Előzetes mérési tapasztalat: A mérés a feszültségmérő és azt áramerősség mérő szenzor használatában szerzett jártasságot igényel, továbbá hasznos a hasonló témájú, hagyományos eszközzel végzett kísérlet is. szükséges előzetes kísérlet: A DT 005 jelű áramerősség mérő szenzor használatának megismerése egyszerű kísérleteken keresztül. A DT 019 jelű feszültségmérő szenzor használatának megismerése egyszerű kísérleteken keresztül. Az akkumulátor szenzorral végzett megfigyelésének célkitűzése: Ezen kísérlet során a diákok egy ólomakkumulátor cellát fognak építeni, amelyet egyenáramú áramforráshoz csatlakoztatva fel is töltenek majd. Az akkumulátor feszültségének méréséhez számítógéphez csatlakoztatott szenzort fognak használni. A feltöltött akkumulátor cella segítségével egy fényforrást is működésbe hoznak a diákok, így a cella lemerülésének folyamatát is megfigyelhetik. A mérést Öveges József eredeti kísérleti terve alapján valósítjuk meg, az ő magyarázatát nyomon követve, de kiegészítve a modern technika lehetőségeivel. A kísérlet célja, hogy alkalmat teremtsen a diákoknak, hogy a motivációs videófilmen keresztül megismerjék Öveges professzor sajátos stílusát, kézírását, jegyzetének ábráit, kísérletei felépítésének gondolatmenetét. Eszközszükséglet: 2 db zsebtelep 4,5 V-os elem 4 krokodilcsipesz DT 019 jelű feszültségszenzor, laptop, MultiLab szoftver áramkör kialakításához alkalmas kapcsolótábla DT005 jelű áramerősség mérő szenzor Balesetvédelem Az emberi test vezeti az áramot. A mérés, megfigyelés elméleti háttere Savas ólomakkumulátor: az egyik legelterjedtebb akkumulátor típus. Szinte kizárólag ezt alkalmazzák gépkocsik indító áramforrásaként. Használják targoncákban, biztonsági rendszerek áramforrásaként, stb. 1. oldal
Tulajdonságai: Az akkumulátor szenzoros vizsgálata Feszültsége: kereken 2 volt (cellánként). Belső ellenállása 0,01 ohm. Elektrolit: hígított (kb. 20%-os) kénsav. Anód: ólom (feltöltött állapotban) Katód: ólom-dioxid (PbO2 (feltöltött állapotban) Kisülésekor mindkét elektródája ólom-szulfáttá alakul. A teljes vegyi folyamat: Pb + PbO2(s) + 2H2SO4 <-> 2PbSO4 + 2H2O Töltéskor lejátszódó folyamatok: Kisütéskor lejátszódó folyamatok: az anódon az anódon PbSO4 + 2e- -> Pb + SO4 2- PbO2(s) + 4H+ SO42- + 2e- -> PbSO4 + 2H2O a katódon a katódon PbSO4 + 2H2O -> PbO2(s) + 4H+ SO4-2 + 2e- Pb(s) + SO42- -> PbSO4 + 2e- Rendkívüli elterjedtsége viszonylagos olcsóságának, továbbá kis belső ellenállásának köszönhető. Az utóbbi teszi lehetővé azt, hogy a töltő és kisütő feszültség között ne legyen túl nagy különbség, így üzem közben is tölthető, a fogyasztók nem károsodnak. Ez teszi lehetővé a nagy kisütő áramot is (gépkocsik indításkor ez 100 A nagyságrendű). Élettartama körülbelül 500 töltési ciklus. Az akkumulátor egyik legfontosabb jellemzője a kapacitás (nem tévesztendő össze a kondenzátor kapacitásával, amelynek a dimenziója is egészen más!), amely megadja, mennyi elektromos töltést képes az akkumulátor tárolni. (Elektromos töltés: ha egy vezető kiszemelt keresztmetszetén I áram folyik t időn keresztül, akkor a keresztmetszeten Q = I t töltés halad át.) Az akkumulátorok kapacitását (praktikus okokból) az 1 amperóra (1Ah) gyakorlati (nem SI) egységben szokták megadni. 2. oldal
(Pl. egy teljesen feltöltött, 10 Ah kapacitású akkumulátor 2A áramot 5 órán keresztül képes szolgáltatni. A túl nagy áram azonban tönkreteheti az akkumulátort, ezért ökölszabályként, típustól függően- a töltőáramot annyi amperre kell korlátozni, amennyi a kapacitás Ah ban mért számértékének tizedrésze, a kisütő áram (A ben) kb. a kapacitás Ah ban mért számértékének legfeljebb néhányszorosa lehet.) Problémát okoz a 2,39 volt cellafeszültség fölött jelentkező vízbontás, ami robbanásveszélyes "durranógáz" (hidrogén - oxigén elegy) keletkezését okozza. Az 1970-es évektől megjelentek a zárt kivitelű (gondozásmentes) akkumulátorok, amelyekben megfelelő katalizátor alakítja vissza vízzé az említett gázelegyet. Problémát okoz újrafeldolgozása is, mérgező nehézfém (ólom) tartalma miatt. A kísérlethez kapcsolódó megfigyelések, számítások leírása Az Öveges József által javasolt kísérleteket végezzük el, kiegészítve a modern technika mérési lehetőségeivel. 