Светот на батериите - дел 1

Нобеловата награда за хемија за 2019 година беше доделена за развој на дизајн на литиум-јонски батерии. За разлика од некои други пресуди на Нобеловиот комитет, оваа не изненади - напротив. Литиум-јонските батерии напојуваат паметни телефони, лаптопи, преносни електрични алати, па дури и електрични автомобили. Тројца научници, Џон Гуденаф, Стенли Витингем и Акира Јошино, заслужено добија дипломи, златни медали и 9 милиони круни за дистрибуција. 

Повеќе за образложението за наградата можете да прочитате во претходниот број на нашиот хемиски циклус - а самиот напис заврши со најава за подетално прикажување на проблемот со ќелиите и батериите. Време е да го одржите ветувањето.

Прво, кратко објаснување за неточностите во именувањето.

Линк ова е единственото коло што генерира напон.

Батерија се состои од правилно поврзани ќелии. Целта е да се зголеми напонот, капацитетот (енергијата што може да се извлече од системот) или и двете.

акумулатор тоа е ќелија или батерија што може да се наполни кога ќе се испразни. Не секој чип ги има овие својства - многу се за еднократна употреба. Во секојдневниот говор, првите два поима често се користат наизменично (ова ќе биде случај и во статијата), но мора да се знае разликата меѓу нив (1).

1. Батерии кои се состојат од ќелии.

Батериите не се измислени во последните децении, тие имаат многу подолга историја. Можеби веќе сте слушнале за искуството Галваниего i Волти на крајот на XNUMX-тиот и XNUMX-тиот век, што го означи почетокот на употребата на електрична струја во физиката и хемијата. Сепак, историјата на батеријата започна уште порано. Тоа беше многу одамна…

... долго време во Багдад

Во 1936 година германски археолог Вилхелм Кениг пронашол земјен сад во близина на Багдад, кој датира од XNUMX век п.н.е.. Откритието не изгледало необично, имајќи предвид дека цивилизацијата на Еуфрат и Тигар цветала илјадници години.

Меѓутоа, содржината на садот била мистериозна: 'рѓосана ролна од бакарен лим, железна прачка и остатоци од природна смола. Кениг се збуни околу целта на артефактот додека не се сети дека ја посети Алејата на накитувачите во Багдад. Слични дизајни користеле локални занаетчии за покривање на бакарните производи со благородни метали. Идејата дека се работи за древна батерија не ги убедила другите археолози дека во тоа време немало докази за електрична енергија.

Значи (така се викаше откритието) дали е ова вистинска работа или бајка од 1001 ноќ? Нека одлучи експериментот.

Needе ви требаат: бакарна плоча, железен клинец и оцет (забележете дека сите овие материјали биле познати и широко достапни во антиката). Заменете ја смолата за да го запечатите садот и заменете ја со пластелин како изолација.

Направете го експериментот во чаша или колба, иако користењето земјена вазна ќе му даде на тестот автентичен вкус. Со помош на шкурка, исчистете ги металните површини од плакета и закачете ги жиците на нив.

Бакарната чинија виткајте ја во ролна и ставете ја во садот, а шајката ставете ја во ролната. Со пластелин фиксирајте ја плочата и шајката за да не се допираат (2). Истурете оцет (приближно 5% раствор) во садот и, со помош на мултиметар, измерете го напонот помеѓу краевите на жиците поврзани со бакарната плоча и железната шајка. Поставете го инструментот да мери DC струја. Кој од половите е „плус“, а кој „минус“ на изворот на напон?

2. Скица на модерна копија на батеријата од Багдад.

Мерачот покажува 0,5-0,7 V, па батеријата од Багдад работи! Имајте предвид дека позитивниот пол на системот е бакар, а негативниот е железо (метарот покажува позитивна вредност на напонот само во една опција за поврзување на жици со терминали). Дали е можно да се добие струја од изградената копија за корисна работа? Да, но направете уште неколку модели и поврзете ги во серија за да го зголемите напонот. На LED диодата му требаат околу 3 волти - ако добиете толку од вашата батерија, ЛЕР ќе светне.

Батеријата од Багдад беше постојано тестирана за нејзината способност да напојува опрема со мала големина. Сличен експеримент пред неколку години спровеле авторите на култната програма MythBusters. Откривачите на митови (сè уште се сеќавате на Адам и Џејми?) исто така дојдоа до заклучок дека структурата може да послужи како древна батерија.

Значи, дали авантурата на човештвото со електрична енергија започна пред повеќе од 2 години? Да и не. Да, затоа што дури и тогаш беше можно да се дизајнираат напојувања. Не, затоа што пронајдокот не стана широко распространет - никому не му требаше тогаш и уште многу векови.

Врска? Едноставно е!

Темелно исчистете ги површините од метални плочи или жици, алуминиум, железо итн. Вметнете примероци од два различни метали во сочно овошје (што ќе го олесни протокот на струја) за да не се допираат еден со друг. Поврзете ги мултиметарските стеги со краевите на жиците што се држат надвор од плодот и прочитајте го напонот меѓу нив. Променете ги видовите на користени метали (како и овошјето) и продолжете да се обидувате (3).

