9.klases skolnieka
Pētnieciskais darbs
Baterijas
Darba vadītāja, skolotāja;
2008
Saturs.
1. Ievads 2.lpp.
2. Bateriju rašanās vēsture 2.lpp.
3. Bateriju uzbūve 2.lpp.
4. Bateriju veidi 2.lpp.
• 4.1 Ni-CD baterijas 3.lpp.
• 4.2 Ni-MH baterijas 3.lpp.
• 4.3 Li-Ion baterijas 3.lpp.
• 4.4 Li-Pol baterijas 3.lpp.
5. Saules baterija
• 5.1 Saules bateriju darbības princips 4.lpp.
• 5.2 Saules baterijas dzīvē 4.lpp.
• 5.3 Saules bateriju cena un jauda 4.lpp.
• 5.4 Saules baterijas kā ekoloģiskas dzīves sastāvdaļa 4.pp.
6. Saules bateriju pielietojums 5.lpp.
7. Izgudrojumi 5.lpp.
8.Bateriju salīdzinājums 6.lpp.
8. Secinājumi 6.lpp
9. Pielikums 7.lpp.
10.Izmantotā Literatūra 7.lpp
Ievads
Baterija ir ierīce, kur ķīmiskas reakcijas rezultātā rodas elektroenerģija. Tā kā elektrību ne vienmēr var ražot laikā un vietā, kur tā vajadzīga, tika izstrādāta bateriju ražošana, lai nodrošinātu viegli transformējamu elektriskās enerģijas avotu. Lai arī sastopamas daudzu veidu un dažādas baterijas, to darbība pamatojas uz ķīmiskās enerģijas pārvēršanu elektriskājā enerģijā, kad tas ir nepieciešams. Baterijas parasti nodrošina ar enerģiju visdažādākās ierīces, tai skaitā, rokas pulksteņus, mobilos telefonu, kā arī pavadoņus kosmosā. Izšķir divu veidu dažādas baterijas – baterijas un akumulatorus. Akumulatori ir uzlādējamas ierīces, bet baterijas ir paredzētas vienreizējai lietošanai. Kaut bieži vien arī baterijas tiek angliski apzīmētas kā uzlādējamas ierīces (rechargeable battery).
Bateriju rašanās vēsture
Pirms 200 gadiem Pāvijas universitātes fizikas profesors Aleksandro Volts(1745-1827) sarindoja vara, tūbas, cinka, atkal vara, tūbas, cinka u.t.t. ripiņas stikla caurulē un uzlēja tām ieskābinātu šķīdumu. Šķīdumā sākās ķīmiska reakcija, kuras rezultātā radās elektrība. Tika izgudrota pirmā elektriskā baterija jeb galvaniskais elements (līdzstrāvas avots). Tika likti pamati elektrības zinātnē. Šo Volta izgudrojumu kā barošanas avotu izmantoja tikai pirmie telegrāfa izgudrotāji. Ilgu laika posmu izgudrojumam nebija liela pieprasījuma. Pēc kāda laika 1868.gadā Georgs Leklanšē izgudroja uzlabotu galvanisko elementu no cinka, ogles stienīša, mangāna dioksīda amonija hlorīda šķīdumā. Pāris gadu laikā uzņēmīgais franču inženieris radīja firmu, kas saražoja 20 000 elementu, kurus ātri izpirka telegrāfa kompānijas. Pilnveidojot Leklanšē elementu, 1888.gadā vācu pētnieks Gasners izgudroja mums zināmo sauso bateriju (R6,AA,u.c. priekšteci), šķidro elektrolītu aizvietodams ar atbilstoša sastāva želeju.
