Bota e baterive - pjesa 1

Çmimi Nobel 2019 në Kimi u dha për zhvillimin e dizajnit të baterive litium-jon. Ndryshe nga disa nga vendimet e tjera të Komitetit të Nobelit, ky nuk befasoi - përkundrazi. Bateritë litium-jon fuqizojnë telefonat inteligjentë, laptopët, mjetet e lëvizshme të energjisë dhe madje edhe makinat elektrike. Tre shkencëtarë, John Goodenough, Stanley Whittingham dhe Akira Yoshino, morën me meritë diploma, medalje ari dhe 9 milion SEK për shpërndarje. 

Mund të lexoni më shumë rreth arsyetimit për çmimin në një numër të mëparshëm të ciklit tonë të kimisë - dhe vetë artikulli përfundoi me njoftimin e një prezantimi më të detajuar të çështjes së qelizave dhe baterive. Është koha për të mbajtur premtimin tuaj.

Së pari, një shpjegim i shkurtër i pasaktësive të emërtimit.

Lidhje ky është i vetmi qark që gjeneron tension.

bateri përbëhet nga qeliza të lidhura saktë. Qëllimi është të rritet tensioni, kapaciteti (energjia që mund të merret nga sistemi), ose të dyja.

аккумулятор është një qelizë ose bateri që mund të ringarkohet kur është e varfëruar. Jo çdo çip i ka këto veti - shumë prej tyre janë të disponueshme. Në fjalimin e përditshëm, dy termat e parë shpesh përdoren në mënyrë të ndërsjellë (kjo do të ndodhë edhe në artikull), por duhet të jeni të vetëdijshëm për ndryshimin midis tyre (1).

1. Bateritë e përbëra nga qeliza.

Bateritë nuk janë shpikur për dekadat e fundit, ato kanë një histori shumë më të gjatë. Ju mund të keni dëgjuar tashmë për përvojën Galvaniego i Volt në kthesën e shekujve XNUMX dhe XNUMX, të cilat shënuan fillimin e përdorimit të rrymës elektrike në fizikë dhe kimi. Sidoqoftë, historia e baterisë filloi edhe më herët. Ishte shumë kohë më parë…

... një kohë të gjatë në Bagdad

Në vitin 1936 një arkeolog gjerman Wilhelm Koenig gjeti një enë balte pranë Bagdadit që daton në shekullin e XNUMX-të para Krishtit. Gjetja nuk dukej e pazakontë, duke pasur parasysh se qytetërimi në Eufrat dhe Tigër lulëzoi për mijëra vjet.

Megjithatë, përmbajtja e enës ishte misterioze: një rrotull e ndryshkur prej fletë bakri, një shufër hekuri dhe mbetje rrëshirë natyrale. Koenig u hutua për qëllimin e objektit derisa iu kujtua vizita në Rrugicën e Bizhuterive në Bagdad. Modele të ngjashme përdoreshin nga mjeshtrit vendas për të mbuluar produktet e bakrit me metale të çmuara. Ideja se ishte një bateri e lashtë nuk i bindi arkeologët e tjerë se asnjë provë e energjisë elektrike nuk mbijetonte në atë kohë.

Pra (kështu quhej gjetja) a është kjo një gjë e vërtetë apo një përrallë nga 1001 netë? Lëreni eksperimentin të vendosë.

Do t'ju duhet: pjatë bakri, gozhdë hekuri dhe uthull (vini re se të gjitha këto materiale ishin të njohura dhe të disponueshme gjerësisht në antikitet). Zëvendësoni rrëshirën për të vulosur enën dhe zëvendësoni atë me plastelinë si izolim.

Bëni eksperimentin në një gotë ose balonë, megjithëse përdorimi i një vazo prej balte do t'i japë testit një shije autentike. Duke përdorur letër zmerile, pastroni sipërfaqet metalike nga pllaka dhe lidhni telat në to.

Rrokullisni pjatën e bakrit në një rrotull dhe vendoseni në enë dhe futeni gozhdën në rrotull. Duke përdorur plastelinë, rregulloni pjatën dhe gozhdën në mënyrë që të mos prekin njëra-tjetrën (2). Hidhni uthull (afërsisht 5% tretësirë) në enë dhe, duke përdorur një multimetër, matni tensionin midis skajeve të telave të lidhur me pllakën e bakrit dhe gozhdës së hekurit. Vendoseni instrumentin për të matur rrymën DC. Cili nga polet është "plus" dhe cili është "minus" i burimit të tensionit?

