ब्याट्री संसार - भाग 1

सन् २०१९ को रसायनशास्त्रको नोबेल पुरस्कार लिथियम आयन ब्याट्रीको डिजाइन विकास गरेकोमा प्रदान गरिएको थियो। नोबेल समितिको अन्य निर्णयहरू भन्दा फरक, यो एक अचम्म लागेन - एकदम विपरीत। लिथियम-आयन ब्याट्रीहरू पावर स्मार्टफोनहरू, ल्यापटपहरू, पोर्टेबल पावर उपकरणहरू र विद्युतीय सवारीहरू पनि। तीन वैज्ञानिकहरू, जोन गुडइनफ, स्टेनली ह्वाइटिङहम र अकिरा योशिनोले डिप्लोमा, स्वर्ण पदक र वितरणको लागि 2019 मिलियन SEK प्राप्त गरे। 

तपाईले हाम्रो रसायन विज्ञान चक्रको अघिल्लो अंकमा पुरस्कारको लागि तर्कको बारेमा थप पढ्न सक्नुहुन्छ - र लेख आफैं सेल र ब्याट्रीहरूको मुद्दाको थप विस्तृत प्रस्तुतीकरणको घोषणाको साथ समाप्त भयो। यो आफ्नो वाचा राख्ने समय हो।

पहिलो, नामकरण अशुद्धताहरूको संक्षिप्त व्याख्या।

लिङ्क यो एक मात्र सर्किट हो जसले भोल्टेज उत्पन्न गर्दछ।

ब्याट्री सही रूपमा जडान गरिएका कक्षहरू समावेश छन्। लक्ष्य भनेको भोल्टेज, क्यापेसिटन्स (प्रणालीबाट तान्न सकिने ऊर्जा), वा दुवै बढाउनु हो।

ब्याट्री यो सेल वा ब्याट्री हो जुन रिचार्ज गर्न सकिन्छ जब यो समाप्त हुन्छ। प्रत्येक चिपमा यी गुणहरू छैनन् - धेरै डिस्पोजेबल छन्। दैनिक बोलीमा, पहिलो दुई सर्तहरू प्राय: एकान्तरको रूपमा प्रयोग गरिन्छ (यो लेखमा पनि हुनेछ), तर तिनीहरू बीचको भिन्नताको बारेमा सचेत हुनुपर्छ (1)।

1. कक्षहरू मिलेर बनेका ब्याट्रीहरू।

ब्याट्रीहरू पछिल्ला दशकहरूमा आविष्कार गरिएका छैनन्, तिनीहरूसँग धेरै लामो इतिहास छ। तपाईंले अनुभवको बारेमा पहिले नै सुन्नुभएको हुन सक्छ Galvanie i भोल्ट XNUMX औं र XNUMX औं शताब्दीको मोडमा, जसले भौतिक विज्ञान र रसायन विज्ञानमा विद्युतीय प्रवाहको प्रयोगको सुरुवातलाई चिन्ह लगाउँदछ। यद्यपि, ब्याट्रीको इतिहास पहिले नै सुरु भयो। त्यो धेरै पहिलेको…

बग्दादमा लामो समयदेखि...

1936 मा एक जर्मन पुरातत्वविद् विल्हेम कोनिग बगदाद नजिकै एउटा माटोको भाँडो भेटियो जुन ईसापूर्व तेस्रो शताब्दीको हो। युफ्रेटिस र टाइग्रिसको सभ्यता हजारौं वर्षसम्म फस्टाएको कारणले यो खोज असामान्य लागेन।

यद्यपि, पोतको सामग्री रहस्यमय थियो: तामाको पानाको खिया लागेको रोल, फलामको रड र प्राकृतिक रालका अवशेषहरू। कोएनिगले बगदादको एली अफ ज्वेलर्सको भ्रमण गरेको सम्झना नहुँदासम्म कलाकृतिको उद्देश्यलाई लिएर अन्योलमा परे। समान डिजाइनहरू स्थानीय शिल्पकारहरूले बहुमूल्य धातुहरूले तामाका उत्पादनहरू ढाक्न प्रयोग गरेका थिए। यो पुरानो ब्याट्री हो भन्ने विचारले अन्य पुरातत्वविद्हरूलाई विश्वास दिलाएन कि त्यस समयमा बिजुलीको कुनै प्रमाण जीवित थिएन।

त्यसोभए (त्यो खोज भनिएको थियो) के यो वास्तविक कुरा हो वा 1001 रातको परी कथा हो? प्रयोग निर्णय गरौं।

