Батерейны ертөнц - 1-р хэсэг

2019 оны Химийн салбарын Нобелийн шагналыг лити-ион батерейны загвар зохион бүтээснийхээ төлөө олгов. Нобелийн хорооны бусад шийдвэрээс ялгаатай нь энэ нь гайхсангүй - эсрэгээрээ. Лити-ион батерейнууд нь ухаалаг гар утас, зөөврийн компьютер, зөөврийн цахилгаан хэрэгсэл, цахилгаан машин хүртэл ажилладаг. Гурван эрдэмтэн Жон Гуденоф, Стэнли Уиттингем, Акира Ёшино нар диплом, алтан медаль, 9 сая крон-г хүртэж, хуваарилсан. 

Шагналын үндэслэлийн талаар та манай химийн мөчлөгийн өмнөх дугаараас уншиж болно - мөн нийтлэл өөрөө эс ба батерейны асуудлыг илүү нарийвчилсан танилцуулга зарласнаар төгсөв. Амлалтаа биелүүлэх цаг болжээ.

Нэгдүгээрт, нэрлэлтийн алдааны талаар товч тайлбар.

холбоос Энэ бол хүчдэл үүсгэдэг цорын ганц хэлхээ юм.

Батерей зөв холбогдсон нүднүүдээс бүрдэнэ. Зорилго нь хүчдэл, багтаамж (системээс гаргаж авах энерги) эсвэл хоёуланг нь нэмэгдүүлэх явдал юм.

зай Энэ нь цэнэг дуусмагц дахин цэнэглэгдэх эс буюу зай юм. Чип бүр ийм шинж чанартай байдаггүй - ихэнх нь нэг удаагийнх байдаг. Өдөр тутмын ярианд эхний хоёр нэр томъёог ихэвчлэн сольж хэрэглэдэг (энэ нь нийтлэлд ч мөн адил байх болно), гэхдээ тэдгээрийн хоорондын ялгааг мэддэг байх ёстой (1).

1. Эсээс бүрдэх батерей.

Батерейг сүүлийн хэдэн арван жилд зохион бүтээгээгүй, тэд илүү урт түүхтэй. Та туршлагын талаар аль хэдийн сонссон байх Галвани i Вольт физик, химийн салбарт цахилгаан гүйдлийг ашиглах эхлэлийг тавьсан XNUMX-XNUMX-р зууны зааг дээр. Гэсэн хэдий ч батерейны түүх бүр эрт эхэлсэн. Энэ нь маш удаан хугацааны өмнө байсан ...

... Багдад хотод удаан хугацаагаар

1936 онд Германы археологич Вильгельм Коениг Багдадын ойролцоох МЭӨ XNUMX-р зуунд хамаарах шавар сав олжээ.Евфрат, Тигр мөрний соёл иргэншил олон мянган жилийн турш цэцэглэн хөгжсөнийг тооцвол олдвор нь ер бусын санагдсангүй.

Гэсэн хэдий ч савны агуулга нь нууцлаг байсан: зэвэрсэн өнхрөх зэс хуудас, төмөр саваа, байгалийн давирхайн үлдэгдэл. Коениг Багдад дахь Үнэт эдлэлийн гудамжинд зочилсоноо санах хүртлээ олдворын зорилгын талаар эргэлзэв. Үүнтэй төстэй загварыг нутгийн гар урчууд зэс эдлэлийг үнэт металлаар бүрхэхэд ашигладаг байв. Энэ нь эртний батерей байсан гэсэн санаа нь бусад археологичдод тэр үед цахилгаан эрчим хүчний ямар ч нотолгоо үлдээгүй гэдэгт итгүүлээгүй.

Тэгэхээр (олдворыг ингэж нэрлэсэн) энэ бодит зүйл үү эсвэл 1001 шөнийн үлгэр үү? Туршилтаар шийдье.

Танд хэрэгтэй болно: зэс хавтан, төмрийн хадаас, цуу (эдгээр бүх материалыг эрт дээр үеэс мэддэг байсан бөгөөд өргөн тархсан байсныг анхаарна уу). Савыг битүүмжлэхийн тулд давирхайг сольж, тусгаарлагч болгон хуванцараар солино.

Туршилтыг шилэн аяга эсвэл колбонд хийнэ, гэхдээ шавар ваар хэрэглэх нь туршилтанд жинхэнэ амт өгөх болно. Зүлгүүр ашиглан металл гадаргууг товруунаас цэвэрлэж, утсыг холбоно.

Зэс хавтанг өнхрүүлэн өнхрүүлэн саванд хийж, хадаасыг өнхрүүлэн оруулна. Plasticine ашиглан хавтан ба хадаасыг бие биендээ хүрэхгүйн тулд бэхлээрэй (2). Уксус (ойролцоогоор 5% -ийн уусмал) саванд хийнэ, мултиметр ашиглан зэс хавтан ба төмөр хадаастай холбогдсон утаснуудын төгсгөлийн хоорондох хүчдэлийг хэмжинэ. Тогтмол гүйдлийг хэмжих багажийг тохируулна уу. Хүчдэлийн эх үүсвэрийн аль туйл нь "нэмэх", аль нь "хасах" вэ?

