Baterijų pasaulis – 1 dalis

2019 m. Nobelio chemijos premija buvo skirta už ličio jonų akumuliatorių dizaino kūrimą. Skirtingai nuo kai kurių kitų Nobelio komiteto verdiktų, šis nenustebino – priešingai. Ličio jonų baterijos maitina išmaniuosius telefonus, nešiojamuosius kompiuterius, nešiojamus elektrinius įrankius ir net elektromobilius. Trys mokslininkai Johnas Goodenoughas, Stanley Whittinghamas ir Akira Yoshino pelnytai gavo diplomus, aukso medalius ir 9 mln. SEK paskirstymui. 

Daugiau apie apdovanojimo pagrindimą galite perskaityti ankstesniame mūsų chemijos ciklo numeryje – o pats straipsnis baigėsi paskelbus išsamesnį elementų ir baterijų problemos pristatymą. Pats laikas tesėti pažadą.

Pirma, trumpas pavadinimo netikslumų paaiškinimas.

Nuoroda tai vienintelė grandinė, kuri generuoja įtampą.

Akumuliatorius susideda iš teisingai sujungtų ląstelių. Tikslas yra padidinti įtampą, talpą (energiją, kurią galima paimti iš sistemos) arba abu.

akumuliatorius tai elementas arba baterija, kurią galima įkrauti, kai ji išsenka. Ne kiekvienas lustas turi šias savybes – daugelis yra vienkartiniai. Kasdienėje kalboje pirmieji du terminai dažnai vartojami pakaitomis (taip bus ir straipsnyje), tačiau reikia žinoti jų skirtumą (1).

1. Baterijos, sudarytos iš elementų.

Baterijos nebuvo išrastos pastaruosius dešimtmečius, jos turi daug ilgesnę istoriją. Galbūt jau girdėjote apie patirtį Galvaniego i Voltai XNUMX ir XNUMX amžių sandūroje, kuri pažymėjo elektros srovės naudojimo fizikoje ir chemijoje pradžią. Tačiau akumuliatoriaus istorija prasidėjo dar anksčiau. Tai buvo seniai…

... ilgai Bagdade

1936 metais vokiečių archeologas Vilhelmas Koenigas netoli Bagdado rastas molinis indas, datuojamas XNUMX amžiuje prieš Kristų. Radinys neatrodė neįprastas, turint omenyje, kad civilizacija prie Eufrato ir Tigro klestėjo tūkstančius metų.

Tačiau indo turinys buvo paslaptingas: surūdijęs vario lakšto ritinys, geležinis strypas ir natūralios dervos likučiai. Koenigas nerimavo dėl artefakto paskirties, kol prisiminė apsilankęs Bagdado juvelyrų alėjoje. Panašias konstrukcijas naudojo vietiniai meistrai vario gaminiams padengti tauriaisiais metalais. Mintis, kad tai senovinė baterija, neįtikino kitų archeologų, kad tuo metu elektros energijos neliko.

Taigi (taip buvo vadinamas radinys) ar tai tikras daiktas ar pasaka iš 1001 nakties? Tegul eksperimentas nusprendžia.

Jums reikės: vario plokštelė, geležinis vinis ir actas (atkreipkite dėmesį, kad visos šios medžiagos buvo žinomos ir plačiai prieinamos senovėje). Pakeiskite dervą, kad uždarytumėte indą, ir pakeiskite plastilinu kaip izoliaciją.

Atlikite eksperimentą stiklinėje arba kolboje, nors naudojant molinę vazą, bandymas bus autentiškas. Švitriniu popieriumi nuvalykite metalinius paviršius nuo apnašų ir pritvirtinkite prie jų laidus.

Susukite varinę plokštę į ritinį ir įdėkite į indą, o į ritinį įkiškite vinį. Plastilinu pritvirtinkite plokštelę ir vinį taip, kad jie nesiliestų (2). Į indą įpilkite acto (apie 5% tirpalo) ir multimetru išmatuokite įtampą tarp laidų, prijungtų prie varinės plokštės, galų ir geležinės vinies. Nustatykite prietaisą nuolatinės srovės matavimui. Kuris iš polių yra įtampos šaltinio „pliusas“, o kuris „minusas“?

