Батарейки: история создания и развития. История создания первых аккумуляторов Создатель первой батарейки 6 букв
Электрическая батарея, или наиболее распространенный в быту термин «батарейка» – это один из самых широко применяемых источников электроэнергии в современном мире. Используются они в электропбриборах.
Электрическая батарейка очень удобна в применении, так как она позволяет вырабатывать электрический ток где угодно и когда угодно. Электрическая батарея питает различные электроприборы, карманные фонарики, будильники, часы, фотоаппараты и многое другое. Однако срок действия батареи не велик, поскольку химические компоненты, которые она содержит, постепенно расходуются.
Электрические батареи бывают разных форм, мощностей и размеров: от булавочной головки до нескольких сотен квадратных метров. В энергосистемах встречаются весьма мощные свинцовые и никель-кадмиевые аккумуляторные батареи, используемые в качестве резервных источников электропитания или для выравнивания электрических нагрузок.
Самая крупная такая батарея была принята в эксплуатацию в 2003 году в Фэрбенксе (Fairbanks, Аляска, США); она состоит из 13 760 никель-кадмиевых элементов и присоединена через инвертор и трансформатор к сети напряжением 138 kV. Номинальное напряжение батареи составляет 5230 V и энергоемкость 9 MWh; срок службы элементов – от 20 до 30 лет. 99 % времени она работает в качестве компенсатора реактивной мощности, но может при необходимости в течение трех минут отдавать в сеть мощность в 46 MW (или в течение 15 min мощность 27 MW). Общая масса батареи составляет 1500 t, а ее изготовление обошлось в 35 млн. долларов. В случае чрезвычайной ситуации она сможет снабжать электроэнергией 12-тысячный город в течение 7 минут. Имеются аккумуляторные батареи еще большей аккумулирующей способности; одна такая батарея (энергоемкостью 60 MWh) установлена в качестве резервного источника питания в Калифорнии (California, США) и может отдавать в сеть в течение 6 часов мощность 6 MW.
Когда же появились первые электрические батареи?
Первые батареи появились еще в 250 году до нашей эры. Парфяне, жившие в районе Багдада, изготавливали примитивные аккумуляторы. Глиняный кувшин наполнялся уксусом (электролит), затем помещался медный цилиндр и железный прут, концы которых возвышались над поверхностью. Такие батареи использовались для гальванизации серебра.
Однако до конца 1700-х годов ученые не проводили серьезных экспериментов с выработкой, хранением и передачей электроэнергии. Попытки создать непрерывный и управляемый электрический ток не приводили к успеху.
В 1800 году итальянский физик Алессандро Вольта создал первый современный аккумулятор, который известен под названием столб вольта.
Это устройство представляло собой цилиндр, с помещенными внутрь медными и цинковыми пластинами, окруженными электролитом, состоящим из уксуса и рассола. Пластины были уложены поочередно и не прикасались друг к другу. В результате химической реакции начиналось вырабатываться электричество. Самое главное преимущества его изобретения заключалось в том, что в отличие от предыдущих экспериментов ток в столбе был невысоким и его силой можно было управлять.
Наполеон Бонапарт, которому Вольта представил свое изобретение, был впечатлен изобретение физика и даровал ему титул графа. Кроме того, чтобы подчеркнуть важность этого открытия, в честь Вольта была названа единица электродвижущей силы. Не смотря на то, что изобретение А.Вольта совсем не походило на ту электрическую батарейку, которая нам хорошо известна, принцип ее действия остается до сих пор тем же.
Школьная научно – практическая конференция
молодежи и школьников
«Поиск. Наука. Открытие.»
города Новочебоксарска
Николаев Александр
ученик 5А класса МОУ «СОШ № 13»
города Новочебоксарска
Научный руководитель:
Комиссарова Наталья Ивановна,
учитель физики МОУ «СОШ № 13»
г. Новочебоксарск, 2011 год
2. История создания батарейки…..…………………………………………………… 3-5
3. Устройство батарейки.. ……………………………………………………………… 5
4. Эксперимент…………………………………………………………………………… 5
5. Об использовании фруктов и овощей для получения электричества. ................ 7
6. Выводы…………………………………………………………………………………... 8
7. Использованная литература………………………………………………………….. 8
Введение
Наша работа посвящена необычным источникам энергии.
