Bateria mundua - 1. zatia

2019ko Kimikako Nobel Saria litio-ioizko baterien diseinua garatzeagatik eman zen. Nobel Batzordearen beste epai batzuek ez bezala, honek ez zuen harritu, kontrakoa baizik. Litio-ioizko bateriak telefono adimendunak, ordenagailu eramangarriak, tresna elektrikoak eta baita auto elektrikoak ere elikatzen ditu. Hiru zientzialarik, John Goodenough, Stanley Whittingham eta Akira Yoshino, merezita jaso zituzten diplomak, urrezko dominak eta 9 milioi SEK banatzeko. 

Sariaren arrazoiari buruz gehiago irakur dezakezue gure kimika zikloaren aurreko zenbaki batean - eta artikulua bera zelulen eta baterien gaiaren aurkezpen zehatzago baten iragarpenarekin amaitu zen. Zure promesa betetzeko garaia da.

Lehenik eta behin, izendapenen zehaztasun ezen azalpen laburra.

Link hau da tentsioa sortzen duen zirkuitu bakarra.

bateria behar bezala konektatutako zelulez osatuta dago. Helburua tentsioa, kapazitatea (sistematik atera daitekeen energia) edo biak handitzea da.

аккумулятор agortuta dagoenean birkargatu daitekeen zelula edo bateria da. Txip guztiek ez dituzte propietate hauek; asko botatzekoak dira. Eguneroko hizkeran, lehen bi terminoak elkarren artean erabili ohi dira (artikuluan ere hala izango da), baina haien arteko ezberdintasunaz jabetu behar da (1).

1. Zelulaz osatutako bateriak.

Azken hamarkadetan pilak ez dira asmatu, askoz historia luzeagoa dute. Baliteke jadanik esperientziaren berri izatea Galvaniego i Voltioak mendeen amaieran, korronte elektrikoa fisikan eta kimikan erabiltzen hasi zen. Hala ere, bateriaren historia lehenago hasi zen. Aspaldi zen…

... denbora luzea Bagdaden

1936an arkeologo alemaniarra Wilhelm Koenig K.a III.mendekoa zen Bagdad ondoan lurrezko ontzi bat aurkitu zuen.Aurkikuntzak ez zirudien arraroa, izan ere, Eufrates eta Tigrisen zibilizazioa milaka urtez loratu zen.

Hala ere, ontziaren edukia misteriotsua zen: kobrezko xafla herdoildua, burdinezko haga bat eta erretxina naturalaren aztarnak. Koenig-ek artefaktuaren helburuaz harrituta geratu zen Bagdadeko Bitxigileen Kalea bisitatu zuela gogoratu zuen arte. Bertako artisauek antzeko diseinuak erabiltzen zituzten kobrezko produktuak metal preziatuekin estaltzeko. Antzinako bateria bat zelako ideiak ez zituen beste arkeologoak konbentzitu garai hartan elektrizitatearen frogarik ez zegoenik.

Beraz (horrela deitzen zen aurkikuntza) benetako gauza bat ala 1001 gaueko maitagarrien ipuina al da? Utzi esperimentuak erabaki.

Beharko duzu: kobrezko plaka, burdinazko iltze eta ozpina (kontuan izan material horiek guztiak ezagunak zirela eta oso eskuragarriak zirela antzinatean). Ordeztu erretxina ontzia zigilatzeko eta ordezkatu plastilinaz isolamendu gisa.

Egin esperimentua ontzi edo matraz batean, lurrezko loreontzi bat erabiltzeak probari benetako zaporea emango dion arren. Lixa-papera erabiliz, garbitu metalezko gainazalak plakatik eta lotu hariak.

Biratu kobrezko plaka erroilu batean eta jarri ontzian, eta sartu iltzea erroiluan. Plastilina erabiliz, finkatu plaka eta iltzea, elkar ukitu ez dadin (2). Bota ozpina (gutxi gorabehera % 5eko disoluzioa) ontzira eta, multimetroa erabiliz, neurtu kobrezko xaflari eta burdinezko iltzeari lotutako harien muturren arteko tentsioa. Ezarri tresna korronte korrontea neurtzeko. Poloetatik zein da "plusa" eta zein da tentsio iturriaren "minus"?

