Mundo da bateria - parte 1

O Prêmio Nobel de Química de 2019 foi concedido pelo desenvolvimento do projeto de baterias de íons de lítio. Ao contrário de alguns dos outros veredictos do Comitê do Nobel, este não surpreendeu - muito pelo contrário. As baterias de íons de lítio alimentam smartphones, laptops, ferramentas elétricas portáteis e até carros elétricos. Três cientistas, John Goodenough, Stanley Whittingham e Akira Yoshino, receberam merecidamente diplomas, medalhas de ouro e 9 milhões de coroas suecas para distribuição. 

Você pode ler mais sobre a justificativa do prêmio em uma edição anterior do nosso ciclo de química - e o próprio artigo terminou com o anúncio de uma apresentação mais detalhada da questão das células e baterias. É hora de manter sua promessa.

Primeiro, uma breve explicação das imprecisões de nomenclatura.

Link este é o único circuito que gera tensão.

Bateria consiste em células conectadas corretamente. O objetivo é aumentar a tensão, a capacitância (energia que pode ser extraída do sistema) ou ambos.

acumulador é uma célula ou bateria que pode ser recarregada quando estiver esgotada. Nem todo chip tem essas propriedades - muitos são descartáveis. Na fala cotidiana, os dois primeiros termos são frequentemente usados ​​de forma intercambiável (isso também será o caso no artigo), mas é preciso estar ciente da diferença entre eles (1).

1. Baterias compostas por células.

As baterias não foram inventadas nas últimas décadas, elas têm uma história muito mais longa. Você já deve ter ouvido falar da experiência Galvaniego i Volts na virada dos séculos XNUMX e XNUMX, que marcou o início do uso da corrente elétrica na física e na química. No entanto, a história da bateria começou ainda mais cedo. Isso foi há muito tempo atrás …

... muito tempo em Bagdá

Em 1936, um arqueólogo alemão Wilhelm Koenig encontrou um vaso de barro perto de Bagdá que remonta ao século XNUMX aC O achado não parecia incomum, uma vez que a civilização no Eufrates e no Tigre floresceu por milhares de anos.

No entanto, o conteúdo do recipiente era misterioso: um rolo enferrujado de folha de cobre, uma barra de ferro e restos de resina natural. Koenig ficou intrigado com o propósito do artefato até se lembrar de visitar o Beco dos Joalheiros em Bagdá. Desenhos semelhantes foram usados ​​por artesãos locais para cobrir produtos de cobre com metais preciosos. A ideia de que era uma bateria antiga não convenceu outros arqueólogos de que nenhuma evidência de eletricidade sobreviveu naquela época.

Então (é assim que o achado foi chamado) isso é uma coisa real ou um conto de fadas de 1001 noites? Deixe o experimento decidir.

Você vai precisar de: chapa de cobre, prego de ferro e vinagre (note-se que todos esses materiais eram conhecidos e amplamente disponíveis na antiguidade). Substitua a resina para selar o recipiente e substitua-a por plasticina como isolante.

Faça o experimento em um béquer ou frasco, embora o uso de um vaso de barro dê ao teste um sabor autêntico. Usando uma lixa, limpe as superfícies de metal da placa e prenda os fios a elas.

Enrole a placa de cobre em um rolo e coloque-o no recipiente e insira o prego no rolo. Usando plasticina, fixe a placa e a unha para que não se toquem (2). Despeje vinagre (solução a cerca de 5%) no recipiente e, usando um multímetro, meça a tensão entre as extremidades dos fios conectados à placa de cobre e o prego de ferro. Configure o instrumento para medir a corrente CC. Qual dos pólos é o "mais" e qual é o "menos" da fonte de tensão?

2. Esboço de uma cópia moderna da bateria de Bagdá.

O medidor mostra 0,5-0,7 V, então a bateria de Bagdá está funcionando! Observe que o pólo positivo do sistema é de cobre e o pólo negativo é de ferro (o medidor mostra um valor de tensão positiva em apenas uma opção para conectar os fios aos terminais). É possível obter eletricidade da cópia construída para um trabalho útil? Sim, mas faça mais alguns modelos e conecte-os em série para aumentar a tensão. O LED precisa de cerca de 3 volts - se você conseguir tanto da bateria, o LED acenderá.

A bateria de Bagdá foi repetidamente testada por sua capacidade de alimentar equipamentos de pequeno porte. Um experimento semelhante foi realizado há vários anos pelos autores do programa cult MythBusters. Caçadores de mitos (você ainda se lembra de Adam e Jamie?) também chegaram à conclusão de que a estrutura poderia servir como uma bateria antiga.

Então a aventura da humanidade com a eletricidade começou há mais de 2 anos? Sim e não. Sim, porque mesmo assim era possível projetar fontes de alimentação. Não, porque a invenção não se espalhou - ninguém precisava dela na época e por muitos séculos.

Conexão? É simples!

Limpe bem as superfícies de chapas ou fios de metal, alumínio, ferro, etc. Insira amostras de dois metais diferentes em uma fruta suculenta (o que facilitará o fluxo de eletricidade) para que eles não se toquem. Conecte os grampos do multímetro às extremidades dos fios saindo da fruta e leia a tensão entre eles. Mude os tipos de metais usados ​​(assim como frutas) e continue tentando (3).

