Batterivärld - del 1
2019 års Nobelpris i kemi delades ut för utvecklingen av designen av litiumjonbatterier. Till skillnad från vissa andra domar från Nobelkommittén var denna inte överraskande – snarare tvärtom. Litiumjonbatterier driver smartphones, bärbara datorer, bärbara elverktyg och till och med elbilar. Tre forskare, John Goodenough, Stanley Whittingham och Akira Yoshino, fick välförtjänt diplom, guldmedaljer och 9 miljoner kronor att dela ut.
Du kan läsa mer om motiveringen till priset i förra numret av vårt kemiska kretslopp – och själva artikeln avslutades med att man annonserade en mer detaljerad presentation av frågan om celler och batterier. Det är dags att hålla ditt löfte.
Först en kort förklaring av namngivningsfelen.
Länk detta är den enda kretsen som genererar spänning.
batteri består av korrekt anslutna celler. Målet är att öka spänningen, kapaciteten (energin som kan hämtas från systemet) eller båda.
batteri det är en cell eller ett batteri som kan laddas när det är urladdat. Inte alla chip har dessa egenskaper – många är engångs. I dagligt tal används de två första termerna ofta omväxlande (så kommer det också att vara fallet i denna artikel), men man måste vara medveten om skillnaden mellan dem (1).
1. Batterier som består av celler.
Batterier uppfanns inte under de senaste decennierna, de har en mycket längre historia. Du kanske redan har hört talas om upplevelsen Galvaniego i Volt vid sekelskiftet XNUMXth och XNUMXth århundradena, vilket markerar början på användningen av elektrisk ström i fysik och kemi. Batteriets historia började dock ännu tidigare. Det var länge sedan …
...lång tid i Bagdad
1936, en tysk arkeolog Wilhelm Koenig hittade ett lerkärl nära Bagdad med anor från XNUMX-talet f.Kr.. Fyndet verkade inte ovanligt, med tanke på att civilisationen vid Eufrat och Tigris blomstrade i tusentals år.
Innehållet i kärlet var dock mystiskt: en rostad rulle av kopparplåt, en järnstav och resterna av naturligt harts. Koenig undrade över syftet med artefakten tills han kom ihåg ett besök på Jewellers Alley i Bagdad. Lokala hantverkare använde liknande mönster för att belägga kopparprodukter med ädla metaller. Tanken att det var ett urgammalt batteri har inte övertygat andra arkeologer, eftersom inga bevis på elektricitet finns kvar vid den tiden.
Så (så kallades fyndet) är det en riktig sak eller en saga från de 1001 nätterna? Låt experimentet avgöra.
Du behöver: kopparplåt, järnspik och vinäger (observera att alla dessa material var kända och allmänt tillgängliga i antiken). Byt ut hartset för att täta kärlet och ersätt det med plasticine som isolering.
Genomför experimentet i en bägare eller kolv, men att använda en lervas kommer att ge testet en autentisk smak. Använd sandpapper, rengör metallytorna från avlagringar och fäst ledningarna på dem.
Rulla kopparplattan och placera den i kärlet och sätt in spiken i rullen. Använd plasticine, fixera plattan och spiken så att de inte rör vid varandra (2). Häll vinäger (ca 5% lösning) i kärlet och använd en multimeter för att mäta spänningen mellan ändarna av trådarna som är anslutna till kopparplattan och järnspiken. Ställ in mätaren för att mäta likström. Vilken pol är "plus" och vilken är "minus" för spänningskällan?
2. Skiss av en modern kopia av ett batteri från Bagdad.
Mätaren visar 0,5-0,7 V, så Bagdad-batteriet fungerar! Observera att systemets positiva pol är koppar och minuspolen är järn (mätaren visar ett positivt spänningsvärde i endast ett alternativ för att ansluta ledningar till terminaler). Är det möjligt att få el från den byggda kopian för nyttigt arbete? Ja, men gör några fler modeller och seriekoppla dem för att öka spänningen. Lysdioden behöver cirka 3 volt - får du ut så mycket från ditt batteri så lyser lysdioden.
Bagdad-batteriet har testats upprepade gånger för sin förmåga att driva utrustning av liten storlek. Författarna till kultprogrammet "MythBusters" genomförde ett liknande experiment för flera år sedan. Mythbusters (minns du fortfarande Adam och Jamie?) drog också slutsatsen att strukturen kunde fungera som ett gammalt batteri.
Så började mänsklighetens äventyr med elektricitet för över 2 år sedan? Ja och nej. Ja, för redan då var det möjligt att designa nätaggregat. Nej, för uppfinningen fick inte stor spridning – ingen behövde den då och i många århundraden framöver.
Förbindelse? Det är enkelt!
Rengör noggrant ytorna på metallplåtar eller trådar, aluminium, järn etc. Sätt in prover av två olika metaller i den saftiga frukten (vilket kommer att underlätta flödet av elektricitet) så att de inte rör vid varandra. Anslut multimeterklämmorna till ändarna av ledningarna som sticker ut från frukten och läs av spänningen mellan dem. Variera de typer av metaller som används (liksom frukterna) och fortsätt att försöka (3).