2. Bagdadeko bateriaren kopia moderno baten krokisa.

Neurgailuak 0,5-0,7 V erakusten ditu, beraz Bagdadeko bateria funtzionatzen ari da! Kontuan izan sistemaren polo positiboa kobrea dela eta polo negatiboa burdina dela (neurgailuak tentsio balio positiboa erakusten du aukera bakarrean hariak terminaletara konektatzeko). Posible al da eraikitako kopiatik elektrizitatea eskuratzea lan erabilgarria izateko? Bai, baina egin modelo batzuk eta seriean konektatu tentsioa handitzeko. LEDak 3 voltio inguru behar ditu - bateriatik horrenbeste lortzen baduzu, LEDa piztuko da.

Bagdadeko bateria behin eta berriz probatu zen tamaina txikiko ekipoak elikatzeko duen gaitasunagatik. Duela zenbait urte antzeko esperimentu bat egin zuten MythBusters gurtza programaren egileek. Mythbusters (oraindik gogoratzen al zara Adam eta Jamie?) egiturak antzinako bateria gisa balio zezakeela ondorioztatu zuten ere.

Beraz, gizakiak elektrizitatearekin duen abentura duela 2 urte baino gehiago hasi zen? Bai eta ez. Bai, orduan ere posible zelako elikatze-iturria diseinatzea. Ez, asmakizuna ez baitzen hedatu - inork ez zuen behar izan orduan eta mende askotan.

Konexioa? Sinplea da!

Ondo garbitu metalezko plaken edo alanbreen gainazalak, aluminioa, burdina, etab. Sartu bi metal ezberdinen laginak fruta mamitsu batean (elektrizitatearen jarioa erraztuko duena), elkar ukitu ez dezaten. Konektatu multimetroko besarkadak fruitutik irteten diren harien muturretara, eta irakurri haien arteko tentsioa. Aldatu erabilitako metal motak (baita fruituak ere) eta jarraitu saiatzen (3).

3. Fruta-zelula (aluminiozko eta kobrezko elektrodoak).

Kasu guztietan loturak sortu ziren. Neurtutako tentsioen balioak desberdinak dira esperimenturako hartutako metalen eta fruituen arabera. Fruta-zelulak bateria batean konbinatuz ekipo elektroniko txikiak elikatzeko erabiltzeko aukera emango dizu (kasu honetan, korronte txiki bat behar du, zure diseinutik lor dezakezuna).

Konektatu muturreko fruituetatik irteten diren harien muturrak harietara, eta hauek, aldi berean, LEDaren muturretara. Bateriaren poloak diodoari dagozkion "terminaletara" konektatu eta tentsioak atalase jakin bat gainditu bezain laster, diodoa piztuko da (kolore ezberdinetako diodoek hasierako tentsio desberdina dute, baina 3 voltio inguru nahikoa izan behar du). ).

Berdin erakargarria den energia-iturri bat erloju elektronikoa da - denbora luzez "fruta-baterian" funtziona dezake (nahiz eta asko erlojuaren modeloaren araberakoa izan).

Barazkiak ez dira inola ere fruituak baino gutxiago eta haietatik bateria bat eraikitzeko aukera ere ematen dute. Zeren? Hartu ozpinetako batzuk eta kobre eta aluminiozko xafla edo alanbre kopuru egokia (altzairuzko iltzeekin ordezka ditzakezu, baina tentsio baxuagoa lortuko duzu lotura bakar batetik). Muntatu bateria eta musika kutxatik zirkuitu integratua elikatzeko erabiltzen duzunean, pepino abesbatzak abestuko du!

Zergatik pepinoak? Konstantin Ildefons Galchinsky-k honako hau argudiatu zuen: "Pepinoak abesten ez badu eta edozein unetan, ziurrenik ezin du zeruaren borondatez ikusi". Gertatzen da kimikari batek poetek ere amestu ez dituzten gauzak egin ditzakeela.

