Akkumaailma - osa 1

Vuoden 2019 kemian Nobel-palkinto myönnettiin litiumioniakkujen suunnittelun kehittämisestä. Toisin kuin jotkut muut Nobel-komitean tuomiot, tämä ei yllättänyt - päinvastoin. Litiumioniakut toimivat älypuhelimissa, kannettavissa tietokoneissa, kannettavissa sähkötyökaluissa ja jopa sähköautoissa. Kolme tiedemiestä, John Goodenough, Stanley Whittingham ja Akira Yoshino, saivat ansaitusti diplomit, kultamitalit ja 9 miljoonaa kruunua jakeluun. 

Voit lukea lisää palkinnon perusteista kemian syklimme edellisestä numerosta - ja itse artikkeli päättyi ilmoitukseen kennojen ja akkujen ongelman yksityiskohtaisemmasta esittelystä. On aika pitää lupauksesi.

Ensinnäkin lyhyt selitys nimeämisvirheistä.

Linkki tämä on ainoa piiri, joka tuottaa jännitettä.

akku koostuu oikein yhdistetyistä soluista. Tavoitteena on lisätä jännitettä, kapasitanssia (energiaa, joka voidaan ottaa järjestelmästä) tai molempia.

akku se on kenno tai akku, joka voidaan ladata, kun se on tyhjä. Kaikilla siruilla ei ole näitä ominaisuuksia - monet ovat kertakäyttöisiä. Arkipuheessa kahta ensimmäistä termiä käytetään usein vaihtokelpoisesti (tämä tulee olemaan myös artikkelissa), mutta sinun on tiedostettava niiden välinen ero (1).

1. Akut, jotka koostuvat kennoista.

Akkuja ei ole keksitty viime vuosikymmeninä, niillä on paljon pidempi historia. Olet ehkä jo kuullut kokemuksesta Galvaniego i volttia XNUMX. ja XNUMX. vuosisadan vaihteessa, mikä merkitsi sähkövirran käytön alkua fysiikassa ja kemiassa. Akun historia alkoi kuitenkin jo aikaisemmin. Se oli kauan aikaa sitten …

... pitkään Bagdadissa

Vuonna 1936 saksalainen arkeologi Wilhelm Koenig löysi Bagdadin läheltä keramiikkaastian, joka on peräisin XNUMX. vuosisadalta eKr. Löytö ei vaikuttanut epätavalliselta, koska Eufratin ja Tigriksen sivilisaatio kukoisti tuhansia vuosia.

Aluksen sisältö oli kuitenkin mystistä: ruostunut kuparilevyrulla, rautasauva ja luonnonhartsin jäänteitä. Koenig ymmärsi esineen tarkoitusta, kunnes hän muisti vieraillessaan jalokivikauppiaiden kujalla Bagdadissa. Paikalliset käsityöläiset käyttivät samanlaisia ​​​​malleja kuparituotteiden peittämiseen jalometalleilla. Ajatus siitä, että se oli muinainen akku, ei vakuuttanut muita arkeologeja siitä, että sähköstä ei ollut tuolloin säilynyt todisteita.

Joten (niin löytöä kutsuttiin) onko tämä todellinen asia vai satu 1001 yöltä? Anna kokeen päättää.

Tarvitset: kuparilevy, rautanaula ja etikka (huomaa, että kaikki nämä materiaalit olivat tunnettuja ja laajalti saatavilla antiikin aikana). Vaihda hartsi tiivistämään astia ja korvaa se plastiliinilla eristeenä.

Tee koe dekantterilasissa tai pullossa, vaikka keramiikkamaljakon käyttö antaa testille aidon maun. Puhdista metallipinnat plakista hiekkapaperilla ja kiinnitä niihin johdot.

Rullaa kuparilevy rullaksi ja aseta se astiaan ja aseta naula rullaan. Kiinnitä levy ja naula muovailuvahalla niin, että ne eivät kosketa toisiaan (2). Kaada astiaan etikkaa (n. 5 % liuos) ja mittaa yleismittarilla jännite kuparilevyyn kytkettyjen johtojen päiden ja rautanaulan välillä. Aseta laite mittaamaan tasavirtaa. Mikä napoista on jännitelähteen "plus" ja mikä "miinus"?

