Przynieś dwa wiadra prądu!

O ile samo polecenie jest bezsensowne z uwagi na to, że prąd to – jak pamiętamy z poprzednich wpisów – uporządkowany przepływ ładunków elektrycznych, toteż ma to tyle samo racji bytu, co prośba o przyniesienie dwóch wiader strumienia, o tyle istnieją urządzenia, które można nazwać takimi wiadrami na ładunki elektryczne.

Jak zapewne się domyślacie, chodzi mi o akumulatory. Czym one są i co je odróżnia od tego, co zwykło się nazywać “bateriami”? Przyznam szczerze, że nie lubię słowa “bateria”, gdyż jest ono nie do końca precyzyjne. Otóż zarówno swojski “paluszek”, jak i akumulator tego samego formatu, są bateriami. Wracając do poprzedniego wpisu O napięciu, elektrodzie i elektrolicie – to, co daje nam prąd, to ogniwo galwaniczne – dwie elektrody zanurzone w elektrolicie. Ogniwo, którego nie da się naładować, to ogniwo pierwotne; ogniwo, które taką możliwość posiada, to ogniwo wtórne. To, co potocznie nazywamy “baterią”, to bateria ogniw pierwotnych; to, co nazywamy “akumulatorem”, to bateria ogniw wtórnych.

O różnych typach akumulatorów już za chwilę, a teraz skupmy się nad tym, jak to działa. Skoro rozładowywanie akumulatora polega, tak jak w przypadku baterii, na przemianie energii chemicznej w elektryczną, to intuicyjnie w przypadku jego ładowania można założyć, że będzie ono polegało na przemianie energii elektrycznej w chemiczną – i tak jest. Reakcje chemiczne, które zachodzą na stykach elektrod i elektrolitu, są dokładnie takie same, tyle że przebiegają w odwrotnym kierunku w zależności od tego, czy są wymuszone przepływem prądu w przypadku ładowania, czy też same go generują podczas jego pracy. Oczywiście – jak każde urządzenie będące wytworem ludzkich rąk – także akumulator nie jest idealny i oprócz opisanych reakcji zachodzą w nim również inne, które mają wpływ na utratę jego właściwości. Kluczowa dla użytkownika jest jego pojemność, wyrażana w jednostkach znanych jako amperogodziny (Ah). Co oznacza ta jednostka? Czym jest godzina, to myślę, że każdy wie: 60 minut lub 3600 sekund; amper zaś to jednostka natężenia przepływającego prądu. Spójrzmy na jakiś przewód. Gdybyśmy mogli obserwować jego pojedynczy, cieniutki “plasterek”, to moglibyśmy obserwować przepływające ładunki. Jeśli przez taki przekrój w ciągu sekundy przejdzie ładunek jednego kulomba, to mówimy, że przepływający prąd ma natężenie jednego ampera. Stąd wzór 1A= 1C/s. Jedna amperogodzina oznacza w takim razie, że akumulator o takiej pojemności jest w stanie wytwarzać prąd o natężeniu 1A przez godzinę, tak więc 1 Ah = 1 C/s × 3600 s, co oznacza, że taki akumulator może wytworzyć łączny ładunek 3600 C. Czy to dużo? Sprawdźcie, jaką pojemność mają ogniwa w waszych smartfonach. W moim przypadku jest to 4510 mAh czyli 4,51 Ah. Myślę że odpowiedź nasuwa się sama. Jeśli nie, to poczytajmy, co to właściwie za rodzaj akumulatora i dlaczego akurat taki.

Ogniwa, które możemy znaleźć w smartfonach, laptopach itp. są najczęściej opisane symbolami Li-ion lub Li-Po. Pierwszy ze skrótów z pewnością obił się wam o uszy, bo chodzi o swojskie ogniwa litowo-jonowe, drugi zaś to ogniwo litowo-polimerowe.

