Светът на батериите - част 1

Нобеловата награда за химия за 2019 г. беше присъдена за разработване на дизайна на литиево-йонни батерии. За разлика от някои други присъди на Нобеловия комитет, тази не изненада, а напротив. Литиево-йонните батерии захранват смартфони, лаптопи, преносими електрически инструменти и дори електрически автомобили. Трима учени Джон Гуденау, Стенли Уитингам и Акира Йошино заслужено получиха дипломи, златни медали и 9 милиона шведски крони за разпределение. 

Можете да прочетете повече за обосновката на наградата в предишен брой на нашия цикъл за химия - а самата статия завършва с обявяването на по-подробно представяне на въпроса за клетките и батериите. Време е да спазиш обещанието си.

Първо, кратко обяснение на неточностите в именуването.

Връзка това е единствената верига, която генерира напрежение.

батерия се състои от правилно свързани клетки. Целта е да се увеличи напрежението, капацитета (енергия, която може да бъде извлечена от системата) или и двете.

батерия това е клетка или батерия, която може да се презарежда, когато е изтощена. Не всеки чип има тези свойства - много от тях са за еднократна употреба. В ежедневната реч първите два термина често се използват взаимозаменяемо (така ще бъде и в статията), но трябва да се знае разликата между тях (1).

1. Батерии, състоящи се от клетки.

Батериите не са измислени през последните десетилетия, те имат много по-дълга история. Може би вече сте чували за опита Галваниего i волтове в началото на XNUMX-ти и XNUMX-ти век, което бележи началото на използването на електрически ток във физиката и химията. Историята на батерията обаче започва още по-рано. Това беше много отдавна…

... дълго време в Багдад

През 1936 г. немски археол Вилхелм Кьониг откриха глинен съд близо до Багдад, датиращ от XNUMX-ти век пр. н. е. Находката не изглеждаше необичайна, като се има предвид, че цивилизацията на Ефрат и Тигър е процъфтявала в продължение на хиляди години.

Съдържанието на съда обаче беше мистериозно: ръждясала ролка медна ламарина, желязна пръчка и останки от естествена смола. Кьониг озадачаваше целта на артефакта, докато не си спомни, че е посетил Алеята на бижутерите в Багдад. Подобни дизайни са били използвани от местни занаятчии за покриване на медни продукти с благородни метали. Идеята, че това е древна батерия, не убеди други археолози, че по това време няма оцелели доказателства за електричество.

И така (така се казваше находката) това истинско нещо ли е или приказка от 1001 нощ? Нека експериментът реши.

Ще ви трябва: медна плоча, железен пирон и оцет (имайте предвид, че всички тези материали са били известни и широко достъпни в древността). Сменете смолата, за да запечатате съда, и я заменете с пластилин като изолация.

Направете експеримента в чаша или колба, въпреки че използването на фаянсова ваза ще придаде на теста автентичен вкус. С помощта на шкурка почистете металните повърхности от плака и прикрепете жици към тях.

Навийте медната пластина на руло и го поставете в съда, а в ролката пъхнете пирончето. С помощта на пластилин фиксирайте плочата и нокътя така, че да не се допират (2). Изсипете оцет (приблизително 5% разтвор) в съда и с помощта на мултицет измерете напрежението между краищата на проводниците, свързани към медната пластина и железния пирон. Настройте инструмента да измерва постоянен ток. Кой от полюсите е "плюс" и кой "минус" на източника на напрежение?

2. Скица на съвременно копие на батерията от Багдад.

Измервателят показва 0,5-0,7 V, значи Багдадската батерия работи! Моля, обърнете внимание, че положителният полюс на системата е мед, а отрицателният полюс е желязо (уредът показва положителна стойност на напрежението само в една опция за свързване на проводници към клеми). Възможно ли е да се получи електричество от изграденото копие за полезна работа? Да, но направи още модели и ги свържи последователно, за да увеличиш напрежението. Светодиодът се нуждае от около 3 волта - ако получите толкова от батерията си, светодиодът ще светне.

Батерията Baghdad беше многократно тествана за способността й да захранва малко оборудване. Подобен експеримент беше проведен преди няколко години от авторите на култовата програма MythBusters. Ловците на митове (все още помните ли Адам и Джейми?) също стигнаха до заключението, че структурата може да служи като древна батерия.

И така, започна ли приключението на човечеството с електричеството преди повече от 2 години? Да и не. Да, защото дори тогава беше възможно да се проектират захранвания. Не, защото изобретението не стана широко разпространено - никой не се нуждаеше от него тогава и за много векове напред.

Връзка? Просто е!

Почистете добре повърхностите на метални пластини или жици, алуминий, желязо и др. Поставете проби от два различни метала в сочен плод (което ще улесни протичането на електричество), така че да не се допират. Свържете щипките на мултиметъра към краищата на кабелите, стърчащи от плода, и прочетете напрежението между тях. Променете видовете използвани метали (както и плодове) и продължете да опитвате (3).

