ELEC-A4920 (3 op) Sähkötekniikan historia ja innovaatiot. 4. luento: Sähkökemian synty. Sähköparisto.

Transkriptio

1 ELEC-A4920 (3 op) Sähkötekniikan historia ja innovaatiot 4. luento: Sähkökemian synty. Sähköparisto.

2 luento päivämäärä aihe Johdanto. Sähkön ja magnetismin varhaishistoria Lasi- ja lakkasähkö Staattisen sähkön aikakausi Sähkökemian synty, sähköparisto Sähkön magneettivaikutus Sähköinen virtapiiri Magneetin sähkövaikutus Sähkömagneettiset kentät ja aallot Sovelluksia: tietoliikenne Sovelluksia: sähkövalo Sovelluksia: sähkövoima Sovelluksia: langaton tiedonsiirto

3 Vielä Benjamin Franklinista kaksiteholasit vapaapalokunta matkamittari kesäaika keinutuoli Golf-virta yhden sähkön teoria kiertoilmauuni ukkosenjohdatin laivojen turvallisuus lasiharmonikka

4 Golf-virta Franklin (1768): Why did it take British packets several weeks longer to reach New York from England than it took an average American merchant ship to reach Newport, Rhode Island, despite the merchant ships leaving from London and having to sail down the River Thames and then the length of the English Channel before they sailed across the Atlantic, while the packets left from Falmouth in Cornwall?

5 Sitten...

6 Leidenin pullo Franklinin kokeet Galvanin mittaukset Coulombin mittaukset Voltan paristo Katariina Suuri vallassa USA:n itsenäisyyssota Ranskan vallankumous Napoleonin aika

7 Luigi Galvani ( ) anatomisti Bolognassa kokeet sammakonjaloilla eläinsähkö!

8 Sähkökalat tunnettuja jo antiikissa voi tuottaa jopa yli 200 voltin jännitteen (marmorisähkörausku) sähköankerias peräti 500 volttia (1 ampeeri) Marmorisähkörausku (Torpedo marmorata) Sähköankerias (Electrophorus electricus)

9 Galvanin kolme koetta

10

11

12

13 (v. 1791)

14 Sammakonjalan hermon kynnysjännite 30 mv Fe Cu kosketusjännite 450 mv Vaurioituneeseen lihakseen syntyy biosähköinen potentiaali 50 mv (Nobili 1828, Matteucci 1830)

15 Giovanni Aldini ( ) Galvanin sisarenpoika Mary Shelley: Frankenstein, or the Modern Prometheus (1818)

16 Alessandro Volta ( )

17 Voltan elektrofori

18 tiivistäjäelektroskooppi

19 Galvani Volta

20 Sähkörauskukalat (torpediniformes)

21 Volta: eläinsähkö liitossähkö (metallisähkö) mutta: Giovanni Fabroni ( ): pelkkä metalli ei riitä, tarvitaan nestettä

22 Franz Anton Mesmer ( ) (hypnoosi)

23 (Mozart: Cosi fan tutte) DESPINA Questo è quel pezzo Di calamita: Pietra mesmerica, Ch'ebbe l'origine Nell'Alemagna, Che poi sì celebre Là in Francia fu. DESPINA E DON ALFONSO In poch'ore, lo vedrete, Per virtù del magnetismo Finirà quel parossismo, Torneranno al primo umor. DESPINA This is A piece of magnet, The stone which the great Doctor Mesmer discovered In Germany And then became So famous in France. DESPINA AND DON ALFONSO Very soon now you'll see, By virtue of magnetism's power, The end of this paroxysm, And they'll be as they were before.

24 Volta & Napoleon todenmukainen kuva?

25 Volta urallaan: 1794 Copley-mitali (elektroforin keksimisestä) 1801 kreivi 1810 Lombardian senaattori

26 kysymyksiä 1. Mitä kreikan kielen sana elektron tarkoittaa? 2. Mistä sähkö -sana suomen kielessä tulee? 3. Mikä on Pyhän Elmon tuli? 4. Milloin Gilbert julkaisi De Magnete -kirjansa? 5. Kuka keksi sähkön johtumisen? 6. Kuka esitti/keksi kahden sähkön teorian? 7. Kuka yhden sähkön teorian? 8. Lasi- ja lakkasähkö: kumpi +, kumpi? 9. Milloin Leidenin pullo keksittiin? 10. Minä vuonna Suomeen (Suomen alueelle) perustettiin ensimmäinen yliopisto?

