Derfor starter din bilmotor: Der er relativistiske effekter på spil

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".

Dokumentation

Relativity and the lead-acid battery (artikel i Phys. Rev. Lett.)
Blybatterier (Wikipedia)

sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

startermotoren ville heller ikke virke uden relativitet der ved elektronernes bevægelse ændrer balancen mellem protoner og elektroner i kobberet så der kommer en bredside af elektrisk kraft.

  • 0
  • 0

Det er ret interessant at atomvægten har denne betydning.

Mon det også forklarer kviksølvbatteriers kapacitet (400Wh/l så vidt jeg husker ?)

Poul-Henning

  • 0
  • 0

Henrik Pedersens link, som han henviser til ovenfor, er ganske rigtig til arxiv.org-udgaven af artiklen i Phys. Rev. Lett., som er udgangspunkt for min artikel.

Jeg havde ikke set Henriks indlæg den 14. januar, som var anført som en kommentar til anden ing.dk-artikel før nu, men ros til Henrik for at være først med henvisningen på ing.dk.

  • 0
  • 0

Ligesom tin, har samme egenskaber som bly - men bly er tungest - så skulle man tro, at vi kunne finde materialer, der var ligeså effektive som lithium, men med større atomnummer.

  • 0
  • 0

"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 6."

Trykfejl, skulle selvfølgelig have stået gruppe 4.

Men hvis vi tager udgangspunkt i blys placering i det periodiske system, så bevirker de relativistiske effekter (så vidt jeg kan se) at bly som det eneste grundstof i 4. hovedgruppe har +2 som sit foretrukne oxidationstrin mens alle de øvrige grundstoffer fra 4. hovedgruppe hyppigst optræder med oxidationstrin +4. Som følge deraf er der relativt meget fri energi (og dermed en stor elektromotorisk kraft) tilgængelig i cellereaktionen: bly + bly(IV)oxid + 2 x svovlsyre -> 2 x bly(II)sulfat + 2 x vand, hvor bly i oxidationstrin 0 og +4 erstattes af 2 x bly i det foretrukne oxidationstrin +2.

Umiddelbart fandt jeg det dog ret utroligt at relativistiske effekter skulle kunne påvirke blys kemi så meget. Ganske vist bevæger de inderste elektroner (i 1s-orbitalen) i bly sig med relativistiske hastigheder (ca. 60 % af lysets), men ude i 6s- og 6p- orbitalerne, hvor valenselektronernes befinder sig er middelhastighederne kun nogle få procent af lysets, og relativistiske effekter burde derfor umiddelbart ikke have meget at sige. Men kvantefysikken fortæller os også at der er en ikke ikke forsvindende sandsynlighed for at disse valenselektroner kortvarigt kan befinde sig meget tæt på atomkernen, hvorved de oplever den fulde kerneladning på +82e og dermed den fulde relativistiske effekt. Dette gælder i særdeleshed for s-elektroner, da de ikke har noget baneimpulsmoment og dermed ikke mærker nogen "centrifugalbarrier". Som følge heraf oplever 6s-elektronerne i bly et langt større relativistisk skift i energi (de bliver kraftigere bundet) end 6p-elektronerne. Det er dermed relativt let at lave divalente blyforbindelser (oxidationstrin 2), da de kun involverer de to løst bundne 6p elektroner, mens tetravalente forbindelser (oxidationstrin 4) også involverer de fastere bundne 6s-elektroner, og derfor ikke er helt så favorable energimæssigt.

Ovenstående forsøg på at forstå effekten i så simple termer som overhovedet muligt er inspireret af tidligere kurser i uorganisk kemi og atomfysik ved Århus Universitet, men står overvejende for egen regning, så hvis der blandt læserne er en ekspert i "relativistiske effekter" må vedkommende meget gerne korrigere mig.

  • 0
  • 0

hedder fænomenet og det gør sig også gældende for Thallium (atomnr 81), som med stor sandsynlighed vil opføre sig som bly mht akkumulatoregenskaber. Problemet er nok snarere at Thallium er dyrere og sindssygt giftigt og ikke har den umiddelbare anvendelse til dette formål.

  • 0
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten