Как выбрать сварочный электрод?

Уважаемые начинающие сварщики, в этой статье мы кратко расскажем про электроды и дадим практические рекомендации по их использованию.

Для выбора электрода необходимо определить:

• Толщину металла  — (чем толще металл, тем больше диаметр электрода).
• Марку стали — (черный металл, нержавейка, жаропрочный и т.д.).
• По электроду определяем ток!
• Положение сварки — (нижнее, горизонтальное, нижнее тавровое, вертикальное — сварка снизу вверх, потолочное, потолочное тавровое).

Что касается сварочного тока, который вы будете подавать на электрод. Каждый производитель электродов заявляет разный сварочный ток. Ниже мы приводим классические параметры, с этими параметрами согласились сварщики, которые работают в профессии не один год. 

Выбор тока также зависит от пространственного положения и величины зазора. Например: для диаметра 3 мм рекомендуется ток 70-80 А. Это ток для сварки в потолочном положении или вертикаль на подъем, а также, если зазор соизмерим или более диаметра электрода. Если же варить в нижнем положении, при этом зазора нет и позволяет толщина металла, то можно на простом электроде дать 120 А.

Опытные сварщики советуют пользоваться следующей формулой. Вы можете попробовать следовать этой формуле. 

Сила тока рассчитывавшийся по формуле 30-40 А. на 1мм электрода, т.е на электрод d 3 мм. ставим ток 90-120 А., на электрод d 4мм ставим ток 120-160А и т. При сварке в вертикальном положении уменьшаем силу тока на 15%.

Диаметр 2 мм. – 40 – 80 Ампер. «Двойка» — пожалуй, самый капризный электрод. Многим кажется, что чем меньше диаметр электрода, тем легче работать. Но это не совсем так. Например: «двойка» требует определенных навыков и сноровки, она быстро горит и очень сильно греется, если вы выставили большой ток.  «Двойка» хороша тем, что требует мало тока и сваривает тонкие металлы. Но нужно умение и терпение.

Диаметр 3 мм или 3.2 мм. – 70-80 Ампер. ПРИ УСЛОВИИ СВАРКИ НА ПОСТОЯННОМ ТОКЕ.  Все сходятся во мнении, что 80 Ампер – это максимальное значение тока, все что выше – это уже не сварка, а резка. Попробуйте начать сварку с 70 Ампер, поймете, что не проваривает — добавьте 5-10 Ампер, если и 80 Ампер мало — крутите ручку регулировки сварочного тока до 120 А., но не более. Если вы варите на ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ – вам следует выставить 110-130 ампер. Иногда даже до 150 Ампер. Но скорей всего вам это не нужно, так как у вас инверторный сварочный аппарат, а не трансформаторный. 

Диаметр  4 мм. – 110-160 Ампер. Как видите колебание в 50 Ампер, это связанно с тем, какой у вас толщины металл и какой у вас навык работы «четверкой».  Мы опять же рекомендуем пробовать с 110 Ампер и по мере необходимости добавлять силу тока. 

Диаметры от 5 мм и выше

– это уже профессиональные электроды, как правило, их используют сварщики профи. Давать им рекомендации мы не будем, они и так знают как ими работать, а начинающим сварщикам они попросту не нужны. Скажем лишь, что такие диаметры чаще используют не для сварки, а для наплавки.

Какой выбрать сварочный электрод?

Мы сейчас расскажем об основных типах сварочных электродов.

МР-3 и АНО – эти электроды лучше использовать на переменном токе. Они не прихотливы к сырости. Эти электроды не для ответственных конструкций, ими никогда не варят мосты и несущие балки крыши, ими варят заборы, ворота и теплицы на даче, ограждения, небольшие металло-контрукции бытового назначения.  Если нет сверх нагрузки – это электроды для Вас. Самые востребованные марки у сварщиков любителей и дачников.

УОНИИ 13/55 – это отличные электроды, но очень «специфические».  УОНИИ 13/55 варят профессионалы. Надо варить на короткой дуге! Это электроды для ответственных конструкций. Горят только на постоянном токе, любят стабильную дугу и не любят скачков напряжения. Начинайте работать с УОНИИ 13/55 только тогда, когда вы научитесь варить МР-3 и АНО. 

LB-52U – мы рекомендуем покупать эти электроды японской фирмы KOBELCO. Эти электроды берут для сварки труб под высоким давлением. Очень качественный шов. Электроды LB-52U одни из самых дорогих, как правило, их покупают предприятия и структуры связанные с ремонтом городских тепло/водо сетей. 

Мы ознакомили вас с самыми ходовыми электродами. Ниже мы расскажем кратко об электродах Концерна ESAB (Швеция), возможно вы найдете именно то, что вам нужно. Все электроды фирмы ESAB начинаются с букв ОК – в честь основателя Концерна Оскара Кельберга.

OK 46.00 ESAB (Россия) – сваривать металлы этими электродами можно на постоянном и переменном токах. Часто эти электроды называют УНИВЕРСАЛЬНЫЙ или ЭЛЕКТРОД ДЛЯ СТАЛИ. Если вы не знаете что выбрать, берите эти электроды – не прогадаете. Электроды хороши тем, что имеют широкую линейку диаметров. Всегда можно подобрать нужный именно вам.

OK 48.00 ESAB (Швеция) — только постоянный ток. Идеально подойдут для ответственных конструкций. 

Cпециальные электроды.

OK 61.30 ESAB – сварка нержавейка/нержавейка (марки стали 304, 308L, 03Х18Н11, 06Х18Н11, 08Х18Н10, 08Х18Н10Т, 12Х18Н10).

ОК 67.60, ОК 67.62 ESAB — сварка нержавейка/сталь.

OK 63.30 ESAB (российские аналоги АНВ-26) – (марки стали 316, 03Х17Н14М2, 10Х17Н13М3Т, 06Х19Н11Г2М2) идеально подходят для сварки тонкостенных труб и тонколистовых изделий. 

Если вы не понимаете, какая сталь перед вами, вы не знаете ее состав – ваш выбор OK 68.81, OK 68.82 – этими электродами можно сваривать разнородные стальные изделия и стали неизвестного состава.

При сварке чугуна много нюансов!

Сварка чугун\сталь ESAB OK 92.18 (новое название OK Ni-Cl) — предназначены для сварки нетолстого чугуна (не более 3 слоев). 

Сварка чугун\чугун; чугун\сталь ESAB OK 92.60. (новое название OK NiFe-Cl) -ими как раз можно варить чугун любой толщины и чугун со сталью

Сварка алюминия. Алюминий очень сложный металл, требует прогрева перед сваркой, быстро плавится и быстро застывает. Обычно алюминий варят TIG или MIG сваркой. Варить алюминий электродом очень сложно, но если у вас получится – вы можете считать себя мастером! 

OK 96.20 ESAB — им можно варить очень ограниченное количество марок алюминия. Внимательно изучите состав.

Самый универсальный электрод по алюминию — это ОК 96.40. ВАЖНО, что электрод по алюминию надо использовать в один поджег. Незаконченный электрод надо заменять новым. Плюс, в отличие от сталей, надо совершать круговые движения концом электрода.

Для чего нужно прокаливать электроды?

Прокаливают электроды для того, чтобы убрать из них влагу.  Если электрод отсырел – при сварке могут возникнуть дефекты в сварочном шве или электрод будет постоянно прилипать к изделию. 

Обращаем внимание на то, что в нашем интернет-магазине все электроды «свежие», мы закупаем их у поставщиков имеющих специальные отапливаемые склады, электроды не хранятся на складах больше месяца, все пачки имеют герметичную упаковку. 

Строительные компании имеют специальное оборудование для прокалки электродов, сварщики-любители, как правило, не имеют таких установок. Если вы открыли новую пачку – мы рекомендуем вам ее либо израсходовать полностью, либо убрать остатки не использованных электродов из пачки в сухое теплое место. Не храните электроды на открытом пространстве, на чердаках и в подвалах. 

Полезная информация.

Толщина металла, мм.	1.1-2.0	3.0	4.0-5.0	6.0-8.0	9.0-12.0	13.0-15.0
Диаметр электрода, мм.	1.5-2.0	3.2	3.2-4.0	4.0	4.0-5.0	5.0

Прямая полярность и обратная полярность.

Если электрод на «+», а клемма на «-«, то больше плавится электрод. — это называется обратная полярность.

Если электрод на «-«, а клемма на «+», то больше плавится свариваемый металл. — это называется прямая полярность.

Постоянный ток — это DC, переменный ток — это AC.  Как правило все сварочные аппараты ручной дуговой сварки варят на DC (постоянном токе).

При сварке на прямой полярности проплавление меньше (сварка тонколистовых изделий), и соответственно при обратной полярности больше (толстостенные изделия).

Покупайте надежную технику, зарекомендовавших себя фирм, а также качественные электроды, тогда сварка будет в радость!

Подбор горелки MIG →← Обзор сварочного полуавтомата Ergomax MIG 140

Как начать работать электросваркой для чайников — Ручная дуговая сварка — ММA

Последнее время много варю, и стало получаться так, что самому нравится.

В итоге решил собрать все те вопросы на которых спотыкался и не мог найти ответы в интернете, и свои ответы на них в одну подборку. Дабы облегчить жизнь тем, кто так же начнет с ноля. Заодно и проговорить свои мысли, чтобы их упорядочить. Разумеется на истину не претендую. Далее речь идет о ручной дуговой сварке. И для чайников. Основная задача этого опуса — быстрый старт для начинающего. Прошу сильно не пинать. Я не настоящий сварщик. :hi:

Итак

 

1. Чтобы начать варить вам нужны электроды и источник сварочного тока.

 

Источники сварочного тока бывают трансформаторные (большой тяжелый трансформатор) и инверторные (небольшая коробка с ручкой сверху). Трансформаторные были раньше, но видимо скоро их не будет, они отмирают. Трансформаторный источник тока отличается тем, что очень тяжел, надежен и вынослив, но при этом он очень сильно просаживает электрическую сеть, что в быту приводит к большим проблемам. Вы переругаетесь с соседями или ещё хуже, сожжете проводку или электрическую аппаратуру. Оно вам надо? Оно вам не надо.

 

Инверторные источники тока не просаживают сеть так сильно и имеют кучу удобств, которые оказываются важны для начинающего. В случае прилипания электрода сварочный трансформатор просаживает питающую сеть что может привести к большим проблемам, инвертор же просто выключает сварочный ток. В начальный момент сварки, когда дуга только зажигается, на трансформаторном сварочном источнике происходит бросок тока, который приводит к броску тока в питающей сети и сгоранию соседской аппаратуры, инвертор же имеет накопительные конденсаторы и разжигает дугу энергией, запасённой в этих конденсаторах, без бросков в питающей сети.

 

Инверторные источники различаются по максимальному выдаваемому току и периоду нагрузки.

 

Выдаваемый ток источника прямо зависит от диаметра электродов. Чем толще электрод тем больше должен быть ток источника. Для каждого диаметра электрода есть нижний предел, ниже которого уменьшать ток нельзя. Если уменьшить ток ниже этого предела то сварочного шва вы не получите. Вместо шва будет смесь прожилок металла с прожилками шлака, обмазки с электродов.

 

Например

Для электрода 2.5 мм диаметром минимальный ток около 80 ампер.

Для электрода 3 мм диаметром минимальный ток 110 ампер.

 

Так, попытка варить электродами 3мм диаметром на токе 70 ампер сразу и однозначно обречена на провал. Шва не будет. Однако же электрод 2.5 мм на токе 110 ампер и даже выше, варить будет, и шов будет, правда электрод будет очень быстро сгорать и будет неудобно работать.

 

Большая точность при выставлении сварочного тока не требуется. Требуется подняться выше нижнего предела. Косвенным признаком правильного тока является то, что дуга начнет гореть с сухим треском, без бульканья и гуденья.

 

Казалось бы, поднимай ток как можно выше, бери электрод потолще и всё будет замечательно. Однако же не будет. Стандартное напряжение сварочной дуги — 25 вольт. При токе например 110 ампер потребляемая мощность будет минимум 2.7 квт. В реальности больше, ибо КПД источника тока не 100%. В большинстве квартир и в обычной бытовой электрической сети стоят предохранительные автоматы на 16 ампер, на 3.5 квт.

Таким образом, если мы вдруг решим варить током 140 ампер, что составит 3.5 квт чистой потребляемой мощности, то у нас уже ничего не выйдет. Автоматы отключат электричество.

Таким образом про электрод диаметром 4 мм в бытовой сети можно забыть. Соответственно верхний предел диаметра электродов для начинающего сварщика — 3.2 мм диаметр. Верхний предел тока — 120 ампер. Этого например достаточно чтобы сварить два уголка 60х60мм. Но этого уже недостаточно для приваривания массивных петель для гаражных ворот. Это предел и вы ничего не сможете с этим поделать. Электрод 3 мм диаметром толстое массивное железо не прогреет, металл электрода будет собираться соплями на поверхности свариваемого металла, не проплавляя его. Сварки не будет.

 

Таким образом, толщина свариваемого металла определяет толщину сварочного электрода.

Толщина сварочного электрода определяет сварочный ток. Если ваш источник и ваша электрическая сеть этот ток выдать не могут, то нормальную сварку вы не сделаете и лучше ищите другие пути решения.

 

Таким образом, сварочный инвертор с максимальным током 140 ампер достаточен для бытовых нужд в бытовой электрической сети (часто выбором является инвертор на 160 ампер, но это уже скорее из соображений запаса по мощности и надежности). Ограничением будет электрическая сеть. Инвертор с максимальным током 200 ампер будет потреблять от сети 5 кВт мощности. Что приведет или к отключению автоматов или к сгоранию проводки.

 

Однако, следует понимать, что если на инверторе с максимальным током 200 ампер выставлен ток 100 ампер то и потреблять от сети при сварке он будет 2.5 квт.

 

Период нагрузки (ПВ) источника тока это величина, показывающая, отношение времени сварки к времени холостого хода источника. Бытовые источники не могут работать непрерывно. Они так спроектированы, что должны периодически остывать. Это плата за дешевизну. Период нагрузки очень важен и покупать источник не зная этот параметр нельзя. Если вы купите источник с ПВ 15%, то после каждых 1.5 минут сварки вам придётся 8.5 минут стоять и ждать, пока источник будет остывать. При попытке варить непрерывно он в лучшем случае выключится, сработает защита, в худшем случае сгорит. Минимальным ПВ, пригодным для бытовой работы можно считать 50-60%. Источник с меньшим ПВ покупать просто не надо. Это пустая трата денег, работать им невозможно. Хотя они и стоят во всех магазинах, но покупать их не надо.

 

2. Перед сваркой.

При сварке постоянным током (бытовой инвертор) имеется плюс и минус источника. Полярность, какой провод куда подключать, определяется исходя из используемых электродов. Если же электроды одинаково хорошо работают при любой полярности, то следует понимать следующее -электроны, как известно, отрицательно заряженные частицы и двигаются с минуса на плюс. А сварочная дуга это поток электронов. Соответственно, если плюс источника сварочного тока присоединён к детали, то нагреваться больше будет деталь, ибо в неё ударяет поток электронов. Если плюс источника присоединен к электроду, то и нагреваться (и сгорать соответственно) быстрее будет электрод. Типовой является обратная полярность, при которой больше греется электрод. В принципе это объяснимо тем, что тонкими электродами варится тонкое железо и его легко можно прожечь.

 

3. Сварка.

Все многостраничные описания того, как двигать и как держать электрод, практически никак не влияют на качество шва. Возможно влияют на форму шва, но тут уже каждый себе сам хозяин. В быту, где нет больших нагрузок на сварные конструкции простой прямой качественный шов гораздо лучше, чем все зигзаги с дырами непроварами. От вас только требуется взять электрод так, чтобы было видно место сварки.

 

Соответственно:

Делай раз: Электрод в руку, Угол наклона градусов 30 от перпендикуляра к детали. чиркнул о деталь, зажглась дуга.

 

Делай два: Электрод максимально близко к детали, Обмазка электрода уперлась в деталь. Дуга горит.

 

Делай три: Стоим и ждем, электрод не шевелим, только не забываем его приближать к детали по мере его сгорания. Электрод так и должен постоянно упираться обмазкой в деталь. Стоим и ждем, пока не начнет появляться красное пятно. Это красное пятно — это расплавившаяся обмазка с электрода, это флюс, это ещё не металл. Металл там потихоньку под слоем флюса собирается в каплю, которая по научному называется сварочная ванна. По простому это капля расплавленного металла. Наша задача сначала эту каплю получить, а потом её перемещать по поверхности детали. Понятно, что в каждый момент в этой капле будет разный металл, в том месте, откуда электрод убрали металл быстро, в течение секунды двух, застывает, а в том месте, куда электрод переместили металл расплавляется. Но капля, ванна остаётся.

 

Делай четыре: В какой то момент времени, через две три секунды, в центре красного пятна, начнет появляться более яркое, оранжевое, пятнышко с постоянно дрожащей поверхностью с мелкой рябью. Прямо как желто оранжевая водичка. Нам эта поверхность и нужна, это расплавленный металл собрался в каплю, и эта капля дрожит под действием электрического тока и температуры. Официально эта капля называется сварочная ванна. Это хорошо, это то место, где металл плавится и будет нормальный шов.

 

Делай пять: Как перемещать ванну? Если примитивно то метод такой — зажгли дугу, стоим ждем на месте, пока не появится ванна, сдвигаем электрод на миллиметр два три в ту сторону, куда нам нужен сварочный шов, опять стоим ждем пока не появится оранжевая поверхность с рябью. Индикатором того, что можно двигаться дальше, является появление ванны, оранжевого пятна с дрожащей поверхностью с мелкой рябью, в том месте, где электрод находится сейчас. Пока этого оранжевого пятнышка, ванны, нет, двигаться никуда нельзя. Надо создать эту ванну и только потом сдвигаться в сторону.

 

Следует помнить, что ванна получается из расплавленного металла, а расплавленный металл берётся из электрода. Соответственно надо очень и очень себя приучить к автоматическому движению рукой приближения электрода к детали. Именно приближение электрода к детали наполняет ванну. Если вы забыли приблизить электрод к детали, то металла в том месте, где горит дуга, нет. И ванне формироваться не из чего. И шва в этом месте не будет. Расстояние от кончика электрода до детали должно быть всегда минимальным. Грубо говоря, надо постоянно почти макать электрод в то место, где горит дуга. Если макать совсем, то в инверторе сработает защита от короткого замыкания и он выключится. А нам надо макать почти. За ориентир можно принять расстояние, когда электрод стоит на детали, упираясь в неё краем обмазки.

 

Сварка в итоге выглядит так

1. Первые две три секунды формируем первую сварочную ванну. Появилась дрожащее оранжевое пятнышко с мелкой рябью — сдвигаемся в сторону на 1-2 миллиметра.

2. Стоим и ждем пока появится оранжевое дрожащее пятнышко. Если все нормально, то но должно появиться где то за секунду или меньше.

3. Сдвигаемся на 1-2 миллиметра по шву, возвращаемся к пункту 2. И так столько раз, сколько надо.

 

Если при таком режиме металл проплавляется насквозь, значит надо или взять электрод потоньше, а вместе с электродом уменьшить и сварочный ток и следовательно и количество тепла, или надо периодически останавливаться и ждать, пока металл схватится. То есть сделав два три шага сварки остановиться, прервать дугу, и стоять ждать, пока металл из оранжевого не станет темно красным. Потом опять два три шага сварки и опять ждать.

 

 

Несколько замечаний:

Если вы прожгли дыру — не бросайтесь тут же её заваривать, ничего не выйдет, в этом месте металл горячий и при попытке заварить он снова расплавится. Перейдите дальше по шву на сантиметр два и начните варить там. К дыре вернитесь потом, когда металл застынет и можно будет сколотить шлак. Сколотив шлак, на холодную, уже заваривайте дырку.

 

Если после сварки шлак скалывается большими плоскими чешуйками — значит сварочный ток нормальный и сварка видимо тоже. Если шлак не скалывается чешуйками — сварочного тока не хватает и шва не будет.