Ogniwa litowo-jonowe, jak sama nazwa wskazuje, mają jakiś związek z litem i jonami. I jest to prawda, bo rolę elektrolitu pełni w nich ciecz, na którą składają się złożone sole litowe i rozpuszczalniki organiczne, a rolę elektrod porowaty węgiel i sole metali. Taki akumulator pozwala na skumulowanie dużych ilości energii przy względnie niewielkiej masie. Przeciętne ogniwo wykonane w tej technologii ma pojemność od 120 mAh do 190 mAh na każdy gram masy. Reakcji zachodzących w cyklach ładowania i pracy opisywać nie będę. Sam elektrolit zawiera w sobie takie chemiczne literki jak Li2SO4, LiPF6 czy też LiClO4 – siarczan litu, heksafluorofosforan litu czy jego nadchloran, a więc wspomniane wcześniej “złożone sole litowe” rozpuszczone w mieszaninie węglanów etylu i metylu oraz innych substancji. Skupmy się lepiej na tym, co z takimi akumulatorami wolno robić i jak je traktować, aby służyły nam jak najdłużej.

Niestety te akumulatory są dość wrażliwe na przeładowanie, przegrzanie i nadmierne rozładowanie. O ile w pierwszym przypadku da się temu zapobiec i większość urządzeń posiada odpowiednie zabezpieczenia, o tyle dwa pozostałe wymagają już pewnej uwagi ze strony użytkownika. Akumulatory tego typu należy po prostu ładować zaraz po ich pełnym rozładowaniu, a najlepiej do tego nie dopuszczać. Jeśli nie planujemy używać jakiegoś sprzętu z takimi bateriami, to najlepiej naładować je “do połowy” i tak zostawić, gdyż zapewni to największą żywotność. Najlepiej znoszą temperatury od około 8 do 28 stopni Celsjusza i w takich należy je ładować. Niska temperatura grozi uszkodzeniem ogniwa, a wysoka – pożarem. Wbrew popularnemu mitowi nie trzeba ich na samym początku formować, tj. przeprowadzić kilku cykli ładowania i rozładowania w krótkim czasie, ani nie występuje w nich “efekt pamięci”.

“Efekt pamięci” czyli zjawisko, którego objawem jest malejąca pojemność akumulatora, dotyczy akumulatorów wykonanych w technologiach Ni-Cd, czyli niklowo-kadmowych, i Ni-MH, czyli niklowo-metalowo-wodorkowych. Ogniwa poddawane kilkudziesięciu cyklom ładowania, gdy nie były rozładowywane do końca, zaczynały się zachowywać tak, jakby miały połowę swojej normalnej pojemności. Jak sprawdzono, wynikało to z nagłego spadku napięcia w trakcie poboru prądu. Przyczyną tego zjawiska okazały się kryształy i stopy. Kryształy kadmu, które powstawały z porcji metalu niewykorzystanej w trakcie rozładowywania akumulatora, i stopy kadmu oraz niklu. W jednym i drugim przypadku nie biorą one udziału w reakcjach, z których czerpiemy energię elektryczną. Zaznaczam, że to zjawisko pojawia się dopiero po wielokrotnym powtórzeniu takiego cyklu niepełne rozładowanie – nadmierne ładowanie i może zostać łatwo usunięte przy pomocy wcześniej wspomnianego formowania baterii. Ogniwa Li-ion i Li-Po nie są narażone na taki efekt tak długo, jak są ładowane w prawidłowy sposób – stąd zalecenia producentów, aby używać oryginalnych ładowarek.

Wartymi uwagi są również akumulatory kwasowe, które można znaleźć w praktycznie każdym samochodzie – praktycznie każdym, gdyż ostatnio podobno wzrosła liczba ich kradzieży. Spójrzmy na ich cechy:

Jak widać, mają o wiele wyższe napięcie niż te w smartfonach, a oprócz tego o wiele większą pojemność i masę. Elektrody w nich wykonane są z metalicznego ołowiu oraz jego dwutlenku. Rolę elektrolitu spełnia 37% roztwór kwasu siarkowego z dodatkami. Prąd elektryczny powstaje na obydwu elektrodach w wyniku reakcji ołowiu z anionem siarczanowym, co powoduje powstanie siarczanu ołowiu. Stąd pełne rozładowanie takiego akumulatora polega na całkowitym przekształceniu elektrod w siarczan ołowiu i jest to proces odwracalny. Efekt pamięci w przypadku tego typu akumulatorów polega na przekształceniu siarczanu ołowiu w jego formę krystaliczną, która jest izolatorem. Należy tego unikać, gdyż proces odsiarczania takiego akumulatora jest drogi i czasochłonny. Akumulatory tego typu nie są w pełni szczelne, co wymusza ostrożność, aby uniknąć rozlania elektrolitu. Niepełna szczelność tego typu akumulatorów wynika z tego, że należy regularnie uzupełniać w nich poziom elektrolitu poprzez dolewanie wody destylowanej. Ubytek wody następuje w nich podczas ładowania, gdy woda jest rozkładana elektrolitycznie na wodór i tlen. Gdyby wodór nie mógł ulatniać się z akumulatora, jego nagromadzenie się mogłoby doprowadzić do eksplozji.