В окружающем нас мире очень важную роль играют химические источники тока. Они используются в мобильных телефонах и космических кораблях, в крылатых ракетах и ноутбуках, в автомобилях, фонариках и обыкновенных игрушках. Мы каждый день сталкиваемся с батарейками, аккумуляторами, топливными элементами .
Впервые о нетрадиционном использовании фруктов мы прочитали в книге Николая Носова. По замыслу писателя, Коротышки Винтик и Шпунтик, жившие в Цветочном городе, создали автомобиль, работающий на газировке с сиропом. И тогда мы подумали, а вдруг овощи и фрукты хранят еще какие-нибудь секреты. В результате нам захотелось узнать как можно больше о необычных свойствах овощей и фруктов.
Целью нашей работы является исследование электрических свойств фруктов и овощей.
Перед собой мы поставили следующие задачи :
1 Познакомиться с устройством батарейки и его изобретателями.
2.Узнать, какие процессы протекают внутри батарейки.
3.Экспериментально определить напряжение внутри «вкусной» батарейки и силу тока создаваемую ею.
4. Собрать цепь, состоящую из нескольких таких батареек и постараться зажечь лампочку.
5. Узнать, используются ли овощные и фруктовые батарейки на практике.
История создания батарейки
Первый химический источник электрического тока был изобретен случайно, в конце 17 века итальянским ученым Луиджи Гальвани. На самом деле целью изысканий Гальвани был совсем не поиск новых источников энергии, а исследование реакции подопытных животных на разные внешние воздействия. В частности, явление возникновения и протекания тока было обнаружено при присоединении полосок из двух разных металлов к мышце лягушачьей лапки. Теоретическое объяснение наблюдаемому процессу Гальвани дал неверное.
Опыты Гальвани стали основой исследований другого итальянского ученого - Алессандро Вольта. Он сформулировал главную идею изобретения. Причиной возникновения электрического тока является химическая реакция, в которой принимают участие пластинки металлов. Для подтверждения своей теории Вольта создал нехитрое устройство. Оно состояло из цинковой и медной пластин погруженных в емкость с соляным раствором. В результате цинковая пластина (катод) начинала растворяться, а на медной стали (аноде) появлялись пузырьки газа. Вольта предположил и доказал, что по проволоке протекает электрический ток. Несколько позже ученый собрал целую батарею из последовательно соединенных элементов, благодаря чему удалось существенно увеличить выходное напряжение.
Именно это устройство стало первым в мире элементом питания и прародителем современных батарей. А батарейки в честь Луиджи Гальвани называют теперь гальваническими элементами.
Всего через год после этого, в 1803 году, русский физик Василий Петров для демонстрации электрической дуги собрал самую мощную химическую батарею, состоящую из 4200 медных и цинковых электродов. Выходное напряжение этого монстра достигало 2500 вольт. Впрочем, ничего принципиально нового в этом «вольтовом столбе» не было.
В 1836 году английский химик Джон Дэниель усовершенствовал элемент Вольта, поместив цинковый и медный электроды в раствор серной кислоты. Эта конструкция стала называться «элементом Даниэля».
В 1859 году французский физик Гастон Плантэ изобрёл свинцово-кислотный аккумулятор. Этот тип элемента и по сей день используется в автомобильных аккумуляторах.
Начало промышленного производства первичных химических источников тока было заложено в 1865 г. французом Ж. Л. Лекланше, предложившим марганцево-цинковый элемент с солевым электролитом.
В 1890 году в Нью-Йорке Конрад Губерт, иммигрант из России, создаёт первый карманный электрический фонарик. А уже в 1896 году компания National Carbon приступает к массовому производству первых в мире сухих элементов Лекланше «Columbia». Самый долгоживущий гальванический элемент - серно-цинковая батарея, изготовленная в Лондоне в 1840 г.
До 1940 г. марганцево-цинковый солевой элемент был практически единственным используемым химическим источником тока.
