Akumaailm – 1. osa
2019. aasta Nobeli keemiaauhind anti liitium-ioonakude disaini arendamise eest. Erinevalt mõnest teisest Nobeli komitee otsusest see ei üllatanud – pigem vastupidi. Liitiumioonakud toidavad nutitelefone, sülearvuteid, kaasaskantavaid elektritööriistu ja isegi elektriautosid. Kolm teadlast, John Goodenough, Stanley Whittingham ja Akira Yoshino, said jagamiseks vääriliselt diplomid, kuldmedalid ja 9 miljonit Rootsi krooni.
Auhinna põhjenduse kohta saate täpsemalt lugeda meie keemiatsükli eelmisest numbrist – ja artikkel ise lõppes elementide ja patareide probleemi üksikasjalikuma tutvustuse väljakuulutamisega. On aeg oma lubadus täita.
Esiteks lühike selgitus nimetamise ebatäpsuste kohta.
Link see on ainuke pinge genereeriv ahel.
Aku koosneb õigesti ühendatud rakkudest. Eesmärk on suurendada pinget, mahtuvust (energiat, mida saab süsteemist ammutada) või mõlemat.
akumulaator see on element või aku, mida saab tühjaks saades laadida. Mitte igal kiibil pole neid omadusi – paljud on ühekordselt kasutatavad. Igapäevakõnes kasutatakse kahte esimest terminit sageli vaheldumisi (seda tuleb ka artiklis), kuid tuleb olla teadlik nende erinevusest (1).
1. Elementidest koosnevad akud.
Akusid pole leiutatud viimased aastakümned, neil on palju pikem ajalugu. Võib-olla olete kogemusest juba kuulnud Galvaniego i volti XNUMX ja XNUMX sajandi vahetusel, mis tähistas elektrivoolu kasutamise algust füüsikas ja keemias. Aku ajalugu algas aga veelgi varem. See oli kaua aega tagasi…
... kaua aega Bagdadis
1936. aastal saksa arheoloog Wilhelm Koenig leidis Bagdadi lähedalt savinõu, mis pärineb XNUMX. sajandist eKr. Leid ei tundunud ebatavaline, arvestades, et Eufrati ja Tigrise tsivilisatsioon õitses tuhandeid aastaid.
Anuma sisu oli aga salapärane: roostetanud vaskplekirull, raudvarras ja loodusliku vaigu jäänused. Koenig mõtles artefakti eesmärgi üle, kuni talle meenus Bagdadi juveliiride allee külastamine. Sarnaseid kujundusi kasutasid kohalikud käsitöölised vasktoodete katmiseks väärismetallidega. Mõte, et tegemist oli iidse patareiga, ei veennud teisi arheolooge, et elektri olemasolu kohta tol ajal tõendeid ei säilinud.
Niisiis (nii seda leidu nimetati) on see päris asi või muinasjutt 1001 ööst? Las katse otsustab.
Te vajate: vaskplaat, raudnael ja äädikas (pange tähele, et kõik need materjalid olid tuntud ja laialdaselt kättesaadavad antiikajal). Asendage anuma tihendamiseks vaik ja asendage see isolatsioonina plastiliiniga.
Tehke katse keeduklaasis või kolvis, kuigi savivaasi kasutamine annab testile autentse maitse. Puhastage metallpinnad liivapaberiga tahvlist ja kinnitage neile juhtmed.
Rullige vaskplaat rulli ja asetage see anumasse ning sisestage nael rulli. Kinnitage plaat ja nael plastiliiniga nii, et need ei puutuks kokku (2). Valage anumasse äädikat (ca 5% lahus) ja mõõtke multimeetri abil pinge vaskplaadiga ühendatud juhtmete otste ja raudnaela vahel. Seadke seade alalisvoolu mõõtma. Milline poolustest on pingeallika "pluss" ja milline "miinus"?
2. Bagdadi aku kaasaegse koopia eskiis.
Mõõdik näitab 0,5-0,7 V, seega Bagdadi aku töötab! Pange tähele, et süsteemi positiivne poolus on vask ja negatiivne poolus on raud (arvesti näitab positiivset pinge väärtust ainult ühes valikus juhtmete ühendamiseks klemmidega). Kas ehitatud eksemplarist on võimalik elektrit saada kasulikuks tööks? Jah, aga tehke veel mõned mudelid ja ühendage need pinge tõstmiseks järjestikku. LED vajab umbes 3 volti – kui akust nii palju saad, süttib LED.
Bagdadi akut testiti korduvalt, et näha, kas see suudab toita väikese suurusega seadmeid. Sarnase katse viisid mitu aastat tagasi läbi kultusprogrammi MythBusters autorid. Müüdimurdjad (kas mäletate veel Adamit ja Jamie-d?) jõudsid samuti järeldusele, et ehitis võib toimida iidse patareina.
Kas inimkonna seiklus elektriga algas siis üle 2 aasta tagasi? Jah ja ei. Jah, sest juba siis oli võimalik toiteplokke projekteerida. Ei, sest leiutis ei saanud laialt levinud – kellelgi polnud seda siis ja veel palju sajandeid vaja.
Ühendus? See on lihtne!
Puhastage põhjalikult metallplaatide või juhtmete, alumiiniumi, raua jms pinnad. Sisestage kahe erineva metalli näidised mahlasesse puuvilja (mis hõlbustab elektrivoolu) nii, et need ei puudutaks üksteist. Ühendage multimeetri klambrid viljast väljaulatuvate juhtmete otstega ja lugege nende vahelist pinget. Muutke kasutatavate metallide tüüpe (ja ka puuvilju) ja jätkake proovimist (3).