2. Батарейны орчин үеийн хуулбарын ноорог Багдадаас.

Тоолуур нь 0,5-0,7 В-ыг харуулж байгаа тул Багдадын батерей ажиллаж байна! Системийн эерэг туйл нь зэс, сөрөг туйл нь төмөр (тоолуур нь утсыг терминал руу холбоход зөвхөн нэг хувилбарт эерэг хүчдэлийн утгыг харуулдаг) гэдгийг анхаарна уу. Ашигтай ажилд зориулж барьсан хуулбараас цахилгаан авах боломжтой юу? Тийм ээ, гэхдээ хэд хэдэн загвар хийж, хүчдэлийг нэмэгдүүлэхийн тулд тэдгээрийг цувралаар холбоно уу. LED-д ойролцоогоор 3 вольт хэрэгтэй - хэрэв та батерейгаасаа ийм их хүч авдаг бол LED асна.

Багдадын батерейг жижиг оврын тоног төхөөрөмжийг тэжээх чадварыг олон удаа туршиж үзсэн. Үүнтэй төстэй туршилтыг хэдэн жилийн өмнө MythBusters шүтлэгийн хөтөлбөрийн зохиогчид хийжээ. Үлгэр домоглогчид (та Адам, Жэйми хоёрыг санаж байна уу?) мөн уг бүтэц нь эртний батерей болж чадна гэсэн дүгнэлтэд хүрчээ.

Тэгэхээр хүн төрөлхтний цахилгаантай холбоотой адал явдал 2 жилийн өмнөөс эхэлсэн гэж үү? Тийм, үгүй. Тийм ээ, учир нь тэр үед ч гэсэн цахилгаан хангамжийг зохион бүтээх боломжтой байсан. Үгүй ээ, учир нь шинэ бүтээл өргөн тархаагүй - тэр үед болон олон зууны туршид хэнд ч хэрэггүй байсан.

Холболт уу? Энэ бол энгийн!

Металл хавтан эсвэл утас, хөнгөн цагаан, төмөр гэх мэт гадаргууг сайтар цэвэрлэ. Хоёр өөр металлын дээжийг шүүслэг жимсэнд хийнэ (энэ нь цахилгааны урсгалыг хөнгөвчлөх) бөгөөд ингэснээр тэдгээр нь бие биедээ хүрэхгүй байх болно. Мультиметрийн хавчаарыг жимснээс наалдсан утаснуудын төгсгөлд холбож, тэдгээрийн хоорондох хүчдэлийг уншина уу. Ашигласан металлын төрлийг (түүнчлэн жимс жимсгэнэ) өөрчилж, үргэлжлүүлэн туршиж үзээрэй (3).

3. Жимсний эс (хөнгөн цагаан ба зэс электрод).

Бүх тохиолдолд холбоосууд үүсгэгдсэн. Туршилтанд авсан металл, жимс зэргээс хамаарч хэмжсэн хүчдэлийн утга өөр байна. Жимсний эсийг батерейнд нэгтгэх нь жижиг электрон төхөөрөмжийг тэжээхэд ашиглах боломжийг олгоно (энэ тохиолдолд энэ нь таны загвараас авах боломжтой бага хэмжээний гүйдэл шаарддаг).

Хэт их жимснээс наалдсан утаснуудын төгсгөлийг утаснуудтай холбож, эдгээр нь эргээд LED-ийн төгсгөлд холбогдоно. Зайны туйлуудыг диодын холбогдох "терминалууд" руу холбож, хүчдэл нь тодорхой босгыг давмагц диод асна (өөр өөр өнгийн диодууд нь өөр өөр хүчдэлтэй байдаг, гэхдээ ойролцоогоор 3 вольт хангалттай байх ёстой. ).

Үүнтэй адил анхаарал татахуйц эрчим хүчний эх үүсвэр бол цахим цаг юм - энэ нь "жимсний батерей" дээр удаан хугацаагаар ажиллах боломжтой (хэдийгээр цагны загвараас их зүйл хамаардаг).

Хүнсний ногоо нь жимс жимсгэнэээс ямар ч дутахааргүй бөгөөд тэдгээрээс зайгаа барих боломжийг олгодог. гэж үү? Хэд хэдэн даршилсан ногоо, зохих хэмжээний зэс, хөнгөн цагаан хуудас эсвэл утас ав (та тэдгээрийг ган хадаасаар сольж болно, гэхдээ та нэг холбоосоос бага хүчдэл авах болно). Зайг угсарч, хөгжмийн хайрцагнаас нэгдсэн хэлхээг тэжээхэд ашиглах үед өргөст хэмхний найрал дуу дуулах болно!

Яагаад өргөст хэмх гэж? Константин Илдефонс Галчинский: "Хэрэв өргөст хэмх ямар ч үед дуулахгүй бол тэр тэнгэрийн хүслээр харж чадахгүй байх магадлалтай" гэж маргажээ. Яруу найрагчид хүртэл мөрөөдөж байгаагүй зүйлийг химич хийж чаддаг юм байна.