2. Luonnos nykyaikaisesta akusta Bagdadista.

Mittari näyttää 0,5-0,7 V, joten Bagdadin akku toimii! Huomaa, että järjestelmän positiivinen napa on kuparia ja miinusnapa rautaa (mittari näyttää positiivisen jännitearvon vain yhdessä johtojen liittämisvaihtoehdossa liittimiin). Onko rakennetusta kopiosta mahdollista saada sähköä hyödylliseen työhön? Kyllä, mutta tee lisää malleja ja kytke ne sarjaan jännitteen lisäämiseksi. LED tarvitsee noin 3 volttia - jos saat niin paljon akusta, LED syttyy.

Bagdadin akun kykyä käyttää pienikokoisia laitteita testattiin toistuvasti. Samanlaisen kokeen tekivät useita vuosia sitten kulttiohjelman MythBusters kirjoittajat. Myytinmurtajat (muistatko vielä Adamin ja Jamien?) tulivat myös siihen tulokseen, että rakenne voisi toimia muinaisena akkuna.

Joten alkoiko ihmiskunnan seikkailu sähkön kanssa yli 2 vuotta sitten? Kyllä ja ei. Kyllä, koska jo silloin oli mahdollista suunnitella virtalähteitä. Ei, koska keksintö ei yleistynyt - kukaan ei tarvinnut sitä silloin eikä vuosisatojen ajan.

Yhteys? Se on yksinkertaista!

Puhdista metallilevyjen tai -johtojen, alumiinin, raudan jne. pinnat perusteellisesti. Aseta kahdesta eri metallista näyte mehukkaaseen hedelmään (joka helpottaa sähkön virtausta), jotta ne eivät kosketa toisiaan. Liitä yleismittarin puristimet hedelmästä ulos työntyvien johtojen päihin ja lue niiden välinen jännite. Vaihda käytettyjen metallien tyyppejä (sekä hedelmiä) ja jatka yrittämistä (3).

3. Hedelmäkenno (alumiini- ja kuparielektrodit).

Kaikissa tapauksissa linkit luotiin. Mitattujen jännitteiden arvot vaihtelevat kokeeseen otetuista metalleista ja hedelmistä riippuen. Hedelmäkennojen yhdistäminen akuksi antaa sinun käyttää sitä pienten elektronisten laitteiden virtalähteenä (tässä tapauksessa se vaatii pienen määrän virtaa, jonka saat suunnittelustasi).

Yhdistä äärimmäisistä hedelmistä ulos työntyvien johtojen päät johtoihin ja nämä vuorostaan ​​LEDin päihin. Heti kun olet kytkenyt akun navat diodin vastaaviin "liittimiin" ja jännite on ylittänyt tietyn kynnysarvon, diodi syttyy (erivärisillä diodeilla on eri alkujännite, mutta noin 3 voltin pitäisi riittää ).

Yhtä houkutteleva virtalähde on elektroninen kello - se voi toimia "hedelmäparistolla" pitkään (vaikka paljon riippuu kellon mallista).

Vihannekset eivät ole millään tavalla huonompia kuin hedelmät, ja niiden avulla voit myös rakentaa niistä akun. Koska? Ota muutama suolakurkku ja sopiva määrä kupari- ja alumiinilevyjä tai lankoja (voit korvata ne teräsnauloilla, mutta saat pienemmän jännitteen yhdestä linkistä). Kokoa akku ja kun käytät sitä integroidun piirin virtalähteenä musiikkirasiasta, kurkkukuoro laulaa!

Miksi kurkut? Konstantin Ildefons Galchinsky väitti, että: "Jos kurkku ei laula ja milloin tahansa, hän ei todennäköisesti näe taivaan tahdosta." Osoittautuu, että kemisti voi tehdä asioita, joista runoilijatkaan eivät ole haaveilleet.

