Dinja tal-batterija - parti 1

Нобелевская премия по химии 2019 года была присуждена за разработку конструкции литий-ионных аккумуляторов. В отличие от некоторых других вердиктов Нобелевского комитета, этот не удивил — совсем наоборот. Литий-ионные аккумуляторы обеспечивают энергией смартфоны, ноутбуки, портативные электроинструменты и даже электромобили. Трое ученых, Джон Гуденаф, Стэнли Уиттингем и Акира Йошино, заслуженно получили дипломы, золотые медали и 9 миллионов шведских крон для распределения. 

Подробнее об обосновании присуждения награды вы можете прочитать в предыдущем выпуске нашего химического цикла — а сама статья заканчивалась анонсом более подробного изложения вопроса о элементах и ​​батареях. Пришло время сдержать свое обещание.

Во-первых, краткое объяснение неточностей в именовании.

Link это единственная цепь, которая генерирует напряжение.

Batterija состоит из правильно соединенных ячеек. Цель состоит в том, чтобы увеличить напряжение, емкость (энергию, которую можно получить из системы) или и то, и другое.

akkumulatur это элемент или батарея, которая может быть перезаряжена, когда она истощена. Этими свойствами обладает не каждый чип — многие одноразовые. В повседневной речи первые два термина часто употребляются взаимозаменяемо (в статье так тоже будет), но надо осознавать разницу между ними (1).

1. Батареи, состоящие из ячеек.

Батарейки и придуманы не последние десятилетия, у них гораздо более длинная история. Возможно, вы уже слышали об опыте Гальваниего i Волти на рубеже XNUMX и XNUMX веков, положившие начало использованию электрического тока в физике и химии. Однако история батареи началась еще раньше. Это было очень давно …

… давно в Багдаде

В 1936 году немецкий археолог Вильгельм Кениг нашел недалеко от Багдада глиняный сосуд, датируемый III веком до нашей эры.Находка не казалась необычной, если учесть, что цивилизация на Евфрате и Тигре процветала тысячи лет.

Однако содержимое сосуда было загадочным: проржавевший рулон медного листа, железный прут и остатки природной смолы. Кениг ломал голову над назначением артефакта, пока не вспомнил о посещении Аллеи ювелиров в Багдаде. Подобные конструкции местные мастера использовали для покрытия медных изделий драгоценными металлами. Идея о том, что это была древняя батарея, не убедила других археологов в том, что в то время не сохранилось никаких доказательств существования электричества.

Так (именно так назвали находку) это реальная вещь или сказка из 1001 ночи? Пусть эксперимент решит.

Ikollok bżonn: медная пластина, железный гвоздь и уксус (заметим, что все эти материалы были известны и широко доступны еще в древности). Замените смолу, чтобы запечатать сосуд, и замените его пластилином в качестве изоляции.

Проведите эксперимент в мензурке или колбе, хотя использование глиняной вазы придаст тесту привкус подлинности. С помощью наждачной бумаги очистите металлические поверхности от налета и прикрепите к ним провода.

Сверните медную пластину в рулон и поместите в сосуд, а гвоздь вставьте внутрь рулона. С помощью пластилина зафиксируйте пластину и гвоздь так, чтобы они не касались друг друга (2). Налейте в сосуд уксус (ок. 5% раствор) и с помощью мультиметра измерьте напряжение между концами проводов, подсоединенных к медной пластине, и железным гвоздем. Настройте прибор на измерение постоянного тока. Какой из полюсов является «плюсом», а какой «минусом» источника напряжения?

2. Эскиз современной копии батареи из Багдада.

Измеритель показывает 0,5-0,7 В, значит Багдадская батарея работает! Обратите внимание, что положительный полюс системы – медный, а отрицательный – железный (счетчик показывает положительное значение напряжения только в одном варианте соединения проводов с клеммами). Можно ли получать электричество из построенной копии для полезной работы? Да, но сделайте еще несколько моделей и соедините их последовательно для увеличения напряжения. Для светодиода требуется около 3 вольт – если вы получите столько от своей батареи, светодиод загорится.

Багдадская батарея неоднократно проверялась на способность питать малогабаритную технику. Аналогичный эксперимент несколько лет назад провели и авторы культовой программы «Разрушители мифов». Разрушители мифов (вы еще помните Адама и Джейми?) также пришли к выводу, что сооружение могло служить древней батареей.

Так началось ли приключение человечества с электричеством более 2 лет назад? И да и нет. Да потому что уже тогда можно было сконструировать источники питания. Нет, потому что изобретение не получило распространения – оно было никому не нужно тогда и на много веков вперед.

Связь? Это просто!

Тщательно очистите поверхности металлических пластин или проводов, алюминия, железа и. Вставьте в сочный фрукт образцы двух разных металлов (что облегчит протекание электричества) так, чтобы они не касались друг друга. Подсоедините зажимы мультиметра к концам проводов, торчащим из плода, и считайте напряжение между ними. Измените типы используемых металлов (а также фрукты) и продолжайте пробовать (3).