Несмотря на появление в дальнейшем других первичных источников тока с более высокими характеристиками, марганцево-цинковый солевой элемент используется в очень широких масштабах, в значительной мере благодаря его относительно невысокой цене.
В современных химических источниках тока используются:
в качестве восстановителя (на аноде) - свинец Pb, кадмий Cd, цинк Zn и другие металлы;
в качестве окислителя (на катоде) - оксид свинца(IV) PbO2, гидроксооксид никеля NiOOH, оксид марганца(IV) MnO2 и другие;
в качестве электролита - растворы щелочей, кислот или солей.
Устройство батарейки
Современные гальванические элементы внешне имеют мало общего с устройством, созданным Алессандро Вольта, однако базовый принцип остался неизменным. Батарейки производят и сохраняют электричество. Внутри сухого элемента, питающего прибор, есть три главные части. Это отрицательный электрод (-), положительный электрод (+) и находящийся между ними электролит, представляющий собой смесь химических веществ. Химические реакции заставляют электроны течь от отрицательного электрода через прибор, а затем назад, к положительному электроду. Благодаря этому прибор и работает. По мере того как химикалии расходуются, батарейка садится.
Корпус батарейки, который делают из цинка, снаружи может быть покрыт картоном или пластиком. Внутри корпуса находятся химикалии в виде пасты, а у некоторых батареек посредине есть угольный стержень. Если мощность батарейки падает, это значит, что химикалии израсходованы и батарейка больше не в состоянии производить электричество.
Перезарядка таких батарей невозможна или очень нерациональна (к примеру, для зарядки некоторых типов батарей придется потратить в десятки раз больше энергии, чем они могут сохранить, а другие виды могут накопить только малую часть своего первоначального заряда). После этого батарею останется только выкинуть в мусорный ящик
Большинство современных аккумуляторных батарей были разработаны уже в 20-ом веке в лабораториях крупных компаний или университетов.
Экспериментальная часть
Ученые утверждают, что если у вас дома отключат электричество, вы сможете некоторое время освещать свой дом при помощи лимонов. Ведь в любом фрукте и овоще есть электричество, поскольку они заряжают нас, людей, энергией при их употреблении.
Но мы не привыкли верить всем на слово, поэтому решили проверить это на опыте. Итак, для создания «вкусной» батарейки мы взяли:
лимон, яблоко, луковицу, картофелину сырую и вареную;
несколько медных пластин из набора по электростатике – это будет наш положительный полюс;
оцинкованные пластины из того же набора – для создания отрицательного полюса;
провода, зажимы;
милливольтметры, вольтметры
амперметры.
лампочку на подставке, рассчитанную на напряжение 2,5 В и силу тока 0,16А.
Результаты эксперимента мы занесли в таблицу.
Вывод: напряжение между электродами приблизительно одинаковое. А величина силы тока, вероятно, связана с кислотностью продукта. Чем больше кислотность, тем больше сила тока.
Если использовать не сырую, а вареную картошку, то мощность устройства увеличится в 4 раза.
Мы решили исследовать, как зависят напряжение и сила тока от расстояния между электродами. Для этого взяли вареную картофелину, изменяли расстояние между анодом и катодом и измеряли напряжение и силу тока на батарейке. Результаты эксперимента занесли в таблицу.
|
Расстояние между электродами, см |
Напряжение между электродами, В |
Ток короткого замыкания, мА |
|
1 |
0,6 |
2,1 |
|
2,5 |
0,7 |
3,6 |
|
3,5 |
0,7 |
3,8 |
|
5 |
0,8 |
4,2 |
Вывод: напряжение между электродами и сила тока растут с увеличением расстояния между ними. Ток короткого замыкания мал, т.к. внутреннее сопротивление картофеля велико.
Далее мы решили составить батарею из двух, трех, четырех картофелин. Предварительно увеличив расстояние между электродами до максимума, последовательно включили картофелины в цепь. Результаты эксперимента занесли в таблицу.
Вывод: напряжение на зажимах батареи растет, а ток уменьшается. Ток слишком мал, для того чтобы загорелась лампочка.
Поэтому мы планируем в дальнейшем выяснить, какими способами можно увеличить силу тока в цепи и заставить лампочку светиться.
