Byd batri - rhan 1

Dyfarnwyd Gwobr Nobel 2019 mewn Cemeg am ddatblygu dyluniad batris lithiwm-ion. Yn wahanol i rai o farnau eraill y Pwyllgor Nobel, nid oedd yr un hwn yn syndod - i'r gwrthwyneb. Mae batris lithiwm-ion yn pweru ffonau smart, gliniaduron, offer pŵer cludadwy a hyd yn oed ceir trydan. Derbyniodd tri gwyddonydd, John Goodenough, Stanley Whittingham ac Akira Yoshino, ddiplomâu, medalau aur a 9 miliwn SEK i'w dosbarthu yn haeddiannol. 

Gallwch ddarllen mwy am y rhesymeg dros y wobr mewn rhifyn blaenorol o'n cylch cemeg - a daeth yr erthygl ei hun i ben gyda chyhoeddi cyflwyniad manylach ar fater celloedd a batris. Mae'n bryd cadw'ch addewid.

Yn gyntaf, esboniad byr o'r anghywirdebau enwi.

Cyswllt dyma'r unig gylched sy'n cynhyrchu foltedd.

Batri yn cynnwys celloedd sydd wedi'u cysylltu'n gywir. Y nod yw cynyddu foltedd, cynhwysedd (ynni y gellir ei dynnu o'r system), neu'r ddau.

cronni mae'n gell neu'n fatri y gellir ei ailwefru pan gaiff ei ddisbyddu. Nid oes gan bob sglodyn y priodweddau hyn - mae llawer ohonynt yn rhai tafladwy. Mewn lleferydd bob dydd, mae'r ddau derm cyntaf yn aml yn cael eu defnyddio'n gyfnewidiol (bydd hyn hefyd yn wir yn yr erthygl), ond rhaid bod yn ymwybodol o'r gwahaniaeth rhyngddynt (1).

1. Batris sy'n cynnwys celloedd.

Nid yw batris wedi'u dyfeisio am y degawdau diwethaf, mae ganddynt hanes llawer hirach. Efallai eich bod wedi clywed am y profiad yn barod Galvaniego i Foltau ar droad y XNUMXth a XNUMXth canrifoedd, a oedd yn nodi dechrau'r defnydd o gerrynt trydan mewn ffiseg a chemeg. Fodd bynnag, dechreuodd hanes y batri hyd yn oed yn gynharach. Roedd hynny amser maith yn ôl…

... amser hir yn Baghdad

Yn 1936 yn archeolegydd o'r Almaen Wilhelm Koenig dod o hyd i lestr pridd ger Baghdad yn dyddio'n ôl i'r XNUMXydd ganrif CC Nid oedd y darganfyddiad yn ymddangos yn anarferol, o ystyried bod gwareiddiad ar yr Ewffrates a Tigris wedi ffynnu am filoedd o flynyddoedd.

Fodd bynnag, roedd cynnwys y llestr yn ddirgel: rholyn rhydlyd o ddalen gopr, gwialen haearn, a gweddillion resin naturiol. Bu Koenig yn ddryslyd ynghylch pwrpas yr arteffact nes iddo gofio ymweld â'r Alley of Jewellers yn Baghdad. Defnyddiwyd dyluniadau tebyg gan grefftwyr lleol i orchuddio cynhyrchion copr gyda metelau gwerthfawr. Nid oedd y syniad ei fod yn fatri hynafol yn argyhoeddi archeolegwyr eraill nad oedd unrhyw dystiolaeth o drydan wedi goroesi bryd hynny.

Felly (dyna oedd enw'r darganfyddiad) ai peth go iawn neu stori dylwyth teg o 1001 o nosweithiau yw hon? Gadewch i'r arbrawf benderfynu.

Bydd angen: plât copr, hoelen haearn a finegr (sylwch fod yr holl ddeunyddiau hyn yn hysbys ac ar gael yn eang yn yr hen amser). Amnewid y resin i selio'r llestr a rhoi plastisin yn ei le fel inswleiddiad.

Gwnewch yr arbrawf mewn bicer neu fflasg, er y bydd defnyddio ffiol llestri pridd yn rhoi blas dilys i'r prawf. Gan ddefnyddio papur tywod, glanhewch arwynebau metel o blac a gosod gwifrau arnynt.

Rholiwch y plât copr yn rholyn a'i roi yn y llong, a rhowch yr hoelen yn y rholyn. Gan ddefnyddio plastisin, gosodwch y plât a'r hoelen fel nad ydynt yn cyffwrdd â'i gilydd (2). Arllwyswch finegr (tua 5% o hydoddiant) i'r llestr a, gan ddefnyddio multimedr, mesurwch y foltedd rhwng pennau'r gwifrau sydd wedi'u cysylltu â'r plât copr a'r hoelen haearn. Gosodwch yr offeryn i fesur cerrynt DC. Pa un o'r polion yw'r "plws" a pha un yw "minws" ffynhonnell y foltedd?

