Батарея дүйнөсү - 1-бөлүк

2019-жылы химия боюнча Нобель сыйлыгы литий-иондук батарейкалардын дизайнын иштеп чыкканы үчүн ыйгарылды. Нобель комитетинин башка өкүмдөрүнөн айырмаланып, бул таң калыштуу болгон жок - тескерисинче. Литий-иондук батарейкалар смартфондорду, ноутбуктарды, портативдик электр шаймандарын жана ал тургай электромобилдерди кубаттайт. Үч илимпоз Джон Гуденоф, Стэнли Уиттингем жана Акира Йошино татыктуу түрдө дипломдорду, алтын медалдарды жана бөлүштүрүү үчүн 9 миллион SEK алышты. 

Сыйлыктын жүйөсү тууралуу кененирээк биздин химия циклибиздин мурунку санынан окуй аласыз - жана макаланын өзү клеткалар жана батарейкалар маселесинин кеңири презентациясын жарыялоо менен аяктаган. Убаданы аткарууга убакыт келди.

Биринчиден, ат коюунун туура эместиги жөнүндө кыскача түшүндүрмө.

байланыш бул чыңалууну жаратуучу жалгыз схема.

батарея туура туташтырылган клеткалардан турат. Максаты - чыңалуу, сыйымдуулук (системадан алынуучу энергия) же экөөнү тең көбөйтүү.

батарея ал түгөнгөндө кайра заряддоого боло турган клетка же батарейка. Ар бир чип мындай касиеттерге ээ эмес - көбү бир жолу колдонулуучу. Күнүмдүк кепте биринчи эки термин бири-бирин алмаштырып колдонулат (макалада да ушундай болот), бирок алардын ортосундагы айырманы билүү керек (1).

1. Клеткалардан турган батареялар.

Батареялар акыркы ондогон жылдар бою ойлоп табылган эмес, алар бир топ узун тарыхка ээ. Сиз буга чейин тажрыйба жөнүндө уккан болушу мүмкүн Galvaniego i Вольт физикада жана химияда электр тогун колдонуунун башталышын белгилеген XNUMX жана XNUMX кылымдардын аягында. Бирок, батареянын тарыхы андан да мурда башталган. Бул көп убакыт мурун болгон ...

... Багдадда көптөн бери

1936-жылы немис археологу Вильгельм Кениг Багдаддын жанынан биздин заманга чейинки XNUMX-кылымга таандык чопо идиш табышты.Эфрат менен Тигр дарыясында цивилизация миңдеген жылдар бою гүлдөп келгенин эске алганда, табылга адаттан тыш көрүнгөн жок.

Бирок, идиштин ичиндегилер табышмактуу болгон: дат баскан рулон жез барак, темир таяк жана табигый чайырдын калдыктары. Кениг Багдаддагы Зергерлер аллеясын зыярат кылганын эстегиче, артефакттын кандай максатта жасалганы жөнүндө ойлонуп турду. Ушундай эле конструкцияларды жергиликтүү усталар жезден жасалган буюмдарды баалуу металлдар менен жабуу үчүн колдонушкан. Бул байыркы батарейка деген ой башка археологдорду ошол убакта электр энергиясынын эч кандай далили сакталбаганына ынандырган эмес.

Демек (табылга ушундай аталды) бул чыныгы нерсеби же 1001 түндүн жомокпу? Эксперимент чечсин.

Сиз керек болот: жез табак, темир мык жана уксус (баары бул материалдар байыркы убакта белгилүү болгон жана кеңири жеткиликтүү болгон). Идишти жабуу үчүн чайырды алмаштырыңыз жана аны изоляция катары пластилин менен алмаштырыңыз.

Тажрыйбаны стакан же колбада жасаңыз, бирок чоподон жасалган вазаны колдонуу сыноого чыныгы даам берет. Зым кагазды колдонуп, металл беттерин тактадан тазалап, аларга зымдарды бекитиңиз.

Жез табакчаны түрмөк кылып, идишке салып, мыкты рулетке киргизиңиз. Пластилинди колдонуп, табак менен мыкты бири-бирине тийбей тургандай кылып бекитиңиз (2). Идишке уксус (болжол менен 5% эритме) куюп, мультиметрдин жардамы менен жез пластинкага туташтырылган зымдардын учтары менен темир мыктын ортосундагы чыңалууну өлчөңүз. Түзүмдүк токту өлчөө үчүн аспапты коюңуз. Уюлдардын кайсынысы чыңалуу булагынын "плюс" жана кайсынысы "минус" болуп саналат?