2. Skicë e një kopje moderne të baterisë nga Bagdadi.

Matësi tregon 0,5-0,7 V, kështu që bateria e Bagdadit po funksionon! Ju lutemi vini re se poli pozitiv i sistemit është bakri, dhe poli negativ është hekuri (matësi tregon një vlerë pozitive të tensionit vetëm në një opsion për lidhjen e telave me terminalet). A është e mundur të merret energji elektrike nga kopja e ndërtuar për punë të dobishme? Po, por bëni disa modele të tjera dhe lidhini ato në seri për të rritur tensionin. LED ka nevojë për rreth 3 volt - nëse merrni kaq shumë nga bateria juaj, LED do të ndizet.

Bateria e Bagdadit u testua vazhdimisht për aftësinë e saj për të fuqizuar pajisjet me përmasa të vogla. Një eksperiment i ngjashëm u krye disa vite më parë nga autorët e programit të kultit MythBusters. Mythbusters (e mbani mend akoma Adamin dhe Xhemi?) arritën gjithashtu në përfundimin se struktura mund të shërbente si një bateri e lashtë.

Pra, a filloi aventura e njerëzimit me energjinë elektrike më shumë se 2 vjet më parë? Po dhe jo. Po, sepse edhe atëherë ishte e mundur të projektoheshin furnizime me energji elektrike. Jo, sepse shpikja nuk u bë e përhapur - askush nuk kishte nevojë për të atëherë dhe për shumë shekuj në vazhdim.

Lidhje? Është e thjeshtë!

Pastroni mirë sipërfaqet e pllakave ose telave metalike, aluminit, hekurit etj. Futni mostra të dy metaleve të ndryshme në një frut me lëng (që do të lehtësojë rrjedhën e energjisë elektrike) në mënyrë që të mos prekin njëri-tjetrin. Lidhni kapëset e multimetrit në skajet e telave që dalin nga frutat dhe lexoni tensionin midis tyre. Ndryshoni llojet e metaleve të përdorura (si dhe frutat) dhe vazhdoni të provoni (3).

3. Qelizë frutore (elektroda alumini dhe bakri).

Në të gjitha rastet u krijuan lidhje. Vlerat e tensioneve të matura ndryshojnë në varësi të metaleve dhe frutave të marra për eksperiment. Kombinimi i qelizave frutore në një bateri do t'ju lejojë ta përdorni atë për të fuqizuar pajisje të vogla elektronike (në këtë rast, kërkon një sasi të vogël rryme, të cilën mund ta merrni nga dizajni juaj).

Lidhni skajet e telave që dalin nga frutat ekstreme me telat, dhe këto, nga ana tjetër, në skajet e LED. Sapo të keni lidhur polet e baterisë me "terminalet" përkatëse të diodës dhe tensioni ka tejkaluar një prag të caktuar, dioda do të ndizet (diodat me ngjyra të ndryshme kanë një tension fillestar të ndryshëm, por rreth 3 volt duhet të jenë të mjaftueshëm ).

Një burim energjie po aq tërheqës është një orë elektronike - mund të funksionojë me një "bateri frutash" për një kohë të gjatë (megjithëse shumë varet nga modeli i orës).

Perimet nuk janë në asnjë mënyrë inferiore ndaj frutave dhe gjithashtu ju lejojnë të ndërtoni një bateri prej tyre. Sepse? Merrni disa turshi dhe një sasi të përshtatshme fletësh bakri dhe alumini ose tela (mund t'i zëvendësoni me gozhdë çeliku, por do të merrni tension më të ulët nga një lidhje e vetme). Mblidhni një bateri dhe kur ta përdorni për të fuqizuar qarkun e integruar nga kutia muzikore, kori i kastravecit do të këndojë!

Pse kastravecat? Konstantin Ildefons Galchinsky argumentoi se: "Nëse kastraveci nuk këndon dhe në çdo kohë, ai ndoshta nuk mund të shohë me vullnetin e parajsës". Rezulton se një kimist mund të bëjë gjëra që as poetët nuk i kanë ëndërruar.

