ბატარეის სამყარო - ნაწილი 1
2019 წლის ნობელის პრემია ქიმიაში მიენიჭა ლითიუმ-იონური ბატარეების დიზაინის შემუშავებისთვის. ნობელის კომიტეტის ზოგიერთი სხვა ვერდიქტისგან განსხვავებით, ეს არ გაკვირვებია - პირიქით. ლითიუმ-იონური ბატარეები კვებავს სმარტფონებს, ლეპტოპებს, პორტატულ ელექტრო ინსტრუმენტებს და ელექტრო მანქანებსაც კი. სამმა მეცნიერმა, ჯონ გუდენოგმა, სტენლი უიტინგემმა და აკირა იოშინომ დამსახურებულად მიიღეს დიპლომები, ოქროს მედლები და 9 მილიონი SEK განაწილებისთვის.
ჯილდოს დასაბუთების შესახებ მეტი შეგიძლიათ წაიკითხოთ ჩვენი ქიმიის ციკლის წინა ნომერში - და თავად სტატია დასრულდა უჯრედებისა და ბატარეების საკითხის უფრო დეტალური პრეზენტაციით. დროა შეასრულოთ თქვენი დაპირება.
პირველი, დასახელების უზუსტობების მოკლე ახსნა.
ლინკები ეს არის ერთადერთი წრე, რომელიც წარმოქმნის ძაბვას.
ბატარეა შედგება სწორად დაკავშირებული უჯრედებისგან. მიზანია გაზარდოს ძაბვა, ტევადობა (ენერგია, რომელიც შეიძლება გამოიტანოს სისტემიდან) ან ორივე ერთად.
აკუმულატორი ეს არის უჯრედი ან ბატარეა, რომელიც შეიძლება დაიტენოს, როდესაც ის ამოწურულია. ყველა ჩიპს არ აქვს ეს თვისებები - ბევრი ერთჯერადია. ყოველდღიურ მეტყველებაში პირველი ორი ტერმინი ხშირად ურთიერთშემცვლელად გამოიყენება (ასე იქნება სტატიაშიც), მაგრამ უნდა იცოდეთ განსხვავება მათ შორის (1).
1. ბატარეები, რომლებიც შედგება უჯრედებისგან.
ბატარეები ბოლო ათწლეულების განმავლობაში არ გამოუგონიათ, მათ გაცილებით გრძელი ისტორია აქვთ. შესაძლოა უკვე გსმენიათ გამოცდილების შესახებ გალვანიეგო i ვოლტი XNUMX-ე და XNUMX საუკუნეების მიჯნაზე, რამაც აღინიშნა ელექტრული დენის გამოყენების დასაწყისი ფიზიკასა და ქიმიაში. თუმცა, ბატარეის ისტორია კიდევ უფრო ადრე დაიწყო. Ეს იყო დიდი ხნის წინ …
... დიდი ხანია ბაღდადში
1936 წელს გერმანელი არქეოლოგი ვილჰელმ კოენიგი ნაპოვნია თიხის ჭურჭელი ბაღდადის მახლობლად, რომელიც თარიღდება ძვ.
თუმცა, ჭურჭლის შიგთავსი საიდუმლოებით მოცული იყო: სპილენძის ფურცლის დაჟანგული რულონი, რკინის ჯოხი და ბუნებრივი ფისის ნარჩენები. კოენიგი საგონებელში ჩავარდა არტეფაქტის დანიშნულებაზე, სანამ არ გაახსენდა ბაღდადში იუველირების ხეივნის მონახულება. მსგავს დიზაინს ადგილობრივი ხელოსნები იყენებდნენ სპილენძის ნაწარმის ძვირფასი ლითონებით დასაფარად. იდეა, რომ ეს იყო უძველესი ბატარეა, არ დაარწმუნა სხვა არქეოლოგები, რომ იმ დროს ელექტროენერგიის არანაირი მტკიცებულება არ შემორჩენილა.
მაშ ასე (ასე ერქვა აღმოჩენას) ეს რეალურია თუ ზღაპარი 1001 ღამის განმავლობაში? დაე, ექსპერიმენტმა გადაწყვიტოს.
