Батарейний світ – частина 1

Нобелівську премію з хімії 2019 року було присуджено за розробку конструкції літій-іонних акумуляторів. На відміну від інших вердиктів Нобелівського комітету, цей не здивував — зовсім навпаки. Літій-іонні акумулятори забезпечують енергією смартфони, ноутбуки, портативні електроінструменти та навіть електромобілі. Троє вчених, Джон Гуденаф, Стенлі Уіттінґем та Акіра Йошино, заслужено отримали дипломи, золоті медалі та 9 мільйонів шведських крон для розподілу. 

Детальніше про обґрунтування присудження нагороди ви можете прочитати в попередньому випуску нашого хімічного циклу - а сама стаття закінчувалася анонсом докладнішого викладу питання про елементи та батареї. Настав час стримати свою обіцянку.

По-перше, коротке пояснення неточностей у назві.

Посилання це єдиний ланцюг, який генерує напругу.

Батарея складається з правильно з'єднаних осередків. Мета полягає в тому, щоб збільшити напругу, ємність (енергію, яку можна отримати із системи) або те й інше.

акумулятор це елемент або батарея, яка може бути перезаряджена, коли виснажена. Ці властивості має не кожен чіп — багато одноразових. У повсякденній промові перші два терміни часто вживаються взаємозамінно (у статті так теж буде), але треба усвідомлювати різницю між ними (1).

1. Батареї, що складаються з осередків.

Батарейки і вигадані не останні десятиліття, у них набагато довша історія. Можливо, ви вже чули про досвід Гальванієго i Вольти на рубежі XNUMX і XNUMX століть, що започаткували використання електричного струму у фізиці та хімії. Проте історія батареї розпочалася ще раніше. Це було дуже давно …

… давно в Багдаді

1936 року німецький археолог Вільгельм Кеніг знайшов недалеко від Багдада глиняний посуд, датований III століттям до нашої ери. Знахідка не здавалася незвичайною, якщо врахувати, що цивілізація на Євфраті та Тигрі процвітала тисячі років.

Однак вміст судини був загадковим: проржавілий рулон мідного листа, залізний прут та залишки природної смоли. Кеніг ламав голову над призначенням артефакту, поки не згадав про відвідини Алеї ювелірів у Багдаді. Подібні конструкції місцеві майстри використовували для покриття мідних виробів дорогоцінними металами. Ідея про те, що це була стародавня батарея, не переконала інших археологів у тому, що на той час не було жодних доказів існування електрики.

Так (саме так назвали знахідку) це реальна річ чи казка із 1001 ночі? Нехай експеримент вирішить.

Тобі знадобиться: мідна пластина, залізний цвях і оцет (зауважимо, що всі ці матеріали були відомі і широко доступні ще в давнину). Замініть смолу, щоб запечатати посудину, і замініть її пластиліном як ізоляцію.

Проведіть експеримент у мензурці або колбі, хоча використання глиняної вази надасть тесту смаку справжності. За допомогою наждакового паперу очистіть металеві поверхні від нальоту та прикріпіть до них дроти.

Поверніть мідну пластину в рулон і помістіть у посудину, а цвях вставте всередину рулону. За допомогою пластиліну зафіксуйте пластину і цвях так, щоб вони не торкалися один одного (2). Налийте в посудину оцет (бл. 5% розчин) і за допомогою мультиметра виміряйте напругу між кінцями дротів, приєднаних до мідної пластини, та залізним цвяхом. Налаштуйте пристрій на вимірювання постійного струму. Який із полюсів є «плюсом», а який «мінусом» джерела напруги?

2. Ескіз сучасної копії батареї з Багдаду.

Вимірювач показує 0,5-0,7 В, отже Багдадська батарея працює! Зауважте, що позитивний полюс системи – мідний, а негативний – залізний (лічильник показує позитивне значення напруги тільки в одному варіанті з'єднання проводів з клемами). Чи можна отримувати електрику із побудованої копії для корисної роботи? Так, але зробіть ще кілька моделей та з'єднайте їх послідовно для збільшення напруги. Для світлодіода потрібно близько 3 вольт – якщо ви отримаєте стільки від батареї, світлодіод загориться.

Багдадська батарея неодноразово перевірялася на здатність живити малогабаритну техніку. Аналогічний експеримент кілька років тому провели й автори культової програми «Руйнувачі міфів». Руйнівники міфів (ви ще пам'ятаєте Адама і Джеймі?) також дійшли висновку, що споруда могла бути стародавньою батареєю.

То чи почалася пригода людства з електрикою понад 2 роки тому? І так і ні. Та тому, що вже тоді можна було сконструювати джерела харчування. Ні, тому що винахід не набув поширення – він був нікому не потрібний тоді і на багато століть уперед.

Зв'язок? Це просто!

Ретельно очистіть поверхні металевих пластин або дротів, алюмінію, заліза та. Вставте в соковитий фрукт зразки двох різних металів (що полегшить перебіг електрики) так, щоб вони не торкалися один одного. Приєднайте затискачі мультиметра до кінців дротів, що стирчать з плода, і рахуйте напругу між ними. Змініть типи металів (а також фрукти) і продовжуйте пробувати (3).

