Svět baterií - část 1
Nobelova cena za chemii za rok 2019 byla udělena za vývoj designu lithium-iontových baterií. Na rozdíl od některých jiných verdiktů Nobelova výboru tento nepřekvapil – spíše naopak. Lithium-iontové baterie napájejí chytré telefony, notebooky, přenosné elektrické nářadí a dokonce i elektromobily. Tři vědci, John Goodenough, Stanley Whittingham a Akira Yoshino, zaslouženě obdrželi diplomy, zlaté medaile a 9 milionů SEK na distribuci.
Více o zdůvodnění ocenění se dočtete v minulém čísle našeho cyklu chemie – a samotný článek skončil oznámením o podrobnější prezentaci problematiky článků a baterií. Je čas dodržet svůj slib.
Nejprve krátké vysvětlení nepřesností v pojmenování.
Odkaz toto je jediný obvod, který generuje napětí.
Baterie sestává ze správně spojených buněk. Cílem je zvýšit napětí, kapacitu (energii, kterou lze čerpat ze systému), nebo obojí.
akumulátor je to článek nebo baterie, kterou lze dobíjet, když je vybitá. Ne každý čip má tyto vlastnosti – mnohé jsou jednorázové. V běžné řeči se první dva pojmy často používají zaměnitelně (tak tomu bude i v článku), ale je třeba si uvědomit rozdíl mezi nimi (1).
1. Baterie sestávající z článků.
Baterie nebyly vynalezeny poslední desetiletí, mají mnohem delší historii. Možná jste již o této zkušenosti slyšeli Galvaniego i Voltů na přelomu XNUMX. a XNUMX století, což znamenalo počátek používání elektrického proudu ve fyzice a chemii. Historie baterie však začala ještě dříve. Bylo to už dávno …
... dlouhou dobu v Bagdádu
V roce 1936 německý archeolog Wilhelm Koenig našli hliněnou nádobu poblíž Bagdádu pocházející ze XNUMX. století př. n. l. Nález se nezdál neobvyklý, vzhledem k tomu, že civilizace na Eufratu a Tigridu vzkvétala po tisíce let.
Obsah nádoby byl však záhadný: zrezivělá role měděného plechu, železná tyč a zbytky přírodní pryskyřice. Koenig si lámal hlavu nad účelem artefaktu, dokud si nevzpomněl, že navštívil Uličku klenotníků v Bagdádu. Podobné vzory používali místní řemeslníci k pokrytí měděných výrobků drahými kovy. Myšlenka, že jde o starověkou baterii, nepřesvědčila ostatní archeology, že v té době nepřežily žádné důkazy o elektřině.
Takže (tak se ten nález jmenoval) je to skutečná věc nebo pohádka z 1001 nocí? Nechte rozhodnout experiment.
Budete potřebovat: měděný plech, železný hřebík a ocet (všimněte si, že všechny tyto materiály byly známé a široce dostupné již ve starověku). Vyměňte pryskyřici k utěsnění nádoby a nahraďte ji plastelínou jako izolaci.
Proveďte experiment v kádince nebo baňce, i když použití kameninové vázy poskytne testu autentickou chuť. Pomocí brusného papíru očistěte kovové povrchy od plaku a připojte k nim dráty.
Srolujte měděnou destičku do role a vložte ji do nádoby a do role vložte hřebík. Pomocí plastelíny fixujte destičku a hřebík tak, aby se vzájemně nedotýkaly (2). Do nádoby nalijte ocet (cca 5% roztok) a pomocí multimetru změřte napětí mezi konci drátů připojených k měděné destičce a železným hřebíkem. Nastavte přístroj na měření stejnosměrného proudu. Který z pólů je „plus“ a který „mínus“ zdroje napětí?
2. Náčrt moderní kopie baterie z Bagdádu.
Měřič ukazuje 0,5-0,7 V, takže bagdádská baterie funguje! Vezměte prosím na vědomí, že kladný pól systému je měděný a záporný pól je železo (měřidlo ukazuje kladnou hodnotu napětí pouze v jedné možnosti připojení vodičů ke svorkám). Lze vyrobit elektřinu z postavené kopie pro užitečnou práci? Ano, ale udělejte další modely a zapojte je do série, abyste zvýšili napětí. LED dioda potřebuje asi 3 volty - pokud z baterie dostanete tolik, LED se rozsvítí.
Bagdádská baterie byla opakovaně testována na svou schopnost napájet malá zařízení. Podobný experiment provedli před několika lety autoři kultovního programu MythBusters. Bořiči mýtů (pamatujete si ještě Adama a Jamieho?) také přišli na to, že by stavba mohla sloužit jako prastará baterie.
Začalo tedy dobrodružství lidstva s elektřinou před více než 2 lety? Ano i ne. Ano, protože už tehdy bylo možné navrhovat napájecí zdroje. Ne, protože vynález se nerozšířil – nikdo ho tehdy a po mnoho dalších staletí nepotřeboval.
Spojení? Je to jednoduché!
Důkladně očistěte povrchy kovových desek nebo drátů, hliníku, železa atd. Do šťavnatého ovoce (což usnadní proudění elektřiny) vložte vzorky dvou různých kovů tak, aby se navzájem nedotýkaly. Připojte multimetrové svorky ke koncům drátů trčících z ovoce a odečtěte napětí mezi nimi. Změňte druhy používaných kovů (stejně jako ovoce) a zkoušejte dál (3).