2. Braslun o gopi modern o'r batri o Baghdad.

Mae'r mesurydd yn dangos 0,5-0,7 V, felly mae batri Baghdad yn gweithio! Sylwch mai copr yw polyn positif y system, ac mae'r polyn negyddol yn haearn (mae'r mesurydd yn dangos gwerth foltedd positif mewn un opsiwn yn unig ar gyfer cysylltu gwifrau â therfynellau). A yw'n bosibl cael trydan o'r copi adeiledig ar gyfer gwaith defnyddiol? Oes, ond gwnewch rai mwy o fodelau a'u cysylltu mewn cyfres i gynyddu'r foltedd. Mae angen tua 3 folt ar y LED - os ydych chi'n cael cymaint â hynny o'ch batri, bydd y LED yn goleuo.

Profwyd batri Baghdad dro ar ôl tro am ei allu i bweru offer bach. Cynhaliwyd arbrawf tebyg sawl blwyddyn yn ôl gan awduron y rhaglen gwlt MythBusters. Daeth chwalwyr mythau (ydych chi'n dal i gofio Adam a Jamie?) hefyd i'r casgliad y gallai'r strwythur wasanaethu fel batri hynafol.

Felly a ddechreuodd antur dynoliaeth gyda thrydan dros 2 flynedd yn ôl? Ydw a nac ydw. Oedd, oherwydd hyd yn oed bryd hynny roedd yn bosibl dylunio cyflenwadau pŵer. Na, oherwydd ni ddaeth y ddyfais yn gyffredin - nid oedd ei angen ar neb bryd hynny ac am ganrifoedd lawer i ddod.

Cysylltiad? Mae'n syml!

Glanhewch arwynebau platiau metel neu wifrau, alwminiwm, haearn, ac ati yn drylwyr. Mewnosodwch samplau o ddau fetel gwahanol mewn ffrwyth llawn sudd (a fydd yn hwyluso llif y trydan) fel nad ydynt yn cyffwrdd â'i gilydd. Cysylltwch y clampiau multimedr i ben y gwifrau sy'n glynu allan o'r ffrwythau, a darllenwch y foltedd rhyngddynt. Newidiwch y mathau o fetelau a ddefnyddir (yn ogystal â ffrwythau) a daliwch ati (3).

3. Cell ffrwythau (electrodau alwminiwm a chopr).

Ym mhob achos crëwyd cysylltiadau. Mae gwerthoedd y folteddau mesuredig yn amrywio yn dibynnu ar y metelau a'r ffrwythau a gymerwyd ar gyfer yr arbrawf. Bydd cyfuno celloedd ffrwythau i mewn i fatri yn caniatáu ichi ei ddefnyddio i bweru offer electronig bach (yn yr achos hwn, mae angen ychydig o gerrynt, y gallwch ei gael o'ch dyluniad).

Cysylltwch ben y gwifrau sy'n glynu allan o'r ffrwythau eithafol i'r gwifrau, a'r rhain, yn eu tro, i bennau'r LED. Cyn gynted ag y byddwch wedi cysylltu polion y batri â "terfynellau" cyfatebol y deuod a bod y foltedd wedi rhagori ar drothwy penodol, bydd y deuod yn goleuo (mae gan deuodau o wahanol liwiau foltedd cychwynnol gwahanol, ond dylai tua 3 folt fod yn ddigon ).

Mae ffynhonnell pŵer yr un mor ddeniadol yn oriawr electronig - gall weithredu ar “fatri ffrwythau” am amser hir (er bod llawer yn dibynnu ar fodel yr oriawr).

Nid yw llysiau mewn unrhyw ffordd yn israddol i ffrwythau ac maent hefyd yn caniatáu ichi adeiladu batri allan ohonynt. Fel? Cymerwch ychydig o bicls a swm priodol o ddalennau neu wifrau copr ac alwminiwm (gallwch osod hoelion dur yn eu lle, ond fe gewch foltedd is o un cyswllt). Cydosod batri a phan fyddwch chi'n ei ddefnyddio i bweru'r gylched integredig o'r blwch cerddoriaeth, bydd y côr ciwcymbr yn canu!

Pam ciwcymbrau? Dadleuodd Konstantin Ildefons Galchinsky: "Os nad yw'r ciwcymbr yn canu ac ar unrhyw adeg, mae'n debyg na all weld trwy ewyllys y nefoedd." Mae'n ymddangos y gall cemegydd wneud pethau nad yw hyd yn oed beirdd wedi breuddwydio amdanynt.

