SURSĂ NECONVENȚIONALĂ DE ENERGIE
Realizatori elevii :
1.Balaci Nicolae ,
2.Milotin Cătălin,
electronica si automatizari - clasa a X a
Profesori coordonatori :
1. Danciu Rodica ,
2. Purcel Lucian ,
CUPRINS
1. Noţiuni teoretice despre celule galvanice
2. Recondiţionarea zincului din baterii uzate
3. Schemei electrice a stabilizatorului de tensiune de 5 V
4. Concluzii si observatii
5. Pila KARPEN
1. NOŢIUNI TEORETICE DESPRE CELULE GALVANICE
Pilele electrice sunt dispozitive ce transformă energia chimică în energie
electrică. Asocierea a doi electrozi formează o pila sau celula electrica sau
galvanica.
Tensiunea electromotoare a pilei electrice reprezintă diferenţa între
potenţialele de electrod ale electrodului pozitiv (catod) şi a electrodului negativ
(anod).
E=Ɛanod - Ɛcatod
Măsurarea tensiunii electromotoare a unei pile electrice se face numai in
circuit deschis. Pentru aceasta se utilizează un instrument de măsura (voltmetru)
cu rezistenta interna foarte mare R>> 10KW.
Lanţul electrochimic al unei pile electrice este următorul:
(-)M1 / sol1 // sol2 / M2 (+)
Simbolul “/ ” reprezintă interfaţa dintre conductorul de ordinul I si cel de ordinul
II - adică intre metal si soluţia de electrolit. In lanţul electrochimic al pilei
electrice apare simbolul “// ” care reprezintă cele doua interfeţe intre cei doi
conductori electrolitici si conductorul ce leagă cei doi electrozi care de regula
este o punte de sare.
1.1 Caracteristicile pilelor operaţionale
a. Tensiunea electromotoare este diferenţa de potenţial dintre polii pilei în
circuit deschis;
Tensiunea electromotoare a unei baterii de pile electrice este suma tensiunilor
elctromotoare a elementelor componente:
b. Rezistenta interna totala reprezintă rezistenţa opusă de pilă la tecerea
curentului electric prin ea.
, unde re reprezinta rezistenţa electrozilor si a electrolitului , iar rp rezistenţa de
polarizare.
c. Tensiunea de descarcare (Ed) reprezintă tensiunea circuitului exterior
închis.
Ed <E
, unde rd reprezintă rezistenţa de descărcare iar Id reprezintă intensitatea
curentului de descărcare.
d. Capacitatea de descărcare reprezintă cantitatea de electricitate ce poate fi
obţinută de la o pila electrică în anumite condiţii de timp, de intensitate de
descărcare, de tensine de descărcare (t, Ed., Id )
, în condiţiile in care intensitatea de descărcare este constantă.
Daca intensitatea de descărcare nu este constantă atunci :
e. Energia pilei (Wd) este energia disipată de pila în circuitul exterior la
descărcare. În condiţiile în care curentul de descărcare este constant, energia se
calculează cu relaţia:
f. Puterea pilei (P) reprezintă energia debitată de pilă în unitatea de timp:
1.2. Pile electrice reversibile
Prezintă următoarele caracteristici:
- procesul global la electrod este reversibil, adică printr-un proces de electroliză
numit incărcare, starea electrozilor poate fi adusă la cea iniţială, dinainte de
descărcare.
