Świat baterii - część 1
Nagroda Nobla w dziedzinie chemii 2019 została przyznana za opracowanie konstrukcji akumulatorów litowo-jonowych. W przeciwieństwie do niektórych innych werdyktów Komitetu Noblowskiego, ten nie zaskoczył – wręcz przeciwnie. Baterie litowo-jonowe zasilają smartfony, laptopy, przenośne elektronarzędzia, a nawet samochody elektryczne. Trzech naukowców, John Goodenough, Stanley Whittingham i Akira Yoshino, zasłużenie otrzymało dyplomy, złote medale i 9 milionów SEK do dystrybucji.
Więcej o uzasadnieniu przyznania nagrody przeczytacie Państwo w poprzednim numerze naszego cyklu chemicznego – a sam artykuł kończył się zapowiedzią dokładniejszego przedstawienia zagadnienia ogniw i akumulatorów. Czas dotrzymać obietnicy.
Najpierw krótkie wyjaśnienie nieścisłości w nazewnictwie.
Połączenie jest to jedyny obwód, który generuje napięcie.
Bateria składa się z prawidłowo połączonych komórek. Celem jest zwiększenie napięcia, pojemności (energii, którą można pobrać z systemu) lub obu.
akumulator jest to ogniwo lub akumulator, który można ponownie naładować, gdy się wyczerpie. Nie każdy chip ma te właściwości – wiele z nich jest jednorazowych. W mowie potocznej często używa się zamiennie dwóch pierwszych terminów (tak będzie również w artykule), ale trzeba mieć świadomość różnicy między nimi (1).
1. Baterie składające się z ogniw.
Baterie nie zostały wynalezione w ostatnich dziesięcioleciach, mają znacznie dłuższą historię. Być może już słyszałeś o tym doświadczeniu Galvaniego i Wolty na przełomie XIX i XX wieku, co zapoczątkowało wykorzystanie prądu elektrycznego w fizyce i chemii. Jednak historia baterii zaczęła się jeszcze wcześniej. To było dawno temu …
... długi czas w Bagdadzie
W 1936 roku niemiecki archeolog Wilhelma Koeniga znaleziono w pobliżu Bagdadu gliniane naczynie datowane na III wiek pne Znalezisko nie wydawało się niczym niezwykłym, biorąc pod uwagę, że cywilizacja nad Eufratem i Tygrysem kwitła przez tysiące lat.
Jednak zawartość naczynia była tajemnicza: zardzewiały zwój blachy miedzianej, żelazny pręt i resztki naturalnej żywicy. Koenig zastanawiał się nad przeznaczeniem artefaktu, dopóki nie przypomniał sobie wizyty w Alei Jubilerów w Bagdadzie. Podobne wzory wykorzystywali miejscowi rzemieślnicy do pokrywania wyrobów miedzianych metalami szlachetnymi. Pomysł, że była to starożytna bateria, nie przekonał innych archeologów, że w tamtym czasie nie zachowały się żadne dowody na istnienie elektryczności.
Więc (tak nazwano znalezisko) czy to prawda, czy bajka z 1001 nocy? Niech zadecyduje eksperyment.
Będziesz potrzebował: blacha miedziana, żelazny gwóźdź i ocet (zauważ, że wszystkie te materiały były znane i szeroko dostępne już w starożytności). Wymień żywicę, aby uszczelnić naczynie i zastąp ją plasteliną jako izolacją.
Wykonaj eksperyment w zlewce lub kolbie, chociaż użycie glinianego wazonu nada testowi autentyczny smak. Za pomocą papieru ściernego oczyść metalowe powierzchnie z płytki nazębnej i przymocuj do nich druty.
