Mikor találták fel az akkumulátort?

Mikor találták fel az akkumulátort?

Akkumulátor Egyetem

Az elmúlt 400 év egyik legfigyelemreméltóbb és legújszerűbb felfedezése az elektromosság volt. Feltehetjük a kérdést: „Oly régen volt áram?” A válasz igen, és talán sokkal hosszabb ideig, de gyakorlati felhasználása csak az 1800-as évek közepe-vége óta áll rendelkezésünkre, és eleinte korlátozottan. Az egyik legkorábbi figyelemre méltó közmunka az 1893-as chicagói Columbia Világkiállítás 250 000 izzóval történő megvilágítása, valamint a Szajna folyón átívelő híd megvilágítása volt az 1900-as párizsi világkiállításon.
A villamosenergia-felhasználás tovább nyúlhat vissza. Miközben 1936-ban vasútat építettek Bagdad közelében, a munkások egy őskori ütegnek tűnő ütegre bukkantak, amelyet Párthus ütegnek is neveznek. Az objektum a pártus korból származik, és a feltételezések szerint 2000 éves. Az akkumulátor egy agyagedényből állt, amelyet ecetes oldattal töltöttek meg, amelybe egy rézhengerrel körülvett vasrudat helyeztek. Ez a készülék 1,1–2,0 V áramot termelt. Az 1. ábra a Pártos akkumulátort szemlélteti.

1. ábra: Pártos akkumulátor. Egy őskori akkumulátor agyagedényében rézhengerrel körülvett vasrudat tartanak. Ecettel vagy elektrolitoldattal töltve az edény 1,1-2 voltot termel.
Nem minden tudós fogadja el a Pártos akkumulátort energiaforrásként. Lehetséges, hogy az eszközt galvanizálásra használták, például arany vagy más nemesfém réteg hozzáadására a felülethez. Az egyiptomiak állítólag több mint 4300 évvel ezelőtt galvanizáltak antimont a rézre. A régészeti bizonyítékok azt sugallják, hogy a babilóniaiak voltak az elsők, akik felfedeztek és alkalmaztak galvanikus technikát az ékszerek gyártásában, szőlőlé alapú elektrolit felhasználásával aranylemezes kőedényekhez. A Bagdadot irányító pártusok (kb. i. e. 250) valószínűleg elemeket használtak az ezüst galvanizálására.
A modern idők egyik legkorábbi villamosenergia-termelési módja a statikus töltés létrehozása volt. 1660-ban Otto von Guericke egy elektromos gépet épített egy nagy kéngömbből, amely dörzsölve és forgatva magához vonzotta a tollakat és a kis papírdarabkákat. Guericke be tudta bizonyítani, hogy a keletkezett szikrák elektromos jellegűek.
A statikus elektromosság első gyakorlati alkalmazása az „elektromos pisztoly” volt, amelyet Alessandro Volta (1745–1827) talált fel. Arra gondolt, hogy távolsági kommunikációt biztosít, bár csak egy logikai bitet. Egy faoszlopokkal alátámasztott vashuzalt Comótól az olaszországi Milánóig kellett felfűzni. A fogadó végén a vezeték egy metángázzal töltött edényben végződik. A kódolt esemény jelzésére elektromos szikrát küldenek vezetéken az elektromos pisztoly felrobbantására. Ez a kommunikációs kapcsolat soha nem épült ki. Az 1-2. ábrán Alessandro Volta ceruzás ábrázolása látható.

2. ábra: Alessandro Volta, az elektromos akkumulátor feltalálója
Volta felfedezése, hogy a víz elektromos áram hatására bomlik le, lefektette az elektrokémia alapjait.
A Cadex jóvoltából

1791-ben, amikor a Bolognai Egyetemen dolgozott, Luigi Galvani felfedezte, hogy a béka izma összehúzódik, ha fémtárgy érinti. Ez a jelenség állati elektromosság néven vált ismertté. E kísérletek hatására Volta kísérletsorozatot kezdeményezett pozitív lemezként (katódként) cink, ólom, ón és vas felhasználásával; valamint negatív lemezként (anódként) a réz, ezüst, arany és grafit. A galván elektromosság iránti érdeklődés hamarosan széles körben elterjedt.
Korai akkumulátorok
Volta 1800-ban fedezte fel, hogy bizonyos folyadékok folyamatos elektromos áramot generálnak, ha vezetőként használják őket. Ez a felfedezés vezetett az első voltacella, közismertebb nevén akkumulátor feltalálásához. Volta azt is felfedezte, hogy a feszültség növekedni fog, ha a voltacellákat egymásra rakják. A 3. ábra egy ilyen soros csatlakozást mutat be.

