बैटरी की दुनिया - भाग 1

रसायन विज्ञान में 2019 का नोबेल पुरस्कार लिथियम-आयन बैटरी के डिजाइन के विकास के लिए प्रदान किया गया। नोबेल समिति के कुछ अन्य फैसलों के विपरीत, यह आश्चर्यजनक नहीं था - बिल्कुल विपरीत। लिथियम-आयन बैटरियां स्मार्टफोन, लैपटॉप, पोर्टेबल बिजली उपकरण और यहां तक ​​कि इलेक्ट्रिक कारों को भी शक्ति प्रदान करती हैं। तीन वैज्ञानिकों, जॉन गुडइनफ, स्टेनली व्हिटिंगम और अकीरा योशिनो को उचित रूप से डिप्लोमा, स्वर्ण पदक और वितरण के लिए SEK 9 मिलियन प्राप्त हुए। 

आप हमारे रासायनिक चक्र के पिछले अंक में पुरस्कार के औचित्य के बारे में अधिक पढ़ सकते हैं - और लेख सेल और बैटरी के मुद्दे की अधिक विस्तृत प्रस्तुति की घोषणा के साथ समाप्त हुआ। यह अपना वादा निभाने का समय है।

सबसे पहले, नामकरण संबंधी अशुद्धियों का संक्षिप्त विवरण।

लिंक यह एकमात्र सर्किट है जो वोल्टेज उत्पन्न करता है।

बैटरी इसमें सही ढंग से जुड़ी हुई कोशिकाएँ होती हैं। लक्ष्य वोल्टेज, क्षमता (सिस्टम से खींची जा सकने वाली ऊर्जा) या दोनों को बढ़ाना है।

बैटरी यह एक सेल या बैटरी है जिसे ख़त्म होने पर रिचार्ज किया जा सकता है। हर चिप में ये गुण नहीं होते—कई चिप डिस्पोजेबल होते हैं। रोज़मर्रा के भाषण में, पहले दो शब्दों का प्रयोग अक्सर एक दूसरे के स्थान पर किया जाता है (इस लेख में भी यही मामला होगा), लेकिन किसी को उनके बीच के अंतर के बारे में पता होना चाहिए (1)।

1. कोशिकाओं से बनी बैटरियाँ।

बैटरियों का आविष्कार हाल के दशकों में नहीं हुआ था; उनका इतिहास बहुत लंबा है। आपने अनुभव के बारे में पहले ही सुना होगा गैलवेनिगो i वोल्ट XNUMXवीं और XNUMXवीं शताब्दी के मोड़ पर, भौतिकी और रसायन विज्ञान में विद्युत प्रवाह के उपयोग की शुरुआत हुई। हालाँकि, बैटरी का इतिहास इससे भी पहले शुरू हुआ था। बहुत समय पहले की बात है …

...बग़दाद में लंबा समय

1936 में, एक जर्मन पुरातत्वविद् विल्हेम कोएनिग बगदाद के पास तीसरी शताब्दी ईसा पूर्व का एक मिट्टी का बर्तन मिला। यह खोज असामान्य नहीं लगती, यह देखते हुए कि यूफ्रेट्स और टाइग्रिस पर सभ्यता हजारों वर्षों तक फली-फूली।

हालाँकि, जहाज की सामग्री रहस्यमय थी: तांबे की चादर का जंग लगा रोल, एक लोहे की छड़ और प्राकृतिक राल के अवशेष। कोएनिग कलाकृतियों के उद्देश्य पर तब तक हैरान रहे जब तक उन्हें बगदाद में ज्वैलर्स एली की यात्रा याद नहीं आई। स्थानीय कारीगरों ने तांबे के उत्पादों को कीमती धातुओं से कोट करने के लिए समान डिज़ाइन का उपयोग किया। यह विचार कि यह एक प्राचीन बैटरी थी, अन्य पुरातत्वविदों को आश्वस्त नहीं कर पाई, क्योंकि उस समय बिजली का कोई सबूत नहीं बचा था।

तो (इस खोज को यही कहा गया था) क्या यह एक वास्तविक चीज़ है या 1001 रातों की एक परी कथा है? प्रयोग को निर्णय लेने दीजिए.

