Свет батерија - 1. део

Нобелова награда за хемију 2019. додељена је за развој дизајна литијум-јонских батерија. За разлику од неких других пресуда Нобеловог комитета, ова није изненадила – напротив. Литијум-јонске батерије напајају паметне телефоне, лаптопове, преносиве електричне алате, па чак и електричне аутомобиле. Тројица научника, Џон Гуденаф, Стенли Витингем и Акира Јошино, заслужено су добили дипломе, златне медаље и 9 милиона шведских круна за расподелу. 

Више о образложењу награде можете прочитати у претходном броју нашег циклуса хемије – а сам чланак је завршен најавом детаљнијег представљања питања ћелија и батерија. Време је да одржи обећање.

Прво, кратко објашњење нетачности у именовању.

Линк ово је једино коло које генерише напон.

Батерија састоји се од правилно повезаних ћелија. Циљ је повећати напон, капацитивност (енергија која се може извући из система) или обоје.

аккумулатор то је ћелија или батерија која се може напунити када се испразни. Нема сваки чип ова својства - многи су за једнократну употребу. У свакодневном говору, прва два термина се често користе наизменично (то ће бити и случај у чланку), али треба бити свестан разлике између њих (1).

1. Батерије које се састоје од ћелија.

Батерије нису измишљене последњих деценија, оне имају много дужу историју. Можда сте већ чули за искуство Галваниего i Волтс на прелазу КСНУМКСтх и КСНУМКСтх века, који је означио почетак употребе електричне струје у физици и хемији. Међутим, историја батерије почела је још раније. То је било давно…

... дуго времена у Багдаду

1936. немачки археолог Вилхелм Кениг пронашао земљану посуду у близини Багдада која датира из XNUMX. века пре нове ере. Налаз није деловао необично, с обзиром на то да је цивилизација на Еуфрату и Тигрису цветала хиљадама година.

Међутим, садржај посуде је био мистериозан: зарђала ролна бакарног лима, гвоздена шипка и остаци природне смоле. Кениг је био збуњен сврхом артефакта све док се није сетио да је посетио Алеју драгуљара у Багдаду. Сличне дизајне користили су локални мајстори за покривање бакарних производа племенитим металима. Идеја да се ради о древној батерији није уверила друге археологе да у то време није преживео ниједан доказ о постојању струје.

Дакле (тако се звао налаз) да ли је ово права ствар или бајка из 1001 ноћи? Нека експеримент одлучи.

Требат ће вам: бакарна плоча, гвоздени ексер и сирће (имајте на уму да су сви ови материјали били познати и широко доступни у антици). Замените смолу да затворите посуду и замените је пластелином као изолацијом.

Урадите експеримент у чаши или тиквици, иако ће употреба земљане вазе дати тесту аутентичан укус. Користећи брусни папир, очистите металне површине од плака и причврстите жице на њих.

Бакарну плочу увијте у ролну и ставите у посуду, а ексер убаците у ролну. Пластелином поправите плочу и нокат тако да се не додирују (2). У посуду сипајте сирће (око 5% раствора) и помоћу мултиметра измерите напон између крајева жица спојених на бакарну плочу и гвозденог ексера. Подесите инструмент да мери једносмерну струју. Који од полова је „плус“, а који „минус“ извора напона?

2. Скица савремене копије батерије из Багдада.

Мерач показује 0,5-0,7 В, што значи да батерија Багдада ради! Имајте на уму да је позитивни пол система бакар, а негативни пол гвожђе (мерач показује позитивну вредност напона само на један начин повезивања жица са стезаљкама). Да ли је могуће добити струју из изграђене копије за користан рад? Да, али направите још неколико модела и повежите их у серију да бисте повећали напон. За ЛЕД је потребно око 3 волта - ако добијете толико од батерије, ЛЕД ће се упалити.

Багдадска батерија је више пута тестирана на способност да напаја опрему мале величине. Сличан експеримент су пре неколико година извели аутори култног програма МитхБустерс. Разбијачи митова (сећате ли се још Адама и Џејмија?) такође су дошли до закључка да би структура могла да служи као древна батерија.

Дакле, да ли је авантура човечанства са струјом почела пре више од 2 године? Да и не. Да, јер је већ тада било могуће дизајнирати изворе напајања. Не, јер проналазак није био распрострањен – никоме није био потребан тада и током много векова.

Веза? То је једноставно!

Темељно очистите површине металних плоча или жица, алуминијума, гвожђа итд. У сочно воће (што ће олакшати проток струје) убацити узорке два различита метала тако да се не додирују. Спојите стезаљке мултиметра на крајеве жица које вире из воћа и очитајте напон између њих. Промените врсте метала који се користе (као и воће) и наставите да покушавате (3).