2. Šiuolaikinės baterijos kopijos iš Bagdado eskizas.

Matuoklis rodo 0,5-0,7 V, taigi Bagdado baterija veikia! Atkreipkite dėmesį, kad teigiamas sistemos polius yra varinis, o neigiamas - geležinis (skaitiklis rodo teigiamą įtampos vertę tik viename laidų prijungimo prie gnybtų variante). Ar galima gauti elektros iš pastatytos kopijos naudingam darbui? Taip, bet sukurkite daugiau modelių ir sujunkite juos nuosekliai, kad padidintumėte įtampą. Šviesos diodui reikia maždaug 3 voltų – jei tiek gausite iš akumuliatoriaus, šviesos diodas užsidegs.

Bagdado baterija buvo ne kartą išbandyta dėl jos galimybės maitinti mažo dydžio įrangą. Panašų eksperimentą prieš keletą metų atliko kultinės programos „MythBusters“ autoriai. Mitų griovėjai (ar dar prisimeni Adomą ir Džeimį?) taip pat priėjo prie išvados, kad konstrukcija gali tarnauti kaip senovinė baterija.

Taigi, ar žmonijos nuotykiai su elektra prasidėjo daugiau nei prieš 2 metus? Taip ir ne. Taip, nes jau tada buvo galima suprojektuoti maitinimo šaltinius. Ne, nes išradimas nebuvo plačiai paplitęs – niekam jo nereikėjo tada ir dar ilgus šimtmečius.

Ryšys? Tai paprasta!

Kruopščiai nuvalykite metalinių plokščių ar laidų, aliuminio, geležies ir kt. paviršius. Į sultingą vaisių (tai palengvins elektros tekėjimą) įdėkite dviejų skirtingų metalų pavyzdžius, kad jie nesiliestų vienas su kitu. Multimetro spaustukus prijunkite prie iš vaisiaus kyšančių laidų galų ir nuskaitykite įtampą tarp jų. Pakeiskite naudojamų metalų tipus (taip pat vaisius) ir bandykite toliau (3).

3. Vaisinė ląstelė (aliuminio ir vario elektrodai).

Visais atvejais buvo sukurtos nuorodos. Išmatuotų įtampų vertės skiriasi priklausomai nuo eksperimentui paimtų metalų ir vaisių. Vaisių elementų sujungimas į bateriją leis jį naudoti mažos elektroninės įrangos maitinimui (šiuo atveju tam reikia nedidelės srovės, kurią galite gauti iš savo dizaino).

Prijunkite laidų galus, kyšančius iš kraštutinių vaisių, prie laidų, o šiuos, savo ruožtu, prie šviesos diodo galų. Kai tik prijungsite akumuliatoriaus polius prie atitinkamų diodo "gnybtų" ir įtampa viršys tam tikrą slenkstį, diodas užsidegs (skirtingų spalvų diodai turi skirtingą pradinę įtampą, tačiau turėtų pakakti apie 3 voltus ).

Ne mažiau patrauklus energijos šaltinis yra elektroninis laikrodis - jis ilgą laiką gali veikti su „vaisine baterija“ (nors daug kas priklauso nuo laikrodžio modelio).

Daržovės jokiu būdu nėra prastesnės už vaisius ir taip pat leidžia iš jų sukurti akumuliatorių. Nes? Paimkite kelis marinuotus agurkus ir atitinkamą kiekį vario ir aliuminio lakštų ar laidų (galite juos pakeisti plieniniais vinimis, bet iš vienos jungties gausite mažesnę įtampą). Surinkite bateriją ir kai naudosite ją integriniam grandynui maitinti iš muzikos dėžutės, agurkų choras dainuos!

Kodėl agurkai? Konstantinas Ildefonsas Galčinskis teigė, kad: „Jei agurkas negieda ir bet kuriuo metu, jis tikriausiai nemato dangaus valia“. Pasirodo, chemikas gali daryti tai, apie ką net poetai nesvajojo.

