Batteriverden - del 1

Nobelprisen i kjemi 2019 ble tildelt for å utvikle design av litiumionbatterier. I motsetning til noen av de andre dommene fra Nobelkomiteen, overrasket ikke denne – snarere tvert imot. Litium-ion-batterier driver smarttelefoner, bærbare datamaskiner, bærbare elektroverktøy og til og med elbiler. Tre forskere, John Goodenough, Stanley Whittingham og Akira Yoshino, mottok fortjent diplomer, gullmedaljer og 9 millioner SEK til utdeling. 

Du kan lese mer om begrunnelsen for tildelingen i et tidligere nummer av vår kjemisyklus – og selve artikkelen ble avsluttet med kunngjøringen av en mer detaljert presentasjon av spørsmålet om celler og batterier. Det er på tide å holde løftet ditt.

Først en kort forklaring på navneunøyaktighetene.

Ссылка dette er den eneste kretsen som genererer spenning.

batteri består av korrekt tilkoblede celler. Målet er å øke spenning, kapasitans (energi som kan hentes fra systemet), eller begge deler.

batteri det er en celle eller et batteri som kan lades opp når det er utladet. Ikke alle brikker har disse egenskapene - mange er engangs. I dagligtale brukes ofte de to første begrepene om hverandre (slik vil det også være i artikkelen), men man må være klar over forskjellen mellom dem (1).

1. Batterier som består av celler.

Batterier har ikke blitt oppfunnet de siste tiårene, de har en mye lengre historie. Du har kanskje allerede hørt om opplevelsen Galvaniego i Volt ved begynnelsen av det XNUMXth og XNUMXth århundre, som markerte begynnelsen på bruken av elektrisk strøm i fysikk og kjemi. Imidlertid begynte historien til batteriet enda tidligere. Det var lenge siden …

... lang tid i Bagdad

I 1936 en tysk arkeolog Wilhelm Koenig fant et lerkar nær Bagdad som dateres tilbake til det XNUMX. århundre f.Kr.. Funnet virket ikke uvanlig, gitt at sivilisasjonen ved Eufrat og Tigris blomstret i tusenvis av år.

Innholdet i fartøyet var imidlertid mystisk: en rusten rull med kobberplate, en jernstang og rester av naturlig harpiks. Koenig undret seg over hensikten med gjenstanden til han husket å besøke Juvelers smug i Bagdad. Lignende design ble brukt av lokale håndverkere for å dekke kobberprodukter med edle metaller. Ideen om at det var et eldgammelt batteri overbeviste ikke andre arkeologer om at ingen bevis for elektrisitet overlevde på den tiden.

Så (det er det funnet ble kalt) er dette en ekte ting eller et eventyr fra 1001 netter? La eksperimentet bestemme.

Du trenger: kobberplate, jernspiker og eddik (merk at alle disse materialene var kjent og allment tilgjengelig i antikken). Bytt ut harpiksen for å forsegle karet og erstatt det med plastelina som isolasjon.

Gjør eksperimentet i et begerglass eller en kolbe, selv om bruk av en keramikkvase vil gi testen en autentisk smak. Bruk sandpapir, rengjør metalloverflater fra plakk og fest ledninger til dem.

Rull kobberplaten til en rull og legg den i karet, og sett spikeren inn i rullen. Fest platen og spikeren med plasticine slik at de ikke berører hverandre (2). Hell eddik (ca. 5% løsning) i karet og mål spenningen mellom endene av ledningene som er koblet til kobberplaten og jernspikeren ved hjelp av et multimeter. Still instrumentet til å måle likestrøm. Hvilken av polene er "pluss" og hvilken er "minus" til spenningskilden?

2. Skisse av en moderne kopi av batteriet fra Bagdad.

Måleren viser 0,5-0,7 V, så Bagdad-batteriet fungerer! Vær oppmerksom på at den positive polen til systemet er kobber, og den negative polen er jern (måleren viser en positiv spenningsverdi i bare ett alternativ for tilkobling av ledninger til terminaler). Kan elektrisitet genereres fra en bygget kopi for nyttig arbeid? Ja, men lag noen flere modeller og koble dem i serie for å øke spenningen. LED-en trenger ca 3 volt - hvis du får så mye ut av batteriet, vil LED-en lyse.

Bagdad-batteriet ble gjentatte ganger testet for sin evne til å drive utstyr i liten størrelse. Et lignende eksperiment ble utført for flere år siden av forfatterne av kultprogrammet MythBusters. Mythbusters (husker du fortsatt Adam og Jamie?) kom også til den konklusjonen at strukturen kunne fungere som et eldgammelt batteri.

Så begynte menneskehetens eventyr med elektrisitet for over 2 år siden? Ja og nei. Ja, for allerede da var det mulig å designe strømforsyninger. Nei, for oppfinnelsen ble ikke utbredt – ingen trengte den da og i mange århundrer fremover.

Forbindelse? Det er enkelt!

Rengjør overflatene på metallplater eller ledninger, aluminium, jern osv. grundig. Sett inn prøver av to forskjellige metaller i en saftig frukt (som vil lette strømmen av elektrisitet) slik at de ikke berører hverandre. Koble multimeterklemmene til endene av ledningene som stikker ut av frukten, og les spenningen mellom dem. Endre typene metaller som brukes (så vel som frukt) og fortsett å prøve (3).

