История создания первых аккумуляторов. История изобретений
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.
Предыстория батарейки начинается в далёком 17 веке, а её дедушкой был итальянский врач, анатом, физиолог и физик - Луиджи Гальвани. Этот достойный человек является одним из основоположников учения об электричестве и несомненным первопроходцем в изучении электрофизиологии.
Так называемое "животное электричество" Гальвани обнаружил в ходе одного из своих экспериментов. Он присоединил две металлических полоски к мышцам лягушачьей лапки и обнаружил, что при сокращении мышцы возникает электрический разряд. Впрочем, попытка объяснить данное явление Гальвани не совсем удалась: теоретическая основа, которую он подводил, оказалась неверной, но выяснилось это значительно позже. Результаты опытов, полученные Гальвани, полтора века спустя заинтересовали его соотечественника и коллегу. Это был Алессандро Вольта.
Ещё в молодости заинтересовавшись изучением электрических явлений и познакомившись с работами Б. Франклина, Вольта установил в городе Комо первый громоотвод. Кроме этого, он отправил парижском академику Ж.А. Нолле своё сочинение, в котором рассуждал о различных электрических явлениях. В итоге Вольта заинтересовался работами Гальвани.
Внимательно изучив результаты опытов с лягушкой, Алессандро Вольта отметил одну деталь, на которую не обратил внимания сам Гальвани: если к лягушке присоединяли провода из разнородных металлов, мышечные сокращения становились сильнее.
Не удовлетворившись объяснениями, предложенными предшественником, Вольта сделал чрезвычайно смелое и неожиданное предположение: решил, что два металла, разделенные телом, в котором много воды, хорошо проводящей электрический ток (лягушка, без сомнений, может быть отнесена к таким телам), рождают свою собственную электрическую силу. Чтобы не быть голословным, физик провёл серию дополнительных опытов, подтвердивших его предположение.
В 1800 году, 20 марта, Алессандро Вольта написал президенту Лондонского Королевского Общества сэру Джозефу Бэнксу о своём изобретении - новом источнике электричества, получившем название "вольтов столб". Сам изобретатель не до конца понимал весь механизм работы своего детища и даже всерьёз полагал, что создал вполне рабочую модель вечного двигателя.
Кстати, Алессандро Вольта продемонстрировал всему научному сообществу замечательный пример исследовательской скромности: предложил называть своё изобретение "гальваническим элементом", в честь Луиджи Гальвани, чьи опыты навели его на мысль.
Анатомия батарейки
Как же выглядели первые "батарейки"? Собственно, устройство своего изобретения А. Вольта весьма и весьма подробно описал в своём письме сэру Джозефу Бэнксу. Первый же его опыт выглядел следующим образом: Вольта опустил в банку с кислотой медную и цинковую пластинки, а затем соединил их проволокой. После этого цинковая пластина начала растворяться, а на медной стали выделяться пузырьки газа. "Вольтов столб" - это, можно сказать, стопка из соединённых между собой пластинок цинка, меди и сукна, пропитанных кислотой и сложенных друг на друга в определённом порядке.
В современных "пальчиковых" и прочих батарейках "начинка" несколько сложнее. В корпусе батарейки упакованы химические реагенты, при взаимодействии которых и выделяется энергия, а также два электрода - анод и катод. Реагенты эти разделены специальной прокладкой, которая не позволяет твердым частям реагентов перемешиваться, но при этом пропускает к ним жидкий электролит.
Жидкий электролит реагирует с твёрдым реагентом, в результате чего возникает заряд. На реагенте анода он отрицательный, а на катодном - положительный. Чтобы не произошло нейтрализации зарядов твёрдые части реагента разделены мембраной.
Чтобы можно было "снять" полученный заряд и передать его на контакты, в анодный реагент вставлен токосниматель, который выглядит очень просто - тоненький не очень длинный штырёк. Есть в батарейке и катодный токосниматель, который располагается под оболочкой батарейки. Саму оболочку называют внешней гильзой.
Оба токоснимателя соприкасаются внутри батарейки с анодом и катодом. Схема работы батарейки в результате такова: химическая реакция, разделение зарядов на реактивах, переход зарядов на токосниматели, далее - на электроды и в питаемое устройство.