 

Электроды бывают разные. Бывают китайские МР3. От них очень очень много шлака. Эти электроды дешевые и это единственное их преимущество. Для начинающего они категорически противопоказаны. От них вы только устанете.

 

Электроды бывают OK.46 фирмы esab. Эти электроды лучше всего для совсем начинающего. От этих электродов шлака мало и весь процесс сварки отлично виден. Шлак от них тонкий и скалывается чешуйками в сантиметр шириной и несколько сантиметров длиной. Бывает, что шлак отстаёт от металла сам. Ещё одно огромное преимущество для начинающего (и удобство при постоянной работе) этих электродов в том, что они зажигаются поверх шлака. То есть ими не надо долбить электродом чтобы зажечь дугу. Их можно просто прикоснуть к детали и дуга загорится. Даже с необбитым шлаком. Что по хорошему говоря — плохо. Шлак надо оббивать. При условии нормально проваренного шва шлак оббивается легко.

 

Электроды бывают LB52u. Эти электроды дают белый как полированный шов и глазурованный слой шлака сверху. У них практически идеальный шов. Главный их недостаток в том, что если вы прервали дугу, то снова вам её уже не зажечь, ибо шлак как стекло. Придется остановиться, дождаться пока металл остынет, оббить блестящую корку шлака, и только потом снова зажечь дугу. Если варить не останавливаясь (толстое железо), то эти электроды наилучшие. Правда и самые дорогие.

Изменено 11 июня, 2011 пользователем Паниковский

Расчет силы тока при сварке

Качественная сварка невозможна без точного и правильного расчета силы тока – важнейшего параметра в технологии сварочных работ. Если этот показатель слишком низкий, стержень будет залипать, и поджига дуги не произойдет. Напротив, если выбраны слишком высокие токи, электродуга зажжется хорошо, но возможно прожигание металла детали. Кроме того, и сам стержень сгорит быстрее, чем положено, особенно, если он небольшого диаметра.

Как же рассчитать необходимую мощность? Каким током варить электродом того или иного диаметра? Давайте посмотрим деально.

Ключевые параметры расчета режима сварки

Правильно выбранный режим работы сварочного оборудования обеспечивает хороший и быстрый поджиг и стабильную электродугу. Помимо силы тока параметрами, которые влияют на настройку режима, являются:

• род тока (постоянный, переменный) и полярность постоянного;
• диаметр электродного стержня;
• марка электродного проводника;
• пространственное положение шва при выполнении работ.

Чем больше перечисленных показателей учитывается в расчетах, тем качественнее будет результат. Рассмотрим, какой ток на какой электрод подается в зависимости от толщины последнего.

Диаметр электрода и сила тока

Толщина электрода напрямую зависит от толщины свариваемых деталей и размера сварного шва. Если ширина последнего не превышает 3–5 мм, то опытный сварщик, как правило, выберет расходник диаметром от 3 до 4 мм. При больших размерах сварочной ванны (5–8 мм) толщина стержня обычно составляет не более 5 мм.

Что же касается величины тока, то работают такие показатели. 

• При d 3 мм – от 65 до 100 Ампер. Диапазон значений широк, они зависят от пространственного положения шва и химического состава свариваемого металла (соответственно и металла сердечника). Сварщики-новички и любители не ошибутся, если выберут усредненное значение – 80–85 Ампер.
• При d 4 мм – от 120 до 200 А. Зависимость та же – состав металла, расположение шва в пространстве. Это самый распространенный диаметр стержня, характерный для промышленных работ. Позволяет варить и тонкие, и широкие швы. 
• При d 5 мм значение варьируется в диапазоне 169–250 А. Это уже достаточно большой диаметр. Роль играют не только состав сплава и положение шва, но и глубина проварки: чем она больше, тем больше должна быть и сила тока. Если глубина сварочной ванны не менее 5 мм, в режиме должен быть выставлен максимальный показатель – 250 А.
• При d 6–8 мм минимальный показатель мощности те же 250 Ампер. В условиях тяжелых работ с использованием трансформаторов он увеличивается до 300–350 А.

Ниже в таблице приведены рекомендуемые значения, которые известны любому профессиональному сварщику, но которые могут быть полезны для любителей и новичков.

Диаметр электрода, мм	Толщина металла, мм	Сила тока, А
1,6	1… 2	25… 50
2	2… 3	40… 80
2,5	2… 3	60… 100
3	3… 4	80… 160
4	4… 6	120… 200
5	6… 8	180… 250
5… 6	10… 24	220… 320
6… 8	30… 60	300… 400

Положение шва

Пространственное положение шва также играет большую роль при расчете мощности. Какой ток для сварки электродом выбрать с учетом этого критерия? Здесь важно знать, что наибольшие значения выбираются при заваривании швов в горизонтальном (нижнем) положении. Если шов накладывается вертикально, то сила тока в среднем будет на 10–15% меньше.

Самый низкий показатель – при наложении потолочных швов: ток должен быть ниже в среднем на 20%, чем при работе на горизонтальных поверхностях. Для наглядности укажем значения в таблице (на примере электродов с обмазкой основного типа).

d электрода, мм	Пространственное положение
	Нижнее	Вертикальное	Потолочное и полупотолочное
3	100… 130 А	100… 130 А	90… 110 А
4	170… 220 А	160… 180 А	150… 180 А
5	210… 250 А	180… 200 А	Сварка не выполняется

Полярность

Сварка современными аппаратами производится только постоянным током прямой или обратной полярности. Электроды постоянного тока обеспечивают гораздо большую (на 15-20%) глубину провара, чем при использовании переменного тока от трансформатора. 

• На прямой полярности варят чугун, низколегированные, низко- и среднеуглеродистые стали и добиваются глубокого проплавления металла деталей.
• На обратной варят более широкий спектр сталей (низколегированные, низкоуглеродистые, средне- и высоколегированные), сваривают тонкостенные конструкции, также ее используют при высокой скорости плавления электродов.

И глубокий провар, и высокая скорость сварки требуют больших величин тока. Таким образом, и при обратной, и при прямой полярности сила тока может быть увеличена в обоих указанных случаях.

Напряжение

Отдельно следует сказать о напряжении. На современных инверторных устройствах этот показатель выставляется автоматически, поэтому в расчетах он не играет существенной роли. Для РДС этот диапазон составляет 16–30 Вольт.

Не влияет данный параметр и на глубину провара. Здесь важен фактор безопасности: в момент замены электрода напряжение дуги резко повышается до 70 В, поэтому сварщик должен быть крайне осторожен.

Формула расчета

Опытные сварщики обычно настраивают электродугу экспериментальным путем, не делая сложных предварительных расчетов. А новичкам пригодятся не только размещенные в статье таблицы, но и формула, по которой рассчитывается, каким электродам какой нужен ток. Она действует в отношении электродов самых востребованных диаметров (3–6 мм).

• I = (20+6d)d, где
• I – сила тока, d – диаметр электрода.

Если толщина стержня менее 3 мм, расчет осуществляется по формуле: I = 30d.

Однако и этими формулами следует пользоваться с учетом пространственного положения сварки: при потолочной варке отнимаем 10–15% от результата, который получаем по формуле.

Все важнейшие параметры режима сварки производитель, как правило, дает на упаковке. Не исключение – продукция Магнитогорского электродного завода. При корректной настройке необходимых показателей режима сварочных работ электроды МЭЗ обеспечат отличный поджиг электродуги, ее устойчивое горение и образцовый результат – ровный сварной шов с необходимыми характеристиками.

Возможно, вас заинтересует

Возможно, вас заинтересует

Возможно, вас заинтересует

Сварка инвертором тонкого металла

Из не толстой стали выполнено множество конструкций. Это кузова автомобилей, емкости под жидкости, и трубки небольшого диаметра. На предприятиях сварка тонких листов металла осуществляется специальными аппаратами, обеспечивающими оптимальное соединение. Но как сварить подобные материалы в быту? Какие электроды подойдут? На каких режимах аппарата вести шов? Сварка инвертором тонкого металла будет успешной, если знать ответы на эти вопросы, а также посмотреть соответствующее видео.

Особенности работы с листовым железом

Не все сварщики умеют сваривать листы стали толщиной 1-1.5 мм. Это требует определенных знаний и навыков. Но если проявлять упорство и практиковаться, а также изучать видео о том, как варить тонкий металл инвертором, то можно достичь значительных успехов.

Сварка тонкого металла осложняется следующими факторами:

• Прожоги. Поскольку свариваемый материал довольно тонкий, в нем часто случаются сквозные дыры. Это наиболее распространенная ошибка начинающих сварщиков. Причиной служит неправильно выбранная сила тока и медленное ведение шва.
• Непровары. Желая избежать первого дефекта, сварщики слишком спешат при прохождении стыка, и остаются не проваренные места. Это портит герметичность соединения, и делает непригодным изделие под работу с жидкостями. На излом и разрыв сопротивление тоже маленькое. В решении ситуации помогают правильные настройки инвертора и выбор электродов.
• Наплывы с обратной стороны. Сварка тонколистового металла сопровождается еще одной распространенной проблемой — выступающими валиками с обратной стороны поверхности. С лицевой части изделие имеет ровный шов, без пор и непроваров, но расплавленный металл сварочной ванны, под действием силы тяжести, продавливает участок шва на другую сторону. Ситуация решается специальными подложками или уменьшением силы тока, и изменением техники наложения шва.
• Деформация конструкции. Листовая сталь быстро перегревается, что ведет к расширению межмолекулярной составляющей. Конструкция начинает вытягиваться в зоне нагрева. Поскольку края изделия остаются холодными, поверхность покрывается волнами или общим изгибом. На не ответственных изделиях возможна холодная правка формы резиновыми молотками. Но если такой возможности нет, то применяется определенное чередование наложения шва по всей длине.

Используемые электроды

Чтобы успешно справиться с подобной работой важно правильно выбрать электроды для тонкого металла. Поскольку сварка ведется на пониженных токах, применение электродов диаметром 4 и 5 мм будет «душить» электрическую дугу, не давая ей нормально гореть.

Оптимальным вариантом для соединения тонких металлов являются электроды диаметром 2-3 мм. Дуговая сварка пройдет успешно, если предварительно прокалить расходные материалы при температуре 170 градусов. Это позволит покрытию плавиться равномерно, не мешая манипулированию дугой и формированию шва.

Электроды для сварки тонкого металла должны иметь качественное покрытие. Технология работы с листовой сталью подразумевает прерывистую дугу, для чего электрод кратковременно отрывается от сварочной ванны. Если обмазка будет тугоплавкой, то результатом станет образование своеобразного «козырька» на конце электрода, мешающего контакту с поверхностью и возобновлению дуги.

Режимы аппарата и параметры сварки

Опытные сварщики знают как варить тонкий металл, благодаря опробованию разнообразных настроек аппарата. В результате были выведены оптимальные параметры, хорошо подходящие для этого вида работ. Вот основные настройки:

Толщина металла, мм	Сила тока, А	Диаметр электрода, мм
0.5	10	1
1	25-35	1.6
1.5	45-55	2
2	65	2
2.5	75	3

Сварочный ток важно установить ниже, чем при работе с толстыми пластинами. Это поможет избежать прожогов и подтеков. Отлично зарекомендовали себя в этой области инверторы, позволяющие варить переменным напряжением, но с высокой частотой, а также аппараты постоянного тока.

Если настройки агрегата позволяют выставлять уровень стартового напряжения, то следует этим воспользоваться и установить меньшее значение (примерно на 20%), чем рабочий ток. Это не даст пропалить участок при начале розжига дуги и поможет начинать сварку сразу в месте соединения. Если стартовый ток не регулируется, то можно запалить электрод на толстой поверхности, а затем перенести на стык.

Сварка тонкого металла подразумевает работу на малых токах. Для этого настройки инвертора должны поддерживать рабочие значения амперметра на уровне 10-30 А. Если минимально регулируемая величина выше этих параметров, то понизить силу тока возможно дополнительным сопротивлением в цепи. Для этого используется пружина из высокоуглеродистой стали, помещаемая между изделием и кабелем массы. Поможет и установка дополнительного балластника, понижающего ток до нужного уровня.

Если настройки аппарата поддерживают работу импульсного режима, то можно воспользоваться этим. Особенно тонкую сталь сваривают прерывистой дугой. Импульсный ток будет автоматически разрывать дугу, давая металлу остыть.

Техника сварки

Сваривание тонколистового железа требует грамотного подвода краев пластин друг к другу. Соединение в стык часто приводит к прожогам, и подходит только для опытных сварщиков. Если есть возможность, стоит расположить пластины внахлест. Это создаст некоторое основание для наплавляемого металла, и не позволит прожечь все изделие. Электрод в этом случае направляется преимущественно на нижнюю пластину, т. к. иное положение приведет к подрезам верхней стороны.

При соединении в стык разделка кромок не выполняется. Потребности в зазоре тоже нет. Необходимо максимально плотно свести торцы деталей и выполнить прихватки. Невысокая сила тока и тонкие электроды значительно облегчаю работу. Далее варить можно несколькими способами:

• Выставить малый ток и быстро вести шов без колебательных движений, строго по линии соединения.
• Приподнять силу тока немного выше, но вести шов прерывистой дугой, давая металлу время остыть, перед очередной «порцией» присадки.
• Варить вышеописанными способами, но с использованием специальной подложки, для поддержания разогретого участка и избежания проваливания. Металлический стол здесь не подойдет, поскольку изделие может частично привариться к нему. Хорошей альтернативой будет графитовая подкладка.
• Для предотвращения сильной деформации накладывать швы в шахматном порядке, либо небольшими участками (по 100 мм). При последнем методе заканчивать следующий шов необходимо на месте начала предыдущего. Это позволит равномерно нагреть изделие по всей длине, и минимизировать деформацию.

Сварка ведется короткой дугой, что позволяет быстро сформировать шов и избежать перегрева участка. Увеличение дистанции между концом электрода и поверхностью, визуально не дает прожечь пластины, но не содействует образованию сварочного валика. Электрод держится на себя под углом 45 градусов, или под наклоном в сторону. Прямого угла следует избегать, т. к. это ведет к прожогам.

Альтернативные методы

Кроме инверторов, хорошо подойдет и полуавтоматический способ сварки, особенно при работе с корпусами автомобилей. Преимущество заключается в отсутствии необходимости менять электрод, т. к. проволока подается постоянно. Это значительно ускоряет весь процесс при объемных проектах. Расстояние между изделием и грелкой легче контролировать, поскольку нет сгораемой части электрода. Начинающим сварщикам легче освоить этот метод.

Сварка полуавтоматом позволяет работать с еще более тонкими листами стали ввиду использования проволоки 0,8 мм. Но подобное оборудование не всегда доступно в быту, поэтому инверторный способ остается востребованным. После рассмотрения данных советов становится понятно как правильно варить тонкий металл. Дополнительные видео о работе с инвертором и полуавтоматом помогут закрепить знания и приступить к практике.

Поделись с друзьями

1

0

0

0

ТЕХНОЛОГИИ ОБМАНА: СВАРОЧНЫЕ АППАРАТЫ MMA

Статья бренд-менеджера ТМ BestWeld Шкляревского Ю.

ТЕХНОЛОГИИ ОБМАНА: СВАРОЧНЫЕ АППАРАТЫ MMA

Сварка штучным электродом на просторах бывшего СССР имеет традиционное отечественное название — Ручная Дуговая Сварка, или сокращенно РДС. В западном мире и среди соотечественников, приступивших к освоению этой технологии не так давно, распространено англоязычное название MMA (от Manual Metal Arc – в буквальном переводе «ручная дуговая сварка металлов»). Речь идет абсолютно об одном и том же процессе.

Китайская промышленная революция сделала сварочное оборудование доступным для сотен миллионов людей с точки зрения цены. А применение инверторных технологий резко снизило уровень требований к уровню подготовки сварщика и к мощности источника электропитания. В итоге со второй половины нулевых годов мировой рынок инструмента потряс настоящий бум сварочного оборудования. В первую очередь, MMA: не менее 9 из 10 аппаратов, приобретаемых в розницу в нашей стране, относятся именно к ручной дуговой сварке штучным электродом. Сегодня сварочный аппарат еще не сравнялся по распространенности с молотком или дрелью, но уже точно превзошел некоторые виды электроинструмента и другого традиционного оборудования для строительства и ремонта. Тем не менее, разбираться в этом непростом оборудовании потребители лучше не стали. Чем беззастенчиво пользуются недобросовестные розничные торговцы и даже отдельные производители и импортеры.

НЕОДИНАКОВЫЙ ОДИНАКОВЫЙ СВАРОЧНЫЙ ТОК: ОДИН ВАРИТ, ДРУГОЙ НЕТ

Одной из немногих характеристик сварочного аппарата, в которых потребители разбираются хорошо (или думают, что разбираются), является диапазон сварочного тока. Причем главной является именно верхняя граница диапазона. Даже не искушенному в электрических процессах человеку понятно, что чем больше сила тока, выдаваемая аппаратом, тем лучше. По крайней мере, тем легче будет идти сварочный процесс.

Зерно разумного в таком предположении есть, но в целом оно ошибочно. Любой продавец в магазине сварочного оборудования пояснит, что чем выше сила максимального тока, тем больше диаметр электрода, который можно использовать с данным аппаратом. Подбор типа и диаметра электрода зависит от многих параметров, но непрофессиональным сварщикам обычно рекомендуют электроды АНО-21 или МР-3 из расчета диаметра «1 к 1»: чтобы диаметр электрода приблизительно был равен толщине свариваемого металла. Отсюда и выбор аппарата по току: ориентировочно 40-50А сварочного тока на 1 мм диаметра электрода. Еще раз, обе эти «методики» расчета – и диаметра электрода, и тока, требуемого для работы им — очень неточные. Зато просты и доступны для человека с ограниченным опытом или вообще без него. Именно ими, а не справочными таблицами, пользуется большинство обученных продавцов в профильных магазинах.

И вот покупатель определился с решением: будет варить электродом до 4,0 мм включительно. Значит, аппарат нужен, чтобы выдавал 160-200А сварочного тока. В магазин пришли 2 соседа по дачам. Один берет «по-минимуму» — аппарат на 160А. Второй с запасом – на 200А. Благо, разница в цене незначительна. Производитель первого заявляет, что аппарат справится с электродом до 4,0 мм, второго – до 5,0 мм.

Оба покупателя остаются довольными до того момента, пока решают попробовать свои аппараты в деле на электродах 4,0 мм. И вот тут вдруг обнаруживается удивительный сюрприз: поочередно подключаемые к одному и тому же источнику питания, аппарат с пределом в 160А 4,0-мм электрод «тянет». А аппарат с заявленным пределом в 200А 4,0-мм электрод поджигает, но дугу вести не дает – сразу обрывает. Про 5,0-мм электрод и говорить нечего. Расстроенный покупатель идет в сервисный центр, где его аппарат ставят на стенд и наглядно демонстрируют, что тот выдает даже больше заявленных 200А. Может, все 250А. Так что к аппарату претензий быть не может, и проблемы нужно искать где-то еще: в источнике электропитания, используемых электродах или вообще в том месте, откуда руки растут. Как же такое возможно???

Точно так же, как при игре в наперстки или обмене валюты с рук. Хотя иногда у поставщика оборудования нет заведомого умысла обмануть покупателя. Возможно, выдача менее мощного оборудования за более мощное происходит вследствие элементарной безграмотности. Но нередко, если верить менеджерам китайских заводов, это прямое указание российских (а также украинских, азиатских, ближневосточных, африканских и многих других) импортеров.

Оптимальный режим работы при сварке штучным электродом подразумевает ведение электрода на расстоянии от поверхности свариваемого металла, приблизительно равном диаметру электрода. (Точно выдерживать это расстояние, конечно, невозможно, но с опытом получается неплохо). Для поддержания дуги, т.е. перетекания электрического тока, требуется электрическое напряжение. И не какое-нибудь, а строго определенное. Рабочее сварочное напряжение регламентируется отечественными и международными стандартами. Оно должно составлять:

Uсв=20+0,04*Iсв, 

где Iсв – сварочный ток.

