Akumulatoru pasaule — 1. daļa

2019. gada Nobela prēmija ķīmijā tika piešķirta par litija jonu akumulatoru dizaina izstrādi. Atšķirībā no dažiem citiem Nobela komitejas spriedumiem šis nepārsteidza – gluži pretēji. Litija jonu baterijas darbina viedtālruņus, klēpjdatorus, pārnēsājamus elektroinstrumentus un pat elektromobiļus. Trīs zinātnieki Džons Gudena, Stenlijs Vitingems un Akira Jošino pelnīti saņēma diplomus, zelta medaļas un 9 miljonus SEK izplatīšanai. 

Vairāk par balvas piešķiršanas pamatojumu varat izlasīt iepriekšējā mūsu ķīmijas cikla numurā – un pats raksts beidzās ar paziņojumu par detalizētāku elementu un bateriju jautājuma prezentāciju. Ir pienācis laiks turēt savu solījumu.

Pirmkārt, īss skaidrojums par nosaukumu neprecizitātēm.

Saite šī ir vienīgā ķēde, kas ģenerē spriegumu.

Akumulators sastāv no pareizi savienotām šūnām. Mērķis ir palielināt spriegumu, kapacitāti (enerģiju, ko var iegūt no sistēmas) vai abus.

akumulators tā ir šūna vai akumulators, ko var uzlādēt, kad tas ir izlādējies. Ne katrai mikroshēmai ir šādas īpašības - daudzas ir vienreizējās lietošanas. Ikdienas runā pirmie divi termini bieži tiek lietoti kā sinonīmi (tā tas būs arī rakstā), taču ir jāapzinās atšķirība starp tiem (1).

1. Baterijas, kas sastāv no elementiem.

Baterijas nav izgudrotas pēdējās desmitgadēs, tām ir daudz garāka vēsture. Jūs, iespējams, jau esat dzirdējuši par pieredzi Galvanie i Volti XNUMX. un XNUMX. gadsimta mijā, kas iezīmēja elektriskās strāvas izmantošanas sākumu fizikā un ķīmijā. Tomēr akumulatora vēsture sākās vēl agrāk. Tas bija sen…

... ilgu laiku Bagdādē

1936. gadā vācu arheologs Vilhelms Kēnigs netālu no Bagdādes atrada māla trauku, kas datēts ar XNUMX. gadsimtu pirms mūsu ēras. Atradums nešķita neparasts, ņemot vērā, ka civilizācija uz Eifratas un Tigras uzplauka tūkstošiem gadu.

Tomēr trauka saturs bija noslēpumains: sarūsējis vara loksnes rullis, dzelzs stienis un dabisko sveķu paliekas. Koenigs neizpratnē par artefakta mērķi, līdz atcerējās, ka apmeklējis juvelieru aleju Bagdādē. Līdzīgus dizainus izmantoja vietējie amatnieki, lai pārklātu vara izstrādājumus ar dārgmetāliem. Doma, ka tas ir sens akumulators, nepārliecināja citus arheologus, ka tajā laikā nav saglabājušās nekādas liecības par elektrību.

Tātad (tā atradumu sauca) vai šī ir īsta lieta vai pasaka no 1001 nakts? Ļaujiet eksperimentam izlemt.

Jums būs nepieciešams: vara plāksne, dzelzs nagla un etiķis (ņemiet vērā, ka visi šie materiāli bija zināmi un plaši pieejami senatnē). Nomainiet sveķus, lai noslēgtu trauku, un nomainiet to ar plastilīnu kā izolāciju.

Veiciet eksperimentu vārglāzē vai kolbā, lai gan, izmantojot māla vāzi, testam tiks piešķirts autentisks aromāts. Izmantojot smilšpapīru, notīriet metāla virsmas no plāksnes un piestipriniet tām vadus.

Satiniet vara plāksni rullī un ievietojiet to traukā un ievietojiet naglu rullī. Izmantojot plastilīnu, piestipriniet plāksni un naglu tā, lai tie nepieskartos viens otram (2). Ielejiet traukā etiķi (apmēram 5% šķīdumu) un, izmantojot multimetru, izmēra spriegumu starp vadu galiem, kas savienoti ar vara plāksni un dzelzs naglu. Iestatiet instrumentu līdzstrāvas mērīšanai. Kurš no poliem ir sprieguma avota "pluss" un kurš ir "mīnuss"?

