Մարտկոցի աշխարհ - մաս 1
2019 թվականի քիմիայի Նոբելյան մրցանակը շնորհվել է լիթիում-իոնային մարտկոցների նախագծման մշակման համար։ Ի տարբերություն Նոբելյան կոմիտեի որոշ այլ վճիռների, այս մեկը չզարմացրեց, ընդհակառակը։ Լիթիում-իոնային մարտկոցները սնուցում են սմարթֆոնների, նոթբուքերի, շարժական էլեկտրական գործիքների և նույնիսկ էլեկտրական մեքենաների վրա: Երեք գիտնականներ՝ Ջոն Գուդենաֆը, Սթենլի Ուիթինգհեմը և Ակիրա Յոշինոն, արժանիորեն ստացան դիպլոմներ, ոսկե մեդալներ և 9 միլիոն SEK բաշխման համար:
Մրցանակի հիմնավորման մասին ավելին կարող եք կարդալ մեր քիմիայի ցիկլի նախորդ համարում, և հոդվածն ինքն ավարտվեց բջիջների և մարտկոցների խնդրի ավելի մանրամասն ներկայացման հայտարարությամբ: Ժամանակն է պահելու ձեր խոստումը:
Նախ՝ անվանման անճշտությունների համառոտ բացատրությունը։
ՈՒղեցույց սա միակ շղթան է, որն առաջացնում է լարում:
Մարտկոց բաղկացած է ճիշտ միացված բջիջներից: Նպատակն է բարձրացնել լարումը, հզորությունը (էներգիան, որը կարելի է վերցնել համակարգից) կամ երկուսն էլ:
կուտակիչ դա բջիջ կամ մարտկոց է, որը կարող է վերալիցքավորվել, երբ այն սպառվում է: Ոչ ամեն մի չիպ ունի այս հատկությունները. շատերը միանգամյա օգտագործման են: Առօրյա խոսքում առաջին երկու տերմինները հաճախ օգտագործվում են փոխադարձաբար (այդպես կլինի նաև հոդվածում), բայց պետք է տեղյակ լինել դրանց միջև եղած տարբերությունին (1):
1. Բջջներից բաղկացած մարտկոցներ.
Վերջին տասնամյակների ընթացքում մարտկոցները չեն հայտնագործվել, դրանք շատ ավելի երկար պատմություն ունեն։ Հնարավոր է, որ դուք արդեն լսել եք փորձի մասին Գալվանիեգո i Վոլտ XNUMX-րդ և XNUMX-րդ դարերի վերջում, որը նշանավորեց էլեկտրական հոսանքի կիրառման սկիզբը ֆիզիկայում և քիմիայում: Այնուամենայնիվ, մարտկոցի պատմությունը սկսվել է ավելի վաղ: Դա շատ վաղուց էր…
... երկար ժամանակ Բաղդադում
1936 թվականին գերմանացի հնագետ Վիլհելմ Քենիգ Բաղդադի մոտ հայտնաբերվել է կավե անոթ, որը թվագրվում է մ.թ.ա XNUMX-րդ դարով: Գտածոն արտասովոր չէր թվում, քանի որ Եփրատի և Տիգրիսի քաղաքակրթությունը ծաղկել է հազարավոր տարիներ:
Սակայն անոթի պարունակությունը խորհրդավոր էր՝ պղնձե թերթի ժանգոտած գլանափաթեթ, երկաթե ձող և բնական խեժի մնացորդներ։ Քյոնիգը տարակուսում էր արտեֆակտի նպատակի շուրջ, մինչև հիշեց Բաղդադի Ոսկերիչների ծառուղում այցելելը: Նմանատիպ նմուշներ օգտագործվել են տեղացի արհեստավորների կողմից՝ պղնձե արտադրանքը թանկարժեք մետաղներով պատելու համար։ Գաղափարը, որ դա հնագույն մարտկոց էր, չէր համոզում մյուս հնագետներին, որ այդ ժամանակ էլեկտրաէներգիայի ոչ մի ապացույց գոյություն չուներ։