तपाईंलाई आवश्यक हुनेछ: तामाको प्लेट, फलामको कील र सिरका (ध्यान दिनुहोस् कि यी सबै सामग्रीहरू पुरातन कालमा ज्ञात र व्यापक रूपमा उपलब्ध थिए)। भाँडालाई सील गर्न रेजिनलाई इन्सुलेशनको रूपमा प्लास्टिसिनले बदल्नुहोस्।

बीकर वा फ्लास्कमा प्रयोग गर्नुहोस्, यद्यपि माटोको भाँडा प्रयोग गर्दा परीक्षणलाई प्रामाणिक स्वाद दिनेछ। स्यान्डपेपर प्रयोग गरेर, फलकबाट धातुको सतहहरू सफा गर्नुहोस् र तिनीहरूमा तारहरू जोड्नुहोस्।

तामाको प्लेटलाई रोलमा घुमाउनुहोस् र यसलाई भाँडोमा राख्नुहोस्, र रोलमा कील घुसाउनुहोस्। प्लास्टिसिन प्रयोग गरेर, प्लेट र नेलहरू ठीक गर्नुहोस् ताकि तिनीहरू एकअर्कालाई नछुनुहोस् (2)। भाँडोमा भिनेगर (लगभग ५% समाधान) हाल्नुहोस् र मल्टिमिटर प्रयोग गरी तामाको प्लेट र फलामको कीलमा जोडिएका तारहरूको छेउमा रहेको भोल्टेज नाप्नुहोस्। DC वर्तमान मापन गर्न उपकरण सेट गर्नुहोस्। कुन ध्रुवहरू "प्लस" हो र भोल्टेज स्रोतको "माइनस" कुन हो?

2. बगदादबाट ब्याट्रीको आधुनिक प्रतिलिपिको स्केच।

मिटरले 0,5-0,7 V देखाउँछ, त्यसैले बगदाद ब्याट्री काम गरिरहेको छ! कृपया ध्यान दिनुहोस् कि प्रणालीको सकारात्मक ध्रुव तामा हो, र नकारात्मक ध्रुव फलाम हो (मीटरले टर्मिनलहरूमा तारहरू जडान गर्नको लागि मात्र एक विकल्पमा सकारात्मक भोल्टेज मान देखाउँछ)। उपयोगी कामको लागि निर्मित प्रतिलिपिबाट बिजुली उत्पादन गर्न सकिन्छ? हो, तर केही थप मोडेलहरू बनाउनुहोस् र भोल्टेज बढाउन तिनीहरूलाई श्रृंखलामा जडान गर्नुहोस्। LED लाई लगभग 3 भोल्ट चाहिन्छ - यदि तपाईले आफ्नो ब्याट्रीबाट धेरै प्राप्त गर्नुभयो भने, LED उज्यालो हुनेछ।

बगदाद ब्याट्रीलाई सानो आकारको उपकरणहरू पावर गर्ने क्षमताको लागि बारम्बार परीक्षण गरिएको थियो। यस्तै प्रयोग धेरै वर्ष पहिले पंथ कार्यक्रम MythBusters को लेखक द्वारा गरिएको थियो। मिथबस्टरहरू (तपाईंलाई अझै पनि एडम र जेमी सम्झना छ?) पनि निष्कर्षमा आए कि संरचनाले पुरानो ब्याट्रीको रूपमा काम गर्न सक्छ।

त्यसोभए बिजुलीको साथ मानवताको साहसिक कार्य 2 वर्ष पहिले सुरु भयो? हो र होइन। हो, किनभने तब पनि बिजुली आपूर्ति डिजाइन गर्न सम्भव थियो। होइन, किनभने आविष्कार व्यापक भएन - त्यसबेला र आउने धेरै शताब्दीहरूका लागि कसैलाई यसको आवश्यकता थिएन।

जडान? यो सरल छ!

धातु प्लेट वा तार, आल्मुनियम, फलाम, आदि को सतहहरु राम्ररी सफा गर्नुहोस्। दुई फरक धातुका नमूनाहरू रसदार फलमा घुसाउनुहोस् (जसले बिजुलीको प्रवाहलाई सहज बनाउनेछ) ताकि तिनीहरूले एकअर्कालाई नछुने। फलबाट टाँसिएका तारहरूको छेउमा मल्टिमिटर क्ल्याम्पहरू जडान गर्नुहोस्, र तिनीहरू बीचको भोल्टेज पढ्नुहोस्। प्रयोग गरिएका धातुहरूको प्रकारहरू परिवर्तन गर्नुहोस् (साथै फलहरू) र प्रयास गरिरहनुहोस् (३)।