2. Bagdādes akumulatora modernās kopijas skice.

Skaitītājs rāda 0,5-0,7 V, tātad Bagdādes akumulators darbojas! Lūdzu, ņemiet vērā, ka sistēmas pozitīvais pols ir varš, bet negatīvais - dzelzs (skaitītājs parāda pozitīvu sprieguma vērtību tikai vienā opcijā, lai savienotu vadus ar spailēm). Vai no uzbūvētās kopijas var dabūt elektrību lietderīgam darbam? Jā, bet izveidojiet vēl dažus modeļus un savienojiet tos virknē, lai palielinātu spriegumu. Gaismas diodei ir nepieciešami apmēram 3 volti — ja jūs saņemat tik daudz no akumulatora, gaismas diode iedegsies.

Bagdādes akumulators tika atkārtoti pārbaudīts, lai noskaidrotu, vai tas spēj darbināt maza izmēra iekārtas. Līdzīgu eksperimentu pirms vairākiem gadiem veica kulta programmas MythBusters autori. Mītu grautāji (vai jūs joprojām atceraties Ādamu un Džeimiju?) arī nonāca pie secinājuma, ka konstrukcija varētu kalpot kā sena baterija.

Vai tad cilvēces piedzīvojums ar elektrību sākās pirms vairāk nekā 2 gadiem? Jā un nē. Jā, jo jau tad bija iespējams projektēt barošanas blokus. Nē, jo izgudrojums nekļuva plaši izplatīts – nevienam tas nebija vajadzīgs toreiz un vēl daudzus gadsimtus.

Savienojums? Tas ir vienkārši!

Rūpīgi notīriet metāla plākšņu vai stiepļu, alumīnija, dzelzs u.c. virsmas. Ievietojiet divu dažādu metālu paraugus sulīgā auglī (kas atvieglos elektrības plūsmu), lai tie nesaskartos viens ar otru. Pievienojiet multimetra skavas pie vadu galiem, kas izstiepušies no augļa, un nolasiet spriegumu starp tiem. Mainiet izmantoto metālu veidus (kā arī augļus) un turpiniet mēģināt (3).

3. Augļu šūna (alumīnija un vara elektrodi).

Visos gadījumos tika izveidotas saites. Izmērīto spriegumu vērtības atšķiras atkarībā no eksperimentam ņemtajiem metāliem un augļiem. Augļu elementu apvienošana akumulatorā ļaus to izmantot mazu elektronisko iekārtu darbināšanai (šajā gadījumā tam ir nepieciešams neliels strāvas daudzums, ko varat iegūt no sava dizaina).

Savienojiet vadu galus, kas izceļas no galējiem augļiem, ar vadiem, un tos, savukārt, ar LED galiem. Tiklīdz būsiet pieslēdzis akumulatora polus pie atbilstošajiem diodes "termināļiem" un spriegums būs pārsniedzis noteiktu slieksni, diode iedegsies (dažādu krāsu diodēm ir atšķirīgs sākotnējais spriegums, bet vajadzētu pietikt ar apmēram 3 voltiem ).

Tikpat pievilcīgs strāvas avots ir elektroniskais pulkstenis - tas var ilgstoši darboties ar “augļu akumulatoru” (lai gan daudz kas ir atkarīgs no pulksteņa modeļa).

Dārzeņi nekādā ziņā nav zemāki par augļiem un arī ļauj no tiem izveidot akumulatoru. Kā? Paņemiet dažus marinētus gurķus un atbilstošu daudzumu vara un alumīnija loksnes vai stieples (jūs varat tās aizstāt ar tērauda naglām, bet jūs saņemsiet zemāku spriegumu no vienas saites). Saliec akumulatoru un, kad izmantosi to integrālās shēmas barošanai no mūzikas kastes, dziedās gurķu koris!

Kāpēc gurķi? Konstantīns Ildefons Gaļčinskis apgalvoja, ka: "Ja gurķis nedzied un jebkurā laikā, viņš, iespējams, nevar redzēt pēc debesu gribas." Izrādās, ķīmiķis var darīt lietas, par kurām pat dzejnieki nav sapņojuši.