Несложно подсчитать, что для тока 160А сварочное напряжение должно составлять 26,4В, а для тока 200А – 28В. Практически на любом сварочном аппарате ММА можно обнаружить табличку, обычно отпечатанную прямо на корпусе, где обязательно указаны эти два показателя – сварочного тока (I2) и сварочного напряжения (U2). Увы, не факт, что они отражают действительные возможности аппарата. Также как данные в техническом паспорте, на упаковке, ценнике, в описании в Интернете и т.д.

Именно тот максимальный ток, для которого сварочный аппарат способен обеспечить предписываемое стандартом сварочное напряжение, и является его фактическим максимальным током. Иначе этот показатель называют максимальным номинальным током сварочного аппарата, или просто номинальным током аппарата. Так что, если ваш аппарат «не тянет» электрод, проверить нужно не только выдаваемый им сварочный ток, но и выдаваемое при этом сварочное напряжение.

Если последнее недотягивает до положенного по стандарту уровня пару вольт, аппарат расчетным электродом варить будет. Электрод придется вести ближе к свариваемому металлу, т.е. поддерживать более короткую дугу. Это неудобно и чревато непроизвольным «чирканьем». Но все-таки для опытного сварщика не смертельно – шов положить получится, хотя и не без мучений. При сварочном напряжении ниже 20 Вольт вести 3-4 мм электродом дугу не удастся в принципе. Она будет разрываться при попытке минимально приподнять электрод над поверхностью металла.  

«Зачем же так делать аппараты?» — наивный вопрос. Чтобы сэкономить на комплектующих. Чаще всего с умыслом привлечь покупателя, выдавая менее мощный аппарат за более мощный. Ведь величина номинального тока сварочного аппарата всецело зависит от источника питания  и его собственной мощности. А собственная мощность определяется мощностью основных компонентов самого аппарата: высокочастотного трансформатора, конденсаторов, транзисторов, реле. Естественно, чем мощнее компонент, тем дороже.

Если мощности источника питания недостаточно для обеспечения выходной мощности аппарата (произведение сварочного тока на сварочное напряжение), то, конечно, даже самая добросовестная комплектация аппарата ситуацию не спасет. Однако если в аппарат вставлены компоненты, не способные обеспечить заявленную мощность на выходе, то тут уж возможности источника питания ни при чем. Хоть к гидроэлектростанции подключай, а повысить мощность на выходе не удастся. Но… можно изменить параметры схемы аппарата так, чтобы при достижении предела выходной мощности аппарата ток еще можно было бы увеличить. За счет чего? За счет дальнейшего снижения сварочного напряжения, естественно. По стандарту положено: 160А*26,4В=4,24кВт. А можно эту же мощность разложить по-другому: 200A*21,2В=4,24кВт. Вот и получится, что в первом случае аппарат на 160А – это действительно аппарат на 160А. Он и электрод 4,0 мм будет плавить нормально. Во втором случае аппарат на 200А в действительности рассчитан на меньший номинальный сварочный ток. На какой именно, можно выяснить экспериментальным путем, одновременно замеряя сварочный ток и сварочное напряжение. 

НЕОДИНАКОВЫЙ ОДИНАКОВЫЙ СВАРОЧНЫЙ ТОК-2, ИЛИ ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА (ВАХ)

Сложновато? Если нет, то об этом же еще более сложно, зато наглядно. Я имею ввиду вольт-амперные характеристики аппаратов, а если точнее, параметров выдаваемой ими сварочной дуги (это не одно и тоже, но для простоты понимания будем считать, что одно). 

Режим обеспечения аппаратом сварочного тока и соответствующего сварочного напряжения обеспечивается только в определенном диапазоне выдаваемого сварочного тока. Этот диапазон называется рабочим диапазоном сварочного тока аппарата – на рис. соответствует отрезку «B». В пределах этого диапазона сварочное напряжение с изменением сварочного тока изменяется незначительно – по упомянутой выше формуле 20+0,04*Iсв. Получается, что разница между сварочными токами 160А и 200А составляет 40 ампер. В то же время разница между сварочными напряжениями, соответствующими этим токам, — всего 1,6 вольта.   

А что лежит в диапазоне ниже минимальной и выше максимальной границ сварочного тока?

На токах ниже минимальной границы рабочего диапазона (отрезок «A» на диаграммах ВАХ выше) сварочное напряжение значительно превышает требуемое стандартом. Однако этот участок соответствует очень важному этапу сварочного процесса – поджигу сварочной дуги. Чем выше напряжение до момента возникновения дуги, тем легче ее поджиг. (Ниже вопрос уровня напряжения холостого хода разъясню подробнее). С поджигом дуги напряжение снижается до рабочего.

Гораздо интереснее поведение сварочной дуги различных аппаратов за пределами верхней границы диапазона рабочих токов (на диаграмме выше отрезок «С»). Потому как ведут себя разные аппараты по-разному. Одни аппараты за пределами верхней границы рабочего диапазона удерживают сварочный ток на уровне, близком к уровню верхней границы. О таких аппаратах говорят, что вольт-амперная характеристика у них крутопадающая, или «штыковая» (левая диаграмма). У других аппаратов по достижении предела рабочего диапазона ток продолжает расти, но сварочное напряжение падает. Чем выше ток, тем ниже сварочное напряжение. О таких аппаратах говорят, что вольт-амперная характеристика у них полого падающая (правая диаграмма).  

Падающий отрезок ВАХ начинается с номинального тока аппарата. Эта точка на диаграмме соответствует достижению максимума мощности аппарата. Дальнейшее увеличение сварочного тока может достигаться только за счет одновременного снижения сварочного напряжения. Кульминацией роста тока аппарата является момент «втыкания» электрода в свариваемый металл. Т.е. короткое замыкание электрода на свариваемый метал. При прямом контакте сопротивление минимально, и ток достигает максимума.

Получается, что аппараты со «штыковой» ВАХ имеют максимальный сварочный ток, близкий к току короткого замыкания. При «втыкании» электрода в листовой металл такой аппарат его не прожжет, если только ток подобран правильно. Аппараты с полого падающей ВАХ имеют «значительный запас по току», т.е. способны выдавать ток, существенно превышающий номинальный. При этом уровень напряжения, естественно, обратно пропорционален току. Такие аппараты при «втыкании» электрода в листовой металл вполне прожечь его могут, даже если ток сварки был подобран правильно, — ведь при «втыкании» сила тока резко возрастет. Все зависит, конечно, от толщины металла и величины тока на режимах, близких к короткому замыканию.

Если посмотреть на проблему с мошенничеством на мощности аппаратов с точки зрения вольт-амперных характеристик, получается, что недобросовестные (реже неграмотные) производители и импортеры конструируют аппараты с полого падающей характеристикой, выдавая их нерабочий диапазон токов за рабочий. Т.е. выдавая менее мощные аппараты, рассчитанные на меньшие номинальные сварочные токи, но с полого падающей характеристикой, за более мощные аппараты, рассчитанные на большие сварочные токи.

На приводимом выше изображении двух ВАХ, схематически выполненном автором в «детском» редакторе Paint Brush без претензий на какую-либо точность, тем не менее, видно, что штыковая ВАХ слева принадлежит более мощному аппарату, чем полого падающая ВАХ справа. Номинальный сварочный ток у аппарата с ВАХ, приведенной слева, выше. Но ток короткого замыкания у полого падающей ВАХ справа значительно выше. Такая картина соответствует описанному в начале примеру, когда аппарат на 160А способен варить электродом 4,0 мм, а аппарат «на 200А» нет.

ФОКУС-ПОКУС: «АВТОМАТИЧЕСКАЯ» ФУНКЦИЯ ФОРСИРОВАНИЯ ДУГИ ARC-FORCE

Применение электроники позволяет делать оборудование «умным». Инженеры научили сварочные инверторы предугадывать некоторые типовые проблемы сварщика в процессе работы и помогать, компенсируя ошибки человека. Так аппараты, оборудованные функцией Arc Force, отслеживают увеличение длины дуги и на непродолжительное время (доли секунды) форсируют (т.е. увеличивают) подаваемый ток. Если рука просто дернулась, а не специально отводится с целью прерывания шва, такая помощь аппарата удержит дугу, позволив быстро вернуть руку в правильное положение и продолжить шов. Если же рука в отведенное время не вернулась в нормальное положение, это с высокой вероятностью указывает на то, что сварщик отвел руку не случайно. Ток отключается. Очень полезная функция, настоящее достижение научно-технического прогресса! Это понимают практически все производители и импортеры. Поэтому практически все рекламируют данную функцию на своих инверторных аппаратах. В том числе те, на чьих аппаратах ее нет. А таких большинство. 

Признаком наличия функции форсирования дуги Arc-Force на аппарате является ручка, регулирующая силу набрасываемого при срабатывании Arc-Force тока. Если же на панели управления в гордом одиночестве красуется лишь ручка регулировки силы тока, с высокой вероятностью никакой функции форсирования дуги в аппарате не предусмотрено. Зато аппарат имеет пологую ВАХ, обеспечивающую при укороченной дуге ток заметно выше номинального. Т.е. на стенде он может продемонстрировать «дополнительный» ток сверх заявленного номинального. Но удержать дугу этот ток никак не поможет. Еще раз см. случай выше с аппаратом на 200А.

Кстати, помните, что даже аппараты с действительно присутствующей функцией Arc Force не способны форсировать сварочный ток, если Вы и так работаете на его пределе. На языке действий это означает, что если ваш аппарат рассчитан на номинальный ток 160А, а в режиме срабатывания Arc Force набрасывает до 20А, при срабатывании функции  в режиме 120А, аппарат форсирует ток до 140А. Но в режиме работы на предельном токе 160А набрасывать ему уже нечего – в таком режиме вся мощность аппарата уже задействована. Поэтому, если продавец Вас уверяет, что «это аппарат на 160А, но с включенным режимом форсажа – все 180», это очень маловероятно. Зачем производителю оставлять не реализованной мощность аппарата «про запас» для функции Arc Force? Непозволительная роскошь – ведь эту мощность можно задействовать не для краткосрочных набрасываний тока, а постоянного использования. Т.е. для увеличения верхней границы диапазона рабочего тока.

НЕ ДРЕВНИЕ, НО МИФЫ: ОБ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

Важный вывод из изложенного выше: при одной и той же силе сварочного тока уровень сопутствующего ему сварочного напряжения у всех сварочных аппаратов должен быть одинаковым. Он определяется отечественными государственными и международными стандартами, которые, кстати, полностью совпадают. Соответственно, мощность на выходе всех сварочных аппаратов при одинаковом сварочном токе тоже должна быть одинакова:

Pвых=Iсвар*Uсвар,

Где Pвых – мощность на выходе аппарата, Iсвар – выдаваемый аппаратом сварочный ток, Uсвар – сварочное напряжение, соответствующее сварочному току по ГОСТ (=20+0,04*Iсвар). Например, выходная мощность при сварочном токе 160А у любого аппарата должна быть:

Pвых=160А*(20+0,04*160)=4,24кВт

Ну это на выходе – понятно, у всех должно быть одинаково. А на входе? Это же важный вопрос: какова должна быть мощность электрического источника, чтобы к нему можно было подключить сварочник? Полная потребляемая от источника мощность сварочных аппаратов конечно, может отличаться. Но чтобы понять, в каких пределах и насколько, предлагаю разобраться, от чего она зависит.

Мощность на выходе сварочного аппарата – это только часть мощности, поступающей на него из розетки или от генератора. В процессе работы электрические компоненты греются и отдают тепло в окружающую среду. Отношение мощности на выходе к непосредственно потребленной мощности на входе называется коэффициентом полезного действия, или сокращенно КПД. Для современных инверторных аппаратов этот показатель обычно лежит в пределах от 80% до 90%. Для расчетов можно брать 85%.

Итого, инверторный сварочный аппарат с номинальным током 160А с КПД 85% потребляет активную мощность, равную:

Pакт=Pвых/КПД

Пример расчета потребляемой активной мощности аппарата для сварочного тока 160А:

Pактив=160А*(20+0,04*160)/0,85=4,97кВт

Но это еще не все. Сварочный аппарат относится к типу приборов, преобразующих в выходную мощность и потери на КПД не всю электроэнергию, потребляемую от источника. Часть этой энергии он возвращает в сеть, не потребив. Возвращенная часть мощности называется реактивной мощностью. Специфика данной статьи не позволяет подробно разложить графики синусоиды тока и напряжения переменного тока, проходящего через сварочный аппарат, и продемонстрировать, откуда берется реактивная составляющая мощности, что такое «сдвиг по фазе» (он же «коэффициент мощности») и как его рассчитать. Вам придется поверить мне на слово, что чтобы получить полную мощность источника питания, требуемую для аппарата, активную мощность придется разделить на тот самый коэффициент мощности, иначе называемый «косинус фи» или еще «косинус угла сдвига по фазе». Опять-таки, Вам придется поверить мне на слово, что для большинства «приличных» современных сварочных инверторов он лежит в пределах 0,8-0,9. Для удобства я беру ту же усредненную цифру, что и для КПД – 0,85. Итого:

Pполн=Pактив/Кмощности

Пример расчета потребляемой полной мощности аппарата для сварочного тока 160А:

Pполн=(160А*(20+0,04*160)/0,85)/0,85=5,85кВА

Обратите внимание, что полная мощность измеряется в Вольт-Амперах (ВА), а не в Ваттах (Вт). Для приборов, преобразующих 100% потребляемой электроэнергии в тепло, показатели в ВА и Вт будут равны. Но не для сварочного аппарата. Рекомендую Вам пользоваться упрощенной формулой, выведенной выше: 

Pполн= Iсвар*Uсвар /0,85/0,85

Зачем пользоваться? Чтобы сразу определить, не вводит ли Вас продавец или производитель в заблуждение. Да и Вам полезно знать, выдержит ли ваш источник электроэнергии подключение сварочного аппарата.

Например, продавец нахваливает Вам аппарат на 160А номинального тока, заявляя, что у него суперэффективное энергопотребление и что с его помощью Вы сможете варить электродом 3,2 мм от обычной бытовой 16-амперной розетки, которая, кстати, рассчитана не более чем на 3,5кВА (16А*220В=3,52кВА).

Какой ток потребуется для ведения работ электродом 3,2 мм? Ну даже из расчета 40А на 1 мм диаметра:

Iсвар=40Ах3,2мм=128А

Какое сварочное напряжение должен обеспечивать аппарат при токе 128А?

Uсвар=20+0,04*128А=25,12В

Теперь осталось подставить полученные значения сварочного тока и соответствующего ему сварочного напряжения в формулу полной мощности:

Pполн= Iсвар*Uсвар /0,85/0,85

Pполн= 128А*25,12В/0,85/0,85=4450ВА=4,45кВа

Продавец вводит в заблуждение. Даже если предлагаемый аппарат и потянет электрод 3,2 мм током 128А, ему нужен для этого источник минимум 4,45кВА. Подключение к розетке 16А в случае продолжительной работы может вызвать перегрев самой розетки или проводки. Хотя, скорее всего, выбьет пробки.  

С минимальным уровнем энергопотребления понятно. А можно ли рассчитать максимальный уровень мощности источника, который может потребоваться аппарату?

Увы, нет. Все приведенные выше формулы позволяют произвести расчеты для оптимального режима сварки, при котором длина дуги приблизительно равна диаметру электрода. Формулы для расчета сварочного напряжения в зависимости от длины дуги тоже существуют. Но вот предсказать поведение аппарата при растягивании дуги только на взгляд нельзя.

На большинстве современных сварочных инверторов растянуть дугу сильно длиннее диаметра электрода не удастся. Компоненты аппарата рассчитаны по мощности впритык.

Хороший аппарат (почти всегда со штыковой вольт-амперной характеристикой) иногда небольшой запас по мощности имеет. При растягивании дуги потребляемая мощность такого аппарата начинает расти. Чтобы не перегружать источник питания, такие аппараты оборудованы функцией ограничения потребляемой мощности. Как только входной ток превышает определенный уровень, срабатывает схема ограничения, и сварочный ток на выходе сбрасывается.

Редко, но попадаются представители китайской промышленности, обладающие значительным запасом по мощности и не оборудованные ограничителем мощности. В частности, автор испытывал аппарат на номинальный ток 200А, который удерживал растягиваемую сварочную дугу вплоть до потребляемой мощности 13кВА (вместо расчетных 7,75кВА). Поэтому при работе от генератора или других источников, где перегрузка может вызвать повреждение источника или другие нежелательные последствия, аппарат сначала нужно проверить на способность ограничивать потребляемую мощность. На веру не стоит воспринимать ни подозрительно низкие показатели энергопотребления, ни даже вполне высокие.

ХОРОШО, ЧТО «..ВАРИТ ОТ 100В!». НО НАСКОЛЬКО ХОРОШО? 

Занижение нижнего порога напряжения источника питания распространено не столь широко, как завышение номинального тока. Этот параметр очевиден для любого потребителя, и его легко проверить. Скорее, имеет место умолчание второй части правды: какой номинальный ток аппарат выдает при пониженном входном напряжении.

Проблема пониженного напряжения, к сожалению, в нашей огромной стране распространена очень широко – производственные и распределительные мощности не успевают за ростом энергопотребления, особенно индивидуального. Первый признак перегрузки – напряжение пониженного уровня: если с источника электропитания отбирать больше зарядов, чем он способен воспроизводить, плотность зарядов на источнике снижается, напряжение падает.

При уровне входного напряжения ниже расчетного, снижается потребляемая, а с ней и выходная мощность сварочного аппарата. Соответственно, существенно снижается его номинальный ток.

Существует 2 принципиальных пути инженерного решения проблемы пониженного напряжения источника питания. Первый: изменение схемы и параметров штатных компонентов аппарата. В первую очередь, коэффициента трансформации высокочастотного трансформатора.

Второй способ – добавление блока корректировки входного питания. Наибольшее распространение получила установка т.н. блоков PFC (Power Factor Correction – в буквальном переводе «корректировки фактора мощности»).

Оба способа требуют дополнительных затрат, особенно установка на входе блока PFC, стоимость которого может составлять более половины сварочного инвертора на 160 ампер без такого блока. Поэтому на аппаратах с номинальным током менее 160 ампер блоки PFC устанавливаются редко. Зато использование блоков корректировки входного питания позволяет работать от более низкого напряжения, чем обычно позволяет добиться изменение параметров штатных узлов.

Если Вы приобретаете аппарат, который планируете эксплуатировать в условиях заведомо пониженного напряжения, недостаточно сравнить уровень ожидаемого напряжения питания с заявленным минимальным порогом напряжения питания аппарата. Нужно разобраться, какой ток будет при вашем входном напряжении выдавать аппарат. Иначе может получиться, что аппарат от обещанного пониженного уровня работает, вот только сварочный ток выдает бесполезно малый.

ПВ, ОН ЖЕ ПН ИЛИ РАБОЧИЙ ЦИКЛ – ВСЕ СОГЛАСНО СТАНДАРТОВ. РАЗНЫХ СТАНДАРТОВ. 

Сварочный аппарат работает с очень высокими токами, вызывающими нагрев силовых элементов. Поэтому одна из главных задач разработчиков сварочного аппарата – обеспечение эффективного охлаждения. Силовые транзисторы размещаются на объемных алюминиевых «постаментах» — радиаторах, имеющих ребристую поверхность, обеспечивающую максимально возможную площадь отдачи тепла. Мощный вентилятор (иногда 2 или 3 шт) обеспечивает непрерывный обдув с целью охлаждения, Несмотря на это, практически в любом аппарате при работе на токах выше определенного происходит перегрев, срабатывает термическая защита и аппарат на время отключается. Вентилятор продолжает дуть, компоненты аппарата, включая защиту, охлаждаются и снова готовы к работе. Это не аварийная ситуация, а нормальный рабочий режим аппарата.