To na koniec może sprawdźcie, na ile powinna wystarczyć bateria w waszym telefonie, wiedząc, że przeciętny pobór prądu w czasie użytkowania to od 100 mA do 500 mA 😉

(c) by Lucas Bergowsky
Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem
.

O napięciu, elektrodzie i elektrolicie

Nie tak dawno pewien rezolutny sześciolatek, z którym prowadzę od czas do czasu dyskusje na temat “A dlaczego… ?”, zadał mi pytanie takiej treści: “A dlaczego w bateriach jest prąd?”. Przyznam szczerze, że bardzo lubię takie pytania, bo dotyczą rzeczy, które mamy w rękach lub widzimy każdego dnia, a w gruncie rzeczy nie zastanawiamy się, jak to właściwie działa lub skąd się bierze. No, postarajmy się wspólnie zastanowić nad tym zjawiskiem. Weźmy do ręki baterię dowolnego typu – ja mam pod ręką akurat takie znane jako “paluszek” oraz “mały paluszek” – i popatrzmy, co to właściwie jest.

Żeby odpowiedzieć na pytanie, skąd w bateriach bierze się prąd, warto sobie najpierw odpowiedzieć na pytanie, czym jest sam prąd elektryczny. Ostatnio wspominałem o zjawisku przewodnictwa, które występuje w metalach i różnych innych materiałach. Jeśli wrócimy na chwilę do tekstu o O lewitacji i bramkach, to przypomnimy sobie, że wynika ono z istnienia w danym materiale swobodnych elektronów. Żeby materiał mógł być przewodnikiem, muszą w nim istnieć jakieś nośniki ładunku elektrycznego – ujemnego lub dodatniego. W przeważającej części są to elektrony lub wspomniane we wcześniejszym wpisie “dziury”. Co jeszcze przewodzi prąd? Jak wiemy, woda, czyli H2O, takiej cechy nie ma, chyba że mówimy o wodzie mineralnej. No, swobodnych elektronów byśmy się raczej w niej nie spodziewali, ale spójrzmy na etykietę: ja mam pod ręką taką; jeśli macie inną, to skład raczej diametralnie się nie różni.

Kationy i aniony, czyli jony. Pierwiastek zjonizowany to taki, w którym jest niedobór lub nadmiar elektronów, co powoduje, że przestaje być on neutralny elektrycznie; stąd, jeśli do wody destylowanej dodać swojskiego chlorku sodu i zamieszać, uzyskamy roztwór, w którym znajdują się nośniki ładunku elektrycznego. Łatwo z tego wywnioskować, że prąd elektryczny jest nie tyle samym ładunkiem elektrycznym, co ukierunkowanym przepływem takiego ładunku pomiędzy punktami. Żeby taki przepływ się pojawił, potrzebna jest różnica! Konkretnie – różnica potencjałów. Jeśli wrócimy na chwilę do zdjęcia baterii, zauważymy, że oprócz plusa i minusa powtarza się na nich oznaczenie dotyczące napięcia: 1,5 V. To teraz przełóżmy tego wolta na to, ile ładunków elektrycznych nośniki muszą przenieść pomiędzy tymi punktami, aby napięcie, czyli różnica potencjałów, wyniosła właśnie tyle.

