עולם הסוללות - חלק 1

פרס נובל לכימיה לשנת 2019 הוענק על פיתוח עיצוב סוללות ליתיום-יון. בניגוד לחלק מפסקי הדין האחרים של ועדת נובל, זה לא הפתיע - להיפך. סוללות ליתיום-יון מניעות סמארטפונים, מחשבים ניידים, כלי עבודה חשמליים ניידים ואפילו מכוניות חשמליות. שלושה מדענים, ג'ון גודנו, סטנלי וויטינגהאם ואקירה יושינו, קיבלו בצדק תעודות, מדליות זהב ו-9 מיליון SEK עבור חלוקה. 

עוד על הרציונל לפרס תוכלו לקרוא בגיליון קודם של מחזור הכימיה שלנו – והמאמר עצמו הסתיים בהכרזה על הצגה מפורטת יותר של נושא התאים והסוללות. הגיע הזמן לקיים את הבטחתך.

ראשית, הסבר קצר על אי הדיוקים בשמות.

קשר זהו המעגל היחיד שיוצר מתח.

סוללה מורכב מתאים מחוברים בצורה נכונה. המטרה היא להגביר את המתח, הקיבול (אנרגיה שניתן לשאוב מהמערכת), או שניהם.

צובר זהו תא או סוללה שניתן להטעין מחדש כאשר הוא מתרוקן. לא לכל שבב יש את התכונות הללו - רבים מהם חד פעמיים. בדיבור היומיומי, שני המונחים הראשונים משמשים פעמים רבות לסירוגין (כך יהיה גם במאמר), אך יש להיות מודעים להבדל ביניהם (1).

1. סוללות המורכבות מתאים.

סוללות לא הומצאו בעשורים האחרונים, יש להן היסטוריה הרבה יותר ארוכה. אולי כבר שמעתם על החוויה Galvaniego i וולט במפנה של המאות XNUMX וה XNUMXth, שסימנו את תחילת השימוש בזרם חשמלי בפיזיקה ובכימיה. עם זאת, ההיסטוריה של הסוללה החלה עוד קודם לכן. זה היה לפני הרבה זמן …

... זמן רב בבגדד

בשנת 1936 ארכיאולוג גרמני וילהלם קניג מצא כלי חרס ליד בגדאד מהמאה ה-XNUMX לפנה"ס. הממצא לא נראה יוצא דופן, בהתחשב בכך שהציוויליזציה על הפרת והחידקל שגשגה במשך אלפי שנים.

עם זאת, תכולת הכלי הייתה מסתורית: גליל חלוד של יריעת נחושת, מוט ברזל ושאריות של שרף טבעי. קניג תמה על מטרת החפץ עד שנזכר בביקור בסמטת התכשיטנים בבגדד. עיצובים דומים שימשו אומנים מקומיים לכיסוי מוצרי נחושת במתכות יקרות. הרעיון שמדובר בסוללה עתיקה לא שכנע ארכיאולוגים אחרים ששום עדות לחשמל לא שרדה באותה תקופה.

אז (כך נקרא הממצא) האם מדובר בדבר אמיתי או בסיפור אגדה מ-1001 לילות? תן לניסוי להחליט.

יהיה עליך: צלחת נחושת, מסמר ברזל וחומץ (שימו לב שכל החומרים הללו היו ידועים וזמינים רבים בעת העתיקה). החליפו את השרף כדי לאטום את הכלי והחליפו אותו בפלסטלינה כבידוד.

בצעו את הניסוי בכוס או בבקבוק, אם כי שימוש באגרטל חרס יעניק לבדיקה טעם אותנטי. בעזרת נייר זכוכית, נקו משטחי מתכת מפלאק והצמידו אליהם חוטים.

מגלגלים את צלחת הנחושת לגליל ומניחים בכלי, ומכניסים את המסמר לגליל. בעזרת פלסטלינה קבעו את הצלחת והציפורן כך שלא יגעו זה בזה (2). יוצקים חומץ (כ-5% תמיסה) לתוך הכלי ובאמצעות מולטימטר מודדים את המתח בין קצוות החוטים המחוברים לצלחת הנחושת ומסמר הברזל. הגדר את המכשיר למדידת זרם DC. איזה מהקטבים הוא ה"פלוס" ואיזה ה"מינוס" של מקור המתח?