Bivakov akku

Hätätilanteessa voit suunnitella akun itse ja käyttää sitä LED-virranlähteenä. Totta, valo on himmeä, mutta se on parempi kuin ei mitään.

Mitä sinä tarvitset? Tietysti diodi ja lisäksi jääpalamuotti, kuparilanka ja teräsnaulat tai -ruuvit (metallien pinnat kannattaa puhdistaa sähkön virtauksen helpottamiseksi). Leikkaa lanka paloiksi ja kääri ruuvin tai naulan pää palan toiseen päähän. Tee tällä tavalla useita teräs-kupari-asetteluja (8-10 pitäisi riittää).

Kaada kosteaa maaperää muotin syvennyksiin (voit lisäksi kaataa suolavettä, mikä vähentää sähkövastusta). Aseta nyt rakenne onteloon: ruuvin tai naulan tulee mennä yhteen reikään ja kuparilangan toiseen. Aseta seuraavat niin, että teräs on samassa ontelossa kuparin kanssa (metallit eivät pääse kosketuksiin toistensa kanssa). Kokonaisuus muodostaa sarjan: teräs-kupari-teräs-kupari jne. Järjestä elementit siten, että ensimmäinen ja viimeinen ontelo (ainoat yksittäisiä metalleja sisältävät) ovat vierekkäin.

Tässä tulee huipentuma.

Aseta diodin toinen jalka rivin ensimmäiseen syvennykseen ja toinen jalka viimeiseen. paistaako se?

Jos näin on, onnittelut (4)! Jos ei, etsi virheitä. LED-diodissa, toisin kuin perinteisessä hehkulampussa, on oltava napaliitäntä (tiedätkö mikä metalli on akun "plus" ja mikä "miinus"?). Riittää, kun asetat jalat maahan vastakkaiseen suuntaan. Muita vian syitä ovat liian alhainen jännite (vähintään 3 volttia), avoin virtapiiri tai oikosulku siinä.

4. "Maadoitusakku" käytössä.

Ensimmäisessä tapauksessa lisää komponenttien määrää. Toisessa, tarkista metallien välinen liitäntä (tiivistä myös maadoitus niiden ympäriltä). Kolmannessa tapauksessa varmista, että kuparin ja teräksen päät eivät kosketa toisiaan maan alla ja että maa tai laasti, jolla kasoit sen, ei liitä viereisiä kuoppia.

Kokeilu "maaparistolla" on mielenkiintoinen ja osoittaa, että sähköä voidaan saada melkein tyhjästä. Vaikka sinun ei tarvitse käyttää rakennettua rakennetta, voit aina tehdä vaikutuksen lomailijoille MacGyverin kaltaisilla taidoillasi (todennäköisesti vain vanhemmat teknikot muistavat) tai selviytymismestarin.

Miten solut toimivat?

Siitä varataan metallia (elektrodia), joka on upotettu johtavaan liuokseen (elektrolyyttiin). Vähimmäismäärä kationeja menee liuokseen, kun taas elektronit jäävät metalliin. Kuinka monta ionia on liuoksessa ja kuinka monta ylimääräistä elektronia metallissa, riippuu metallityypistä, liuoksesta, lämpötilasta ja monista muista tekijöistä. Jos elektrolyyttiin upotetaan kaksi eri metallia, syntyy niiden välille jännite elektronien erilaisen lukumäärän vuoksi. Kun elektrodit yhdistetään langalla, elektronit metallista, jossa on paljon niitä (negatiivinen elektrodi, eli kennoanodi), alkavat virrata metalliin, jossa on vähemmän niitä (positiivinen elektrodi - katodi). Tietenkin kennon toiminnan aikana on säilytettävä tasapaino: anodista tulevat metallikationit liukenevat ja katodille toimitetut elektronit reagoivat ympäröivien ionien kanssa. Koko piiri on suljettu elektrolyytillä, joka tarjoaa ionien kuljetuksen. Johtimen läpi virtaavien elektronien energiaa voidaan käyttää hyödylliseen työhön.