Бивуак батерей

Яаралтай тохиолдолд та зайгаа өөрөө зохион бүтээж, LED-ийг тэжээхэд ашиглаж болно. Үнэн, гэрэл бүдэг байх болно, гэхдээ энэ нь байхгүйгээс дээр.

Танд юу хэрэгтэй вэ? Мэдээжийн хэрэг диод, мөн үүнээс гадна мөсөн шоо хөгц, зэс утас, ган хадаас эсвэл эрэг (цахилгаан гүйдлийг хөнгөвчлөхийн тулд металлын гадаргууг цэвэрлэж байх ёстой). Утсыг хэсэг болгон хайчилж, шураг эсвэл хадаасны толгойг хэлтэрхийний нэг үзүүрээр боож өгнө. Энэ аргаар хэд хэдэн ган-зэсийн схемийг хий (8-10 хангалттай байх ёстой).

Мөөгөнцөр дэх нүхэнд чийгтэй хөрс хийнэ (та нэмэлтээр давстай ус асгаж болно, энэ нь цахилгаан эсэргүүцлийг бууруулдаг). Одоо бүтцээ хөндий рүү оруулна: шураг эсвэл хадаас нэг нүх рүү, зэс утас нөгөө рүү орох ёстой. Зэстэй нэг хөндийд ган байхаар дараагийнхыг нь байрлуулна (металлууд бие биетэйгээ харьцах боломжгүй). Бүхэлд нь цуваа үүсгэдэг: ган-зэс-ган-зэс гэх мэт. Эхний болон сүүлчийн хөндийгүүд (дан ганц металл агуулсан цорын ганц) бие биенийхээ хажууд байхаар элементүүдийг байрлуул.

Энд оргил үе ирж байна.

Диодын нэг хөлийг эгнээний эхний завсарт, нөгөө хөлийг сүүлчийн хэсэгт оруулна. Гэрэлтэж байна уу?

Хэрэв тийм бол баяр хүргэе (4)! Үгүй бол алдааг хай. LED диод нь ердийн гэрлийн чийдэнгээс ялгаатай нь туйлын холболттой байх ёстой (та ямар металл "нэмэх", аль нь батерейны "хасах" гэдгийг мэдэх үү?). Хөлийг газрын эсрэг чиглэлд оруулахад хангалттай. Алдаа дутагдлын бусад шалтгаан нь хэт бага хүчдэл (хамгийн багадаа 3 вольт), нээлттэй хэлхээ эсвэл богино холболт юм.

4. "Газрын зай" ажиллаж байна.

Эхний тохиолдолд бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн тоог нэмэгдүүлнэ. Хоёрдугаарт, металлын хоорондох холболтыг шалгана (мөн тэдгээрийн эргэн тойрон дахь газрыг битүүмжилнэ). Гурав дахь тохиолдолд, зэс, гангийн төгсгөлүүд нь газар доор бие биендээ хүрэхгүй байх ёстой бөгөөд таны норгосон хөрс эсвэл зуурмаг нь зэргэлдээх нүхийг холбохгүй байх ёстой.

"Дэлхийн батерей"-тай хийсэн туршилт нь сонирхолтой бөгөөд цахилгааныг бараг юу ч байхгүйгээс олж авч болно гэдгийг баталж байна. Хэдийгээр та баригдсан барилга байгууламжийг ашиглах шаардлагагүй байсан ч гэсэн MacGyver шиг ур чадвар (магадгүй зөвхөн ахлах техникч нар санаж байгаа байх) эсвэл амьд үлдэх мастераараа амрагчдыг үргэлж гайхшруулж чадна.

Эсүүд хэрхэн ажилладаг вэ?

Дамжуулагч уусмал (электролит) -д дүрсэн металл (электрод) түүнээс цэнэглэгддэг. Катионуудын хамгийн бага хэмжээ нь уусмалд ордог бол электронууд металлд үлддэг. Уусмалд хэдэн ион, металл дахь илүүдэл электронууд нь металлын төрөл, уусмал, температур болон бусад олон хүчин зүйлээс хамаарна. Хэрэв хоёр өөр металлыг электролитэд дүрвэл электронуудын тоо өөр байгаагаас болж тэдгээрийн хооронд хүчдэл үүснэ. Электродуудыг утсаар холбоход олон тооны металлаас электронууд (сөрөг электрод, өөрөөр хэлбэл эсийн анод) цөөн тооны металл руу урсаж эхэлнэ (эерэг электрод - катод). Мэдээжийн хэрэг, эсийн үйл ажиллагааны явцад тэнцвэрийг хадгалах ёстой: анод дахь металлын катионууд уусмал руу орж, катод руу илгээсэн электронууд нь хүрээлэн буй ионуудтай урвалд ордог. Бүхэл бүтэн хэлхээ нь ионы тээвэрлэлтийг хангадаг электролитээр хаагддаг. Дамжуулагчаар урсаж буй электронуудын энергийг ашигтай ажилд ашиглаж болно.