Akkumulátorvilág – 1. rész
A 2019-es kémiai Nobel-díjat a lítium-ion akkumulátorok tervezésének fejlesztéséért ítélték oda. A Nobel-bizottság néhány más ítéletével ellentétben ez nem lepett meg – éppen ellenkezőleg. A lítium-ion akkumulátorok okostelefonokat, laptopokat, hordozható elektromos szerszámokat és még elektromos autókat is táplálnak. Három tudós, John Goodenough, Stanley Whittingham és Akira Yoshino méltán kapott oklevelet, aranyérmet és 9 millió svéd koronát az elosztásért.
A díj indoklásáról bővebben kémiaciklusunk korábbi számában olvashatnak - maga a cikk pedig a cellák és akkumulátorok kérdéskörének részletesebb bemutatásával zárult. Ideje betartani az ígéretét.
Először egy rövid magyarázat az elnevezési pontatlanságokról.
Link ez az egyetlen áramkör, amely feszültséget generál.
akkumulátor megfelelően összekapcsolt cellákból áll. A cél a feszültség, a kapacitás (a rendszerből nyerhető energia) vagy mindkettő növelése.
аккумулятор ez egy cella vagy akkumulátor, amely újratölthető, ha lemerült. Nem minden chip rendelkezik ezekkel a tulajdonságokkal – sok eldobható. A mindennapi beszédben az első két kifejezést gyakran felcserélhetően használják (a cikkben is ez lesz), de tisztában kell lenni a köztük lévő különbséggel (1).
1. Cellákból álló akkumulátorok.
Az akkumulátorokat az elmúlt évtizedekben nem találták fel, sokkal hosszabb múltra tekintenek vissza. Lehet, hogy már hallott az élményről Galvaniego i Volt a XNUMX. és XNUMX. század fordulóján, amely az elektromos áram felhasználásának kezdetét jelentette a fizikában és a kémiában. Az akkumulátor története azonban még korábban kezdődött. Régen volt …
... sokáig Bagdadban
1936-ban egy német régész Wilhelm Koenig században találtak egy cserépedényt Bagdad közelében, amely a Kr. e.
Az edény tartalma azonban titokzatos volt: egy rozsdás réztekercs, egy vasrúd és a természetes gyanta maradványai. Koenig töprengett a műtárgy célján, amíg eszébe nem jutott, hogy meglátogatta a bagdadi ékszerészek sikátorát. Hasonló mintákat alkalmaztak a helyi kézművesek a réztermékek nemesfémekkel való bevonására. Az az elképzelés, hogy egy ősi akkumulátorról van szó, nem győzött meg más régészeket arról, hogy akkoriban nem maradt fenn elektromosság bizonyítéka.
Szóval (így hívták a leletet) ez valóságos dolog vagy mese 1001 éjszakából? Hagyja, hogy a kísérlet döntsön.
Szüksége lesz: rézlemez, vasszög és ecet (megjegyezzük, hogy mindezek az anyagok ismertek és széles körben hozzáférhetők voltak az ókorban). Cserélje ki a gyantát az edény lezárásához, és cserélje ki gyurmával szigetelésként.
Végezze el a kísérletet főzőpohárban vagy lombikban, bár egy cserépváza használata hiteles ízt ad a tesztnek. Csiszolópapírral tisztítsa meg a fémfelületeket a lepedéktől, és rögzítsen rájuk vezetékeket.
Tekerje tekercsbe a rézlemezt és helyezze az edénybe, majd helyezze be a szöget a tekercsbe. Gyurma segítségével rögzítse a lemezt és a szöget úgy, hogy ne érjenek egymáshoz (2). Öntsön ecetet (kb. 5%-os oldat) az edénybe, és multiméterrel mérje meg a feszültséget a rézlemezhez csatlakoztatott vezetékek vége és a vasszög között. Állítsa be a műszert egyenáram mérésére. Melyik pólus a "plusz" és melyik a "mínusz" a feszültségforrásnak?