თქვენ დაგჭირდებათ: სპილენძის ფირფიტა, რკინის ლურსმანი და ძმარი (გაითვალისწინეთ, რომ ყველა ეს მასალა ცნობილი და ფართოდ ხელმისაწვდომი იყო ანტიკურ ხანაში). შეცვალეთ ფისი ჭურჭლის დალუქვისთვის და შეცვალეთ იგი პლასტილინით, როგორც საიზოლაციო.
ჩაატარეთ ექსპერიმენტი ჭიქაში ან კოლბაში, თუმცა თიხის ვაზის გამოყენება ტესტს ავთენტურ გემოს მისცემს. ქვიშის ქაღალდის გამოყენებით, გაასუფთავეთ ლითონის ზედაპირები დაფებისგან და მიამაგრეთ მავთულები.
გააბრტყელეთ სპილენძის ფირფიტა რულეტად და მოათავსეთ ჭურჭელში, ლურსმანი კი რულონში ჩადეთ. პლასტილინის გამოყენებით დაამაგრეთ ფირფიტა და ლურსმანი ისე, რომ ერთმანეთს არ შეეხოს (2). ჭურჭელში ჩაასხით ძმარი (დაახლოებით 5%-იანი ხსნარი) და მულტიმეტრის გამოყენებით გაზომეთ ძაბვა სპილენძის ფირფიტასთან დაკავშირებულ მავთულის ბოლოებსა და რკინის ლურსმანს შორის. დააყენეთ ინსტრუმენტი DC დენის გასაზომად. ბოძებიდან რომელია ძაბვის წყაროს „პლუს“ და რომელი „მინუს“?
2. ბატარეის თანამედროვე ასლის ესკიზი ბაღდადიდან.
მრიცხველი აჩვენებს 0,5-0,7 ვ, ასე რომ ბაღდადის ბატარეა მუშაობს! გთხოვთ გაითვალისწინოთ, რომ სისტემის დადებითი პოლუსი არის სპილენძი, ხოლო უარყოფითი პოლუსი არის რკინა (მრიცხველი აჩვენებს დადებით ძაბვის მნიშვნელობას ტერმინალებთან მავთულის დასაკავშირებლად მხოლოდ ერთ ვარიანტში). შესაძლებელია თუ არა ჩაშენებული ასლიდან ელექტროენერგიის მიღება სასარგებლო სამუშაოსთვის? დიახ, მაგრამ გააკეთეთ კიდევ რამდენიმე მოდელი და დააკავშირეთ ისინი სერიულად, რომ ძაბვა გაიზარდოს. LED-ს სჭირდება დაახლოებით 3 ვოლტი - თუ ამდენს მიიღებთ თქვენი ბატარეიდან, LED აანთებს.
ბაღდადის ბატარეა არაერთხელ იქნა გამოცდილი მცირე ზომის აღჭურვილობის კვების უნარზე. მსგავსი ექსპერიმენტი რამდენიმე წლის წინ საკულტო პროგრამის MythBusters-ის ავტორებმა ჩაატარეს. მითების გამანადგურებლები (ჯერ კიდევ გახსოვთ ადამი და ჯეიმი?) ასევე მივიდნენ დასკვნამდე, რომ სტრუქტურა შეიძლება ემსახურებოდეს ძველ ბატარეას.
ასე რომ, დაიწყო კაცობრიობის თავგადასავალი ელექტროენერგიით 2 წლის წინ? Კი და არა. დიახ, რადგან მაშინაც შესაძლებელი იყო ელექტრომომარაგების დიზაინი. არა, რადგან გამოგონება არ გავრცელებულა - არავის სჭირდებოდა მაშინ და მრავალი საუკუნის განმავლობაში.
კავშირი? Ეს მარტივია!
კარგად გაწმინდეთ ლითონის ფირფიტების ან მავთულის, ალუმინის, რკინის და ა.შ. ჩადეთ ორი სხვადასხვა ლითონის ნიმუშები წვნიან ხილში (რაც ხელს შეუწყობს ელექტროენერგიის გადინებას) ისე, რომ ისინი ერთმანეთს არ შეეხონ. შეაერთეთ მულტიმეტრიანი დამჭერები ნაყოფიდან გამოსული მავთულის ბოლოებზე და წაიკითხეთ ძაბვა მათ შორის. შეცვალეთ გამოყენებული ლითონების ტიპები (ისევე როგორც ხილი) და განაგრძეთ ცდა (3).
