Батарея әлемі - 1 бөлім

2019 жылғы химия бойынша Нобель сыйлығы литий-иондық батареялардың дизайнын жасағаны үшін берілді. Нобель комитетінің кейбір басқа үкімдерінен айырмашылығы, бұл таң қалдырмады - керісінше. Литий-ионды батареялар смартфондарды, ноутбуктерді, портативті электр құралдарын және тіпті электромобильдерді қуаттайды. Үш ғалым, Джон Гуденоф, Стэнли Уиттингем және Акира Йошино лайықты түрде дипломдар, алтын медальдар және үлестіру үшін 9 миллион швейцария кронасы алды. 

Марапаттаудың негіздемесі туралы толығырақ химия циклінің алдыңғы санында оқи аласыз - және мақаланың өзі ұяшықтар мен батареялар мәселесінің толығырақ тұсаукесері туралы хабарландырумен аяқталды. Уәдеде тұратын кез келді.

Біріншіден, атаудағы қателіктер туралы қысқаша түсініктеме.

байланыс бұл кернеуді тудыратын жалғыз тізбек.

Батарея дұрыс қосылған ұяшықтардан тұрады. Мақсат - кернеуді, сыйымдылықты (жүйеден алуға болатын энергияны) немесе екеуін де арттыру.

аккумулятор ол таусылған кезде қайта зарядталатын ұяшық немесе батарея. Әрбір чип мұндай қасиеттерге ие емес - көпшілігі бір реттік. Күнделікті сөйлеуде алғашқы екі термин бір-бірінің орнына жиі қолданылады (бұл мақалада да солай болады), бірақ олардың арасындағы айырмашылықты білу керек (1).

1. Ұяшықтардан тұратын батареялар.

Батареялар соңғы онжылдықтарда ойлап табылған жоқ, олардың әлдеқайда ұзақ тарихы бар. Тәжірибе туралы естіген боларсыз Гальваньего i Вольт физика мен химияда электр тогын қолданудың басталуын белгілеген XNUMX және XNUMX ғасырлар тоғысында. Дегенмен, аккумулятордың тарихы одан да ертерек басталды. Бұл баяғыда…

... Бағдадта ұзақ уақыт

1936 жылы неміс археологы Вильгельм Кениг Бағдад маңынан біздің эрамызға дейінгі XNUMX ғасырға жататын қыш ыдысты тапты.Евфрат пен Тигрдегі өркениет мыңдаған жылдар бойы гүлденгенін ескерсек, бұл табылған ерекше көрінбеді.

Дегенмен, ыдыстың мазмұны жұмбақ болды: мыс қаңылтырдың тот басқан орамы, темір шыбық және табиғи шайырдың қалдықтары. Кениг Бағдадтағы Зергерлер аллеясына барғанын есіне алғанша, артефакттың мақсаты туралы білмей қалды. Осыған ұқсас дизайнды жергілікті шеберлер мыс бұйымдарын асыл металдармен қаптау үшін қолданған. Бұл ежелгі аккумулятор деген идея басқа археологтарды сол кезде электр тогының ешқандай дәлелі сақталмағанына сендіре алмады.

Сонда (ол табылған зат осылай аталды) бұл шындық па, әлде 1001 түндегі ертегі ме? Эксперимент шешсін.

Сізге қажет: мыс пластина, темір шеге және сірке суы (бұл материалдардың барлығы ежелгі дәуірде белгілі және кеңінен қолжетімді болғанын ескеріңіз). Ыдысты жабу үшін шайырды ауыстырыңыз және оны оқшаулау ретінде пластилинмен ауыстырыңыз.

Тәжірибені стақанда немесе колбада жасаңыз, бірақ қыш вазаны пайдалану сынаққа шынайы дәм береді. Тегістеу қағазын пайдаланып, металл беттерді тақтадан тазалап, оларға сымдарды бекітіңіз.

Мыс пластинаны орамға айналдырып, оны ыдысқа салыңыз да, тырнақты орамға салыңыз. Пластилинді пайдаланып, пластинаны және шегені бір-біріне тигізбейтін етіп бекітіңіз (2). Ыдысқа сірке суын (шамамен 5% ерітінді) құйыңыз және мультиметрді пайдаланып, мыс пластина мен темір шегеге қосылған сымдардың ұштары арасындағы кернеуді өлшеңіз. Құралды тұрақты токты өлшеуге орнатыңыз. Кернеу көзінің полюстерінің қайсысы «плюс», қайсысы «минус» болып табылады?