2. סקיצה של עותק מודרני של הסוללה מבגדד.

המונה מראה 0,5-0,7 V, אז הסוללה של בגדאד עובדת! שימו לב שהקוטב החיובי של המערכת הוא נחושת, והקוטב השלילי הוא ברזל (המד מראה ערך מתח חיובי רק באופציה אחת לחיבור חוטים למסופים). האם ניתן להפיק חשמל מעותק בנוי לעבודה שימושית? כן, אבל תעשה עוד כמה דגמים ותחבר אותם בסדרה כדי להגביר את המתח. הלד צריך בערך 3 וולט - אם אתה מקבל כל כך הרבה מהסוללה שלך, ה-LED תידלק.

סוללת בגדאד נבדקה שוב ושוב ביכולתה להפעיל ציוד בגודל קטן. ניסוי דומה בוצע לפני מספר שנים על ידי מחברי תוכנית הקאלט MythBusters. גם מכסי המיתוסים (אתם עדיין זוכרים את אדם וג'יימי?) הגיעו למסקנה שהמבנה יכול לשמש כסוללה עתיקה.

אז האם ההרפתקה של האנושות עם חשמל התחילה לפני יותר משנתיים? כן ולא. כן, כי כבר אז אפשר היה לתכנן ספקי כוח. לא, כי ההמצאה לא הפכה לנפוצה - אף אחד לא נזקק לה אז ובמשך מאות שנים רבות קדימה.

חיבור? זה פשוט!

נקה היטב את המשטחים של לוחות או חוטי מתכת, אלומיניום, ברזל וכו'. הכניסו דגימות של שתי מתכות שונות לפרי עסיסי (שיקל על זרימת החשמל) כדי שלא יגעו זו בזו. חברו את מלחצי המולטימטר לקצוות החוטים הבולטים מהפרי, וקראו את המתח ביניהם. שנה את סוגי המתכות המשמשות (כמו גם פירות) והמשיכו לנסות (3).

3. תא פרי (אלקטרודות אלומיניום ונחושת).

בכל המקרים נוצרו קישורים. ערכי המתחים הנמדדים שונים בהתאם למתכות ולפירות שנלקחו לניסוי. שילוב של תאי פרי לתוך סוללה יאפשר לך להשתמש בה כדי להפעיל ציוד אלקטרוני קטן (במקרה זה, זה דורש כמות קטנה של זרם, אשר אתה יכול לקבל מהעיצוב שלך).

חברו את קצוות החוטים הבולטים מהפירות הקיצוניים אל החוטים, ואלה, בתורם, לקצוות הנורית. ברגע שחיברתם את עמודי הסוללה ל"טרמינלים" המתאימים של הדיודה והמתח עבר סף מסוים, הדיודה תידלק (לדיודות בצבעים שונים יש מתח התחלתי שונה, אבל בערך 3 וולט אמור להספיק ).

מקור כוח אטרקטיבי לא פחות הוא שעון אלקטרוני - הוא יכול לפעול על "סוללת פירות" לאורך זמן (אם כי הרבה תלוי בדגם השעון).

ירקות אינם נחותים בשום אופן מפירות וגם מאפשרים לבנות מהם סוללה. כי? קח כמה חמוצים וכמות מתאימה של יריעות או חוטי נחושת ואלומיניום (אתה יכול להחליף אותם במסמרי פלדה, אבל תקבל מתח נמוך יותר מקשר בודד). הרכיבו סוללה וכשתשתמשו בה כדי להפעיל את המעגל המשולב מתיבת הנגינה, מקהלת המלפפונים תשיר!

למה מלפפונים? קונסטנטין אילדפונס גאלצ'ינסקי טען כי: "אם המלפפון אינו שר ובכל עת, הוא כנראה אינו יכול לראות ברצון השמים". מסתבר שכמאי יכול לעשות דברים שאפילו משוררים לא חלמו עליהם.