Bivouac akumulators

Ārkārtas situācijā varat pats izveidot akumulatoru un izmantot to, lai darbinātu LED. Tiesa, gaisma būs vāja, bet labāk nekā nav.

Kas tev būs vajadzīgs? Protams, diode un papildus ledus kubiņa veidne, vara stieple un tērauda naglas vai skrūves (metālu virsmas jātīra, lai atvieglotu elektrības plūsmu). Sagrieziet vadu gabalos un aptiniet skrūves vai naglas galvu ar vienu fragmenta galu. Šādā veidā izveidojiet vairākus tērauda-vara izkārtojumus (pietiek ar 8-10).

Veidnes padziļinājumos ieberiet mitru augsni (var papildus apliet ar sālsūdeni, kas samazinās elektrisko pretestību). Tagad ievietojiet savu konstrukciju dobumā: skrūvei vai naglai jāieiet vienā caurumā, bet vara stieplei - otrā. Nākamos novietojiet tā, lai tērauds būtu vienā dobumā ar varu (metāli nevarētu saskarties viens ar otru). Viss veido sēriju: tērauds-varš-tērauds-varš utt. Sakārtojiet elementus tā, lai pirmais un pēdējais dobums (vienīgais, kas satur atsevišķus metālus) atrodas blakus.

Šeit pienāk kulminācija.

Ievietojiet vienu diodes kāju rindas pirmajā padziļinājumā un otru kāju pēdējā. Vai tas spīd?

Ja tā, tad apsveicam (4)! Ja nē, meklējiet kļūdas. LED diodei, atšķirībā no parastās spuldzes, ir jābūt polaritātes pieslēgumam (vai zināt, kurš metāls ir akumulatora "pluss" un kurš "mīnuss"?). Pietiek ievietot kājas virzienā, kas ir pretējs zemei. Citi kļūmes cēloņi ir pārāk zems spriegums (vismaz 3 volti), atvērta ķēde vai īssavienojums tajā.

4. Darbībā "Zemes akumulators".

Pirmajā gadījumā palieliniet sastāvdaļu skaitu. Otrajā pārbaudiet savienojumu starp metāliem (arī noblīvējiet zemi ap tiem). Trešajā gadījumā pārliecinieties, ka vara un tērauda gali nesaskaras viens ar otru pazemē un vai augsne vai java, ar kuru jūs to samitrināt, nesavieno blakus esošās bedres.

Eksperiments ar "zemes akumulatoru" ir interesants un pierāda, ka elektrību var iegūt gandrīz no nekā. Pat ja jums nav jāizmanto uzbūvēta konstrukcija, jūs vienmēr varat pārsteigt atpūtniekus ar savām MacGyver līdzīgām prasmēm (iespējams, tās atceras tikai vecākie tehniķi) vai izdzīvošanas meistaru.

Kā šūnas darbojas?

No tā tiek uzlādēts metāls (elektrods), kas iegremdēts vadošā šķīdumā (elektrolītā). Minimālais katjonu daudzums nonāk šķīdumā, bet elektroni paliek metālā. Cik jonu ir šķīdumā un cik daudz lieko elektronu ir metālā, ir atkarīgs no metāla veida, šķīduma, temperatūras un daudziem citiem faktoriem. Ja elektrolītā iegremdē divus dažādus metālus, atšķirīgā elektronu skaita dēļ starp tiem radīsies spriegums. Savienojot elektrodus ar vadu, elektroni no metāla, kurā ir liels to skaits (negatīvais elektrods, t.i., šūnu anods), sāks ieplūst metālā, kurā ir mazāks to skaits (pozitīvs elektrods - katods). Protams, šūnas darbības laikā ir jāsaglabā līdzsvars: metāla katjoni no anoda nonāk šķīdumā, un katodā nogādātie elektroni reaģē ar apkārtējiem joniem. Visu ķēdi noslēdz elektrolīts, kas nodrošina jonu transportēšanu. Elektronu enerģiju, kas plūst caur vadītāju, var izmantot lietderīgam darbam.