Bateria Bivakov

Në rast urgjence, mund të dizajnoni vetë një bateri dhe ta përdorni për të fuqizuar një LED. Vërtetë, drita do të jetë e zbehtë, por është më mirë se asnjë.

Çfarë do t'ju duhet? Natyrisht, një diodë dhe përveç kësaj, një kallëp për kub akulli, tela bakri dhe gozhdë ose vida çeliku (metalet duhet të pastrojnë sipërfaqet e tyre për të lehtësuar rrjedhën e energjisë elektrike). Pritini telin në copa dhe mbështillni kokën e vidës ose gozhdës me një fund të fragmentit. Bëni disa paraqitje çelik-bakër në këtë mënyrë (8-10 duhet të jenë të mjaftueshme).

Derdhni tokë të lagësht në gropat në myk (mund të derdhni gjithashtu ujë të kripur, i cili do të zvogëlojë rezistencën elektrike). Tani futni strukturën tuaj në zgavër: vidhosja ose gozhda duhet të futen në një vrimë dhe tela e bakrit në tjetrën. Vendosni ato të ardhshme në mënyrë që të ketë çelik në të njëjtën zgavër me bakrin (metalet nuk mund të bien në kontakt me njëri-tjetrin). E tëra formon një seri: çelik-bakër-çelik-bakër, etj. Vendosni elementët në mënyrë të tillë që zgavrat e para dhe të fundit (të vetmet që përmbajnë metale individuale) të shtrihen pranë njëri-tjetrit.

Këtu vjen kulmi.

Fusni njërën këmbë të diodës në prerjen e parë në rresht dhe këmbën tjetër në të fundit. A po shkëlqen?

Nëse po, urime (4)! Nëse jo, kërkoni për gabime. Një diodë LED, ndryshe nga një llambë konvencionale, duhet të ketë një lidhje polariteti (a e dini se cili metal është "plus" dhe cili është "minus" i baterisë?). Mjafton të futni këmbët në drejtim të kundërt me tokën. Shkaqe të tjera të dështimit janë tensioni shumë i ulët (minimumi 3 volt), qarku i hapur ose qarku i shkurtër në të.

4. "Bateria e Tokës" në punë.

Në rastin e parë, rrisni numrin e komponentëve. Në të dytën, kontrolloni lidhjen midis metaleve (gjithashtu mbyllni tokën rreth tyre). Në rastin e tretë, sigurohuni që skajet e bakrit dhe çelikut të mos prekin njëri-tjetrin nën tokë dhe që dheu ose llaçi me të cilin e keni lagur të mos lidhin gropat ngjitur.

Eksperimenti me “baterinë e tokës” është interesant dhe dëshmon se energjia elektrike mund të merret pothuajse nga asgjëja. Edhe nëse nuk keni nevojë të përdorni një strukturë të ndërtuar, gjithmonë mund t'i mahnitni pushuesit me aftësitë tuaja të ngjashme me MacGyver (ndoshta që mbahen mend vetëm nga teknikët e lartë) ose mjeshtrit e mbijetesës.

Si funksionojnë qelizat?

Një metal (elektrodë) i zhytur në një zgjidhje përçuese (elektrolit) ngarkohet prej tij. Sasia minimale e kationeve shkon në tretësirë, ndërsa elektronet mbeten në metal. Sa jone janë në tretësirë ​​dhe sa elektrone të tepërta ka në metal varet nga lloji i metalit, tretësira, temperatura dhe shumë faktorë të tjerë. Nëse dy metale të ndryshme zhyten në një elektrolit, do të lindë një tension midis tyre për shkak të numrit të ndryshëm të elektroneve. Kur lidhni elektrodat me tel, elektronet nga një metal me një numër të madh të tyre (elektroda negative, d.m.th. anoda qelizore) do të fillojnë të rrjedhin në një metal me një numër më të vogël të tyre (elektrodë pozitive - katodë). Sigurisht, gjatë funksionimit të qelizës, duhet të ruhet një ekuilibër: kationet metalike nga anoda kalojnë në tretësirë, dhe elektronet e dorëzuara në katodë reagojnë me jonet përreth. I gjithë qarku mbyllet nga një elektrolit që siguron transportin e joneve. Energjia e elektroneve që rrjedhin nëpër një përcjellës mund të përdoret për punë të dobishme.