Pil dünyası - bölüm 1
2019 Nobel Kimya Ödülü, lityum iyon pillerin tasarımını geliştirdiği için verildi. Nobel Komitesi'nin diğer bazı kararlarından farklı olarak, bu karar sürpriz olmadı - tam tersine. Lityum iyon piller akıllı telefonlara, dizüstü bilgisayarlara, taşınabilir elektrikli aletlere ve hatta elektrikli arabalara güç sağlar. Üç bilim adamı, John Goodenough, Stanley Whittingham ve Akira Yoshino, dağıtım için hak ettiği şekilde diplomalar, altın madalyalar ve 9 milyon SEK aldı.
Ödülün gerekçesi hakkında daha fazla bilgiyi kimya döngümüzün bir önceki sayısında okuyabilirsiniz - ve makalenin kendisi, hücreler ve piller konusunun daha ayrıntılı bir sunumunun duyurulmasıyla sona erdi. Sözünü tutmanın zamanı geldi.
İlk olarak, adlandırma yanlışlıklarının kısa bir açıklaması.
Bağlantı gerilim üreten tek devre budur.
pil doğru bağlanmış hücrelerden oluşur. Amaç, voltajı, kapasitansı (sistemden çekilebilecek enerji) veya her ikisini birden artırmaktır.
аккумулятор tükendiğinde yeniden şarj edilebilen bir hücre veya pildir. Her çip bu özelliklere sahip değildir - çoğu tek kullanımlıktır. Günlük konuşmada, ilk iki terim genellikle birbirinin yerine kullanılır (bu makale için de geçerlidir), ancak aralarındaki farkın farkında olunmalıdır (1).
1. Hücrelerden oluşan piller.
Piller son on yılda icat edilmedi, çok daha uzun bir geçmişleri var. Deneyimi zaten duymuş olabilirsiniz galvaniego i Volt fizik ve kimyada elektrik akımı kullanımının başlangıcını belirleyen XNUMX. ve XNUMX. yüzyılların başında. Ancak pilin tarihi daha da erken başladı. Bu uzun zaman önceydi…
... Bağdat'ta uzun süre
1936'da bir Alman arkeolog Wilhelm König Bağdat yakınlarında MÖ XNUMX. yüzyıla tarihlenen bir çanak çömlek buldu Fırat ve Dicle'deki uygarlığın binlerce yıldır geliştiği göz önüne alındığında, buluntu olağandışı görünmüyordu.
Bununla birlikte, kabın içeriği gizemliydi: paslı bir bakır levha rulosu, bir demir çubuk ve doğal reçine kalıntıları. Koenig, Bağdat'taki Kuyumcular Sokağı'nı ziyaret ettiğini hatırlayana kadar eserin amacına şaşırdı. Benzer tasarımlar, yerel ustalar tarafından bakır ürünleri değerli metallerle kaplamak için kullanıldı. Bunun eski bir pil olduğu fikri, diğer arkeologları o dönemde elektriğin hiçbir kanıtının kalmadığına ikna etmedi.
Yani (bulmanın adı buydu) bu gerçek bir şey mi yoksa 1001 geceden kalma bir peri masalı mı? Deneyin karar vermesine izin verin.
İhtiyacın olacak: bakır levha, demir çivi ve sirke (tüm bu malzemelerin antik çağda bilindiğini ve yaygın olarak bulunduğunu unutmayın). Kabı kapatmak için reçineyi değiştirin ve yalıtım olarak hamuru ile değiştirin.
Deneyi bir beher veya matara içinde yapın, ancak bir toprak vazo kullanmak teste otantik bir tat verecektir. Zımpara kağıdı kullanarak metal yüzeyleri plaktan temizleyin ve bunlara teller takın.
Bakır levhayı rulo haline getirip kabın içine yerleştirin ve çiviyi rulonun içine sokun. Hamuru kullanarak plakayı ve çiviyi birbirine değmeyecek şekilde sabitleyin (2). Sirkeyi (yaklaşık %5 solüsyon) kaba dökün ve bir multimetre kullanarak bakır plakaya bağlı tellerin uçları ile demir çivi arasındaki voltajı ölçün. Cihazı DC akımını ölçmek için ayarlayın. Voltaj kaynağının kutuplarından hangisi "artı", hangisi "eksi"?
