Батарэйны свет - частка 1
Нобелеўская прэмія па хіміі 2019 года была прысуджана за распрацоўку канструкцыі літый-іённых акумулятараў. У адрозненне ад некаторых іншых вердыктаў Нобелеўскага камітэта, гэты не здзівіў - зусім наадварот. Літый-іённыя акумулятары забяспечваюць энергіяй смартфоны, наўтбукі, партатыўныя электраінструменты і нават электрамабілі. Трое навукоўцаў, Джон Гудэнаф, Стэнлі Ўітынгем і Акіра Ёшына, заслужана атрымалі дыпломы, залатыя медалі і 9 мільёнаў шведскіх крон для размеркавання.
Больш падрабязна аб абгрунтаванні прысуджэння ўзнагароды вы можаце прачытаць у папярэднім выпуску нашага хімічнага цыклу - а сам артыкул заканчвалася анонсам больш падрабязнага выкладу пытання аб элементах і батарэях. Нетутэйша час стрымаць сваё абяцанне.
Па-першае, кароткае тлумачэнне недакладнасцяў у найменні.
Спасылка гэта адзіны ланцуг, які генеруе напружанне.
батарэя складаецца з правільна злучаных вочак. Мэта складаецца ў тым, каб павялічыць напругу, ёмістасць (энергію, якую можна атрымаць з сістэмы) ці і тое, і іншае.
акумулятар гэта элемент або батарэя, якая можа быць перазараджана, калі яна знясілена. Гэтымі ўласцівасцямі валодае не кожны чып - многія аднаразовыя. У паўсядзённым маўленні першыя два тэрміны часта ўжываюцца ўзаемазаменна (у артыкуле так таксама будзе), але трэба ўсведамляць розніцу паміж імі (1).
1. Батарэі, якія складаюцца з вочак.
Батарэйкі і прыдуманы не апошнія дзесяцігоддзі, у іх значна даўжэйшая гісторыя. Магчыма, вы ўжо чулі пра досвед Гальваніга i Вольт на мяжы XNUMX і XNUMX стагоддзяў, якія паклалі пачатак выкарыстанню электрычнага току ў фізіцы і хіміі. Аднак гісторыя батарэі пачалася яшчэ раней. Гэта было вельмі даўно...
… даўно ў Багдадзе
У 1936 годзе нямецкі археолаг Вільгельм Кеніг знайшоў недалёка ад Багдада гліняны посуд, датаваны III стагоддзем да нашай эры.Знаходка не здавалася незвычайнай, калі ўлічыць, што цывілізацыя на Еўфраце і Тыгры квітнела тысячы гадоў.
Аднак змесціва пасудзіны было загадкавым: праржавелы рулон меднага ліста, жалезны прут і рэшткі прыроднай смалы. Кеніг ламаў галаву над прызначэннем артэфакта, пакуль не ўспомніў аб наведванні Алеі ювеліраў у Багдадзе. Падобныя канструкцыі мясцовыя майстры выкарыстоўвалі для пакрыцця медных вырабаў каштоўнымі металамі. Ідэя аб тым, што гэта была старажытная батарэя, не пераканала іншых археолагаў у тым, што ў той час не захавалася ніякіх доказаў існавання электрычнасці.
Так (менавіта так назвалі знаходку) гэта рэальная рэч ці казка з 1001 ночы? Няхай эксперымент вырашыць.
Табе спатрэбіцца: медная пласціна, жалезны цвік і воцат (заўважым, што ўсе гэтыя матэрыялы былі вядомыя і шырока даступныя яшчэ ў старажытнасці). Заменіце смалу, каб запячатаць посуд, і заменіце яго пластылінам у якасці ізаляцыі.
Правядзіце эксперымент у мензурцы ці колбе, хоць выкарыстанне глінянай вазы надасць цесту прысмак сапраўднасці. З дапамогай наждачнай паперы ачысціце металічныя паверхні ад налёту і прымацуеце да іх правады.
Згарніце медную пласціну ў рулон і змесціце ў посуд, а цвік устаўце ўнутр рулона. З дапамогай пластыліну зафіксуйце пласціну і цвік так, каб яны не дакраналіся адзін аднаго (2). Наліце ў посуд воцат (каля 5% раствор) і з дапамогай мультыметра вымерайце напругу паміж канцамі правадоў, падлучаных да меднай пласціны, і жалезным цвіком. Наладзьце прыбор на вымярэнне пастаяннага току. Які з палюсоў з'яўляецца «плюсам», а які «мінусам» крыніцы напружання?