Bivakovo baterija

Avariniu atveju galite patys sukurti bateriją ir naudoti ją šviesos diodui maitinti. Tiesa, šviesa bus blanki, bet geriau nei jokios.

ko tau prireiks? Žinoma, diodas ir papildomai ledo kubo forma, varinė viela ir plieninės vinys ar varžtai (metalų paviršiai turi būti nuvalyti, kad būtų lengviau tekėti elektrai). Supjaustykite vielą į gabalus ir apvyniokite varžto ar vinies galvutę vienu fragmento galu. Tokiu būdu padarykite kelis plieno-vario išdėstymus (turėtų pakakti 8-10).

Į formos įdubas supilkite drėgną žemę (galite papildomai apšlakstyti sūriu vandeniu, kuris sumažins elektros varžą). Dabar įkiškite savo konstrukciją į ertmę: varžtas arba vinis turi patekti į vieną skylę, o varinė viela - į kitą. Kitus dėkite taip, kad toje pačioje ertmėje būtų plienas su variu (metalai negalėtų liestis). Visuma sudaro seriją: plienas-varis-plienas-varis ir tt Elementus išdėstykite taip, kad pirmoji ir paskutinė ertmės (vienintelės, kuriose yra atskiri metalai) būtų viena šalia kitos.

Čia ateina kulminacija.

Vieną diodo koją įkiškite į pirmąją eilės įdubą, o kitą – į paskutinę. Ar jis šviečia?

Jei taip, sveikiname (4)! Jei ne, ieškokite klaidų. LED diodas, skirtingai nei įprasta lemputė, turi turėti poliškumo jungtį (ar žinote, kuris metalas yra baterijos „pliusas“, o kuris „minusas“?). Pakanka įkišti kojas priešinga žemei kryptimi. Kitos gedimo priežastys yra per žema įtampa (mažiausiai 3 voltai), atvira grandinė arba trumpasis jungimas.

4. „Įžeminimo baterija“ veikia.

Pirmuoju atveju padidinkite komponentų skaičių. Antrajame patikrinkite jungtį tarp metalų (taip pat užsandarinkite žemę aplink juos). Trečiuoju atveju įsitikinkite, kad vario ir plieno galai po žeme nesiliestų vienas su kitu, o gruntas ar skiedinys, kuriuo jį drėkinote, nesujungtų gretimų duobių.

Eksperimentas su „žemės baterija“ yra įdomus ir įrodo, kad elektros energijos galima gauti beveik iš nieko. Net jei jums nereikia naudoti pastatytos konstrukcijos, visada galite nustebinti poilsiautojus savo „MacGyver“ įgūdžiais (turbūt prisimena tik vyresnieji technikai) arba išgyvenimo meistru.

Kaip veikia ląstelės?

Iš jo įkraunamas metalas (elektrodas), panardintas į laidų tirpalą (elektrolitą). Mažiausias katijonų kiekis patenka į tirpalą, o elektronai lieka metale. Kiek jonų yra tirpale ir kiek elektronų pertekliaus yra metale, priklauso nuo metalo rūšies, tirpalo, temperatūros ir daugelio kitų faktorių. Jei į elektrolitą panardinami du skirtingi metalai, dėl skirtingo elektronų skaičiaus tarp jų atsiras įtampa. Sujungiant elektrodus viela, elektronai iš metalo, kuriame jų yra daug (neigiamas elektrodas, t.y. elemento anodas), pradės tekėti į metalą, kuriame jų yra mažiau (teigiamas elektrodas - katodas). Žinoma, elemento veikimo metu turi būti išlaikytas balansas: metalo katijonai iš anodo patenka į tirpalą, o į katodą patekę elektronai reaguoja su aplinkiniais jonais. Visa grandinė yra uždaryta elektrolitu, kuris užtikrina jonų transportavimą. Laidininku tekančių elektronų energija gali būti panaudota naudingam darbui.