Какими бывают батарейки
Существует целых три классификации батареек. Первая - по типоразмеру гальванического элемента. В быту мы чаще всего пользуемся батарейками "пальчиковыми" или "мизинчиковыми", но помимо этого есть ещё средняя и большая батарейки цилиндрической формы, а также два типа батареек, форма которых - параллелепипед: "крона" и просто квадратная. Это - перечень самых распространённых разновидностей формы.
Отличаются автономные источники питания и по типу электролита. Самые дешёвые батарейки, как правило, "солевые" - угольно-цинковые, этот электролит сухой. Ещё один вариант сухого электролита - хлорид цинка. Такие батарейки тоже достаточно дёшевы и широко распространены.
Следующий вариант электролита - щелочной. На этих батарейках написано Alkaline , а внутри - щёлочно-марганцевый, марганцево-цинковый электролит. Их основной недостаток - высокое содержание ртути.
Батарейки с ртутным электролитом на сегодняшний день практически не производятся. Серебряный электролит показывает хорошие эксплуатационные свойства, однако производство таких батареек стоит очень больших денег.
Воздушно-цинковый электролит - самый безопасный для человека и окружающей среды. Стоят они недорого, хранятся долго. Вот только толщина батарейки в 1,5 раза больше обычной щелочной/серебряной. Кроме того, чтобы исключить саморазряд во время её хранения, требуется заклеивать батарейку. Литиевые батареи - довольно дороги, однако их эксплуатационные характеристики значительно превышают показатели прочих батареек.
Ещё один способ поделить батарейки на группы - определить тип химической реакции, который в них происходит. Первичная реакция происходит в гальванических элементах - в самых обыкновенных батарейках. Вторичной зарядке они не поддаются, в отличие от аккумуляторных батарей, в которых происходит вторичная хим.реакция.
Правила использования и утилизации
Батарейки нежелательно применять при крайних температурах - сильно охлаждать или нагревать. Это может привести к весьма неприятным последствиям. Если вам пришлось использовать батарейки в холоде, например, зимой на улице, рекомендуется не менее получаса выдержать их в комнатной температуре.
Случается, что батарейки, особенно щелочные, текут. Такое происходит когда нарушается герметичность корпуса батарейки. Использовать эти батарейки ни в коем случае нельзя - это может привести к повреждениям электроприборов.
Что касается утилизации отработанных батареек или аккумуляторов, то этим должны заниматься специальные организации или предприятия. В крупных городах можно найти специально организованные приёмные пункты, куда можно сдать использованные батарейки для их дальнейшей утилизации. Правда, не в каждом городе такой пункт приёма организован. Вопрос, что делать в этом случае остаётся открытым.
- А. Вольта. "Об электричестве, возбуждаемом простым соприкосновением различных проводящих веществ".
- Радовский М.И. "Гальвани и Вольта".
- Спасский Б.И. "История физики".
- Свободная электронная энциклопедия Википедия, раздел "Химический источник тока".
- Свободная электронная энциклопедия Википедия, раздел "Типоразмеры гальванических элементов".
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.
Учебники по истории могут оказаться неправдивыми: человечество могло начать изучение электрики намного раньше, чем это принято считать. Существование тысячелетней Багдадской батареи говорит о том, что электрическую батарею изобрел не Вольта. Сегодня общепринято считается, что именно итальянский физик Алессандро Вольта в 1800 году придумал электрическую батарею. Он обнаружил, что когда два разнородных металлических зонда помещаются в химический раствор, между ними протекают электроны. С этого начались работы других ученых над электричеством, и это дало огромный толчок развитию науки. Но Багдадская батарея сдвигает срок на несколько тысячелетий раньше.
Составные части Багдадской батареи
Электричество люди пытались изучать задолго до Вольта, о чем сохранились записи в папирусах и настенных рисунках Древнего Египта. Однако это косвенные доказательства, и им мало кто верил, пока в 1938 году немецкий археолог Вильгельм Кениг не описал так называемую Багдадскую банку (ее еще называют Багдадской батареей). Этот глиняный сосуд с электричеством нашли в 1936 году в месте Куджут-Рабу за чертой Багдада, когда рабочие равняли грунт под железную дорогу.