Отношение времени, которое аппарат в течение контрольного периода выдает заданный ток, к этому самому контрольному периоду, называется рабочим циклом аппарата или, иначе, полезным временем (ПВ). Еще иногда – продолжительностью нагрузки (ПН).

ПВ указывается в %. Обычно указывается сварочный ток, на котором аппарат имеет данный показатель ПВ. Например, «120А-90%» означает, что при работе током 120А данный аппарат может выдавать ток 90% времени, и только 10% остывать. Естественно, чем ближе ток к номиналу аппарата, тем быстрее аппарат греется. Т.е. тем ниже показатель ПВ. Если ПВ указан без упоминания силы тока, значит, данный ПВ соответствует режиму номинального тока аппарата. Так показатель ПВ «30%» для аппарата с диапазоном сварочного тока 10-160А означает, что при рабочем токе 160А данный аппарат будет варить 30% времени, а 70% остывать.

Вроде бы все понятно. Но… Существуют различные методики измерения ПВ. И в отличие от единых для всего мира стандартов соответствия сварочного тока и сварочного напряжения дуги, методики измерения ПВ отличаются принципиально. Один и тот же аппарат по разным методикам получит совершенно разный процент ПВ!

Знакомьтесь: самые распространенные методики измерения ПВ сварочного аппарата – европейская, китайская и советская.

Европейская. Подразумеваются условия испытаний, описанные в европейском стандарте EN60974-1. При температуре окружающей среды 40С аппарат включают на заданный сварочный ток и засекают, сколько он непрерывно проработает до первого отключения. Полученный результат относят к 10-минутному отрезку времени. Если за эти 10 минут термозащита так и не сработала (и аппарат при этом не сгорел), значит, рабочий цикл аппарата на этом токе равен 100%.

Методика фирмы Telwin. Ее же в наши дни можно с полным правом назвать китайской. Итальянский концерн Telwin оказал колоссальное влияние на развитие китайских производителей. Его аппараты MMA, MIG-MAG и контактной сварки были прародителями значительной части китайской продукции. И еще сегодня в Поднебесной на неисчислимых производственных линиях можно отыскать братиков-близнецов аппаратов TELWIN. Кроме схем аппаратов, в Китае по достоинству оценили и предложенную итальянским производителем методику измерения ПВ аппаратов. При температуре 20С аппарат не просто нагружают сварочным током, но жгут реальные электроды. При этом учитывается не непрерывное время работы до первого отключения, а суммарное рабочее время сварки за 10 минут. Естественно, показатель ПВ по методике TELWIN получается значительно (до 2 раз) выше, чем при следовании методике EN60974-1. Сама компания TELWIN при указании ПВ по своей методике уточняет это, добавляя «Telwin» после процентного показателя. Замеряющие ПВ по ее методике китайские производители таких подробностей не указывают.

Российская, она же советская. ГОСТ претерпел ряд редакций, в частности — ГОСТ Р МЭК 60974-1-2004. Условием отечественной методики является обязательное доведение аппарата до режима срабатывания защиты перед началом измерений. Т.е. сначала вводят в режим интенсивной эксплуатации, и только потом производят замеры. Для аппаратов ручной дуговой сварки отечественная методика предусматривает измерения в течение 5 минут, а не 10.

Характерно, что ГОСТ Р МЭК 60974-1-2004 в обязательном порядке относится лишь к сварочному оборудованию промышленного и профессионального назначения и – цитирую – «Стандарт не распространяется на источники питания для ручной дуговой сварки с ограниченным режимом эксплуатации, которые проектируются преимущественно для эксплуатации непрофессионалами». Вероятно, именно этим обстоятельством объясняется не только слабая распространенность отечественной методики, но и свобода трактовки показателя ПВ производителями и импортерами.

И все-таки, какой цикл работы можно считать подходящим? По оценкам специалистов, опубликованных в открытых источниках, реальный цикл работы сварщика ручной дуговой сварки не превышает 20%. Причем эти 20% времени не являются непрерывным отрезком. Более 80% времени уходит на перемещения, контроль уложенного шва, сбив шлака, замену электрода и др.  Так что даже ПВ 30%, замеренного по китайской методике, практически любому сварщику при не очень жаркой погоде будет достаточно – простаивать в ожидании охлаждения аппарата не придется. Если же данный показатель критичен, то лучше не сверять показатель ПВ аппаратов разных марок, а купить аппарат, рассчитанный на более высокий номинальный ток. У него ПВ на том же токе будет точно выше.

А пока ценники реальных и виртуальных магазинов пестрят различными впечатляющими показателями ПВ. И чинные продавцы объясняют неопытным покупателям преимущества больших циферок над маленькими.

НАПРЯЖЕНИЕ ХОЛОСТОГО ХОДА И ФУНКЦИЯ HOT START – ЗВУЧИТ КРАСИВО

Чем выше напряжение, тем легче поджечь дугу. Поэтому напряжение на кончике электрода до возгорания дуги кратно выше, чем при горящей дуге (в большинстве случаев от 1,8 до 2,5 раз). Но слишком высокое напряжение опасно для жизни и здоровья человека. Поэтому выше 80-85В напряжение холостого хода, иначе называемое напряжением без нагрузки, не делают. (В своей книге «Сварочный инвертор – это просто» В.Негуляев утверждает, что до 95В; Ф.Кобелев в своей книге «Как сделать сварочные аппараты своими руками» ссылается на ГОСТ95-77Е и его требование – не более 80В; ГОСТ 12.2.007.8-75 предусматривает предел в 80В для аппаратов переменного тока и 100В постоянного). Впрочем, автору не известны электроды для сварки черных металлов, которые для поджига требовали бы больше 60В. Одновременно автор не слышал об инверторных аппаратах, у которых заявленное напряжение холостого хода было бы ниже 63В.

Чтобы сделать процесс поджига дуги еще легче, изобрели функцию «горячего поджига дуги» — Hot Start. По своей сути она обратна функции Arc Force. Arc Force кратковременно набрасывает ток при опасности разрыва дуги. Hot Start кратковременно набрасывает ток при попытке разжечь дугу.

Как и Arc Force, Hot Start «прыгнуть выше крыши» не может. Для аппарата с номинальным током 160A Hot Start не увеличит ток до 180А. Как показывают тестирования аппаратов, у большинства аппаратов с заявленной функцией HOT START по факту она отсутствует. Вместо нее имеет место повышенный ток при замыкании электрода на метал. И чем более пологая ВАХ, тем больший ток «накидывает» заявленная, но в действительности не существующая на таком аппарате функция HOT START. Помочь разжечь дугу такой дополнительный ток вряд ли может – сварочное напряжение не выдерживается.

На практике заметить разницу напряжения холостого хода в 70 и 80 вольт «по ощущениям» сможет не каждый эксперт, не говоря о новичке. Равно как и набрасывание незначительного тока, если только электроды не дефектные и не отсыревшие, или напряжение холостого хода 60В и ниже.

ЛЮБОЙ КАПРИЗ ЗА ВАШИ ДЕНЬГИ И ЛЮБОЙ СЮРПРИЗ ВМЕСТО НИХ

Я перечислил лишь самые распространенные случаи «экономии» за счет характеристик продаваемого оборудования, встречаемые у некоторых торговых марок федерального масштаба. Еще цена может отличаться в зависимости от марки комплектующих. На характеристиках это обычно не отражается. Более того, нельзя однозначно утверждать, что из 2 аппаратов обязательно надежнее и дольше прослужит именно тот, на котором стоят более высококлассные (и дорогие) комплектующие. Хотя если взять статистику на 2 000 аппаратов, такое, скорее всего, утверждать будет можно.

Цифровые аппараты обычно стоят дороже, чем аналоговые на тот же ток. Цифровой сварочный аппарат – это аппарат с микропроцессорным управлением. Они могут общаться с пользователем посредством дисплея. Аналоговый аппарат – тоже электронный. Но обработка сигналов в нем происходит на уровне взаимного влияния электрических параметров компонентов друг на друга. Является ли цифровой аппарат гарантией более качественного сварочного процесса? Вовсе нет. Лучше купить аналоговый инвертор, выдающий заявленные характеристики, чем цифровой, вводящий в заблуждение. Хотя стремящиеся к экономии производители редко усложняют свои модели с завышенными характеристиками. Их первейшая задача – экономия. Электронный дисплей, кстати, – не признак микропроцессорного управления. Более того, амперметр можно настроить так, что он будет показывать на дисплее не тот ток, который в действительности выдает аппарат.

В Китае более 3000 заводов, выпускающих сварочные аппараты MMA. При такой конкуренции и отсутствии прямой связи с рынками, где их продукция продается, многие заводы концентрируются на самом очевидном направлении повышения конкурентоспособности – на цене. Иногда сами, иногда их толкают на это заказчики – импортеры из других стран.

Выдача менее мощных аппаратов за более мощные – самая распространенная, но не самая вопиющая форма такой «экономии». Автору доводилось лицезреть аппарат, где вентиляторы охлаждения питались от тоненькой проволочки, накрученной в виде еще одной вторичной обмотки на сердечник высокочастотного трансформатора изделия. Экономия, надо полагать, значительная. Но жить такому аппарату недолго, даже если у него превосходно функционирующая термозащита. А купившему его потребителю – мучаться. Потому что цикл работы у такого аппарата, пока он не сгорит, будет выдающийся. Как только сработает термозащита и аппарат отключится, вместе с ним отключится и вентилятор. Ждать охлаждения аппарата придется в несколько раз дольше, чем при наличии полноценного блока питания вентилятора.

СОВЕТ АВТОРА

Мы живем в век товарного изобилия. Чем дальше, тем выбор больше, а свободного времени, чтобы в нем разбираться, меньше. Рекомендую Вам выбирать тех профессионалов, которым доверяете, и пользоваться их услугами.

Конечно, если разница между товарами непонятна, почему бы не выбрать подешевле? Но Вы наверняка стремитесь попасть к конкретному зубному врачу или автомеханику, которых знаете давно и убедились в их компетенции и порядочности. Такой подход разумен и в отношении подбора оборудования, в котором у Вас нет времени разбираться. Доверьте эту работу достойному магазину и торговым маркам производителей, которые этого заслуживают.

Обман является обманом, если его осознает и признает таковым обманутый. Покупатель, которого убедили в магазине, что для сварки электродом 3,2 мм ему «как раз подойдет» аппарат на сварочный ток 200 ампер, который, к тому же, предлагается приблизительно в одну цену с 160-амперными аппаратами конкурентов, может быть вполне доволен и счастлив. Но часто покупателю все же предлагают переплатить за характеристики, которыми предлагаемый аппарат не обладает.

Как бы там ни было, выбор всегда за покупателем.

КРАТКАЯ ИНСТРУКЦИЯ ПО ПОДБОРУ СВАРОЧНОГО ИНВЕРТОРА

А. Подбор аппарата по мощности.

1. Определить тип работ – тип свариваемого черного металла, его толщина, объем работ.

2. Исходя из предыдущего пункта, выбрать расходник – электроды. Назначения по типам стали указаны на упаковке. Для бытовых работ в большинстве случаев подходят самые распространенные — АНО-21 и МР3. Для профессиональных задач – УОНИ. Диаметр выбирается по толщине свариваемого металла. Упрощенно: 1 мм свариваемого металла = 1 мм диаметра электрода.

3. Подбор аппарата по току. На 1 мм диаметра электрода – 40-50А сварочного тока. Получается, для сварки электродом 3,2 мм при нормальном (не пониженном) напряжении в сети питания нужен аппарат на ток 128-160А. 

Б. Подбор аппарата по источнику питания

4. Важнейшими характеристиками источника электропитания, влияющими на подбор сварочного аппарата являются уровень напряжения и мощность источника электропитания.

5. Исходя из уровня напряжения, подобрать аппарат. Большинство аппаратов заявляют требование к источнику напряжения не ниже 185 вольт. Но даже те, которые заявлены для работы от пониженного напряжения, выдают при пониженном напряжении более низкий максимальный сварочный ток. Т.е. снижение входного напряжения приводит к уменьшению диапазона рабочего тока. Если планируете работать он пониженного напряжения, нужно знать, какой номинальный сварочный ток выдает конкретный аппарат при конкретном пониженном напряжении. Если источник имеет пониженное напряжение, но высокую мощность, лучше всего взять значительно более мощный аппарат.

6. Определить минимально требуемую мощность источника питания для работы на определенном токе можно по формуле:

P=Iсв*(20+0,04* Iсв)/*0,85/0,85

Однако помните, что эта мощность может оказаться выше при растягивании дуги. Особенно это важно помнить при работе от генератора. Резкое повышение уровня потребляемой мощности может вывести генератор из строя.

Сварочные аппараты можно подключать к традиционным генераторам достаточной мощности. Большинство инверторных генераторов, даже достаточной мощности, не рассчитаны на работу со сварочными инверторами. Так как в инверторных генераторах для увеличения стартовой мощности используются конденсаторные блоки, не переносящие сколько-нибудь длительную продолжительную нагрузку.

Обычная бытовая 16-амперная розетка 220В рассчитана на продолжительное подключение мощности не более 3,5кВА. А значит, может выдержать сварку током не выше:

3500ВА= Iсв*(20+0,04* Iсв)/*0,85/0,85, откуда = Iсв=104А

Поэтому для сварки электродом 3,2 мм и толще, подключать аппарат нужно либо к силовой розетке, в том числе на генераторе, либо напрямую к электрощитку. При подключении к силовой розетке (обычно на 32А) вилка на 16А с аппарата демонтируется. На ее место ставится силовая вилка.

7. Подбор аппарата по интенсивности работы

ПВ (оно же ПН) в 30% даже по методике компании Telwin для непрофессионального сварщика достаточно. Если же производительность является ключевым требованием, лучше не сравнивать показатели ПВ, которые замерены по разным методикам и потому вводят в заблуждение, а выбрать аппарат большей мощности, т.е. с большим номинальным током. У него ПВ на том же токе будет точно выше, чем у однотипного меньшей мощности.

8. Дополнительные функции

Чем больше дополнительных функций, тем на начальном этапе лучше.

Функция против залипания электрода Anti-Stick. Автоматически определяет режим короткого замыкания (т.е когда электрод «прилип» к свариваемому металлу) и отслеживает его продолжительность. Если в течение контрольного времени (долей секунды) режим не меняется, сбрасывает ток, «отпуская» электрод. Очень полезная функция для начинающих сварщиков. На отдельных дорогих аппаратах можно регулировать контрольное время срабатывания Anti-Stick. К настоящему моменту наличие данной функции на сварочном инверторе является почти стандартом индустрии. Однако на некоторых дешевых аппаратах неизвестных производителей может не срабатывать или даже отсутствовать вовсе. Визуально определить наличие или отсутствие функции нельзя.

Функция форсирования дуги Arc-Force.

Облегчает процесс сварки неопытному сварщику, у которого дергается рука. На предельном токе в большинстве аппаратов не действует. Фактически присутствует только на аппаратах, где на панели есть отдельная ручка регулирования силы набрасываемого тока. «Автоматическая» функция Arc-Force в большинстве случаев – обман, при котором за «набрасываемый ток» выдается участок вольт-амперной характеристики вне рабочего диапазона сварочного тока, где аппарат не может обеспечить достаточное для нормальной работы сварочное напряжение. Удержать дугу такое увеличение тока никак не может.

Функция горячего поджига Hot-Start.

Облегчает разжигание сварочной дуги набрасыванием тока в момент поджига. При напряжении холостого хода свыше 65В и нормальных электродах не требуется. По факту в большинстве аппаратов, где заявлена, отсутствует. Признаком наличия является отдельная ручка, позволяющая регулировать силу набрасываемого тока. Даже в тех аппаратах, где действительно есть, на предельном сварочном токе не действует. Аналогично функции Arc-Force, за наличие функции Hot-Start часто выдают увеличивающийся при коротком замыкании ток, относящийся к участку вольт-амперной характеристики вне рабочего диапазона сварочного тока. У аппаратов с полого падающей ВАХ ток короткого замыкания может существенно превышать номинальный сварочный ток. Но удержать дугу после чиркания электродом такая «автоматическая функция»  не поможет – сварочное напряжение будет ниже положенного.

9. Комплектация. Что обычно входит в базовую комплектацию бытового сварочного инвертора?

* Провода электрододержателя и клеммы массы (а вот в комплектацию профессиональных аппаратов они обычно не входят).

* Маска-щиток, она же щиток сварщика. Маской это назвать нельзя. Это простенький светофильтр, годящийся разве что на проверку аппарата разовым поджигом дуги. Для нормальной работы нужна маска с автоматическим затемнением, т.н. «Хамелеон». Иногда такая маска идет в одном комплекте с аппаратом. Но помните, что маски сварщика профессионального уровня, обеспечивающие максимальную защиту глаз, никогда не кладут в комплекты. И в продаже отдельно они далеко не самые дешевые.

* Щетка-молоточек. Простой, но очень полезный аксессуар, востребованный в работе. Если его в комплекте нет, нужно приобрести.

* Ремень для переноски. Актуальный аксессуар для тех, кому требуется перемещаться с аппаратом по стройке и другим обширным участкам работ, в т.ч. вверх-вниз по лестницам.

* Пластиковый кейс. Не только удобен для хранения и перевозки, но и защищает аппарат от пыли, к которой инверторная техника весьма чувствительна.

Общая тенденция: чем аппарат профессиональнее, тем проще комплектация.

10. Работа на морозе. Отдельные электронные компоненты управления не выносят отрицательных температур. Их аналоги с возможностью функционирования стоят несколько дороже. Поэтому большинство инверторных аппаратов в стандартной комплектации могут работать только от 0 градусов и выше. Если такой аппарат вынести из тепла и активно эксплуатировать, не давая ему остыть, работать он будет. А вот при промерзании просто не включится. Поэтому если планируется эксплуатация при постоянной отрицательной температуре, аппарат нужно выбрать с соответствующим температурным диапазоном.

Сварка тонкого металла:

Сварка тонкого металла — проблема даже для некоторых сварщиков с опытом. Новичкам в сварном деле вообще приходится тяжело. Тут работают совсем не те правила, что при сварке толстых изделий: есть множество особенностей и сложностей из-за чего тяжелее подбирать режимы и электроды. Проще это делать со сварочными полуавтоматами, но они в быту — довольно редкое явление, гораздо чаще встречаются инверторы. Вот о сварке тонкого металла инвертором и пойдет речь. 

И первая сложность при сварке металла небольшой толщины состоит в том, что сильно нагревать его нельзя: он прогорает, образуются дыры. Потому работают по принципу «чем быстрее, тем лучше» и ни о каких траекториях движения электродов речь не идет вообще. Тонколистовой металл варят проводя электрод в одном направлении — вдоль шва без каких либо отклонений.

При сваривании тонких металлов листы перегреваются и изгибаются

Вторая сложность состоит в том, что работать нужно на малых токах, а это приводят к тому, что дугу приходится делать короткую. При незначительном отрыве она просто гаснет. Могут также возникать проблемы с розжигом дуги, потому используйте аппараты с хорошей вольт-амперной характеристикой (напряжение холостого хода выше 70 В) и плавной регулировкой сварного тока, которая начинается от 10 А.

Еще одна неприятность: при сильном нагреве происходит изменение геометрии тонких листов: их выгибает волнами. От этого недостатка избавиться очень тяжело. Единственный вариант — постараться не перегревать или отвести тепло (про метод с теплоотводящими прокладками читайте ниже).

При сварке встык тонких листов металла, их кромки тщательно обрабатывают и зачищают. Наличие загрязнений и ржавчины сделает сварку еще более проблематичной. Потому тщательно все выровняйте и зачистите. Располагают листы очень близко один к другому — без зазора. Детали фиксируют струбцинами, прижимами и другими приспособлениями. Потом детали прихватывают через каждые 7-10 см короткими швами — прихватками. Они не дадут деталям сместиться и их с меньшей вероятностью погнет.

Если хорошо зачистить кромки, может получится хороший шов

Как варить тонкий металл инвертором

Сварочные аппараты, выдающие постоянный ток хороши тем, что мы можем варить на обратной полярности. Для этого к  «+» подключаем кабель с держателем электрода, а «-» цепляем к детали. При таком подключении больше греется электрод, а металл прогревается минимально.

