متى تم اختراع البطارية؟

متى تم اختراع البطارية؟

جامعة باتري

كانت الكهرباء واحدة من أكثر الاكتشافات روعة وجديدة في الأربعمائة عام الماضية. قد نسأل ، "هل كانت الكهرباء موجودة كل هذا الوقت؟" الجواب نعم ، وربما أطول من ذلك بكثير ، لكن استخدامه العملي كان تحت تصرفنا فقط منذ منتصف إلى أواخر القرن التاسع عشر ، وبطريقة محدودة في البداية. كانت إحدى أولى الأعمال العامة التي حظيت بالاهتمام هي تنوير معرض شيكاغو العالمي في شيكاغو عام 1893 باستخدام 250000 مصباح كهربائي ، وإضاءة جسر فوق نهر السين خلال المعرض العالمي لعام 1900 في باريس.
قد يعود استخدام الكهرباء إلى أبعد من ذلك. أثناء بناء سكة حديدية في عام 1936 بالقرب من بغداد ، اكتشف العمال ما بدا أنه بطارية من عصور ما قبل التاريخ ، تُعرف أيضًا باسم البطارية البارثية. يعود الكائن إلى الفترة البارثية ويعتقد أنه عمره 2000 عام. تتكون البطارية من وعاء طيني مملوء بمحلول خل تم إدخال قضيب حديدي محاط بأسطوانة نحاسية. أنتج هذا الجهاز 1.1 إلى 2.0 فولت من الكهرباء. يوضح الشكل 1 البطارية البارثية.

الشكل 1: البطارية البارثية. جرة فخارية مكونة من بطارية من عصور ما قبل التاريخ تحتوي على قضيب حديدي محاط بأسطوانة نحاسية. عند ملئه بالخل أو بمحلول إلكتروليتي ، ينتج البرطمان من 1.1 إلى 2 فولت.
لا يقبل جميع العلماء البطارية البارثية كمصدر للطاقة. من الممكن أن يكون الجهاز قد تم استخدامه للطلاء الكهربائي ، مثل إضافة طبقة من الذهب أو معادن ثمينة أخرى إلى السطح. يقال أن المصريين قاموا بطلاء الأنتيمون بالكهرباء على النحاس منذ أكثر من 4300 عام. تشير الدلائل الأثرية إلى أن البابليين كانوا أول من اكتشف واستخدم تقنية كلفانية في تصنيع المجوهرات باستخدام إلكتروليت يعتمد على عصير العنب في الأواني الحجرية المصنوعة من الذهب. قد يكون الفرثيون ، الذين حكموا بغداد (حوالي 250 قبل الميلاد) ، قد استخدموا البطاريات في طلاء الفضة بالكهرباء.
كانت إحدى أقدم الطرق لتوليد الكهرباء في العصر الحديث هي إنشاء شحنة ثابتة. في عام 1660 ، قام أوتو فون غريكه ببناء آلة كهربائية باستخدام كرة كبريتية كبيرة تجذب الريش وقطع الورق الصغيرة عند فركها وتدويرها. كان Guericke قادرًا على إثبات أن الشرر المتولد كان كهربائيًا بطبيعته.
كان أول استخدام عملي للكهرباء الساكنة هو "المسدس الكهربائي" الذي اخترعه أليساندرو فولتا (1745-1827). لقد فكر في توفير اتصالات بعيدة المدى ، وإن كانت بتة منطقية واحدة فقط. كان من المقرر ربط سلك حديدي مدعوم بأعمدة خشبية من كومو إلى ميلانو بإيطاليا. عند الطرف المستلم ، سينتهي السلك في وعاء مملوء بغاز الميثان. للإشارة إلى حدث مشفر ، سيتم إرسال شرارة كهربائية بواسطة الأسلاك لغرض تفجير المسدس الكهربائي. لم يتم بناء رابط الاتصالات هذا أبدًا. يوضح الشكل 1-2 رسمًا بقلم رصاص لأليساندرو فولتا.