2. Багдаддан алынган аккумулятордун заманбап көчүрмөсүнүн эскизи.

Счетчик 0,5-0,7 В көрсөтүп турат, ошондуктан Багдаддын батареясы иштеп жатат! Сураныч, системанын оң уюлу жез, ал эми терс уюл темир экенин эске алыңыз (эсептегич зымдарды терминалдарга туташтыруунун бир гана вариантында оң чыңалуу маанисин көрсөтөт). Пайдалуу жумуш үчүн курулган копиядан электр энергиясы пайда болушу мүмкүнбү? Ооба, бирок чыңалууну жогорулатуу үчүн дагы бир нече моделдерди жасап, аларды катарга туташтырыңыз. Светодиодго болжол менен 3 вольт керек - эгерде сиз батарейкаңыздан ушунча көп алсаңыз, LED күйөт.

Багдаддын аккумулятору чакан көлөмдөгү жабдууларды кубаттоого жөндөмдүүлүгү үчүн бир нече жолу сыналган. Ушундай эле эксперимент бир нече жыл мурун MythBusters культ программасынын авторлору тарабынан жүргүзүлгөн. Мифбастерлер (сиз Адам менен Джейми дагы эле эсиңиздеби?) да структура байыркы батарея катары кызмат кыла алат деген жыйынтыкка келишкен.

Ошентип, адамзаттын электр менен болгон жоругу 2 жыл мурун башталганбы? Ооба да жок да. Ооба, анткени ошондо да электр булактарын долбоорлоо мүмкүн болчу. Жок, анткени ойлоп табуу кеңири тараган эмес - ал кезде жана көптөгөн кылымдар бою эч кимге кереги жок болчу.

Байланыш? Бул жөнөкөй!

Металл плиталардын же зымдардын, алюминийдин, темирдин ж.б. беттерин кылдаттык менен тазалаңыз. Ширелүү жемишке эки түрдүү металлдын үлгүлөрүн салыңыз (бул электр энергиясынын агымын жеңилдетет), алар бири-бирине тийбеши үчүн. Мультиметрдин кыскычтарын мөмөдөн чыгып турган зымдардын учуна туташтырыңыз жана алардын ортосундагы чыңалууну окуңуз. Колдонулган металлдардын түрлөрүн өзгөртүңүз (ошондой эле жемиштер) жана аракет кылыңыз (3).

3. Жемиш клеткасы (алюминий жана жез электроддору).

Бардык учурларда шилтемелер түзүлдү. Ченелген чыңалуулардын маанилери эксперимент үчүн алынган металлдарга жана жемиштерге жараша айырмаланат. Батареяга мөмө клеткаларын бириктирүү, аны кичинекей электрондук жабдууларды кубаттоо үчүн колдонууга мүмкүндүк берет (бул учурда, ал сиздин дизайныңыздан ала турган бир аз өлчөмдөгү токту талап кылат).

Экстремалдуу жемиштерден чыккан зымдардын учтарын зымдарга туташтырыңыз, ал эми булар өз кезегинде LEDдин учтарына. Батареянын түркүктөрүн диоддун тиешелүү “терминалдарына” туташтыргандан кийин жана чыңалуу белгилүү бир чектен ашканда, диод күйөт (ар кандай түстөгү диоддордо башка баштапкы чыңалуу бар, бирок болжол менен 3 вольт жетиштүү болушу керек. ).

Бир эле жагымдуу энергия булагы - бул электрондук саат - ал "мөмө батареясында" узак убакыт бою иштей алат (бирок көп нерсе сааттын моделинен көз каранды).

Жашылчалар мөмө-жемиштерден эч кандай кем калышпайт жана алардан батарейканы курууга мүмкүнчүлүк берет. As? Бир нече туздалган бадыраңды жана тиешелүү өлчөмдөгү жез жана алюминий барактарын же зымдарды алыңыз (сиз аларды болот мыктарга алмаштырсаңыз болот, бирок сиз бир шилтемеден төмөнкү чыңалуу аласыз). Батареяны чогултуп, аны музыка кутусунан интегралдык микросхеманы кубаттоо үчүн колдонгонуңузда, бадыраңдын хору ырдайт!

