U mondu di a batteria - parte 1

U Premiu Nobel 2019 in Chimica hè statu attribuitu per u sviluppu di u disignu di batterie di lithium-ion. A cuntrariu di l'altri verdicts di u Cumitatu Nobel, questu ùn hà micca surprisatu - à u cuntrariu. E batterie di lithium-ion alimentanu smartphones, laptops, arnesi portatili è ancu vitture elettriche. Trè scientisti, John Goodenough, Stanley Whittingham è Akira Yoshino, meritatamente ricivutu diplomi, medaglie d'oru è 9 milioni di SEK per a distribuzione. 

Pudete leghje più nantu à a logica di u premiu in un prublema precedente di u nostru ciculu di chimica - è l'articulu stessu hè finitu cù l'annunziu di una presentazione più dettagliata di u prublema di e cellule è batterie. Hè u tempu di mantene a vostra prumessa.

Prima, una breve spiegazione di l'imprecisioni di nomi.

a lea Questu hè u solu circuitu chì genera tensione.

Bateria hè custituitu da cellule cunnesse currettamente. U scopu hè di aumentà a tensione, a capacità (energia chì pò esse tirata da u sistema), o i dui.

аккумулятор hè una cellula o una bateria chì pò esse ricaricata quandu hè esaurita. Ùn ogni chip hà queste proprietà - assai sò dispunibuli. In u discorsu di ogni ghjornu, i primi dui termini sò spessu usati intercambiablemente (questu serà ancu u casu in l'articulu), ma unu deve esse cuscenti di a diffarenza trà elli (1).

1. Batterie custituiti da cellule.

Batterie ùn sò micca inventati per l'ultimi decennii, anu una storia assai più longa. Puderete avete digià intesu parlà di l'esperienza Galvaniego i Volt à u turnu di i seculi XNUMXth è XNUMXth, chì hà marcatu l'iniziu di l'usu di corrente elettrica in fisica è chimica. Tuttavia, a storia di a bateria principia ancu prima. Era tantu tempu fà...

... longu tempu in Baghdad

In u 1936 un archeologu tedescu Guglielmu Koenig truvò un vasu di terracotta vicinu à Baghdad chì data di u XNUMXu seculu aC A scuperta ùn pareva micca inusual, datu chì a civilizazione annantu à l'Eufrate è u Tigri fiurì per millaie d'anni.

In ogni casu, u cuntenutu di u bastimentu era misteriosu: un rotulu rusted di foglia di ramu, una verga di ferru, è resti di resina naturali. Koenig s'interrogò nantu à u scopu di l'artefattu finu à chì si ricurdò di visità l'Alley of Jewelers in Baghdad. Disegni simili sò stati utilizati da l'artighjani lucali per copre i prudutti di ramu cù metalli preziosi. L'idée qu'il s'agissait d'une batterie ancienne n'a pas convaincu d'autres archéologues qu'aucune preuve d'électricité ne survivait à cette époque.

Allora (hè cusì chjamatu a scuperta) hè questu una cosa vera o un conte di fata da 1001 notti ? Chì l'esperimentu decide.

Averete bisognu: piastra di ramu, unghie di ferru è acitu (nota chì tutti questi materiali eranu cunnisciuti è largamente dispunibili in l'antichità). Sustituite a resina per segellà u vasu è rimpiazzà cù plastilina cum'è insulazione.

Fate l'esperimentu in un bicchiere o fiasco, ancu s'è l'usu di un vasu di terracotta darà à a prova un sapori autenticu. Utilizendu carta di vetra, pulite e superfici metalliche da a placca è aghjunghjenu i fili.

Roll u platu di cobre in un rotulu è mette in u vasu, è inserisce u chiovu in u rotulu. Utilizendu a plastilina, fate a piastra è u chiovu in modu chì ùn si toccanu micca l'altri (2). Pour l'acitu (approssimativamente 5% di suluzione) in u vasu è, cù un multimetru, misurà a tensione trà l'estremità di i fili cunnessi à u platu di cobre è u chiovu di ferru. Pone u strumentu per misurà a corrente DC. Qualessu di i poli hè u "plus" è quale hè u "minus" di a fonte di tensione?