1-3. ábra: Négy változat
a Volta elektromos akkumulátoráról
Az akkumulátorban lévő fémeknek különböző elektromos hatásaik vannak. Volta észrevette, hogy a különböző anyagoknál a feszültségpotenciál annál erősebb lett, minél távolabb kerültek egymástól.
Az alább felsorolt fémek közül az első szám az elektronvonzással kapcsolatos affinitás; a második az első oxidációs állapot standard potenciálja.
Cink = 1,6 / -0,76 V
Ólom = 1,9 / -0,13 V
Ón = 1,8 / -1,07 V
Vas = 1,8 / -0,04 V
Réz = 1,9 / 0,159 V
Ezüst = 1,9 / 1,98 V
Arany = 2,4 / 1,83 V
Szén = 2,5 / 0,13 V
A fémek határozzák meg az akkumulátor feszültségét; sós vízbe áztatott nedves papírral választották el őket.
A Cadex jóvoltából
Ugyanebben az évben Volta kiadta a Londoni Királyi Társaságnak a folyamatos áramforrásról szóló felfedezését. A kísérletek többé nem korlátozódtak a szikrák rövid, a másodperc töredékéig tartó megjelenítésére. Az elektromos áram végtelen áramlása most lehetségesnek tűnt.
Franciaország volt az egyik első nemzet, amely hivatalosan is elismerte Volta felfedezését. Ez abban az időszakban történt, amikor Franciaország a tudományos fejlődés csúcsához közeledett, és tárt karokkal fogadták az új ötleteket, amelyek hozzájárultak az ország politikai programjának támogatásához. Volta meghívásra felszólalt a Francia Intézethez egy előadássorozaton, amelyen Bonaparte Napóleon az intézet tagjaként jelen volt (lásd 4. ábra).

4. ábra: Volta kísérletei a Franciaországi Intézetben
Volta felfedezései annyira lenyűgözték a világot, hogy 1800 novemberében a Francia Nemzeti Intézet meghívta előadásokra olyan eseményekre, amelyeken Bonaparte Napóleon is részt vett. Napóleon segített a kísérletekben, szikrákat merített az akkumulátorból, megolvasztott egy acélhuzalt, kisütött egy elektromos pisztolyt, és vizet bontott elemeire.
A Cadex jóvoltából
1800-ban Sir Humphry Davy, a bányászok biztonsági lámpájának feltalálója elkezdte az elektromosság kémiai hatásainak tesztelését, és rájött, hogy az elektromos áram anyagokon keresztül történő átvezetése során bomlás következik be. Ezt a folyamatot később elektrolízisnek nevezték. Új felfedezéseket tett azáltal, hogy a világ legnagyobb és legerősebb elektromos akkumulátorát telepítette a londoni királyi intézmény trezoraiba. Az akkumulátort szénelektródákhoz csatlakoztatva az első elektromos fény keletkezett. A szemtanúk arról számoltak be, hogy voltaikus ívlámpája „a valaha látott legragyogóbb felszálló fényívet produkálta”.
1802-ben William Cruickshank megtervezte az első elektromos akkumulátort tömeggyártásra. Cruickshank négyzet alakú rézlemezeket rendezett el azonos méretű cinklapokkal. Ezeket a lapokat egy hosszú, téglalap alakú fadobozba helyezték és összeforrasztották. A dobozban lévő hornyok a helyükön tartották a fémlemezeket, majd a lezárt dobozt megtöltötték sóoldat elektrolitjával vagy felvizezett savval. Ez az elárasztott akkumulátorhoz hasonlított, amely ma is velünk van. Az 5. ábra a Cruickshank akkumulátorműhelyét mutatja be.