आपको चाहिये होगा: तांबे की प्लेट, लोहे की कील और सिरका (ध्यान दें कि ये सभी सामग्रियां प्राचीन काल में ज्ञात और व्यापक रूप से उपलब्ध थीं)। बर्तन को सील करने के लिए रेज़िन को बदलें और इसे इन्सुलेशन के रूप में प्लास्टिसिन से बदलें।

प्रयोग को बीकर या फ्लास्क में करें, हालांकि मिट्टी के फूलदान का उपयोग करने से परीक्षण को एक प्रामाणिक स्वाद मिलेगा। सैंडपेपर का उपयोग करके, धातु की सतहों को जमाव से साफ करें और तारों को उनसे जोड़ दें।

तांबे की प्लेट को रोल करके बर्तन में रखें और कील को रोल के अंदर डाल दें। प्लास्टिसिन का उपयोग करके, प्लेट और कील को ठीक करें ताकि वे एक-दूसरे को स्पर्श न करें (2)। बर्तन में सिरका (लगभग 5% घोल) डालें और तांबे की प्लेट और लोहे की कील से जुड़े तारों के सिरों के बीच वोल्टेज को मापने के लिए एक मल्टीमीटर का उपयोग करें। डीसी करंट मापने के लिए मीटर सेट करें। वोल्टेज स्रोत का कौन सा ध्रुव "प्लस" है और कौन सा "माइनस" है?

2. बगदाद की एक बैटरी की आधुनिक प्रति का रेखाचित्र।

मीटर 0,5-0,7 V दिखाता है, इसलिए बगदाद की बैटरी काम कर रही है! कृपया ध्यान दें कि सिस्टम का सकारात्मक ध्रुव तांबा है, और नकारात्मक ध्रुव लोहा है (तारों को टर्मिनलों से जोड़ने के लिए मीटर केवल एक विकल्प में सकारात्मक वोल्टेज मान दिखाता है)। क्या उपयोगी कार्य के लिए निर्मित प्रति से बिजली प्राप्त करना संभव है? हां, लेकिन कुछ और मॉडल बनाएं और वोल्टेज बढ़ाने के लिए उन्हें सीरीज में कनेक्ट करें। एलईडी को लगभग 3 वोल्ट की आवश्यकता होती है - यदि आप अपनी बैटरी से इतना अधिक प्राप्त करते हैं, तो एलईडी जल जाएगी।

छोटे आकार के उपकरणों को बिजली देने की क्षमता के लिए बगदाद बैटरी का बार-बार परीक्षण किया गया है। पंथ कार्यक्रम "मिथबस्टर्स" के लेखकों ने कई साल पहले इसी तरह का एक प्रयोग किया था। मिथबस्टर्स (क्या आपको अभी भी एडम और जेमी याद हैं?) ने यह भी निष्कर्ष निकाला कि संरचना एक प्राचीन बैटरी के रूप में काम कर सकती है।

तो क्या बिजली के साथ मानवता का रोमांच 2 साल पहले शुरू हुआ था? हां और ना। हां, क्योंकि तब भी बिजली आपूर्ति डिजाइन करना संभव था। नहीं, क्योंकि आविष्कार व्यापक नहीं हुआ - तब किसी को इसकी आवश्यकता नहीं थी और आने वाली कई शताब्दियों तक।

कनेक्शन? यह आसान है!