2. Sketch di una copia muderna di a bateria da Baghdad.

U metru mostra 0,5-0,7 V, cusì a bateria di Baghdad funziona! Per piacè nutate chì u polu pusitivu di u sistema hè u ramu, è u polu negativu hè u ferru (u metru mostra un valore di tensione pusitivu in una sola opzione per cunnette i fili à i terminali). Hè pussibule acquistà l'electricità da a copia custruita per u travagliu utile? Iè, ma fate un pocu di più mudelli è cunnette in serie per aumentà a tensione. U LED hà bisognu di circa 3 volti - se ottene cusì da a vostra bateria, u LED si accende.

A bateria di Baghdad hè stata testata ripetutamente per a so capacità di alimentà l'equipaggiu di piccula dimensione. Un esperimentu simili hè statu realizatu parechji anni fà da l'autori di u prugramma di cultu MythBusters. Mythbusters (vi ricurdate sempre di Adam è Jamie?) Anch'elli sò ghjunti à a cunclusione chì a struttura puderia serve cum'è una bateria antica.

Allora l'avventura di l'umanità cù l'electricità hà cuminciatu più di 2 anni fà ? Iè è nò. Iè, perchè ancu allora era pussibule cuncepisce l'alimentazione di energia. Innò, perchè l'invenzione ùn hè micca stata diffusa - nimu ùn ne avia bisognu allora è per parechji seculi.

Cunnessione? Hè simplice!

Pulite accuratamente e superfici di piastre o fili metallici, aluminiu, ferru, etc. Inserite mostri di dui metalli diffirenti in un fruttu succoso (chì facilitarà u flussu di l'electricità) per ùn avè micca toccu. Cunnette i clamps multimeter à l'estremità di i fili chì spuntanu da u fruttu, è leghje a tensione trà elli. Cambia i tipi di metalli utilizati (cum'è i frutti) è continuate à pruvà (3).

3. Cella di frutta (elettrodi d'aluminiu è di ramu).

In tutti i casi ligami sò stati creati. I valori di e tensioni misurati sò diffirenti sicondu i metalli è i frutti pigliati per l'esperimentu. Cumminendu cellule di frutti in una bateria vi permetterà di usà per alimentà un equipamentu elettronicu chjucu (in questu casu, hè bisognu di una piccula quantità di corrente, chì pudete piglià da u vostru disignu).

Cunnette l'estremità di i fili chì spuntanu da i frutti estremi à i fili, è questi, à u turnu, à l'estremità di u LED. Appena avete cunnessu i pali di a bateria à i "terminali" currispondenti di u diodu è a tensione hà superatu un certu limitu, u diodu s'illumina (diodi di diversi culori anu una tensione iniziale diversa, ma circa 3 volti deve esse abbastanza. ).

Una fonte d'energia ugualmente attrattiva hè un sguardu elettronicu - pò operà nantu à una "batteria di fruttu" per un bellu pezzu (ancu se assai dipende di u mudellu di l'orologio).

I vegetali ùn sò micca inferjuri à i frutti è permettenu ancu di custruisce una bateria fora di elli. Cume? Pigliate uni pochi di pickles è una quantità approprita di fogli di ramu è d'aluminiu o fili (pudete rimpiazzà questi cù unghie d'acciaio, ma uttene una tensione più bassa da un ligame unicu). Assemblate una batteria è quandu l'utilizate per alimentà u circuitu integratu da a casella di musica, u coru di pepino cantarà!

Perchè i cucumari? Konstantin Ildefons Galchinsky hà sustinutu chì: "Se u pepino ùn canta micca è in ogni mumentu, probabilmente ùn pò micca vede da a vulintà di u celu". Risulta chì un chimicu pò fà cose chì ancu i pueti ùn anu micca sunniatu.