3. Плодова клетка (алуминиеви и медни електроди).

Във всички случаи бяха създадени връзки. Стойностите на измерените напрежения се различават в зависимост от металите и плодовете, взети за експеримента. Комбинирането на плодови клетки в батерия ще ви позволи да я използвате за захранване на малко електронно оборудване (в този случай това изисква малко количество ток, което можете да получите от вашия дизайн).

Свържете краищата на проводниците, стърчащи от крайните плодове, към проводниците, а тези от своя страна към краищата на светодиода. Веднага след като свържете полюсите на батерията към съответните "клеми" на диода и напрежението надхвърли определен праг, диодът ще светне (диодите с различни цветове имат различно първоначално напрежение, но около 3 волта трябва да са достатъчни ).

Също толкова привлекателен източник на енергия е електронен часовник - той може да работи на „плодова батерия“ дълго време (въпреки че много зависи от модела на часовника).

Зеленчуците по нищо не отстъпват на плодовете и ви позволяват да изградите батерия от тях. защото? Вземете няколко кисели краставички и подходящо количество медни и алуминиеви листове или жици (можете да ги замените със стоманени гвоздеи, но ще получите по-ниско напрежение от една връзка). Сглобете батерия и когато я използвате за захранване на интегралната схема от музикалната кутия, хорът от краставици ще пее!

Защо краставици? Константин Илдефонс Галчински твърди, че: "Ако краставицата не пее и по всяко време, вероятно не може да види по волята на небето." Оказва се, че един химик може да направи неща, за които дори поетите не са мечтали.

Батарея Биваков

При спешни случаи можете сами да проектирате батерия и да я използвате за захранване на светодиод. Вярно, че светлината ще е слаба, но е по-добре от никаква.

Какво ще ви трябва? Диод, разбира се, но също и тава за кубчета лед, медна жица и стоманени пирони или винтове (металните повърхности трябва да бъдат почистени, за да се улесни протичането на електричество). Нарежете жицата на парчета и увийте главата на винта или гвоздея с единия край на фрагмента. Направете няколко стоманено-медни оформления по този начин (8-10 трябва да са достатъчни).

Изсипете влажна пръст във вдлъбнатините във формата (можете допълнително да налеете солена вода, което ще намали електрическото съпротивление). Сега поставете вашата структура в кухината: винтът или пиронът трябва да влезе в единия отвор, а медната жица в другия. Поставете следващите така, че да има стомана в същата кухина с мед (металите не могат да влязат в контакт един с друг). Цялото образува серия: стомана-мед-стомана-мед и т.н. Подредете елементите по такъв начин, че първата и последната кухина (единствените, съдържащи отделни метали) да лежат една до друга.

Тук идва кулминацията.

Поставете единия крак на диода в първата вдлъбнатина в реда, а другия крак в последния. свети ли

Ако е така, поздравления (4)! Ако не, потърсете грешки. LED диодът, за разлика от конвенционалната крушка, трябва да има полярност на свързване (знаете ли кой метал е "плюс" и кой е "минус" на батерията?). Достатъчно е да поставите краката в посока, обратна на земята. Други причини за повреда са твърде ниско напрежение (минимум 3 волта), отворена верига или късо съединение в нея.

4. "Земна батерия" в действие.

В първия случай увеличете броя на компонентите. Във втория проверете връзката между металите (също уплътнете земята около тях). В третия случай се уверете, че краищата на медта и стоманата не се допират един до друг под земята и че почвата или хоросанът, с който сте го намокрили, не свързва съседни ями.

Експериментът със "земната батерия" е интересен и доказва, че електричество може да се получи почти от нищото. Дори и да не се налага да използвате изградена структура, винаги можете да впечатлите къмпингуващите с вашите умения, подобни на MacGyver (вероятно помнят само старши техници) или майстор на оцеляването.

Как работят клетките?

От него се зарежда метал (електрод), потопен в проводим разтвор (електролит). Минималното количество катиони отива в разтвор, докато електроните остават в метала. Колко йони са в разтвор и колко излишни електрони има в метала зависи от вида на метала, разтвора, температурата и много други фактори. Ако два различни метала се потопят в електролит, между тях ще възникне напрежение поради различния брой електрони. При свързване на електродите с проводник, електрони от метал с голям брой от тях (отрицателен електрод, т.е. клетъчен анод) ще започнат да се вливат в метал с по-малък брой от тях (положителен електрод - катод). Разбира се, по време на работа на клетката трябва да се поддържа баланс: металните катиони от анода преминават в разтвор, а електроните, доставени на катода, реагират с околните йони. Цялата верига е затворена от електролит, който осигурява йонен транспорт. Енергията на електроните, преминаващи през проводник, може да се използва за полезна работа.