3. फल सेल (एल्युमिनियम र तामा इलेक्ट्रोड)।

सबै अवस्थामा लिङ्कहरू सिर्जना गरियो। प्रयोगको लागि लिइएको धातु र फलहरूमा निर्भर गर्दै मापन गरिएको भोल्टेजहरूको मानहरू फरक हुन्छन्। ब्याट्रीमा फल कोशिकाहरू संयोजन गर्नाले तपाईंलाई यसलाई साना इलेक्ट्रोनिक उपकरणहरू पावर गर्न प्रयोग गर्न अनुमति दिनेछ (यस अवस्थामा, यसलाई थोरै मात्रामा वर्तमान चाहिन्छ, जुन तपाईंले आफ्नो डिजाइनबाट प्राप्त गर्न सक्नुहुन्छ)।

चरम फलहरूबाट टाँसिएका तारहरूको छेउलाई तारहरूमा जोड्नुहोस्, र यी, बारीमा, एलईडीको छेउमा। तपाईंले ब्याट्रीको पोलहरूलाई डायोडको सम्बन्धित "टर्मिनलहरू" मा जडान गर्ने बित्तिकै र भोल्टेजले निश्चित थ्रेसहोल्ड नाघेको छ, डायोड उज्यालो हुनेछ (विभिन्न रङका डायोडहरूमा फरक प्रारम्भिक भोल्टेज हुन्छ, तर लगभग 3 भोल्ट पर्याप्त हुनुपर्छ। )।

समान रूपमा आकर्षक पावर स्रोत एक इलेक्ट्रोनिक घडी हो - यसले लामो समयको लागि "फल ब्याट्री" मा काम गर्न सक्छ (यद्यपि धेरै घडीको मोडेलमा निर्भर गर्दछ)।

तरकारीहरू कुनै पनि हिसाबले फलफूलभन्दा कम छैनन् र तिनीहरूबाट ब्याट्री निर्माण गर्न पनि अनुमति दिन्छ। किनभने? केही अचार र तामा र एल्युमिनियम पाना वा तारहरूको उपयुक्त मात्रा लिनुहोस् (तपाईले यसलाई स्टिल कीलहरूले प्रतिस्थापन गर्न सक्नुहुन्छ, तर तपाइँ एकल लिङ्कबाट कम भोल्टेज पाउनुहुनेछ)। ब्याट्री जम्मा गर्नुहोस् र जब तपाइँ यसलाई संगीत बक्सबाट एकीकृत सर्किटलाई पावर गर्न प्रयोग गर्नुहुन्छ, काकडी गायकले गाउनेछ!

किन काकडीहरू? Konstantin Ildefons Galchinsky तर्क गरे कि: "यदि काकडी गाउँदैन र कुनै पनि समयमा, उसले स्वर्गको इच्छाले देख्न सक्दैन।" यो बाहिर जान्छ कि एक रसायनज्ञले चीजहरू गर्न सक्छ जुन कविहरूले पनि सपना देखेका छैनन्।

Bivouac ब्याट्री

आपतकालीन अवस्थामा, तपाईं आफैंले ब्याट्री डिजाइन गर्न सक्नुहुन्छ र LED पावर गर्न प्रयोग गर्न सक्नुहुन्छ। साँचो, प्रकाश मधुरो हुनेछ, तर यो कुनै भन्दा राम्रो छ।

तपाईलाई के चाहिन्छ? एक डायोड, पक्कै पनि, तर आइस क्यूब ट्रे, तामाको तार, र स्टिलको नङ वा स्क्रूहरू (विद्युतको प्रवाहलाई सहज बनाउन धातुहरूले तिनीहरूको सतहहरू सफा गर्नुपर्छ)। तारलाई टुक्रामा काट्नुहोस् र टुक्राको एक छेउमा स्क्रू वा कीलको टाउको बेर्नुहोस्। यस तरिकाले धेरै स्टील-तामा लेआउटहरू बनाउनुहोस् (8-10 पर्याप्त हुनुपर्छ)।

मोल्डमा रिसेसहरूमा ओसिलो माटो खन्याउनुहोस् (तपाईले नुन पानी थप्न सक्नुहुन्छ, जसले विद्युतीय प्रतिरोध कम गर्नेछ)। अब तपाईंको संरचना गुफामा घुसाउनुहोस्: पेंच वा कील एउटा प्वालमा जानुपर्छ, र तामाको तार अर्कोमा। अर्कोलाई राख्नुहोस् ताकि त्यहाँ तामाको साथ एउटै गुफामा इस्पात छ (धातुहरू एकअर्कासँग सम्पर्कमा आउन सकेन)। सम्पूर्णले एउटा शृङ्खला बनाउँछ: इस्पात-तामा-स्टील-तामा, आदि। तत्वहरूलाई यसरी मिलाउनुहोस् कि पहिलो र अन्तिम गुफाहरू (व्यक्तिगत धातुहरू भएको मात्र) एकअर्काको छेउमा छन्।

यहाँ क्लाइमेक्स आउँछ।

डायोडको एउटा खुट्टा पङ्क्तिको पहिलो विश्राममा र अर्को खुट्टा अन्तिममा घुसाउनुहोस्। यो चम्किरहेको छ?