Bateriju uzbūve
Baterija ir neliels viegli pārvietojams elektrības avots. Kad bateriju pievieno ķēdei, tā nodrošina enerģiju, kas dzen elektronus cauri ķēdei. Baterija sastāv no ķīmiskām vielām, kas reaģējot veido pozitīvu un negatīvus jonus. Baterija sastāv no viena vai vairākiem galvaniskajiem elementiem – elektroķīmiskas ierīces, kas pārvērš ķīmisko enerģiju elektriskajā enerģijā. Katrā elementā ir divas ķīmiski aktīvas vielas, ko sauc par elektrodiem. Tie ir atdalīti ar šķidrumu vai pastu, ko sauc par elektrolītu. Maza baterija parasti satur tikai vienu galvanisko elementu, bet liela un jaudīga baterija var saturēt sešus galvaniskos elementus. Elementa iekšienē elektrolīts reaģē ar elektrodiem, izraisot elektronu pārvietošanos caur elektrolītu no viena elektroda uz otru. Viens elektrods kļūst pozitīvi lādēts, bet otrs negatīvi. Elektrodi veido elementu pozitīvo un negatīvo spaili.
Bateriju veidi
Ja ir apsvērta doma iegādāties jaunu mobilo telefonu, portatīvo datoru vai jebkuru ierīci, kura enerģiju iegūst no baterijas vai akumulatora tad īpaša vērība jāpievērš baterijas, akumulatora darbības ilgumam. Šis faktors ir atkarīgs ne tikai no tā, cik mobilais telefons vai portatīvais dators patērē enerģiju, bet arī no tā, cik baterija ir jaudīga un kāds ir baterijas tips. Mūsdienās visos mobilajos telefonos, kabatas datoros un citās portatīvajās ierīcēs izmanto četrus dažādus barošanas elementus: niķeļa kadmija (NI-CD), niķeļa metāla hidroksīda (Ni-MH), litija jonu (Li-Ion), litija polimēra(Li-Pol). Pirmo divu elementu trūkums ir atmiņas efekts, kura cēlonis – īpaši virsmas lādiņi. To lādēšanas ierīce izprot kā papildinājumu līdz pilnai uzlādei – tādēļ pārtrauc lādēšanu. To dažkārt izdodas likvidēt ar palielas strāvas izlādi, tūdaļ gan uzlādējot ierīci no jauna. Abi pēdējie akumulatoru veidi ir salīdzinoši dārgāki, bet tās satur indīgas, kaitīgas vielas un tālab pēc galīgas iztukšošanas būtu vēlama to atpakaļatdošana.
Ni-CD baterijas
Tehnoloģija, kā var izgatavot niķeļa kadmija baterijas tika izveidota 1899.g., bet pilnībā šāda veida baterijas tika pilnveidotas līdz 1947. gadam, tad arī tika izgatavots hermētiskais niķeļa kadmija barošanas elements, kas plaši tiek izmantots arī mūsdienās. Vēl nedaudz gadus atpakaļ varēja teikt, ka 90% pārnēsājamās aparatūrās stāvēja tieši šādi akumulatori, jo pārējie nebija pietiekoši attīstīti vai arī pārāk dārgi maksāja. Iespējams, ka niķeļa kadmija baterijas vēl ilgu laiku skaitīsies pašas izdevīgākās, jo tām ir zema cena un to darbības ilgums ir pietiekoši liela. Tās var strādāt lielā temperatūras diapazonā, kā arī tās ir izturīgākas par citām baterijām. Taču šīm baterijām ir arī trūkumi, dēļ kā jaunākie mobilie telefoni ar šāda veida baterijām netiek ražoti. Vien tādēļ, ka šīs baterijas aizņem daudz vietas, kā arī, ja tās netiek pareizi likvidētas, tās var radīt nopietnu kaitējumu dabai. Šī baterijas var pārlādēt pat līdz 1000 reižu, pēc kā tās savu mūžu ir nokalpojušas. Diemžēl nepareizas lietošanas dēļ, baterijas savas labās īpašības pazaudē daudz ātrāk.
