Batterywêreld - deel 1

Die 2019 Nobelprys in Chemie is toegeken vir die ontwikkeling van die ontwerp van litiumioonbatterye. Anders as sommige van die ander uitsprake van die Nobelkomitee, het hierdie een nie verras nie – inteendeel. Litium-ioonbatterye dryf slimfone, skootrekenaars, draagbare kraggereedskap en selfs elektriese motors aan. Drie wetenskaplikes, John Goodenough, Stanley Whittingham en Akira Yoshino, het welverdiend diplomas, goue medaljes en 9 miljoen SEK vir verspreiding ontvang. 

Jy kan meer lees oor die rasionaal vir die toekenning in 'n vorige uitgawe van ons chemie-siklus - en die artikel self het geëindig met die aankondiging van 'n meer gedetailleerde aanbieding van die kwessie van selle en batterye. Dit is tyd om jou belofte na te kom.

Eerstens 'n kort verduideliking van die benamingsonakkuraathede.

Link dit is die enigste stroombaan wat spanning opwek.

battery bestaan ​​uit korrek gekoppelde selle. Die doel is om spanning, kapasitansie (energie wat uit die stelsel onttrek kan word) of albei te verhoog.

battery dit is 'n sel of battery wat herlaai kan word wanneer dit leeg is. Nie elke skyfie het hierdie eienskappe nie - baie is weggooibaar. In die alledaagse spraak word die eerste twee terme dikwels uitruilbaar gebruik (dit sal ook in die artikel die geval wees), maar 'n mens moet bewus wees van die verskil tussen hulle (1).

1. Batterye wat uit selle bestaan.

Batterye is die afgelope dekades nie uitgevind nie, hulle het 'n baie langer geskiedenis. Jy het dalk al van die ervaring gehoor Galvaniego i Volts aan die draai van die XNUMXste en XNUMXste eeue, wat die begin van die gebruik van elektriese stroom in fisika en chemie gemerk het. Die geskiedenis van die battery het egter selfs vroeër begin. Dit was lank gelede …

... lank in Bagdad

In 1936 'n Duitse argeoloog Wilhelm Koenig 'n erdevaartuig naby Bagdad gevind wat terugdateer na die XNUMXde eeu vC Die vonds het nie ongewoon gelyk nie, aangesien die beskawing op die Eufraat en Tigris vir duisende jare gefloreer het.

Die inhoud van die houer was egter geheimsinnig: 'n geroeste rol koperplaat, 'n ysterstaaf en oorblyfsels van natuurlike hars. Koenig het gewonder oor die doel van die artefak totdat hy onthou het dat hy die Steeg van Juweliers in Bagdad besoek het. Soortgelyke ontwerpe is deur plaaslike vakmanne gebruik om koperprodukte met edelmetale te bedek. Die idee dat dit 'n antieke battery was, het ander argeoloë nie oortuig dat geen bewyse van elektrisiteit in daardie tyd oorleef het nie.

So (dit is wat die vonds genoem is) is dit 'n ware ding of 'n sprokie uit 1001 nagte? Laat die eksperiment besluit.

Jy sal nodig hê: koperplaat, ysterspyker en asyn (let op dat al hierdie materiale in die oudheid bekend en algemeen beskikbaar was). Vervang die hars om die houer te seël en vervang dit met plasticine as isolasie.

Doen die eksperiment in 'n beker of fles, alhoewel die gebruik van 'n erdevaas die toets 'n outentieke geur sal gee. Gebruik skuurpapier, maak metaaloppervlakke skoon van gedenkplaat en heg drade daaraan.

Rol die koperplaat in 'n rol en plaas dit in die houer, en steek die spyker in die rol. Met plasticine, maak die plaat en die spyker vas sodat hulle nie aan mekaar raak nie (2). Gooi asyn (ongeveer 5% oplossing) in die houer en meet met 'n multimeter die spanning tussen die punte van die drade wat aan die koperplaat gekoppel is en die ysterspyker. Stel die instrument om GS-stroom te meet. Watter van die pole is die "plus" en watter is die "minus" van die spanningsbron?