2. Bataryanın Bağdat'tan modern bir kopyasının taslağı.
Sayaç 0,5-0,7 V gösteriyor, yani Bağdat pili çalışıyor! Lütfen sistemin pozitif kutbunun bakır ve negatif kutbunun demir olduğunu unutmayın (metre, kabloları terminallere bağlamak için yalnızca bir seçenekte pozitif voltaj değeri gösterir). Yararlı işler için inşa edilen kopyadan elektrik almak mümkün müdür? Evet, ancak voltajı artırmak için birkaç model daha yapın ve bunları seri olarak bağlayın. LED'in yaklaşık 3 volta ihtiyacı vardır - pilinizden bu kadarını alırsanız, LED yanacaktır.
Bağdat pili, küçük boyutlu ekipmanlara güç sağlama yeteneği açısından defalarca test edildi. Benzer bir deney, kült programı MythBusters'ın yazarları tarafından birkaç yıl önce gerçekleştirildi. Efsane avcıları (Adam ve Jamie'yi hala hatırlıyor musunuz?) ayrıca yapının eski bir pil olarak hizmet edebileceği sonucuna vardı.
Peki insanlığın elektrikle olan serüveni 2 yıl önce mi başladı? Evet ve hayır. Evet, çünkü o zaman bile güç kaynakları tasarlamak mümkündü. Hayır, çünkü buluş yaygınlaşmadı - o zaman ve yüzyıllar boyunca kimsenin buna ihtiyacı yoktu.
Bağ? Basit!
Metal plakaların veya tellerin, alüminyumun, demirin vb. yüzeylerini iyice temizleyin. Sulu bir meyveye (elektrik akışını kolaylaştıracak) iki farklı metal numunesini birbirine değmeyecek şekilde yerleştirin. Meyveden çıkan tellerin uçlarına multimetre kelepçelerini bağlayın ve aralarındaki voltajı okuyun. Kullanılan metal türlerini (meyvelerin yanı sıra) değiştirin ve denemeye devam edin (3).
3. Meyve hücresi (alüminyum ve bakır elektrotlar).
Her durumda bağlantılar oluşturuldu. Ölçülen gerilimlerin değerleri deney için alınan metal ve meyvelere göre farklılık göstermektedir. Meyve hücrelerini bir pilde birleştirmek, onu küçük elektronik ekipmanlara güç sağlamak için kullanmanıza izin verecektir (bu durumda, tasarımınızdan alabileceğiniz az miktarda akım gerektirir).
Aşırı meyvelerden çıkan tellerin uçlarını tellere ve bunları da LED'in uçlarına bağlayın. Akü kutuplarını diyotun ilgili "terminallerine" bağladığınızda ve voltaj belirli bir eşiği aştığında, diyot yanar (farklı renkteki diyotların başlangıç voltajı farklıdır, ancak yaklaşık 3 volt yeterli olmalıdır) ).
Eşit derecede çekici bir güç kaynağı elektronik bir saattir - uzun süre “meyve pili” ile çalışabilir (çok fazla saatin modeline bağlı olmasına rağmen).
Sebzeler meyvelerden hiçbir şekilde daha düşük değildir ve ayrıca onlardan bir pil oluşturmanıza izin verir. Gibi? Birkaç turşu ve uygun miktarda bakır ve alüminyum levha veya tel alın (bunları çelik çivilerle değiştirebilirsiniz, ancak tek bir bağlantıdan daha düşük voltaj alırsınız). Bir pil monte edin ve müzik kutusundan entegre devreye güç sağlamak için kullandığınızda salatalık korosu şarkı söyleyecek!
Neden salatalık? Konstantin Ildefons Galchinsky şunları savundu: "Salatalık şarkı söylemezse ve herhangi bir zamanda, muhtemelen cennetin iradesiyle göremez." Bir kimyagerin, şairlerin bile hayal bile edemediği şeyleri yapabileceği ortaya çıktı.