- în circuit deschis nu au loc reacţii electrochimice;
-în timpul funcţionării pilei, la furnizarea unui curent electric nu prea mare
tensiunea electromotoare a pilei rămâne constantă. Un exemplu de pilă electrică
reversibila este pila Daniell-Iacobi cu următorul lanţ electrochimic:
(+) Cu / CuSO4 // ZnSO4 / Zn (-)
Reacţiile de electrod in procesul de descărcare al pilei Daniell-Iacobi sunt
următoarele:
- reacţia anodica de oxidare :
- reacţia catodica de reducere
Reacţiile de electrod in procesul de încărcare sunt următoarele:
- reacţia de reducere
- reacţia de oxidare
, deci s-au refăcut zincul metalic si ionii de cupru. Reprezentarea schematica a
pilei Daniell Iacobi este prezentata in figura urmatoare:
Fig. 1 Funcţionarea pilei Daniell Iacobi
Potenţialele standard de oxidare pentru diferite metale în scara de hidrogen la
25° C sunt date în tabelul următor :
1.3 Cuprul
Numărul atomic al cuprului este 29, iar simbolul chimic este Cu. Masa
atomică relativă este 63,546. Valența cuprului este, în principal 1 sau 2 (cuprul
formează o varietate rară de compuși și săruri cu starea de oxidare +1 și +2, care
sunt de obicei numite săruri cuproase sau cuprice), deși, mai rar, poate fi chiar și
3. Acesta nu reacționează cu apa, dar reacționează încet cu aerul atmosferic; în
urma acestei reacții, pe suprafața cuprului se formează un strat de cupru oxidat
verde . În contrast cu oxidarea fierului la aer umed, acest strat de oxid se oprește
din coroziune; un strat de cocleală verde (carbonat de cupru) pot fi observate pe
construcțiile vechi din cupru, cum ar fi Statuia Libertății, cea mai mare statuie
din cupru din lume. Majoritatea sărurilor de cupru sunt higroscopice.
1.4 Zincul
Zincul este un metal alb-albăstrui, strălucitor al cărui luciu metalic dispare
repede in contact cu aerul, datorită formării unui strat superficial de oxid care
împiedică oxidarea lui în continuare.Se poate aprecia ca posedă o bună
conductivitate termica (61-64% faţă de argint) şi electrică (28% faţă de argint).
La temperatura obişnuită zincul este fragil şi nu se poate prelucra prin
laminare. Între 100 si 150 grade celsius devine plastic putând fi forjat sau
laminat in table subţiri până la 0,05 mm grosime. Datorită temperaturii de
recristalizare destul de scăzută, incalzit la circa 250 grade, zincul ajunge sa fie
atât de casant incât poate fi sfărâmat, pâna in stare de pulbere metalică.
Rezistenţa de rupere la tractiune creşte de la 2-7 daN/mm2 (în stare
turnată) la 11-15 daN/mm2 (după laminare), iar alungirea de la 0,3-0,5 % (în
stare turnată) la 30-40% (după laminare).
2. RECONDIŢIONAREA ZINCULUI DIN BATERII UZATE
Zincul necesar realizării electrozilor l-am obţinut prin recondiţionare din
baterii de 1,5 V tipul R6 şi R20 , uzate. Pentru acest lucru am dat un anunţ prin
toate sălile de clasă făcând un apel la toţi colegii mai mici sau mai mari.
Într-o perioadă de cca două luni de zile am reuşit să strângem 84 de baterii
R6 şi 26 baterii R20.
Fig. 2 Produse rezultate în urma dezmembrării bateriilor uzate
Pe lăngă zinc am reuşit să recuperăm şi electrozii de grafit , pe care îi vom folosi
în viitoarele construcţii.
Fig. 3 Topirea bucăţilor de zinc din baterii uzate
Este necesară topirea zincului în două etape . În prima etapă se topeşte
pentru a-l separa de impurităţile provenite din bateriile uzate , iar în a doua etapă
se topeşte pentru a obţine forma dorită a electrozilor necesari în realizarea
bateriei de pile.
Fig.4 Separarea zugurei de metal
Matriţa am confecţionat-o din tablă de cutii de conserve realizând o cutiuţă
cu dimensiunile 10x25x4 fixată în argilă umedă.
Fig. 5 Realizarea matriţei pentru turnarea zincului
Cutiuţa fixată în argilă se aşează pe o paletă metalică sau chiar de lemn
cu scopul de a o agita mereu astfel încât zincul topit care se toarnă să nu rămână
cu goluri de aer în masa sa şi să se aşeze bine în forma prismatică .
Cuprul necesar confecţionării electrozilor pozitivi a provenit din bucăţi
de platbandă din infăşurările statorice arse ale electromotoarelor auto. Acesta
este un cupru electrolitic de puritate foarte mare
99,99% .
Nu recomandăm folosirea cuprului din
bucăţi de ţevi ,deoarece acesta este aliat cu alte
metale pentru a-i mări rezistenţa mecanică şi
rezistenta la coroziune. În funcţie de compoziţia
acestor aliaje de cupru tensiunea pe element ar
putea scădea chiar la jumătate , lucru total
nedorit .