О том, как выбрать сварочный инвертор для дома или дачи читайте тут. 

Варить необходимо с использованием самых тонких электродов: от 1,5 мм до 2 мм. При этом выбирать нужно с высоким коэффициентом расплавления: тогда даже при малых токах шов будет качественным. Ток выставляется маленький. Для электродов размером 1,5 мм он должен быть порядка 30-45 ампер, для «двойки» — 40-60 ампер.  Реально ставят иногда и ниже: важно чтобы вы смогли работать.

Толщина металла, мм	0,5 мм	1,0 мм	1,5 мм	2,0 мм	2,5 мм
Диаметр электрода, мм	1,0 мм	1,6 мм — 2 мм	2 мм	2,0 мм — 2,5 мм	3 мм
Сила тока, А	10-20 ампер	30-35 ампер	35-45 мм	50-65 мм	65-100 мм

Чтобы металл меньше нагревался, детали ставят в вертикальном или хотя-бы наклонном направлении. Тогда варят сверху-вниз, двигая кончик электрода строго в этом направлении (не отклоняя и не возвращая).  Угол наклона — углом вперед, при этом его величина 30-40°. Так прогрев металла будет минимальным, а это для сварки тонких металлов — одна из самых важных задач.

Положения электрода при сварке и их использование

Общая рекомендация по выбору электродов для сварки тонких металлов: купите для такой работы качественные импортные электроды. Проблем будет в разы меньше.

Об изготовлении сарая на металлическом каркасе читайте тут. 

Техники и методы сварки тонких листов металлов

Иногда тонкие листы нужно сваривать под углом. В этом случае удобнее использовать метод отбортовки: кромки листа отгибают на необходимый угол, скрепляют короткими поперечными швами через каждые 5-10 см. После сваривают как говорилось выше: непрерывным швом сверху-вниз.

В видео показано, как варить тонкий листовой металл электродом при помощи сварочного инвертора. Используется метод отбортовки: края деталей отгибаются, потом прихватываются в нескольких местах короткими швами. После идет сварка тонким электродом толщиной 2 мм.

Не всегда получается при сварке без отрыва избежать прожога. Тогда можно попробовать отрывать на несколько мгновений дугу, а затем снова опускать электрод в то же место и продвигать его еще на несколько миллиметров. Так, отрывая и возвращая дугу, и варить. При таком методе получается, что металл за время отрыва дуги успевает остывать. На видео вы увидите, как изменяется цвет места сварки после того, как электрод убрали. Главное — не дать металлу остыть лишком сильно.

Сварка тонкого металла с отрывом дуги продемонстрирована в первой части видео. Способ стыковки — внахлест (одна деталь перекрывается второй на 1-3 см), используется электрод с рутиловым покрытием (для конструкционных и низколегированных сталей). Затем показана сварка нержавейки нержавеющим электродом с основной обмазкой, и в завершение тем же электродом из нержавейки проварен стык черного металла. Шов, кстати, получился более качественным, чем при использовании рекомендованных электродов.

О выборе электродов для сварки инверторным аппаратом читайте тут.

Если при сварке тонкого металла не требуется создание непрерывного шва, используют точечный шов. При таком способе сварки небольшого размера прихватки находятся на небольшом расстоянии один возле другого. Такой способ называется прерывистым швом.

Так выглядит прерывистый шов на тонком металле

Вообще варить сваркой тонкое железо встык сложно. Внахлест проще: не так перегревается детали и меньше шансов, что все «поведет».

О типах сварных швов и соединений читайте тут. 

При электросварке тонкого металла встык можно между листами проложить тонкую проволоку диаметром 2,5-3,5 мм (можно оббить обмазку на поврежденных электродах и использовать их). Ее располагают так, чтобы с лицевой стороны она была вровень с поверхностью металла, а с изнаночной выступала почти на половину диаметра. При сварке дугу ведут по этой проволоке. Она и принимает основную термическую нагрузку, а свариваемые листы металла прогреваются периферийными токами. При этом они не перегреваются, их не коробит, шов получается ровный, без признаков перегрева. После удаления проволоки с трудом удается рассмотреть следы того, что она присутствовала.

Так выглядит шов при сварке тонкого металла встык с проложенной снизу термоотводящей проволокой

Еще один способ — под место стыка положить пластины меди. Медь имеет очень высокую теплопроводность — в 7-8 раз выше, чем у стали. Уложенная под место сварки она значительную часть тепла отбирает, не допуская перегрева металла. Этот метод сварки тонких металлов называют «с теплоотводящими подкладками».

Как сварить беседку из металла читайте тут. Возможно, вам будет интересно прочесть как сделать мангал из газового баллона или металла? Вещь нужная и для освоения сварки подходящая.

Сварка оцинковки

Оцинкованная сталь — та же тонкая листовая, только покрытая слоем цинка. Если вам необходимо сварить ее, на кромках под сварку придется это покрытие удалить полностью, до чистой стали. Есть несколько способов. Первый — снять механически: абразивным кругом на болгарке или шлифмашинке, наждачной бумагой и металлической щеткой. Есть еще способ — выжечь сваркой. В этом случае дважды проходят электродом проходят вдоль шва. При этом идет испарение цинка (он испаряется при 900°C), а его пары очень ядовиты. Так что эти работы проводить можно или на улице, или если на рабочем месте есть вытяжка. После каждого прохода нужно сбивать флюс.

Сварку оцинковки лучше проводить на открытом воздухе: испаряющийся цинк очень вреден

После полного удаления цинка начинается собственно сварка. При сварке оцинкованных труб для получения хорошего шва нужны будут два прохода разными электродами. Первый шов варят электродами с рутиловым покрытием например, МР-3, АНО-4, ОЗС-4. При этом колебания имеют очень небольшую амплитуду. Верхний шов — облицовочный делать шире. Он примерно равен трем диаметрам электрода. Тут важно не спешить и хорошо проваривать. Этот проход используют электроды с основным покрытием (например,УОНИ-13/55,  УОНИ-13/45, ДСК-50).

Подробнее о выборе электродов для инверторной сварки читайте тут. 

Сварочный ток и диаметр электрода. Зависимость и подбор

Недавно мне поступило несколько вопросов от читателей, и все они были про сварочный ток и диаметр электрода. Я решил, что мои ответы будет полезно узнать многим сварщикам-любителям и пишу их для всех. Вопросы перескажу своими словами.

Сварочный ток и диаметр электрода не соответствуют друг другу

ПРОБЛЕМА. Мой читатель использует электрод 3 мм и ставит ток 50-60 ампер. При этом он экспериментирует с разными расстояниями от электрода до металла, но качественных швов у него никак не получается. Если электрод приблизить к металлу, то электрод прилипает, а если отодвинуть дальше — получаются отдельные капли металла и «сопли». А при попытке варить тонкий металл, да ещё и с большим током, металл прожигается насквозь.

РЕШЕНИЕ. В данной ситуации ошибка заключается в несоответствии установленного сварочного тока используемому диаметру электрода. Потому что на токе 50-60 ампер нужно использовать электрод диаметром 2 мм или ещё меньше. А при использовании электрода 3 мм, следует устанавливать ток около 100 ампер.

Для сварки тонкого металла следует также использовать электрод 2 мм, а лучше 1,6 мм. (Хотя, конечно, лучше бы знать, какой металл мой читатель называет тонким.) Также для сварки тонкого металла сварщикам-любителям будет полезен импульсный режим инвертора, а если такого режима нет, то можно использовать технику выполнения швов с разрывом дуги.

Когда уменьшается сила тока, диамемтр электрода также следует уменьшить

ПРОБЛЕМА. Другой мой читатель купил инвертор с максимальной потребляемой мощностью 3 кВт и бензиновый генератор на 2,8 кВт, и для нормальной работы сварочному инвертору не хватает мощности. Вопрос в том, можно ли что-то сделать кроме того, что купить более мощный генератор или другой сварочный аппарат.

РЕШЕНИЕ. Если мощности генератора не хватает для работы сварочного аппарата, то нужно уменьшить сварочный ток, которым выполняются швы. Но тогда вместе уменьшением тока потребуется использовать электрод меньшего диаметра — иначе он будет прилипать и будет непровар шва. Но при уменьшении диаметра электрода, в зависимости от толщины свариваемого металла, может потребоваться разделка кромок для лучшего провара сварного соединения. К сожалению, в своём вопросе читатель не указал режимы сварки и толщину свариваемого металла, поэтому, без этих цифр более конкретный совет дать невозможно.

Понравилась статья? Тогда нажмите социальные кнопки:

 

Ещё по теме:

Ошибки при выполнении сварочных швов

Какие электроды лучше для инвертора

Полярность сварочного тока — прямая и обратная

 

Видеокурсы:

Как варить электросваркой

Как установить сварочный ток правильно

Как выбрать маску «хамелеон»

Как настроить маску «хамелеон» правильно

Как выбрать сварочный инвертор

Наборы с тремя электродами — Магазин приборов для исследования сосны

Последнее обновление: 23.05.19, Нил Спиннер

БИРКИ ИЗДЕЛИЯ

• трехэлектродный,
• трехэлектродная установка

1 Установки с тремя электродами

В традиционной трехэлектродной ячейке три разных электрода (рабочий, счетчик и эталон) помещаются в один и тот же раствор электролита.Во время трехэлектродных экспериментов поток заряда (ток) в основном возникает между рабочим электродом и противоэлектродом, в то время как потенциал рабочего электрода измеряется относительно электрода сравнения. Кабель ячейки потенциостата может быть сконфигурирован для трехэлектродных экспериментов путем соответствующего подключения приводной и сенсорной линий.

Для подачи тока между рабочим электродом и противоэлектродом КРАСНЫЙ вывод (привод рабочего электрода) соединяется с рабочим электродом, а ЗЕЛЕНЫЙ вывод (привод противоэлектрода) соединяется с противоэлектродом.Для измерения потенциала между рабочим электродом и электродом сравнения ОРАНЖЕВЫЙ вывод (датчик рабочего электрода) также подключается к рабочему электроду, а БЕЛЫЙ провод (датчик сравнения) подключается к электроду сравнения (см. Рисунок 1).

Рис. 1. Типичная конфигурация ячейки с тремя электродами (показан кабель ячейки WaveDriver)

Обратите внимание, что конфигурация ячейки с тремя электродами требует, чтобы и КРАСНЫЙ, и ОРАНЖЕВЫЙ выводы (привод рабочего электрода и датчик) были подключены в точке, очень близкой к рабочему электроду.Самый простой способ выполнить это соединение — сложить вместе банановые штекеры для КРАСНОГО и ОРАНЖЕВОГО выводов перед подключением к рабочему электроду (см. Рисунок 2). Оба этих вывода должны быть подключены к рабочему электроду, чтобы потенциостат мог правильно управлять электрохимической ячейкой.

Рис. 2. Датчик рабочего электрода и выводы привода закорочены вместе около электрода

Как сделать батарею из картофеля

Обновлено 27 ноября 2018 г.

Крис Дезиел

Вы любите картошку? Ты не одинок.Люди во всем мире выращивают картофель и превращают его в картофель фри, картофельный салат, картофельное пюре и десятки других вкусных блюд. Чего они не знают, и чего вы, возможно, не знали до сих пор, так это того, что картофель также может быть источником энергии. Израильские исследователи обнаружили, что энергия картофеля может осветить комнату на 20 часов или даже зарядить мобильный телефон.

Что? Как такое возможно? Картошка никого не шокировала. У него даже нет отрицательной и положительной клемм, так как же это может быть аккумулятор? Именно соки этого крахмалистого овоща делают картофельную батарею.Они богаты фосфорной кислотой, содержат всевозможные растворенные соли, а также ионы натрия (Na ⁺ ), калия (K ⁺ ) и хлорида (Cl ^— ). Эти ионы превращают картофельный сок в электролит — жидкость, способную проводить электричество. Все, что вам нужно сделать, это добавить пару электродов. Если вы выберете электроды из правильных материалов, один из них (катод) будет производить свободные электроны, а другой (анод) будет их притягивать. Это создает разницу зарядов, и когда вы соединяете электроды проводящим проводом, течет ток.

Не волнуйтесь. Тока от картофельной батареи не хватит, чтобы поранить вас. Если прикоснуться пальцем к оголенному проводу, вы можете почувствовать легкое покалывание. Вы можете увеличить напряжение, соединив вместе несколько из этих картофельных батарей, и в конечном итоге вы можете произвести достаточно энергии, чтобы зажечь светодиод, который будет гореть до тех пор, пока не израсходуется картофельный сок. Это может занять почти день.

Как построить картофельную батарею

Вы, вероятно, найдете все необходимое, чтобы сделать картофельную батарею в доме.В противном случае вы можете найти то, что вам нужно, в любом строительном магазине.

Картофель обычно чистят перед тем, как он попадает в магазин, но на нем часто остается грязь. Смойте водой и вытрите картофель полотенцем. Это исключает возможность попадания примесей в ваш научный проект по картофелеводству. Если у вас большой картофель, можно разрезать его пополам. Половина картофеля работает так же хорошо, как и целая, и вы можете положить ее на стол, чтобы она не каталась.

Вставьте цинковый гвоздь в картофель с одного конца. Он должен проникать примерно наполовину в сердцевину. Вставьте медный электрод на ту же глубину как можно ближе к противоположному концу картофеля. (Если вы разрезали картофель пополам, поместите электрод и гвоздь на противоположные стороны вертикальной половины.) Два электрода не должны касаться друг друга. Фактически, чем больше расстояние между электродами, тем лучше будет работать аккумулятор. Если вы используете пенни в качестве медного электрода, вам, возможно, придется сделать небольшой надрез на кожуре картофеля ножом, чтобы создать для него прорезь.

Установите измеритель на считывание вольт в диапазоне 2 вольт. Подключите положительный (красный) вывод к медному электроду, который является анодом, а отрицательный (черный) вывод к цинковому электроду, который является катодом. Проверьте счетчик, и вуаля! Вы заметите положительное значение около 0,5 вольт.

Повышение напряжения

Если вы отсоедините провода от измерителя и подключите их к светодиоду, он, вероятно, не загорится. Для светодиода требуется не менее 1,5 вольт и 10 миллиампер тока, а для картофельной батареи — около 0.5 вольт. Однако помните, что вы можете увеличить напряжение, подключив батареи последовательно. Вероятно, вы можете получить достаточно напряжения от трех картофелин, чтобы зажечь светодиод.

Приготовьте еще две картофельные батарейки и соедините их проводами с зажимами из крокодиловой кожи. Присоедините один вывод одного провода к аноду на первом картофеле, а другой вывод к катоду на втором. Присоедините один вывод второго провода к аноду на втором картофеле, а другой вывод к катоду на третьем картофеле.Это оставляет вам свободный катод (на первом картофеле) и свободный анод (на третьем картофеле). Подключите измеритель к этим электродам, и вы должны получить показание не менее 1,5 вольт. Теперь отключите счетчик и подключите светодиод, он должен тускло светиться.

Вы можете продолжать увеличивать напряжение, добавляя больше батарей, но на самом деле вам нужно больше тока, чтобы светодиод светился ярче. Вы увеличиваете ток, соединяя батареи параллельно.

Увеличение тока

Чтобы построить аккумуляторную батарею, которая выдает такое же напряжение, но удваивает ток, вам понадобятся еще три картофельных аккумулятора и еще шесть соединительных проводов.Разделите картофель на три пары и соедините каждую пару параллельно, соединив аноды одним проводом, а их катоды — другим проводом. Теперь соедините три пары последовательно, соединив анод одной пары с катодом второй пары и анод этой пары с катодом третьей. Подключите выводы к катоду первой пары и аноду третьей и коснитесь выводами светодиода. Он должен гореть намного ярче.

Эта установка должна обеспечивать достаточно электроэнергии для питания цифровых часов.Если нет, то вашему батарейному блоку для картофельных часов может потребоваться еще одна или две пары картофелин.

Использование энергии овощей для освещения мира

Многие сельские общины по всему миру находятся слишком далеко от электросети, чтобы иметь электричество. Стремясь обеспечить эти общины светом, группа, возглавляемая Хаимом Рабиновичем из Еврейского университета в Иерусалиме, сконструировала устройство, которое работает с ломтиками картофеля. Команда нашла кое-что очень интересное. Варка картофеля в течение восьми минут на самом деле увеличивает его электрическую мощность.Кипячение разрушает клеточные мембраны внутри картофеля и усиливает электролиты, делая доступным больше ионов. Они обнаружили, что кипение увеличивает электрический поток в 10 раз, что является значительной разницей.

Из одного ломтика вареного картофеля израильская исследовательская группа сконструировала батарею, которая питала светодиод до 20 часов. Когда светодиод погас, они просто вставили свежий ломтик вареного картофеля, чтобы получить дополнительные 20 часов света.

Картофель — не единственные фрукты и овощи, которые могут это сделать.Лимоны, апельсины, яблоки, клубника и бананы содержат электролитические соки, и некоторые из них, особенно лимоны, работают даже лучше, чем картофель. У большинства фруктов и овощей есть две проблемы: они не такие твердые, как картофель, и привлекают насекомых. У картофеля есть еще одно преимущество. Будучи четвертой по численности продовольственной культурой в мире, они доступны во всем мире.

Рабинович и его команда создали комплект картофельных аккумуляторов, в котором есть все необходимое для выработки электричества.Просто добавьте картошку. Стоимость электроэнергии, которую вы производите таким образом, составляет около 9 долларов за киловатт-час. Это выгодно отличается от энергии от батареи D-cell, которая стоит около 84 долларов за киловатт-час.

Использование Земли в качестве аккумулятора

Когда вы помещаете цинковый анод и медный катод в контейнер с влажным буровым раствором, два металла начинают реагировать, потому что цинк теряет электроны легче, чем медь, и потому, что грязь содержит ионы.Смачивая грязь, он превращается в настоящий раствор электролита.

Использование Земли в качестве аккумулятора

Лен Кальдероне для | AltEnergyMag

В 1841 году Александр Бейн подтвердил способность влажной грязи производить электричество. Заземленная батарея — это пара электродов, состоящих из двух разнородных металлов, использующих влажную землю в качестве электролита.Чтобы сделать батарею, Бейн закопал в землю пластины из цинка (анода) и меди (катода) на расстоянии примерно ярда друг от друга. Он давал выходное напряжение примерно 1 вольт.

Когда вы помещаете цинковый анод и медный катод в контейнер с влажным буровым раствором, два металла начинают реагировать, потому что цинк теряет электроны легче, чем медь, и потому, что грязь содержит ионы. Смачивая грязь, он превращается в настоящий раствор электролита. Таким образом, электроды начинают обмениваться электронами, как в обычной батарее.

(Wikimedia Commons)

Если бы электроды соприкасались, при реакции они выделяли бы много тепла; но поскольку их разделяет почва, свободные электроны должны проходить через провод, соединяющий два металла. Если к замкнутой цепи подключить светодиод, значит, у вас почвенная лампа.

Чтобы получить естественное электричество, исследователи вбивали в землю две металлические пластины в направлении магнитного меридиана или астрономического меридиана.Более сильные течения текут с юга на север. Это обстоятельство влияет на значительную однородность силы тока и напряжения. Поскольку земные токи текут с юга на север, электроды располагаются, начиная с юга и заканчивая севером. Во многих ранних экспериментах стоимость была непомерно высокой из-за большого расстояния между электродами.

Было обнаружено, что уровень напряжения линейно увеличивается за счет последовательного соединения нескольких заземляющих элементов аккумуляторной батареи, как в стандартной свинцово-кислотной аккумуляторной батарее.Ток нагрузки увеличивается за счет параллельного подключения заземляющих ячеек. Также было обнаружено, что емкость источника по току увеличивается за счет увеличения площади поверхности электродов, за исключением того, что напряжение отдельной ячейки остается постоянным независимо от размеров электродов.