2. Vázlat a bagdadi akkumulátor modern másolatáról.
A mérő 0,5-0,7 V-ot mutat, tehát működik a bagdadi akkumulátor! Kérjük, vegye figyelembe, hogy a rendszer pozitív pólusa réz, a negatív pólus pedig vas (a mérőműszer csak egy lehetőségnél mutat pozitív feszültségértéket a vezetékek kapcsokhoz történő csatlakoztatására). A beépített példányból lehet áramot szerezni hasznos munkához? Igen, de készítsen több modellt, és csatlakoztassa sorba a feszültség növelése érdekében. A LED-nek körülbelül 3 voltra van szüksége - ha ennyit kap az akkumulátorból, a LED világít.
A bagdadi akkumulátort többször tesztelték kis méretű berendezések táplálására való képessége szempontjából. Hasonló kísérletet hajtottak végre néhány évvel ezelőtt a MythBusters kultikus program szerzői. A mítoszrombolók (emlékszel még Adamre és Jamie-re?) arra a következtetésre jutottak, hogy a szerkezet ősi akkumulátorként is szolgálhat.
Tehát több mint 2 évvel ezelőtt kezdődött az emberiség kalandja az elektromossággal? Igen és nem. Igen, mert már akkor is lehetett tápegységeket tervezni. Nem, mert a találmány nem terjedt el – senkinek nem volt rá szüksége akkor és még sok évszázadon át.
Kapcsolat? Ez egyszerű!
Alaposan tisztítsa meg a fémlemezek vagy vezetékek, alumínium, vas stb. felületét. Helyezzen két különböző fém mintáját egy lédús gyümölcsbe (ami megkönnyíti az elektromos áram áramlását), hogy azok ne érjenek egymáshoz. Csatlakoztassa a multiméter bilincseit a gyümölcsből kilógó vezetékek végéhez, és olvassa le a köztük lévő feszültséget. Változtasd meg a felhasznált fémek típusát (valamint a gyümölcsöket), és próbálkozz tovább (3).
3. Gyümölcscella (alumínium és réz elektródák).
Minden esetben linkek jöttek létre. A mért feszültségek értékei a kísérlethez vett fémek és gyümölcsök függvényében változnak. A gyümölcscellák akkumulátorba való kombinálása lehetővé teszi, hogy kisméretű elektronikus berendezések táplálására használja (ebben az esetben kis mennyiségű áramot igényel, amelyet a tervezésből kaphat).
Az extrém gyümölcsökből kilógó vezetékek végét csatlakoztasd a vezetékekhez, ezeket pedig a LED végéhez. Amint csatlakoztatta az akkumulátor pólusait a dióda megfelelő "kivezetéseihez", és a feszültség túllép egy bizonyos küszöböt, a dióda világít (a különböző színű diódák kezdeti feszültsége eltérő, de körülbelül 3 voltnak kell lennie ).
Ugyanilyen vonzó áramforrás az elektronikus óra - hosszú ideig képes működni „gyümölcselemmel” (bár sok függ az óra modelljétől).
A zöldségek semmiképpen sem rosszabbak a gyümölcsöknél, és lehetővé teszik, hogy akkumulátort építsenek belőlük. Mivel? Vegyünk néhány savanyúságot és megfelelő mennyiségű réz- és alumíniumlemezt vagy huzalt (ezeket helyettesítheti acélszegekkel, de egyetlen linkről alacsonyabb feszültséget kap). Szerelj össze egy elemet, és amikor azzal táplálod az integrált áramkört a zenedobozból, az uborkakórus énekel!
Miért az uborka? Konsztantyin Ildefons Galchinsky azzal érvelt: "Ha az uborka nem énekel és bármikor, valószínűleg nem lát a menny akaratából." Kiderült, hogy egy kémikus olyan dolgokra képes, amelyekről még a költők sem álmodtak.