3. Fruktcell (aluminium- och kopparelektroder).
I samtliga fall skapades länkar. De uppmätta spänningarna varierar beroende på de metaller och frukter som tas för experimentet. Genom att kombinera fruktceller till ett batteri kan du använda det för att driva liten elektronisk utrustning (i det här fallet krävs en liten ström, som du kan få från din design).
Anslut ändarna av ledningarna som sticker ut från de yttersta frukterna till ledningarna, och dessa i sin tur till ändarna av lysdioden. När du kopplat batteripolerna till motsvarande "terminaler" på dioden och spänningen har överskridit ett visst tröskelvärde kommer dioden att lysa (olikt färgade dioder har olika startspänning, men ca 3 volt borde räcka).
En lika attraktiv strömkälla är en elektronisk klocka - den kan köras på ett "fruktbatteri" under lång tid (även om mycket beror på klockans modell).
Grönsaker är inte på något sätt sämre än frukter och låter dig också bygga ett batteri av dem. Därför att? Ta lite pickles och en lämplig mängd koppar- och aluminiumplåtar eller trådar (stålspik kan ersätta dessa, men du får lägre spänning från en länk). Sätt ihop batteriet och när du använder det för att driva den integrerade kretsen från speldosan kommer gurkkören att sjunga!
Varför gurka? Konstantin Ildefons Galchinsky hävdade att: "Om en gurka inte sjunger någon gång, kan den förmodligen inte se enligt himlens vilja." Det visar sig att en kemist kan göra saker som även poeter aldrig drömt om.
Bivack batteri
I en nödsituation kan du bygga ditt eget batteri och använda det för att driva lysdioden. Visserligen kommer ljuset att vara svagt, men det är bättre än inget ljus.
Vad kommer du att behöva? Naturligtvis en diod, men också en isbitsbricka, koppartråd och stålspik eller skruvar (metaller måste ha en ren yta för att underlätta flödet av el). Klipp av tråden i bitar och linda ena änden av fragmentet runt huvudet på en skruv eller spik. Gör flera stål-koppar-layouter på detta sätt (8-10 borde räcka).
Fyll urtagen i formen med fuktig jord (du kan dessutom lägga till saltvatten, vilket minskar det elektriska motståndet). Sätt nu in din struktur i hålrummet: skruven eller spiken ska gå in i ett hål och koppartråden i det andra. Lägg de nästa så att det blir stål i samma hålrum tillsammans med koppar (metallerna kan inte komma i kontakt med varandra). Det hela bildar en serie: stål-koppar-stål-koppar etc. Ordna elementen så att de första och sista kaviteterna (de enda som innehåller enskilda metaller) ligger bredvid varandra.
Här kommer klimaxen.
Sätt in ena benet på dioden i det första urtaget i raden och det andra benet i det sista. Lyser det?
I så fall, grattis (4)! Om inte, leta efter fel. En LED-diod måste, till skillnad från en vanlig glödlampa, ha en anslutningspolaritet (vet du vilken metall som är "plus" och vilket är "minus" på batteriet?). Det räcker med att sätta in fötterna i motsatt riktning mot marken. Andra orsaker till fel är för låg spänning (minst 3 volt), öppen krets eller kortslutning i den.
4. "Jordbatteri" i drift.
I det första fallet, öka antalet komponenter. I den andra, kontrollera anslutningen mellan metallerna (komprimera även marken runt dem). I det tredje fallet, se till att ändarna av koppar och stål inte vidrör varandra under jorden och att jorden eller lösningen som du blöter den med inte förbinder intilliggande hål.
Experimentet med "jordbatteriet" är intressant och bevisar att elektricitet kan erhållas praktiskt taget "ur ingenting." Även om du inte behöver använda en byggd struktur kan du alltid imponera på camparna med dina MacGyver-liknande (förmodligen bara äldre tekniker kommer ihåg) eller Survival Master-liknande färdigheter.
Hur fungerar celler?
En metall (elektrod) nedsänkt i en ledande lösning (elektrolyt) laddas från den. Den minsta mängden katjoner går i lösning, medan elektroner finns kvar i metallen. Hur många joner som finns i lösning och hur många överskott av elektroner som finns i metallen beror på typen av metall, lösning, temperatur och många andra faktorer. Om två olika metaller är nedsänkta i en elektrolyt kommer det att uppstå en spänning mellan dem på grund av det olika antalet elektroner. När du ansluter elektroderna med en tråd kommer elektroner från en metall med ett stort antal av dem (negativ elektrod, d.v.s. cellanod) att börja strömma in i en metall med ett mindre antal av dem (positiv elektrod - katod). Naturligtvis, under driften av cellen, måste en balans upprätthållas: metallkatjoner från anoden går i lösning, och elektronerna som levereras till katoden reagerar med de omgivande jonerna. Hela kretsen är sluten av en elektrolyt som ger jontransport. Energin hos elektroner som strömmar genom en ledare kan användas för användbart arbete.
