Món de la bateria - part 1
El Premi Nobel de Química 2019 va ser atorgat pel desenvolupament del disseny de bateries d'ions de liti. A diferència d'alguns dels altres veredictes del Comitè Nobel, aquest no va sorprendre, ben al contrari. Les bateries d'ions de liti alimenten telèfons intel·ligents, ordinadors portàtils, eines elèctriques portàtils i fins i tot cotxes elèctrics. Tres científics, John Goodenough, Stanley Whittingham i Akira Yoshino, van rebre merescudament diplomes, medalles d'or i 9 milions de SEK per a la seva distribució.
Podeu llegir més sobre la justificació del premi en un número anterior del nostre cicle de química, i l'article en si va acabar amb l'anunci d'una presentació més detallada del tema de les piles i les bateries. És hora de complir la teva promesa.
En primer lloc, una breu explicació de les incorreccions de denominació.
Enllaç aquest és l'únic circuit que genera tensió.
Bateria consta de cèl·lules connectades correctament. L'objectiu és augmentar la tensió, la capacitat (energia que es pot extreure del sistema) o tots dos.
аккумулятор és una pila o bateria que es pot recarregar quan s'esgota. No tots els xips tenen aquestes propietats, molts són d'un sol ús. En el discurs quotidià, els dos primers termes s'utilitzen sovint de manera intercanviable (això també serà el cas a l'article), però cal ser conscient de la diferència entre ells (1).
1. Bateries formades per cèl·lules.
Les piles no s'han inventat durant les últimes dècades, tenen una història molt més llarga. Potser ja heu sentit parlar de l'experiència Galvaniego i Volts al tombant dels segles XNUMX i XNUMX, que va marcar l'inici de l'ús del corrent elèctric en física i química. Tanmateix, la història de la bateria va començar encara abans. Va ser fa molt de temps…
... molt temps a Bagdad
El 1936 un arqueòleg alemany Wilhelm Koenig va trobar un vaixell de terrissa prop de Bagdad que datava del segle III aC La troballa no semblava inusual, atès que la civilització de l'Eufrates i el Tigris va florir durant milers d'anys.
Tanmateix, el contingut del vaixell era misteriós: un rotlle rovellat de làmina de coure, una vareta de ferro i restes de resina natural. Koenig es va desconcertar sobre el propòsit de l'artefacte fins que va recordar haver visitat el carreró dels joiers de Bagdad. Els artesans locals van utilitzar dissenys similars per cobrir productes de coure amb metalls preciosos. La idea que es tractés d'una bateria antiga no va convèncer els altres arqueòlegs que no sobrevisqués cap evidència d'electricitat en aquell moment.
Aleshores (així es deia la troballa) és una cosa real o un conte de fades de 1001 nits? Deixa que l'experiment decideixi.
Necessitarà: planxa de coure, clau de ferro i vinagre (tingueu en compte que tots aquests materials eren coneguts i àmpliament disponibles a l'antiguitat). Substituïu la resina per segellar el recipient i substituïu-la per plastilina com a aïllant.
Feu l'experiment en un vas de precipitats o matràs, encara que l'ús d'un gerro de terrissa donarà a la prova un sabor autèntic. Amb paper de vidre, netegeu les superfícies metàl·liques de la placa i connecteu-hi cables.
Enrotlleu la placa de coure en un rotlle i col·loqueu-la al recipient i introduïu el clau al rotlle. Amb plastilina, fixa la placa i l'ungla perquè no es toquin (2). Aboqueu vinagre (solució al 5%) al recipient i, amb un multímetre, mesureu la tensió entre els extrems dels cables connectats a la placa de coure i el clau de ferro. Configureu l'instrument per mesurar el corrent DC. Quin dels pols és el "plus" i quin és el "menos" de la font de tensió?
2. Esbós d'una còpia moderna de la bateria de Bagdad.
El mesurador mostra 0,5-0,7 V, de manera que la bateria de Bagdad funciona! Tingueu en compte que el pol positiu del sistema és coure i el pol negatiu és ferro (el mesurador mostra un valor de tensió positiu només en una opció per connectar cables als terminals). És possible obtenir electricitat de la còpia construïda per a un treball útil? Sí, però feu alguns models més i connecteu-los en sèrie per augmentar la tensió. El LED necessita uns 3 volts; si obteniu tant de la vostra bateria, el LED s'il·luminarà.
La bateria de Bagdad va ser provada repetidament per la seva capacitat per alimentar equips de mida petita. Un experiment similar es va dur a terme fa uns quants anys pels autors del programa de culte MythBusters. Els caçamites (encara recordeu Adam i Jamie?) també van arribar a la conclusió que l'estructura podria servir com a bateria antiga.
L'aventura de la humanitat amb l'electricitat va començar fa més de 2 anys? Sí i no. Sí, perquè fins i tot llavors era possible dissenyar fonts d'alimentació. No, perquè l'invent no es va estendre, ningú el necessitava aleshores i durant molts segles.
Connexió? És fàcil!
Netegeu a fons les superfícies de plaques o filferros metàl·lics, alumini, ferro, etc. Introduïu mostres de dos metalls diferents en una fruita sucosa (que facilitarà el flux d'electricitat) perquè no es toquin. Connecteu les pinces del multímetre als extrems dels cables que surten de la fruita i llegiu el voltatge entre ells. Canvieu els tipus de metalls utilitzats (així com les fruites) i seguiu provant (3).