Bivakov bateria

Larrialdi batean, zuk zeuk diseina dezakezu bateria bat eta LED bat elikatzeko erabil dezakezu. Egia da, argia ahula izango da, baina hobe da ezer ez baino.

Zer beharko duzu? Diodo bat, noski, eta horrez gain, izotz kuboen moldea, kobrezko alanbrea eta altzairuzko iltzeak edo torlojuak (metalek beren gainazala garbitu behar dute elektrizitatearen jarioa errazteko). Moztu alanbrea zatitan eta bildu torlojuaren edo iltzearen burua zatiaren mutur batekin. Altzairu-kobrezko hainbat diseinu egin modu honetan (8-10 nahikoa izan beharko luke).

Bota lur hezea moldeko zirrikietan (ur gazia bota dezakezu, eta horrek erresistentzia elektrikoa murriztuko du). Orain sartu zure egitura barrunbean: torlojua edo iltzea zulo batean sartu behar da, eta kobrezko alanbrea bestean. Jarri hurrengoak kobrearen barrunbe berean altzairua egon dadin (metalak ezin izan dira elkarren artean kontaktuan jarri). Osoak serie bat osatzen du: altzairua-kobrea-altzairua-kobrea... Antolatu elementuak, lehen eta azken barrunbeak (metal indibidualak dituzten bakarrak) bata bestearen ondoan egon daitezen.

Hemen dator gorena.

Sartu diodoaren hanka bat errenkako lehen zirrikituan eta beste hanka azkenekoan. Distira al du?

Bada, zorionak (4)! Hala ez bada, bilatu akatsak. LED diodo batek, ohiko bonbilla batek ez bezala, polaritate-konexioa izan behar du (ba al dakizu zein metal den "plusa" eta zein den bateriaren "negatiboa"?). Nahikoa da hankak lurraren kontrako norabidean sartzea. Porrotaren beste arrazoi batzuk tentsio baxuegia (gutxienez 3 voltio), zirkuitu irekia edo zirkuitu laburregia dira.

4. "Lurreko bateria" martxan.

Lehenengo kasuan, osagai kopurua handitu. Bigarrenean, egiaztatu metalen arteko lotura (inguruko lurra ere zigilatu). Hirugarren kasuan, ziurtatu kobrearen eta altzairuaren muturrak ez dutela elkar ukitzen lurpean eta busti duzun lurzorua edo morteroak ez duela ondoko hobiak lotzen.

"Lurreko bateria"-rekin egindako esperimentua interesgarria da eta elektrizitatea ia ezerezetik lor daitekeela frogatzen du. Eraikitako egitura bat erabili beharrik ez baduzu ere, beti hunki ditzakezu udatiarrak zure MacGyver-en antzeko trebetasunekin (ziurrenik goi mailako teknikariek bakarrik gogoratzen dituztenak) edo biziraupeneko maisuarekin.

Nola funtzionatzen dute zelulek?

Disoluzio eroale batean (elektrolitoa) murgilduta dagoen metal bat (elektrodoa) kargatzen da. Katioi kopuru minimoa disoluzioan sartzen da, elektroiak metalean geratzen diren bitartean. Zenbat ioi dauden disoluzioan eta zenbat elektroi soberan dauden metalean metal motaren, disoluzioaren, tenperaturaren eta beste hainbat faktoreren araberakoak dira. Elektrolito batean bi metal ezberdin murgiltzen badira, haien artean tentsio bat sortuko da elektroi kopuru ezberdinaren ondorioz. Elektrodoak hari batekin konektatzean, horietako kopuru handia duen metal bateko elektroiak (elektrodo negatiboa, hau da, zelula-anodoa) horietako kopuru txikiagoa duen metal batera isurtzen hasiko dira (elektrodo positiboa - katodoa). Noski, zelularen funtzionamenduan, oreka mantendu behar da: anodoko katioi metalikoak disoluzioan sartzen dira, eta katodora helarazitako elektroiek inguruko ioiekin erreakzionatzen dute. Zirkuitu osoa ioien garraioa ematen duen elektrolito batek ixten du. Eroale batetik igarotzen diren elektroien energia lan erabilgarria egiteko erabil daiteke.