الشكل 2: أليساندرو فولتا مخترع البطارية الكهربائية
وضع اكتشاف فولتا لتحلل الماء بواسطة تيار كهربائي الأساس للكيمياء الكهربية.
بإذن من Cadex

في عام 1791 ، أثناء عمله في جامعة بولونيا ، اكتشف لويجي جالفاني أن عضلة الضفدع سوف تنقبض عند لمسها بجسم معدني. أصبحت هذه الظاهرة تعرف باسم الكهرباء الحيوانية. بدفع من هذه التجارب ، بدأ فولتا سلسلة من التجارب باستخدام الزنك والرصاص والقصدير والحديد كلوحات موجبة (الكاثود) ؛ والنحاس والفضة والذهب والجرافيت كلوحات سالبة (الأنود). سرعان ما انتشر الاهتمام بالكهرباء الجلفانية.
البطاريات المبكرة
اكتشف فولتا في عام 1800 أن سوائل معينة ستولد تدفقًا مستمرًا للطاقة الكهربائية عند استخدامها كموصل. أدى هذا الاكتشاف إلى اختراع أول خلية فولتية ، والمعروفة أكثر باسم البطارية. اكتشف فولتا كذلك أن الجهد سيزداد عندما تتكدس الخلايا الفولتية فوق بعضها البعض. يوضح الشكل 3 مثل هذا الاتصال التسلسلي.

الشكل 1-3: أربعة اختلافات
بطارية فولتا الكهربائية
المعادن في البطارية لها تأثيرات كهربائية مختلفة. لاحظ فولتا أن جهد الجهد مع المواد غير المتشابهة تزداد قوة كلما تباعد بعضها عن بعض.
الرقم الأول في المعادن المدرجة أدناه هو التقارب لجذب الإلكترونات ؛ والثاني هو الجهد القياسي من حالة الأكسدة الأولى.
الزنك = 1.6 / -0.76 فولت
الرصاص = 1.9 / -0.13 فولت
القصدير = 1.8 / -1.07 فولت
الحديد = 1.8 / -0.04 فولت
النحاس = 1.9 / 0.159 فولت
الفضة = 1.9 / 1.98 فولت
الذهب = 2.4 / 1.83 فولت
الكربون = 2.5 / 0.13 فولت
تحدد المعادن جهد البطارية ؛ تم فصلهم بورق مبلل مبلل بالماء المالح.
بإذن من Cadex
في نفس العام ، أصدر فولتا اكتشافه لمصدر مستمر للكهرباء للجمعية الملكية في لندن. لم تعد التجارب مقتصرة على عرض قصير للشرارات التي استمرت لجزء من الثانية. يبدو الآن أن تيارًا لا نهاية له من التيار الكهربائي ممكنًا.
كانت فرنسا من أوائل الدول التي اعترفت رسميًا باكتشافات فولتا. كان هذا في الوقت الذي كانت فيه فرنسا تقترب من ذروة التقدم العلمي وكانت الأفكار الجديدة موضع ترحيب بأذرع مفتوحة ، مما ساعد على دعم الأجندة السياسية للبلاد. بدعوة ، خاطب فولتا معهد فرنسا في سلسلة من المحاضرات التي حضرها نابليون بونابرت كعضو في المعهد (انظر الشكل 4).