Biorąc pod uwagę, jak mały jest ładunek jednego elektronu, proponuję posłużyć się trochę wygodniejszą jednostką, czyli kulombem (C), który jest równy 6,241 × 1018 elementarnego ładunku elektrycznego. Jeśli do przeniesienia 1 C pomiędzy dwoma punktami potrzeba pracy jednego dżula (J), to różnica potencjałów pomiędzy takimi punktami wynosi 1 V, a więc 1 V= 1 J/C. Prąd w bateriach bierze się właśnie z takiego przepływu ładunków pomiędzy elektrodami – katodą i anodą o różnych potencjałach. Jak to dokładnie działa? Energia jest produkowana w wyniku reakcji zachodzących pomiędzy elektrodą a elektrolitem w miejscu ich styku, czyli mówiąc poprawniej, na granicach faz. Substancja tworząca anodę w wyniku spontanicznej reakcji utlenienia zmienia swój stopień utlenienia na wyższy i staje się jonem przechodzącym do elektrolitu po czym trafia na elektrodę o wyższym potencjale, katodę, gdzie w wyniku reakcji redukcji staje się jej częścią. Warto zauważyć że sam elektrolit nie przewodzi elektronów, ale jony. Również z tego zjawiska wynika to, że nasze baterie po pewnym czasie się rozładowują. Skoro materiału z anody cały czas ubywa, a przybywa go na katodzie, to jest oczywistym, że taka reakcja po pewnym czasie po prostu przestanie przebiegać z braku materiału. Na bateriach na ilustracji mamy oznaczenia “AA” i “AAA” oraz inne typu “LR6” etc. O tym co one oznaczają, już za chwilę, a teraz jeszcze krótko o tym, jak zachodzi taka reakcja w najbardziej popularnym z typów baterii. Mam na myśli te, o których zwykło się mówić “alkaliczne” i w których elektrolitem jest roztwór o charakterze zasadowym (alkalicznym), a rolę anody i katody pełnią sproszkowane: cynk i tlenek manganu.

Reakcja zachodząca pomiędzy dwoma elektrodami zanurzonymi w elektrolicie przebiega w ten sposób, gdy mówimy o bateriach znanych jako np. “AA” lub “LR6”, gdyż te symbole są właściwie równoznaczne. Oznaczenia typu AA, AAA, C, D, PP3 etc. są oznaczeniami handlowymi i nie oznaczają niczego konkretnego; w większości pochodzą z USA. O wiele więcej o samej baterii powiedzą nam te mniejsze symbole tj. LR6 i LR03. Te oznaczenia są nadawane przez IEC czyli International Electrotechnical Commission, a po polsku Międzynarodową Komisję Elektrotechniczną, i określają odpowiednio rodzaj baterii ze względu na technologię wykonania oraz jej kształt. Jeśli pierwsza litera to “L”, to wiemy, że bateria posiada ogniwa alkaliczne. Jeśli baterie oznaczono np. A, to w środku znaleźlibyśmy ogniwo cynkowo-powietrzne a litera “M” informuje nas o tym, że to ogniwo litowe – można ładować. W ramach ciekawostki dodam, że dawniej ta litera była przypisana do baterii zawierających ogniwa rtęciowe, których stosowanie obecnie jest zakazane. Liter oznaczających typy ogniw mamy łącznie dwanaście; liter; które znajdziemy na drugim miejscu; mamy jedynie trzy i oznaczają one kształt baterii. Mogą to być “R”, przypisane do baterii cylindrycznych, “F” w kształcie płytki i “S” oznaczające prostopadłościan.

Podsumowując: prąd w bateriach pojawia się w wyniku reakcji chemicznych i dzięki uporządkowanemu ruchowi jego nośników, np. elektronów lub jonów. Baterie wyczerpują się, gdyż ubywa w nich materiału z elektrody o niższym potencjale, czyli anody, i absolutnie nie wolno ich ładować po rozładowaniu, bo może się to skończyć nawet eksplozją.

(c) by Lucas Bergowsky
Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem
.

O stali i innych metalach ziem rzadkich słów kilka.

Dwa dni temu oczom wielu użytkowników Twittera, w tym moim, ukazał się następujący obrazek:

O ile lit, mangan, nikiel czy miedź jak najbardziej znajdują się w układzie okresowym, o tyle stali tam nie znajdziemy, gdyż jest to stop, głównie żelaza i węgla. Kolejną kwestią jest to, że choć lit i inne wymienione znajdują zastosowanie w produkcji baterii i akumulatorów, to żaden z nich nie zalicza się do wspomnianych przez p. posłankę “pierwiastków ziem rzadkich”, zwanych również “metalami ziem rzadkich” lub opisywanych angielskim skrótem REE czyli “rare-earth elements”. Pierwiastki, które należy zaliczać do tej grupy, to skand i itr oraz wszystkie lantanowce. Spójrzmy na układ okresowy:

