Lumea bateriei - partea 1
Premiul Nobel pentru Chimie 2019 a fost acordat pentru dezvoltarea designului bateriilor litiu-ion. Spre deosebire de unele dintre celelalte verdicte ale Comitetului Nobel, acesta nu a surprins - dimpotrivă. Bateriile litiu-ion alimentează smartphone-uri, laptop-uri, unelte electrice portabile și chiar mașini electrice. Trei oameni de știință, John Goodenough, Stanley Whittingham și Akira Yoshino, au primit pe merit diplome, medalii de aur și 9 milioane SEK pentru distribuire.
Puteți citi mai multe despre justificarea premiului într-un număr anterior al ciclului nostru de chimie - iar articolul în sine s-a încheiat cu anunțul unei prezentări mai detaliate a problemei celulelor și bateriilor. Este timpul să-ți ții promisiunea.
În primul rând, o scurtă explicație a inexactităților de denumire.
Legătură acesta este singurul circuit care generează tensiune.
acumulator constă din celule conectate corect. Scopul este de a crește tensiunea, capacitatea (energia care poate fi extrasă din sistem) sau ambele.
acumulator este o celulă sau o baterie care poate fi reîncărcată atunci când este epuizată. Nu fiecare cip are aceste proprietăți - multe sunt de unică folosință. În vorbirea de zi cu zi, primii doi termeni sunt adesea folosiți interschimbabil (așa va fi și cazul în articol), dar trebuie să fiți conștienți de diferența dintre ei (1).
1. Baterii formate din celule.
Bateriile nu au fost inventate în ultimele decenii, au o istorie mult mai lungă. Poate că ați auzit deja despre experiență Galvaniego i Volți la începutul secolelor al XNUMX-lea și al XNUMX-lea, care a marcat începutul utilizării curentului electric în fizică și chimie. Cu toate acestea, istoria bateriei a început chiar mai devreme. A fost acum mult timp în urmă …
... mult timp în Bagdad
În 1936 un arheolog german Wilhelm Koenig a găsit un vas de lut în apropiere de Bagdad, datând din secolul al III-lea î.Hr. Descoperirea nu a părut neobișnuită, având în vedere că civilizația de pe Eufrat și Tigru a înflorit de mii de ani.
Cu toate acestea, conținutul vasului era misterios: o rolă ruginită de tablă de cupru, o tijă de fier și resturi de rășină naturală. Koenig a rămas nedumerit cu privire la scopul artefactului până când și-a amintit că a vizitat Aleea Bijutierilor din Bagdad. Modele similare au fost folosite de meșterii locali pentru a acoperi produsele din cupru cu metale prețioase. Ideea că era o baterie veche nu i-a convins pe alți arheologi că nicio dovadă a electricității nu a supraviețuit la acel moment.
Deci (așa se numea descoperirea) este un lucru real sau un basm din 1001 de nopți? Lasă experimentul să decidă.
Vei avea nevoie: placă de cupru, cui de fier și oțet (rețineți că toate aceste materiale erau cunoscute și disponibile pe scară largă în antichitate). Înlocuiți rășina pentru a sigila vasul și înlocuiți-o cu plastilină ca izolație.
Faceți experimentul într-un pahar sau un balon, deși folosirea unei vase de lut va da testului o aromă autentică. Folosind șmirghel, curățați suprafețele metalice de placă și atașați fire de ele.
Rulați placa de cupru într-o rolă și puneți-o în vas și introduceți cuiul în rolă. Folosind plastilină, fixați placa și unghia astfel încât să nu se atingă (2). Turnați oțet (soluție de aproximativ 5%) în vas și, cu ajutorul unui multimetru, măsurați tensiunea dintre capetele firelor conectate la placa de cupru și cuiul de fier. Setați instrumentul să măsoare curent continuu. Care dintre poli este „plus” și care este „minus” sursei de tensiune?
2. Schița unei copii moderne a bateriei de la Bagdad.
Contorul arată 0,5-0,7 V, așa că bateria de la Bagdad funcționează! Vă rugăm să rețineți că polul pozitiv al sistemului este de cupru, iar polul negativ este fier (contorul arată o valoare pozitivă a tensiunii într-o singură opțiune pentru conectarea firelor la borne). Este posibil să obțineți energie electrică din copia construită pentru o muncă utilă? Da, dar mai faceți câteva modele și conectați-le în serie pentru a crește tensiunea. LED-ul are nevoie de aproximativ 3 volți - dacă obțineți atât de mult de la baterie, LED-ul se va aprinde.
Bateria de la Bagdad a fost testată în mod repetat pentru capacitatea sa de a alimenta echipamente de dimensiuni mici. Un experiment similar a fost realizat în urmă cu câțiva ani de către autorii programului de cult MythBusters. Străbători de mituri (mai îți mai amintești de Adam și Jamie?) au ajuns și ei la concluzia că structura ar putea servi ca o baterie veche.
Deci, aventura umanității cu electricitatea a început acum peste 2 ani? Da și nu. Da, pentru că și atunci a fost posibil să se proiecteze surse de alimentare. Nu, pentru că invenția nu s-a răspândit - nimeni nu a avut nevoie de ea atunci și pentru multe secole de acum încolo.
Conexiune? E simplu!
Curățați temeinic suprafețele plăcilor sau sârmelor metalice, aluminiului, fierului etc. Introduceți mostre din două metale diferite într-un fruct suculent (ceea ce va facilita fluxul de electricitate), astfel încât acestea să nu se atingă. Conectați clemele multimetrului la capetele firelor care ies din fructe și citiți tensiunea dintre ele. Schimbați tipurile de metale folosite (precum și fructele) și continuați să încercați (3).