27 Galvaaninen sarja hapettuvat helpommin yhdisteitä voi pelkistää

28 sinkkielektrodi (anodi) luovuttaa ioneja Zn ++ kuparielektrodilla (katodi) elektronit yhtyvät kupari-ioneihin sinkkielektrodilla negatiivinen varaus, smv 0,77 V osmoottinen paine: vetyionit kuparielektrodille (katodille) kuparielektrodilla positiivinen varaus, smv 0,33 V tasapainotilassa parin smv = 0,33 + 0,77 = 1,1 V kun elektrodit yhdistetään, virta kulkee, sinkkiä liukenee happoon, -> sinkkisulfaattia ZnSO 4 + 2H + haittana vetykaasun kertyminen kuparielektrodin pinnalle (polarisoituminen) rikkihappoa

29 Sähkön luonne: hankausgeneraattori / Voltan patsas Intensiteettisähkö (staattinen sähkö): kipinät, hankaussähkö (jännite) Kvantiteettisähkö (galvaaninen sähkö): johtimen lämpeneminen (virta)

30 Paristot couronne des tasses intensiteettiparisto kvantiteettiparisto William Cruickshank

31 Daniellin sähköpareja (1836) Cruickshankin kaukaloparisto (trough battery) (1801)

32 Vasili Petrov ( ) Pietari 1802 paristossa 2100 elementtiä, 1700 V valokaari!

33 Sähkökemia Cavendish: happi + vety -> vesi? vety: puhdasta flogistonia? deflogistoitunut ilma William Nicolson ja Johann Wilhelm Ritter (1800): elektrolyysillä vesi hapeksi ja vedyksi anodi katodi

34 Humphry Davy ( ) Royal Institutionin johtaja alkuaineita elektrolyysin avulla: kalium, natrium (suoloista); eristi myös barium, kalsium, strontium, magnesium, boori, pii, kloori kaivosmiehen lamppu paras keksintö?

35 Royal Institution kaukaloa 10 elementtiä, 16 neliötuumaa

36 Polarisoituminen ongelmana parempia paristoja John Frederic Daniell (1836) anodi! (vaikka onkin miinus napa) ACID Anode Current into Device

37 toinen ratkaisu nesteiden erillään pitämiseen (ja polarisoitumiseen) huokoinen seinä CuSO 4 ZnSO 4

38 Gravity cell 1860 Callaud crowfoot cell

39 Georges Leclanché (1866) hiilikatodi + mangaanidioksidi huokoisessa säiliössä; sinkkianodi, ammoniumkloridi elektrolyyttinä kuivapari (1890-luku) (elektrolyytti hyytelö imee vetykaasun) salmiakki

40 Elohopeaparisto

41 Varaava paristo (akku) Gaston Planté ( ) lyijylevyakku 1859 rikkihappo täysi + - tyhjä

42 Thomas Alva Edison 1899: nikkeli rauta-akku Waldemar Jungner 1899: nikkeli kadmium alkalielektrolyytti NiH 2 -paristo avaruussovellutuksiin 1970 pitkä ikä, jopa latauskertaa Hubble Space Telescope alkaliparisto: sinkki mangaanidioksidi elektrolyyttinä kaliumhydroksidi nikkelimetallihydridiakku 1970 Litium- ja litium-ioniparisto markkinoille 1990

43 Litiumioniakku Postiiivinen elektrodi: purkautuessa katodi, varatessa anodi Anodi usein hiilipohjainen Katodi litiumoksidista + lisäaineista (IEEE Spectrum, Vol. 35, No. 11, s.24)

44

45

46 Litium ioni-akku: Boeing 787 Dreamliner komposiittimateriaalit CFRP energiatehokas lentokielto tammikuu 2013! huhtikuussa 2013 takaisin liikenteeseen Pekingin lentokentällä elokuussa 2014: matkatavarat: max 180Wh (Li-akku)

47 Polttokenno Sir William Robert Grove (1839): gaseous voltaic battery HYDRA, maailman ensimmäinen polttokennoalus (2000)

48 Polttokenno (IEEE Spectrum, Vol. 35, No. 11, s. 35)

49 Frano Barbir: PEM Fuel Cells, Elsevier 2005

50 Elektrolyysi ja galvanointi kultaus, hopeointi, nikkelöinti (Ni, Sn, Zn, korroosionesto)

51 katodilla ionit pelkistyvät Hopeointi

52 Bagdadin paristo Bagdadin museossa Irakissa: sähköpari? Wilhelm König (1938) Parthian valtakunnan ajalta (250 ekr 250 jkr), ehkä myöhempi (sassanidit) Sitruunahapon avulla toimii sähköparina

53 Moritz Hermann von Jacobi ( ) Pietarin Iisakin kirkko