonban emiatt a gyártókra, ugyanis ez egy nagyon összetett kérdés.

Elméleti alapok

Vizsgáljuk meg a problémát elméleti ismereteink alapján! Az elemekben különböző ionok vannak, ezek az elektródokon végbemenő kémiai folyamatok során termelik azokat a töltéseket, amelyeket mi elektromos áramként érzékelünk az áramkörben. Ez alapján egyszerű lenne a dolgunk. Tudjuk, hogy mennyi iont raktunk a rendszerbe, és ki tudjuk számolni, hogy ebből mennyi töltés származik. Ennyi töltést tud leadni az elem, ha ez elfogy, akkor vége, kimerült.

Jó gondolat, de két helyen hibádzik. Kémiailag ott, hogy nem csak az elektród folyamatok, hanem az ionok koncentrációja is meghatározza a feszültséget, ezért ha fogynak az ionok, csökken a telep feszültsége. Fizikailag pedig ott, hogy az ionok nemcsak mint a feszültség forrásai, hanem mint vezetők, töltéshordozók is jelen vannak a rendszerben. Az elem nemcsak áramforrás, hanem része is az áramkörnek. Az áramkörben folyó elektromos áramnak az elemen is át kell folynia, az elemben pedig a benne található ionok a töltéshordozók, ha a számuk lecsökken, akkor megnő az elem belsőnek nevezett ellenállása, aminek az az eredménye, hogy a terhelő ellenálláson, azaz az elem pólusai között csökken a feszültség.

Az elemek használata közben tehát két okból is csökken a feszültség, egy adott feszültségérték alatt pedig már hiába ad feszültséget az elem, a készülék nem működik. Ezért nem használható a kémiai anyagok mennyiségén alapuló egyszerű számítási mód. A másik tanulsága a fenti gondolatmenetnek, hogy a telep feszültsége a belső és a terhelő ellenállás arányától is függ, ezért például, ha egy elem már nem jó a játékautóba, a faliórába még jó lehet pár hónapig is.
Egy szó mint száz az elemek élettartama annyira összetett dolog, hogy nem tehetünk mást, mint hogy adott terhelés mellett mérjük a kapocsfeszültséget és az eltelt időt. A következő méréseket az EcologXL nevű berendezéssel hajtottuk végre, az eszköz 2004 tavaszától már rendelkezésre áll az innovatív iskolahálózatban. A mérések eredményei nem tekinthetőek hivatalos reprezentatív mérésnek, egyetlen mérés eredményeit tartalmazzák, és kizárólag metodikai célokat szolgálnak.

Az első kísérlet

Az első kísérletsorozatban az elemek terhelése, a zseblámpát modellezendő, egy izzólámpa volt. 4 órán keresztül 15 másodperces mintavételi gyakorisággal teszteltünk egy-egy elemet a mellékelt kapcsolási rajz szerint, a mérés utolsó 5 percében megszüntettük a terhelést.
A mérési eredmények:

Az eredmények értékelése

Két fontos tanulsága van a kísérletnek, egyrészt az alkáli elemek tényleg tovább bírják, mint a hagyományos szén-cink elemek, másrészt mindkét elemtípus visszanyer valamennyit az eredeti feszültségéből a terhelés megszűnésekor. Ez utóbbi tapasztalatból következik az, hogy nem elég egy elem feszültségét meghatározni ahhoz, hogy eldöntsük, hogy jó-e még, hanem mindezt terhelés mellett kell megtennünk.

A szén-cink és alkáli elemek megkülönböztetésében a nemzetközi elemjelölési szabvány segít, a szén-cink elemeket rendre R6, R14, R20 jelöléssel, az alkáli változataikat LR6, LR14, LR20 jelöléssel látják el.

Az izzólámpa igen "kegyetlen" terhelés a telepek számára. Tudjuk, hogy az izzó vezetőképessége csökken a hőmérséklet hatására, azaz minél fényesebben világít, annál kevésbé terhelik a telepet. Amint viszont kissé "fáradni" kezd a telep, csökkenni kezd az izzó hőmérséklete, és egyre jobban kezdi terhelni a telepet. A mérési eredményekből meghatározható az izzó karakterisztikája is.

A második kísérlet

A második kísérletben még brutálisabb, valójában irreális, kb. 1ohmos terhelésnek tettük ki a két alkáli elemet, azonos mérési beállításokkal a következő rajz szerint: A mérési eredmények:

Mindkét grafikonon hasonló karakterisztikát látunk. Egy exponenciális csökkenés után egy hirtelen letörés, majd ismét exponenciális csökkenés következik be. Ebből arra következtethetünk, hogy az elemben valamilyen kétlépcsős kémiai folyamat zajlik, amelynek az első lépcsője lassabb lefolyású. Az éles letöréskor a második folyamat alapanyagai elfogynak a rendszerből, azonban pihentetés után az elem képes regenerálódni.

Remélem, sikerült felkelteni az érdeklődést az elemek iránt! Azoknak, akik ez alapján kísérletekbe szeretnének kezdeni, és szeretnének abszolút korrektek és szabályosak lenni, ajánlom figyelmébe az International Electrotechnical Commission idevágó IEC 60086 számú szabványát. Eszerint az elemek élettartamának meghatározását 3,9ohmos terhelés mellett napi egy óra működés és 23 óra pihentetés mellett kell meghatározni. Az elem akkor tekintendő lemerültnek, ha kapocsfeszültsége 0,8V alá csökken.

Bédi Sándor

Csoportot ajánlunk

Kapcsolódó oldalak

Scientix A természettudományos oktatás közössége
All you need is code Minden a kódolás tanulásáról
A National Geographic A National Geographic honlapja.
Interpress Magazin Az IPM honlapja archívummal
Világtudomány.hu A magyar és nemzetközi tudományos élet hírei
Űr világ Asztronautikai hírportál