Поскольку все обычные металлы ведут себя одинаково, два разнесенных электрода имеют нагрузку во внешней цепи между ними. Они приготовлены в электрической среде, и по мере передачи энергии среде свободные электроны в среде возбуждаются.Свободные электроны затем текут к одному электроду в большей степени, чем к другому электроду, тем самым заставляя электрический ток течь во внешней цепи через нагрузку.

Ток течет от той пластины, положение которой в ряду электрического потенциала близко к отрицательному концу. Пики тока возникают, когда два металла наиболее широко разнесены друг от друга в ряду электрического потенциала, и когда материал ближе, положительный конец находится на севере, а отрицательный конец — в направлении юга.Пластины, одна из которых медная, а другая — железная или углеродная, соединены над землей с помощью провода, не оказывающего большого сопротивления. При таком расположении электроды не подвергаются значительной химической коррозии, даже когда они находятся в земле, залитой водой, и соединены проводом в течение длительного времени.

Обратной стороной является то, что процедура не будет длиться вечно. В конце концов, грязь потеряет свои электролитные свойства, но замена почвы перезапустит процесс.

Другой источник, микробные батареи или микробные топливные элементы, существует, но их выходная мощность настолько мала, что их можно минимально использовать для включения света, зарядки сотового телефона, калькулятора, электронных часов, детских игрушек и светодиодов белого света, так как у них минимальные потребности в энергии.

Почвенный микробный топливный элемент (Wikimedia Commons)

Это устройство состоит из графитовой ткани (анода), помещенной на дно контейнера, засыпанного землей, и отрезка проволочной сетки (катода).Электроны образуются, когда микробы поедают отходы в почве. Эти электроны проходят через сеть бактерий от анода из графитовой ткани по проводящей проволоке, чтобы добраться до катода с проволочной сеткой. Светодиодный индикатор, подключенный к цепи, загорается, когда ток течет по цепи.

По оценкам начинающей компании Lebone Solutions из Гарварда, топливный элемент размером 10,7 квадратных футов будет производить 1 ватт, который может заряжать сотовый телефон; Площадь 53,8 квадратных футов могла питать лампу или вентилятор.В большинстве стран мира микробный топливный элемент не был бы эффективным источником энергии. В сельских районах Африки, где нет энергосистемы, такое расположение может иметь значение, если вы пройдете несколько миль, чтобы зарядить телефон. Лебоне в настоящее время запускает топливный элемент для использования в нескольких сельских африканских деревнях. При поливе закопанные клетки могут работать месяцами.

Земля не состоит из одинаковых материалов. Тяжелые элементы, такие как железо, свинец и золото, спустились в горячее внутреннее пространство, в то время как более легкие элементы, такие как кислород и водород, поднялись на холодную поверхность.Когда тяжелые и легкие элементы объединяются, они реагируют.

Каждая группа элементов реагирует по-своему. Тяжелые элементы отдают электроны, а более легкие — собирают их. Это наша земная батарея. Скалы в мантии Земли действуют как один электрод, а вода — как второй. Когда в земной коре происходит трещина, горячая порода контактирует с водой, и электроны переходят от одного к другому. Когда электроны контактируют с водой, образуется водород.

Если имеется достаточный запас холодной воды и горячей породы, он обеспечивает достаточно большую батарею, чтобы обеспечить работу в течение тысяч, миллионов или даже миллиардов лет. Тепло из недр Земли быстро рассеивается и не может быть сохранено. Электроны реагируют с молекулами воды с образованием водорода. Водород — это природный аккумулятор. Этот процесс эффективно переносит энергию из ядра Земли на поверхность, где она может быть потреблена. Микробы эволюционировали, чтобы высвобождать эту энергию контролируемым образом, перетекая в нужные части клетки для поддержания жизни.Вот почему ученые обсуждают воду как уникальную и необходимую для жизни. Извилистые камни, дающие пищу микробам, довольно распространены во Вселенной. Они были обнаружены на астероидах и на Марсе.

Экспериментальные исследования земных батарей очень обнадеживают. Первые результаты земных батарей показали разумный потенциал на будущее.

Содержание и мнения в этой статье принадлежат автору и не обязательно отражают точку зрения AltEnergyMag

.

---

Комментарии (0)

Эта запись не имеет комментариев.Будьте первым, кто оставит комментарий ниже.

---

Опубликовать комментарий

Вы должны войти в систему, прежде чем сможете оставлять комментарии. Авторизуйтесь сейчас.

Рекомендуемый продукт

ГАЗОВЫЙ АНАЛИЗАТОР

OMNISTAR — Быстрый и точный анализ от% до долей на миллион в компактной настольной системе «под ключ».

Настольная аналитическая система Pfeiffer Vacuum OmniStar отличается компактными размерами, мощным программным обеспечением и возможностью подключения к сети Ethernet. Это оптимальное решение для многих приложений анализа газов в реальном времени. Благодаря OmniStar компания Pfeiffer Vacuum предлагает вам комплексное решение для анализа газов в химических процессах, полупроводниковой промышленности, металлургии, ферментации, катализе, лазерных технологиях и анализе окружающей среды. Газоаналитическая система OmniStar под ключ состоит из подогреваемой системы впуска газа с регулируемой температурой, квадрупольного масс-спектрометра, вакуумного насоса с сухой диафрагмой и турбонасоса HiPace.В отличие от конкурирующих методов, таких как FTIR, OmniStar подходит для качественного и количественного анализа большинства газов.

Explainer: Чем отличаются батареи и конденсаторы

переменный ток (в электричестве) Переменный ток, часто сокращенно называемый переменным током, представляет собой поток электронов, который меняет направление с регулярными интервалами много раз в секунду.Большинство бытовых приборов питаются от сети переменного тока. Но многие портативные устройства, такие как музыкальные плееры и фонарики, работают от постоянного тока (DC), обеспечиваемого батареями.

анод Отрицательный вывод батареи и положительно заряженный электрод в электролитической ячейке. Он притягивает отрицательно заряженные частицы. Анод является источником электронов для использования вне батареи при ее разряде.

атом Основная единица химического элемента.Атомы состоят из плотного ядра, которое содержит положительно заряженные протоны и нейтрально заряженные нейтроны. Ядро вращается вокруг облака отрицательно заряженных электронов.

аккумулятор Устройство, способное преобразовывать химическую энергию в электрическую.

конденсатор Электрический компонент, используемый для хранения энергии. В отличие от батарей, которые накапливают энергию химически, конденсаторы накапливают энергию физически в форме, очень похожей на статическое электричество.

углерод Химический элемент с атомным номером 6. Это физическая основа всего живого на Земле. Углерод существует свободно в виде графита и алмаза. Это важная часть угля, известняка и нефти, и она способна химически самосвязываться с образованием огромного количества химически, биологически и коммерчески важных молекул.

катод Положительный полюс батареи и отрицательно заряженный электрод в электролитической ячейке.Он притягивает положительно заряженные частицы. Во время разряда катод притягивает электроны извне батареи.

керамика Твердый, но хрупкий материал, полученный обжигом глины или другого неметаллического минерала при высокой температуре. Кирпичи, фарфор и другие виды фаянса — образцы керамики. Многие высококачественные керамические материалы используются в промышленности, где материалы должны выдерживать суровые условия.

химический Вещество, состоящее из двух или более атомов, которые объединяются (становятся связанными вместе) в фиксированной пропорции и структуре.Например, вода — это химическое вещество, состоящее из двух атомов водорода, связанных с одним атомом кислорода. Его химический символ — H ₂ O. Химический также может быть прилагательным, описывающим свойства материалов, которые являются результатом различных реакций между различными соединениями.

химическая реакция Процесс, который включает перестройку молекул или структуры вещества в противоположность изменению физической формы (например, от твердого тела к газу).

схема Сеть, передающая электрические сигналы.В организме нервные клетки создают цепи, которые передают электрические сигналы в мозг. В электронике провода обычно направляют эти сигналы для активации какой-либо механической, вычислительной или другой функции.

компонент Элемент, который является частью чего-то еще, например, элементы, которые находятся на электронной плате.

проводник (в физике и технике) Материал, через который может протекать электрический ток.

current Жидкое тело — например, из воды или воздуха — которое движется в узнаваемом направлении.(в электричестве) Поток электричества или количество электричества, проходящее через некоторую точку за определенный период времени.

плотность Мера плотности объекта, определяемая делением массы на объем.

постоянный ток (в электричестве) Постоянный ток, часто называемый постоянным током, представляет собой односторонний поток электронов. Электроэнергия постоянного тока вырабатывается такими устройствами, как батареи, конденсаторы и солнечные элементы. Когда цепи требуется питание постоянного тока, определенные электронные устройства могут преобразовывать мощность переменного тока (AC) в постоянный ток.

электронная сигарета Устройство с батарейным питанием, которое диспергирует никотин и другие химические вещества в виде крошечных частиц в воздухе, которые пользователи могут вдыхать. Первоначально они были разработаны как более безопасная альтернатива сигаретам, которую пользователи могли использовать, пытаясь постепенно избавиться от никотиновой зависимости, содержащейся в табачных изделиях. Эти устройства нагревают ароматизированную жидкость до тех пор, пока она не испарится, образуя пары. Люди используют эти устройства, известные как вейперы.

электрический заряд Физическое свойство, вызывающее электрическую силу; он может быть отрицательным или положительным.

электрический ток Поток электрического заряда, называемый электричеством, обычно возникающий в результате движения отрицательно заряженных частиц, называемых электронами.

электрическое поле Область вокруг заряженной частицы или объекта, внутри которой сила будет действовать на другие заряженные частицы или объекты.

электричество Поток заряда, обычно возникающий в результате движения отрицательно заряженных частиц, называемых электронами.

электрический потенциал Обычно известный как напряжение, электрический потенциал является движущей силой для электрического тока (или потока электронов) в цепи. С научной точки зрения электрический потенциал — это мера потенциальной энергии на единицу заряда (например, электрона или протона), хранящуюся в электрическом поле.

электролит Неметаллическая жидкость или твердое тело, которое проводит ионы — электрически заряженные атомы или молекулы — для переноса электрических зарядов.(Определенные минералы в крови или других жидкостях организма могут служить ионами, перемещающимися для переноса заряда.) Электролиты также могут служить ионами, перемещающими положительные заряды внутри батареи.

электрон Отрицательно заряженная частица, обычно вращающаяся вокруг внешних областей атома; также носитель электричества в твердых телах.

плотность энергии Количество энергии, хранящейся в батарее, конденсаторе или другом накопительном устройстве, деленное на его объем.

инженер Человек, который использует науку для решения проблем. Глагол «спроектировать» означает разработать устройство, материал или процесс, который решит какую-то проблему или неудовлетворенную потребность.

фактор То, что играет роль в определенном состоянии или событии; участник.

поле (в физике) Область в космосе, где действуют определенные физические эффекты, такие как магнетизм (созданный магнитным полем), гравитация (гравитационным полем), масса (поле Хиггса) или электричество (электрическое поле). поле).

частота Количество раз, когда заданное периодическое явление происходит в течение заданного интервала времени. (В физике) Число длин волн, возникающих за определенный промежуток времени.

графит Как и алмаз, графит — вещество, содержащееся в грифеле карандаша — представляет собой форму чистого углерода. В отличие от алмаза, графит очень мягкий. Основное различие между этими двумя формами углерода заключается в количестве и типе химических связей между атомами углерода в каждом веществе.

гибрид Организм, полученный путем скрещивания двух животных или растений разных видов или генетически различных популяций внутри одного вида. Такое потомство часто обладает генами, передаваемыми каждым родителем, что дает комбинацию признаков, неизвестных предыдущим поколениям. Этот термин также используется по отношению к любому объекту, который представляет собой смесь двух или более вещей.

изолятор Вещество или устройство, которое плохо проводит электричество.

ion Атом или молекула с электрическим зарядом из-за потери или усиления одного или нескольких электронов.

литий Мягкий серебристый металлический элемент. Это самый легкий из всех металлов и очень реактивный. Используется в батареях и керамике.

слюда Семейство минералов, многие из которых легко распадаются на мелкие блестящие хлопья.

минерал Кристаллообразующие вещества, такие как кварц, апатит или различные карбонаты, из которых состоит горная порода.Большинство пород содержат смешанные вместе несколько различных минералов. Минерал обычно является твердым и стабильным при комнатной температуре и имеет определенную формулу или рецепт (с атомами, встречающимися в определенных пропорциях) и определенную кристаллическую структуру (что означает, что его атомы организованы в определенные регулярные трехмерные структуры).

диапазон Полный объем или раздача чего-либо. Например, ареал растения или животного — это территория, на которой они существуют в природе.(в математике или для измерений) Степень, в которой возможны вариации значений. А также расстояние, на котором что-то может быть достигнуто или воспринято.

смартфон Сотовый (или мобильный) телефон, который может выполнять множество функций, включая поиск информации в Интернете.

суперконденсатор Конденсатор с двумя проводящими поверхностями или электродами (как и другие конденсаторы), на которых хранится заряд энергии.В отличие от обычных конденсаторов (но, как и батарей), два электрода разделяет электролит. В этом смысле суперконденсатор — это, по сути, гибрид батареи и конденсатора.

площадь поверхности Площадь поверхности некоторого материала. Как правило, более мелкие материалы и материалы с более шероховатой или более извилистой поверхностью имеют большую площадь внешней поверхности на единицу массы, чем более крупные предметы или предметы с более гладкой поверхностью. Это становится важным, когда на поверхности происходят химические, биологические или физические процессы.

терминал Конечная точка или последняя станция в некоторой системе, сети или процессе. Конец строки.

токсично Ядовито или способно повредить или убить клетки, ткани или целые организмы. Мерилом опасности такого яда является его токсичность.

тюнинг (в технике) Настроить до нужного уровня.

турбина Устройство с удлиненными лопастями в виде лопастей (часто изогнутыми) для улавливания движущейся жидкости — от газа или пара до воды — с последующим преобразованием энергии этого движения во вращательное движение.Часто это вращательное движение приводит в действие систему, вырабатывающую электричество.

напряжение Сила, связанная с электрическим током, которая измеряется в единицах, известных как вольты. Энергетические компании используют высокое напряжение для передачи электроэнергии на большие расстояния.

Контур соленой воды — Мероприятие — TeachEngineering

(0 Рейтинги)

Быстрый просмотр

Уровень оценки: 8 (7-8)

Требуемое время: 1 час 30 минут

Расходные материалы на группу: 1 доллар США.25

Размер группы: 3

Зависимость действий: Нет

Тематические области: Химия, Науки о жизни, Измерения, Физические науки, Наука и Технологии

Ожидаемые характеристики NGSS:

---

Резюме

Учащиеся строят контур с соленой водой, который представляет собой электрическую цепь, в которой соленая вода используется как часть контура.Учащиеся исследуют проводимость соленой воды и получают представление о том, как количество соли в растворе влияет на величину электрического тока, протекающего по цепи. Они узнают об одном реальном применении контура соленой воды — в качестве инструмента опреснительной установки для проверки удаления соли из океанской воды. Эта инженерная программа соответствует научным стандартам нового поколения (NGSS).

Инженерное соединение

Инженеры-электрики проектируют и строят малые и крупные электрические системы.В области проектирования схем в области электротехники инженеры используют свои знания о проводимости материалов для проектирования печатных плат, которые используются в сотовых телефонах, телевизорах, тостерах, компьютерах и других бесчисленных устройствах. Понимание опасностей и возможностей смешивания электричества и воды помогает инженерам создавать безопасные, а также творческие инструменты измерения.

Цели обучения

После этого занятия студенты должны уметь:

• Проведите эксперимент.
• Собирайте и анализируйте данные.
• Работа в команде.

Образовательные стандарты

Каждый урок или задание TeachEngineering соотносится с одним или несколькими научными дисциплинами K-12, образовательные стандарты в области технологий, инженерии или математики (STEM).

Все 100000+ стандартов K-12 STEM, охватываемых TeachEngineering , собираются, обслуживаются и упаковываются сетью стандартов достижений (ASN) , проект D2L (www.achievementstandards.org).

В ASN стандарты иерархически структурированы: сначала по источникам; например , по штатам; внутри источника по типу; например , естественные науки или математика; внутри типа по подтипу, затем по классу, и т. д. .

NGSS: научные стандарты нового поколения — наука

Ожидаемые характеристики NGSS
HS-PS1-3.Спланируйте и проведите расследование, чтобы собрать доказательства для сравнения структуры веществ в большом объеме, чтобы сделать вывод о силе электрических сил между частицами. (9–12 классы) Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!
Нажмите, чтобы просмотреть другие учебные программы, соответствующие этим ожиданиям от результатов.
В этом упражнении основное внимание уделяется следующим аспектам трехмерного обучения NGSS:
Наука и инженерная практика	Основные дисциплинарные идеи	Пересекающиеся концепции
Планируйте и проводите расследование индивидуально и совместно, чтобы получить данные, которые послужат основой для доказательств, и при разработке: выберите типы, объем и точность данных, необходимых для получения надежных измерений, и рассмотрите ограничения точности данные (например,g., количество испытаний, стоимость, риск, время) и соответствующим образом доработайте дизайн. Соглашение о выравнивании: Спасибо за ваш отзыв!	Структура и взаимодействия материи в объемном масштабе определяются электрическими силами внутри и между атомами. Соглашение о выравнивании: Спасибо за ваш отзыв!	Различные закономерности могут наблюдаться на каждом из масштабов, на котором изучается система, и могут служить доказательством причинной связи в объяснении явлений. Соглашение о выравнивании: Спасибо за ваш отзыв!

Общие основные государственные стандарты — математика

• Обратите внимание на точность. (Оценки К — 12) Подробнее

  Посмотреть согласованную учебную программу

  Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

• Используйте пропорциональные отношения для решения многоступенчатых соотношений и процентных задач.(Оценка 7) Подробнее

  Посмотреть согласованную учебную программу

  Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

• Постройте и интерпретируйте графики разброса для данных двумерных измерений, чтобы исследовать закономерности связи между двумя величинами.Опишите шаблоны, такие как кластеризация, выбросы, положительная или отрицательная ассоциация, линейная ассоциация и нелинейная ассоциация. (Оценка 8) Подробнее

  Посмотреть согласованную учебную программу

  Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

Международная ассоциация преподавателей технологий и инженерии — Технология

ГОСТ

Колорадо — математика

• Используйте пропорциональные отношения для решения многоступенчатых соотношений и процентных задач.(Оценка 7) Подробнее

  Посмотреть согласованную учебную программу

  Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

• Постройте и интерпретируйте графики разброса для данных двумерных измерений, чтобы исследовать закономерности связи между двумя величинами.(Оценка 8) Подробнее

  Посмотреть согласованную учебную программу

  Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

• Прямые и косвенные измерения могут использоваться для описания и сравнения.(Оценка 8) Подробнее

  Посмотреть согласованную учебную программу

  Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

Колорадо — наука

• Используйте инструменты для сбора, просмотра, анализа и составления отчетов о результатах научных исследований взаимосвязей между массой, весом, объемом и плотностью. (Оценка 6) Подробнее

  Посмотреть согласованную учебную программу

  Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

• Собирать, анализировать и интерпретировать данные, которые показывают, что масса сохраняется при данном химическом или физическом изменении. (Оценка 8) Подробнее

  Посмотреть согласованную учебную программу

  Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

• Сбор, анализ и интерпретация данных о химических и физических свойствах элементов, таких как плотность, точка плавления, точка кипения и проводимость. (Оценки 9 — 12) Подробнее

  Посмотреть согласованную учебную программу

  Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

Предложите выравнивание, не указанное выше

Какое альтернативное выравнивание вы предлагаете для этого контента?