3. ხილის უჯრედი (ალუმინის და სპილენძის ელექტროდები).
ყველა შემთხვევაში შეიქმნა ლინკები. გაზომილი ძაბვის მნიშვნელობები განსხვავდება ექსპერიმენტისთვის მიღებული ლითონებისა და ხილის მიხედვით. ხილის უჯრედების ბატარეაში გაერთიანება საშუალებას მოგცემთ გამოიყენოთ იგი მცირე ელექტრონული აღჭურვილობის გასაძლიერებლად (ამ შემთხვევაში საჭიროა მცირე დენი, რომელიც შეგიძლიათ მიიღოთ თქვენი დიზაინიდან).
შეაერთეთ მავთულის ბოლოები, რომლებიც ამოიწურება ექსტრემალური ხილიდან მავთულხლართებთან და ისინი, თავის მხრივ, LED-ის ბოლოებზე. როგორც კი ბატარეის ბოძებს დააკავშირებთ დიოდის შესაბამის „ტერმინალებს“ და ძაბვა გადააჭარბებს გარკვეულ ზღვარს, დიოდი აინთება (სხვადასხვა ფერის დიოდებს აქვთ განსხვავებული საწყისი ძაბვა, მაგრამ დაახლოებით 3 ვოლტი საკმარისი უნდა იყოს. ).
თანაბრად მიმზიდველი ენერგიის წყაროა ელექტრონული საათი - მას შეუძლია დიდხანს იმუშაოს "ხილის ბატარეაზე" (თუმცა ბევრი რამ დამოკიდებულია საათის მოდელზე).
ბოსტნეული არანაირად არ ჩამოუვარდება ხილს და ასევე საშუალებას გაძლევთ ააწყოთ ბატარეა მათგან. იმიტომ რომ? აიღეთ რამდენიმე მწნილი და შესაბამისი რაოდენობის სპილენძისა და ალუმინის ფურცლები ან მავთულები (შეგიძლიათ შეცვალოთ ისინი ფოლადის ლურსმნებით, მაგრამ თქვენ მიიღებთ დაბალ ძაბვას ერთი ბმულით). აკრიფეთ ბატარეა და როდესაც იყენებთ მას მუსიკალური ყუთიდან ინტეგრირებული მიკროსქემის გასააქტიურებლად, კიტრის გუნდი იმღერებს!
რატომ კიტრი? კონსტანტინე ილდეფონ გალჩინსკი ამტკიცებდა, რომ: "თუ კიტრი არ მღერის და ნებისმიერ დროს, ის ალბათ ვერ ხედავს სამოთხის ნებით". გამოდის, რომ ქიმიკოსს შეუძლია ისეთი რამის გაკეთება, რაზეც პოეტებსაც კი არ უოცნებიათ.
ბივაკოვის ბატარეა
საგანგებო სიტუაციებში, თქვენ შეგიძლიათ თავად დააპროექტოთ ბატარეა და გამოიყენოთ იგი LED-ის გასაძლიერებლად. მართალია, შუქი სუსტი იქნება, მაგრამ სჯობს არცერთს.
რა დაგჭირდებათ? დიოდი, რა თქმა უნდა, და გარდა ამისა, ყინულის კუბის ფორმა, სპილენძის მავთული და ფოლადის ლურსმნები ან ხრახნები (ლითონებს უნდა გაიწმინდოს მათი ზედაპირი ელექტროენერგიის გადინების გასაადვილებლად). მავთული დავჭრათ ნაჭრებად და ხრახნის ან ფრჩხილის თავი შემოახვიეთ ფრაგმენტის ერთი ბოლოთი. გააკეთეთ რამდენიმე ფოლადის-სპილენძის განლაგება ამ გზით (8-10 საკმარისი უნდა იყოს).
