Bateria

Detalii

CategoriiStiinta
Taguri
Ultima actualizareMarti 5 august 2014
Vizualizari35844

Voteaza & Distribuie

Descriere

Cum functioneaza bateriile Bateriile se gasesc peste tot: in masinile noastre, PC-uri, laptop-uri, MP3 player-e portabile si telefoane mobile. O baterie este in esenta o doza in care se gasesc substante chimice care produc electroni. Reactiile chimice care produc electroni sunt denumite reactii electrochimice. Cateva aspecte de baza privind bateriile Daca examinati orice baterie, veti observa ca are doi poli - un anod si un catod. Anodul este marcat cu semnul +, sau pozitiv, in timp ce catodul este marcat cu -, adica negativ. Intr-o celula AA, C sau D (baterii normale, pentru lanterne), polii bateriei sunt anodul si catodul. Intr-o baterie mare de masina, exista doi piloni grei de plumb care au rolul de anod si catod. Electronii se aduna la polul negativ al bateriei. Atunci cand conectati un fir intre anod si catod, electronii vor migra extrem de rapid din partea negativa in cea pozitiva (si vor consuma bateria foarte repede - acest fapt tinde de asemenea sa fie foarte periculos, mai ales in cazul bateriilor mari, deci nu este ceva recomandabil). In mod normal, bateriei i se conecteaza prin intermediul firului un anumit tip de consumator. Acel consumator poate fi un bec, un motor sau un circuit electronic, ca de exemplu un radio. In interiorul bateriei propriu-zise, o reactie chimica produce electronii. Viteza producerii de electroni din aceasta reactie chimica (rezistenta interna a bateriei) controleaza cati electroni se pot deplasa intre anod si catod. Electronii migreaza din baterie intr-un fir, si trebuie sa se deplaseze de la catod la anod pentru ca reactia chimica sa poata avea loc. De aceea, o baterie poate sta pe un raft timp de un an si totusi sa dispuna de suficienta energie - daca electronii nu migreaza dinspre catod inspre anod, reactia chimica nu are loc. Odata ce conectati un fir, reactia incepe. Chimia bateriei : Pila Voltaica Prima baterie a fost creata de Alessandro Volta in 1800. Pentru a crea bateria sa, a creat o pila, alternand straturi de zinc, sugativa imbibata in apa sarata si argint, astfel: Acest dispozitiv este cunoscut sub denumirea de pila voltaica. Straturile superioare si inferioare ale pilei, trebuie sa fie din metale diferite. Daca atasati un fir partii superioare si inferioare a pilei, puteti masura tensiunea si intensitatea din pila. Pila poate avea orice dimensiune doriti, iar fiecare strat va mari tensiunea cu o anumita valoare. Chimia bateriei: Celula Daniell In secolul al XIX-lea, inaintea inventarii generatorului electric (generatorul nu a fost inventat si construit pana in deceniul 8 al secolului XIX), celula Daniell (cunoscuta de asemenea sub alte trei denumiri - celula "Picior de cioara", datorita formei caracteristice a electrodului de zinc; "celula gravitationala", datorita faptului ca gravitatia tine separati cei doi sulfati, si "celula umeda", prin antiteza cu "celula uscata" moderna, deoarece foloseste lichide drept electroliti), era extrem de utilizata pentru operarea telegrafului si a soneriilor de la usa. Celula Daniell este o celula umeda ce consta din placute de cupru si zinc si sulfati de cupru si zinc. Pentru a crea o celula Daniell, placuta de cupru este plasata la fundul unui recipient din sticla. Se toarna solutie de sulfat de cupru deasupra placutei, pana la umplerea pe jumatate a recipientului. Dupa aceea se atarna in recipient o placuta de zinc, si se toarna cu mare atentie solutie de sulfat de zinc. Sulfatul de cupru este mai dens decat sulfatul de zinc, astfel ca acesta din urma va "pluti" deasupra sulfatului de cupru. Desigur, un asemenea dispozitiv nu va functiona intr-o lanterna, insa functioneaza bine in aplicatii stationare. Daca puteti obtine sulfat de zinc si sulfat de cupru, puteti incerca sa construiti propria celula Daniell.