3. Плодовий осередок (алюмінієвий та мідний електроди).

У всіх випадках було створено посилання. Значення виміряних напруг різняться залежно від металів та фруктів, взятих для експерименту. Об'єднання фруктових осередків в акумулятор дозволить вам використовувати його для живлення дрібної електронної техніки (у цьому випадку потрібно невеликий струм, який ви можете отримати від вашої конструкції).

Кінці проводів, що стирчать із крайніх плодів, з'єднайте з проводами, а ці, своєю чергою, з кінцями світлодіода. Як тільки ви поєднали полюси батареї з відповідними «виводами» діода і напруга перевищила певний поріг, діод загориться (діоди різного кольору мають різну початкову напругу, але приблизно 3 вольт має вистачити).

Не менш привабливим джерелом живлення є електронний годинник - вони можуть працювати від «фруктової батарейки» тривалий час (хоча багато залежить і від моделі годинника).

Овочі нічим не поступаються фруктам і теж дозволяють спорудити їх батарейку. Так як? Візьміть кілька солоних огірків та відповідну кількість мідних та алюмінієвих листів або проводів (їх можна замінити сталевими цвяхами, але ви отримаєте нижчу напругу від однієї ланки). Зберіть батарею, і коли ви використовуєте її для живлення інтегральної схеми від музичної скриньки, огірковий хор співатиме!

Чому огірки? Костянтин Ільдефонс Галчинський стверджував, що: «Якщо огірок не співає і будь-коли, він, мабуть, не може бачити з волі небес». Виявляється, хімік може робити те, що не мріяли навіть поети.

Бівакова батарея

В екстреній ситуації ви можете сконструювати акумулятор і використовувати його для живлення світлодіода. Правда, світло буде тьмяним, але це краще, ніж його відсутність.

Що вам знадобиться? Звичайно, діод, а також форма для кубиків льоду, мідний дріт і сталеві цвяхи або шурупи (у металів повинна бути зачищена поверхня, щоб полегшити протікання електрики). Розріжте дріт на шматки і одним кінцем фрагмента оберніть капелюшок шурупа або цвяха. Зробіть таким чином кілька розкладок сталь-мідь (8-10 має вистачити).

У заглиблення у формі засипте вологий ґрунт (додатково можна полити солоною водою, що зменшить електричний опір). Тепер вставте вашу конструкцію в порожнину: шуруп або цвях повинні увійти в один отвір, а мідний дріт - в інший. Наступні розташовуйте так, щоб разом з міддю в одній порожнині була сталь (метали не могли стикатися один з одним). Ціле утворює ряд: сталь-мідь-сталь-мідь і т. д. Розташуйте елементи таким чином, щоб перша та остання порожнини (єдині, що містять окремі метали) лежали поруч один з одним.

Ось і настає кульмінація.

Вставте одну ніжку діода у перше заглиблення у ряду, а інше – в останнє. Світить?

Якщо це так, вітаємо(4)! Якщо ні, шукайте помилки. Світлодіодний діод, на відміну від звичайної лампочки, повинен мати полярність підключення (чи знаєте ви, який метал є плюсом, а який мінусом акумулятора?). Достатньо вставити ноги у напрямку, протилежному до землі. Іншими причинами виходу з ладу є занадто низька напруга (мінімум 3 вольта), урвище ланцюга або коротке замикання в ньому.

4. "Земляна батарея" в роботі.

У першому випадку збільште кількість компонентів. У другому перевірте з'єднання між металами (також ущільніть землю навколо них). У третьому випадку слідкуйте за тим, щоб кінці міді та сталі не торкалися один одного під землею і щоб ґрунт або розчин, яким ви його змочували, не з'єднували сусідні ями.

Експеримент із «земляною батареєю» цікавий і доводить, що електрику можна отримати практично «з нічого». Навіть якщо вам не доведеться використовувати побудовану конструкцію, ви завжди можете вразити відпочиваючих своїми навичками, подібними до Макгайвера (напевно, його пам'ятають тільки старші техніки) або майстру виживання.

Як працюють клітки?

Метал (електрод), занурений у провідний розчин (електроліт), заряджається від нього. Мінімальна кількість катіонів перетворюється на розчин, а електрони залишаються в металі. Скільки іонів знаходиться в розчині і скільки надлишкових електронів у металі залежить від типу металу, розчину, температури та багатьох інших факторів. Якщо в електроліт занурити два різні метали, між ними виникне напруга через різну кількість електронів. При з'єднанні електродів дротом електрони з металу з великою кількістю (негативний електрод, тобто анод осередку) почнуть перетікати в метал з меншою їх кількістю (позитивний електрод - катод). Звичайно, при роботі комірки повинен дотримуватися балансу: катіони металу з анода переходять в розчин, а електрони, що доставлені на катод, реагують з навколишніми іонами. Весь ланцюг закритий електролітом, що забезпечує перенесення іонів. Енергія електронів, що протікають провідником, може бути використана для корисної роботи.