Այսպիսով (այդպես է կոչվում գտածոն) սա իրական բան է, թե՞ հեքիաթ 1001 գիշերից: Թող փորձը որոշի:
Ձեզ հարկավոր կլինի. պղնձե ափսե, երկաթե մեխ և քացախ (նկատի ունեցեք, որ այս բոլոր նյութերը հայտնի են եղել և լայնորեն հասանելի են եղել հին ժամանակներում): Փոխարինեք խեժը՝ անոթը կնքելու համար և փոխարինեք այն պլաստիլինով որպես մեկուսացում:
Փորձը կատարեք բաժակի կամ կոլբայի մեջ, թեև կավե ծաղկաման օգտագործելը թեստին իսկական համ կտա: Օգտագործելով հղկաթուղթ, մաքրեք մետաղական մակերեսները սալաքարից և ամրացրեք լարերը դրանց վրա:
Պղնձե ափսեը ռուլետի մեջ գրտնակել և դնել անոթի մեջ, իսկ մեխը մտցնել ռուլետի մեջ։ Պլաստիլինով ամրացրեք ափսեն և մեխը, որպեսզի չդիպչեն միմյանց (2): Անոթի մեջ լցնել քացախ (մոտ 5% լուծույթ) և մուլտիմետրի միջոցով չափել լարումը պղնձե թիթեղին միացված լարերի ծայրերի և երկաթյա մեխի միջև։ Նախադրեք գործիքը DC հոսանքը չափելու համար: Բևեռներից ո՞րն է լարման աղբյուրի «պլյուսը», իսկ ո՞րը՝ «մինուսը»:
2. Բաղդադից մարտկոցի ժամանակակից պատճենի էսքիզ:
Հաշվիչը ցույց է տալիս 0,5-0,7 Վ, ուստի Բաղդադի մարտկոցը աշխատում է: Խնդրում ենք նկատի ունենալ, որ համակարգի դրական բևեռը պղնձե է, իսկ բացասական բևեռը երկաթ է (հաշվիչը ցույց է տալիս դրական լարման արժեքը միայն մեկ տարբերակում՝ լարերը տերմինալներին միացնելու համար): Հնարավո՞ր է արդյոք կառուցված օրինակից էլեկտրաէներգիա ստանալ օգտակար աշխատանքի համար։ Այո, բայց ևս մի քանի մոդել պատրաստեք և միացրեք դրանք սերիական լարման բարձրացման համար: LED-ին անհրաժեշտ է մոտ 3 վոլտ. եթե այդքան շատ ստանաք ձեր մարտկոցից, LED-ը կվառվի:
Բաղդադի մարտկոցը բազմիցս փորձարկվել է փոքր չափի սարքավորումները սնուցելու ունակության համար: Նմանատիպ փորձ մի քանի տարի առաջ իրականացրել են MythBusters կուլտային ծրագրի հեղինակները։ Առասպելները (դուք դեռ հիշում եք Ադամին և Ջեյմիին) նույնպես եկել են այն եզրակացության, որ կառույցը կարող է ծառայել որպես հնագույն մարտկոց։
Այսպիսով, մարդկության արկածախնդրությունը էլեկտրաէներգիայի հետ կապված սկսվե՞լ է ավելի քան 2 տարի առաջ: Այո եւ ոչ. Այո, քանի որ նույնիսկ այն ժամանակ հնարավոր էր նախագծել հոսանքի սնուցման աղբյուրներ: Ո՛չ, քանի որ գյուտը լայն տարածում չի գտել, այն ժամանակ և դեռ շատ դարեր ոչ ոքի պետք չէր:
Միացում? Դա պարզ է!