Bivouac pil
Acil bir durumda, kendiniz bir pil tasarlayabilir ve bunu bir LED'e güç sağlamak için kullanabilirsiniz. Doğru, ışık loş olacak, ama hiç olmamasından iyidir.
Neye ihtiyacın olacak? Elbette bir diyot ve ayrıca bir buz kalıbı, bakır tel ve çelik çiviler veya vidalar (elektrik akışını kolaylaştırmak için metallerin yüzeyleri temizlenmelidir). Teli parçalara ayırın ve parçanın bir ucuyla vidanın veya çivinin başını sarın. Bu şekilde birkaç çelik-bakır yerleşimi yapın (8-10 yeterli olmalıdır).
Kalıptaki girintilere nemli toprak dökün (ayrıca elektrik direncini azaltacak tuzlu su da dökebilirsiniz). Şimdi yapınızı boşluğa yerleştirin: vida veya çivi bir deliğe, bakır tel diğerine girmelidir. Sonrakileri bakır ile aynı boşlukta çelik olacak şekilde yerleştirin (metaller birbiriyle temas edemez). Bütünü bir dizi oluşturur: çelik-bakır-çelik-bakır, vb. Elemanları, ilk ve son boşluklar (tek metal içerenler) yan yana gelecek şekilde düzenleyin.
İşte doruk noktası.
Diyotun bir bacağını sıradaki ilk girintiye ve diğer bacağını sonuncuya yerleştirin. Parlıyor mu?
Eğer öyleyse, tebrikler (4)! Değilse, hataları arayın. Bir LED diyotu, geleneksel bir ampulün aksine, bir bağlantı polaritesine sahip olmalıdır (hangi metalin "artı" ve hangisinin "eksi" olduğunu biliyor musunuz?). Bacakları yere zıt yönde sokmanız yeterlidir. Arızanın diğer nedenleri çok düşük voltaj (minimum 3 volt), içinde açık devre veya kısa devredir.
4. "Toprak pili" çalışır durumda.
İlk durumda, bileşen sayısını artırın. İkincisinde, metaller arasındaki bağlantıyı kontrol edin (ayrıca etraflarındaki toprağı da kapatın). Üçüncü durumda, bakır ve çeliğin uçlarının yeraltında birbirine değmediğinden ve ıslattığınız toprak veya harcın bitişik çukurları bağlamadığından emin olun.
"Toprak pili" ile yapılan deney ilginçtir ve elektriğin neredeyse hiç yoktan elde edilebileceğini kanıtlar. İnşa edilmiş bir yapı kullanmak zorunda olmasanız bile, MacGyver benzeri becerileriniz (muhtemelen yalnızca kıdemli teknisyenler tarafından hatırlanır) veya hayatta kalma ustanızla tatilcileri her zaman etkileyebilirsiniz.
Hücreler nasıl çalışır?
İletken bir çözeltiye (elektrolit) daldırılmış bir metal (elektrot) ondan yüklenir. Minimum miktarda katyon çözeltiye girerken, elektronlar metalde kalır. Çözeltide kaç iyon ve metalde kaç fazla elektron olduğu metalin türüne, çözeltiye, sıcaklığa ve diğer birçok faktöre bağlıdır. İki farklı metal bir elektrolit içine daldırılırsa, farklı elektron sayıları nedeniyle aralarında bir voltaj oluşur. Elektrotları bir telle bağlarken, çok sayıda metalden (negatif elektrot, yani hücre anodu) elektronlar, daha az sayıda (pozitif elektrot - katot) bir metale akmaya başlayacaktır. Elbette hücrenin çalışması sırasında bir denge sağlanmalıdır: anottan gelen metal katyonlar çözeltiye girer ve katoda iletilen elektronlar çevredeki iyonlarla reaksiyona girer. Tüm devre, iyon taşınmasını sağlayan bir elektrolit ile kapatılır. Bir iletkenden akan elektronların enerjisi faydalı işler için kullanılabilir.