Batri Bivakov

Mewn argyfwng, gallwch chi ddylunio batri eich hun a'i ddefnyddio i bweru LED. Yn wir, bydd y golau yn bylu, ond mae'n well na dim.

Beth fydd ei angen arnoch chi? Deuod, wrth gwrs, ac yn ogystal, llwydni ciwb iâ, gwifren gopr, a hoelion dur neu sgriwiau (dylid glanhau arwynebau metelau i hwyluso llif trydan). Torrwch y wifren yn ddarnau a lapiwch ben y sgriw neu'r ewin gydag un pen i'r darn. Gwnewch sawl gosodiad dur-copr yn y modd hwn (dylai 8-10 fod yn ddigon).

Arllwyswch bridd llaith i'r cilfachau yn y mowld (gallwch hefyd chwistrellu dŵr halen, a fydd yn lleihau ymwrthedd trydanol). Nawr rhowch eich strwythur yn y ceudod: dylai'r sgriw neu'r hoelen fynd i mewn i un twll, a'r wifren gopr i'r llall. Rhowch y rhai nesaf fel bod dur yn yr un ceudod â chopr (ni allai metelau ddod i gysylltiad â'i gilydd). Mae'r cyfan yn ffurfio cyfres: dur-copr-dur-copr, ac ati. Trefnwch yr elfennau yn y fath fodd fel bod y ceudodau cyntaf ac olaf (yr unig rai sy'n cynnwys metelau unigol) yn gorwedd wrth ymyl ei gilydd.

Dyma'r uchafbwynt.

Rhowch un goes o'r deuod i mewn i'r toriad cyntaf yn y rhes a'r goes arall yn yr olaf. Ydy hi'n disgleirio?

Os felly, llongyfarchiadau (4)! Os na, edrychwch am wallau. Rhaid i ddeuod LED, yn wahanol i fwlb golau confensiynol, fod â chysylltiad polaredd (a ydych chi'n gwybod pa fetel yw'r "plws" a pha un yw "minws" y batri?). Mae'n ddigon i fewnosod y coesau i'r cyfeiriad gyferbyn â'r ddaear. Mae achosion eraill o fethiant yn cynnwys foltedd rhy isel (o leiaf 3 folt), cylched agored neu gylched fer ynddo.

4. "Batri Ddaear" ar waith.

Yn yr achos cyntaf, cynyddwch nifer y cydrannau. Yn yr ail, gwiriwch y cysylltiad rhwng y metelau (hefyd seliwch y ddaear o'u cwmpas). Yn y trydydd achos, gwnewch yn siŵr nad yw pennau copr a dur yn cyffwrdd â'i gilydd o dan y ddaear ac nad yw'r pridd neu'r morter y gwnaethoch ei wlychu ag ef yn cysylltu pyllau cyfagos.

Mae'r arbrawf gyda'r "batri daear" yn ddiddorol ac yn profi y gellir cael trydan o bron dim. Hyd yn oed os nad oes rhaid i chi ddefnyddio strwythur adeiledig, gallwch chi bob amser wneud argraff ar wyliau gyda'ch sgiliau tebyg i MacGyver (mae'n debyg mai dim ond uwch dechnegwyr sy'n eu cofio) neu feistr goroesi.

Sut mae celloedd yn gweithio?

Mae metel (electrod) wedi'i drochi mewn hydoddiant dargludol (electrolyt) yn cael ei wefru ohono. Mae'r swm lleiaf o catïonau yn mynd i doddiant, tra bod electronau yn aros yn y metel. Mae faint o ïonau sydd mewn hydoddiant a faint o electronau gormodol sydd yn y metel yn dibynnu ar y math o fetel, hydoddiant, tymheredd, a llawer o ffactorau eraill. Os caiff dau fetel gwahanol eu trochi mewn electrolyte, bydd foltedd yn codi rhyngddynt oherwydd y nifer gwahanol o electronau. Wrth gysylltu'r electrodau â gwifren, bydd electronau o fetel â nifer fawr ohonynt (electrod negyddol, h.y. anod cell) yn dechrau llifo i mewn i fetel gyda nifer llai ohonynt (electrod positif - catod). Wrth gwrs, yn ystod gweithrediad y gell, rhaid cynnal cydbwysedd: mae catïonau metel o'r anod yn mynd i doddiant, ac mae'r electronau a ddanfonir i'r catod yn adweithio â'r ïonau amgylchynol. Mae'r gylched gyfan yn cael ei chau gan electrolyt sy'n darparu cludiant ïon. Gellir defnyddio egni electronau sy'n llifo trwy ddargludydd ar gyfer gwaith defnyddiol.