3. Овошна ќелија (алуминиумски и бакарни електроди).

Во сите случаи беа креирани врски. Вредностите на измерените напони се разликуваат во зависност од металите и плодовите земени за експериментот. Комбинирањето на овошни ќелии во батерија ќе ви овозможи да го користите за напојување на мала електронска опрема (во овој случај, потребна е мала количина струја, што можете да ја добиете од вашиот дизајн).

Поврзете ги краевите на жиците што излегуваат од екстремните плодови со жиците, а тие, пак, со краевите на ЛЕР. Штом ќе ги поврзете столбовите на батеријата со соодветните „терминали“ на диодата и напонот надмина одреден праг, диодата ќе светне (диодите со различни бои имаат различен почетен напон, но околу 3 волти треба да бидат доволни ).

Подеднакво атрактивен извор на енергија е електронскиот часовник - може да работи на „овошна батерија“ долго време (иако многу зависи од моделот на часовникот).

Зеленчукот во никој случај не е инфериорен во однос на овошјето, а исто така ви дозволува да изградите батерија од нив. Како? Земете неколку кисели краставички и соодветна количина бакарни и алуминиумски лимови или жици (можете да ги замените со челични клинци, но ќе добиете помал напон од една врска). Соберете батерија и кога ќе ја користите за напојување на интегрираното коло од музичката кутија, хорот со краставици ќе пее!

Зошто краставици? Константин Илдефон Галчински тврдеше дека: „Ако краставицата не пее и во секое време, тој веројатно не може да види по волјата на небото“. Излегува дека хемичарот може да прави работи за кои дури и поетите не сонувале.

Батерија бивак

Во итен случај, можете сами да дизајнирате батерија и да ја користите за напојување на LED диода. Навистина, светлината ќе биде слаба, но подобро е од никаква.

Што ќе ви треба? Диода, се разбира, и дополнително, калап за коцки мраз, бакарна жица и челични клинци или завртки (металите треба да ги исчистат нивните површини за да се олесни протокот на електрична енергија). Исечете ја жицата на парчиња и завиткајте ја главата на завртката или ноктот со едниот крај од фрагментот. Направете неколку распореди од челик-бакар на овој начин (8-10 треба да бидат доволни).

Истурете влажна почва во вдлабнатините во калапот (дополнително можете да истурете солена вода, што ќе го намали електричниот отпор). Сега вметнете ја структурата во шуплината: завртката или шајката треба да влезат во едната дупка, а бакарната жица во другата. Ставете ги следните така што да има челик во истата празнина со бакар (металите не можеа да дојдат во контакт еден со друг). Целата формира серија: челик-бакар-челик-бакар итн. Наредете ги елементите така што првата и последната празнина (единствените што содржат поединечни метали) лежат една до друга.

Тука доаѓа кулминацијата.

Вметнете ја едната нога од диодата во првата вдлабнатина во редот, а другата нога во последната. Дали сјае?

Ако е така, честитки (4)! Ако не, побарајте грешки. LED диодата, за разлика од конвенционалната сијалица, мора да има врска со поларитетот (знаете ли кој метал е „плус“, а кој „минус“ на батеријата?). Доволно е да ги вметнете нозете во насока спротивна на земјата. Други причини за дефект се премногу низок напон (минимум 3 волти), отворен спој или краток спој во него.

4. „Заземјена батерија“ во работа.

Во првиот случај, зголемете го бројот на компоненти. Во втората, проверете ја врската помеѓу металите (исто така запечатете ја земјата околу нив). Во третиот случај, погрижете се краевите на бакар и челик да не се допираат меѓу себе под земја и дека почвата или малтерот со кој сте го намокриле не ги поврзува соседните јами.

Експериментот со „земјената батерија“ е интересен и докажува дека струја може да се добие речиси од ништо. Дури и ако не мора да користите изградена структура, секогаш можете да ги импресионирате туристите со вашите вештини слични на МекГајвер (веројатно само постарите техничари ги паметат) или мајсторите за преживување.

Како функционираат клетките?

Од него се полни метал (електрода) потопен во проводен раствор (електролит). Минималната количина на катјони оди во раствор, додека електроните остануваат во металот. Колку јони има во растворот и колку вишок електрони има во металот зависи од видот на металот, растворот, температурата и многу други фактори. Ако два различни метали се потопени во електролит, меѓу нив ќе се појави напон поради различниот број на електрони. При поврзување на електродите со жица, електроните од метал со голем број од нив (негативна електрода, т.е. клеточна анода) ќе почнат да течат во метал со помал број од нив (позитивна електрода - катода). Се разбира, за време на работата на ќелијата, мора да се одржува рамнотежа: металните катјони од анодата влегуваат во раствор, а електроните доставени до катодата реагираат со околните јони. Целото коло е затворено со електролит кој обезбедува транспорт на јони. Енергијата на електроните што течат низ проводникот може да се искористи за корисна работа.