धातु की प्लेटों या तारों, एल्युमीनियम, लोहे आदि की सतहों को अच्छी तरह साफ करें। रसदार फल में दो अलग-अलग धातुओं के नमूने डालें (जिससे बिजली के प्रवाह में आसानी होगी) ताकि वे एक-दूसरे को स्पर्श न करें। मल्टीमीटर क्लैंप को फल से उभरे तारों के सिरों से कनेक्ट करें और उनके बीच वोल्टेज पढ़ें। उपयोग की जाने वाली धातुओं के प्रकार (साथ ही फलों) में बदलाव करें और प्रयास करते रहें (3)।

3. फल कोशिका (एल्यूमीनियम और तांबा इलेक्ट्रोड)।

सभी मामलों में, लिंक बनाए गए थे. मापे गए वोल्टेज प्रयोग के लिए ली गई धातुओं और फलों के आधार पर भिन्न-भिन्न होते हैं। फलों की कोशिकाओं को एक बैटरी में संयोजित करने से आप इसका उपयोग छोटे इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को बिजली देने के लिए कर सकेंगे (इस मामले में, एक छोटे से करंट की आवश्यकता होती है, जिसे आप अपने डिज़ाइन से प्राप्त कर सकते हैं)।

सबसे बाहरी फलों से निकले तारों के सिरों को तारों से कनेक्ट करें, और बदले में इन्हें एलईडी के सिरों से कनेक्ट करें। एक बार जब आप बैटरी के खंभों को डायोड के संबंधित "टर्मिनलों" से जोड़ देते हैं और वोल्टेज एक निश्चित सीमा से अधिक हो जाता है, तो डायोड प्रकाशमान हो जाएगा (अलग-अलग रंग के डायोड में अलग-अलग शुरुआती वोल्टेज होते हैं, लेकिन लगभग 3 वोल्ट पर्याप्त होना चाहिए)।

एक समान रूप से आकर्षक शक्ति स्रोत एक इलेक्ट्रॉनिक घड़ी है - यह लंबे समय तक "फ्रूट बैटरी" पर चल सकती है (हालांकि बहुत कुछ घड़ी के मॉडल पर निर्भर करता है)।

सब्जियाँ किसी भी तरह से फलों से कमतर नहीं हैं और आपको उनसे बैटरी बनाने की सुविधा भी देती हैं। क्योंकि? कुछ अचार और उचित मात्रा में तांबे और एल्यूमीनियम की चादरें या तार लें (इन्हें स्टील की कीलों से बदला जा सकता है, लेकिन आपको एक लिंक से कम वोल्टेज मिलेगा)। बैटरी को इकट्ठा करें और जब आप इसका उपयोग संगीत बॉक्स से एकीकृत सर्किट को बिजली देने के लिए करेंगे, तो ककड़ी गाना बजानेवालों का गाना गाएगा!

खीरे क्यों? कॉन्स्टेंटिन इल्डेफ़ोंस गैलचिंस्की ने तर्क दिया कि: "यदि कोई ककड़ी किसी भी समय नहीं गाती है, तो वह संभवतः स्वर्ग की इच्छा से नहीं देख सकती है।" इससे पता चलता है कि एक रसायनज्ञ वह काम कर सकता है जिसके बारे में कवियों ने भी कभी सपने में भी नहीं सोचा होगा।

बिवौक बैटरी

आपातकालीन स्थिति में, आप अपनी खुद की बैटरी बना सकते हैं और इसका उपयोग एलईडी को बिजली देने के लिए कर सकते हैं। सच है, रोशनी मंद होगी, लेकिन यह रोशनी न होने से बेहतर है।

आपको क्या चाहिए होगा? बेशक, एक डायोड, लेकिन एक आइस क्यूब ट्रे, तांबे के तार और स्टील की कील या स्क्रू (धातुओं में बिजली के प्रवाह को सुविधाजनक बनाने के लिए एक साफ सतह होनी चाहिए)। तार को टुकड़ों में काटें और टुकड़े के एक सिरे को पेंच या कील के सिरे के चारों ओर लपेटें। इस तरह से कई स्टील-कॉपर लेआउट बनाएं (8-10 पर्याप्त होंगे)।

सांचे में खाली जगहों को नम मिट्टी से भरें (आप इसमें नमक का पानी भी मिला सकते हैं, जिससे विद्युत प्रतिरोध कम हो जाएगा)। अब अपनी संरचना को गुहा में डालें: पेंच या कील को एक छेद में जाना चाहिए, और तांबे के तार को दूसरे में। अगले को रखें ताकि तांबे के साथ एक ही गुहा में स्टील हो (धातुएं एक दूसरे के संपर्क में न आ सकें)। संपूर्ण एक श्रृंखला बनाता है: स्टील-तांबा-स्टील-तांबा, आदि। तत्वों को व्यवस्थित करें ताकि पहली और आखिरी गुहाएं (केवल वे जिनमें अलग-अलग धातुएं हों) एक-दूसरे के बगल में हों।

यहाँ चरमोत्कर्ष आता है.