2. Багдадтағы аккумулятордың заманауи көшірмесінің эскизі.

Есептегіш 0,5-0,7 В көрсетеді, сондықтан Бағдат батареясы жұмыс істейді! Жүйенің оң полюсі мыс, ал теріс полюсі темір екенін ескеріңіз (метр сымдарды терминалдарға қосудың бір нұсқасында оң кернеу мәнін көрсетеді). Пайдалы жұмыс үшін салынған көшірмеден электр энергиясын өндіруге бола ма? Иә, бірақ кернеуді арттыру үшін тағы бірнеше модель жасаңыз және оларды тізбектей қосыңыз. Жарық диодты шамға шамамен 3 вольт қажет - егер сіз батареядан соншалықты көп алсаңыз, жарық диоды жанады.

Бағдат аккумуляторы шағын өлшемді жабдықты қуаттандыру қабілетіне бірнеше рет сынақтан өтті. Осыған ұқсас экспериментті бірнеше жыл бұрын MythBusters культ бағдарламасының авторлары жасаған болатын. Мифбасшылар (Адам мен Джейми әлі есіңізде ме?) да құрылым ежелгі батарея қызметін атқара алады деген қорытындыға келді.

Сонымен, адамзаттың электрмен шытырман оқиғасы 2 жыл бұрын басталды ма? Иә және жоқ. Иә, өйткені ол кезде де қуат көздерін жобалау мүмкін болды. Жоқ, өйткені өнертабыс кең тараған жоқ - ол кезде және көптеген ғасырлар бойы ешкімге қажет болмады.

Байланыс па? Бұл оп-оңай!

Металл плиталардың немесе сымдардың, алюминийдің, темірдің және т.б. беттерін мұқият тазалаңыз. Екі түрлі металдың үлгілерін шырынды жемістерге салыңыз (бұл электр тогының ағынын жеңілдетеді), олар бір-біріне тиіп кетпеуі үшін. Мультиметрдің қысқыштарын жемістерден шығып тұрған сымдардың ұштарына жалғап, олардың арасындағы кернеуді оқыңыз. Пайдаланылатын металдардың түрлерін өзгертіңіз (жемістер сияқты) және әрекетті жалғастырыңыз (3).

3. Жеміс жасушасы (алюминий және мыс электродтары).

Барлық жағдайларда сілтемелер жасалды. Өлшенетін кернеулердің мәндері эксперимент үшін алынған металдар мен жемістерге байланысты өзгереді. Жеміс жасушаларын аккумуляторға біріктіру оны шағын электронды жабдықты қуаттандыру үшін пайдалануға мүмкіндік береді (бұл жағдайда ол сіздің дизайныңыздан алуға болатын аз мөлшерде токты қажет етеді).

Төтенше жемістерден шыққан сымдардың ұштарын сымдарға, ал олар өз кезегінде жарықдиодты шамның ұштарына жалғаңыз. Батарея полюстерін диодтың сәйкес «терминалдарына» қосқаннан кейін және кернеу белгілі бір шекті мәннен асқан кезде, диод жанады (әр түрлі түсті диодтардың бастапқы кернеуі әртүрлі, бірақ шамамен 3 вольт жеткілікті болуы керек. ).

Бірдей тартымды қуат көзі - бұл электронды сағат - ол «жеміс батареясында» ұзақ уақыт жұмыс істей алады (бірақ көп нәрсе сағаттың үлгісіне байланысты).

Көкөністер жемістерден еш кем түспейді, сонымен қатар олардан аккумулятор жасауға мүмкіндік береді. ретінде? Бірнеше маринадталған қияр мен тиісті мөлшерде мыс пен алюминий парақтарын немесе сымдарды алыңыз (оларды болат шегелермен ауыстыруға болады, бірақ сіз бір сілтемеден төмен кернеу аласыз). Батареяны жинаңыз және оны музыкалық қораптан интегралды схеманы қуаттандыру үшін пайдаланған кезде, қияр хоры ән айтады!

Неліктен қияр? Константин Ильдефонс Галчинский: «Егер қияр кез келген уақытта ән салмаса, ол аспанның қалауымен көре алмайтын шығар» деп дәлелдеген. Ақындар да армандамаған істерді химик жасай алады екен.