Ni-MH baterijas
Plašāk tiek izmantotas niķeļa-metālhidrīda baterijas. Tās lieto telefonos jau no 1990. gada. Šīs baterijas ir daudz vieglākas par Ni-Cd baterijām, kā arī ir mazāka izmēra. Tās nav tik viegli sabojājamas kā Ni-Cd baterijas, kā arī videi šīs baterijas nav tik kaitīgas. Pie trūkuma pieskaitāms to lielais pašizlādēšanās koeficents (no 15% nedēļā līdz 30% mēnesī). Šo bateriju nekādā gadījumā nedrīkst lādēt ilgāk par divām dienām.
Li-Ion baterijas
Pirmie mēģinājumi radīt Li-Ion bateriju notika 1912.gadā, bet tikai 1970.gada parādījās pirmie piedāvājumi, kuras varēja iegādāties cilvēki. Diemžēl baterijas lielu atsaucību neieguva, jo nereti notika nelieli sprādzieni un ugunsgrēki, Li-Ion bateriju dēļ. Uzlādes laikā baterijas sakarsa, kusa, kā arī notika dažādas ķīmiskas reakcijas starp to elementiem. Mūsdienās šīs problēmas ir novērstas. Galvenās šīs baterijas priekšrocības, protams, ir tās nelielais izmērs, svars, kā arī baterijas mazais pašizlādēšanās koeficents. Galvenais tās trūkums šobrīd ir baterijas palielā cena. Tas ir saistīts ar to, ka katrs baterijas elements satur atsevišķu shēmu, kas kontrolē uzlādes procesu (strāvu, laiku, temperatūru). 90.gados Li-Ion baterijas neizturēja kalpošanas laiku ilgāk par 1-1,5 gadu. Mūsdienās baterijas kalpošanas laiks arvien palielinās.
Li-Pol baterijas
Šīs baterijas ir vislabākās no visām citām pieejamajām baterijām, jo tās ir fantastiski vieglas, mazas, kā arī tās var pieņemt jebkuru netradicionālu formu. Tādejādi telefonu var padarīt vēl mazāku, jo bateriju var izveidot tādu, lai tā aizņemtu telefona brīvo vietu. Trūkums gan ir tas, ka baterijām nav tik daudz enerģijas, bet jaunie telefoni jau nav sevišķi “ēdelīgi”. Savukārt šīs baterijas ir vēl dārgākas par Li-Ion baterijām. Kā arī dažiem telefoniem rodas problēmas ar izlādes līmeņa noteikšanu. Šo bateriju nedrīkst ilgi atstāt salā, tas var galīgi nobendēt baterijas mehānismu. Li-Pol baterijas jau izmanto mobilajos tālruņos, kas deva iespēju samazināt tālruņu masu gandrīz līdz 83g un 72g svaram. Ieguvums ir arī Li-Pol bateriju iespējamie dažādie ģeometriskie izmēri. Tagad projektētājiem nav vairs jārēķinās ar noteiktas formas tilpumu. Ir cerības, ka tuvākajā laikā ar Li-Pol baterijām tiks aprīkotas arī videokameras
Saules baterija
Saules baterija ir pusvadītāju fotoelektroniskais ģenerātors. Saules baterijas ļauj saules enerģiju tieši pārveidot elektroenerģijā. Saules gaismas vietā var izmantot arī citu gaismu, kurai ir līdzīgs viļņa garums. Šim elektroenerģijas ieguves veidam nākotnē ir liels potenciāls. Saules baterijas tik tagad ir progresējušas līdz tādam līmenim, lai varētu apgādāt māju ar elektrību, kas iegūta no saules staru enerģijas. Protams, iegādājoties šādu elektroenerģijas apgādes veidu savai mājai, par elektrību nebūs jāmaksā. Vienīgais saules bateriju trūkums, ka saules baterijas ir diezgan dārgas, taču baterijas atmaksājas aptuveni 10 gadu laikā.
Saules bateriju darbības princips Saules baterijas pamatelements ir pusvadītāju doide Apgaismojot p-n pāreju ar īso viļņu garumu gaismu, uz p-n pārejas rodas sprieguma starpība, tā var uzturēt strāvu noslēgtā ķēdē un ražot enerģiju. Daudzveidīgajās parastajās diodēs p-n pāreju cenšas izveidot pēc iespējas mazos izmēros un ievietot gaismas necaurlaidīgajā korpusā. Toties fotodiodēs, un saules baterijās kā to paveidā, p-n pārejas izmērus maksimalizēt pat līdz dažiem metriem, pusvadītāju materiālu pārklāj ar gaismas caurlaidīgu aizsargslāni.