1. feladat Kénsavas vízbe helyezzünk két ólomlemezt. A lemezekhez kapcsoljunk egy zseblámpaizzót. A lámpa nem izzik, mert a folyadékba két azonos fém merül, és ez nem elem. 2. feladat Vezessük most át néhány percig a lemezeken és a folyadékon egy zsebelem áramát. Állítsuk össze a fotón látható áramkört. Indítsuk el a multilab4 szoftvert, a mérés időtartama legyen 3:20 másodperc, a mintavételezés gyakorisága: 10 minta /másodperc. 3. oldal
Áramerősség mérővel mérd a körben folyó áramot, Az akkumulátor szenzoros vizsgálata Figyeld közben az oldatot? Mit látsz?... Mi a magyarázat?... mekkora a kiindulási érték?... mi történik közben?... mekkora a végérték?... Vázold a grafikont!... 3. feladat Azután kapcsoljuk ki a zsebelemet, és iktassuk helyébe a zsebizzót. A lámpa világít. Ha megfigyeljük, hogy mennyi ideig ad áramot, azt találjuk, hogy majdnem annyi áramot nyerünk vissza, mint amennyit keresztülvezettünk rajta 4. oldal
Hajtsuk végre Öveges Professzor javaslatát, majd indítsuk el a számítógépes mérési adatgyűjtést a 2.feladatbeli beállításokkal. Mi történik az áramerősséggel?... Mi történik az izzóval?... Figyeljétek a grafikont és az izzót is, jegyezzétek fel hogy hányadik másodpercben halványult el teljesen az izzó?... Érdekességek: Öveges József professzor úr a következőket írta az akkumulátorokról: Az ólomakkumulátor. A világítási hálózat árama nem mindenütt áll rendelkezésre, ha például járműveket kell világítani, robbanómotorokat beindítani, lakott helyektől távol rádiókészüléket működtetni. Működésének magyarázata. Az ólomlemezek felülete a levegőn ólom-oxiddá oxidálódik (PbO). Miközben áramot vezetünk át a készüléken, azaz "töltjük" az akkumulátort, az áram hidrogénre és oxigénre bontja fel a vizet. A hidrogén a töltőelem negatív sarkával összekötött ólomlemezen válik ki, a pozitív sarkokkal összekötött ólomlemezre pedig oxigén rakódik. Az akkumulátor működésének magyarázata. a) Kezdetben a kénsavas vízbe ólom-oxidréteggel bevont két ólomlemez merül. b) Töltés (áramáthaladás). c) Kisütéskor már két különböző fém merül a kénsavas vízbe 5. oldal
A hidrogén egyesül a PbO-lemez oxigénjével, így a lemez színtiszta ólommá lesz (szürke színű Pb). Ez az akkumulátor negatív sarka. A másik lemezen kiváló oxigén pedig egyesül az ólom-oxid lemezzel (PbO + O = PbO barna színű ólomdioxidbevonat keletkezik ezen a lemezen. Ez a lemez az akkumulátor pozitív sarka. Végül tehát a kénsavas vízbe ólom-dioxid és színólom felületek merülnek. Ez már két különböző fém, elemet alkot, áramot ad. Feszültsége üzem közben kb. 2 volt, és a belévezetett elektromos energia 60-70 %-át visszaszolgáltatja. Az akkumulátor tehát a belé vezetett elektromos energiát kémiai energia alakjában raktározza el. A higított kénsavba merülő ólomlemezek mintegy elraktározzák a rajtuk keresztülvezetett elektromos áramot. Azért az ilyen eszköz neve akkumulátor (accumulare jelentése: összegyűjteni; latin szó). A kénsavas vízbe merülő két ólomlemez nem ad áramot. De ha néhány percig zsebelem áramát vezetjük át rajtuk, azután a zsebelem helyére izzólámpát kötünk, a lámpa izzik Ha az ólomakkumulátort a megengedettnél erősebb árammal töltjük vagy sütjük ki, tönkremegy. Ha az ólomakkumulátor hosszabb ideig töltetlenül áll, tönkremegy, mert kemény ólom-szulfát képződik lemezein. Az ismeretek ellenőrzése: 1. Mit jelent az, hogy az akkumulátor pl. 40 amperórás? 2. Mire szolgál a méréshatár kapcsoló? Felhasznált szakirodalom: Dégen Csaba - Póda László Urbán János: Fizika 10. a középiskolák számára (Nemzedékek Tudása Tankönyvkiadó, Budapest, 2014.) http://www.vilaglex.hu/kemia/html/saolakku.htm Öveges József: Tanulságos kísérletek Az ólomakkumulátor című fejezete, Öveges professzor eredeti ábrái. 6. oldal