Baterie
Chociaż istnieje wiele różnych typów baterii, podstawowa koncepcja ich działania pozostaje niezmienna (jest wciąż taka sama). Kiedy urządzenie elektroniczne jest podłączone do baterii, zachodzi reakcja, która wytwarza energię elektryczną. Jest to znane jako reakcja elektrochemiczna. Włoski fizyk hrabia Alessandro Volta po raz pierwszy odkrył ten proces w 1799 roku, kiedy stworzył prostą baterię z metalowych płyt, nasączonego solanką kartonu lub papieru. Od tego czasu naukowcy z całego świata znacznie ulepszyli oryginalny projekt Volty. Stworzyli w ten sposób bardzo różnie wykonane baterie, z różnych materiałów, a także dostępnych w wielu różnych rozmiarach.
Dziś baterie są obecne wszędzie. Miesiącami zasilają nasze zegarki na rękę. Utrzymują w stanie gotowości nasze budziki i telefony, nawet jeśli w gniazdkach przestanie płynąć prąd. Uruchamiają nasze czujniki dymu, sprawiają, że działają nasze elektryczne maszynki do golenia, wiertarki elektryczne, odtwarzacze mp3, termostaty - a lista ta jest długa. Jeśli czytasz ten tekst na swoim laptopie lub smartfonie, to na 100% używasz teraz baterii. Czytając ten tekst dowiesz się nieco więcej na temat baterii, poznasz jej podstawowe części, z czego się składa, jakie reakcje i procesy w niej zachodzą i sprawiają, że działa. W tym miejscu uzupełnisz swoją wiedzę na temat akumulatorów.
Baterie - działają dłużej, niż myślisz
Po pierwsze - baterie działają dłużej, niż myślisz. W 1938 roku archeolog Wilhelm Konig odkrył kilka starożytnych glinianych garnków (podczas kopania w Khujut Rabu) na obrzeżach dzisiejszego Bagdadu w Iraku. Słoiki, które miały około 12 cm długości, zawierały żelazny pręt pokryty miedzią - datowany na około 200 rok p.n.e. Testy sugerowały, że naczynia były kiedyś wypełnione kwaśną substancją, taką jak ocet lub wino, co doprowadziło Koniga do przekonania, że naczynia te były starożytnymi bateriami. Od czasu tego odkrycia uczeni stworzyli repliki garnków, które w rzeczywistości są zdolne do wytworzenia ładunku elektrycznego. Te tzw. „baterie bagdadzkie” mogły być używane do rytuałów religijnych, do celów leczniczych, a nawet do galwanizacji.
W 1799 roku włoski fizyk Alessandro Volta stworzył pierwszą baterię, układając na przemian warstwy cynku, nasączonej solanką tektury lub tkaniny i srebra. Ten układ, zwany stosem galwanicznym, nie był pierwszym urządzeniem wytwarzającym energię elektryczną , ale był pierwszym, który emitował stały, trwały prąd. Jednak wynalazek Volty miał pewne wady. Wysokość, na której można było układać warstwy, była ograniczona, ponieważ ciężar stosu wyciskał solankę z tektury lub tkaniny. Metalowe dyski również szybko korodowały, skracając żywotność baterii. Pomimo tych niedociągnięć, jednostka SI sił elektromotorycznej jest teraz nazywana woltem, na cześć osiągnięcia Volty. Kolejny przełom w technologii akumulatorów nastąpił w 1836 roku, kiedy angielski chemik John Frederick Daniell wynalazł ogniwo Daniell.
W tej wczesnej baterii miedziana płytka została umieszczona na dnie szklanego słoika, a roztwór siarczanu miedzi został wylany na płytkę tak, aby wypełnił on słoik do połowy. Następnie w słoiku zawieszono płytkę cynkową i dodano roztwór siarczanu cynku. Ponieważ siarczan miedzi jest gęstszy niż siarczan cynku, roztwór cynku unosił się na wierzchu roztworu miedzi i otaczał płytkę cynkową. Przewód podłączony do płytki cynkowej reprezentował zacisk ujemny, podczas gdy przewód prowadzący z płytki miedzianej był zaciskiem dodatnim. Oczywiście taki układ nie działałby dobrze w latarce, ale do zastosowań stacjonarnych działał dobrze. W rzeczywistości komórka Daniell była powszechnym sposobem zasilania dzwonków do drzwi i telefonów, zanim udoskonalono generację elektryczną. W 1898 roku pierwszą komercyjnie dostępną i sprzedawaną baterią było Dry Cell. Producentem tej baterii był wówczas “National Carbon Company”, który stał się później “Eveready Battery Company”, firmą która obecnie produkuje znaną na całym świecie markę Energizer.