Биваков батареясы

Төтенше жағдайда сіз аккумуляторды өзіңіз құрастыра аласыз және оны жарықдиодты қуаттандыру үшін пайдалана аласыз. Рас, жарық бұлыңғыр болады, бірақ ол жоқтан жақсы.

Сізге не керек болады? Диод, әрине, және оған қоса, мұз текшесі, мыс сым және болат шегелер немесе бұрандалар (металлдардың электр ағынын жеңілдету үшін олардың беттерін тазалау керек). Сымды бөліктерге кесіп, бұранданың немесе шегенің басын фрагменттің бір ұшымен ораңыз. Осы жолмен бірнеше болат-мыс макеттерін жасаңыз (8-10 жеткілікті болуы керек).

Қалыптағы ойықтарға дымқыл топырақ құйыңыз (қосымша тұзды су құйып, электр кедергісін азайтады). Енді құрылымыңызды қуысқа салыңыз: бұранда немесе шеге бір тесікке, ал мыс сым екіншісіне өтуі керек. Келесілерді мыспен бір қуыста болат болатындай етіп орналастырыңыз (металдар бір-бірімен жанаса алмады). Тұтас бір қатарды құрайды: болат-мыс-болат-мыс және т.б. Элементтерді бірінші және соңғы қуыстар (тек жеке металдар бар) бір-бірінің қасында болатындай етіп орналастырыңыз.

Міне шарықтау шегі де келіп жетті.

Диодтың бір аяғын қатардағы бірінші ойыққа, ал екінші аяғын соңғысына салыңыз. Жарқырап тұр ма?

Олай болса, құттықтаймыз (4)! Олай болмаса, қателерді іздеңіз. Жарықдиодты диод кәдімгі шамға қарағанда, полярлық қосылымға ие болуы керек (қай металдың «плюс» екенін және батареяның «минусы» екенін білесіз бе?). Аяқтарды жерге қарама-қарсы бағытта енгізу жеткілікті. Ақаулықтың басқа себептері - тым төмен кернеу (кемінде 3 вольт), ашық тұйықталу немесе ондағы қысқа тұйықталу.

4. «Жер батареясы» жұмыс істеп тұр.

Бірінші жағдайда компоненттердің санын көбейтіңіз. Екіншіден, металдар арасындағы байланысты тексеріңіз (сонымен қатар олардың айналасындағы жерді тығыздаңыз). Үшінші жағдайда, мыс пен болаттың ұштары жер астында бір-біріне тиіп кетпеуін және оны суланған топырақ немесе ерітіндінің іргелес шұңқырларды біріктірмейтініне көз жеткізіңіз.

«Жер батареясымен» жасалған тәжірибе қызық және электр қуатын дерлік жоқтан алуға болатындығын дәлелдейді. Салынған құрылымды пайдаланудың қажеті болмаса да, сіз әрқашан демалушыларды MacGyver сияқты дағдыларыңызбен таң қалдыра аласыз (мүмкін тек аға техниктер есте сақтайды) немесе аман қалу шебері.

Жасушалар қалай жұмыс істейді?

Одан өткізгіш ерітіндіге (электролитке) батырылған металл (электрод) зарядталады. Катиондардың ең аз мөлшері ерітіндіге түседі, ал электрондар металда қалады. Ерітіндіде қанша ион және металда қанша артық электрон болуы металдың түріне, ерітіндіге, температураға және басқа да көптеген факторларға байланысты. Егер екі түрлі металды электролитке батырса, электрондар саны әртүрлі болғандықтан олардың арасында кернеу пайда болады. Электродтарды сыммен қосқанда олардың саны көп металдан электрондар (теріс электрод, яғни ұяшық аноды) олардың саны азырақ металға (оң электрод - катод) ағып кете бастайды. Әрине, жасушаның жұмысы кезінде тепе-теңдікті сақтау керек: анодтан металл катиондары ерітіндіге түседі, ал катодқа жеткізілетін электрондар қоршаған иондармен әрекеттеседі. Бүкіл контур иондарды тасымалдауды қамтамасыз ететін электролитпен жабылады. Өткізгіш арқылы өтетін электрондардың энергиясын пайдалы жұмысқа пайдалануға болады.