الشكل 4: تجارب فولتا في معهد فرنسا
أثارت اكتشافات فولتا إعجاب العالم لدرجة أن المعهد الوطني الفرنسي دعاه في نوفمبر 1800 لإلقاء محاضرات في الأحداث التي شارك فيها نابليون بونابرت. ساعد نابليون في التجارب ، واستخلاص شرارات من البطارية ، وصهر سلكًا فولاذيًا ، وتفريغ مسدس كهربائي ، وتحلل الماء إلى عناصره.
بإذن من Cadex
في عام 1800 ، بدأ السير همفري ديفي ، مخترع مصباح الأمان الخاص بعمال المناجم ، باختبار التأثيرات الكيميائية للكهرباء واكتشف أن التحلل يحدث عند تمرير تيار كهربائي عبر المواد. سميت هذه العملية فيما بعد بالتحليل الكهربائي. قام باكتشافات جديدة من خلال تركيب أكبر وأقوى بطارية كهربائية في العالم في خزائن المعهد الملكي بلندن. أدى توصيل البطارية بأقطاب الفحم إلى توليد أول ضوء كهربائي. أفاد الشهود أن مصباح القوس الفولطائي الخاص به أنتج "القوس الصاعد الأكثر إشراقًا من الضوء الذي شوهد على الإطلاق".
في عام 1802 ، صمم William Cruickshank أول بطارية كهربائية للإنتاج بالجملة. رتب كروكشانك صفائح مربعة من النحاس بأحجام متساوية من الزنك. تم وضع هذه الأوراق في صندوق خشبي مستطيل طويل وملحومة معًا. أدت الأخاديد الموجودة في الصندوق إلى تثبيت الألواح المعدنية في موضعها ، ثم تم ملء الصندوق المختوم بمحلول ملحي أو حمض مخفف. هذا يشبه البطارية المغمورة التي لا تزال معنا حتى اليوم. يوضح الشكل 5 ورشة عمل بطارية Cruickshank.

الشكل 5: Cruickshank وأول بطارية غارقة في الماء. قام الكيميائي الإنجليزي William Cruickshank ببناء بطارية من الخلايا الكهربائية من خلال دمج ألواح الزنك والنحاس في صندوق خشبي مملوء بمحلول إلكتروليت. كان لهذا التصميم المغمور ميزة عدم التجفيف مع الاستخدام وتوفير طاقة أكبر من ترتيب قرص فولتا.
بإذن من Cadex
اختراع البطارية القابلة لإعادة الشحن
في عام 1836 ، طور الكيميائي الإنجليزي John F. حتى هذا الوقت ، كانت جميع البطاريات أساسية ، مما يعني أنه لا يمكن إعادة شحنها. في عام 1859 ، اخترع الفيزيائي الفرنسي جاستون بلانتي أول بطارية قابلة لإعادة الشحن. كان يعتمد على حمض الرصاص ، وهو نظام لا يزال يستخدم حتى اليوم.
في عام 1899 ، اخترع فالديمار جنجنر من السويد بطارية النيكل والكادميوم (NiCd) ، والتي تستخدم النيكل في القطب الموجب (الكاثود) والكادميوم للقطب السالب (الأنود). أدت تكاليف المواد المرتفعة مقارنة بحمض الرصاص إلى الحد من استخدامه وبعد عامين ، أنتج توماس إديسون تصميمًا بديلاً عن طريق استبدال الكادميوم بالحديد. الطاقة النوعية المنخفضة ، والأداء السيئ عند درجة حرارة منخفضة ، والتفريغ الذاتي المرتفع يحد من نجاح بطارية النيكل والحديد. لم يكن حتى عام 1932 أن حقق كل من Schlecht و Ackermann تيارات حمل أعلى وحسنا من طول عمر NiCd من خلال اختراع صفيحة القطب الملبدة. في عام 1947 ، نجح جورج نيومان في إغلاق الزنزانة.
لسنوات عديدة ، كانت NiCd هي البطارية الوحيدة القابلة لإعادة الشحن للتطبيقات المحمولة. في التسعينيات ، أصبح علماء البيئة في أوروبا قلقين بشأن التلوث البيئي إذا تم التخلص من NiCd بلا مبالاة ؛ بدأوا في تقييد هذه الكيمياء وطلبوا من الصناعة الاستهلاكية التحول إلى بطارية نيكل-معدن-هيدريد (NiMH) ، وهي بطارية صديقة للبيئة. NiMH مشابه لـ NiCd ، ويتوقع الكثيرون أن NiMH سيكون نقطة انطلاق لأيون الليثيوم (Li-ion) الأكثر ديمومة.
تدور معظم الأنشطة البحثية اليوم حول تحسين الأنظمة القائمة على الليثيوم. إلى جانب تشغيل الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والكاميرات الرقمية والأدوات الكهربائية والأجهزة الطبية ، يتم استخدام Li-ion أيضًا في المركبات الكهربائية. تتمتع البطارية بعدد من الفوائد ، أبرزها طاقتها النوعية العالية ، والشحن البسيط ، والصيانة المنخفضة ، وكونها غير ضارة بالبيئة.
الكهرباء من خلال المغناطيسية
جاء اكتشاف كيفية توليد الكهرباء من خلال المغناطيسية متأخرًا نسبيًا. في عام 1820 ، لاحظ André-Marie Ampère (1775–1836) أن الأسلاك التي تحمل تيارًا كهربائيًا تنجذب أحيانًا إلى بعضها البعض وفي أحيان أخرى تنفر من بعضها البعض. في عام 1831 ، أوضح مايكل فاراداي (1791-1867) كيف أن قرصًا نحاسيًا يوفر تدفقًا ثابتًا للكهرباء أثناء الدوران في مجال مغناطيسي قوي. نجح فاراداي ، بمساعدة ديفي وفريقه البحثي ، في توليد قوة كهربائية لا نهاية لها طالما استمرت الحركة بين الملف والمغناطيس. أدى هذا إلى اختراع المولد الكهربائي وعكس العملية مكن المحرك الكهربائي. بعد ذلك بوقت قصير ، تم تطوير محولات تعمل على تحويل التيار المتردد (AC) إلى أي جهد مطلوب. في عام 1833 ، أسس فاراداي أساس الكيمياء الكهربية الذي يقوم عليه قانون فاراداي. يتعلق قانون فاراداي للحث بالكهرومغناطيسية المرتبطة بالمحولات والمحاثات وأنواع عديدة من المحركات والمولدات الكهربائية.
بمجرد فهم العلاقة مع المغناطيسية ، بدأت المولدات الكبيرة في إنتاج تدفق ثابت للكهرباء. اتبعت المحركات التي مكنت الحركة الميكانيكية ، وبدا أن مصباح إديسون يغزو الظلام. بعد أن أضاء جورج وستنجهاوس معرض شيكاغو العالمي الكولومبي في عام 1893 ، بنى ويستنجهاوس ثلاثة مولدات كبيرة لتحويل الطاقة من شلالات نياجرا إلى كهرباء. مكنت تقنية التيار المتردد ثلاثية الطور التي طورها نيكولا تيسلا خطوط النقل من نقل الطاقة الكهربائية لمسافات طويلة. وهكذا تم توفير الكهرباء على نطاق واسع للبشرية لتحسين نوعية الحياة.