2. Skets van 'n moderne kopie van die battery uit Bagdad.

Die meter wys 0,5-0,7 V, so die Bagdad-battery werk! Neem asseblief kennis dat die positiewe pool van die stelsel koper is, en die negatiewe pool is yster (die meter toon 'n positiewe spanningswaarde in slegs een opsie om drade aan terminale te koppel). Is dit moontlik om elektrisiteit uit die geboude kopie te kry vir nuttige werk? Ja, maar maak nog 'n paar modelle en koppel dit in serie om die spanning te verhoog. Die LED benodig ongeveer 3 volt - as jy soveel uit jou battery kry, sal die LED brand.

Die Bagdad-battery is herhaaldelik getoets vir sy vermoë om toerusting van klein grootte aan te dryf. ’n Soortgelyke eksperiment is etlike jare gelede deur die skrywers van die kultusprogram MythBusters uitgevoer. Mythbusters (onthou jy nog vir Adam en Jamie?) het ook tot die gevolgtrekking gekom dat die struktuur as 'n oeroue battery kan dien.

Het die mensdom se avontuur met elektrisiteit dus meer as 2 jaar gelede begin? Ja en nee. Ja, want selfs toe was dit moontlik om kragbronne te ontwerp. Nee, want die uitvindsel het nie wydverspreid geraak nie – niemand het dit toe en nog baie eeue nodig gehad nie.

Verbinding? Dit is eenvoudig!

Maak die oppervlaktes van metaalplate of drade, aluminium, yster, ens. Plaas monsters van twee verskillende metale in 'n sappige vrug (wat die vloei van elektrisiteit sal vergemaklik) sodat hulle nie aan mekaar raak nie. Koppel die multimeterklemme aan die punte van die drade wat uit die vrugte steek, en lees die spanning tussen hulle. Verander die tipe metale wat gebruik word (sowel as vrugte) en hou aan probeer (3).

3. Vrugtesel (aluminium- en koperelektrodes).

In alle gevalle is skakels geskep. Die waardes van die gemete spannings verskil na gelang van die metale en vrugte wat vir die eksperiment geneem is. As u vrugteselle in 'n battery kombineer, kan u dit gebruik om klein elektroniese toerusting aan te dryf (in hierdie geval benodig dit 'n klein hoeveelheid stroom, wat u uit u ontwerp kan kry).

Verbind die punte van die drade wat uit die uiterste vrugte steek aan die drade, en dit op hul beurt aan die punte van die LED. Sodra jy die batterypole aan die ooreenstemmende "terminale" van die diode gekoppel het en die spanning 'n sekere drempelwaarde oorskry het, sal die diode brand (diodes van verskillende kleure het 'n ander beginspanning, maar ongeveer 3 volt behoort genoeg te wees ).

'n Ewe aantreklike kragbron is 'n elektroniese horlosie - dit kan vir 'n lang tyd op 'n "vrugtebattery" werk (hoewel baie afhang van die model van die horlosie).

Groente is geensins minderwaardig as vrugte nie en laat jou ook toe om 'n battery daaruit te bou. Omdat? Neem 'n paar piekels en 'n gepaste hoeveelheid koper- en aluminiumplate of -drade (jy kan dit met staalspykers vervang, maar jy sal laer spanning van 'n enkele skakel kry). Sit 'n battery bymekaar en wanneer jy dit gebruik om die geïntegreerde stroombaan van die musiekboks af te dryf, sal die komkommerkoor sing!

Hoekom komkommers? Konstantin Ildefons Galchinsky het aangevoer dat: "As die komkommer nie sing nie en op enige tydstip, kan hy waarskynlik nie deur die wil van die hemel sien nie." Dit blyk dat 'n chemikus dinge kan doen waarvan selfs digters nie gedroom het nie.

