Rafhlöðuheimurinn - hluti 1

Nóbelsverðlaunin í efnafræði 2019 voru veitt fyrir þróun hönnunar á litíumjónarafhlöðum. Ólíkt sumum öðrum úrskurðum Nóbelsnefndarinnar kom þessi ekki á óvart - þvert á móti. Lithium-ion rafhlöður knýja snjallsíma, fartölvur, færanleg rafmagnsverkfæri og jafnvel rafbíla. Þrír vísindamenn, John Goodenough, Stanley Whittingham og Akira Yoshino, fengu verðskuldað prófskírteini, gullverðlaun og 9 milljónir SEK fyrir úthlutun. 

Nánar má lesa um rökstuðning fyrir verðlaununum í fyrra hefti af efnafræðihringnum okkar - og greininni sjálfri lauk með því að tilkynnt var um nánari kynningu á frumum og rafhlöðum. Það er kominn tími til að standa við loforð þitt.

Í fyrsta lagi stutt útskýring á ónákvæmni nafna.

Link þetta er eina hringrásin sem framleiðir spennu.

Rafhlaða samanstendur af rétt tengdum frumum. Markmiðið er að auka spennu, rýmd (orku sem hægt er að draga úr kerfinu), eða hvort tveggja.

аккумулятор það er klefi eða rafhlaða sem hægt er að endurhlaða þegar hún er tæmd. Ekki hver flís hefur þessa eiginleika - margir eru einnota. Í daglegu tali eru fyrstu tvö hugtökin oft notuð til skiptis (það mun einnig vera tilfellið í greininni), en menn verða að vera meðvitaðir um muninn á þeim (1).

1. Rafhlöður sem samanstanda af frumum.

Rafhlöður hafa ekki verið fundnar upp síðustu áratugi, þær eiga sér mun lengri sögu. Þú hefur kannski þegar heyrt um reynsluna Galvanie i Volt um aldamót XNUMXth og XNUMXth, sem markaði upphaf notkunar rafstraums í eðlis- og efnafræði. Hins vegar byrjaði saga rafhlöðunnar enn fyrr. Það var langt síðan…

... langan tíma í Bagdad

Árið 1936 þýskur fornleifafræðingur Wilhelm Koenig fann leirker nálægt Bagdad frá XNUMX. öld f.Kr.. Fundurinn virtist ekki óvenjulegur í ljósi þess að siðmenningin á Efrat og Tígris blómstraði í þúsundir ára.

Hins vegar var innihald kersins dularfullt: ryðguð koparrúlla, járnstöng og leifar af náttúrulegu plastefni. Koenig velti fyrir sér tilgangi gripsins þar til hann mundi eftir að hafa heimsótt skartgripasalan í Bagdad. Svipuð hönnun voru notuð af staðbundnum iðnaðarmönnum til að hylja koparvörur með góðmálmum. Hugmyndin um að þetta væri forn rafhlaða sannfærði ekki aðra fornleifafræðinga um að engar vísbendingar um rafmagn lifðu af á þeim tíma.

Svo (það er það sem fundurinn var kallaður) er þetta alvöru hlutur eða ævintýri frá 1001 nótt? Látið tilraunina ráða.

Þú þarft: koparplata, járnnögl og edik (athugið að öll þessi efni voru þekkt og víða fáanleg í fornöld). Skiptu um plastefni til að þétta ílátið og skiptu því út fyrir plastlínu sem einangrun.

Gerðu tilraunina í bikarglasi eða flösku, þó að nota leirkeravasa gefi prófinu ekta bragð. Notaðu sandpappír, hreinsaðu málmfleti af veggskjöldu og festu víra við þá.

Rúllaðu koparplötunni í rúllu og settu hana í kerið og stingdu nöglinum í rúlluna. Notaðu plastlínu til að festa plötuna og nöglina þannig að þau snerti ekki hvort annað (2). Hellið ediki (u.þ.b. 5% lausn) í ílátið og mælið spennuna á milli enda víranna sem eru tengdir koparplötunni og járnnöglsins með því að nota margmæli. Stilltu tækið til að mæla DC straum. Hver af pólunum er „plús“ og hver er „mínus“ spennugjafans?

