دنیای باتری - قسمت 1

جایزه نوبل شیمی 2019 به دلیل توسعه طراحی باتری های لیتیوم یون اعطا شد. برخلاف برخی دیگر از احکام کمیته نوبل، این یکی تعجب آور نبود - کاملا برعکس. باتری‌های لیتیوم یونی، تلفن‌های هوشمند، لپ‌تاپ‌ها، ابزارهای برقی قابل حمل و حتی خودروهای الکتریکی را تامین می‌کنند. سه دانشمند، جان گودناف، استنلی ویتینگهام و آکیرا یوشینو، به شایستگی دیپلم، مدال طلا و 9 میلیون کرون کرون را برای توزیع دریافت کردند. 

شما می توانید در مورد دلیل این جایزه در شماره قبلی چرخه شیمی ما بیشتر بخوانید - و خود مقاله با اعلام ارائه جزئیات بیشتر در مورد موضوع سلول ها و باتری ها به پایان رسید. وقت آن است که به قول خود عمل کنید.

ابتدا توضیح مختصری در مورد عدم دقت نامگذاری.

پیوند این تنها مداری است که ولتاژ تولید می کند.

باتری از سلول های به درستی متصل شده تشکیل شده است. هدف افزایش ولتاژ، ظرفیت خازنی (انرژی قابل برداشت از سیستم) یا هر دو است.

باتری این یک سلول یا باتری است که در صورت خالی شدن شارژ می شود. هر تراشه ای این ویژگی ها را ندارد - بسیاری از آنها یکبار مصرف هستند. در گفتار روزمره، دو اصطلاح اول اغلب به جای هم استفاده می شوند (این مورد در مقاله نیز صادق است)، اما باید از تفاوت بین آنها آگاه بود (1).

1. باتری های متشکل از سلول.

باتری ها در دهه های گذشته اختراع نشده اند، آنها تاریخ بسیار طولانی تری دارند. ممکن است قبلاً در مورد این تجربه شنیده باشید گالوانیگو i ولت در نوبت قرن های XNUMX و XNUMX، که آغاز استفاده از جریان الکتریکی در فیزیک و شیمی بود. با این حال، تاریخچه باتری حتی زودتر شروع شد. این مربوط به خیلی وقت پیش است …

... مدت طولانی در بغداد

در سال 1936 یک باستان شناس آلمانی ویلهلم کونیگ ظرفی سفالی در نزدیکی بغداد پیدا کرد که قدمت آن به قرن سوم قبل از میلاد بازمی‌گردد.

با این حال، محتویات ظرف مرموز بود: یک رول زنگ زده از ورق مس، یک میله آهنی، و بقایای رزین طبیعی. کونیگ در مورد هدف این مصنوع متحیر بود تا اینکه به یاد آورد از کوچه جواهر فروشان در بغداد بازدید کرد. نقوش مشابهی توسط صنعتگران محلی برای پوشاندن محصولات مسی با فلزات گرانبها استفاده می شد. این ایده که این یک باتری باستانی است، باستان شناسان دیگر را متقاعد نکرد که هیچ مدرکی از برق در آن زمان باقی نماند.

بنابراین (این همان چیزی است که یافته نام داشت) آیا این یک چیز واقعی است یا یک افسانه از 1001 شب؟ بگذارید آزمایش تصمیم بگیرد.

شما نیاز دارید: بشقاب مسی، میخ آهنی و سرکه (توجه داشته باشید که همه این مواد در دوران باستان شناخته شده و در دسترس بوده اند). رزین را جایگزین کنید تا ظرف را ببندید و آن را با پلاستیکین به عنوان عایق جایگزین کنید.

آزمایش را در یک فنجان یا فلاسک انجام دهید، اگرچه استفاده از یک گلدان سفالی به آزمایش طعم واقعی می دهد. با استفاده از کاغذ سنباده، سطوح فلزی را از پلاک تمیز کنید و سیم ها را به آنها وصل کنید.

بشقاب مسی را به شکل رول در آورده و در ظرف قرار دهید و میخ را داخل رول فرو کنید. با استفاده از پلاستیلین صفحه و میخ را محکم کنید تا به همدیگر برخورد نکنند (2). سرکه (تقریباً محلول 5 درصد) را در ظرف بریزید و با استفاده از مولتی متر ولتاژ بین سر سیم های متصل به صفحه مسی و میخ آهنی را اندازه بگیرید. دستگاه را برای اندازه گیری جریان DC تنظیم کنید. کدام یک از قطب ها "بعلاوه" و کدام "منهای" منبع ولتاژ است؟

2. طرح یک نسخه مدرن از باتری از بغداد.

