Thế giới pin - phần 1
Giải Nobel Hóa học 2019 được trao cho việc phát triển thiết kế của pin lithium-ion. Không giống như một số phán quyết khác của Ủy ban Nobel, phán quyết này không gây ngạc nhiên - hoàn toàn ngược lại. Pin Lithium-ion cung cấp năng lượng cho điện thoại thông minh, máy tính xách tay, dụng cụ điện cầm tay và thậm chí cả ô tô điện. Ba nhà khoa học John Goodenough, Stanley Whittingham và Akira Yoshino đã xứng đáng nhận được bằng tốt nghiệp, huy chương vàng và 9 triệu SEK để phân phối.
Bạn có thể đọc thêm về lý do của giải thưởng trong một số trước của chu trình hóa học của chúng tôi - và bản thân bài báo đã kết thúc bằng việc công bố một bản trình bày chi tiết hơn về vấn đề tế bào và pin. Đã đến lúc giữ lời hứa của bạn.
Đầu tiên, một lời giải thích ngắn gọn về sự không chính xác của việc đặt tên.
Liên kết đây là mạch duy nhất tạo ra điện áp.
Pin bao gồm các ô được kết nối chính xác. Mục đích là tăng điện áp, điện dung (năng lượng có thể được lấy từ hệ thống) hoặc cả hai.
аккумулятор nó là một tế bào hoặc pin có thể được sạc lại khi nó cạn kiệt. Không phải mọi con chip đều có những đặc tính này - nhiều con chip dùng một lần. Trong lời nói hàng ngày, hai thuật ngữ đầu tiên thường được sử dụng thay thế cho nhau (điều này cũng sẽ xảy ra trong bài viết), nhưng người ta phải nhận thức được sự khác biệt giữa chúng (1).
1. Pin gồm các ô.
Pin đã không được phát minh trong những thập kỷ qua, chúng có lịch sử lâu đời hơn nhiều. Bạn có thể đã nghe về trải nghiệm này Galvaniego i Vôn vào đầu thế kỷ XNUMX và XNUMX, đánh dấu sự khởi đầu của việc sử dụng dòng điện trong vật lý và hóa học. Tuy nhiên, lịch sử của pin thậm chí còn bắt đầu sớm hơn. Đó là một thời gian dài trước đây …
... lâu ở Baghdad
Năm 1936, một nhà khảo cổ học người Đức Wilhelm Koenig tìm thấy một bình đất nung gần Baghdad có niên đại từ thế kỷ thứ XNUMX trước Công nguyên. Tìm thấy không có vẻ gì là bất thường, vì nền văn minh trên sông Euphrates và Tigris đã phát triển hàng nghìn năm.
Tuy nhiên, bên trong con tàu rất bí ẩn: một cuộn tôn gỉ sét, một thanh sắt và tàn tích của nhựa tự nhiên. Koenig phân vân về mục đích của hiện vật cho đến khi anh nhớ đã đến thăm Ngõ Kim hoàn ở Baghdad. Các thiết kế tương tự đã được các thợ thủ công địa phương sử dụng để phủ các sản phẩm bằng đồng với kim loại quý. Ý kiến cho rằng đó là một loại pin cổ xưa đã không thuyết phục được các nhà khảo cổ học khác rằng không có bằng chứng về điện tồn tại vào thời điểm đó.
Vì vậy, (đó là những gì được tìm thấy được gọi là) đây là một sự thật hay một câu chuyện cổ tích từ 1001 đêm? Hãy để thử nghiệm quyết định.
Bạn sẽ cần: tấm đồng, đinh sắt và giấm (lưu ý rằng tất cả những vật liệu này đã được biết đến và phổ biến rộng rãi trong thời cổ đại). Thay thế nhựa để làm kín bình và thay thế nó bằng plasticine làm vật liệu cách nhiệt.
Thực hiện thí nghiệm trong cốc hoặc bình có mỏ, mặc dù việc sử dụng bình bằng đất nung sẽ cho phép thử có hương vị đích thực. Sử dụng giấy nhám, làm sạch bề mặt kim loại khỏi mảng bám và gắn dây vào chúng.
Cuộn tấm đồng thành cuộn rồi đặt vào tàu, đóng đinh vào cuộn. Sử dụng plasticine, cố định tấm và đinh để chúng không chạm vào nhau (2). Đổ giấm (dung dịch khoảng 5%) vào bình và dùng đồng hồ vạn năng đo hiệu điện thế giữa hai đầu dây nối với tấm đồng và đinh sắt. Đặt thiết bị để đo dòng điện một chiều. Cực nào là cực "cộng" và cực nào là cực "trừ" của nguồn điện áp?
