عالم البطارية - الجزء الأول
مُنحت جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2019 لتطوير تصميم بطاريات أيونات الليثيوم. على عكس بعض الأحكام الأخرى الصادرة عن لجنة نوبل ، لم يكن هذا الحكم مفاجئًا - بل على العكس تمامًا. تعمل بطاريات الليثيوم أيون على تشغيل الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة وأدوات الطاقة المحمولة وحتى السيارات الكهربائية. حصل ثلاثة علماء هم جون جودينو وستانلي ويتنغهام وأكيرا يوشينو بجدارة على شهادات دبلوم وميداليات ذهبية و 9 ملايين كرونة سويدية للتوزيع.
يمكنك قراءة المزيد حول الأساس المنطقي للجائزة في عدد سابق من دورة الكيمياء الخاصة بنا - وانتهى المقال نفسه بالإعلان عن عرض تقديمي أكثر تفصيلاً لمسألة الخلايا والبطاريات. حان الوقت للوفاء بوعدك.
أولاً ، شرح موجز لأخطاء التسمية.
رابط هذه هي الدائرة الوحيدة التي تولد الجهد.
بطارية يتكون من خلايا متصلة بشكل صحيح. الهدف هو زيادة الجهد أو السعة (الطاقة التي يمكن استخلاصها من النظام) أو كليهما.
بطارية إنها خلية أو بطارية يمكن إعادة شحنها عند نفادها. لا تحتوي كل شريحة على هذه الخصائص - فالعديد منها يمكن التخلص منه. في الحديث اليومي ، غالبًا ما يتم استخدام المصطلحين الأولين بالتبادل (سيكون هذا هو الحال أيضًا في المقالة) ، ولكن يجب أن يكون المرء على دراية بالفرق بينهما (1).
1. بطاريات تتكون من خلايا.
لم يتم اختراع البطاريات على مدى العقود الماضية ، فلها تاريخ أطول بكثير. ربما سمعت بالفعل عن التجربة جالفانيغو i فولت في مطلع القرنين XNUMXth و XNUMXth ، والتي كانت بداية استخدام التيار الكهربائي في الفيزياء والكيمياء. ومع ذلك ، فإن تاريخ البطارية بدأ حتى قبل ذلك. كان منذ وقت طويل …
... وقت طويل في بغداد
في عام 1936 عالم آثار ألماني فيلهلم كونيغ عثر على إناء خزفي بالقرب من بغداد يعود تاريخه إلى القرن الثالث قبل الميلاد ، ولم يكن هذا الاكتشاف غير عادي بالنظر إلى ازدهار الحضارة على نهري دجلة والفرات لآلاف السنين.
ومع ذلك ، كانت محتويات الإناء غامضة: لفافة من النحاس الصدئ ، وقضيب حديدي ، وبقايا راتنج طبيعي. كان كونيغ في حيرة من أمره بشأن الغرض من هذه القطعة الأثرية حتى تذكر زيارته لزقاق الجواهريين في بغداد. تم استخدام تصميمات مماثلة من قبل الحرفيين المحليين لتغطية المنتجات النحاسية بالمعادن الثمينة. فكرة أنها كانت بطارية قديمة لم تقنع علماء الآثار الآخرين أنه لا يوجد دليل على وجود الكهرباء في ذلك الوقت.
إذن (هذا ما يسمى الاكتشاف) هل هذا شيء حقيقي أم قصة خرافية من 1001 ليلة؟ دع التجربة تقرر.
سوف تحتاج: صفيحة نحاسية ومسامير حديدية وخل (لاحظ أن كل هذه المواد كانت معروفة ومتوفرة على نطاق واسع في العصور القديمة). استبدل الراتنج لإغلاق الوعاء واستبداله بالبلاستيك كعزل.
قم بالتجربة في دورق أو قارورة ، على الرغم من أن استخدام إناء خزفي سيعطي الاختبار نكهة أصلية. باستخدام ورق الصنفرة ، قم بتنظيف الأسطح المعدنية من البلاك وربط الأسلاك بها.
لف الصفيحة النحاسية في لفافة وضعها في الوعاء ، وأدخل المسمار في اللفافة. باستخدام البلاستيسين ، ثبت الصفيحة والمسمار حتى لا يلمس أحدهما الآخر (2). صب الخل (حوالي 5٪ محلول) في الوعاء ، وباستخدام مقياس متعدد ، قم بقياس الجهد بين أطراف الأسلاك المتصلة باللوحة النحاسية والمسمار الحديدي. اضبط الأداة لقياس تيار التيار المستمر. أي من القطبين هو "الموجب" وما هو "السالب" لمصدر الجهد؟
2. كروكي لنسخة حديثة للبطارية من بغداد.