Baterie - anatomia baterii
Przyjrzyj się dowolnej baterii, a zauważysz, że ma dwa zaciski. Jeden zacisk jest oznaczony “+”, co oznacza że jest on dodatni. Drugi zaś jest oznaczony “-”, co oznacza że jest ujemny. W zwykłych bateriach do latarek, takich jak ogniwa AA, C lub D, zaciski znajdują się na końcach. Jednak w przypadku akumulatora 9 V lub samochodowego zaciski znajdują się obok siebie na górze akumulatora. Jeśli podłączysz przewód między dwoma zaciskami, elektrony będą płynąć z ujemnego do dodatniego końca tak szybko, jak to możliwe. Aby właściwie wykorzystać ładunek elektryczny wytwarzany przez akumulator, należy go podłączyć do obciążenia. Ładunek może przypominać żarówkę, silnik lub obwód elektroniczny, taki jak radio.
Wewnętrzne elementy baterii są zwykle umieszczone w metalowej lub plastikowej obudowie. Wewnątrz tej obudowy znajduje się katoda, która łączy się z zaciskiem dodatnim i anoda, która łączy się z zaciskiem ujemnym. Te elementy, znane ogólnie bardziej jako elektrody, zajmują większość miejsca w baterii i są miejscem, w którym zachodzą reakcje chemiczne. Separatora tworzy barierę pomiędzy katodą i anodą, zapobiegając przed dotknięciem elektrody ładunku elektrycznego, umożliwiając swobodny przepływ między nimi. Medium, które umożliwia przepływ ładunku elektrycznego między katodą a anodą, jest znane jako elektrolit. Wreszcie jest i kolekcjoner, który przewodzi ładowanie na zewnątrz akumulatora i przez ładunek. W jaki sposób katoda, anoda, elektrolit, separator i kolektor współpracują ze sobą, tworzą prąd elektryczny i utrzymują moc dla urządzeń przenośnych?
Baterie - reakcje chemiczne zachodzące w baterii
Chyba nikt z nas nie zdaje sobie do końca sprawy z tego, jak wiele dzieje się wewnątrz baterii - np. gdy włożysz ją do latarki, pilota lub innego urządzenia bezprzewodowego. Chociaż procesy, za pomocą których wytwarzają energię elektryczną, różnią się nieznacznie w zależności od baterii, podstawowa idea pozostaje wciąż ta sama. Gdy obciążenie zamyka obwód między dwoma zaciskami, bateria wytwarza energię elektryczną w wyniku szeregu reakcji elektromagnetycznych między anodą, katodą i elektrolitem. Na anodzie zachodzi reakcja utleniania, w której dwa lub więcej jonów (elektrycznie naładowanych atomów lub cząsteczek) z elektrolitu łączy się z anodą, tworząc związek i uwalniając jeden lub więcej elektronów. W tym samym czasie katoda przechodzi reakcję redukcji, w którym substancja katodowa, jony i wolne elektrony również łączą się, tworząc związki.
Chociaż ta czynność może wydawać się skomplikowana, w rzeczywistości jest bardzo prosta: reakcja w anodzie tworzy elektrony, a reakcja w katodzie je pochłania. Produkt netto to energia elektryczna. Bateria będzie nadal wytwarzać energię elektryczną, dopóki jedna lub obie elektrody nie wyczerpią substancji niezbędnej do zajścia wspomnianej reakcji. Nowoczesne baterie wykorzystują różnorodne chemikalia do napędzania swoich reakcji. Typowe chemikalia akumulatorów obejmują:
Bateria cynkowo-węglowa: Chemia cynkowo-węglowa jest powszechna w wielu niedrogich bateriach suchych AAA, AA, C i D. Anoda to cynk, katoda to dwutlenek manganu, a elektrolit to chlorek amonu lub chlorek cynku.