ყალიბში ჩაღრმავებში ჩაასხით ტენიანი ნიადაგი (შეგიძლიათ დამატებით დაასხით მარილიანი წყალი, რაც შეამცირებს ელექტრო წინააღმდეგობას). ახლა ჩადეთ თქვენი სტრუქტურა ღრუში: ხრახნი ან ფრჩხილი უნდა შევიდეს ერთ ხვრელში, ხოლო სპილენძის მავთული მეორეში. მოათავსეთ შემდეგი ისე, რომ სპილენძთან ერთსა და იმავე ღრუში იყოს ფოლადი (ლითონები ერთმანეთს ვერ შეხებიან). მთლიანი ქმნის რიგს: ფოლადი-სპილენძი-ფოლადი-სპილენძი და ა.შ. დაალაგეთ ელემენტები ისე, რომ პირველი და ბოლო ღრუები (ერთადერთი ცალკეული ლითონების შემცველი) ერთმანეთის გვერდით იყოს.
აქ მოდის კულმინაცია.
ჩადეთ დიოდის ერთი ფეხი რიგის პირველ ჭრილში, ხოლო მეორე ფეხი ბოლოში. ანათებს?
თუ ასეა, გილოცავთ (4)! თუ არა, მოძებნეთ შეცდომები. LED დიოდს, ჩვეულებრივი ნათურისგან განსხვავებით, უნდა ჰქონდეს კავშირის პოლარობა (იცით რომელი ლითონი არის ბატარეის „პლუს“ და რომელი „მინუსი“?). საკმარისია ფეხების ჩასმა მიწის საპირისპირო მიმართულებით. გაუმართაობის სხვა მიზეზებია ძალიან დაბალი ძაბვა (მინიმუმ 3 ვოლტი), ღია ჩართვა ან მოკლე ჩართვა მასში.
4. „დედამიწის ბატარეა“ მოქმედი.
პირველ შემთხვევაში, გაზარდეთ კომპონენტების რაოდენობა. მეორეში, შეამოწმეთ კავშირი ლითონებს შორის (ასევე დალუქეთ მიწა მათ გარშემო). მესამე შემთხვევაში, დარწმუნდით, რომ სპილენძისა და ფოლადის ბოლოები არ ეხებოდეს ერთმანეთს მიწისქვეშა და რომ ნიადაგი ან ნაღმტყორცნები, რომლითაც ის დაასველეთ, არ აკავშირებს მიმდებარე ორმოებს.
ექსპერიმენტი „დედამიწის ბატარეასთან“ საინტერესოა და ადასტურებს, რომ ელექტროენერგიის მიღება თითქმის არაფრისგან შეიძლება. მაშინაც კი, თუ თქვენ არ გჭირდებათ ჩაშენებული სტრუქტურის გამოყენება, ყოველთვის შეგიძლიათ შთაბეჭდილება მოახდინოთ დამსვენებლებზე თქვენი მაკგივერის მსგავსი უნარებით (ალბათ მხოლოდ უფროს ტექნიკოსებს ახსოვთ) ან გადარჩენის ოსტატებს.
როგორ მუშაობს უჯრედები?
მისგან იტენება გამტარ ხსნარში (ელექტროლიტი) ჩაძირული ლითონი (ელექტროდი). კათიონების მინიმალური რაოდენობა გადადის ხსნარში, ხოლო ელექტრონები რჩება მეტალში. რამდენი იონია ხსნარში და რამდენი ჭარბი ელექტრონი არის ლითონში, დამოკიდებულია ლითონის ტიპზე, ხსნარზე, ტემპერატურაზე და ბევრ სხვა ფაქტორზე. თუ ელექტროლიტში ჩაეფლო ორი განსხვავებული ლითონი, მათ შორის წარმოიქმნება ძაბვა ელექტრონების განსხვავებული რაოდენობის გამო. ელექტროდების მავთულით შეერთებისას, მეტალის ელექტრონები დიდი რაოდენობით (უარყოფითი ელექტროდი, ანუ უჯრედის ანოდი) დაიწყებენ ჩაედინება ლითონში მათი უფრო მცირე რაოდენობით (დადებითი ელექტროდი - კათოდი). რა თქმა უნდა, უჯრედის მუშაობის დროს, ბალანსი უნდა იყოს დაცული: ანოდიდან ლითონის კათიონები გადადიან ხსნარში, ხოლო კათოდში მიტანილი ელექტრონები რეაგირებენ მიმდებარე იონებთან. მთელი წრე დახურულია ელექტროლიტით, რომელიც უზრუნველყოფს იონის ტრანსპორტირებას. გამტარში გამავალი ელექტრონების ენერგია შეიძლება გამოყენებულ იქნას სასარგებლო სამუშაოსთვის.