3. Ovocný článek (hliníkové a měděné elektrody).
Ve všech případech byly vytvořeny odkazy. Hodnoty naměřených napětí se liší v závislosti na kovech a ovocích odebraných pro experiment. Kombinace ovocných článků do baterie vám umožní použít ji k napájení malých elektronických zařízení (v tomto případě vyžaduje malé množství proudu, který můžete získat z vašeho návrhu).
Připojte konce drátů trčících z krajních plodů k drátům a ty zase ke koncům LED. Jakmile připojíte póly baterie k odpovídajícím „svorkám“ diody a napětí překročí určitou hranici, dioda se rozsvítí (různé barvy mají jiné počáteční napětí, ale asi 3 volty by měly stačit ).
Neméně atraktivním zdrojem energie jsou elektronické hodinky - mohou fungovat na „ovocnou baterii“ po dlouhou dobu (i když hodně záleží na modelu hodinek).
Zelenina není v žádném případě horší než ovoce a také vám z ní umožňuje postavit baterii. Protože? Vezměte několik okurek a přiměřené množství měděných a hliníkových plechů nebo drátů (můžete je nahradit ocelovými hřebíky, ale z jednoho článku získáte nižší napětí). Sestavte baterii a až ji použijete k napájení integrovaného obvodu z hrací skříňky, okurkový sbor bude zpívat!
Proč okurky? Konstantin Ildefons Galchinsky tvrdil, že: "Pokud okurka nezpívá a kdykoli, pravděpodobně z vůle nebes nevidí." Ukazuje se, že chemik dokáže věci, o kterých se ani básníkům nesnilo.
Baterie Bivakov
V nouzi si můžete sami navrhnout baterii a použít ji k napájení LED. Pravda, světlo bude slabé, ale je to lepší než žádné.
co budete potřebovat? Dioda, samozřejmě, ale také miska na led, měděný drát a ocelové hřebíky nebo šrouby (kovy potřebují vyčistit povrch, aby se usnadnil tok elektřiny). Nastříhejte drát na kousky a jedním koncem úlomku obtočte hlavu šroubu nebo hřebíku. Tímto způsobem vytvořte několik rozložení ocel-měď (8-10 by mělo stačit).
Do prohlubní ve formě nasypte vlhkou zeminu (můžete navíc nalít slanou vodu, která sníží elektrický odpor). Nyní vložte svou strukturu do dutiny: šroub nebo hřebík by měl jít do jednoho otvoru a měděný drát do druhého. Další umístěte tak, aby byla ocel ve stejné dutině s mědí (kovy se nemohly vzájemně dotýkat). Celek tvoří řadu: ocel-měď-ocel-měď atd. Prvky uspořádejte tak, aby první a poslední dutina (jediná obsahující jednotlivé kovy) ležely vedle sebe.
Tady přichází vyvrcholení.
Vložte jednu nohu diody do prvního vybrání v řadě a druhou nohu do poslední. svítí to?
Pokud ano, gratulujeme (4)! Pokud ne, hledejte chyby. LED dioda, na rozdíl od klasické žárovky, musí mít připojení polarity (víte, který kov je „plus“ a který je „mínus“ baterie?). Nohy stačí zasunout opačným směrem k zemi. Dalšími příčinami poruchy jsou příliš nízké napětí (minimálně 3 volty), přerušený obvod nebo zkrat v něm.
4. "Uzemňovací baterie" v provozu.
V prvním případě zvyšte počet součástí. Ve druhém zkontrolujte spojení mezi kovy (také utěsněte zem kolem nich). Ve třetím případě se ujistěte, že se konce mědi a oceli v podzemí navzájem nedotýkají a že zemina nebo malta, kterou jste to smáčeli, nespojily sousední jámy.
Experiment se „zemní baterií“ je zajímavý a dokazuje, že elektřinu lze získat téměř z ničeho. I když nemusíte používat postavenou konstrukci, vždy můžete zapůsobit na rekreanty svými dovednostmi podobnými MacGyverovi (pravděpodobně si je pamatují pouze starší technici) nebo mistrem přežití.
Jak buňky fungují?
Nabíjí se z něj kov (elektroda) ponořený do vodivého roztoku (elektrolytu). Minimální množství kationtů jde do roztoku, zatímco elektrony zůstávají v kovu. Kolik iontů je v roztoku a kolik přebytečných elektronů je v kovu, závisí na typu kovu, roztoku, teplotě a mnoha dalších faktorech. Pokud jsou dva různé kovy ponořeny do elektrolytu, vznikne mezi nimi napětí v důsledku různého počtu elektronů. Při spojení elektrod drátem začnou elektrony z kovu s jejich velkým počtem (záporná elektroda, tj. anoda článku) proudit do kovu s jejich menším počtem (kladná elektroda - katoda). Při provozu článku je samozřejmě nutné udržovat rovnováhu: kovové kationty z anody přecházejí do roztoku a elektrony dodané na katodu reagují s okolními ionty. Celý okruh je uzavřen elektrolytem, který zajišťuje transport iontů. Energii elektronů proudících vodičem lze využít k užitečné práci.