Наблюдали за нашими «вкусными» батарейками мы в течение некоторого времени. Результаты измеренного напряжения на батарейках занесли в таблицу:
Вывод: постепенно напряжение на всех «вкусных» батарейках уменьшается. До сих пор еще есть напряжение на яблоке, луке и вареном картофеле.
Вытаскивая медную и цинковую пластины из овощей и фруктов, мы обратили внимание на то, что они сильно окислились. Это значит, что кислота вступала в реакцию с цинком и медью. За счет этой химической реакции и протекал очень слабый электрический ток.
Об использовании фруктов и овощей для получения электричества.
Недавно израильские ученые изобрели новый источник экологически чистого электричества. В качестве источника энергии необычной батарейки исследователи предложили использовать вареный картофель, так как мощность устройства в этом случае по сравнению с сырым картофелем увеличится в 10 раз. Такие необычные батареи способны работать несколько дней и даже недель, а вырабатываемое ими электричество в 5-50 раз дешевле получаемого от традиционных батареек и, по меньшей мере, вшестеро экономичнее керосиновой лампы при использовании для освещения.
Индийские ученые решили использовать фрукты, овощи и отходы от них для питания несложной бытовой техники. Батарейки содержат внутри пасту из переработанных бананов, апельсиновых корок и других овощей или фруктов, в которой размещены электроды из цинка и меди. Новинка рассчитана, прежде всего, на жителей сельских районов, которые могут сами заготавливать фруктово-овощные ингредиенты для подзарядки необычных батареек.
Выводы:
1 Познакомились с устройством батарейки и его изобретателями.
2.Узнали, какие процессы протекают внутри батарейки.
3. Изготовили овощные и фруктовые батарейки
4.Научились определять напряжение внутри «вкусной» батарейки и силу тока создаваемую ею.
5. Заметили, что напряжение между электродами и сила тока растут с увеличением расстояния между ними. Ток короткого замыкания мал, т.к. внутреннее сопротивление батарейки велико.
6.Обнаружили, что напряжение на зажимах батареи составленной из нескольких овощей растет, а ток уменьшается. Ток слишком мал, для того чтобы загорелась лампочка.
7. В собранной цепи лампочку зажечь не смогли, т.к. ток мал.
Использованная литература:
1 Энциклопедический словарь юного физика. -М.: Педагогика, 1991г
2 О. Ф. Кабардин. Справочные материалы по физике.-М.: Просвещение 1985.
3 Энциклопедический словарь юного техника. -М.: Педагогика, 1980г.
4 Журнал «Наука и жизнь», №10 2004г.
5 А. К. Кикоин, И.К. Кикоин. Электродинамика.-М.: Наука 1976.
6 Кирилова И. Г. Книга для чтения по физике.- Москва: Просвещение 1986.
7 Журнал «Наука и жизнь», №11 2005г.
8 Н.В.Гулиа. Удивительная физика.-Москва: «ИздательствоНЦ ЭНАС» 2005
Интернет- ресурс.
Сегодня представить свою жизнь без электрических устройств очень сложно. Причем, речь идет даже не о крупной бытовой технике, а о малогабаритных приборах, делающих быт значительно комфортнее. Настенные часы, дистанционные пульты, фонарики и многие другие мелкие устройства, к которым мы так привыкли, работают от портативного элемента питания. Чтобы обеспечить их стабильную работу, необходимо просто купить аккумуляторные батарейки . А ведь этот источник питания появился не так и давно!
История создания батарейки
Первый шаг на пути появления батарейки был сделан ученым из Италии Луиджи Гальвани, который исследовал реакции живых организмов на различные воздействия. Суть сделанного им открытия заключалась в том, что через лягушачью лапку проходит ток, когда к ней присоединены две полоски из разных видов металла. Объяснить увиденное ученый так и не смог, зато результаты его работы очень пригодились другому исследователю – Алессандро Вольту.
Этот итальянец смог разгадать суть процесса и понял, что появлению тока способствует химическая реакция, возникающая между различными металлами в определенной среде. Разместив цинковую и медную пластину в соляном растворе, он создал первую в мире батарею первичных элементов, которую после доработки назвал «Вольтов столб». Это было в 1800 году.