3. Воћна ћелија (алуминијумске и бакарне електроде).

У свим случајевима су креиране везе. Вредности измерених напона се разликују у зависности од метала и плодова узетих за експеримент. Комбиновање воћних ћелија у батерију ће вам омогућити да је користите за напајање мале електронске опреме (у овом случају, потребна је мала количина струје, коју можете добити из вашег дизајна).

Повежите крајеве жица које вире из екстремних плодова на жице, а ове, заузврат, на крајеве ЛЕД-а. Чим повежете полове батерије са одговарајућим "терминалицама" диоде и напон пређе одређени праг, диода ће се упалити (диоде различитих боја имају различит почетни напон, али би требало да буде довољно око 3 волта ).

Једнако атрактиван извор напајања је и електронски сат - он може дуго да ради на „воћној батерији“ (иако много тога зависи од модела сата).

Поврће ни на који начин није инфериорно од воћа и такође вам омогућава да направите батерију од њих. Јер? Узмите неколико киселих краставаца и одговарајућу количину бакарних и алуминијумских лимова или жица (можете их заменити челичним ексерима, али ћете добити нижи напон из једне везе). Саставите батерију и када је користите за напајање интегрисаног кола из музичке кутије, певаће хор краставца!

Зашто краставци? Константин Илдефонс Галчински је тврдио да: „Ако краставац не пева и у било ком тренутку, вероватно неће моћи да види по вољи неба. Испоставља се да хемичар може да уради ствари о којима ни песници нису сањали.

Бивак батерија

У хитним случајевима можете сами дизајнирати батерију и користити је за напајање ЛЕД-а. Истина, светло ће бити пригушено, али боље је него никакво.

Шта ће вам требати? Диода, наравно, али и посуда за коцкице леда, бакарна жица и челични ексери или шрафови (метали морају да се очисте површине да би се олакшао проток струје). Исеците жицу на комаде и умотајте главу завртња или ексера једним крајем фрагмента. Направите неколико челично-бакарних распореда на овај начин (8-10 би требало да буде довољно).

Сипајте влажну земљу у удубљења у калупу (можете додатно сипати слану воду, што ће смањити електрични отпор). Сада уметните своју структуру у шупљину: завртањ или ексер треба да уђу у једну рупу, а бакарна жица у другу. Следеће поставите тако да у истој шупљини са бакром буде челик (метали нису могли да дођу у контакт један са другим). Целина чини низ: челик-бакар-челик-бакар итд. Поставите елементе тако да прва и последња шупљина (једина у којима се налазе појединачни метали) леже једна до друге.

Овде долази врхунац.

Уметните једну ногу диоде у прво удубљење у реду, а друго у последње. Да ли сија?

Ако јесте, честитам (4)! Ако не, потражите грешке. ЛЕД диода, за разлику од конвенционалне сијалице, мора имати поларитет везе (да ли знате који метал је „плус“, а који „минус“ батерије?). Довољно је убацити ноге у правцу супротном од тла. Други узроци квара су пренизак напон (минимално 3 волта), прекид струјног кола или кратак спој у њему.

4. „Батерија за земљу“ у раду.

У првом случају повећајте број компоненти. У другом, проверите везу између метала (такође запечатите земљу око њих). У трећем случају пазите да се крајеви бакра и челика не додирују под земљом и да земља или малтер којим сте га наквасили не спајају суседне јаме.

Експеримент са „земљаном батеријом” је занимљив и доказује да се струја може добити готово ни из чега. Чак и ако не морате да користите изграђену структуру, увек можете импресионирати кампере својим вештинама сличним МацГиверу (вероватно се сећају само старији техничари) или мајстором преживљавања.

Како функционишу ћелије?

Метал (електрода) уроњен у проводни раствор (електролит) се пуни њиме. Минимална количина катјона иде у раствор, а електрони остају у металу. Колико јона има у раствору и колико је вишка електрона у металу зависи од врсте метала, раствора, температуре и многих других фактора. Ако су два различита метала уроњена у електролит, између њих ће настати напон због различитог броја електрона. Приликом повезивања електрода жицом, електрони из метала са великим бројем њих (негативна електрода, тј. анода ћелије) почеће да се уливају у метал са мањим бројем (позитивна електрода, катода). Наравно, када ћелија ради, мора се одржавати равнотежа: катјони метала са аноде прелазе у раствор, а електрони достављени на катоду реагују са околним јонима. Цело коло је затворено електролитом, који обезбеђује пренос јона. Енергија електрона који теку кроз проводник може се користити за користан рад.