Pila Voltaica{title}Experimente: Pila Voltaica Daca vreti sa aflati mai multe despre relatiile electrochimice folosite pentru crearea bateriilor, puteti face cu usurinta experimente acasa, pentru a incerca diferite combinatii. Pentru a realiza in conditii optime aceste experimente, trebuie sa cumparati un volt-ohm-metru de la magazinul de electronice sau de componente pentru calculatoare. Asigurati-va ca volt-ohm-metrul poate citi tensiuni joase (in jurul valorii de 1 volt) si intensitati joase de curent (intre 5 si 10 miliamperi). In acest mod, veti putea observa cu exactitate procesele ce se desfasoara in baterie. Puteti sa va creati propria pila voltaica, folosind monede si servetele. Amestecati sare si apa (atata sare cata se poate topi in apa) si umectati servetelul cu aceasta mixtura. Apoi, creati o pila, alternand monede de 1000 si de 5000 de lei. Observati voltajul si intensitatea curentului produs de pila. Incercati sa schimbati numarul de straturi si observati efectul produs asupra voltajului. Incercati apoi sa alternati monede de 500 de lei si de 1000 de lei si vedeti ce se intampla. Experimentati de asemenea si cu monede de 500 si de 5000. Alte metale cu care puteti sa experimentati sunt aluminiul si fierul. Fiecare combinatie de metale ar trebui sa produca un voltaj putin diferit. Un alt experiment simplu pe care-l puteti incerca necesita un borcan, un acid diluat, o bucata de sarma si ace de siguranta. Umpleti borcanul cu suc de lamaie sau otet (acizi diluati) si puneti in borcan un ac de siguranta si o bucata de sarma din cupru, astfel incat sa nu se atinga. Incercati sa folositi ace de siguranta placate cu zinc (galvanizate) si ace simple, din fier. Apoi, masurati tensiunea si intensitatea curentului, prin atasarea unui voltmetru celor doua bucati de metal. Inlocuiti sucul de lamaie cu apa sarata, si experimentati cu alte monede si metale pentru a observa efectul asupra tensiunii si a intensitatii curentului. Reactiile din baterie Probabil cea mai simpla pe care o puteti crea este denumita baterie zinc/carbon. Intelegand reactiile chimice care au loc inauntrul bateriei, puteti intelege si modul in care bateriile functioneaza in general. Imaginati-va ca aveti la dispozitie un recipient ce contine acid sulfuric (H2SO4). Inserati in el o bagheta din zinc si veti observa ca acidul va incepe imediat sa descompuna zincul. Veti observa cum in jurul zincului se formeaza bule de hidrogen gazos, iar bagheta si acidul vor incepe sa se incalzeasca. Moleculele de acid se descompun in trei ioni: doi ioni de H+ si un ion de SO4--. Atomii de zinc de la suprafata baghetei din zinc pierd doi electroni (2e-), devenind ioni de Zn++. Ionii de Zn++ se combina cu ionul de SO4--, dand nastere la ZnSO4, care se dizolva in acid. Electronii din atomii de zinc se combina cu ionii de hidrogen din acid, dand nastere la molecule de H2 (hidrogen gazos). Putem observa hidrogenul in stare gazoasa sub forma de bule care se regasesc pe suprafata baghetei de zinc. Daca inserati o bagheta din carbon in acid, acidul nu produce nici o reactie asupra ei. Insa in cazul in care conectati un fir intre bagheta din zinc si cea din carbon, au loc doua schimbari: electronii trec prin sarma si se combina cu hidrogenul, la nivelul baghetei din carbon, astfel ca din bagheta de carbon se degaja hidrogen in stare gazoasa. Se degaja insa mai putina caldura. Puteti produce suficienta energie pentru un bec sau un alt consumator, pe baza fluxului de electroni din fir, si de asemenea puteti masura voltajul si intensitatea curentului din bucata de sarma. O parte din caldura e folosita in miscarea electronilor. Electronii se deplaseaza pe bagheta din carbon, deoarece le e mai usor sa se combine acolo cu hidrogenul. Voltajul caracteristic al celulei este de 0,76 volti. La un moment dat, bagheta din zinc se dizolva complet sau ionii de hidrogen din acid sunt utilizati integral, iar atunci bateria "moare".