Заслуга Кенига состояла в том, что он увидел в овальном кувшине из ярко-желтой глины высотой 13 см типичную конструкцию батарейки, которые к тому времени массово использовались. Сосуд имел все, что нужно для хранения энергии: свернутый лист меди по периметру, железный стержень в центре и несколько кусков битума внутри. Последний запечатывал верхний и нижний края медного цилиндра. Такое герметичное соединение говорит о том, что кувшин когда-то содержал жидкость. Эту гипотезу же подтверждают следы коррозии на меди. Это же дает разгадку о типе жидкости – уксус или вино. Эти природные вещества содержат в себе кислоту – необходимое условие для любой батарейки.
Багдадская батарея в разрезеЗачем батарейки, если нет электроприборов
В скором времени похожие на Багдадскую банку артефакты нашли возле городов Селевкия и Ктесифона. Это дало точное знание, что уже несколько тысяч лет тому назад люди пользовались электричеством. Однако зачем им электроэнергия, ведь у них не было лампочек, телевизоров, холодильников и других электроприборов?
Точный ответ на этот вопрос пока что неизвестен, но ученые имеют на этот счет некоторые догадки. Например, Кениг в своих статьях считал, что эти источники питания использовались для гальванизации ювелирных украшений. Этот технологический процесс применяется сегодня повсеместно: омеднение проводов, позолота медных и серебряных украшений, хром на стальных деталях и тому подобное. Его особенностью является то, что под воздействием электрического тока можно нанести тонкое и прочное покрытие из одного материала на другой.
Эта версия имеет право на жизнь, ведь ее проверили на практике. Инженер главной лаборатории высоковольтного электричества в американском городе Питсфилд Уиллард Грей создал по рисункам из статьи Кенига точную копию древней батарейки. Он наполнил глиняный кувшин поочередно виноградным соком и уксусом и получил напряжение на металлических выводах около 1,5 В. Именно столько дает сегодня любая стандартная батарейка формата АА.
Конструкция Багдадской банкиБатарейки для магии и лечения
Кроме гипотезы об использовании древними батареек для гальванизации, существуют еще две: электротерапия и магия.
Древние верили, что если приложить к больному месту электрический ток, тогда оно онемеет и перестанет болеть. Об этом есть записи в трудах древнегреческих и римских медиков. Греки, например, для этих целей часто применяли электрического угря, которого прикладывали к воспаленной конечности и держали до тех пор, пока воспаленная конечность не онемеет.
Размер Багдадской батареи в сравнении с рукой
Еще электричеством могли укреплять религиозную сферу жизни граждан. Жрецы, например, собирали несколько Багдадских банок в один мощный элемент питания и присоединяли выводы к металлической статуе бога. Каждый, кто к ней прикасался, думал, что получил контакт с высшим существом. Хотя на самом деле это был всего лишь слабый разряд тока.
Жрец еще больше укреплял веру в свою связь с божеством тем, что мог спокойно прикасаться к статуе и не получать удары электричества. Для этого он носил сандалии, которыми становился на металлический пол под статуей. Обувь служила изолятором и не пропускала ток. А простые верующие ходили чаще всего босиком, из-за чего этот трюк работал безотказно.
Не батарейка, а камера хранения
Теории о том, что древние могли целенаправленно использовать энергию в химических источниках, не позволяют с уверенностью сказать, что это было в действительности. Причиной этому является очень малая мощность и большой вес таких аккумуляторов, из-за чего на практике они оказываются бесполезными. Например, от яблока можно заставить работать обычный калькулятор или простые наручные часы. Но куда удобней современные источники питания.
Кроме этого, то, что Багдадская банка на самом деле была батареей, опровергают другие находки. Например, находка в той же Селевкии содержала в себе свиток папируса. А артефакт из Ктесифона имел внутри скрученные листы бронзы. Поэтому, по мнению некоторых ученых, такие сосуды использовались для хранения вещей, а не для генерации электричества.
Их версию подтверждает то, что битумная крышка была полностью герметичной и не имела выводов для металлических контактов для проводов. В ней также не было отверстий для заливки электролита, а ведь такой источник питания требует его частой замены.
По мнению ученых, в таких сосудах хранились священные свитки из материалов органического происхождения – пергамента или папируса. При их разложении выделяются органические кислоты, что объясняет наличие следов коррозии на медном цилиндре внутри глиняного сосуда.
Кстати, если у древних проблемой было создать источник электричества, то сегодня главная задача – их утилизация с минимальным вредом для экологии. И в этом МТС помогает украинским пользователям. Оператор запустил национальную программу , с помощью которой они смогут утилизировать элементы питания правильно. О том, куда девать отработанные батарейки, можете .
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.