2. Bản phác thảo của một bản sao hiện đại của pin từ Baghdad.
Đồng hồ hiển thị 0,5-0,7 V, vì vậy pin Baghdad đang hoạt động! Xin lưu ý rằng cực dương của hệ thống là đồng và cực âm là sắt (đồng hồ chỉ hiển thị giá trị điện áp dương trong một tùy chọn để kết nối dây với các cực). Có thể lấy điện từ bản sao được xây dựng cho công việc hữu ích không? Có, nhưng hãy tạo thêm một số mô hình và mắc nối tiếp để tăng hiệu điện thế. Đèn LED cần khoảng 3 vôn - nếu bạn lấy được nhiều như vậy từ pin, đèn LED sẽ sáng.
Pin Baghdad đã được kiểm tra nhiều lần về khả năng cung cấp năng lượng cho các thiết bị cỡ nhỏ. Một thí nghiệm tương tự đã được thực hiện cách đây vài năm bởi các tác giả của chương trình MythBusters đình đám. Mythbusters (bạn có còn nhớ Adam và Jamie không?) Cũng đưa ra kết luận rằng cấu trúc này có thể đóng vai trò như một cục pin cổ.
Vậy phải chăng cuộc phiêu lưu của loài người với điện đã bắt đầu từ hơn 2 năm trước? Có và không. Có, bởi vì ngay cả khi đó người ta đã có thể thiết kế bộ nguồn. Không, bởi vì phát minh đã không trở nên phổ biến - không ai cần nó sau đó và trong nhiều thế kỷ tới.
Sự liên quan? Thật đơn giản!
Làm sạch kỹ bề mặt của các tấm kim loại hoặc dây điện, nhôm, sắt, v.v. Chèn các mẫu của hai kim loại khác nhau vào một trái cây ngon ngọt (điều này sẽ tạo điều kiện cho dòng điện chạy qua) để chúng không chạm vào nhau. Nối các kẹp vạn năng vào hai đầu của dây dẫn thò ra khỏi quả và đọc hiệu điện thế giữa chúng. Thay đổi loại kim loại được sử dụng (cũng như trái cây) và tiếp tục thử (3).
3. Tế bào quả (điện cực nhôm và đồng).
Trong mọi trường hợp, các liên kết đã được tạo. Giá trị của các điện áp đo được khác nhau tùy thuộc vào kim loại và quả được lấy làm thí nghiệm. Việc kết hợp các tế bào trái cây thành pin sẽ cho phép bạn sử dụng nó để cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử nhỏ (trong trường hợp này, nó yêu cầu một lượng dòng điện nhỏ, bạn có thể lấy từ thiết kế của mình).
Nối các đầu của dây nhô ra khỏi các quả cực với dây, và các đầu này lần lượt với các đầu của đèn LED. Ngay sau khi bạn kết nối các cực của pin với các "đầu cuối" tương ứng của diode và điện áp đã vượt quá một ngưỡng nhất định, diode sẽ sáng lên (các điốt có màu sắc khác nhau có điện áp ban đầu khác nhau, nhưng khoảng 3 vôn là đủ ).
Một nguồn năng lượng hấp dẫn không kém là đồng hồ điện tử - nó có thể hoạt động bằng “pin hoa quả” trong một thời gian dài (mặc dù phụ thuộc rất nhiều vào kiểu dáng của đồng hồ).
Rau quả không thua kém gì trái cây và cũng cho phép bạn tạo ra một lượng pin từ chúng. Tại vì? Lấy một ít dưa chua và một lượng thích hợp các tấm hoặc dây đồng và nhôm (bạn có thể thay thế chúng bằng đinh thép, nhưng bạn sẽ nhận được điện áp thấp hơn từ một liên kết duy nhất). Lắp ráp pin và khi bạn sử dụng nó để cấp nguồn cho mạch tích hợp từ hộp nhạc, dàn hợp xướng dưa chuột sẽ hát!
Tại sao lại là dưa chuột? Konstantin Ildefons Galchinsky lập luận rằng: "Nếu quả dưa chuột không biết hát và bất cứ lúc nào, có lẽ nó không thể nhìn thấy theo ý trời". Hóa ra một nhà hóa học có thể làm được những điều mà ngay cả các nhà thơ cũng chưa từng mơ tới.
