Izziņas impulss

«Izziņas impulss» 13. sērija

Izziņas impulss

«Izziņas impulss» 15. sērija

«Izziņas impulss» 14. sērija

Izzinām elektrību – kāpēc baterijas nevajadzētu pilnībā uzlādēt un iztukšot?

Pasaulē tiek strādāts pie tā, lai uzlabotu bateriju spēju glabāt enerģiju. Ar to nodarbojas arī Latvijā pētnieks Kristaps Vītols. Viņš LTV raidījumā “Izziņas impulss” skaidro, ka bateriju ilgākam kalpošanas laikam to nevajadzētu pilnībā uzlādēt un pilnībā izlādēt.

Kā sākās civilizācijas uzvaras gājiens pretī elektrībai?

  • 6. gadsimts pirms mūsu ēras Senajā Grieķijā. Taless, berzējot dzintara gabaliņu pret vilnu, atklāja statisko elektrību.
  • 1771. gadā itāliešu ārsts Luidži Galvāni novēroja, ka vardei raustās kāja, kad uz to pārlec elektriskā dzirkstele.
  • 1800. gadā itāliešu fiziķis Alesandro Volta izveidoja pirmo elektrisko bateriju.
  • 1820. gadā Andrē Marī Ampērs saprata, kā magnētiskā lauka iedarbībā mainās strāva.
  • 1831. gadā Maikls Faradejs atklāja elektromagnētisko indukciju un lika pamatus elektromotora radīšanai.
  • 1879. gadā amerikāņu izgudrotājs Tomass Edisons patentēja pirmo kvēlspuldzi.

Runā, ka savulaik, kad Faradejs demonstrēja savas valsts premjerministram atklājumu, politiķis jautāja, vai tam ir kāds pielietojums. Faradejs tobrīd noteica – nezinu, bet esmu pārliecināts, ka par to varēs iekasēt nodokļus.

Tikmēr cita zinātnē leģendāra personība Nikolā Tesla gāja citu ceļu – viņam bija ideja, kā elektrību padarīt pieejama par brīvu visiem. Teslas spoles pamatideja ir, ka pilsētas centrā kāds objekts rada elektrību, bet spuldzītes vai jebkādas citas elektroiekārtas bez vadiem no tā saņem nepieciešamo enerģiju. Problēma radās tajā, ka lietotāju skaits bija ļoti neliels. Tātad Teslas spoles ideja vismaz šobrīd izskatās, ka ir dārgs un neefektīvs veids, kā nogādāt elektrību līdz patērētājiem. Kas zina, varbūt idejai par elektrību, kas pieejama kā bezvadu internets, vēl nav pienācis īstais laiks.

Daudz veiksmīgāk ar savas idejas novešanu līdz praktiskam veicās Džeimsam Maksvelam. Viņa doma par to, kā kustīgs magnēts rada elektrību, deva pamatīgu uzrāvienu civilizācijas attīstībā. Magnēts iekustina elektronus gluži kā ūdeni. Starp citu, pašas elektrības apzīmēšanai nereti izmanto tieši šādu salīdzinājumu, un, kur ūdens, tur arī straume jeb strāva un visas ar to saistītās mērvienības.

Elektrības fizikas pamatprincipi

Kas tad ir tas, kas plūst elektrības vados? Tie ir elektroni – mazas daļiņas jau tā mazajos atomos. Lai saprastu, kāpēc elektroni veido tādu kā elektrības upi, ir jāpatur prātā daži fizikas pamatprincipi.

Fiziķi elektronus ilustrē kā bumbiņas, kurām kā jebkurai lietai piemīt, lai arī ļoti niecīgi, bet tomēr pievilkšanās spēki, bet atšķirībā no citiem – ļoti izteikti atgrūšanās spēki. Tā kā atomos bez elektroniem ir arī citas daļiņas – protoni, tās savstarpēji mijiedarbojas. Parasti cik daudz atomā protonu, tik arī elektronu, un nekādu īpašu elektrisko izlādi mēs nejūtam. Līdz brīdim, kad, piemēram, berzējot vienu virsmu pret citu, panākam, ka elektroni no vienas virsmas pārlec uz otru, un tad jau daļiņu skaits mainās, tās sāk pievilkt citu objektu daļiņas. Un to visu varam izmērīt kā elektrību.