Bivakov akkumulátor
Vészhelyzetben saját maga is megtervezhet akkumulátort, és LED-ek táplálására használhatja. Igaz, a fény gyenge lesz, de jobb, mint a semmi.
Mire lesz szükséged? Természetesen egy dióda, és ezen kívül egy jégkocka forma, rézhuzal és acél szögek vagy csavarok (a fémek felületét meg kell tisztítani, hogy megkönnyítse az elektromos áram áramlását). Vágja darabokra a drótot, és tekerje be a csavar vagy szög fejét a töredék egyik végével. Több acél-réz elrendezést készítsen így (8-10 elégnek kell lennie).
Öntsön nedves talajt a forma mélyedéseibe (önthet még sós vizet, ami csökkenti az elektromos ellenállást). Most helyezze be a szerkezetet az üregbe: a csavarnak vagy szögnek az egyik lyukba, a rézhuzalnak pedig a másikba kell mennie. A következőket úgy helyezze el, hogy a rézzel egy üregben acél legyen (a fémek nem érintkezhettek egymással). Az egész egy sorozatot alkot: acél-réz-acél-réz stb. Rendezzük el az elemeket úgy, hogy az első és az utolsó üregek (csak az egyes fémeket tartalmazók) egymás mellett legyenek.
Itt jön a csúcspont.
Helyezze be a dióda egyik lábát a sor első mélyedésébe, a másik lábát pedig az utolsóba. Ragyog?
Ha igen, akkor gratulálunk (4)! Ha nem, keresse a hibákat. A LED-diódának, a hagyományos izzóval ellentétben, polaritással kell rendelkeznie (tudja, hogy melyik fém a „plusz” és melyik a „mínusz” az akkumulátornál?). Elegendő a lábakat a talajjal ellentétes irányban behelyezni. A meghibásodás egyéb okai a túl alacsony feszültség (minimum 3 volt), szakadás vagy rövidzárlat.
4. "Földelem" üzemben.
Az első esetben növelje az alkatrészek számát. A másodikban ellenőrizze a fémek közötti kapcsolatot (a körülöttük lévő talajt is tömítse). A harmadik esetben ügyeljen arra, hogy a réz és az acél végei ne érjenek egymáshoz a föld alatt, és hogy a talaj vagy habarcs, amellyel megnedvesítette, nem köti össze a szomszédos gödröket.
A "föld akkumulátorral" végzett kísérlet érdekes, és azt bizonyítja, hogy szinte a semmiből lehet áramot nyerni. Még ha nem is kell épített szerkezetet használnod, mindig lenyűgözheted a nyaralókat MacGyver-szerű képességeiddel (valószínűleg csak a vezető technikusok emlékeznek rá) vagy a túlélés mesterére.
Hogyan működnek a sejtek?
Egy vezető oldatba (elektrolitba) merített fémet (elektródát) töltenek fel belőle. A kationok minimális mennyisége oldatba kerül, míg az elektronok a fémben maradnak. Az, hogy hány ion van oldatban és hány elektronfelesleg a fémben, a fém típusától, az oldattól, a hőmérséklettől és sok más tényezőtől függ. Ha két különböző fémet merítünk egy elektrolitba, az eltérő elektronszám miatt feszültség keletkezik közöttük. Az elektródák huzallal történő összekapcsolásakor a nagy számú fémből származó elektronok (negatív elektróda, azaz cella anód) elkezdenek áramolni egy kisebb számú fémbe (pozitív elektród - katód). Természetesen a cella működése során meg kell tartani az egyensúlyt: az anódból a fémkationok oldatba kerülnek, a katódra szállított elektronok pedig reakcióba lépnek a környező ionokkal. A teljes kört egy elektrolit zárja le, amely ionszállítást biztosít. A vezetőn átáramló elektronok energiája hasznos munkára fordítható.