2. Skissur af nútímalegu eintaki af rafhlöðunni frá Bagdad.

Mælirinn sýnir 0,5-0,7 V, þannig að Bagdad rafhlaðan er að virka! Vinsamlegast athugaðu að jákvæði skaut kerfisins er kopar og neikvæði skauturinn er járn (mælirinn sýnir jákvætt spennugildi í aðeins einum möguleika til að tengja víra við skautana). Er hægt að fá rafmagn úr byggða eintakinu fyrir gagnlega vinnu? Já, en búðu til fleiri gerðir og tengdu þær í röð til að auka spennuna. Ljósdíóðan þarf um 3 volt - ef þú færð svona mikið úr rafhlöðunni þinni kviknar ljósdíóðan.

Bagdad rafhlaðan var ítrekað prófuð fyrir getu sína til að knýja lítinn búnað. Sambærileg tilraun var gerð fyrir nokkrum árum af höfundum sértrúarsöfnuðarins MythBusters. Mythbusters (manstu enn eftir Adam og Jamie?) komust líka að þeirri niðurstöðu að byggingin gæti þjónað sem forn rafhlaða.

Svo byrjaði ævintýri mannkyns með rafmagn fyrir rúmum 2 árum? Já og nei. Já, því jafnvel þá var hægt að hanna aflgjafa. Nei, því uppfinningin náði ekki útbreiðslu - enginn þurfti á henni að halda þá og í margar aldir.

Tenging? Það er einfalt!

Hreinsaðu vandlega yfirborð málmplötur eða víra, ál, járn osfrv. Settu sýnishorn af tveimur mismunandi málmum í safaríkan ávöxt (sem mun auðvelda rafflæði) svo að þeir snerti ekki hvort annað. Tengdu multimeter klemmurnar við endana á vírunum sem standa út úr ávöxtunum og lestu spennuna á milli þeirra. Breyttu tegundum málma sem notaðir eru (sem og ávextir) og haltu áfram að reyna (3).

3. Ávaxtafrumur (ál og kopar rafskaut).

Í öllum tilfellum voru hlekkir búnir til. Gildin á mældum spennum eru mismunandi eftir málmum og ávöxtum sem teknir eru fyrir tilraunina. Að sameina ávaxtafrumur í rafhlöðu gerir þér kleift að nota hana til að knýja lítinn rafeindabúnað (í þessu tilfelli þarf það lítið magn af straumi, sem þú getur fengið frá hönnun þinni).

Tengdu endana á vírunum sem standa út úr öfgaávöxtunum við vírana, og þá aftur á endana á LED. Um leið og búið er að tengja rafhlöðupólurnar við samsvarandi "pólur" díóðunnar og spennan hefur farið yfir ákveðinn þröskuld þá kviknar í díóðunni (díóður í mismunandi litum eru með mismunandi upphafsspennu en um 3 volt ættu að duga ).

Jafn aðlaðandi aflgjafi er rafrænt úr - það getur starfað á „ávaxtarafhlöðu“ í langan tíma (þótt mikið fari eftir gerð úrsins).

Grænmeti er á engan hátt síðri en ávextir og gerir þér einnig kleift að byggja rafhlöðu úr þeim. Sem? Taktu nokkrar súrum gúrkum og hæfilegu magni af kopar- og álplötum eða vírum (þú getur skipt þessum fyrir stálnögla, en þú færð lægri spennu frá einum hlekk). Settu saman rafhlöðu og þegar þú notar hana til að knýja samþætta hringrásina frá spiladósinni mun gúrkukórinn syngja!

Af hverju gúrkur? Konstantin Ildefons Galchinsky hélt því fram að: "Ef agúrkan syngur ekki og hvenær sem er, getur hann líklega ekki séð með vilja himins." Það kemur í ljós að efnafræðingur getur gert hluti sem jafnvel skáld hafa ekki dreymt um.