Bivakof battery

In 'n noodgeval kan jy self 'n battery ontwerp en dit gebruik om 'n LED aan te dryf. Die lig sal wel dof wees, maar dit is beter as niks.

Wat sal jy nodig hê? 'n Diode, natuurlik, en daarby 'n ysblokkievorm, koperdraad en staalspykers of -skroewe (metale moet hul oppervlaktes skoongemaak word om die vloei van elektrisiteit te vergemaklik). Sny die draad in stukke en draai die kop van die skroef of spyker met die een kant van die fragment toe. Maak verskeie staal-koper-uitlegte op hierdie manier (8-10 behoort genoeg te wees).

Gooi klam grond in die uitsparings in die vorm (jy kan ook soutwater gooi, wat elektriese weerstand sal verminder). Plaas nou jou struktuur in die holte: die skroef of spyker moet in een gat gaan, en die koperdraad in die ander. Plaas die volgende so dat daar staal in dieselfde holte met koper is (metale kon nie met mekaar in aanraking kom nie). Die geheel vorm 'n reeks: staal-koper-staal-koper, ens. Rangskik die elemente so dat die eerste en laaste holtes (die enigste wat individuele metale bevat) langs mekaar lê.

Hier kom die klimaks.

Plaas een been van die diode in die eerste uitsparing in die ry en die ander been in die laaste. Blink dit?

Indien wel, baie geluk (4)! Indien nie, soek foute. 'n LED-diode, anders as 'n konvensionele gloeilamp, moet 'n polariteit van konneksie hê (weet jy watter metaal is die "plus" en watter is die "minus" van die battery?). Dit is genoeg om die bene in die rigting teenoor die grond in te steek. Ander oorsake van mislukking is te lae spanning (minimum 3 volt), oop stroombaan of kortsluiting daarin.

4. "Aardbattery" in werking.

In die eerste geval, verhoog die aantal komponente. Kontroleer in die tweede die verbinding tussen die metale (verseël ook die grond rondom hulle). Maak in die derde geval seker dat die punte van koper en staal nie ondergronds aan mekaar raak nie en dat die grond of mortel waarmee jy dit natgemaak het, nie aangrensende putte verbind nie.

Die eksperiment met die "aardbattery" is interessant en bewys dat elektrisiteit uit byna niks verkry kan word. Selfs al hoef jy nie 'n geboude struktuur te gebruik nie, kan jy vakansiegangers altyd beïndruk met jou MacGyver-agtige vaardighede (waarskynlik net deur senior tegnici onthou) of meester van oorlewing.

Hoe werk selle?

'n Metaal (elektrode) wat in 'n geleidende oplossing (elektroliet) gedompel is, word daaruit gelaai. Die minimum hoeveelheid katione gaan in oplossing, terwyl elektrone in die metaal bly. Hoeveel ione in oplossing is en hoeveel oortollige elektrone in die metaal is, hang af van die tipe metaal, oplossing, temperatuur en baie ander faktore. As twee verskillende metale in 'n elektroliet gedompel word, sal 'n spanning tussen hulle ontstaan ​​as gevolg van die verskillende aantal elektrone. Wanneer die elektrodes met 'n draad verbind word, sal elektrone van 'n metaal met 'n groot aantal daarvan (negatiewe elektrode, d.w.s. selanode) begin vloei in 'n metaal met 'n kleiner aantal daarvan (positiewe elektrode - katode). Natuurlik, tydens die werking van die sel, moet 'n balans gehandhaaf word: metaalkatione van die anode gaan in oplossing, en die elektrone wat aan die katode gelewer word, reageer met die omliggende ione. Die hele stroombaan word gesluit deur 'n elektroliet wat ioonvervoer verskaf. Die energie van elektrone wat deur 'n geleier vloei kan vir nuttige werk gebruik word.