Derfor starter din bilmotor: Der er relativistiske effekter på spil
Hvis man ser bort fra relativistiske effekter ville et 12 volt blybatteri i en bil kun levere en spændingsforskel på ca. 2 volt - og bilen vil ikke starte, når tændingsnøglen drejes.
Relativistiske effekter ses hver dag på motorvejen - også selv om trafikken går i stå, og hastigheden er nul. Relativitetsteorien forklarer nemlig, hvorfor et blybatteri fungerer, som det gør. Blybatteriet blev opfundet i 1859 af den franske fysiker Gaston Planté og lægger beslag på omkring tre fjerdedele af verdens blyproduktion. Det udgør en omsætning på mere end 160 mia. kroner.
Læs også
Læs mere om
Dokumentation
Hver gang du starter din bil, har du fornøjelsen af relativistiske effekter, som Albert Einstein forklarede for mere end 100 år siden.
Det viser en ny analyse af de kemiske reaktioner i blybatterier, som Pekka Pyykkö fra universitet i Helsinki i Finland har foretaget sammen med bl.a. Rejeev Ahuja fra Uppsala Universitet i Sverige.
Umiddelbart skulle man tro, at der ikke var megen relevant forskning, der kunne foretages omkring blybatterier i dag.
Et blybatteri består af to elektroder af henholdsvis bly (Pb) og blydioxid (PbO2) samt en elektrolyt bestående af svovlsyre (H2SO4).
Bly-elektroden frigiver kort fortalt elektroner til elektrolytten. Ved blydioxid-elektroden indfanges elektronerne igen - en mere detaljeret forklaring findes under 'dokumentation'.
De kemiske reaktioner giver anledning til en spændingsforskel på 2,1 volt mellem de to elektroder i en enkelt celle. Et bilbatteri består af seks forbundne celler for at opnå 12 volt.
Første analyse helt fra bunden
Teoretiske modeller for blybatteriet har været kendt længe, men Pyykkö og Ahuja er de første, som har lavet en analyse baseret på de grundlæggende fysiske principper.
Bly er et af de tungere grundstoffer – nummer 82 i det periodiske system.
Elektroner i tunge atomer føler en stærkere tiltrækning til atomkernen med stor positiv ladning end i lette atomer.
Det bevirker, at elektronerne i tunge atomer bevæger sig i baner, der er tættere ved atomkernen end i lette atomer.
For at modvirke dette, må elektronerne øge deres fart for at opretholde det samme inertimoment. Det er af samme årsag, at en skøjteprinsesse snurrer hurtigere rundt, når hun holder armene ind til kroppen.
Relativitetsteorien forklarer desuden, at objekter, der bevæger sig meget hurtigt, opfører sig som om, at de er tungere, end hvis de var i hvile. Derved har de yderligere en tendens til at 'falde' ind mod kernen og blive tættere bundet til atomkernen.
Det gør det vanskelige for bly at frigive en elektron og gør umiddelbart batteriet dårligere, end den klassiske teori forklarer.
Men effekten mere end modsvares af, at samme effekt bevirker, at blydioxid meget lettere indfanger elektroner. Samlet set viser de detaljerede beregninger, at 1,7 – 1,8 volt af spændingsforskellen på 2,1 volt i et blybatteri skyldes relativistiske effekter.
Tin opfører sig som bly uden relativistiske effekter
Analysen forklarer også, hvorfor man ikke kan lave et effektivt tin-batteri til trods for, at tin og bly er placeret i samme gruppe i det periodiske system - gruppe 4.
Den afgørende forskel ud fra en batterisynsvinkel er, at tin er et lettere (grundstof nr. 50). Det betyder, at elektronerne har lavere fart end i et blyatom, og de relativistiske effekter ingen betydning har.
Ifølge de nye beregninger vil et tinbatteri derfor være et blybatteri uden de relativistiske effekter.
Pyykkö og Ahuja forventer ikke, at deres analyse vil give anledning til forbedringer af blybatteriet, men de skriver i deres artikel, at den måske kan vise sig nyttig til at udforske alternativer.
Og så slutter de artiklen af med disse ord: ”Finally, we note that cars start due to relativity”.