Bivouac rafhlaða

Í neyðartilvikum geturðu hannað rafhlöðu sjálfur og notað hana til að knýja LED. Vissulega verður ljósið dauft, en það er betra en ekkert.

Hvað muntu þurfa? Auðvitað díóða og þar að auki ísmola, koparvír og stálnögl eða skrúfur (þarf að þrífa yfirborð málma til að auðvelda rafmagnsflæði). Klippið vírinn í sundur og vefjið höfuðið á skrúfunni eða nöglinum með öðrum enda brotsins. Gerðu nokkrar stál-kopar skipulag á þennan hátt (8-10 ættu að vera nóg).

Helltu rökum jarðvegi í holurnar í mótinu (þú getur að auki hellt saltvatni, sem dregur úr rafviðnámi). Settu nú uppbygginguna inn í holrúmið: skrúfan eða naglinn ætti að fara í eitt gat og koparvírinn í hitt. Settu næstu þannig að það sé stál í sama holi með kopar (málmar gátu ekki komist í snertingu hver við annan). Allt myndar röð: stál-kopar-stál-kopar o.s.frv. Raða frumefnum þannig að fyrsta og síðasta holrúmið (það eina sem inniheldur einstaka málma) liggi við hliðina á hvort öðru.

Hér kemur hápunkturinn.

Settu annan fótinn af díóðunni inn í fyrstu holuna í röðinni og hinn fótinn í þann síðasta. Er það að skína?

Ef svo er, til hamingju (4)! Ef ekki, leitaðu að villum. LED díóða, ólíkt hefðbundinni ljósaperu, verður að vera með pólunartengingu (veistu hvaða málmur er „plús“ og hver er „mínus“ rafhlöðunnar?). Það er nóg að setja fæturna í áttina á móti jörðinni. Aðrar orsakir bilunar eru of lág spenna (lágmark 3 volt), opið hringrás eða skammhlaup í honum.

4. "Jarðar rafhlaða" í gangi.

Í fyrra tilvikinu, fjölga íhlutum. Í öðru lagi skaltu athuga tenginguna á milli málma (innsiglið einnig jörðina í kringum þá). Í þriðja tilvikinu skaltu ganga úr skugga um að endar kopars og stáls snerti ekki hvor annan neðanjarðar og að jarðvegurinn eða steypuhræra sem þú vættir það með tengi ekki aðliggjandi gryfjur.

Tilraunin með "jardarbatteríið" er áhugaverð og sannar að rafmagn fæst úr nánast engu. Jafnvel þó þú þurfir ekki að nota byggt mannvirki, geturðu alltaf heilla orlofsgesti með MacGyver-líkum hæfileikum þínum (líklega aðeins muna eftir háttsettum tæknimönnum) eða meistara að lifa af.

Hvernig virka frumur?

Málmur (rafskaut) sökkt í leiðandi lausn (raflausn) er hlaðinn úr honum. Lágmarksmagn katjóna fer í lausn en rafeindir eru eftir í málmnum. Hversu margar jónir eru í lausn og hversu margar umfram rafeindir eru í málmnum fer eftir tegund málms, lausn, hitastigi og mörgum öðrum þáttum. Ef tveir ólíkir málmar eru sökktir í raflausn myndast spenna á milli þeirra vegna mismunandi fjölda rafeinda. Þegar rafskautin eru tengd við vír munu rafeindir úr málmi með miklum fjölda þeirra (neikvæð rafskaut, þ.e. frumuskaut) byrja að flæða inn í málm með minni fjölda þeirra (jákvæð rafskaut - bakskaut). Auðvitað, meðan fruman er í gangi, verður að halda jafnvægi: málmkatjónir frá rafskautinu fara í lausn og rafeindirnar sem berast til bakskautsins hvarfast við nærliggjandi jónir. Öll hringrásin er lokuð með raflausn sem veitir jónaflutning. Hægt er að nota orku rafeinda sem flæða í gegnum leiðara til gagnlegra verka.