3. Célula de fruto (eletrodos de alumínio e cobre).

Em todos os casos foram criados links. Os valores das voltagens medidas diferem dependendo dos metais e frutas colhidos para o experimento. A combinação de células de frutas em uma bateria permitirá que você a use para alimentar pequenos equipamentos eletrônicos (neste caso, requer uma pequena quantidade de corrente, que você pode obter do seu projeto).

Conecte as pontas dos fios saindo das frutas extremas aos fios, e estes, por sua vez, às pontas do LED. Assim que você conectar os pólos da bateria aos "terminais" correspondentes do diodo e a tensão exceder um certo limite, o diodo acenderá (diodos de cores diferentes têm uma tensão inicial diferente, mas cerca de 3 volts devem ser suficientes ).

Uma fonte de energia igualmente atraente é um relógio eletrônico - ele pode operar com uma “bateria de frutas” por um longo tempo (embora muito dependa do modelo do relógio).

Os vegetais não são inferiores às frutas e também permitem que você construa uma bateria com eles. Como? Pegue alguns picles e uma quantidade adequada de folhas ou fios de cobre e alumínio (você pode substituí-los por pregos de aço, mas obterá tensão mais baixa em um único link). Monte uma bateria e quando você a usar para alimentar o circuito integrado da caixa de música, o coro de pepinos cantará!

Por que pepinos? Konstantin Ildefons Galchinsky argumentou que: "Se o pepino não canta e a qualquer momento, ele provavelmente não pode ver pela vontade do céu". Acontece que um químico pode fazer coisas com as quais nem os poetas sonharam.

Bateria de bivaque

Em caso de emergência, você mesmo pode projetar uma bateria e usá-la para alimentar um LED. É verdade que a luz será fraca, mas é melhor do que nenhuma.

O que você vai precisar? Um diodo, claro, e além disso, um molde de cubo de gelo, fio de cobre e pregos ou parafusos de aço (os metais devem ter suas superfícies limpas para facilitar o fluxo de eletricidade). Corte o fio em pedaços e enrole a cabeça do parafuso ou prego com uma extremidade do fragmento. Faça vários layouts de aço-cobre dessa maneira (8-10 devem ser suficientes).

Despeje o solo úmido nos recessos do molde (você também pode derramar água salgada, o que reduzirá a resistência elétrica). Agora insira sua estrutura na cavidade: o parafuso ou prego deve entrar em um buraco e o fio de cobre no outro. Coloque os próximos de modo que haja aço na mesma cavidade com cobre (os metais não podem entrar em contato uns com os outros). O conjunto forma uma série: aço-cobre-aço-cobre, etc. Disponha os elementos de tal forma que a primeira e a última cavidade (as únicas que contêm metais individuais) fiquem uma ao lado da outra.

Aí vem o clímax.

Insira uma perna do diodo no primeiro recesso da fileira e a outra perna no último. Está brilhando?

Se sim, parabéns (4)! Se não, procure por erros. Um diodo de LED, diferente de uma lâmpada convencional, deve ter uma conexão de polaridade (você sabe qual metal é o "mais" e qual é o "menos" da bateria?). Basta inserir as pernas na direção oposta ao solo. Outras causas de falha são tensão muito baixa (mínimo de 3 volts), circuito aberto ou curto-circuito nele.

4. "Bateria de aterramento" em operação.

No primeiro caso, aumente o número de componentes. Na segunda, verifique a conexão entre os metais (também vede o solo ao redor deles). No terceiro caso, certifique-se de que as extremidades do cobre e do aço não se tocam no subsolo e que o solo ou a argamassa com a qual você o molhou não conecte os poços adjacentes.

O experimento com a "bateria de terra" é interessante e prova que a eletricidade pode ser obtida a partir de quase nada. Mesmo que você não precise usar uma estrutura construída, você sempre pode impressionar os turistas com suas habilidades de MacGyver (provavelmente lembradas apenas por técnicos seniores) ou mestre em sobrevivência.

Como as células funcionam?

Um metal (eletrodo) imerso em uma solução condutora (eletrólito) é carregado a partir dele. A quantidade mínima de cátions vai para a solução, enquanto os elétrons permanecem no metal. Quantos íons estão em solução e quantos elétrons em excesso estão no metal depende do tipo de metal, solução, temperatura e muitos outros fatores. Se dois metais diferentes forem imersos em um eletrólito, uma tensão surgirá entre eles devido ao número diferente de elétrons. Ao conectar os eletrodos com um fio, os elétrons de um metal com um grande número deles (eletrodo negativo, ou seja, ânodo da célula) começarão a fluir para um metal com um número menor deles (eletrodo positivo - cátodo). Obviamente, durante a operação da célula, um equilíbrio deve ser mantido: os cátions metálicos do ânodo vão para a solução e os elétrons entregues ao cátodo reagem com os íons circundantes. Todo o circuito é fechado por um eletrólito que fornece transporte de íons. A energia dos elétrons fluindo através de um condutor pode ser usada para trabalhos úteis.