3. Viljarakk (alumiinium- ja vaskelektroodid).
Kõikidel juhtudel loodi lingid. Mõõdetud pingete väärtused erinevad olenevalt katseks võetud metallidest ja viljadest. Puuelementide ühendamine akusse võimaldab teil seda kasutada väikeste elektroonikaseadmete toiteks (sel juhul nõuab see väikest voolu, mille saate oma disainist).
Ühendage äärmuslikest viljadest välja ulatuvad juhtmeotsad juhtmetega ja need omakorda LED-i otstega. Niipea kui olete ühendanud aku poolused dioodi vastavate "klemmidega" ja pinge on ületanud teatud läve, süttib diood (erinevat värvi dioodidel on erinev algpinge, kuid umbes 3 volti peaks piisama ).
Sama atraktiivne toiteallikas on elektrooniline käekell - see võib pikka aega töötada "puuvilja akuga" (kuigi palju sõltub kella mudelist).
Köögiviljad ei jää kuidagi puuviljadele alla ja võimaldavad ka neist aku ehitada. Nagu? Võtke paar hapukurki ja sobiv kogus vase- ja alumiiniumlehti või -traate (võite need asendada terasnaeltega, kuid ühest lülist saate madalama pinge). Pane aku kokku ja kui kasutad seda muusikakastist integraallülituse toiteks, laulab kurgikoor!
Miks kurgid? Konstantin Ildefons Galchinsky väitis, et "Kui kurk ei laula ja igal ajal, ei näe ta ilmselt taeva tahtel." Selgub, et keemik suudab teha asju, millest isegi luuletajad pole unistanud.
Bivouac aku
Hädaolukorras saate aku ise kujundada ja kasutada seda LED-i toiteks. Tõsi, valgus on hämar, kuid see on parem kui mitte.
Mida sa vajad? Diood muidugi ja lisaks veel jääkuubikuvorm, vasktraat ja terasnaelad või kruvid (elektri voolamise hõlbustamiseks tuleks metallide pinnad puhastada). Lõika traat tükkideks ja mähkige kruvi või naela pea killu ühe otsaga. Tehke sel viisil mitu terasest-vasest paigutust (8-10 peaks piisama).
Valage vormi süvenditesse niiske muld (lisaks võite piserdada soolase veega, mis vähendab elektritakistust). Nüüd sisestage oma struktuur õõnsusse: kruvi või nael peaks minema ühte auku ja vasktraat teise. Järgmised asetage nii, et vasega samasse süvendisse jääks teras (metallid ei saanud omavahel kokku puutuda). Tervik moodustab rea: teras-vask-teras-vask jne. Paigutage elemendid nii, et esimene ja viimane õõnsused (ainsad, mis sisaldavad üksikuid metalle) asetseksid kõrvuti.
Siit tuleb haripunkt.
Sisestage dioodi üks jalg rea esimesse süvendisse ja teine jalg viimasesse. Kas see särab?
Kui jah, siis palju õnne (4)! Kui ei, siis otsige vigu. LED-dioodil, erinevalt tavalisest lambipirnist, peab olema polaarsusühendus (kas teate, milline metall on aku "pluss" ja milline "miinus"?). Piisab, kui sisestada jalad maapinna vastassuunas. Muud rikke põhjused on liiga madal pinge (minimaalselt 3 volti), avatud vooluring või lühis selles.
4. "Maanduspatarei" töökorras.
Esimesel juhul suurendage komponentide arvu. Teises kontrollige metallide vahelist ühendust (tihendage ka maapind nende ümber). Kolmandal juhul veenduge, et vase ja terase otsad ei puudutaks üksteist maa all ja et pinnas või mört, millega te seda niisutasite, ei ühendaks külgnevaid süvendeid.
Eksperiment "maapatareiga" on huvitav ja tõestab, et elektrit saab peaaegu mitte millestki. Isegi kui te ei pea kasutama ehitatud konstruktsiooni, saate alati puhkajatele muljet avaldada oma MacGyveri-laadsete oskustega (meenuvad ilmselt ainult vanemtehnikud) või ellujäämismeistritega.
Kuidas rakud töötavad?
Sellest laetakse juhtivasse lahusesse (elektrolüüti) sukeldatud metall (elektrood). Lahusesse läheb minimaalne kogus katioone, samas kui elektronid jäävad metalli. Kui palju ioone on lahuses ja kui palju üleliigseid elektrone on metallis, sõltub metalli tüübist, lahusest, temperatuurist ja paljudest muudest teguritest. Kui elektrolüüti sukeldada kaks erinevat metalli, tekib nende vahel erineva elektronide arvu tõttu pinge. Elektroodide ühendamisel traadiga hakkavad elektronid metallist, kus neid on palju (negatiivne elektrood, st raku anood), voolama väiksema arvuga metalli (positiivne elektrood - katood). Loomulikult tuleb raku töötamise ajal säilitada tasakaal: anoodilt lähevad metallikatioonid lahusesse ning katoodile toimetatud elektronid reageerivad ümbritsevate ioonidega. Kogu vooluring on suletud elektrolüüdiga, mis tagab ioonide transpordi. Juhti läbivate elektronide energiat saab kasutada kasulikuks tööks.