3. Плодовая ячейка (алюминиевый и медный электроды).

Во всех случаях были созданы ссылки. Значения измеренных напряжений различаются в зависимости от металлов и фруктов, взятых для эксперимента. Объединение фруктовых ячеек в аккумулятор позволит вам использовать его для питания мелкой электронной техники (в этом случае требуется небольшой ток, который вы можете получить от своей конструкции).

Концы проводов, торчащие из крайних плодов, соедините с проводами, а эти, в свою очередь, с концами светодиода. Как только вы соединили полюса батареи с соответствующими «выводами» диода и напряжение превысило определенный порог, диод загорится (диоды разного цвета имеют разное начальное напряжение, но примерно 3 вольт должно хватить) .

Не менее привлекательным источником питания являются электронные часы — они могут работать от «фруктовой батарейки» длительное время (хотя многое зависит и от модели часов).

Овощи ничем не уступают фруктам и тоже позволяют соорудить из них батарейку. Так как? Возьмите несколько соленых огурцов и соответствующее количество медных и алюминиевых листов или проводов (их можно заменить стальными гвоздями, но вы получите более низкое напряжение от одного звена). Соберите батарею, и когда вы используете ее для питания интегральной схемы от музыкальной шкатулки, огуречный хор будет петь!

Почему огурцы? Константин Ильдефонс Галчинский утверждал, что: «Если огурец не поет и в любое время, он, вероятно, не может видеть по воле небес». Оказывается, химик может делать то, о чем не мечтали даже поэты.

Бивакова батарея

В экстренной ситуации вы можете сами сконструировать аккумулятор и использовать его для питания светодиода. Правда, свет будет тусклым, но это лучше, чем его отсутствие.

Что вам понадобится? Конечно, диод, а кроме того, формочка для кубиков льда, медная проволока и стальные гвозди или шурупы (у металлов должна быть зачищена поверхность, чтобы облегчить протекание электричества). Разрежьте проволоку на куски и одним концом фрагмента оберните шляпку шурупа или гвоздя. Сделайте таким образом несколько раскладок сталь-медь (8-10 должно хватить).

В углубления в форме засыпьте влажный грунт (дополнительно можно полить соленой водой, что уменьшит электрическое сопротивление). Теперь вставьте вашу конструкцию в полость: шуруп или гвоздь должны войти в одно отверстие, а медная проволока – в другое. Следующие располагайте так, чтобы вместе с медью в одной полости была сталь (металлы не могли соприкасаться друг с другом). Целое образует ряд: сталь-медь-сталь-медь и т. д. Расположите элементы таким образом, чтобы первая и последняя полости (единственные, содержащие отдельные металлы) лежали рядом друг с другом.

Вот и наступает кульминация.

Вставьте одну ножку диода в первое углубление в ряду, а другое – в последнее. Светит?

Если это так, поздравляем (4)! Если нет, ищите ошибки. Светодиодный диод, в отличие от обычной лампочки, должен иметь полярность подключения (знаете ли вы, какой металл является «плюсом», а какой «минусом» аккумулятора?). Достаточно вставить ноги в направлении, противоположном земле. Другими причинами выхода из строя являются слишком низкое напряжение (минимум 3 вольта), обрыв цепи или короткое замыкание в ней.

4. «Земляная батарея» в работе.

В первом случае увеличьте количество компонентов. Во втором проверьте соединение между металлами (также уплотните землю вокруг них). В третьем случае следите за тем, чтобы концы меди и стали не касались друг друга под землей и чтобы грунт или раствор, которым вы его смачивали, не соединяли соседние ямы.

Эксперимент с «земляной батареей» интересен и доказывает, что электричество можно получить практически «из ничего». Даже если вам не придется использовать построенную конструкцию, вы всегда можете поразить отдыхающих своими навыками, подобными МакГайверу (наверное, его помнят только старшие техники) или мастеру выживания.

Как работают клетки?

Металл (электрод), погруженный в проводящий раствор (электролит), заряжается от него. Минимальное количество катионов переходит в раствор, а электроны остаются в металле. Сколько ионов находится в растворе и сколько избыточных электронов в металле, зависит от типа металла, раствора, температуры и многих других факторов. Если в электролит погрузить два разных металла, между ними возникнет напряжение из-за разного числа электронов. При соединении электродов проволокой электроны из металла с большим их количеством (отрицательный электрод, т.е. анод ячейки) начнут перетекать в металл с меньшим их количеством (положительный электрод – катод). Конечно, при работе ячейки должен соблюдаться баланс: катионы металла с анода переходят в раствор, а доставленные на катод электроны реагируют с окружающими ионами. Вся цепь закрыта электролитом, обеспечивающим перенос ионов. Энергия электронов, протекающих по проводнику, может быть использована для полезной работы.