Первый аккумулятор появился значительно позже – в 1859 году, когда француз Гастон Плантэ повторил эксперимент своего коллеги, используя слабый раствор серной кислоты и две пластины из свинца. Особенность этого элемента питания заключалась в том, что оно требовало подзарядки от источника постоянного тока, а затем само отдавало полученный заряд на создание электроэнергии.
Другие важные даты в истории развития батареек
1865 год – французский ученый Ж. Л. Лекланше разработал марганцово-цинковый элемент с соляным раствором.
1880 год – Ф. Лаланд усовершенствовал изобретение своего соотечественника, используя загущенный электролит.
40-е года XX века – были разработаны серебряно-цинковые элементы.
50-е года XX века – появились марганцово-цинковый элемент со щелочным раствором, также ртутно-цинковые элементы.
60-е года XX века – началось производство воздушно-цинковых батареек.
70-е года XX века – впервые были использованы литиевые источники тока.
Что общего у смартфона, ноутбука, ручного фонарика, интерактивных движущихся игрушек для детей и часов? Ответ прост – батарейка. Именно благодаря незаметным кружочкам, цилиндрам и прямоугольникам мы можем пользоваться всем этим.
Сколько лет прошло с изобретения батарейки? Большинство скажет, что первые варианты появились в конце XVIII века. Вполне разумно, ведь в 1798 году итальянский граф Алессандро Вольта построил первую примитивную батарейку, получившую имя «Вольтов столб». Он сложил цинковые и медные диски и разделил их полотном, пропитанным щелочью или кислотой. Такая «башня» была высотой в полметра. Но! Существуют свидетельства того, что происхождение батарейки более давнее. Самый первый примитивный образец был известен людям еще за 2000 лет до этого.
В середине XX века (1938 год) на раскопках в Ираке Вильгельм Кениг нашел глиняный горшок 13 см в высоту с медным цилиндром, в который был вставлен стержень из другого металла. Археологи предположили, что это самая древняя батарейка.
Однако как именно использовали этот кувшин жители древнего Ирака, мы уже не узнаем. А вот об итальянце Луиджи Гальвани и животном электричестве известно много. Он заметил, что тело лягушки дергалось, если соприкасалось с двумя металлическими элементами или располагалось рядом с электрической машиной и вылетающими из нее искрами. Луиджи предположил, что электричество есть в самом теле животного.
Именно его опыты с лягушачьими лапками подвигли Вольта на поиск источника электрического тока. Он провел серию испытаний и заметил, что если тело животного соприкасалось с предметами из одного и того же металла, то ничего не происходило, а вот если металлы были разные, то появлялся нужный эффект. Соорудив свою башню из металлических пластин, он доказал, что электрический ток появляется не в тканях животных. Опыты показывали, что причиной всему являются химические реакции между разными металлами соединенными проводником (у Гальвани в его качестве было тело лягушки).
Оба итальянца прославились, а их именами назвали единицу измерения напряжения Вольт и непосредственно сам «гальванический элемент».
История батарейки
С открытия батарейки, вернее, ее прапрапрабабушки, прошло совсем немного времени, и в 1836 году англичанин Джордж Фредерик Даниель решил главную проблему «вольтового столба» – коррозию.
В 1859 году француз Гастон Плантэ создал аккумулятор, ну то есть его прапрадедушку. Он использовал серную кислоту и свинцовые пластины. Преимуществом созданного прибора было то, после зарядки от источника постоянного тока, уже сам отдавал его и становился источником электроэнергии.
1868 год можно считать судьбоносным. Химик из Франции Жорж Лекланше создал «жидкостный» прародитель «сухого» элемента батареи. Спустя 20 лет немец Карл Гасснер постарался и получил тот самый «сухой». Он практически во всем был похож на современный вариант.
После этого история производства батареек только набирала обороты. Гальванические элементы заменили никель-кадмиевые и никель-металлгидридные аккумуляторы. Главной задачей ученых было увеличение емкости и срока службы, а также уменьшение размеров. Решением проблемы стало появление литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов. Они без проблем долго держат заряд, отличаются большой емкостью и небольшими размерами.