Список материалов

Каждой группе необходимо:

• 2 большие деревянные палочки для мороженого (продаются в магазинах для рукоделия)
• 4 изолированных медных провода, каждый длиной 4-6 дюймов (10-15 см)
• 3 пластиковых стакана, 473 мл (16 унций)
• 2 пластиковые ложки
• Аккумулятор 9 В
• крышка аккумуляторного отсека, обычно с красным и черным проводами (продается в хозяйственных магазинах)
• 3.Лампочка на 7 В (в хозяйственных магазинах)
• 1 миниатюрная розетка для лампочки (продается в хозяйственных магазинах; используется с лампочкой 3,7 В)
• защитные очки (очки или защитные очки)
• (опция) мультиметр и провода мультиметра с зажимами типа «крокодил» (доступны в хозяйственных магазинах)
• Рабочий лист для размышлений, по одному на человека
• Карт Saltwater, по одной карте на группу
• Рабочий лист контура морской воды (без мультиметра) или рабочий лист контура морской воды (с мультиметром), по одному на группу

На долю всего класса:

• изолента
• соли, одного контейнера на 26 унций (737 г) хватит на все группы, плюс еще
• отвертки для затяжки проводов в патронах ламп
• рулон алюминиевой фольги
• вода
• трехлучевая или цифровая шкала для измерения граммов соли
• мерные стаканы или градуированные цилиндры для измерения воды в миллилитрах
• , чтобы показать приложенную презентацию Saltwater Circuit PowerPoint

Рабочие листы и приложения

Посетите [www.teachengineering.org/activities/view/cub_desal_lesson01_activity1] для печати или загрузки.

Больше подобной программы

Опреснение океанской воды

Студенты узнают о методах, разработанных инженерами для превращения океанской воды в питьевую, включая термическое и мембранное опреснение. Они узнают, как процессы могут рассматриваться как системы с уникальными объектами, входами, компонентами и выходами, и делают наброски собственных системных диаграмм для описания…

Создайте и протестируйте датчик проводимости с Arduino

Группы студентов конструируют простые датчики проводимости, а затем объединяют их в две разные схемы, чтобы проверить поведение датчика в растворах с различной проводимостью (соленая вода, сахарная вода, дистиллированная вода, водопроводная вода).

Установка опреснения воды

Учащиеся используют подход теплового процесса для проектирования, строительства и испытаний небольшой опреснительной установки, которая способна значительно удалять содержание солей из раствора соленой воды. Учащиеся используют контур соленой воды, чтобы проверить эффективность своей модели опреснительной установки и узнать, как течет вода c…

Введение / Мотивация

(Перед началом соберите материалы для демонстрации в классе схемы с морской водой, как описано в разделах «Список материалов» и «Процедура». Создайте две концентрации соленой воды, одну, которая позволяет лампочке включаться, но оставаться тусклой, а другую выбрать, чтобы позволить лампочка должна быть яркой.Рекомендуемые концентрации: Раствор A: 300 мл воды и 1 грамм соли. Раствор B: 300 мл воды и 11 г соли. Решение A будет намного тусклее, чем решение B.)

(Также подготовьте проектор, чтобы показать прилагаемую презентацию системы соленой воды [PowerPoint] в конце вводного / мотивационного занятия.)

Как вы думаете, нужно ли когда-нибудь смешивать воду и электричество? (Ответ: Обычно нет.) Что, если бы вы могли безопасно смешивать воду и электричество? Можете ли вы придумать какие-нибудь крутые технологии, которые могут появиться в результате этого? (Дайте студентам несколько минут подумать.) Сегодня мы будем работать над ответом на этот вопрос. Фактически, мы собираемся объединить воду и электричество особым безопасным способом.

Кто-нибудь раньше строил какие-либо электрические схемы? (Пауза, чтобы дать студентам минуту или две подумать об этом.) Итак, сегодня мы собираемся построить контур для соленой воды, и мы собираемся исследовать проводимость соленой воды. В частности, мы собираемся ответить на вопрос: «Как количество соли в контуре с соленой водой влияет на электрический ток, протекающий по контуру?»

(Проведите демонстрацию схемы с морской водой.)

Наш вопрос — это научный вопрос, но он также имеет инженерное применение. В конце концов, инженерия — это применение математики и естественных наук для создания технологий, которые делают мир лучше. Одним из инженерных приложений этой науки является разработка инструмента для проверки эффективности опреснительной установки.

Установка по опреснению воды — это система, которая забирает соленую воду и производит чистую питьевую воду. Если бы кто-то спроектировал установку по опреснению воды, контур соленой воды можно было бы включить в качестве инструмента для обнаружения присутствия соли на выходе из опреснительной установки.Если контур с соленой водой проводит электричество, значит, установка не удалила значительное количество соли, а если она не проводит электричество, значит, установка удалила значительное количество соли из водозабора.

(Покажите учащимся прилагаемую презентацию программы Saltwater Circuit [PowerPoint].)

Процедура

Фон

Контур соленой воды — Контур соленой воды состоит из батареи, провода, лампочки, патрона для лампочки и двух электродов (см. Рисунок 1).Когда батарея подключена и электроды соприкасаются друг с другом, мы имеем замкнутую цепь , и электроны текут от положительной клеммы батареи к отрицательной клемме батареи. Этот поток заставляет лампочку загораться. Когда электроды не соприкасаются, цепь «разомкнута» и электроны не текут; это называется обрывом цепи . В нашем контуре с морской водой электроды действуют как переключатель.

Если вы погрузите электроды в обычную водопроводную воду, лампочка не загорится, потому что не существует среды для переноса электронов с одной стороны воды на другую.Но если погрузить электроды в соленую воду, лампочка загорится. Кроме того, количество соли в растворе соленой воды влияет на силу тока, протекающего по цепи, и, в свою очередь, на яркость свечения лампочки.

Рисунок 1. Рабочий контур с морской водой. Наличие ионов натрия и хлора переносит электричество через воду, замыкая цепь. Если заменить соленую воду водопроводной, схема не будет работать. Авторское право

Авторские права © Карли Самсон, Программа ITL, Инженерный колледж, Университет Колорадо в Боулдере

Почему работает контур соленой воды? — Ион — это атом, который имеет электрический заряд, положительный или отрицательный.Молекулы соли состоят из натрия и хлора. Когда соль попадает в воду, вода заставляет атомы натрия и хлора разделяться, и кристаллы соли начинают исчезать. В результате образуются ион натрия и ион хлора. У иона натрия отсутствует электрон, что дает положительное изменение. Ион хлора имеет дополнительный электрон, который придает ему отрицательный заряд.

При приложении электрического потенциала положительно заряженные ионы натрия притягиваются к отрицательному полюсу, а отрицательно заряженные ионы хлора притягиваются к положительному полюсу.Эти ионы переносят электричество через воду. Суть вышеупомянутого процесса заключается в том, что образуется «невидимая проволока», которая позволяет электронам перемещаться от иона к иону через воду.

Перед мероприятием

• Соберите материалы.
• Отрежьте достаточно 4-6-дюймовых кусков изолированной меди, чтобы в каждой группе было по четыре куска.
• Распечатайте и разрежьте прикрепленные карты соленой воды, достаточно, чтобы у вас была одна карточка на группу (приложение на двух страницах содержит 20 разных карточек, каждая из которых содержит измерения соли и воды для получения трех различных растворов концентрации соленой воды).
• Сделайте копии рабочего листа контура соленой воды (без мультиметра) или рабочего листа контура соленой воды (с мультиметром), по одной на группу, в зависимости от того, доступны ли мультиметры для использования.
• Разделите класс на группы по два-три ученика в каждой.

Со студентами — строительство контура соленой воды

1. По отдельности оберните две большие палочки для мороженого в алюминиевую фольгу (см. Рисунок 2 слева). Это ваши электроды.

2. Подсоедините по одному проводу к каждому электроду изолентой.Убедитесь, что оголенный конец провода касается алюминиевой фольги (см. Рисунок 2 слева).

Рис. 2. (слева) Сделайте электроды, обернув большие палочки от мороженого алюминиевой фольгой и прикрепив к ним провода. (справа) Затем подключите один электрод к гнезду миниатюрной лампочки. Авторское право

Copyright © Хуан Рамирес-младший, Программа ITL, Инженерный колледж, Университет Колорадо в Боулдере

3. Подключите противоположный конец провода от одного электрода к одной клемме патрона лампочки.Проденьте оголенный провод вокруг клеммы розетки и затяните отверткой. Добавьте кусок изоленты, чтобы закрепить соединение (см. Рисунок 2-справа).

4. Подключите провод к противоположной клемме патрона лампы. Снова затяните отверткой и закройте кусок изоленты (см. Рисунок 2-справа).

Рисунок 3. (слева) Подсоедините патрон лампочки к аккумулятору. (посередине) Если вы используете мультиметр, подключите его между батареей и вторым электродом.(справа) Если мультиметр не используется, подключите батарею ко второму электроду. Авторское право

Авторские права © Хуан Рамирес-младший, Программа ITL, Инженерный колледж, Университет Колорадо в Боулдере

5. С помощью изоленты соедините провод от патрона лампочки с красным проводом крышки 9-вольтового аккумулятора (см. Рисунок 3 слева).

6. С помощью изоленты подсоедините провод к черному проводу 9-вольтовой крышки аккумуляторной батареи (см. Рисунок 3 слева).

7. При использовании мультиметра: Подсоедините свободный провод к отрицательной клемме мультиметра.Затем подключите положительный полюс мультиметра к свободному электроду (см. Рис. 3-средний).

8. Если мультиметр не используется: Используйте изоленту, чтобы подсоединить свободный провод крышки батарейного отсека к свободному электроду (см. Рисунок 3-справа).

9. Проверьте свою схему , соприкоснув два электрода вместе. Это замыкает цепь, позволяя электричеству течь от одного вывода батареи к другому, и при этом загорается лампочка.Если лампочка не загорается, проверьте соединения проводов, чтобы убедиться, что все они надежны, и повторите попытку. (См. Рисунок 4.)

Рис. 4. Завершенная установка контура морской воды без мультиметра (слева) и с мультиметром (справа). Авторское право

Авторские права © Хуан Рамирес-младший, Программа ITL, Инженерный колледж, Университет Колорадо в Боулдере

Со студентами — решения, сбор и анализ данных

1. Раздайте каждой группе рабочий лист «Морская вода» и карточки.

2. Предложите командам использовать информацию, указанную на карточке, для приготовления трех различных растворов соляной воды. Обозначьте чашки A, B, C от самой высокой до самой низкой концентрации соли. Попросите учащихся рассчитать плотность (масса / объем) для каждой смеси и записать в таблице 1 рабочего листа.

3. Сбор данных Попросите учащихся вставить оба электрода в один раствор соленой воды (не касаясь электродов) и понаблюдать, насколько яркой становится лампочка, и запишите текущие показания мультиметра.(Если мультиметры недоступны, достаточно визуального наблюдения.) Запишите измерения и / или наблюдения в рабочие листы.

4. Анализ данных Оцените решения от самых тусклых до самых ярких с помощью визуального наблюдения.

5. (При использовании мультиметров) После того, как решения были ранжированы, попросите учащихся построить график зависимости электрического тока от плотности.

6. Попросите учащихся вычислить процент соли, составляющей массу раствора [(Масса соли / Общая масса соли и воды) * 100%].

7. Завершите упражнение, попросив учащихся заполнить Рабочий лист для размышлений, как описано в разделе «Оценка».

Словарь / Определения

замкнутая цепь: электрическая цепь, проводящая электричество.

Плотность: Масса на единицу объема.

электрический ток: скорость протекания электрического заряда, измеряемая в амперах (А).

электрическая цепь: Цепочка соединенных элементов схемы.

input: объект, входящий в систему.

ion: атом, который имеет электрический заряд, потому что он либо получил, либо потерял электрон.

мультиметр: электронное измерительное устройство, которое объединяет несколько функций измерения в одно устройство.

разомкнутая цепь: электрическая цепь, не проводящая электричество.

вывод: объект, выходящий из системы.

короткое замыкание: когда электрический ток отводится от всех элементов схемы к немногим или никаким элементам схемы, кроме батареи.

система: объект, который получает входные данные и преобразует их в выходные данные.

напряжение: электрическая разность потенциалов, измеряемая в вольтах (В).

Оценка

Оценка перед началом деятельности

Обсуждение в классе: Во время презентации Saltwater Circuit (PowerPoint) создайте среду, в которой студенты могут активно участвовать в обсуждении.

Встроенная оценка деятельности

Рабочий лист анализа данных: На этапе сбора данных процедуры задания попросите студенческие команды заполнить прилагаемый Рабочий лист контура морской воды (две версии: без мультиметра и с мультиметром).

Оценка после деятельности

Для размышлений: Попросите учащихся ответить на вопросы об изученных концепциях и их участии в Рабочей таблице для размышлений. Просмотрите рабочие листы, чтобы оценить уровень владения учащимися предметом.

Вопросы для расследования

Означает ли большее количество соли в контуре соленой воды, что лампочка будет ярче, чем при использовании меньшего количества соли? (Ответ: Да. Если увеличить количество соли в растворе соленой воды, лампочка станет ярче.)

Как вы думаете, можно ли продолжать добавлять соль и делать лампочку ярче, или есть момент, когда большее количество соли не влияет на яркость лампочки? (Ответ: В конце концов, любая дополнительная соль не сделает лампочку ярче.Только определенное количество электрического тока может быть получено от источника батареи для данной электрической цепи.)

Вопросы безопасности

• Попросите учащихся использовать защитные очки для защиты глаз.
• Если крышка аккумулятора не используется, можно легко закоротить аккумулятор, если концы проводов, подключенные к положительной и отрицательной клеммам аккумулятора, соприкасаются. При соприкосновении аккумулятор перегревается и может вызвать серьезные ожоги.

Советы по поиску и устранению неисправностей

Если лампочка не загорается, проверьте надежность всех соединений проводов.

Расширения деятельности

Продолжите упражнение, проведя соответствующее мероприятие по опреснительной установке, в ходе которого студенты проектируют / строят / тестируют модельную опреснительную установку с использованием недорогих материалов.

Масштабирование активности

• Для младших классов используйте только визуальные наблюдения (исключите мультиметр).
• Для старших классов разрешите учащимся выбрать несколько соотношений соли и воды для проверки электропроводности.

Рекомендации

PBS Kids Go. Zoom-Морские скалы. Образовательный фонд WGBH. По состоянию на 1 мая 2010 г. http://pbskids.org/zoom/activities/sci/saltwatertester.html

Wikipedia.org, Wikipedia Foundation Inc., дата обращения 1 мая 2010 г. (Источник словарных определений с некоторой адаптацией.) Http: // wikipedia.org

Другая сопутствующая информация

Просмотрите центр учебных программ по физике, согласованный с NGSS, чтобы найти дополнительные учебные программы по физике и физическим наукам, посвященные инженерным наукам.

Авторские права

© 2009 Регенты Университета Колорадо

Авторы

Хуан Рамирес-младший; Карли Самсон; Стефани Ривал; Дениз В. Карлсон

Программа поддержки

Комплексная программа преподавания и обучения, Инженерный колледж, Университет Колорадо в Боулдере

Благодарности

Содержание этой учебной программы по цифровой библиотеке было разработано при гранте Фонда улучшения послесреднего образования (FIPSE), U.S. Министерство образования и Национальный научный фонд ГК-12, грант No. 0338326. Однако это содержание не обязательно отражает политику Министерства образования или Национального научного фонда, и вам не следует предполагать, что оно одобрено федеральным правительством.

Последнее изменение: 9 июня 2021 г.

Fruit Battery | Научный проект

Когда два разных металла помещаются в общий проводящий раствор, будет произведено электричество.Это основа электрохимической ячейки или влажной ячейки . В начале девятнадцатого века Алессандро Вольта использовал этот физический факт, чтобы изобрести гальваническую батарею и открыл первый практический метод производства электричества. Состоящий из чередующихся дисков цинка и меди с кусками картона, пропитанными солевым раствором между металлами, его гальваническая батарея вырабатывала электрический ток. Гальваническая батарея Алессандро Вольта была первой «мокрой батареей», которая вырабатывала электричество.

Влажный элемент состоит из отрицательного электрода , положительного электрода и электролита , который проводит ионов (атомов с электрическим зарядом). В этом научном проекте в качестве электродов будут использоваться медь и цинк, а в качестве электролита — лимонная кислота, содержащаяся в свежих фруктах. Химия фруктовой клетки заключается в том, что цинк на реакционноспособен на больше, чем медь, что означает, что цинк легче теряет электроны, чем медь.В результате в металлической полосе цинка происходит окисление, и металлический цинк теряет электроны, которые затем становятся ионами цинка. Затем электроны текут от цинковой полосы к медной полосе через внешнюю цепь. В медной полосе происходит восстановление, и ионы водорода в соке критической кислоты фрукта принимают эти электроны с образованием газообразного водорода; это объясняет, почему исследователь может наблюдать образование пузырьков газа на медной полосе, когда два металла соединяются проволокой.

В этом проекте светодиод используется, чтобы указать, генерирует ли фруктовая ячейка электрический ток.Светодиод Light Emitting Diode (LED) — это полупроводниковое устройство , которое преобразует электричество в свет. Электрический ток может течь только в одном направлении через светодиоды, что означает, что они имеют положительный и отрицательный вывод (также называемый анодом и катодом ). Катод должен быть подключен к отрицательной металлической цинковой полосе, а анод — к положительной медной полосе.

Безопасность: фрукты, использованные в этом проекте, нельзя есть.Будьте осторожны при обращении с металлическими электродами, проводами светодиодов и зажимов типа «крокодил».

• Различные фрукты (например, лимон, грейпфрут, апельсин, помидор и киви)
• Мультиметр
• светодиод
• Поводки с зажимом типа «крокодил»
• Картонная панель, сложенная втрое
• Электроды медные и цинковые
• (опция) Маленький электрический мотор для хобби на 1,5 В.

• Что такое аккумулятор с мокрыми ячейками?
• Почему при помещении в плод двух разнородных металлов возникает электрический ток?
• Какая фруктовая ячейка вырабатывает больше всего электроэнергии? Какие плодовые клетки производили меньше всего?
• Изменение расстояния между электродами привело к увеличению или уменьшению тока?
• Приближение друг к другу электродов привело к увеличению или уменьшению тока?
• Разнесение электродов увеличивало или уменьшало ток или оставалось неизменным?
• Имеет ли значение размер фруктов? Если да, то увеличился или уменьшился размер?
• Как долго фруктовый элемент подавал электричество для освещения светодиода?
• Цитрусовые обладают кислотой, что помогает их соку проводить электричество.Какие еще фрукты и овощи могут работать как батарейки?
• Будет ли фруктовый сок без фруктов работать как электролит?

1. Подготовьте фрукты для этого проекта, сжав их руками со всех сторон. Следите за тем, чтобы не сжимать слишком сильно и не повредить кожу!
2. Вставьте цинковый электрод в первый тестируемый плод до упора.
3. Поместите медный электрод с противоположной стороны.
4. Подключите более длинный из двух выводов светодиода к медной полосе, а более короткий вывод к металлической полосе с помощью пары зажимов типа «крокодил».
5. Наблюдайте и записывайте, что происходит.
6. Если светодиод горит, запишите также, как долго светодиод остается гореть.
7. Измерьте ток с помощью мультиметра.
8. Удалите цинковый и медный электроды и сотрите излишки сока.
9. Повторите ту же процедуру с другим фруктом. Записывайте результаты каждый раз.
10. Для более точного с научной точки зрения исследования весь процесс следует повторить еще дважды.
11. Рассчитайте средний ток, полученный путем сложения значений трех независимых результатов и деления суммы на три для каждого фрукта.
12. Запишите данные в таблицу, подобную показанной.

Ток ( миллиампер )	Лимон	Грейпфрут	Оранжевый	Помидор	Киви
Опытная 1
Испытание 2
Испытание 3
Среднее значение

13. Используя данные в таблице, постройте гистограмму с наименованием фруктов по оси x и текущим по оси y.

Если светодиод не горит, соедините несколько фруктовых ячеек вместе, прикрепив медь к цинку на каждом фрукте. Также, если вместо светодиода используется небольшой мотор, который не запускается автоматически при подключении к фруктовой ячейке, поверните якорь.