डायोड के एक पैर को पंक्ति में पहले पायदान में और दूसरे पैर को आखिरी में डालें। क्या यह चमक रहा है?

यदि हाँ, बधाई हो (4)! यदि नहीं, तो त्रुटियों की तलाश करें। एक नियमित प्रकाश बल्ब के विपरीत, एक एलईडी डायोड में एक कनेक्शन ध्रुवता होनी चाहिए (क्या आप जानते हैं कि कौन सी धातु बैटरी का "प्लस" है और कौन सी "माइनस" है?)। यह आपके पैरों को जमीन के विपरीत दिशा में डालने के लिए पर्याप्त है। विफलता के अन्य कारण इसमें बहुत कम वोल्टेज (न्यूनतम 3 वोल्ट), खुला सर्किट या शॉर्ट सर्किट हैं।

4. "अर्थ बैटरी" चालू है।

पहले मामले में, घटकों की संख्या बढ़ाएँ। दूसरे में, धातुओं के बीच संबंध की जाँच करें (उनके चारों ओर की जमीन को भी संकुचित करें)। तीसरे मामले में, सुनिश्चित करें कि तांबे और स्टील के सिरे भूमिगत एक-दूसरे को न छूएं और जिस मिट्टी या घोल से आप इसे गीला करते हैं, वह आसन्न छिद्रों को न जोड़े।

"अर्थ बैटरी" के साथ प्रयोग दिलचस्प है और यह साबित करता है कि बिजली व्यावहारिक रूप से "शून्य से" प्राप्त की जा सकती है। यहां तक ​​​​कि अगर आपको किसी निर्मित संरचना का उपयोग नहीं करना है, तो आप हमेशा अपने मैकगाइवर-जैसे (शायद केवल पुराने तकनीशियनों को याद रखें) या सर्वाइवल मास्टर-जैसे कौशल से कैंपर्स को प्रभावित कर सकते हैं।

कोशिकाएँ कैसे कार्य करती हैं?

एक प्रवाहकीय घोल (इलेक्ट्रोलाइट) में डूबी हुई धातु (इलेक्ट्रोड) को इससे चार्ज किया जाता है। धनायनों की न्यूनतम मात्रा विलयन में चली जाती है, जबकि इलेक्ट्रॉन धातु में रहते हैं। विलयन में कितने आयन हैं और धातु में कितने अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन हैं, यह धातु के प्रकार, विलयन, तापमान और कई अन्य कारकों पर निर्भर करता है। यदि दो अलग-अलग धातुओं को एक इलेक्ट्रोलाइट में डुबोया जाता है, तो इलेक्ट्रॉनों की अलग-अलग संख्या के कारण उनके बीच एक वोल्टेज उत्पन्न होगा। जब इलेक्ट्रोड को एक तार से जोड़ा जाता है, तो बड़ी संख्या में धातु से इलेक्ट्रॉन (नकारात्मक इलेक्ट्रोड, यानी सेल एनोड) उनमें से एक छोटी संख्या (सकारात्मक इलेक्ट्रोड - कैथोड) के साथ धातु में प्रवाहित होने लगेंगे। बेशक, सेल के संचालन के दौरान, एक संतुलन बनाए रखा जाना चाहिए: एनोड से धातु के पिंजरे समाधान में जाते हैं, और कैथोड को दिए गए इलेक्ट्रॉन आसपास के आयनों के साथ प्रतिक्रिया करते हैं। संपूर्ण सर्किट एक इलेक्ट्रोलाइट द्वारा बंद है जो आयन परिवहन प्रदान करता है। किसी चालक से प्रवाहित होने वाले इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा का उपयोग उपयोगी कार्य के लिए किया जा सकता है।