3. Fruktcelle (aluminium- og kobberelektroder).

I alle tilfeller ble lenker opprettet. Verdiene til de målte spenningene varierer avhengig av metallene og fruktene som ble tatt for eksperimentet. Ved å kombinere fruktceller til et batteri kan du bruke det til å drive lite elektronisk utstyr (i dette tilfellet krever det en liten mengde strøm, som du kan få fra designet ditt).

Koble endene av ledningene som stikker ut av de ekstreme fruktene til ledningene, og disse i sin tur til endene av LED-en. Så snart du har koblet batteripolene til de tilsvarende "terminalene" på dioden og spenningen har overskredet en viss terskel, vil dioden lyse (dioder av forskjellige farger har en annen startspenning, men ca. 3 volt bør være nok ).

En like attraktiv strømkilde er en elektronisk klokke - den kan fungere på et "fruktbatteri" i lang tid (selv om mye avhenger av klokkens modell).

Grønnsaker er på ingen måte dårligere enn frukt og lar deg også bygge et batteri av dem. Fordi? Ta noen sylteagurk og en passende mengde kobber- og aluminiumsplater eller ledninger (du kan erstatte disse med stålspiker, men du får lavere spenning fra en enkelt lenke). Sett sammen batteriet og når du bruker det til å drive den integrerte kretsen fra musikkboksen, vil agurkkoret synge!

Hvorfor agurker? Konstantin Ildefons Galchinsky hevdet at: "Hvis agurken ikke synger og når som helst, kan han sannsynligvis ikke se etter himmelens vilje." Det viser seg at en kjemiker kan gjøre ting som selv poeter ikke har drømt om.

Bivakov batteri

I en nødssituasjon kan du designe et batteri selv og bruke det til å drive en LED. Riktignok vil lyset være svakt, men det er bedre enn ingen.

Hva trenger du? En diode, selvfølgelig, og i tillegg en isbitform, kobbertråd og stålspiker eller skruer (metaller bør ha overflaten rengjort for å lette strømmen av elektrisitet). Kutt ledningen i stykker og pakk hodet på skruen eller spikeren med den ene enden av fragmentet. Lag flere stål-kobber-oppsett på denne måten (8-10 burde være nok).

Hell fuktig jord i fordypningene i formen (du kan i tillegg helle saltvann, noe som vil redusere elektrisk motstand). Sett nå strukturen inn i hulrommet: skruen eller spikeren skal gå inn i det ene hullet, og kobbertråden inn i det andre. Plasser de neste slik at det er stål i samme hulrom med kobber (metaller kunne ikke komme i kontakt med hverandre). Det hele danner en serie: stål-kobber-stål-kobber osv. Ordne elementene på en slik måte at de første og siste hulrommene (de eneste som inneholder individuelle metaller) ligger ved siden av hverandre.

Her kommer klimakset.

Sett det ene benet på dioden inn i den første fordypningen i raden og det andre benet i den siste. Lyser det?

I så fall, gratulerer (4)! Hvis ikke, se etter feil. En LED-diode må, i motsetning til en vanlig lyspære, ha en polaritetsforbindelse (vet du hvilket metall som er "pluss" og hvilket som er "minus" på batteriet?). Det er nok å sette inn bena i motsatt retning av bakken. Andre årsaker til feil er for lav spenning (minimum 3 volt), åpen krets eller kortslutning i den.

4. "Jordbatteri" i drift.

I det første tilfellet, øk antall komponenter. I den andre, kontroller forbindelsen mellom metallene (forsegl også bakken rundt dem). I det tredje tilfellet, sørg for at endene av kobber og stål ikke berører hverandre under jorden og at jorda eller mørtelen som du fuktet den med, ikke forbinder tilstøtende groper.

Eksperimentet med «jordbatteriet» er interessant og beviser at elektrisitet kan fås fra nesten ingenting. Selv om du ikke trenger å bruke en bygget struktur, kan du alltid imponere ferierende med dine MacGyver-lignende ferdigheter (sannsynligvis bare husket av senior teknikere) eller mester i overlevelse.

Hvordan fungerer celler?

Et metall (elektrode) nedsenket i en ledende løsning (elektrolytt) lades fra det. Minimumsmengden kationer går i løsning, mens elektroner forblir i metallet. Hvor mange ioner som er i løsning og hvor mange overflødige elektroner som er i metallet avhenger av typen metall, løsning, temperatur og mange andre faktorer. Hvis to forskjellige metaller er nedsenket i en elektrolytt, vil det oppstå en spenning mellom dem på grunn av ulikt antall elektroner. Når du kobler elektrodene til en ledning, vil elektroner fra et metall med et stort antall av dem (negativ elektrode, dvs. celleanode) begynne å strømme inn i et metall med et mindre antall av dem (positiv elektrode - katode). Selvfølgelig, under driften av cellen, må en balanse opprettholdes: metallkationer fra anoden går i løsning, og elektronene som leveres til katoden reagerer med de omkringliggende ionene. Hele kretsen er lukket av en elektrolytt som sørger for ionetransport. Energien til elektroner som strømmer gjennom en leder kan brukes til nyttig arbeid.