Saules baterijas dzīvē
Saules baterijas parasti mēdz izvietot uz ēku jumtiem, fasādēm, arhitektoniskiem elementiem, līdz ar to enerģijas piegādes ceļš līdz lietotājam ir minimāls. Ēkā atrodas pārveidotājs(var būt arī sarežģītāka vadības un kontroles iekārta),kas saules baterijas ražoto līdzstrāvu pārveido maiņstrāvā pašpatēriņa un enerģijas pārpalikuma ievadīšanai elektroniskajā tīklā. Aizvien lielāku nozīmi gūst informāciju tehnoloģijas, par pat teikt, ka bez interneta, e-mail ucc. iespējām vairs nav iedomājama normāla ikdienas dzīve. Serveru, pat individuālu datoru, normālas darbības nodrošināšanai raksturīgā tīkla sprieguma kvalitāte bieži nav pietiekoša un tiek uzstādīti nepārtrauktas barošanas avoti/UPS/.To neatņemama sastāvdaļa ir parastais, ķīmiskais akumulātors elektroenerģijas uzkrāšanai. UPS akumulātorus varētu izmantot saules elektroenerģijas uzkrāšanai dienas gaišajā laikā, lai tā segtu patēriņu naktīs vai tīkla elektroenerģijas piegādes pārtraukuma brīžos. Izmantojot saules baterijas, tas ir iespējams jebkurā vietā uz zemeslodes, ikviens šodienas individuālais tīkla elektroenerģijas patērētājs kļūtu par enerģijas ražotāju dienas gaišajā laikā, bet patērētu to no tīkla, ja individuāli vai tuvumā nav uzstādīts akumulātors, laikā, kad saules enerģijas nepietiek. Tātad saules baterijas vajadzētu piestiprināt pie statīviem, kuru pozīcijas varētu mainīt gan automātiski ,gan ar datora programmas palīdzību, gan manuāli, lai cilvēkam būtu papildus drošība, ka viņš visu kontrolē. Datora programma būtu jāieprogrammē, lai tā pagriež statīvus trīs reizes dienā attiecīgi ieprogramētājs pozīcijās-vajadzīgajā leņķī un uz vajadzīgo debespusi. Principā būtu vajadzīgs ieprogrammēt divus bīdīšanās ciklus. Viens būtu vasaras mēnešiem, bet otrs ziemas. Priekš šāda projekta ideālākā forma saules baterijām būtu tāda pati kā satelīta šķīvim, jo to var viegli grozīt un izskatās vienlīdz labi uz mājas jumtu ,pret jebkuru debess pusi.
Saules bateriju cena un jauda
Saules baterijas izgatavo mikroelektroniskā rūpniecība; tā savas visai plašās iespējas un varēšanu apliecinājusi daudzkārt, piemēram jau divas desmitgades nepārtrauktu procesoru un personālo datoru jaudu ieaugumu un izmaksu kritumu. Lai arī šobrīd saules bateriju cena ir visai augsta-aptuveni 1000 eiro/m2/Latvijas apstākļos 1 m2 var dot maksimāli 160 W/;to cena aizvien samazinās un var pat teikt, ka nākošās desmitgades laikā iegūtās enerģijas pašizmaksa varētu tuvoties ar tradicionālām energotehnoloģijām ražotās enerģijas cenai.