Przypomnijmy sobie kilka rzeczy z lekcji chemii. Pierwiastki w jednej kolumnie mają podobne właściwości chemiczne. Nazwy tych “rodzin” tworzymy dodając końcówkę “-owce” do nazwy pierwiastka o najniższej liczbie atomowej z danej kolumny. Wyjątek stanowi pierwsza kolumna, gdzie zamiast wodorowców mamy litowce, czasem nazywane “metalami alkalicznymi”, których nazwa pochodzi od tworzonych z wodą silnie zasadowych (alkalicznych) wodorotlenków. Kolejno znajdujemy berylowce, znane również jako metale ziem alkalicznych, skandowce, tytanowce i tak dalej aż do osiemnastej kolumny, znanej szerzej jako helowce. W jednym z wcześniejszych tekstów pozwoliłem sobie również wyjaśnić iż podobieństwa w właściwościach pierwiastków z jednej grupy wynikają z podobieństwa ich konfiguracji elektronowej, tj. z tego jak elektrony zajmują kolejne piętra energetyczne i ile ich zostaje na ostatnim. Pierwiastek leżący obok drugiego może mieć totalnie różne właściwości jak np. węgiel i azot, ale ten leżący pod musi mieć podobne, jak np. potas i sód. I świetnie się to sprawdza aż do liczby 57 czyli do lantanu. Jak się okazuje, kolejne pierwiastki aż do lutetu mają tak podobne właściwości fizyczne i chemiczne, jakby leżały w jednej grupie, stąd opisano je jako lantanowce, czyli właśnie owe metale ziem rzadkich.

Samo określenie “metale ziem rzadkich” sugeruje, iż te pierwiastki są rzadko spotykane na naszej planecie. Nie jest to prawdą, gdyż ich zawartość w skorupie ziemskiej nie ustępuje innym, np. cer i itr są bardziej rozpowszechnione niż molibden. Pomimo tego oraz tego, że są krytycznie ważne dla naszej cywilizacji, pozyskanie i wykorzystanie tych metali wiąże się z licznymi problemami, które zauważono już w szwedzkiej kopalni w Ytterby, od której to nazwy pochodzą nazwy czterech pierwiastków z tej grupy, tj. terbu, erbu, iterbu i itru. Pierwiastki te występują na naszej planecie głównie w formie różnych minerałów czyli różnych krzemianów, węglanów czy fosforanów, w których są zmieszane z sobą. Przykładem takiego minerału może być monacyt.

fot. na licencji CC BY-SA 3.0

Ten minerał to mieszanka tlenków ceru, neodymu, lantanu itp. Jak łatwo zauważyć, im bardziej podobne są do siebie składniki, tym trudniej jej rozdzielić. Stąd myślę, że o tych pierwiastkach powinno się mówić nie tyle, że są “rzadko spotykane”, co że są “rzadko niezmieszane”. Procesy technologiczne z tym związane są drogie i zaawansowane. Zresztą sami odkrywcy mieli z tym nielichy kłopot, często okazywało się że to, co uważali za wyodrębniony pierwiastek, okazywało się być mieszaniną dwóch lub więcej. Najczęściej udawało się je wyodrębnić w formie tlenku. Tu warto wspomnieć, że dawniej tlenki określano zbiorczą nazwą “ziemie”, i stąd nazwa zwyczajowa tej grupy. Duże zainteresowanie tymi pierwiastkami wynika z tego, że nasza cywilizacja jest od nich krytycznie zależna, jak wspomniałem wcześniej.

Weźmy na przykład internet i światłowody, które nie mogłyby powstać bez iterbu. Laser odczytujący dane z dysku w waszym komputerze czy silne magnesy również je zawierają – myślę że wielu z nas bawiło się magnesami wykonanymi z neodymu i było zaskoczonych ich siłą. Elektrownie jądrowe zależą od prętów sterujących, dzięki którym reakcja jądrowa może być kontrolowana – do ich produkcji niezbędny jest samar itp. Właściwie każdy sprzęt elektroniczny zawiera któryś z nich.

Jak wspomniałem, ich pozyskanie jest trudne i kosztowne, a bez nich nie ma naszej cywilizacji, więc pozwolę sobie zakończyć ten krótki wpis prośbą o recykling. Oddajcie swoje stare telefony, laptopy itp. do odpowiedniego punktu. Nikt z was nie wyrzuciłby na śmietnik złota, więc nie róbcie tego z metalami, które są od niego cenniejsze.

(c) by Lucas Bergowsky
Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem
.