Эмне үчүн бадыраң? Константин Ильдефонс Галчинский: "Эгер бадыраң ырдабаса жана каалаган убакта, балким, асмандын каалоосу менен көрө албайт" деп ырастады. Көрсө, химиктин колунан акындар да кыялданбаган иштерди жасайт экен.

Бивуак батареясы

Өзгөчө кырдаалда сиз өзүңүз батарейканын дизайнын жасап, аны жарык диоду үчүн колдоно аласыз. Ырас, жарык өчүп калат, бирок жоктон жакшы.

сага эмне керек болот? Диод, албетте, жана андан тышкары, муз куюлган калып, жез зым жана болоттон жасалган мык же бурамалар (металлдардын беттери электр энергиясынын агымын жеңилдетүү үчүн тазаланышы керек). Зымды бөлүктөргө кесип, бураманын же мыктын башын фрагменттин бир учу менен ороп коюңуз. Ушундай жол менен бир нече болот-жез макеттерин жасаңыз (8-10 жетиштүү болушу керек).

Формадагы оюктарга нымдуу топурак куюңуз (кошумча туздуу сууну чачсаңыз болот, бул электрдик каршылыкты азайтат). Эми өзүңүздүн түзүлүшүңүздү көңдөйгө киргизиңиз: бурама же мык бир тешикке, ал эми жез зым экинчисине кириши керек. Кийинкилерин жез менен бир көңдөйдө болот (металлдар бири-бири менен байланыша албай турган) кылып койгула. Бүтүндөй бир катарды түзөт: болот-жез-болот-жез, ж.

Бул жерде туу чокусу келет.

Диоддун бир бутун катардагы биринчи оюкка, экинчи бутун акыркыга киргизиңиз. Жаркырап жатабы?

Андай болсо, куттуктайм (4)! Болбосо, каталарды издеңиз. LED диод кадимки лампочкадан айырмаланып, полярдуулук байланышына ээ болушу керек (кайсы металл батареянын "плюс" жана кайсынысы "минус" экенин билесизби?). Буттарды жерге карама-каршы багытта киргизүү жетиштүү. Мүчүлүштүктүн башка себептери - өтө төмөн чыңалуу (минималдуу 3 вольт), ачык туташуу же андагы кыска туташуу.

4. «Жер батареясы» иштеп жатат.

Биринчи учурда, компоненттердин санын көбөйтүү. Экинчиден, металлдардын ортосундагы байланышты текшерүү (ошондой эле алардын тегерегинде жер мөөр). Үчүнчү учурда, жез менен болоттун учтары жер астында бири-бирине тийбешине жана аны нымдап койгон топурак же эритме жакынкы чуңкурларды бириктирбеши керек.

«Жер батареясы» менен болгон эксперимент кызыктуу жана электр энергиясын дээрлик эч нерседен алууга болорун далилдейт. Курулган түзүлүштү колдонуунун кажети жок болсо да, эс алуучуларды МакДживерге окшош жөндөмдөрүңүз (балким, улук техниктер гана эстейт) же аман калуу чебери менен таң калтыра аласыз.

Клеткалар кантип иштешет?

Андан өткөрүүчү эритмеге (электролитке) чөмүлгөн металл (электрод) заряддалат. Катиондордун минималдуу саны эритмеге кетет, ал эми электрондор металлда калат. Эритмеде канча ион жана металлда канча ашык электрон бар экендиги металлдын түрүнө, эритмеге, температурага жана башка көптөгөн факторлорго көз каранды. Электролитке эки башка металл чөмүлдүрүлсө, электрондордун саны ар кандай болгондуктан алардын ортосунда чыңалуу пайда болот. Электроддорду зым менен туташтырганда алардын саны көп болгон металлдан электрондор (терс электрод, б.а. клетка аноду) алардын саны азыраак металлга (оң электрод - катод) агып киришет. Албетте, клетканын иштеши учурунда тең салмактуулук сакталышы керек: аноддон металл катиондору эритмеге кирип, катодго келген электрондор курчап турган иондор менен реакцияга кирет. Бүт контур ион ташууну камсыз кылган электролит менен жабылат. Өткөргүч аркылуу агып жаткан электрондордун энергиясы пайдалуу ишке колдонулушу мүмкүн.