Saules baterijas kā ekoloģiskas dzīves sastāvdaļa
Šādai energoapgādei nākotnē, salīdzinājumā ar pašreizējo energoapgādi, ir ļoti daudz priekšrocību. Tā līdzekļi par enerģiju vairs neizplūstu no reģiona vai valsts, mazinātos atkarība no importa energonesēju piegādēm. Pašreizējā valstu tautsaimniecības un to perspektīvas lielā mērā atkarīgas no naftas cenām, pārkārtojot energoapgādi uz vietējo enerģijas avotu izmantošanu, tautsaimniecību-veselīgums ievērojami pieaugtu. Samazinātos arī pašreizējais lielais, jau zemes klimatu un cilvēku veselību apdraudošais izmešu daudzums un augtu dzīves kvalitāte.
Saules bateriju pielietojums
Saules baterijas galvenokārt pielieto kosmisko liadaparātu elektroapgādei, kā arī dažreiz saules baterijas lieto kā elektroenerģijas avotus, kā arī saules baterijas ir sastopamas dažos kalkulātoros.
Izgudrojumi
Itāļu zinātnieki izstrādājuši saules baterijas, kuru pamatā ir mellenes. Detalizēta tehnoloģijas apraksta pagaidām nav, taču ir zināms, ka baterijās tiek izmantots no ogām iegūts pigments, kurš ir “ieslēgts” starp divām plānām plastikāta plāksnēm. Jauno bateriju lietderības koeficents gan ir krietni zemāks nekā kvalitatīvām saules baterijām, kas veidotas uz silīcija bāzes, taču melleņu baterijas ir krietni lētākas.To izmaksas uz vienu vatu ir salīdzināmas ar šobrīd visbiežāk izmantojamo saules bateriju izmaksām, tādēļ šī tehnoloģija var izrādīties izdevīga. Turklāt zinātnieki sola uzlabot sava izstrādājuma efektivitāti.
Bateriju salīdzinājums un viņu kaitīgums videi
Bateriju veids Izturības ilgums Kaitīgums videi Plusi vai minusi
Saules baterijas Līdz sabojājas elektroniski vadi kas pievada elektrību.
–
Nav nepieciešama elektrība
Parastās pirkstiņ baterijas Līdz 48h
Ātri izlietojas.
Akulumatori Līdz 300h Viss ilgākais
sadalīšanās laiks Lādējamas, nav ilgs termiņš pārsvarā divi gadi.
USB uzlādējamās baterijas Līdz 72h mazāk kaitīgs
videi Uzlādējamas baterijas ,kuras nav jāpērk jaunas ja izlādējas.
Nodot baterijas var ikkatrā skolā un daudzos veikalos. Latvijā pavisam 3000 vietās. Akulumatorus var nodot vai arī pārdot atjaunošanai. Viss labākas baterijas videi būtu saules baterijas, kas nodarītu arī viss, mazāko kaitējumu videi. Tās nav nepieciešams pārstrādāt un nav jāizmet dabā. Par nožēlu nav izgudrotas baterija, kuras varētu uzlādēt, un ielikt , piem.Mp3 atskaņotājā. Ir izgudroti uz saules baterijām darbojošies automobiļi, un mājas, kuras darbojas tikai uz saules enerģiju.
Secinājums
Baterijas mūsu pasaulē ir ļoti daudz , bateriju izgudroja Aleksandro Volts , kas notika pirms divsimt gadiem elektrības viena no mērvienībām ir volti kas ir nosaukti šī izcilā Itāliešu fiziķa uzvārdā. Baterijas ir viss apkārt mums tās var atrast visur vien atliek paskatīties savā istabā, manā istaba vien es varu atrast 10 lietas, kurās es varu ielikt bateriju un tās strādās, Manuprāt bez baterijām nebūtu cilvēkiem pazīstama elektrība un vēl vairākas citas lietas. Manuprāt, baterijas ir elektrības pirmsākumi.
Pielikums.
1.att.Mobilā tālruņa baterija
2.att.Saules baterijas
3.att. Bateriju nodošanas punkts
5.att.Pašlaik lietotās baterijas
4.att.Pirmo bateriju
izgudroja Aleksandro Volts
Izmantotā literatūra;
a) wikpedia.com
b) „Fizika” 9.klasei, Edvīns Šilters, Nils Sakss, Izdevniecība „Lielvārds”