Grosimea nu trebuie să fie prea mare (se
recomandă să fie de max. 1mm ) ,deoarece
acesta nu se consumă în timpul reacţiilor redox
aşa cum se consumă electrodul de zinc.
Fig. 6 Electrozi de cupru
Legăturile electrice dintre electrozii de cupru şi zinc aflaţi în celulele învecinate
se realizează cu şuruburi având Ø3 mm (ideal ar fi ca acestea să fie din cupru
sau bronz ).
Fig. 7 Electrozilor de cupru şi zinc care se vor monta în celulele galvanice
Fig. 8 Detaliu de montare al electrozilor de Cu/Zn
3. FUNCŢIONAREA SURSEI DE TENSIUNE
3.1 Schema stabilizatorului
Schema stabilizatorului cuprinde ca element principal circuitul stabilizator
7405 , condensatorul C1 , rezistorul R2 si LED-ul D1. Stabilizatorul oferă la
ieşire o tensiune de 5 Vcc constantă care poate fi folosită pentru alimentarea
telefoanelor mobile sau a altor aparate şi dispozitive electronice .
Fig.9 Schemele de principiu şi de cablaj ale stabilizatorului
3.2 Prezentarea bateriilor de pile voltaice
Fig. 10 Legarea în serie a celor două baterii de pile voltaice
Vom arăta în capitolul următor că fiecare baterie de pile voltaice debitează la
borne , în funcţie de electrolitul folosit , o tensiune de max. :
E= 6x 1,1 V=6,6 V
Prin legarea în serie a celor două baterii vom obţine :
Etotal = 6x2=13.2 V
Această tensiune se aplică între borna +12V şi 0V a sursei stabilizate , iar
tensiunea de 5Vcc se obţine între borna de 0V şi +5V.
Fig. 11 Realizarea instalaţiei
4. CONCLUZII , OBSERVAŢII ŞI RECOMANDĂRI
Am testat bateriile cu mai mulţi electroliţi dintre care : apă , zeamă de
lămâi , zeamă de portocale , zeamă de cartofi , Coca – Cola şi Fanta . Rezultatele
le puteţi vedea în diagramele din figurile 12, 13 şi 14.
Perioada de timp în care s-au realizat măsurătorile a fost de cca 10 ore .
Bateriile vor furniza electricitate până la corodarea totală a electrodului de zinc
sau până la evaporarea electrolitului , însă nu la parametrii din primele ore.
Puteţi observa diferenţa dintre zeama de portocale şi Fanta care ar trebui
să însemne acelaşi lucru .Asta înseamnă că putem construi pe acest principiu un
dispozitiv care să deosebească sucul de portocale autentic , de cel reprodus.
Fig. 12 Energia pilei în funcţie de electrolit într-o perioadă de cca 8 ore
Fig. 13 Parametrii electrici ai pilei în funcţie de electrolit
Fig. 14 Puterea pilei în funcţie de electrolit
Vom analiza şi comportamentul altor electroliţi în speranţa de a obţine
tensiuni şi curenţi cât mai mari pentru o perioadă cât mai mare de timp . De
asemeni avem în vedere realizarea unei pile cu suprafeţe mult mai mari a
electrozilor (creşte curentul !) şi cu o distanţă mai mare între aceştia , astfel
încât să putem obţine acei 1,1 V mult doriţi.
Noi , din cauza carcasei din polietilenă pe care am recuperat-o de la un
acumulator cu plumb 12V/6Ah , nu am putut mari distanţa dintre electrodul de
cupru şi zinc aflaţi într-o celulă de aceea nici nu am obţinut o tensiune mai
mare de 0.8 V pe celulă .
Recomandăm cositorirea electrozilor de cupru şi zinc care se înseriază ,
pentru a avea un contact electric cât mai bun ,micşorând astfel pierderile de
tensiune pe rezistenţele de contact.
Am folosit şurubele din oţel Ø3 cu lungimea de 10mm , care rugineau
foarte repede , dacă puneam electrolitul până la nivelul lor.