يظهر العداد 0,5-0,7 فولت ، لذا فإن بطارية بغداد تعمل! يرجى ملاحظة أن القطب الموجب للنظام هو النحاس ، والقطب السالب هو الحديد (يُظهر المقياس قيمة جهد موجب في خيار واحد فقط لتوصيل الأسلاك بالأطراف). هل يمكن الحصول على الكهرباء من النسخة المبنية لعمل مفيد؟ نعم ، لكن قم بعمل المزيد من الطرز وقم بتوصيلها في سلسلة لزيادة الجهد. يحتاج مؤشر LED إلى حوالي 3 فولت - إذا حصلت على هذا القدر من بطاريتك ، فسيضيء مؤشر LED.
تم اختبار بطارية بغداد بشكل متكرر لقدرتها على تشغيل معدات صغيرة الحجم. تم إجراء تجربة مماثلة منذ عدة سنوات من قبل مؤلفي برنامج العبادة MythBusters. توصل Mythbusters (هل ما زلت تتذكر آدم وجيمي؟) إلى استنتاج مفاده أن الهيكل يمكن أن يكون بمثابة بطارية قديمة.
فهل بدأت مغامرة البشرية مع الكهرباء منذ أكثر من عامين؟ نعم و لا. نعم ، لأنه حتى ذلك الحين كان من الممكن تصميم مصادر الطاقة. لا ، لأن الاختراع لم ينتشر على نطاق واسع - لم يكن أحد بحاجة إليه في ذلك الوقت ولقرون عديدة قادمة.
اتصال؟ انه سهل!
قم بتنظيف أسطح الألواح أو الأسلاك المعدنية والألمنيوم والحديد وما إلى ذلك. أدخل عينات من معدنين مختلفين في فاكهة غنية بالعصير (مما يسهل تدفق الكهرباء) حتى لا يلمس أحدهما الآخر. قم بتوصيل مشابك المتر المتعدد بنهايات الأسلاك الخارجة من الفاكهة ، واقرأ الجهد الكهربائي بينها. قم بتغيير أنواع المعادن المستخدمة (وكذلك الفواكه) واستمر في المحاولة (3).
3. خلية الفاكهة (أقطاب الألومنيوم والنحاس).
في جميع الحالات تم إنشاء الروابط. تختلف قيم الفولتية المقاسة باختلاف المعادن والفواكه المأخوذة للتجربة. سيسمح لك دمج خلايا الفاكهة في بطارية باستخدامها لتشغيل المعدات الإلكترونية الصغيرة (في هذه الحالة ، يتطلب مقدارًا صغيرًا من التيار ، والذي يمكنك الحصول عليه من التصميم الخاص بك).
قم بتوصيل أطراف الأسلاك الخارجة من الثمار المتطرفة بالأسلاك ، وهذه بدورها بنهايات LED. بمجرد توصيل أقطاب البطارية بـ "الأطراف" المقابلة للديود وتجاوز الجهد حدًا معينًا ، سيضيء الصمام الثنائي (الثنائيات ذات الألوان المختلفة لها جهد ابتدائي مختلف ، ولكن يجب أن تكون حوالي 3 فولت كافية ).
مصدر الطاقة الجذاب أيضًا هو ساعة إلكترونية - يمكن أن تعمل على "بطارية فاكهة" لفترة طويلة (على الرغم من أن الكثير يعتمد على طراز الساعة).
الخضار ليست بأي حال من الأحوال أدنى من الفاكهة وتسمح لك أيضًا ببناء بطارية منها. لأن؟ خذ القليل من المخللات وكمية مناسبة من صفائح أو أسلاك النحاس والألمنيوم (يمكنك استبدالها بمسامير فولاذية ، لكنك ستحصل على جهد أقل من رابط واحد). قم بتجميع بطارية وعندما تستخدمها لتشغيل الدائرة المتكاملة من صندوق الموسيقى ، ستغني جوقة الخيار!
لماذا الخيار؟ جادل كونستانتين إلديفونس جالتشينسكي قائلاً: "إذا كان الخيار لا يغني وفي أي وقت ، فمن المحتمل أنه لا يستطيع أن يرى بإرادة السماء". اتضح أن الكيميائي يمكنه أن يفعل أشياء لم يحلم بها حتى الشعراء.
