バッテリーの世界 - パート 1
2019年のノーベル化学賞は、リチウムイオン電池の設計開発に対して受賞した。 ノーベル委員会の他のいくつかの評決とは異なり、この評決は驚くべきことではなく、まったく逆でした。 リチウムイオン電池は、スマートフォン、ラップトップ、ポータブル電動工具、さらには電気自動車に電力を供給します。 ジョン・グッドイナフ氏、スタンリー・ウィッティンガム氏、吉野彰氏の9人の科学者は、当然のことながら賞状、金メダル、そして分配金としてXNUMX万スウェーデンクローナを受け取りました。
受賞の根拠については、化学サイクルの前号で詳しく読むことができます。また、記事自体は、セルとバッテリーの問題についてのより詳細なプレゼンテーションの発表で終わりました。 約束を守る時が来ました。
まず、命名上の誤りについて簡単に説明します。
リンク これは電圧を生成する唯一の回路です。
バッテリー 正しく接続されたセルで構成されています。 目標は、電圧、容量 (システムから取り出せるエネルギー)、またはその両方を増やすことです。
アキュムレータ それは、使い果たされたときに再充電できるセルまたはバッテリーです。 すべてのチップがこれらの特性を備えているわけではありません。多くは使い捨てです。 日常会話では、最初の 1 つの用語は同じ意味で使用されることがよくあります (この記事でも同様です) が、それらの違いに注意する必要があります (XNUMX)。
1. セルから構成されるバッテリー。
電池はここ数十年に発明されたものではなく、はるかに長い歴史があります。 この経験についてはすでに聞いたことがあるかもしれません ガルバニエゴ i ボルト XNUMX世紀からXNUMX世紀の変わり目に、物理学と化学における電流の使用の始まりを示しました。 しかし、バッテリーの歴史はさらに古くから始まりました。 ずっと前のことだった…
...バグダッドでの長い時間
1936年にドイツの考古学者が ヴィルヘルム・ケーニッヒ バグダッド近郊で紀元前XNUMX世紀に遡る粘土の器が発見されたが、ユーフラテス川とチグリス川の文明が何千年も栄えたことを考えると、この発見は珍しいことではないようだった。
しかし、容器の中身は謎に満ちたもので、錆びた銅板のロール、鉄の棒、そして天然樹脂の残骸でした。 ケーニッヒ氏は、バグダッドの宝石商横丁を訪れたときのことを思い出すまで、この遺物の目的について頭を悩ませていた。 地元の職人も同様のデザインを使用して銅製品を貴金属でコーティングしました。 当時電気が残っていたという証拠は残っていないため、これが古代の電池だったという考えは他の考古学者たちを納得させていません。
では、（この発見はそう呼ばれていました）それは本物なのでしょうか、それとも千一夜物語のおとぎ話なのでしょうか？ 実験で決めましょう。
あなたが必要になります： 銅板、鉄釘、酢（これらの材料はすべて古代には知られており、広く入手可能であったことに注意してください）。 容器を密閉するために樹脂を交換し、断熱材として粘土を使用します。
実験はビーカーまたはフラスコで行いますが、粘土の花瓶を使用すると本格的な味わいが得られます。 サンドペーパーを使用して金属表面の堆積物を取り除き、ワイヤーを取り付けます。
銅板を丸めて器に置き、その内側に釘を差し込みます。 粘土を使用して、プレートと釘が互いに接触しないように固定します（2）。 容器に酢（約5％溶液）を注ぎ、銅板と鉄釘に接続されたワイヤの端の間の電圧をマルチメータを使用して測定します。 DC 電流を測定するようにメーターをセットアップします。 電圧源のどちらの極が「プラス」でどちらが「マイナス」ですか?
2. バグダッドからのバッテリーの現代コピーのスケッチ。
メーターは 0,5-0,7 V を示しているので、バグダッド バッテリーは動作しています。 システムの正極は銅、負極は鉄であることに注意してください (メーターは、ワイヤを端子に接続するための 3 つのオプションでのみ正の電圧値を示します)。 有用な作業のために、構築されたコピーから電気を取得することは可能ですか? はい。ただし、さらにいくつかのモデルを作成し、それらを直列に接続して電圧を上げます。 LED には約 XNUMX ボルトが必要です。バッテリーからそれだけの電圧が得られると、LED が点灯します。
バグダッドのバッテリーは、小型機器に電力を供給する能力について繰り返しテストされています。 カルト番組「MythBusters」の作者らも数年前に同様の実験を行った。 神話を打ち破る人々 (アダムとジェイミーをまだ覚えていますか?) も、この構造物が古代の砲台として機能する可能性があると結論付けました。
では、人類の電気に関する冒険は 2 年以上前に始まったのでしょうか? はいといいえ。 はい、それでも電源を設計することは可能だったからです。 いいえ、発明が広まらなかったためです-当時、そして今後何世紀にもわたって誰もそれを必要としませんでした.