2. Эскіз сучаснай копіі батарэі з Багдаду.
Вымяральнік паказвае 0,5-0,7 У, значыць Багдадская батарэя працуе! Звернеце ўвагу, што дадатны полюс сістэмы – медны, а адмоўны – жалезны (лічыльнік паказвае дадатнае значэнне напругі толькі ў адным варыянце злучэння правадоў з клемамі). Ці можна атрымліваць электрычнасць з пабудаванай копіі для карыснай працы? Так, але зрабіце яшчэ некалькі мадэляў і злучыце іх паслядоўна для павелічэння напругі. Для святлодыёда патрабуецца каля 3 вольт - калі вы атрымаеце столькі ад сваёй батарэі, святлодыёд загарыцца.
Багдадская батарэя неаднаразова правяралася на здольнасць сілкаваць малагабарытную тэхніку. Аналагічны эксперымент некалькі гадоў таму правялі і аўтары культавай праграмы "Разбуральнікі міфаў". Разбуральнікі міфаў (вы яшчэ памятаеце Адама і Джэймі?) таксама прыйшлі да высновы, што збудаванне магло служыць старажытнай батарэяй.
Дык ці пачалася прыгода чалавецтва з электрычнасцю больш за 2 гады таму? І так і не. Ды таму што ўжо тады можна было сканструяваць крыніцы харчавання. Не, таму што вынаходства не атрымала распаўсюджвання - яно было нікому не патрэбна тады і на шмат стагоддзяў наперад.
Сувязь? Гэта проста!
Дбайна ачысціце паверхні металічных пласцін або правадоў, алюмінія, жалеза і. Устаўце ў сакавіты фрукт узоры двух розных металаў (што палегчыць праходжанне электрычнасці) так, каб яны не дакраналіся адзін аднаго. Падлучыце заціскі мультыметра да канцоў правадоў, якія тырчаць з плёну, і лічыце напругу паміж імі. Змяніце тыпы металаў (а таксама садавіну), якія выкарыстоўваюцца, і працягвайце спрабаваць (3).
3. Пладовае вочка (алюмініевы і медны электроды).
Ва ўсіх выпадках былі створаны спасылкі. Значэнні вымераных высілкаў адрозніваюцца ў залежнасці ад металаў і садавіны, узятых для эксперыменту. Аб'яднанне фруктовых ячэек у акумулятар дазволіць вам выкарыстоўваць яго для харчавання дробнай электроннай тэхнікі (у гэтым выпадку патрабуецца невялікі ток, які вы можаце атрымаць ад сваёй канструкцыі).
Канцы правадоў, якія тырчаць з крайніх пладоў, злучыце з правадамі, а гэтыя, у сваю чаргу, з канцамі святлодыёда. Як толькі вы злучылі полюса батарэі з адпаведнымі «высновамі» дыёда і напруга перавысіла вызначаны парог, дыёд загарыцца (дыёды рознага колеру маюць розную пачатковую напругу, але прыкладна 3 вольт павінна хапіць) .
Не меней прывабнай крыніцай харчавання з'яўляюцца электронныя гадзіны - яны могуць працаваць ад «фруктовай батарэйкі» працяглы час (хоць шмат што залежыць і ад мадэлі гадзін).
Гародніна нічым не саступае садавіне і таксама дазваляе збудаваць з іх батарэйку. Дык як? Вазьміце некалькі салёных агуркоў і адпаведную колькасць медных і алюмініевых лістоў або правадоў (іх можна замяніць сталёвымі цвікамі, але вы атрымаеце ніжэйшую напругу ад аднаго звяна). Збярыце батарэю, і калі вы карыстаецеся яе для харчавання інтэгральнай схемы ад музычнай шкатулкі, агурочны хор будзе спяваць!
Чаму агуркі? Канстанцін Ільдэфонс Галчынскі сцвярджаў, што: "Калі агурок не спявае і ў любы час, ён, верагодна, не можа бачыць па волі нябёсаў". Аказваецца, хімік можа рабіць тое, пра што не марылі нават паэты.