بطارية بيفواك
في حالات الطوارئ ، يمكنك تصميم بطارية بنفسك واستخدامها لتشغيل مصباح LED. صحيح أن الضوء سيكون خافتًا ، لكنه أفضل من لا شيء.
ماذا ستحتاج؟ الصمام الثنائي بالطبع ، ولكن أيضًا علبة مكعبات الثلج ، والأسلاك النحاسية ، والمسامير أو البراغي الفولاذية (تحتاج المعادن إلى تنظيف أسطحها لتسهيل تدفق الكهرباء). اقطع السلك إلى قطع ولف رأس البرغي أو الظفر بأحد طرفي الجزء. قم بعمل عدة تخطيطات من الصلب والنحاس بهذه الطريقة (يجب أن تكون 8-10 كافية).
صب التربة الرطبة في تجاويف القالب (يمكنك أيضًا صب الماء المالح ، مما يقلل المقاومة الكهربائية). الآن أدخل الهيكل الخاص بك في التجويف: يجب أن يدخل المسمار أو المسمار في ثقب واحد ، والسلك النحاسي في الآخر. ضع التالي بحيث يكون هناك فولاذ في نفس التجويف مع النحاس (لا يمكن أن تتلامس المعادن مع بعضها البعض). يشكل الكل سلسلة: فولاذ - نحاس - صلب - نحاس ، إلخ. رتب العناصر بطريقة تجعل التجاويف الأولى والأخيرة (الوحيدة التي تحتوي على معادن فردية) بجوار بعضها البعض.
هنا تأتي الذروة.
أدخل إحدى ساقي الصمام الثنائي في التجويف الأول في الصف والساق الأخرى في الأخير. هل هي مشرقة؟
إذا كان الأمر كذلك ، فتهانينا (4)! إذا لم يكن كذلك ، ابحث عن الأخطاء. يجب أن يحتوي الصمام الثنائي LED ، على عكس المصباح الكهربائي التقليدي ، على قطبية اتصال (هل تعرف أي معدن هو "زائد" وما هو "ناقص" البطارية؟). يكفي إدخال الساقين في الاتجاه المعاكس للأرض. الأسباب الأخرى للفشل هي الجهد المنخفض جدًا (3 فولت على الأقل) ، أو الدائرة المفتوحة أو الدائرة القصيرة فيه.
4. "بطارية الأرض" قيد التشغيل.
في الحالة الأولى ، قم بزيادة عدد المكونات. في الثانية ، تحقق من الاتصال بين المعادن (قم أيضًا بإغلاق الأرض من حولهم). في الحالة الثالثة ، تأكد من أن أطراف النحاس والصلب لا تلامس بعضها البعض تحت الأرض وأن التربة أو الملاط الذي رطبت به لا يصل بين الحفر المجاورة.
تجربة "بطارية الأرض" مثيرة للاهتمام وتثبت أنه يمكن الحصول على الكهرباء من لا شيء تقريبًا. حتى إذا لم تكن مضطرًا إلى استخدام هيكل مبني ، يمكنك دائمًا إقناع المعسكر بمهاراتك الشبيهة بـ MacGyver (ربما لا يتذكرها سوى كبار الفنيين) أو إتقان البقاء على قيد الحياة.
كيف تعمل الخلايا؟
يشحن منه معدن (قطب كهربائي) مغمور في محلول موصل (إلكتروليت). يذهب الحد الأدنى من الكاتيونات إلى المحلول ، بينما تظل الإلكترونات في المعدن. يعتمد عدد الأيونات الموجودة في المحلول وعدد الإلكترونات الزائدة في المعدن على نوع المعدن والمحلول ودرجة الحرارة والعديد من العوامل الأخرى. إذا غُمر معدنان مختلفان في إلكتروليت ، سينشأ جهد بينهما بسبب اختلاف عدد الإلكترونات. عند توصيل الأقطاب الكهربائية بسلك ، تبدأ الإلكترونات من المعدن الذي يحتوي على عدد كبير منها (القطب السالب ، أي أنود الخلية) في التدفق إلى المعدن بعدد أقل منها (القطب الموجب - الكاثود). بالطبع ، أثناء تشغيل الخلية ، يجب الحفاظ على التوازن: تذهب الكاتيونات المعدنية من الأنود إلى المحلول ، وتتفاعل الإلكترونات التي يتم توصيلها إلى الكاثود مع الأيونات المحيطة. يتم إغلاق الدائرة بأكملها بواسطة إلكتروليت يوفر النقل الأيوني. يمكن استخدام طاقة الإلكترونات التي تتدفق عبر الموصل لعمل مفيد.