Zwiń miedzianą płytkę w rolkę i umieść ją w naczyniu, a następnie włóż gwóźdź do rolki. Za pomocą plasteliny przymocuj płytkę i gwóźdź tak, aby się nie stykały (2). Do naczynia wlać ocet (roztwór ok. 5%) i za pomocą multimetru zmierzyć napięcie między końcami przewodów podłączonych do płytki miedzianej a żelaznym gwoździem. Ustaw przyrząd na pomiar prądu stałego. Który z biegunów jest „plusem”, a który „minusem” źródła napięcia?
2. Szkic współczesnej kopii baterii z Bagdadu.
Miernik pokazuje 0,5-0,7 V, więc bateria Bagdadu działa! Należy pamiętać, że biegun dodatni układu to miedź, a biegun ujemny to żelazo (miernik pokazuje dodatnią wartość napięcia tylko w jednej opcji podłączenia przewodów do zacisków). Czy można uzyskać energię elektryczną ze zbudowanej kopii do pożytecznej pracy? Tak, ale zrób więcej modeli i połącz je szeregowo, aby zwiększyć napięcie. Dioda LED potrzebuje około 3 woltów - jeśli uzyskasz tyle z baterii, dioda LED zaświeci się.
Bateria Bagdadu była wielokrotnie testowana pod kątem jej zdolności do zasilania małych urządzeń. Podobny eksperyment przeprowadzili kilka lat temu autorzy kultowego programu MythBusters. Pogromcy mitów (pamiętacie jeszcze Adama i Jamiego?) również doszli do wniosku, że konstrukcja może służyć jako starożytna bateria.
Czy zatem przygoda ludzkości z elektrycznością zaczęła się ponad 2 lata temu? Tak i nie. Tak, bo już wtedy można było projektować zasilacze. Nie, ponieważ wynalazek nie rozpowszechnił się - nikt go wtedy i przez wiele następnych stuleci nie potrzebował.
Połączenie? To proste!
Dokładnie oczyść powierzchnie blach lub drutów, aluminium, żelazo itp. Włóż próbki dwóch różnych metali do soczystego owocu (co ułatwi przepływ prądu), tak aby się nie stykały. Podłącz cęgi multimetru do końców przewodów wystających z owocu i odczytaj napięcie między nimi. Zmień rodzaje używanych metali (a także owoców) i próbuj dalej (3).
3. Komórka owocowa (elektrody aluminiowe i miedziane).
We wszystkich przypadkach linki zostały utworzone. Wartości mierzonych napięć różnią się w zależności od metali i owoców pobranych do eksperymentu. Połączenie ogniw owocowych w baterię pozwoli na wykorzystanie jej do zasilania drobnego sprzętu elektronicznego (w tym przypadku wymaga niewielkiej ilości prądu, który można uzyskać ze swojego projektu).
Podłącz końce drutów wystających ze skrajnych owoców do drutów, a te z kolei do końców diody LED. Gdy tylko podłączymy bieguny akumulatora do odpowiednich "zacisków" diody i napięcie przekroczy określony próg, dioda zaświeci się (diody o różnych kolorach mają różne napięcie początkowe, ale około 3 woltów powinno wystarczyć ).
Równie atrakcyjnym źródłem zasilania jest zegarek elektroniczny – potrafi długo pracować na „owocowej baterii” (choć wiele zależy od modelu zegarka).
Warzywa w niczym nie ustępują owocom, a dodatkowo pozwalają zbudować z nich baterię. Ponieważ? Weź kilka pikli i odpowiednią ilość blach lub drutów miedzianych i aluminiowych (możesz zastąpić je stalowymi gwoździami, ale z jednego ogniwa uzyskasz niższe napięcie). Zmontuj baterię, a gdy użyjesz jej do zasilania układu scalonego z pozytywki, chór ogórków zaśpiewa!
Dlaczego ogórki? Konstantin Ildefons Galchinsky argumentował, że: „Jeśli ogórek nie śpiewa iw żadnym momencie, prawdopodobnie nie widzi z woli nieba”. Okazuje się, że chemik potrafi rzeczy, o których nawet poetom się nie śniło.