متر 0,5-0,7 ولت را نشان می دهد، پس باتری بغداد کار می کند! لطفاً توجه داشته باشید که قطب مثبت سیستم مسی و قطب منفی آن آهن است (متر فقط در یک گزینه برای اتصال سیم به پایانه ها مقدار ولتاژ مثبت را نشان می دهد). آیا می توان برای کار مفید از نسخه ساخته شده برق گرفت؟ بله، اما چند مدل دیگر بسازید و به صورت سری وصل کنید تا ولتاژ افزایش یابد. ال ای دی حدود 3 ولت نیاز دارد - اگر این مقدار را از باتری خود دریافت کنید، LED روشن می شود.

باتری بغداد بارها به دلیل توانایی آن در تامین انرژی تجهیزات کوچک مورد آزمایش قرار گرفت. آزمایش مشابهی چندین سال پیش توسط نویسندگان برنامه فرقه MythBusters انجام شد. اسطوره سازان (آدام و جیمی را هنوز به خاطر دارید؟) نیز به این نتیجه رسیدند که این سازه می تواند به عنوان یک باتری باستانی عمل کند.

پس آیا ماجراجویی بشر با برق بیش از 2 سال پیش آغاز شد؟ بله و خیر. بله، زیرا حتی در آن زمان نیز امکان طراحی منابع تغذیه وجود داشت. نه، زیرا این اختراع فراگیر نشد - در آن زمان و برای چندین قرن دیگر هیچ کس به آن نیاز نداشت.

ارتباط؟ ساده است!

سطوح صفحات فلزی یا سیم، آلومینیوم، آهن و ... را کاملا تمیز کنید. نمونه هایی از دو فلز مختلف را در یک میوه آبدار قرار دهید (که جریان برق را تسهیل می کند) تا به یکدیگر برخورد نکنند. گیره های مولتی متر را به انتهای سیم های بیرون زده از میوه وصل کنید و ولتاژ بین آنها را بخوانید. انواع فلزات مورد استفاده (و همچنین میوه ها) را تغییر دهید و به تلاش خود ادامه دهید (3).

3. سلول میوه (الکترودهای آلومینیومی و مسی).

در همه موارد پیوندها ایجاد شد. مقادیر ولتاژهای اندازه گیری شده بسته به فلزات و میوه های گرفته شده برای آزمایش متفاوت است. ترکیب سلول‌های میوه در یک باتری به شما این امکان را می‌دهد که از آن برای تامین انرژی تجهیزات الکترونیکی کوچک استفاده کنید (در این مورد، به مقدار کمی جریان نیاز دارد که می‌توانید از طراحی خود دریافت کنید).

انتهای سیم های بیرون زده از میوه های شدید را به سیم ها وصل کنید و اینها نیز به نوبه خود به انتهای LED متصل شوند. به محض اینکه قطب های باتری را به "ترمینال های" مربوطه دیود وصل کردید و ولتاژ از آستانه خاصی فراتر رفت، دیود روشن می شود (دیودهای رنگ های مختلف ولتاژ اولیه متفاوتی دارند، اما حدود 3 ولت باید کافی باشد. ).

یک منبع انرژی به همان اندازه جذاب یک ساعت الکترونیکی است - می تواند برای مدت طولانی با "باتری میوه ای" کار کند (اگرچه مقدار زیادی به مدل ساعت بستگی دارد).

سبزیجات به هیچ وجه کمتر از میوه ها نیستند و همچنین به شما امکان می دهند از آنها باتری بسازید. زیرا؟ چند ترشی و مقدار مناسبی ورق یا سیم مسی و آلومینیومی بردارید (می توانید آن ها را با میخ های فولادی جایگزین کنید، اما از یک لینک ولتاژ کمتری دریافت خواهید کرد). یک باتری جمع کنید و وقتی از آن برای تغذیه مدار مجتمع از جعبه موسیقی استفاده می کنید، گروه کر خیار آواز می خواند!

چرا خیار؟ کنستانتین ایلدفونس گالچینسکی استدلال کرد که: "اگر خیار آواز نخواند و در هر زمانی، احتمالاً به خواست بهشت ​​نتواند ببیند." معلوم می شود که یک شیمی دان می تواند کارهایی را انجام دهد که حتی شاعران در خواب هم ندیده اند.