סוללה ביוואק

במקרה חירום, אתה יכול לעצב סוללה בעצמך ולהשתמש בה כדי להפעיל LED. נכון, האור יהיה עמום, אבל עדיף על אף אחד.

מה תצטרך? דיודה, כמובן, אבל גם מגש לקוביות קרח, חוטי נחושת ומסמרי פלדה או ברגים (יש לנקות את פני המתכות כדי להקל על זרימת החשמל). חותכים את החוט לחתיכות ועטפו את ראש הבורג או המסמר בקצה אחד של השבר. צור מספר פריסות פלדה-נחושת בדרך זו (8-10 אמורים להספיק).

יוצקים אדמה לחה לשקעים בתבנית (ניתן לשפוך בנוסף מי מלח שיפחיתו את ההתנגדות החשמלית). כעת הכנס את המבנה שלך לתוך החלל: הבורג או המסמר צריכים להיכנס לחור אחד, וחוט הנחושת לתוך השני. מניחים את הבאים כך שתהיה פלדה באותו חלל עם נחושת (מתכות לא יכלו לבוא במגע זו עם זו). השלם יוצר סדרה: פלדה-נחושת-פלדה-נחושת וכו'. מסדרים את היסודות כך שהחללים הראשונים והאחרונים (היחידים המכילים מתכות בודדות) שוכבים זה לצד זה.

הנה מגיע השיא.

הכנס רגל אחת של הדיודה לתוך השקע הראשון בשורה ואת הרגל השנייה לתוך האחרון. האם זה זורח?

אם כן, מזל טוב (4)! אם לא, חפש שגיאות. דיודה לד, בניגוד לנורה רגילה, חייבת להיות בעלת קוטביות של חיבור (האם אתה יודע איזו מתכת היא ה"פלוס" ומהו ה"מינוס" של הסוללה?). מספיק להכניס את הרגליים לכיוון ההפוך לקרקע. גורמים נוספים לכשל הם מתח נמוך מדי (מינימום 3 וולט), מעגל פתוח או קצר חשמלי בו.

4. "סוללת כדור הארץ" בפעולה.

במקרה הראשון, הגדל את מספר הרכיבים. בשני, בדקו את החיבור בין המתכות (אוטמים גם את הקרקע מסביבן). במקרה השלישי יש לוודא שקצוות הנחושת והפלדה אינם נוגעים זה בזה מתחת לאדמה ושהאדמה או הטיט שאיתם הרטבתם לא מחברים בורות סמוכים.

הניסוי ב"סוללת כדור הארץ" מעניין ומוכיח שאפשר להשיג חשמל כמעט מכלום. גם אם אינך צריך להשתמש במבנה בנוי, אתה תמיד יכול להרשים את החניכים בכישורי ה-MacGyver שלך (ככל הנראה זכורים רק על ידי טכנאים בכירים) או מאסטר הישרדות.

כיצד פועלים תאים?

מתכת (אלקטרודה) הטבולה בתמיסה מוליכה (אלקטרוליט) נטענת ממנה. הכמות המינימלית של קטיונים נכנסת לתמיסה, בעוד אלקטרונים נשארים במתכת. כמה יונים יש בתמיסה וכמה אלקטרונים עודפים יש במתכת תלוי בסוג המתכת, בתמיסה, בטמפרטורה ובגורמים רבים אחרים. אם שתי מתכות שונות טובלות באלקטרוליט, ייווצר ביניהן מתח בגלל מספר האלקטרונים השונה. כאשר מחברים את האלקטרודות עם חוט, אלקטרונים ממתכת עם מספר רב מהם (אלקטרודה שלילית, כלומר אנודת תאים) יתחילו לזרום למתכת עם מספר קטן יותר מהם (אלקטרודה חיובית - קתודה). כמובן שבמהלך פעולת התא יש לשמור על איזון: קטיוני מתכת מהאנודה נכנסים לתמיסה, והאלקטרונים המועברים לקתודה מגיבים עם היונים שמסביב. המעגל כולו נסגר על ידי אלקטרוליט המספק הובלת יונים. האנרגיה של אלקטרונים הזורמים דרך מוליך יכולה לשמש לעבודה שימושית.