الشكل 6: 250000 مصباح كهربائي تضيء معرض شيكاغو العالمي الكولومبي في عام 1893.
أدى نجاح الضوء الكهربائي إلى بناء ثلاثة مولدات مائية كبيرة في شلالات نياجرا.
بإذن من محفوظات متحف بروكلين. مجموعة أرشيفية جوديير
شكل اختراع الأنبوب المفرغ الإلكتروني في أوائل القرن العشرين الخطوة التالية المهمة نحو التكنولوجيا العالية ، مما أتاح مذبذبات التردد ، وتضخيم الإشارة ، والتبديل الرقمي. أدى ذلك إلى البث الإذاعي في عشرينيات القرن الماضي وأول كمبيوتر رقمي يسمى ENIAC في عام 1946. ومهد اكتشاف الترانزستور في عام 1947 الطريق لوصول الدائرة المتكاملة بعد 10 سنوات ، وبدأ المعالج الدقيق في عصر المعلومات ، تغيير طريقة عيشنا وعملنا إلى الأبد.
تعتمد البشرية على الكهرباء ، ومع زيادة التنقل ، انجذب الناس أكثر فأكثر نحو الطاقة المحمولة - أولاً للتطبيقات ذات العجلات ، ثم قابلية النقل ، وأخيراً الاستخدام القابل للارتداء. بقدر ما كانت البطاريات الأولى محرجة وغير موثوقة ، فقد تنظر الأجيال القادمة إلى تقنيات اليوم على أنها ليست أكثر من تجارب خرقاء.