यदि त्यसो हो भने, बधाई छ (4)! यदि होइन भने, त्रुटिहरू खोज्नुहोस्। एक LED डायोड, एक पारंपरिक लाइट बल्ब विपरीत, एक polarity जडान हुनुपर्छ (के तपाईलाई थाहा छ कुन धातु "प्लस" हो र कुन ब्याट्रीको "माइनस" हो?)। यो जमीनको विपरीत दिशामा खुट्टा घुसाउन पर्याप्त छ। असफलताको अन्य कारणहरू धेरै कम भोल्टेज (न्यूनतम 3 भोल्ट), खुला सर्किट वा यसमा सर्ट सर्किट छन्।

4. "पृथ्वी ब्याट्री" सञ्चालनमा।

पहिलो अवस्थामा, अवयवहरूको संख्या बढाउनुहोस्। दोस्रोमा, धातुहरू बीचको जडान जाँच गर्नुहोस् (उनीहरूको वरिपरिको जमीन पनि सील गर्नुहोस्)। तेस्रो अवस्थामा, सुनिश्चित गर्नुहोस् कि तामा र इस्पातको छेउले एकअर्कालाई भूमिगत छोएको छैन र तपाईंले यसलाई भिजाउनु भएको माटो वा मोर्टारले छेउछाउको खाडलहरू जोड्दैन।

"पृथ्वी ब्याट्री" को साथ प्रयोग रोचक छ र लगभग केहि पनि बिजुली प्राप्त गर्न सकिन्छ भनेर प्रमाणित गर्दछ। यदि तपाइँले निर्मित संरचना प्रयोग गर्नु पर्दैन भने, तपाइँ सधैं तपाइँको MacGyver-जस्तो सीपहरू (सम्भवतः वरिष्ठ प्राविधिकहरूले मात्र सम्झने) वा बाँच्नको मास्टरको साथ छुट्टी मनाउनेहरूलाई प्रभावित गर्न सक्नुहुन्छ।

कोशिकाहरू कसरी काम गर्छन्?

एक धातु (इलेक्ट्रोड) एक प्रवाहकीय समाधान (इलेक्ट्रोलाइट) मा डुबेको यसबाट चार्ज गरिन्छ। क्यासनहरूको न्यूनतम मात्रा समाधानमा जान्छ, जबकि इलेक्ट्रोनहरू धातुमा रहन्छन्। धातुमा कति आयनहरू छन् र धातुमा कति अतिरिक्त इलेक्ट्रोनहरू छन् धातुको प्रकार, समाधान, तापमान, र अन्य धेरै कारकहरूमा निर्भर गर्दछ। यदि दुई फरक धातुहरूलाई इलेक्ट्रोलाइटमा डुबाइन्छ भने, इलेक्ट्रोनहरूको फरक संख्याको कारण तिनीहरूको बीचमा भोल्टेज उत्पन्न हुनेछ। तारसँग इलेक्ट्रोड जडान गर्दा, धातुबाट ठूलो संख्यामा इलेक्ट्रोनहरू (नकारात्मक इलेक्ट्रोड, अर्थात् सेल एनोड) तिनीहरूको सानो संख्या (सकारात्मक इलेक्ट्रोड - क्याथोड) भएको धातुमा प्रवाह गर्न थाल्छ। निस्सन्देह, सेलको सञ्चालनको क्रममा, सन्तुलन कायम गर्नुपर्छ: एनोडबाट धातु क्यासनहरू समाधानमा जान्छन्, र क्याथोडमा डेलिभर गरिएका इलेक्ट्रोनहरूले वरपरका आयनहरूसँग प्रतिक्रिया गर्दछ। सम्पूर्ण सर्किट एक इलेक्ट्रोलाइट द्वारा बन्द गरिएको छ जसले आयन यातायात प्रदान गर्दछ। कन्डक्टरबाट बहने इलेक्ट्रोनहरूको ऊर्जा उपयोगी कामको लागि प्रयोग गर्न सकिन्छ।