3. Celulă de fructe (electrozi din aluminiu și cupru).
În toate cazurile au fost create link-uri. Valorile tensiunilor măsurate diferă în funcție de metalele și fructele prelevate pentru experiment. Combinarea celulelor de fructe într-o baterie vă va permite să o utilizați pentru a alimenta echipamente electronice mici (în acest caz, necesită o cantitate mică de curent, pe care o puteți obține din designul dvs.).
Conectați capetele firelor care ies din fructele extreme la fire, iar acestea, la rândul lor, la capetele LED-ului. De îndată ce ați conectat polii bateriei la „bornele” corespunzătoare ale diodei și tensiunea a depășit un anumit prag, dioda se va aprinde (diodele de diferite culori au o tensiune inițială diferită, dar aproximativ 3 volți ar trebui să fie de ajuns ).
O sursă de energie la fel de atractivă este un ceas electronic - poate funcționa mult timp cu o „baterie cu fructe” (deși multe depind de modelul ceasului).
Legumele nu sunt în niciun fel inferioare fructelor și, de asemenea, vă permit să construiți o baterie din ele. Pentru că? Luați câteva murături și o cantitate adecvată de foi sau fire de cupru și aluminiu (le puteți înlocui cu cuie de oțel, dar veți obține o tensiune mai mică de la o singură legătură). Asamblați o baterie și când o folosiți pentru alimentarea circuitului integrat din cutia muzicală, corul de castraveți va cânta!
De ce castraveți? Konstantin Ildefons Galchinsky a susținut că: „Dacă castravetele nu cântă și în orice moment, probabil că nu poate vedea prin voința cerului”. Se dovedește că un chimist poate face lucruri la care nici poeții nu le-au visat.
baterie Bivakov
În caz de urgență, puteți proiecta singur o baterie și o puteți folosi pentru a alimenta un LED. Adevărat, lumina va fi slabă, dar este mai bine decât nimic.
De ce vei avea nevoie? O diodă, desigur, și în plus, o matriță pentru cuburi de gheață, sârmă de cupru și cuie sau șuruburi din oțel (metalele ar trebui să aibă suprafețele curățate pentru a facilita fluxul de electricitate). Tăiați firul în bucăți și înfășurați capul șurubului sau cuiului cu un capăt al fragmentului. Faceți mai multe modele de oțel-cupru în acest fel (8-10 ar trebui să fie suficiente).
Turnați pământ umed în adânciturile din matriță (puteți turna în plus apă sărată, ceea ce va reduce rezistența electrică). Acum introduceți structura în cavitate: șurubul sau cuiul ar trebui să intre într-o gaură, iar firul de cupru în cealaltă. Asezati urmatoarele astfel incat sa existe otel in aceeasi cavitate cu cuprul (metalele nu ar putea intra in contact unele cu altele). Întregul formează o serie: oțel-cupru-oțel-cupru etc. Aranjați elementele în așa fel încât prima și ultima cavități (singurele care conțin metale individuale) să se afle una lângă alta.
Aici vine punctul culminant.
Introduceți un picior al diodei în prima locașă din rând și celălalt picior în ultima. Strălucește?
Dacă da, felicitări (4)! Dacă nu, căutați erori. O diodă LED, spre deosebire de un bec convențional, trebuie să aibă o conexiune de polaritate (știți care metal este „plusul” și care este „minusul” bateriei?). Este suficient să introduceți picioarele în direcția opusă solului. Alte cauze de defecțiune sunt tensiunea prea scăzută (minim 3 volți), circuitul întrerupt sau scurtcircuitul în acesta.
4. „Bateria de pământ” în funcțiune.
În primul caz, creșteți numărul de componente. În al doilea, verificați legătura dintre metale (de asemenea, etanșați pământul din jurul lor). În al treilea caz, asigurați-vă că capetele de cupru și oțel nu se ating în subteran și că solul sau mortarul cu care l-ați umezit nu leagă gropi adiacente.
Experimentul cu „bateria de pământ” este interesant și demonstrează că electricitatea se poate obține aproape din nimic. Chiar dacă nu trebuie să utilizați o structură construită, puteți întotdeauna să impresionați turiștii cu abilitățile dvs. asemănătoare MacGyver (probabil amintite doar de tehnicieni superiori) sau maestru de supraviețuire.
Cum funcționează celulele?
Un metal (electrod) scufundat într-o soluție conductoare (electrolit) este încărcat din acesta. Cantitatea minimă de cationi intră în soluție, în timp ce electronii rămân în metal. Câți ioni sunt în soluție și câți electroni în exces sunt în metal depind de tipul de metal, soluție, temperatură și mulți alți factori. Dacă două metale diferite sunt scufundate într-un electrolit, va apărea o tensiune între ele din cauza numărului diferit de electroni. La conectarea electrozilor cu un fir, electronii dintr-un metal cu un număr mare de ei (electrodul negativ, adică anodul celulei) vor începe să curgă într-un metal cu un număr mai mic de ei (electrod pozitiv - catod). Desigur, în timpul funcționării celulei, trebuie menținut un echilibru: cationii metalici din anod intră în soluție, iar electronii livrați catodului reacţionează cu ionii din jur. Întregul circuit este închis de un electrolit care asigură transportul ionilor. Energia electronilor care curge printr-un conductor poate fi folosită pentru muncă utilă.