Tensiunea In orice baterie, are loc acelasi gen de reactie electrochimica prin care electronii migreaza dintr-un pol in celalalt. Metalele si electrolitii folositi controleaza tensiunea bateriei - fiecare reactie are un voltaj propriu. De exemplu, iata ce se intampla intr-o celula de baterie de masina plumb-acid: Celula este formata dintr-o placuta din plumb, o alta placuta din dioxid de plumb si un electrolit - acid sulfuric puternic, in care sunt scufundate cele doua placute. Plumbul se combina cu SO4, dand nastere la PbSO4 plus un electron. Dioxidul de plumb, ionii de hidrogen si ionii de SO4, plus electroni proveniti de pe placuta de plumb, dau nastere pe placuta din dioxid de plumb la PbSO4 si apa. Pe masura ce bateria se descarca, se aduna PbSO4 (sulfat de plumb) pe ambele placute, iar in acid se acumuleaza apa. Tensiunea caracteristica este de aproximativ 2 volti in fiecare celula, astfel ca prin combinarea a sase celule se obtine o baterie de 12 volti. O baterie plumb-acid are o caracteristica importanta - reactia este complet reversibila. Daca aplicati bateriei curent la o tensiune potrivita, se formeaza din nou pe placute, plumb si dioxid de plumb, astfel ca puteti utiliza bateria de mai multe ori. In cazul unei baterii zinc-carbon, reactia nu poate fi inversata cu usurinta deoarece nu exista o metoda simpla de a face ca hidrogenul gazos sa se intoarca in electrolit. Substantele chimice din bateriile moderne Bateriile moderne utilizeaza o gama larga de substante chimice, menite sa dea nastere reactiilor. Dintre combinatiile tipice de substante chimice in baterii, amintim: Bateria zinc-carbon - Cunoscuta de asemenea si drept baterie standard pe baza de carbon, combinatia zinc-carbon este folosita pentru toate bateriile ieftine AA, C si D. Electrozii sunt zincul si carbonul, intre aceste substante existand o pasta acida, care are rolul de electrolit. Bateria alcalina - Folositi la bateriile Duracell si Energizer, electrozii sunt zincul si oxidul de magneziu, impreuna cu un electrolit alcalin. Bateria pe baza de litiu - Litiul, iodatul de litiu si iodatul de plumb sunt utilizate in aparatele de fotografiat datorita puterii mari pe care o genereaza. Bateria plumb-acid - Este utilizata in automobile, iar electrozii sunt facuti din plumb si oxid de plumb impreuna cu un puternic electrolit acid (este reincarcabila). Bateria nichel-cadmiu - Electrozii sunt hidroxid de nichel si cadmiu, electrolitul fiind hidroxidul de potasiu (este reincarcabila). Bateria nichel-metal - Acest tip de baterie tinde sa inlocuiasca bateria nichel-cadmiu, deoarece nu sufera din cauza "efectului de memorie" de care sufera bateria nichel-cadmiu (este reincarcabila). Bateria litiu-ion - Cu un foarte bun raport putere/greutate, aceasta baterie este deseori intalnita in lap top-urile performante si in telefoanele mobile (este reincarcabila). Bateria zinc-aer - Aceasta baterie este extrem de usoara si reincarcabila. Bateria zinc-oxid de mercur - Aceasta baterie este deseori folosita in aparatele auditive. Bateria argint-zinc - Aceasta baterie este utilizata la aplicatiile aeronautice, datorita raportului optim putere-greutate. Bateria clorura de metal - Aceasta baterie este utilizata la vehiculele electrice. Aranjamente cu baterii In aproape toate aparatele care functioneaza pe baza de baterii, nu se foloseste o singura baterie. De obicei, se grupeaza in serie, pentru a obtine tensiuni mai ridicate, sau in paralel, pentru intensitati mai ridicate. Intr-un aranjament serial, se insumeaza tensiunea fiecarei baterii din serie. Intr-un aranjament paralel, se insumeaza intensitatea.

Puterea bateriei In mod normal, cand cumparati un pachet de baterii, pe pachet veti putea citi tensiunea si intensitatea bateriei. De exemplu, un aparat de fotografiat digital necesita patru baterii nichel-cadmiu, fiecare baterie trebuind sa aiba o tensiune de 1,25 volti si o intensitate de 500 de miliamperi/ora. Evaluarea in miliamperi/ora inseamna ca, teoretic, bateria produce 500 de miliamperi intr-o ora. Aceasta evaluare poate fi analizata sub mai multe aspecte. O baterie de 500 miliamperi/ora ar putea produce o intensitate de 5 miliamperi timp de 100 de ore, sau 10 miliamperi timp de 50 de ore, sau 25 de miliamperi timp de 20 de ore, sau (teoretic) 500 de miliamperi timp de 1 ora, sau chiar 1000 de miliamperi timp de 30 de minute. Totusi, functionarea unei baterii nu este chiar asa de liniara. Pe de-o parte, toate bateriile au o intensitate maxima pe care o pot produce - o baterie de 500 miliamperi/ora nu poate produce 30000 de miliamperi timp de 1 secunda, deoarece reactiile chimice din baterie in nici un caz nu pot avea loc atat de repede. Iar la intensitati mai ridicate, bateriile produc o cantitate mare de caldura, fapt care epuizeaza o parte din puterea lor. De asemenea, mai multe combinatii de substante chimice folosite in baterii au, la intensitati foarte joase, o durata de viata mai lunga sau mai scurta decat cea anticipata. Insa evaluarea miliamper/ora este oarecum liniara in timpul unei utilizari normale. Pe baza evaluarii amper/ora, puteti estima aproximativ cat timp va tine o baterie, alimentand un anumit consumator. Daca faceti un aranjament serial cu patru baterii de 1,25 volti si 500 de miliamperi/ora, veti obtine o tensiune de 5 volti (1,25 x 4) la o intensitate de 500 de miliamperi/ora. Daca le aranjati in paralel, obtineti o tensiune de 1,25 volti la o intensitate de 2000 (500 x 4) miliamperi/ora. O baterie normala de 9 volti contine sase baterii foarte mici, care produc 1,5 volti fiecare, fiind plasate intr-un aranjament serial.