Pin Bivouac
Trong trường hợp khẩn cấp, bạn có thể tự thiết kế pin và sử dụng nó để cấp nguồn cho đèn LED. Đúng, ánh sáng sẽ mờ, nhưng tốt hơn là không có.
Bạn sẽ cần gì? Tất nhiên là một đi-ốt và ngoài ra, một khuôn làm bằng đá, dây đồng, và đinh hoặc vít bằng thép (kim loại phải được làm sạch bề mặt để tạo điều kiện cho dòng điện chạy qua). Cắt dây thành từng đoạn và quấn đầu vít hoặc đinh với một đầu của đoạn dây. Tạo một số bố cục thép-đồng theo cách này (8-10 là đủ).
Đổ đất ẩm vào các hốc trong khuôn (bạn có thể đổ thêm nước muối, sẽ làm giảm điện trở). Bây giờ hãy chèn cấu trúc của bạn vào trong khoang: vít hoặc đinh phải đi vào một lỗ, và dây đồng vào lỗ kia. Đặt những cái tiếp theo sao cho có thép trong cùng một hốc với đồng (các kim loại không thể tiếp xúc với nhau). Toàn bộ tạo thành một chuỗi: thép-đồng-thép-đồng, v.v ... Sắp xếp các phần tử sao cho các khoang đầu tiên và khoang cuối cùng (những khoang duy nhất chứa các kim loại riêng lẻ) nằm cạnh nhau.
Đến đây là cao trào.
Chèn một chân của đi-ốt vào hốc đầu tiên của hàng và chân còn lại vào hốc cuối cùng. Nó có tỏa sáng không?
Nếu vậy, xin chúc mừng (4)! Nếu không, hãy tìm lỗi. Một diode LED, không giống như bóng đèn thông thường, phải có kết nối cực tính (bạn có biết kim loại nào là "cộng" và kim loại nào là "trừ" của pin?). Chỉ cần chèn các chân theo hướng ngược lại với mặt đất là đủ. Các nguyên nhân hư hỏng khác là điện áp quá thấp (tối thiểu 3 vôn), hở mạch hoặc ngắn mạch trong đó.
4. "Trái đất pin" đang hoạt động.
Trong trường hợp đầu tiên, hãy tăng số lượng các thành phần. Trong lần thứ hai, kiểm tra kết nối giữa các kim loại (cũng bịt kín mặt đất xung quanh chúng). Trong trường hợp thứ ba, hãy đảm bảo rằng các đầu đồng và thép không chạm vào nhau dưới đất và đất hoặc vữa mà bạn đã làm ướt nó không kết nối các hố liền kề.
Thí nghiệm với "pin đất" rất thú vị và chứng minh rằng hầu như không có gì có thể thu được điện. Ngay cả khi bạn không phải sử dụng một cấu trúc xây dựng, bạn luôn có thể gây ấn tượng với những người đi nghỉ bằng các kỹ năng giống như MacGyver của bạn (có thể chỉ được các kỹ thuật viên cấp cao nhớ đến) hoặc bậc thầy về sinh tồn.
Tế bào hoạt động như thế nào?
Một kim loại (điện cực) được ngâm trong dung dịch dẫn điện (chất điện phân) được tích điện từ nó. Lượng cation tối thiểu đi vào dung dịch, trong khi các electron vẫn còn trong kim loại. Có bao nhiêu ion trong dung dịch và bao nhiêu electron thừa trong kim loại phụ thuộc vào loại kim loại, dung dịch, nhiệt độ và nhiều yếu tố khác. Nếu hai kim loại khác nhau được ngâm trong chất điện phân, giữa chúng sẽ xuất hiện một hiệu điện thế do số lượng electron khác nhau. Khi kết nối các điện cực bằng dây, các electron từ kim loại có số lượng lớn (điện cực âm, tức là cực dương của tế bào) sẽ bắt đầu chảy vào kim loại có số lượng nhỏ hơn (điện cực dương - cực âm). Tất nhiên, trong quá trình hoạt động của tế bào, cần phải duy trì sự cân bằng: các cation kim loại từ cực dương đi vào dung dịch và các electron được chuyển đến cực âm phản ứng với các ion xung quanh. Toàn bộ mạch được đóng lại bởi một chất điện phân cung cấp khả năng vận chuyển ion. Năng lượng của các electron chạy qua một dây dẫn có thể được sử dụng cho công việc hữu ích.
