Mundo da batería - parte 1
O Premio Nobel de Química 2019 foi concedido polo desenvolvemento do deseño de baterías de ión-litio. A diferenza dalgúns dos outros veredictos do Comité Nobel, este non sorprendeu, todo o contrario. As baterías de iones de litio alimentan teléfonos intelixentes, portátiles, ferramentas eléctricas portátiles e ata coches eléctricos. Tres científicos, John Goodenough, Stanley Whittingham e Akira Yoshino, recibiron merecidamente diplomas, medallas de ouro e 9 millóns de SEK para a súa distribución.
Podes ler máis sobre o motivo do premio nun número anterior do noso ciclo de química, e o propio artigo rematou co anuncio dunha presentación máis detallada do tema das pilas e baterías. É hora de cumprir a túa promesa.
En primeiro lugar, unha breve explicación das inexactitudes de nomenclatura.
Ligazón este é o único circuíto que xera tensión.
Batería consta de celas conectadas correctamente. O obxectivo é aumentar a tensión, a capacidade (enerxía que se pode extraer do sistema) ou ambos.
аккумулятор é unha pila ou batería que se pode recargar cando se esgota. Non todos os chips teñen estas propiedades, moitos son desbotables. Na fala cotiá, os dous primeiros termos adoitan usarse indistintamente (este tamén será o caso no artigo), pero hai que ter en conta a diferenza entre eles (1).
1. Baterías formadas por pilas.
As baterías non se inventaron durante as últimas décadas, teñen unha historia moito máis longa. Quizais xa escoitaches falar da experiencia Galvaniego i Voltios no cambio dos séculos XNUMX e XNUMX, que marcou o inicio do uso da corrente eléctrica en física e química. Non obstante, a historia da batería comezou aínda antes. Iso foi hai moito tempo...
... moito tempo en Bagdad
En 1936 un arqueólogo alemán Wilhelm Koenig atopou un recipiente de barro preto de Bagdad que data do século III a.C. O achado non parecía inusual, dado que a civilización do Éufrates e do Tigris floreceu durante miles de anos.
Porén, o contido da embarcación era misterioso: un rolo oxidado de folla de cobre, unha vara de ferro e restos de resina natural. Koenig quedou desconcertado sobre o propósito do artefacto ata que lembrou visitar o Callejón dos Xoieiros de Bagdad. Os artesáns locais utilizaron deseños similares para cubrir os produtos de cobre con metais preciosos. A idea de que se tratase dunha batería antiga non convenceu a outros arqueólogos de que non sobrevivisen evidencias de electricidade nese momento.
Entón (así se chamaba o achado) é unha cousa real ou un conto de fadas de 1001 noites? Deixa que o experimento decida.
Necesitarás: placa de cobre, cravo de ferro e vinagre (nótese que todos estes materiais eran coñecidos e moi dispoñibles na antigüidade). Substitúe a resina para selar o recipiente e substitúea por plastilina como illante.
Fai o experimento nun vaso ou matraz, aínda que usar un vaso de barro dará un sabor auténtico á proba. Usando papel de lixa, limpa as superficies metálicas da placa e pégueas fíos.
Enrola a placa de cobre nun rolo e colócaa no recipiente e introduce o cravo no rolo. Usando plastilina, fixa a placa e o cravo para que non se toquen (2). Bota vinagre (aprox. 5% de solución) no recipiente e, utilizando un multímetro, mide a tensión entre os extremos dos cables conectados á placa de cobre e ao cravo de ferro. Axuste o instrumento para medir a corrente continua. Cal dos polos é o "máis" e cal é o "menos" da fonte de tensión?
2. Esbozo dunha copia moderna da batería de Bagdad.
O medidor mostra 0,5-0,7 V, polo que a batería de Bagdad está funcionando. Teña en conta que o polo positivo do sistema é de cobre e o polo negativo de ferro (o medidor mostra un valor de tensión positivo só nunha opción para conectar fíos aos terminais). É posible obter electricidade da copia construída para un traballo útil? Si, pero fai algúns modelos máis e conéctaos en serie para aumentar a tensión. O LED necesita uns 3 voltios; se obtén tanto da batería, o LED acenderase.
A batería de Bagdad foi probada repetidamente pola súa capacidade para alimentar equipos de pequeno tamaño. Un experimento similar foi realizado hai varios anos polos autores do programa de culto MythBusters. Os cazadores de mitos (¿aínda lembras a Adam e a Jamie?) tamén chegaron á conclusión de que a estrutura podería servir de batería antiga.
Entón, a aventura da humanidade coa electricidade comezou hai máis de 2 anos? Si e non. Si, porque aínda así era posible deseñar fontes de alimentación. Non, porque o invento non se estendeu, ninguén o necesitaba entón e durante moitos séculos.
Conexión? É sinxelo!
Limpar a fondo as superficies de chapas ou fíos metálicos, aluminio, ferro, etc. Introducir mostras de dous metais diferentes nunha froita suculenta (o que facilitará o fluxo de electricidade) para que non se toquen. Conecte as pinzas do multímetro aos extremos dos fíos que sobresaen da froita e le a tensión entre elas. Cambia os tipos de metais empregados (así como as froitas) e segue intentando (3).