Aceste baterii de pile din zinc-cupru şi aproape orice fel de electrolit care
se găseşte foarte uşor oriunde şi oricând în natură (oţet , vin , bere , etc , deci
tot ce conţine apă ) , au avantajul că pot fi puse în exploatare imediat ce sunt
umplute cu lichid , iar apoi dacă nu mai este nevoie de ele , pot fi golite şi
conservate până la o nouă utilizare .
Are dezavantajul că nu poate fi folosită decât staţionar şi oferă curenţi
mici la ieşire .
Prin realizarea acestei surse am înţeles cu toţii cât de importante sunt
aceste metale zincul şi cuprul , dar şi altele cum ar fi litiul , pentru industria
energetică şi deci pentru economia unei ţări .
5. PILA KARPEN
5.1 Nicolae Vasilescu – Karpen. Scurtă biografie.
S-a născut la Craiova pe data de 28 noiembrie 1870.
Aici urmează Colegiul „Carol I” şi se dovedeşte a fi un elev
eminent.Îşi continuă pregătirea la Şcoala Naţională de Poduri şi
Şosele din Bucureşti pe care o absolvă în 1891 ca şef de promoţie,
la aproape 21 de ani.
Lucrează timp de 3 ani ca inginer la Serviciul de Lucrări Publice,
apoi pleacă la Paris unde frecventează Şcoala Superioară de
Electricitate pe care o absolvă în anul 1900, în paralel cu aceasta,
tot la Paris, şi cursurile Universităţii, Facultatea de Ştiinţe, care îl
licenţiază în 1902 în specialităţile fizică, mecanică şi matematică.
În 1904 obţine titlul de doctor în fizică cu teza „Recherches sur l’effect
magnétique des corps électrisés en mouvement”, susţinută la Sorbona. În acelaşi
an devine profesor al Universităţii din Lille la catedra de Electrotehnică.
Un an mai târziu, în 1905 se reîntoarce în ţară şi inaugurează cursul de
Electricitate şi Electrotehnică la Şcoala Naţională de Poduri şi Şosele din
Bucureşti. Face studii şi proiecte pentru ca această şcoală să fie transformată în
Şcoală Politehnică. Este rector al acestei instituţii universitare timp de 20 de ani,
până în 1940. La data de 5 iunie 1919 – devine membru corespondent al
Academiei Române pentru ca pe 6 iunie 1923 să devină membru titular şi
membru de onoare al Société française des électriciens. În anul 1941 i se acordă
titlul de doctor honoris causa al Politehnicii bucureştene. Pe 2 martie 1964, la
Bucureşti, savantul se stinge lăsând în urma sa o vastă operă ştiinţifică, şi astăzi
exploatată fără a fi însă recunoscută.
5.2 Pila Karpen
În literatura de specialitate pila Karpen se întâlneşte
(foarte rar) şi sub denumirea de pila K sau pila VK.
Această pilă, spun „specialiştii”, este o pilă de
concentraţie, în pofida faptului că inventatorul a
denumit-o „pilă termoelectrică cu temperatură
uniformă”.
Spre deosebire de ceea ce se numeşte pila de
concentraţie ce are două vase cu electrolit de
concentraţii diferite, pila Karpen este alcătuită din două
pile legate în serie. Acestea alimentează un motoraş ce acţionează un
microîntrerupător, astfel ca la jumătate de rotaţie a rotorului circuitul este
deschis şi la cealaltă jumătate este închis. Astfel motoraşul este alimentat în
impulsuri cu factor de umplere ½, pe perioada a jumătate de rotaţie, cealaltă
jumătate permiţând pilei să se regenereze, să reîncarce energia consumată.
Şi treaba asta o face de peste 60 de ani.
BIBLIOGRAFIE
1. C.D. Neniţescu Chimie anorganicã, vol.1 şi 2, ed. VIII-a, Editura Didactica si
Pedagogica, Bucureşti 1973
2. Carjali Erol, Pomazan Valentina, Peride Niculae, Proiectarea în ingineria
mecanicã ;
3. Omura George, Mastering AutoCAD 2005 and AutoCAD LT 2005, Sybex
Inc.2004;
5.Documentatii pentru :NI Multisim, Cadence (ORCAD), Eagle PCB and
Schematic,
6.http://www.mase-plastice.ro/dictionar/p/ps.html