Mundo de la batería - parte 1

El Premio Nobel de Química 2019 fue otorgado por desarrollar el diseño de baterías de iones de litio. A diferencia de otros veredictos del Comité del Nobel, este no sorprendió, sino todo lo contrario. Las baterías de iones de litio alimentan teléfonos inteligentes, computadoras portátiles, herramientas eléctricas portátiles e incluso automóviles eléctricos. Tres científicos, John Goodenough, Stanley Whittingham y Akira Yoshino, recibieron merecidamente diplomas, medallas de oro y 9 millones de coronas suecas para su distribución. 

Puede leer más sobre la justificación del premio en una edición anterior de nuestro ciclo de química, y el artículo en sí terminó con el anuncio de una presentación más detallada del tema de las pilas y baterías. Es hora de cumplir tu promesa.

Primero, una breve explicación de las inexactitudes en los nombres.

Enlace este es el único circuito que genera voltaje.

Batería consiste en celdas correctamente conectadas. El objetivo es aumentar el voltaje, la capacitancia (energía que se puede extraer del sistema) o ambos.

acumulador es una celda o batería que se puede recargar cuando se agota. No todos los chips tienen estas propiedades, muchos son desechables. En el habla cotidiana, los dos primeros términos suelen usarse indistintamente (este también será el caso en el artículo), pero uno debe ser consciente de la diferencia entre ellos (1).

1. Baterías formadas por celdas.

Las baterías no se han inventado en las últimas décadas, tienen una historia mucho más larga. Es posible que ya hayas oído hablar de la experiencia. Galvaniego i voltios a la vuelta de los siglos XIX y XVIII, que marcó el inicio del uso de la corriente eléctrica en la física y la química. Sin embargo, la historia de la batería comenzó incluso antes. Fue hace mucho tiempo …

... mucho tiempo en Bagdad

En 1936 un arqueólogo alemán Wilhelm König encontró una vasija de barro cerca de Bagdad que data del siglo III aC El hallazgo no parecía inusual, dado que la civilización en el Éufrates y el Tigris floreció durante miles de años.

Sin embargo, el contenido de la vasija era misterioso: un rollo oxidado de lámina de cobre, una barra de hierro y restos de resina natural. Koenig pensó en el propósito del artefacto hasta que recordó haber visitado el Callejón de los Joyeros en Bagdad. Los artesanos locales utilizaron diseños similares para cubrir los productos de cobre con metales preciosos. La idea de que se trataba de una batería antigua no convenció a otros arqueólogos de que no sobrevivió evidencia de electricidad en ese momento.

Entonces (así es como se llamó el hallazgo) ¿es esto algo real o un cuento de hadas de 1001 noches? Deja que el experimento decida.

Necesitarás: placa de cobre, clavo de hierro y vinagre (nótese que todos estos materiales eran conocidos y ampliamente disponibles en la antigüedad). Vuelva a colocar la resina para sellar el recipiente y reemplácelo con plastilina como aislamiento.

Haz el experimento en un vaso de precipitados o matraz, aunque el uso de un jarrón de barro le dará a la prueba un sabor auténtico. Con papel de lija, limpie las superficies metálicas de la placa y sujete los cables.

Enrolle la placa de cobre en un rollo y colóquela en el recipiente e inserte el clavo en el rollo. Usando plastilina, fije la placa y el clavo para que no se toquen entre sí (2). Vierta vinagre (solución al 5 % aprox.) en el recipiente y, con un multímetro, mida el voltaje entre los extremos de los cables conectados a la placa de cobre y el clavo de hierro. Configure el instrumento para medir la corriente continua. ¿Cuál de los polos es el "más" y cuál es el "menos" de la fuente de tensión?

2. Bosquejo de una copia moderna de la batería de Bagdad.

El medidor muestra 0,5-0,7 V, ¡así que la batería de Bagdad está funcionando! Tenga en cuenta que el polo positivo del sistema es cobre y el polo negativo es hierro (el medidor muestra un valor de voltaje positivo en una sola opción para conectar los cables a los terminales). ¿Es posible obtener electricidad de la copia construida para un trabajo útil? Sí, pero haga algunos modelos más y conéctelos en serie para aumentar el voltaje. El LED necesita alrededor de 3 voltios; si obtiene tanto de su batería, el LED se encenderá.

La batería de Bagdad fue probada repetidamente por su capacidad para alimentar equipos de pequeño tamaño. Un experimento similar fue realizado hace varios años por los autores del programa de culto MythBusters. Los cazadores de mitos (¿todavía recuerdas a Adam y Jamie?) también llegaron a la conclusión de que la estructura podría servir como una batería antigua.

Entonces, ¿la aventura de la humanidad con la electricidad comenzó hace más de 2 años? Si y no. Sí, porque ya entonces era posible diseñar fuentes de alimentación. No, porque la invención no se generalizó, nadie la necesitaba entonces y durante muchos siglos por venir.

¿Conexión? ¡Es simple!

Limpiar a fondo las superficies de chapas o alambres metálicos, aluminio, hierro, etc. Inserte muestras de dos metales diferentes en una fruta jugosa (lo que facilitará el flujo de electricidad) para que no se toquen entre sí. Conecta las pinzas del multímetro a los extremos de los cables que sobresalen de la fruta y lee el voltaje entre ellos. Cambie los tipos de metales utilizados (así como las frutas) y siga intentándolo (3).