История развития батареек продолжается. Ученые ищут «вечную» батарейку, и, вполне возможно, скоро найдут.
Первые опыты, показавшие возможность аккумулировать, т.е. скоплять электрическую энергию, были произведены вскоре после открытия итальянским ученым Вольтой явлений гальванического электричества.
В 1801 году французский физик Готеро, пропуская через воду посредством платиновых электродов ток, обнаружил, что после того, как ток через воду прерван, можно, соединив между собой электроды, получить кратковременный электрический ток.
Ученый Риттер проделывал затем тот же опыт, употребляя вместо платиновых элекродов электроды из золота, серебра, меди и т. д. и отделяя их друг от друга кусками сукна, пропитанными растворами солей, он получил первый вторичный, т. е. способный отдавать запасенную в нем электрическую энергию, элемент.
Первые попытки создать теорию такого элемента были сделаны Вольтой, Марианини и Бекерелем, которые утверждали, что действие аккумулятора зависит от разложения электрическим током растворов солей на кислоту и щелочь и что эти последние затем, соединяясь, дают снова электрический ток.
Эта теория была разбита в 1926 году опытами Дерярива, который первый применил в аккумуляторе подкисленную воду.
Подкисленная вода при прохождении тока разлагается, очевидно, на кислород и водород, и этому разложению элемент и обязан своим последующим действием. Это положение блестяще доказал Грове, построив свой знаменитый газовый аккумулятор, состоящий из пластин, опущенных в подкисленную воду и окруженных в верхней части: одна - водородом и другая - кислородом. Однако, аккумулятор в таком виде был очень непрактичен, так как для запасания больших количеств электричества требовалось хранить очень большое количество газов, которые занимали большой объем.
Большое практическое усовершенствование в развитии аккумуляторов было внесено в 1859 году Гастоном Планте, который в результате длинного ряда опытов пришел к типу аккумулятора, состоящего из свинцовых пластин с большой поверхностью, которые при заряжении током покрывались окисью свинца, а. выделяя кислород и жидкость, отдавали электрический ток.
Планте брал две полосы из листового свинца, прокладывал между ними полосы сукна и сворачивал полосы вокруг круглой палки. Затем получившийся сверток он стягивал резиновыми кольцами и ставил в сосуд с подкисленной водой. При многократном заряжании и разряжании такого аккумулятора, на поверхности пластин образовывался активный действующий слой, который участвовал в процессе и придавал элементу большую емкость. Однако необходимость очень большого числа зарядов и разрядов аккумулятора Планте для придания ему некоторой емкости, очень сильно удорожало стоимость аккумулятора и затрудняло его выработку.
Следующим усовершенствованием, приведшим аккумулятор к его современному виду, было применение в 1880 году Камиллом Фором решетчатых свинцовых пластин, ячейки решеток которых были набиты специально приготовленной массой, .изготовленной заранее. Этот процесс сильно упростил и удешевил изготовление аккумуляторов, сведя формовку аккумулятора к очень непродолжительному процессу.
Дальнейшие усовершенствования в истории свинцовых аккумуляторов шли уже по пути улучшения примененного Фором способа заполнения и формовки решетчатых пластин, не внося резких изменений в конструкцию аккумулятора. Параллельно с развитием свинцовых аккумуляторов, обладающих рядом крупных и неустранимых недостатков, как, например, большой вес на единицу емкости, невозможность сохранения без порчи в разряженном состоянии и т. д., шла разработка возможностей применения для изготовления аккумуляторов и других металлов, кроме свинца.
Элементы Эдиссона и Юнгнера получили широкое применение в тех случаях, когда необходим малый вес и неприхотливость аккумуляторов к зарядке, так как они могут стоять как угодно долго в разряженном состоянии. Вытеснить свинцовые аккумуляторы они, однако, не смогли как благодаря их высокой цене, так и вследствие малой отдачи и низкого напряжения, даваемого ими. Таким образом, железониккелевым аккумуляторам отведено, большое место во всех переносных и подвижных установках, в то время как за свинцовыми аккумуляторами стало широкое поле применения в стационарных установках.
Емцов Г. Электрические аккумуляторы