Bateria biwakowa
W sytuacji awaryjnej możesz samodzielnie zaprojektować baterię i użyć jej do zasilania diody LED. To prawda, że światło będzie przyćmione, ale lepsze to niż żadne.
Czego będziesz potrzebować? Oczywiście dioda, ale także tacka na kostki lodu, miedziany drut i stalowe gwoździe lub śruby (metale muszą mieć oczyszczoną powierzchnię, aby ułatwić przepływ prądu). Pokrój drut na kawałki i owiń jednym końcem fragmentu łeb śruby lub gwoździa. Zrób w ten sposób kilka układów stalowo-miedzianych (8-10 powinno wystarczyć).
W zagłębienia formy wsyp wilgotną ziemię (można dodatkowo wlać słoną wodę, która zmniejszy opór elektryczny). Teraz włóż swoją konstrukcję do wnęki: śruba lub gwóźdź powinny wejść w jeden otwór, a drut miedziany w drugi. Kolejne układamy tak, aby stal znajdowała się w tej samej wnęce co miedź (metale nie mogły się stykać). Całość tworzy ciąg: stal-miedź-stal-miedź itp. Ułóż elementy tak, aby pierwsza i ostatnia wnęka (jedyne zawierające poszczególne metale) leżały obok siebie.
Nadchodzi punkt kulminacyjny.
Włóż jedną nóżkę diody w pierwsze zagłębienie w rzędzie, a drugą nóżkę w ostatnie. Czy to świeci?
Jeśli tak, gratulacje (4)! Jeśli nie, poszukaj błędów. Dioda LED, w przeciwieństwie do zwykłej żarówki, musi mieć polaryzację podłączenia (czy wiesz, który metal jest „plusem”, a który „minusem” baterii?). Wystarczy włożyć nogi w kierunku przeciwnym do podłoża. Inne przyczyny awarii to zbyt niskie napięcie (minimum 3 V), przerwa w obwodzie lub zwarcie w nim.
4. Działa „bateria uziemiająca”.
W pierwszym przypadku zwiększ liczbę komponentów. W drugim sprawdź połączenie między metalami (również uszczelnij ziemię wokół nich). W trzecim przypadku upewnij się, że końce miedzi i stali nie stykają się ze sobą pod ziemią, a ziemia lub zaprawa, którą ją zwilżałeś, nie łączy sąsiednich dołów.
Eksperyment z „baterią uziemiającą” jest ciekawy i dowodzi, że elektryczność można uzyskać niemal z niczego. Nawet jeśli nie musisz używać zbudowanej konstrukcji, zawsze możesz zaimponować obozowiczom umiejętnościami MacGyvera (prawdopodobnie pamiętanymi tylko przez starszych techników) lub mistrzem przetrwania.
Jak działają komórki?
Metal (elektroda) zanurzony w przewodzącym roztworze (elektrolicie) jest z niego ładowany. Minimalna ilość kationów przechodzi do roztworu, podczas gdy elektrony pozostają w metalu. Ile jonów znajduje się w roztworze i ile nadmiarowych elektronów znajduje się w metalu, zależy od rodzaju metalu, roztworu, temperatury i wielu innych czynników. Jeśli dwa różne metale zostaną zanurzone w elektrolicie, powstanie między nimi napięcie z powodu różnej liczby elektronów. Podczas łączenia elektrod drutem elektrony z metalu o dużej ich liczbie (elektroda ujemna, czyli anoda ogniwa) zaczną przepływać do metalu o mniejszej ich liczbie (elektroda dodatnia - katoda). Oczywiście podczas pracy ogniwa musi być zachowana równowaga: kationy metalu z anody przechodzą do roztworu, a elektrony dostarczone do katody reagują z otaczającymi ją jonami. Cały obwód jest zamknięty elektrolitem, który zapewnia transport jonów. Energię elektronów przepływających przez przewodnik można wykorzystać do użytecznej pracy.