Elektrības lādiņi var pārceļot no vienas virsmas uz otru. Piemēram, tas notiek ikreiz, kad elektrizējas mati, sprakšķ sintētisks apģērbs, arī tad, ja velk kājas pa zemi un pieskaras metāla priekšmetiem.

Savukārt elektromagnētiskais lauks nosaka to, vai elektroni vados kustēsies kā līgana upe un veidos līdzstrāvu, vai skraidīs turpu šurpu 50 reizes sekundē, radot maiņstrāvu.

Pēta enerģijas glabāšanu

Visi pašlaik pieejamie enerģijas ražošanas veidi, izņemot saules enerģiju, iegūst maiņstrāvu. Taču uzkrāt iespējams tikai līdzstrāvu. Līdzstrāva ir forma, kādā enerģija tiek glabāta arī baterijās, un bateriju veidi ir tikpat dažādi kā to veicamie uzdevumi: darbināt ierīces, uzkrāt saražoto enerģiju.

Tas, kā un cik ilgi baterijas spēj uzglabāt enerģiju, ir tiešā mērā atkarīgs no tajās esošajiem ķīmiskajiem elementiem. Savukārt tas, kā baterijas lādējam, ietekmē šo elementu uzvedību. “Tajā brīdī, kad mēs uzkrājam enerģiju, daļa jonu pārvietojas no vienas puses uz otru, iekšpusē elektrība neplūst. Kad lādējam bateriju, joni sakārtojas otrā pusē un gaida. Pieslēdzam ārējo slodzi, un strāva sāk plūst pretējā virzienā, un joni pārvietojas atpakaļ. Tā viņi novietojas otrā līdzsvara punktā,” skaidro Rīgas Tehniskās universitātes (RTU) Industriālās elektronikas un elektrotehnikas institūta pētnieks Kristaps Vītols.

Kad baterijas kļūst tukšas vai neveic savu uzdevumu, tajās vairs nenotiek vajadzīgās reakcijas, tādēļ daļiņas nenostājas savās īstajās vietās. “Nav labi bateriju izlādēt līdz galam. Jo tad joni aizgājuši uz otru pusi, nostājušies savā punktā, un, jo ilgāk tie tur atrodas, jo vairāk viņiem tur patīk palikt. Tad baterijām sāk kristies ietilpība. Tajā nevar uzkrāt tik daudz, un nevar tik ilgi darboties,” skaidro Vītols.

Tas nozīmē, ka bateriju nevajadzētu pilnībā uzlādēt un pilnībā izlādēt. “Vienā gadījumā joni paliek vienā pusē, otrā – otrā pusē.

Abi šie galējie punkti degradē bateriju,” norāda pētnieks.

Vēl nemaz ne tik sen valdīja uzskats, ka baterijas nedrīkst uzlādēt daļēji, jo tad tās tēlaini sakot, atceras savu stāvokli un pilnas nemaz vairs necenšas būt. Izrādās – tas nav ne mīts, ne patiesība, jo viss slēpjas tajā, no kā baterijas veidotas. “Tās, kas iebūvētas iekārtās, piemēram, litija jonu baterijas, tām nav atmiņas efekta. Agrāk bija niķeļa kadmija baterijas, kuras atcerējās – ja līdz pusei uzlādēja, tad līdz pusei tikai strādāja,” skaidro Vītols.

Lai arvien vairāk uzlabotu bateriju spēju glabāt enerģiju, pasaulē šajā nozarē miljonus netaupa. Arī Latvijā Kristaps Vītols ir viens no tiem zinātniekiem, kurš, meklējot labākos bateriju risinājumus, rūpējas par tām gluži kā par dzīvu organismu. “Tur nav nekādas elektronikas, tikai ķīmija un materiālu zinātne, ko salikt kopā, lai baterijas kalpotu ilgāk, labāk un lētāk. Kad tās jāpārtaisa pakā, šūnas jāapvieno ar shēmām, kas rūpējas par katras šūnas labklājību,” stāsta pētnieks.

Baterijas labklājība ir atkarīga no temperatūras, bet, lai tajās būtu elektroni, ko uzkrāt, tiem jādod iespēja pārvietoties.

Tehnoloģijas un zinātne
Dzīve & Stils
Jaunākie
Interesanti