3. Cèl·lula fruitera (elèctrodes d'alumini i coure).
En tots els casos es van crear enllaços. Els valors de les tensions mesurades difereixen en funció dels metalls i fruits pres per a l'experiment. La combinació de cèl·lules de fruita en una bateria us permetrà utilitzar-la per alimentar petits equips electrònics (en aquest cas, requereix una petita quantitat de corrent, que podeu obtenir del vostre disseny).
Connecteu els extrems dels cables que surten dels fruits extrems als cables, i aquests, al seu torn, als extrems del LED. Tan bon punt hàgiu connectat els pols de la bateria als "terminals" corresponents del díode i la tensió ha superat un cert llindar, el díode s'il·luminarà (els díodes de diferents colors tenen una tensió inicial diferent, però uns 3 volts haurien de ser suficients). ).
Una font d'energia igualment atractiva és un rellotge electrònic: pot funcionar amb una "bateria de fruita" durant molt de temps (tot i que depèn molt del model del rellotge).
Les verdures no són de cap manera inferiors a les fruites i també us permeten construir-ne una bateria. Perquè? Preneu uns quants escabetx i una quantitat adequada de làmines o cables de coure i alumini (podeu substituir-los per claus d'acer, però obtindreu una tensió més baixa d'un sol enllaç). Munta una bateria i quan l'utilitzis per alimentar el circuit integrat des de la caixa de música, el cor de cogombres cantarà!
Per què cogombres? Konstantin Ildefons Galchinsky va argumentar que: "Si el cogombre no canta i en qualsevol moment, probablement no pot veure per la voluntat del cel". Resulta que un químic pot fer coses que fins i tot els poetes no han somiat.
Bateria Bivakov
En cas d'emergència, podeu dissenyar una bateria vosaltres mateixos i utilitzar-la per alimentar un LED. És cert que la llum serà tènue, però és millor que res.
Què necessitaràs? Un díode, és clar, i a més, un motlle per a glaçons, filferro de coure i claus o cargols d'acer (els metalls s'han de netejar les superfícies per facilitar el flux d'electricitat). Talla el cable a trossos i embolcalla el cap del cargol o el clau amb un extrem del fragment. Feu diversos dissenys d'acer-coure d'aquesta manera (8-10 haurien de ser suficients).
Aboqueu terra humida a les escombraries del motlle (a més, podeu abocar aigua salada, la qual cosa reduirà la resistència elèctrica). Ara inseriu la vostra estructura a la cavitat: el cargol o el clau han d'anar en un forat i el cable de coure a l'altre. Col·loqueu els següents de manera que hi hagi acer a la mateixa cavitat amb coure (els metalls no podien entrar en contacte entre ells). El conjunt forma una sèrie: acer-coure-acer-coure, etc. Disposeu els elements de manera que la primera i l'última cavitat (les úniques que contenen metalls individuals) quedin una al costat de l'altra.
Aquí arriba el clímax.
Inseriu una cama del díode al primer rebaix de la fila i l'altra cama a l'última. Està brillant?
Si és així, felicitats (4)! Si no, busqueu errors. Un díode LED, a diferència d'una bombeta convencional, ha de tenir una polaritat de connexió (saps quin metall és el "plus" i quin és el "menos" de la bateria?). N'hi ha prou amb inserir les cames en la direcció oposada al terra. Altres causes de fallada són una tensió massa baixa (mínim 3 volts), un circuit obert o un curtcircuit.
4. "Bateria de terra" en funcionament.
En el primer cas, augmenta el nombre de components. En el segon, comproveu la connexió entre els metalls (també segellar el sòl al seu voltant). En el tercer cas, assegureu-vos que els extrems de coure i acer no es toquin sota terra i que la terra o el morter amb què l'heu mullat no connecti les fosses adjacents.
L'experiment amb la "bateria de terra" és interessant i demostra que l'electricitat es pot obtenir gairebé del no res. Fins i tot si no cal que utilitzeu una estructura construïda, sempre podeu impressionar els estiuejants amb les vostres habilitats semblants a MacGyver (probablement només les recorden els tècnics superiors) o el vostre mestre de supervivència.
Com funcionen les cèl·lules?
Un metall (elèctrode) immers en una solució conductora (electròlit) se'n carrega. La quantitat mínima de cations entra en solució, mentre que els electrons romanen al metall. Quants ions hi ha en solució i quants electrons en excés hi ha al metall depèn del tipus de metall, solució, temperatura i molts altres factors. Si dos metalls diferents estan immersos en un electròlit, s'originarà una tensió entre ells a causa del diferent nombre d'electrons. Quan es connecten els elèctrodes amb un cable, els electrons d'un metall amb un gran nombre d'ells (elèctrode negatiu, és a dir, ànode cel·lular) començaran a fluir a un metall amb un nombre menor d'ells (elèctrode positiu - càtode). Per descomptat, durant el funcionament de la cèl·lula, s'ha de mantenir un equilibri: els cations metàl·lics de l'ànode entren en solució i els electrons lliurats al càtode reaccionen amb els ions circumdants. Tot el circuit està tancat per un electròlit que proporciona transport d'ions. L'energia dels electrons que flueixen a través d'un conductor es pot utilitzar per a un treball útil.