繋がり？ それは簡単です！
金属板やワイヤー、アルミ、鉄などの表面を徹底的に洗浄します。 3 つの異なる金属のサンプルを、互いに接触しないようにジューシーな果物 (電気の流れを促進する) に挿入します。 マルチメータークランプを果物から突き出ているワイヤーの端に接続し、それらの間の電圧を読み取ります。 使用する金属の種類 (果物も同様) を変えて、試し続けてください (XNUMX)。
3. フルーツセル (アルミニウムと銅の電極)。
すべての場合において、リンクが作成されました。 測定された電圧は、実験に使用された金属や果物によって異なります。 フルーツセルをバッテリーに組み合わせると、小型電子機器に電力を供給するために使用できるようになります（この場合、小さな電流が必要ですが、これは設計から得られます）。
一番外側の果物から出ているワイヤーの端をワイヤーに接続し、さらにこれらを LED の端に接続します。 バッテリーの極をダイオードの対応する「端子」に接続し、電圧が特定のしきい値を超えると、ダイオードが点灯します（ダイオードの色が異なると開始電圧が異なりますが、約3ボルトで十分です）。
同様に魅力的な電源は電子時計です。「果物電池」で長時間動作します (ただし、多くは時計のモデルによって異なります)。
野菜は果物に決して劣らず、それらからバッテリーを構築することもできます。 なぜなら？ ピクルスと適量の銅およびアルミニウムのシートまたはワイヤを用意します (鋼の釘でも代用できますが、XNUMX つのリンクから得られる電圧は低くなります)。 電池を組み立てて、それを使ってオルゴールから集積回路に電力を供給すると、キュウリの合唱団が歌います。
なぜキュウリなのか？ コンスタンティン・イルデフォンス・ガルチンスキーは、「キュウリがいつでも鳴かないなら、おそらく天の意志によって目が見えないのだろう」と主張しました。 化学者は詩人ですら夢にも思わなかったことができることが判明した。
ビバークバッテリー
緊急時には、独自のバッテリーを構築し、それを LED の電源として使用できます。 確かに光は薄暗くなりますが、光がないよりはマシです。
何が必要ですか? もちろん、ダイオードだけでなく、製氷皿、銅線、鋼製の釘やネジも使用できます（金属は電気の流れを促進するために表面がきれいでなければなりません）。 ワイヤーを細かく切り、その破片の一端をネジまたは釘の頭に巻き付けます。 この方法でスチールと銅のレイアウトをいくつか作成します (8 ～ 10 個で十分です)。
型の凹部を湿った土で満たします（電気抵抗を下げるために塩水を追加することもできます）。 次に、構造をキャビティに挿入します。ネジまたは釘を一方の穴に挿入し、銅線をもう一方の穴に挿入します。 同じキャビティ内に鋼と銅が存在するように次の金属を配置します (金属は互いに接触できません)。 全体は、鋼鉄、銅、鋼鉄、銅などの一連の形を形成します。最初と最後のキャビティ (個々の金属を含む唯一のキャビティ) が互いに隣り合うように要素を配置します。
ここからがクライマックスです。
ダイオードの一方の脚を列の最初のくぼみに挿入し、もう一方の脚を最後のくぼみに挿入します。 輝いていますか？
そうであれば、おめでとうございます (4)! そうでない場合は、エラーを探してください。 LED ダイオードは、通常の電球とは異なり、接続極性が必要です (電池のどの金属が「プラス」でどの金属が「マイナス」であるか知っていますか?)。 地面と反対方向に足を入れるだけで十分です。 故障のその他の原因としては、電圧が低すぎる (最低 3 ボルト)、内部の開回路または短絡が考えられます。
4.「地球バッテリー」稼働中。
最初のケースでは、コンポーネントの数を増やします。 XNUMX つ目では、金属間の接続を確認します (金属の周囲のアースも圧縮します)。 XNUMX 番目のケースでは、銅と鋼の端が地下で互いに接触していないこと、また、湿らせた土や溶液が隣接する穴につながっていないことを確認してください。
「地球電池」を使った実験は興味深いもので、実質的に「何もないところから」電気を得ることができることを証明しています。 構築された構造物を使用する必要がない場合でも、マクガイバーのようなスキル (おそらく年配の技術者だけが覚えているでしょう) やサバイバル マスターのようなスキルで、いつでもキャンプ参加者に感銘を与えることができます。
細胞はどのように機能しますか？
導電性の溶液（電解質）に浸した金属（電極）を帯電させます。 最小量の陽イオンが溶液に入りますが、電子は金属に残ります。 溶液中のイオンの数と金属中の過剰電子の数は、金属の種類、溶液、温度、およびその他の多くの要因によって異なります。 XNUMXつの異なる金属を電解質に浸すと、電子の数が異なるため、それらの間に電圧が発生します。 電極をワイヤで接続すると、多数の電子を含む金属 (負極、つまりセル アノード) からの電子が少数の金属 (正極 - カソード) に流れ始めます。 もちろん、セルの動作中はバランスを維持する必要があります。アノードからの金属カチオンが溶解し、カソードに供給された電子が周囲のイオンと反応します。 回路全体は、イオン輸送を提供する電解質によって閉じられています。 導体を流れる電子のエネルギーは、有用な仕事に使用できます。