Batteria di bivacco

In una emergenza, pudete disignà una bateria sè stessu è aduprallu per alimentà un LED. True, a luce sarà dim, ma hè megliu cà nimu.

Chì avete bisognu? Un diode, sicuru, è in più, un muffa di cubetti di ghiaccio, filu di ramu è unghie o viti d'acciaio (i metalli duveranu avè a so superficia pulita per facilità u flussu di l'electricità). Tagliate u filu in pezzi è imbulighjate a testa di u vitu o unghje cù una fine di u fragmentu. Fate parechji schemi d'acciaio-ramu in questu modu (8-10 deve esse abbastanza).

Pour a terra umida in i recessi in u moldu (pudete ancu versà acqua salata, chì riducerà a resistenza elettrica). Avà inserite a vostra struttura in a cavità: u vitu o chiovu deve andà in un pirtusu, è u filu di cobre in l'altru. Pone i prossimi in modu chì ci hè l'azzaru in a listessa cavità cù u ramu (i metalli ùn puderanu micca entra in cuntattu cù l'altri). L'inseme forma una seria: azzaru-ramu-acciaio-ramu, etc. Organizà l'elementi in tale manera chì i primi è l'ultimi cavità (unicu chì cuntenenu metalli individuali) si trovanu vicinu à l'altri.

Quì vene u climax.

Inserite una gamba di u diodu in u primu recessu in a fila è l'altra gamba in l'ultima. Splende?

Sì cusì, felicitazioni (4) ! Se no, cercate l'errori. Un diodu LED, à u cuntrariu di una lampadina cunvinziunali, deve avè una cunnessione di polarità (sapete quale metallu hè u "plus" è quale hè u "minus" di a bateria ?). Hè abbastanza per inserisce e gammi in a direzzione opposta à a terra. Altre cause di fallimentu sò una tensione troppu bassu (minimu 3 volti), circuitu apertu o cortu circuitu in questu.

4. "batteria di a Terra" in funziunamentu.

In u primu casu, cresce u numeru di cumpunenti. In u sicondu, verificate a cunnessione trà i metalli (ancu sege the ground around them). In u terzu casu, assicuratevi chì l'estremità di u ramu è di l'azzaru ùn si tocanu micca sottu à l'altru è chì a terra o u mortaru cù quale avete bagnatu ùn cunnetta micca fossi adiacenti.

L'esperimentu cù a "batteria di a terra" hè interessante è prova chì l'electricità pò esse acquistata da quasi nunda. Ancu s'ellu ùn avete micca aduprà una struttura custruita, pudete sempre impressiunà i vacanzieri cù e vostre cumpetenze MacGyver-like (probabilmente ricurdate solu da tecnichi anziani) o maestru di sopravvivenza.

Cumu funziona e cellule?

Un metallu (elettrodu) immersa in una suluzione cunduttiva (elettrolita) hè caricata da ellu. A quantità minima di cationi entra in suluzione, mentre chì l'elettroni fermanu in u metallu. Quanti ioni sò in suluzione è quanti elettroni eccessivi sò in u metallu dipende da u tipu di metallu, suluzione, temperatura è parechji altri fattori. Sì dui metalli diffirenti sò immersi in un elettrolitu, una tensione nascerà trà elli per via di u numeru sfarente di elettroni. Quandu cunnette l'elettrodi cù un filu, l'elettroni da un metallu cù un gran numaru d'elli (elettrodu negativu, vale à dì l'anodu di cellula) cumincianu à flussu in un metallu cù un numeru più chjucu (elettrodu pusitivu - cathode). Di sicuru, durante u funziunamentu di a cellula, un equilibriu deve esse mantinutu: i cationi metallici da l'anodu sò in suluzione, è l'elettroni furniti à u cathode reagiscenu cù l'ioni circundante. Tuttu u circuitu hè chjusu da un elettrolitu chì furnisce u trasportu di ioni. L'energia di l'elettroni chì passanu per un cunduttore pò esse aduprata per u travagliu utile.