3. Célula de fruta (electrodos de aluminio y cobre).

En todos los casos se crearon enlaces. Los valores de los voltajes medidos difieren según los metales y frutos tomados para el experimento. La combinación de celdas de frutas en una batería le permitirá usarla para alimentar equipos electrónicos pequeños (en este caso, requiere una pequeña cantidad de corriente, que puede obtener de su diseño).

Conecte los extremos de los cables que sobresalen de las frutas extremas a los cables, y estos, a su vez, a los extremos del LED. Tan pronto como haya conectado los polos de la batería a los "terminales" correspondientes del diodo y el voltaje haya excedido un cierto umbral, el diodo se encenderá (los diodos de diferentes colores tienen un voltaje inicial diferente, pero unos 3 voltios deberían ser suficientes ).

Una fuente de energía igualmente atractiva es un reloj electrónico: puede funcionar con una "batería de fruta" durante mucho tiempo (aunque mucho depende del modelo del reloj).

Las verduras no son inferiores a las frutas y también te permiten construir una batería con ellas. ¿Porque? Tome algunos pepinillos y una cantidad adecuada de láminas o cables de cobre y aluminio (puede reemplazarlos con clavos de acero, pero obtendrá un voltaje más bajo con un solo enlace). Ensamble una batería y cuando la use para alimentar el circuito integrado de la caja de música, ¡el coro de pepinos cantará!

¿Por qué pepinos? Konstantin Ildefons Galchinsky argumentó que: "Si el pepino no canta y en cualquier momento, probablemente no pueda ver por la voluntad del cielo". Resulta que un químico puede hacer cosas que ni siquiera los poetas han soñado.

batería bivakov

En caso de emergencia, puede diseñar una batería usted mismo y usarla para alimentar un LED. Cierto, la luz será tenue, pero es mejor que nada.

¿Qué necesitarás? Un diodo, por supuesto, y además, un molde de cubitos de hielo, alambre de cobre y clavos o tornillos de acero (los metales deben tener sus superficies limpias para facilitar el flujo de electricidad). Corte el alambre en pedazos y envuelva la cabeza del tornillo o clavo con un extremo del fragmento. Haga varios diseños de acero y cobre de esta manera (8-10 deberían ser suficientes).

Vierta tierra húmeda en los huecos del molde (también puede verter agua salada, lo que reducirá la resistencia eléctrica). Ahora inserte su estructura en la cavidad: el tornillo o clavo debe entrar en un orificio y el cable de cobre en el otro. Coloque los siguientes de manera que haya acero en la misma cavidad que el cobre (los metales no podrían entrar en contacto entre sí). El conjunto forma una serie: acero-cobre-acero-cobre, etc. Disponga los elementos de tal manera que la primera y la última cavidad (las únicas que contienen metales individuales) queden una al lado de la otra.

Aquí viene el clímax.

Inserte una pata del diodo en el primer hueco de la fila y la otra pata en el último. ¿Está brillando?

Si es así, ¡felicidades (4)! Si no, busque errores. Un diodo LED, a diferencia de una bombilla convencional, debe tener una conexión de polaridad (¿sabes qué metal es el "más" y cuál es el "menos" de la batería?). Basta con introducir las patas en sentido contrario al suelo. Otras causas de avería son tensión demasiado baja (mínimo 3 voltios), circuito abierto o cortocircuito en la misma.

4. "Batería de tierra" en funcionamiento.

En el primer caso, aumente el número de componentes. En el segundo, verifique la conexión entre los metales (también selle el suelo alrededor de ellos). En el tercer caso, asegúrese de que los extremos de cobre y acero no se toquen bajo tierra y que la tierra o el mortero con el que lo humedeció no conecte pozos adyacentes.

El experimento con la "batería de tierra" es interesante y demuestra que la electricidad se puede obtener de casi nada. Incluso si no tiene que usar una estructura construida, siempre puede impresionar a los vacacionistas con sus habilidades similares a MacGyver (probablemente solo recordadas por técnicos superiores) o maestro de supervivencia.

¿Cómo funcionan las células?

Se carga un metal (electrodo) sumergido en una solución conductora (electrolito). La cantidad mínima de cationes se disuelve, mientras que los electrones permanecen en el metal. Cuántos iones hay en la solución y cuántos electrones en exceso hay en el metal depende del tipo de metal, la solución, la temperatura y muchos otros factores. Si dos metales diferentes se sumergen en un electrolito, surgirá un voltaje entre ellos debido a la diferente cantidad de electrones. Al conectar los electrodos con un cable, los electrones de un metal con una gran cantidad de ellos (electrodo negativo, es decir, ánodo de la celda) comenzarán a fluir hacia un metal con una cantidad menor (electrodo positivo - cátodo). Por supuesto, durante el funcionamiento de la celda, se debe mantener un equilibrio: los cationes metálicos del ánodo se disuelven y los electrones entregados al cátodo reaccionan con los iones circundantes. Todo el circuito está cerrado por un electrolito que proporciona transporte de iones. La energía de los electrones que fluyen a través de un conductor puede usarse para trabajo útil.