Заявление об отказе от ответственности и меры предосторожности

Education.com предлагает идеи проекта Science Fair для информационных целей. только для целей. Education.com не дает никаких гарантий или заверений относительно идей проектов Science Fair и не несет ответственности за любые убытки или ущерб, прямо или косвенно вызванные использованием вами таких Информация.Получая доступ к идеям проекта Science Fair, вы отказываетесь от отказаться от любых претензий к Education.com, которые возникают в связи с этим. Кроме того, ваш доступ к веб-сайту Education.com и идеям проектов Science Fair покрывается Политика конфиденциальности Education.com и Условия использования сайта, которые включают ограничения об ответственности Education.com.

Настоящим дается предупреждение, что не все идеи проекта подходят для всех индивидуально или при любых обстоятельствах. Реализация идеи любого научного проекта должны проводиться только в соответствующих условиях и с соответствующими родительскими или другой надзор.Прочтите и соблюдайте правила техники безопасности всех Материалы, используемые в проекте, являются исключительной ответственностью каждого человека. Для Для получения дополнительной информации обратитесь к справочнику по научной безопасности вашего штата.

Как работает аккумулятор — Любопытно

Представьте себе мир без батарей. Все портативные устройства, от которых мы так зависим, были бы настолько ограничены! Мы сможем доставить наши ноутбуки и телефоны настолько далеко, насколько это досягаемо для их кабелей, что сделает это новое работающее приложение, которое вы только что загрузили на свой телефон, практически бесполезным.

К счастью, у нас есть батарейки. Еще в 150 г. до н.э. в Месопотамии парфянская культура использовала устройство, известное как багдадская батарея, сделанное из медных и железных электродов с уксусом или лимонной кислотой. Археологи считают, что на самом деле это не батареи, а в основном они использовались для религиозных церемоний.

Изобретение батареи в том виде, в котором мы ее знаем, приписывают итальянскому ученому Алессандро Вольта, который собрал первую батарею, чтобы доказать свою точку зрения другому итальянскому ученому Луиджи Гальвани.В 1780 году Гальвани показал, что лапки лягушек, подвешенных на железных или латунных крючках, подергиваются при прикосновении к зонду из другого металла. Он считал, что это было вызвано электричеством из тканей лягушек, и называл это «животным электричеством».

Луиджи Гальвани обнаружил, что лапы лягушек, подвешенных на латунных крючках, дергались, когда их ткнули зондом из другого металла. Он думал, что эта реакция была вызвана «животным электричеством» внутри лягушки. Источник изображения: Луиджи Гальвани / Wikimedia Commons.

Вольта, первоначально впечатленный открытиями Гальвани, пришел к выводу, что электрический ток исходит от двух разных типов металла (крючки, на которых висели лягушки, и другой металл зонда) и просто передается через них, а не через них. из тканей лягушек. Он экспериментировал со стопками слоев серебра и цинка, перемежаемых слоями ткани или бумаги, пропитанной соленой водой, и обнаружил, что электрический ток действительно течет через провод, приложенный к обоим концам стопки.

Батарея Алессандро Вольта: куча цинковых и серебряных листов, перемеженных тканью или бумагой, пропитанной соленой водой. Представьте, что вы используете это для питания вашего телефона. Источник изображения: Луиджи Кьеза / Wikimedia Commons.

Volta также обнаружил, что, используя различные металлы в свае, можно увеличить количество напряжения. Он описал свои открытия в письме Джозефу Бэнксу, тогдашнему президенту Лондонского королевского общества, в 1800 году. Это было довольно большое дело (Наполеон был весьма впечатлен!), И его изобретение принесло ему устойчивое признание в честь «вольта». ‘(мера электрического потенциала), названная в его честь.

Я сам, шутя в сторону, поражен тем, как мои старые и новые открытия … чистого и простого электричества, вызванного контактом металлов, могли вызвать такое волнение. Алессандро Вольта

Так что же именно происходило с этими слоями цинка и серебра и с дрожащими лягушачьими лапами?

Химия батареи

Батарея — это устройство, которое накапливает химическую энергию и преобразует ее в электричество.Это известно как электрохимия, а система, лежащая в основе батареи, называется электрохимическим элементом. Батарея может состоять из одного или нескольких (как в оригинальной кучке Вольты) электрохимических ячеек. Каждая электрохимическая ячейка состоит из двух электродов, разделенных электролитом.

Итак, откуда электрохимический элемент получает электричество? Чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно знать, что такое электричество. Проще говоря, электричество — это тип энергии, производимый потоком электронов.В электрохимической ячейке электроны образуются в результате химической реакции, которая происходит на одном электроде (подробнее об электродах ниже!), А затем они перетекают на другой электрод, где расходуются. Чтобы понять это правильно, нам нужно внимательнее изучить компоненты клетки и то, как они устроены вместе.

Электроды

Чтобы создать поток электронов, вам нужно где-то, чтобы электроны текли из , а где-то электроны текли с на .Это электроды ячейки. Электроны текут от одного электрода, называемого анодом (или отрицательным электродом), к другому электроду, называемому катодом (положительный электрод). Обычно это разные типы металлов или другие химические соединения.

В котле Вольта анодом служил цинк, от которого электроны текли по проволоке (при соединении) с серебром, которое было катодом батареи. Он сложил много этих ячеек вместе, чтобы получилась общая куча, и поднял напряжение.

Но откуда анод вообще берет все эти электроны? И почему они так счастливы, что их отправили в веселый путь к катоду? Все сводится к химии, происходящей внутри клетки.

Нам нужно понять несколько химических реакций. На аноде электрод вступает в реакцию с электролитом, в результате чего образуются электроны. Эти электроны накапливаются на аноде. Между тем, на катоде одновременно происходит другая химическая реакция, которая позволяет этому электроду принимать электроны.

Технический химический термин, обозначающий реакцию, которая включает обмен электронами, — это реакция окисления-восстановления, обычно называемая окислительно-восстановительной реакцией. Вся реакция может быть разделена на две половинные реакции, и в случае электрохимической ячейки одна полуреакция происходит на аноде, а другая — на катоде. Уменьшение — это усиление электронов, и это то, что происходит на катоде; мы говорим, что катод восстанавливается во время реакции. Окисление — это потеря электронов, поэтому мы говорим, что анод окисляется.

Каждая из этих реакций имеет определенный стандартный потенциал. Думайте об этой характеристике как о способности / эффективности реакции либо производить, либо поглощать электроны — ее силу в электронном перетягивании каната.

• Стандартные потенциалы полуреакций

  Ниже приведен список половинных реакций, которые включают высвобождение электронов из чистого элемента или химического соединения. Рядом с реакцией указано число (E ⁰ ), которое сравнивает силу электрохимического потенциала реакции с силой готовности водорода расстаться со своим электроном (если вы посмотрите вниз по списку, вы увидите, что водородная полуреакция имеет нулевое значение E ⁰ ).E ⁰ измеряется в вольтах.

  Причина, по которой этот список настолько интересен, заключается в том, что если вы выберете две реакции из списка и объедините их в электрохимическую ячейку, значения E ⁰ скажут вам, в каком направлении будет протекать общая реакция: реакция с более отрицательной реакцией. Значение E ⁰ отдает свои электроны другой реакции, и это определяет анод и катод вашей ячейки. Разница между двумя значениями E ⁰ говорит вам об электрохимическом потенциале вашей ячейки, который в основном представляет собой напряжение ячейки.

  Итак, если вы возьмете литий и фторид и сумеете объединить их, чтобы сделать элемент батареи, у вас будет самое высокое напряжение, теоретически достижимое для электрохимического элемента. Этот список также объясняет, почему в котле Вольта цинк был анодом, а серебро — катодом: полуреакция цинка имеет более низкое (более отрицательное) значение E ⁰ (-0,7618), чем полуреакция серебра (0,7996). .

  Источник: UC Davis ChemWiki

Любые два проводящих материала, которые вступают в реакцию с разными стандартными потенциалами, могут образовывать электрохимическую ячейку, потому что более сильный из них сможет забирать электроны у более слабого.Но идеальным выбором для анода был бы материал, который вызывает реакцию со значительно более низким (более отрицательным) стандартным потенциалом, чем материал, который вы выбираете для своего катода. В итоге мы получаем электроны, притягивающиеся к катоду от анода (и анод не очень сильно пытается бороться), и, когда у нас есть легкий путь, чтобы добраться туда — проводящий провод, мы можем использовать их энергию для обеспечения электрического питание нашего фонарика, телефона или чего-то еще.

Разница в стандартном потенциале между электродами как бы равна силе, с которой электроны перемещаются между двумя электродами.Это известно как общий электрохимический потенциал ячейки, и он определяет напряжение ячейки. Чем больше разница, тем больше электрохимический потенциал и выше напряжение.

Чтобы увеличить напряжение аккумулятора, у нас есть два варианта. Мы могли бы выбрать для наших электродов другие материалы, которые придадут ячейке больший электрохимический потенциал. Или мы можем сложить несколько ячеек вместе. Когда элементы объединяются определенным образом (последовательно), это оказывает аддитивное влияние на напряжение батареи.По сути, силу, с которой электроны движутся через батарею, можно рассматривать как общую силу, когда они движутся от анода первого элемента на всем пути, сколько бы ячеек ни содержала батарея, к катоду последнего элемента.

Когда элементы объединяются другим способом (параллельно), это увеличивает возможный ток батареи, который можно рассматривать как общее количество электронов, протекающих через элементы, но не ее напряжение.

Электролит

Но электроды — это всего лишь часть батареи.Помните обрывки бумаги Вольты, пропитанные соленой водой? Соленая вода была электролитом, еще одной важной частью картины. Электролит может быть жидкостью, гелем или твердым веществом, но он должен обеспечивать движение заряженных ионов.

Электронов имеют отрицательный заряд, и поскольку мы посылаем поток отрицательных электронов по нашей цепи, нам нужен способ уравновесить это движение заряда. Электролит обеспечивает среду, через которую могут протекать положительные ионы, уравновешивающие заряд.

Поскольку химическая реакция на аноде производит электроны, для поддержания баланса нейтрального заряда на электроде также производится соответствующее количество положительно заряженных ионов. Они не проходят по внешнему проводу (только для электронов!), А попадают в электролит.

В то же время катод должен также уравновешивать отрицательный заряд электронов, которые он принимает, поэтому реакция, которая здесь происходит, должна втягивать положительно заряженные ионы из электролита (альтернативно, он также может высвобождать отрицательно заряженные ионы из электрода в электролит. электролит).

Итак, в то время как внешний провод обеспечивает путь для потока отрицательно заряженных электронов, электролит обеспечивает путь для переноса положительно заряженных ионов, чтобы уравновесить отрицательный поток. Этот поток положительно заряженных ионов так же важен, как и электроны, обеспечивающие электрический ток во внешней цепи, которую мы используем для питания наших устройств. Роль балансировки заряда, которую они выполняют, необходима для поддержания протекания всей реакции.

Так вот, если бы все ионы, высвобожденные в электролит, могли полностью свободно перемещаться через электролит, они в конечном итоге покрыли бы поверхности электродов и забили бы всю систему.Таким образом, в клетке обычно есть какой-то барьер, чтобы этого не произошло.

При использовании аккумулятора возникает ситуация, когда происходит непрерывный поток электронов (через внешнюю цепь) и положительно заряженных ионов (через электролит). Если этот непрерывный поток остановлен — если цепь разомкнута, например, когда ваш фонарик выключен — поток электронов остановлен. Заряды будут накапливаться, и химические реакции, приводящие в движение аккумулятор, прекратятся.

По мере использования батареи и протекания реакций на обоих электродах возникают новые химические продукты.Эти продукты реакции могут создавать своего рода сопротивление, которое может помешать продолжению реакции с такой же эффективностью. Когда это сопротивление становится слишком большим, реакция замедляется. Электронное перетягивание каната между катодом и анодом также теряет свою силу, и электроны перестают течь. Аккумулятор медленно разряжается.

Зарядка аккумулятора

Некоторые распространенные батареи предназначены только для одноразового использования (так называемые первичные или одноразовые батареи).Электроны перемещаются от анода к катоду в одну сторону. Либо их электроды истощаются по мере того, как они выделяют свои положительные или отрицательные ионы в электролит, либо накопление продуктов реакции на электродах препятствует продолжению реакции, и это делается и вытирается пыль. Батарея оказывается в мусорном ведре (или, надеюсь, на переработку, но это уже другая тема Nova).

Но. Изящная вещь в этом потоке ионов и электронов, который имеет место в некоторых типах батарей с соответствующими материалами электродов, заключается в том, что он также может двигаться в обратном направлении, возвращая нашу батарею в исходную точку и давая ей совершенно новую жизнь. .Подобно тому, как батареи изменили способ использования различных электрических устройств, аккумуляторные батареи еще больше изменили полезность этих устройств и их продолжительность жизни.

Когда мы подключаем почти разряженную батарею к внешнему источнику электричества и отправляем энергию обратно в батарею, происходит обратная химическая реакция, которая произошла во время разряда. Это отправляет положительные ионы, выпущенные из анода, в электролит, обратно к аноду, а электроны, которые катод принимает, также обратно к аноду.Возврат как положительных ионов, так и электронов обратно в анод подготавливает систему, так что она снова готова к работе: ваша батарея заряжена.

Однако процесс не идеален. Замена отрицательных и положительных ионов электролита обратно на соответствующий электрод при перезарядке батареи не такая аккуратная и не такая хорошо структурированная, как электрод вначале. Каждый цикл зарядки еще больше ухудшает состояние электродов, а это означает, что батарея со временем теряет производительность, поэтому даже аккумуляторные батареи не могут работать вечно.

В течение нескольких циклов зарядки и разрядки форма кристаллов аккумулятора становится менее упорядоченной. Это усугубляется, когда аккумулятор разряжается / заряжается с высокой скоростью — например, если вы едете на электромобиле с большой скоростью, а не с постоянной скоростью. Высокоскоростное переключение приводит к тому, что кристаллическая структура становится более неупорядоченной, что приводит к менее эффективной батарее.

Эффект памяти и саморазряд

Почти, но не полностью обратимые реакции разряда и перезарядки также способствуют так называемому «эффекту памяти».Когда вы перезаряжаете некоторые типы аккумуляторных батарей, не разрядив их сначала, они «запоминают», где находились в предыдущих циклах разрядки, и не перезаряжаются должным образом.

В некоторых элементах это вызвано тем, как металл и электролит реагируют с образованием соли (и тем, как эта соль затем снова растворяется и металл заменяется на электродах при перезарядке). Мы хотим, чтобы наши клетки имели красивые, однородные, маленькие кристаллы соли, покрывающие идеальную металлическую поверхность, но это не то, что мы получаем в реальном мире! Некоторые кристаллы образуются очень сложно, и то, как откладываются некоторые металлы во время перезарядки, также удивительно сложно, поэтому некоторые типы батарей имеют больший эффект памяти, чем другие.Дефекты в основном зависят от первоначального состояния заряда батареи, температуры, напряжения заряда и тока зарядки. Со временем недостатки в одном цикле зарядки могут вызвать то же самое в следующем цикле зарядки и так далее, и наша батарея накапливает некоторые плохие воспоминания. Эффект памяти силен для некоторых типов элементов, таких как батареи на никелевой основе. Другие типы, такие как литий-ионные, не страдают этой проблемой.

Другой аспект аккумуляторных батарей заключается в том, что химический состав, делающий их перезаряжаемыми, также означает, что они имеют более высокую тенденцию к саморазряду.Это когда внутренние реакции происходят внутри аккумуляторного элемента, даже когда электроды не подключены через внешнюю цепь. Это приводит к тому, что клетка со временем теряет часть своей химической энергии. Высокая скорость саморазряда серьезно ограничивает срок службы аккумуляторов — и приводит к их разрядке во время хранения.

Литий-ионные аккумуляторы в наших мобильных телефонах имеют довольно хорошую скорость саморазряда около 2–3 процентов в месяц, и наши свинцово-кислотные автомобильные аккумуляторы также довольно разумны — они, как правило, теряют 4–6 процентов. месяц.Никелевые батареи теряют около 10–15 процентов своего заряда в месяц, что не очень хорошо, если вы планируете хранить фонарик в течение всего сезона, когда он вам не нужен! Неперезаряжаемая щелочная батарея теряет около 2–3% своего заряда в год.

Напряжение, ток, мощность, емкость… в чем разница?

Все эти слова в основном описывают мощность батареи, не так ли? Ну вроде как.Но все они несколько разные.

Напряжение = сила, при которой реакция, приводящая в действие аккумулятор, проталкивает электроны через элемент. Это также известно как электрический потенциал и зависит от разницы потенциалов между реакциями, которые происходят на каждом из электродов, то есть от того, насколько сильно катод оттянет электроны (через цепь) от анода. Чем выше напряжение, тем больше работы может совершить то же количество электронов.

Ток = количество электронов, которые проходят через любую точку цепи в данный момент времени.Чем выше ток, тем больше работы он может выполнять при том же напряжении. Внутри ячейки ток можно также рассматривать как количество ионов, проходящих через электролит, умноженное на заряд этих ионов.

Мощность = напряжение x ток. Чем выше мощность, тем быстрее батарея может работать — это соотношение показывает, как напряжение и ток важны для определения того, для чего подходит батарея.

Емкость = мощность батареи как функция времени, которая используется для описания продолжительности времени, в течение которого батарея может обеспечивать питание устройства.Аккумулятор большой емкости сможет проработать более длительный период, прежде чем разрядится / разрядится. У некоторых батарей есть небольшая печальная особенность: если вы слишком быстро попытаетесь извлечь из них слишком много энергии, химические реакции не успеют поспеть, и емкость станет меньше! Итак, мы всегда должны быть осторожны, когда говорим о емкости батареи, и помнить, для чего она будет использоваться.

Еще один популярный термин — «плотность энергии». Это количество энергии, которое устройство может удерживать на единицу объема, другими словами, сколько энергии вы получите за свои деньги с точки зрения мощности по сравнению сразмер. С батареей, как правило, чем выше плотность энергии, тем лучше, поскольку это означает, что батарея может быть меньше и компактнее, что всегда является плюсом, когда вам нужно, чтобы она питала то, что вы хотите держать в кармане. Для электромобилей это даже плюс — аккумулятор должен как-то влезать в машину!

Для некоторых приложений, таких как хранение электроэнергии на возобновляемых электростанциях, таких как ветряная или солнечная ферма, высокая плотность энергии не является большой проблемой, поскольку в них, скорее всего, будет достаточно места для хранения батарей.Основная цель такого использования — просто хранить как можно больше электроэнергии, как можно безопаснее и дешевле.

Почему так много типов?

Ряд материалов (раньше это были просто металлы) могут использоваться в качестве электродов в батарее. За прошедшие годы было опробовано много-много различных комбинаций, но лишь немногие из них действительно прошли дистанцию.Но зачем вообще использовать разные комбинации металлов? Если у вас есть пара металлов, которые хорошо работают вместе в качестве электродов, зачем возиться с другими?

Различные материалы имеют разные электрохимические свойства, поэтому они дают разные результаты, когда вы соединяете их в аккумуляторном элементе. Например, некоторые комбинации будут производить высокое напряжение очень быстро, но затем быстро падают, не в состоянии поддерживать это напряжение в течение длительного времени. Это хорошо, если вам нужно произвести, скажем, внезапную вспышку света, такую ​​как вспышка фотоаппарата.

Другие комбинации будут производить только тонкую струйку тока, но они будут поддерживать эту струю на века. Например, нам не нужен большой ток для питания детектора дыма, но мы хотим, чтобы наши детекторы дыма работали долгое время.

Еще одна причина для использования различных комбинаций металлов заключается в том, что часто два или более аккумуляторных элемента необходимо уложить в стопку для получения необходимого напряжения, и оказывается, что некоторые комбинации электродов складываются вместе намного удобнее, чем другие комбинации.Например, литий-железо-фосфатные батареи (тип литий-ионных аккумуляторов), используемые в электромобилях, складываются вместе для создания систем высокого напряжения (100 или даже более вольт), но вы никогда не сделаете этого с теми батареями NiCad Walkman, которые имеют горячий!

Наши различные потребности с течением времени привели к разработке огромного количества типов батарей.