Մանրակրկիտ մաքրեք մետաղական թիթեղների կամ լարերի, ալյումինի, երկաթի և այլնի մակերեսները։ Հյութալի մրգի մեջ մտցրեք երկու տարբեր մետաղների նմուշներ (որը կհեշտացնի էլեկտրաէներգիայի հոսքը), որպեսզի դրանք միմյանց չդիպչեն: Միացրեք մուլտիմետրերի սեղմակները պտղից դուրս ցցված լարերի ծայրերին և կարդացեք դրանց միջև եղած լարումը: Փոխեք օգտագործվող մետաղների տեսակները (ինչպես նաև մրգերը) և շարունակեք փորձել (3):
3. Մրգային բջիջ (ալյումինե և պղնձե էլեկտրոդներ):
Բոլոր դեպքերում ստեղծվել են հղումներ։ Չափված լարումների արժեքները տարբերվում են՝ կախված փորձի համար վերցված մետաղներից և պտուղներից: Մրգային բջիջները մարտկոցի մեջ միավորելը թույլ կտա այն օգտագործել փոքր էլեկտրոնային սարքավորումների սնուցման համար (այս դեպքում դա պահանջում է փոքր քանակությամբ հոսանք, որը կարող եք ստանալ ձեր դիզայնից):
Ծայրահեղ պտուղներից դուրս ցցված լարերի ծայրերը միացրեք լարերին, իսկ դրանք, իրենց հերթին, լուսադիոդի ծայրերին: Հենց որ մարտկոցի բևեռները միացնեք դիոդի համապատասխան «տերմինալներին», և լարումը գերազանցի որոշակի շեմը, դիոդը կլուսավորվի (տարբեր գույների դիոդներն ունեն տարբեր սկզբնական լարում, բայց մոտ 3 վոլտը պետք է բավարար լինի: )
Նույնքան գրավիչ էներգիայի աղբյուրը էլեկտրոնային ժամացույցն է. այն կարող է երկար ժամանակ աշխատել «մրգային մարտկոցով» (չնայած շատ բան կախված է ժամացույցի մոդելից):
Բանջարեղենը ոչ մի կերպ չի զիջում մրգերին և նաև թույլ է տալիս դրանցից մարտկոց կառուցել։ Որովհետեւ? Վերցրեք մի քանի թթու վարունգ և համապատասխան քանակությամբ պղնձե և ալյումինե թիթեղներ կամ մետաղալարեր (կարող եք դրանք փոխարինել պողպատե մեխերով, բայց մեկ կապից ավելի ցածր լարում կստանաք): Հավաքեք մարտկոցը և երբ այն օգտագործեք երաժշտական տուփից ինտեգրված սխեման միացնելու համար, վարունգի երգչախումբը կերգի:
Ինչու՞ վարունգ: Կոնստանտին Իլդեֆոն Գալչինսկին պնդում էր, որ «Եթե վարունգը չի երգում և ցանկացած ժամանակ, նա հավանաբար չի կարող տեսնել երկնքի կամքով»: Պարզվում է, որ քիմիկոսը կարող է անել այնպիսի բաներ, որոնց մասին նույնիսկ բանաստեղծները չեն երազել։
Bivouac մարտկոց
Արտակարգ իրավիճակների դեպքում դուք կարող եք ինքներդ նախագծել մարտկոց և այն օգտագործել լուսադիոդը միացնելու համար: Ճիշտ է, լույսը թույլ կլինի, բայց ավելի լավ է, քան ոչ:
Ի՞նչ է ձեզ հարկավոր: Իհարկե, դիոդ, բայց նաև սառույցի խորանարդի սկուտեղ, պղնձե մետաղալար և պողպատե մեխեր կամ պտուտակներ (մետաղները պետք է մաքրեն իրենց մակերեսները՝ էլեկտրականության հոսքը հեշտացնելու համար): Լարը կտրեք կտորների և պտուտակի կամ մեխի գլուխը փաթաթեք բեկորի մի ծայրով: Այս կերպ մի քանի պողպատե-պղնձե դասավորություններ պատրաստեք (8-10-ը պետք է բավարար լինի):