باتری بیواکوف

در مواقع اضطراری، می توانید خودتان یک باتری طراحی کنید و از آن برای تغذیه یک LED استفاده کنید. درست است که نور کم می شود، اما بهتر از هیچ است.

به چه چیزی نیاز خواهید داشت؟ البته یک دیود، و علاوه بر آن، یک قالب یخ، سیم مسی، و میخ یا پیچ فولادی (فلزات باید سطوح خود را تمیز کنند تا جریان برق تسهیل شود). سیم را تکه تکه کنید و سر پیچ یا میخ را با یک انتهای قطعه بپیچید. به این ترتیب چندین طرح فولادی مسی ایجاد کنید (8-10 کافی است).

خاک مرطوب را در فرورفتگی های قالب بریزید (به علاوه می توانید آب نمک بریزید که مقاومت الکتریکی را کاهش می دهد). اکنون ساختار خود را داخل حفره قرار دهید: پیچ یا میخ باید به یک سوراخ برود و سیم مسی در سوراخ دیگر. موارد بعدی را طوری قرار دهید که فولاد در یک حفره با مس باشد (فلزات نمی توانند با یکدیگر تماس پیدا کنند). کل یک سری را تشکیل می دهد: فولاد-مس-فولاد-مس و غیره. عناصر را به گونه ای بچینید که اولین و آخرین حفره (تنها حفره های حاوی فلزات جداگانه) در کنار یکدیگر قرار گیرند.

اینجا به اوج می رسد.

یک پایه دیود را در اولین شکاف ردیف و پایه دیگر را در آخرین شکاف قرار دهید. آیا می درخشد؟

اگر چنین است، تبریک می گویم (4)! اگر نه، به دنبال خطاها باشید. یک دیود LED، بر خلاف یک لامپ معمولی، باید یک اتصال قطبی داشته باشد (آیا می دانید کدام فلز "پلاس" و کدام "منهای" باتری است؟). کافی است پاها را در جهت مخالف زمین فرو کنید. سایر علل خرابی ولتاژ بسیار کم (حداقل 3 ولت)، مدار باز یا اتصال کوتاه در آن است.

4. "باتری زمین" در حال کار.

در حالت اول، تعداد اجزا را افزایش دهید. در مرحله دوم، اتصال بین فلزات را بررسی کنید (همچنین زمین اطراف آنها را آب بندی کنید). در حالت سوم، دقت کنید که انتهای مس و فولاد در زیر زمین به یکدیگر برخورد نکنند و خاک یا ملاتی که آن را با آن خیس کرده اید، گودال های مجاور را به هم وصل نکند.

آزمایش با «باتری زمین» جالب است و ثابت می کند که تقریباً از هیچ چیز نمی توان الکتریسیته به دست آورد. حتی اگر مجبور نباشید از یک سازه ساخته شده استفاده کنید، همیشه می‌توانید با مهارت‌های مک‌گیور مانند خود (که احتمالاً تنها توسط تکنسین‌های ارشد به یاد می‌آورند) یا استاد بقا، مسافران را تحت تأثیر قرار دهید.

سلول ها چگونه کار می کنند؟

یک فلز (الکترود) غوطه ور در محلول رسانا (الکترولیت) از آن شارژ می شود. حداقل مقدار کاتیون ها به محلول می رود، در حالی که الکترون ها در فلز باقی می مانند. اینکه چه تعداد یون در محلول و چه تعداد الکترون اضافی در فلز وجود دارد به نوع فلز، محلول، دما و بسیاری عوامل دیگر بستگی دارد. اگر دو فلز مختلف در یک الکترولیت غوطه ور شوند، به دلیل تعداد متفاوت الکترون ها، ولتاژی بین آنها ایجاد می شود. هنگام اتصال الکترودها با سیم، الکترون های یک فلز با تعداد زیادی از آنها (الکترود منفی، یعنی آند سلولی) شروع به جریان شدن به فلزی با تعداد کمتری از آنها می کنند (الکترود مثبت - کاتد). البته، در حین کار سلول، تعادل باید حفظ شود: کاتیون های فلزی از آند وارد محلول می شوند و الکترون های تحویل داده شده به کاتد با یون های اطراف واکنش می دهند. کل مدار توسط یک الکترولیت بسته شده است که انتقال یون را فراهم می کند. انرژی الکترون هایی که از یک هادی عبور می کنند می تواند برای کارهای مفید استفاده شود.