Бівак батарэя
У экстранай сітуацыі вы можаце самі сканструяваць акумулятар і выкарыстоўваць яго для харчавання святлодыёда. Праўда, святло будзе цьмяным, але гэта лепш, чым яго адсутнасць.
Што вам спатрэбіцца? Вядома, дыёд, а акрамя таго, формачка для кубікаў лёду, медны дрот і сталёвыя цвікі ці шрубы (у металаў павінна быць зачышчаная паверхня, каб палегчыць праходжанне электрычнасці). Разрэжце дрот на кавалкі і адным канцом фрагмента абгарніце капялюшык шрубы або цвіка. Зрабіце такім чынам некалькі раскладак сталь-медзь (8-10 павінна хапіць).
У паглыбленні ў форме засыпце вільготны грунт (дадаткова можна паліць салёнай вадой, што паменшыць электрычны супраціў). Зараз устаўце вашу канструкцыю ў паражніну: шруба або цвік павінны ўвайсці ў адну адтуліну, а медны дрот - у іншае. Наступныя размяшчайце так, каб разам з меддзю ў адной паражніне была сталь (металы не маглі датыкацца сябар з сябрам). Цэлае ўтварае шэраг: сталь-медзь-сталь-медзь і т. д. Размесціце элементы такім чынам, каб першая і апошняя паражніны (адзіныя, якія змяшчаюць асобныя металы) ляжалі побач сябар з сябрам.
Вось і надыходзіць кульмінацыя.
Устаўце адну ножку дыёда ў першае паглыбленне ў шэрагу, а іншае - у апошняе. Свеціць?
Калі гэта так, віншуем (4)! Калі не, шукайце памылкі. Святлодыёдны дыёд, у адрозненне ад звычайнай лямпачкі, павінен мець палярнасць падлучэння (ці ведаеце вы, які метал з'яўляецца "плюсам", а які "мінусам" акумулятара?). Досыць уставіць ногі ў кірунку, процілеглым зямлі. Іншымі чыннікамі выйсця з ладу з'яўляюцца занізкая напруга (мінімум 3 вольта), абрыў ланцуга або кароткае замыканне ў ёй.
4. "Земляная батарэя" ў рабоце.
У першым выпадку павялічце колькасць кампанентаў. У другім праверце злучэнне паміж металамі (таксама ўшчыльніце зямлю вакол іх). У трэцім выпадку сочыце за тым, каб канцы медзі і сталі не дакраналіся адзін аднаго пад зямлёй і каб грунт ці раствор, якім вы яго змочвалі, не злучалі суседнія ямы.
Эксперымент з "землянай батарэяй" цікавы і даказвае, што электрычнасць можна атрымаць практычна "з нічога". Нават калі вам не прыйдзецца выкарыстоўваць пабудаваную канструкцыю, вы заўсёды можаце ўразіць адпачывальнікаў сваімі навыкамі, падобнымі Макгайверу (напэўна, яго памятаюць толькі старэйшыя тэхнікі) або майстру выжывання.
Як працуюць клеткі?
Метал (электрод), пагружаны ў які праводзіць раствор (электраліт), зараджаецца ад яго. Мінімальная колькасць катыёнаў пераходзіць у раствор, а электроны застаюцца ў метале. Колькі іонаў знаходзіцца ў растворы і колькі залішніх электронаў у метале, залежыць ад тыпу металу, раствору, тэмпературы і многіх іншых фактараў. Калі ў электраліт пагрузіць два розныя металы, паміж імі ўзнікне напружанне з-за рознага ліку электронаў. Пры злучэнні электродаў дротам электроны з металу з вялікай іх колькасцю (адмоўны электрод, т.е. анод вочка) пачнуць перацякаць у метал з малодшай іх колькасцю (станоўчы электрод – катод). Вядома, пры працы вочка павінен выконвацца баланс: катыёны металу з анода пераходзяць у раствор, а дастаўленыя на катод электроны рэагуюць з навакольнымі іёнамі. Увесь ланцуг зачынена электралітам, якія забяспечваюць перанос іёнаў. Энергія электронаў, якія праходзяць па правадніку, можа быць скарыстана для карыснай працы.