Կաղապարի խորշերի մեջ լցնել խոնավ հողը (կարող եք նաև աղաջուր լցնել, ինչը կնվազեցնի էլեկտրական դիմադրությունը): Այժմ տեղադրեք ձեր կառուցվածքը խոռոչի մեջ. պտուտակը կամ մեխը պետք է մտնեն մի անցքի մեջ, իսկ պղնձե մետաղալարը մյուսի մեջ: Հաջորդները տեղադրեք այնպես, որ պղնձի հետ նույն խոռոչում պողպատ լինի (մետաղները չեն կարող շփվել միմյանց հետ): Ամբողջը կազմում է մի շարք՝ պողպատ-պղինձ-պողպատ-պղինձ և այլն: Տարրերը դասավորեք այնպես, որ առաջին և վերջին խոռոչները (միակը՝ առանձին մետաղներ պարունակող) ընկնեն իրար կողքի։
Ահա գալիս է գագաթնակետը:
Տեղադրեք դիոդի մի ոտքը շարքի առաջին անցքի մեջ, իսկ մյուս ոտքը վերջինի մեջ: Արդյո՞ք այն փայլում է:
Եթե այո, ապա շնորհավորում եմ (4): Եթե ոչ, ապա փնտրեք սխալներ: LED դիոդը, ի տարբերություն սովորական լամպի, պետք է ունենա միացման բևեռականություն (դուք գիտե՞ք, թե որ մետաղն է մարտկոցի «պլյուսը» և որն է «մինուսը»): Բավական է ոտքերը մտցնել գետնին հակառակ ուղղությամբ։ Խափանման այլ պատճառներ են չափազանց ցածր լարումը (նվազագույնը 3 վոլտ), բաց միացումը կամ դրա կարճ միացումը:
4. «Երկրային մարտկոցը» գործում է։
Առաջին դեպքում ավելացրեք բաղադրիչների քանակը: Երկրորդում ստուգեք մետաղների միջև կապը (նաև կնքեք գետինը դրանց շուրջը): Երրորդ դեպքում համոզվեք, որ պղնձի և պողպատի ծայրերը գետնի տակ չեն դիպչում միմյանց, և որ հողը կամ շաղախը, որով այն թրջել եք, չեն կապում հարակից փոսերը։
«Երկրային մարտկոցի» հետ փորձը հետաքրքիր է և ապացուցում է, որ էլեկտրաէներգիա կարելի է ստանալ գրեթե ոչնչից։ Նույնիսկ եթե դուք ստիպված չեք լինի օգտագործել կառուցված կառույց, դուք միշտ կարող եք տպավորել ճամբարականներին ձեր MacGyver-ի նման հմտություններով (հավանաբար միայն ավագ տեխնիկները հիշում են) կամ վարպետ գոյատևողին:
Ինչպե՞ս են աշխատում բջիջները:
Դրանից լիցքավորվում է հաղորդիչ լուծույթի (էլեկտրոլիտի) մեջ ընկղմված մետաղ (էլեկտրոդ)։ Կատիոնների նվազագույն քանակությունը մտնում է լուծույթ, մինչդեռ էլեկտրոնները մնում են մետաղում: Քանի իոն կա լուծույթում և քանի էլեկտրոն կա մետաղի մեջ, կախված է մետաղի տեսակից, լուծույթից, ջերմաստիճանից և շատ այլ գործոններից: Եթե երկու տարբեր մետաղներ ընկղմվեն էլեկտրոլիտի մեջ, նրանց միջև էլեկտրոնների տարբեր քանակի պատճառով առաջանում է լարում: Էլեկտրոդները մետաղալարով միացնելիս մետաղից էլեկտրոնները մեծ քանակությամբ (բացասական էլեկտրոդ, այսինքն՝ բջջային անոդ) կսկսեն հոսել մետաղի մեջ՝ դրանցից ավելի փոքր քանակով (դրական էլեկտրոդ - կաթոդ): Իհարկե, բջջի աշխատանքի ընթացքում պետք է հավասարակշռություն պահպանել՝ անոդից մետաղական կատիոնները մտնում են լուծույթ, իսկ կաթոդ հասցված էլեկտրոնները արձագանքում են շրջակա իոնների հետ։ Ամբողջ սխեման փակված է էլեկտրոլիտով, որն ապահովում է իոնների տեղափոխումը: Հաղորդիչով հոսող էլեկտրոնների էներգիան կարող է օգտագործվել օգտակար աշխատանքի համար։