Bateria alkaliczna: Ten skład chemiczny jest również powszechny w bateriach z suchymi ogniwami AA, C i D. Katoda składa się z mieszaniny ditlenku manganu, natomiast anoda jest proszkiem cynku. Swoją nazwę zawdzięcza elektrolitowi wodorotlenkiem potasu, który jest substancją zasadową.
Bateria litowo-jonowa (ładowalna): Chemia litu jest często stosowana w urządzeniach o wysokiej wydajności, takich jak telefony komórkowe, aparaty cyfrowe, a nawet samochody elektryczne. W bateriach litowych stosuje się różne substancje, ale typową kombinacją jest katoda z tlenku litu i kobaltu i anoda węglowa.
Akumulator kwasowo-ołowiowy (ładowalny): Jest to chemia stosowana w typowym akumulatorze samochodowym. Elektrody są zwykle wykonane z dwutlenku ołowiu i metalicznego ołowiu, podczas gdy elektrolit jest roztworem kwasu siarkowego.Najlepszym sposobem na zrozumienie tych reakcji jest zobaczenie ich na własne oczy.
Baterie - zrób ją sam
A może bateria zasilana na powietrze? Cóż, to już całkiem możliwe. Naukowcy opracowują obecnie baterię, w której elektrody byłyby litem i, co zdumiewające, tlenem z powietrza. Taki postęp pozwoliłby radykalnie zmniejszyć wagę baterii i mógł pochwalić się od pięciu do dziesięciu razy większą energią niż tradycyjne baterie litowo-jonowe. Chociaż technologia ta ma wciąż wiele przeszkód do pokonania, pewnego dnia może zrewolucjonizować przemysł samochodów elektrycznych. Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o reakcjach elektrochemicznych zachodzących w bateriach, możesz je samodzielnie zbudować, używając prostych materiałów domowych. Jedną rzeczą, którą powinieneś kupić przed rozpoczęciem eksperymentu, jest niedrogi woltomierz - dostaniesz go w każdym lokalnym sklepie z elektroniką lub sprzętem elektronicznym.
Przed zakupem upewnij się tylko, że miernik może odczytywać niskie napięcia (w zakresie 1 V) i niskie prądy (w zakresie od 5 do 10 miliamperów). Mając ten sprzęt pod ręką, będziesz mógł dokładnie zmierzyć i zobaczyć, jak działa twoja bateria. Możesz stworzyć swój własny stos galwaniczny, używając ćwiartek, folii, bibuły, octu jabłkowego i soli. Pokrój folię i bibułkę w kółka, a następnie namocz bibułę w mieszaninie octu jabłkowego i soli. Za pomocą taśmy maskującej przymocuj drut miedziany do jednego z krążków folii. Teraz ułóż materiały w tej kolejności: folia, papier, ćwiartka, folia, papier, ćwiartka i tak dalej, aż powtórzysz ten sam wzór 10 razy. Gdy ostatnia moneta znajdzie się na stosie, przymocuj do niej drut taśmą maskującą. Na koniec podłącz wolne końce dwóch przewodów do diody LED, która powinna się zaświecić. W tym doświadczeniu miedź w ćwiartce jest katodą, folia jest anodą, roztwór octu jabłkowego jest elektrolitem, a bibuła jest separatorem.
Domową baterię można również wykonać z drutu miedzianego, spinacza do papieru i cytryny. Najpierw wytnij krótki kawałek drutu miedzianego i wyprostuj spinacz do papieru. Użyj papieru ściernego, aby wygładzić szorstkie części na końcach dowolnego kawałka metalu. Następnie delikatnie wyciśnij cytrynę, tocząc ją na stole, ale uważaj, aby nie pękła jej skórka. Wciśnij miedziany drut i spinacz do papieru w cytrynę, upewniając się, że są jak najbliżej siebie, ale nie mogą się fizycznie stykać ze sobą. Na koniec podłącz wolto-omomierz do końcówek spinacza biurowego i miedzianego drutu i zobacz, jakie napięcie i prąd wytwarza Twój domowy akumulator.