3. Célula de froito (electrodos de aluminio e cobre).
En todos os casos creáronse ligazóns. Os valores das tensións medidas varían dependendo dos metais e froitos tomados para o experimento. A combinación de células de froitas nunha batería permitirache usala para alimentar pequenos equipos electrónicos (neste caso, require unha pequena cantidade de corrente, que podes obter do teu deseño).
Conecte os extremos dos fíos que saian dos froitos extremos aos fíos e estes, á súa vez, aos extremos do LED. En canto teñas conectado os polos da batería aos "terminais" correspondentes do díodo e a tensión superou un determinado limiar, o díodo iluminarase (os díodos de diferentes cores teñen unha tensión inicial diferente, pero uns 3 voltios deberían ser suficientes). ).
Unha fonte de enerxía igualmente atractiva é un reloxo electrónico: pode funcionar cunha "batería de froitas" durante moito tempo (aínda que moito depende do modelo do reloxo).
As verduras non son de ningún xeito inferiores ás froitas e tamén permítenche construír unha batería con elas. Porque? Tome uns poucos encurtidos e unha cantidade adecuada de follas ou fíos de cobre e aluminio (pode substituílos por cravos de aceiro, pero obterá unha tensión máis baixa cun só enlace). Monta unha batería e cando a uses para alimentar o circuíto integrado da caixa de música, o coro de pepinos cantará!
Por que pepinos? Konstantin Ildefons Galchinsky argumentou que: "Se o pepino non canta e en calquera momento, probablemente non poida ver pola vontade do ceo". Resulta que un químico pode facer cousas que nin os poetas soñaron.
Batería vivac
En caso de emerxencia, podes deseñar unha batería ti mesmo e usala para alimentar un LED. É certo que a luz será débil, pero é mellor que nada.
Que necesitarás? Un díodo, por suposto, pero tamén unha bandexa de cubos de xeo, fío de cobre e cravos ou parafusos de aceiro (os metais teñen que limpar as súas superficies para facilitar o fluxo de electricidade). Cortar o fío en anacos e envolver a cabeza do parafuso ou cravo cun extremo do fragmento. Fai varios esquemas de aceiro-cobre deste xeito (8-10 deberían ser suficientes).
Despeje terra húmida nos recesos do molde (ademais pode botar auga salgada, o que reducirá a resistencia eléctrica). Agora insira a súa estrutura na cavidade: o parafuso ou cravo debe entrar nun burato e o fío de cobre no outro. Coloque os seguintes para que haxa aceiro na mesma cavidade co cobre (os metais non poderían entrar en contacto entre si). O conxunto forma unha serie: aceiro-cobre-aceiro-cobre, etc. Dispoñer os elementos de forma que a primeira e a última cavidade (as únicas que conteñen metais individuais) queden unha a carón da outra.
Aquí chega o clímax.
Insira unha pata do díodo no primeiro receso da fila e a outra pata no último. Está brillando?
Se é así, parabéns (4)! Se non, busca erros. Un díodo LED, a diferenza dunha lámpada convencional, debe ter unha polaridade de conexión (sabes que metal é o "máis" e cal é o "menos" da batería?). É suficiente con inserir as pernas na dirección oposta ao chan. Outras causas de fallo son unha tensión demasiado baixa (mínimo 3 voltios), un circuíto aberto ou un curtocircuíto nel.
4. "Batería de terra" en funcionamento.
No primeiro caso, aumenta o número de compoñentes. No segundo, verifique a conexión entre os metais (tamén sela o chan ao seu redor). No terceiro caso, asegúrese de que os extremos de cobre e aceiro non se toquen no subsolo e que o chan ou o morteiro co que o molleu non conecte pozos adxacentes.
O experimento coa "batería terrestre" é interesante e demostra que a electricidade pódese obter case da nada. Aínda que non teñas que usar unha estrutura construída, sempre podes impresionar aos campistas coas túas habilidades similares a MacGyver (probablemente só recordan os técnicos superiores) ou supervivencia mestre.
Como funcionan as células?
Un metal (electrodo) inmerso nunha solución condutora (electrólito) cárgase a partir del. A cantidade mínima de catións entra en solución, mentres que os electróns permanecen no metal. Cantos ións hai en solución e cantos electróns en exceso hai no metal depende do tipo de metal, da solución, da temperatura e de moitos outros factores. Se dous metais diferentes están inmersos nun electrólito, xurdirá unha tensión entre eles debido ao diferente número de electróns. Ao conectar os electrodos cun fío, os electróns dun metal cun gran número deles (electrodo negativo, é dicir, ánodo da cela) comezarán a fluír nun metal cun número menor deles (electrodo positivo - cátodo). Por suposto, durante o funcionamento da célula, hai que manter un equilibrio: os catións metálicos do ánodo entran en solución e os electróns entregados ao cátodo reaccionan cos ións circundantes. Todo o circuíto está pechado por un electrólito que proporciona transporte de ións. A enerxía dos electróns que flúe a través dun condutor pódese utilizar para un traballo útil.