5. ábra: Cruickshank és az első elárasztott akkumulátor. William Cruickshank angol kémikus elektromos cellákból álló akkumulátort épített úgy, hogy cink- és rézlemezeket egyesített egy elektrolitoldattal töltött fadobozban. Ennek az elárasztott konstrukciónak az volt az előnye, hogy nem száradt ki használat közben, és több energiát biztosított, mint a Volta lemezelrendezése.
A Cadex jóvoltából
Az újratölthető akkumulátor találmánya
1836-ban John F. Daniell, egy angol vegyész kifejlesztett egy továbbfejlesztett akkumulátort, amely egyenletesebb áramot produkált, mint a korábbi készülékek. Eddig minden akkumulátor elsődleges volt, vagyis nem lehetett újratölteni. 1859-ben Gaston Planté francia fizikus feltalálta az első újratölthető akkumulátort. Ólomsavra épült, amely rendszert ma is használnak.
1899-ben a svéd Waldemar Jungner feltalálta a nikkel-kadmium akkumulátort (NiCd), amely nikkelt használt a pozitív elektródának (katódnak), és kadmiumot a negatívnak (anódnak). Az ólomsavhoz képest magas anyagköltségek korlátozták a felhasználását, és két évvel később Thomas Edison egy alternatív megoldást készített a kadmium vasra cserélésével. Az alacsony fajlagos energia, a gyenge teljesítmény alacsony hőmérsékleten és a magas önkisülés korlátozta a nikkel-vas akkumulátor sikerét. Schlecht és Ackermann csak 1932-ben ért el nagyobb terhelési áramokat és javította a NiCd élettartamát a szinterezett póluslemez feltalálásával. 1947-ben Georg Neumannnak sikerült lezárnia a cellát.
Sok éven át a NiCd volt az egyetlen újratölthető akkumulátor a hordozható alkalmazásokhoz. Az 1990-es években az európai környezetvédők aggódni kezdtek a környezetszennyezés miatt, ha a NiCd-t gondatlanul ártalmatlanítják; elkezdték korlátozni ezt a kémiát, és arra kérték a fogyasztói ipart, hogy váltsanak nikkel-metál-hidridre (NiMH), egy környezetbarátabb akkumulátorra. A NiMH hasonló a NiCd-hez, és sokan azt jósolják, hogy a NiMH lesz a lépcsőfoka a tartósabb lítium-ion (Li-ion) felé.
Napjainkban a legtöbb kutatási tevékenység a lítium alapú rendszerek fejlesztésére irányul. A mobiltelefonok, laptopok, digitális fényképezőgépek, elektromos szerszámok és orvosi eszközök táplálása mellett a Li-iont elektromos járművekhez is használják. Az akkumulátornak számos előnye van, különösen nagy fajlagos energiája, egyszerű töltése, alacsony karbantartási igénye és környezetbarát.
Elektromosság a mágnesességen keresztül
Viszonylag későn jött rá a felfedezés arra, hogyan lehet mágnesességgel villamos energiát előállítani. 1820-ban André-Marie Ampère (1775–1836) észrevette, hogy az elektromos áramot szállító vezetékek időnként vonzódnak egymáshoz, máskor pedig taszítják egymást. 1831-ben Michael Faraday (1791–1867) bemutatta, hogy egy rézkorong hogyan biztosít állandó elektromos áramot, miközben erős mágneses térben forog. Faradaynek, Davynek és kutatócsoportjának segítve, sikerült végtelen elektromos erőt generálnia mindaddig, amíg a tekercs és a mágnes közötti mozgás folytatódott. Ez vezetett az elektromos generátor feltalálásához, és a folyamat megfordítása lehetővé tette az elektromos motort. Röviddel ezután olyan transzformátorokat fejlesztettek ki, amelyek a váltakozó áramot (AC) bármilyen kívánt feszültségre alakították át. 1833-ban Faraday megteremtette az elektrokémia alapjait, amelyen Faraday törvénye alapul. Faraday indukciós törvénye a transzformátorokhoz, induktorokhoz és sokféle elektromos motorhoz és generátorhoz kapcsolódó elektromágnesességre vonatkozik.
Miután megértették a mágnesességgel való kapcsolatot, a nagy generátorok elkezdtek egyenletes áramot termelni. Motorok követték, amelyek lehetővé tették a mechanikus mozgást, és az Edison izzó úgy tűnt, hogy legyőzi a sötétséget. Miután George Westinghouse 1893-ban megvilágította a chicagói Kolumbiai Világkiállítást, Westinghouse három nagy generátort épített, hogy a Niagara-vízesésből származó energiát elektromos árammá alakítsa. A Nikola Tesla által kifejlesztett háromfázisú váltakozó áramú technológia lehetővé tette, hogy az átviteli vonalak nagy távolságokra szállítsák az elektromos energiát. Az elektromosságot így széles körben elérhetővé tették az emberiség számára az életminőség javítása érdekében.

6. ábra: 250 000 izzó világítja meg a chicagói kolumbiai világkiállítást 1893-ban.
Az elektromos világítás sikere három nagy hidrogenerátor megépítéséhez vezetett a Niagara-vízesésnél.
A Brooklyn Múzeum Archívumának jóvoltából. Goodyear archív gyűjtemény
Az elektronikus vákuumcső feltalálása az 1900-as évek elején jelentette a következő jelentős lépést a csúcstechnológia felé, lehetővé téve a frekvenciaoszcillátorokat, a jelerősítést és a digitális kapcsolást. Ez vezetett az 1920-as években a rádióadáshoz és az első digitális számítógéphez, az ENIAC-hoz 1946-ban. A tranzisztor 1947-es felfedezése megnyitotta az utat az integrált áramkör 10 évvel későbbi megjelenése előtt, és a mikroprocesszor bevezette az információs korszakot. örökre megváltoztatja élet- és munkamódszerünket.
Az emberiség az elektromosságtól függ, és a mobilitás növekedésével az emberek egyre inkább a hordozható energia felé fordulnak – először a kerekes alkalmazások, majd a hordozhatóság és végül a hordható használat felé. Bármennyire is kínosak és megbízhatatlanok voltak a korai akkumulátorok, a jövő nemzedékei úgy tekinthetnek a mai technológiákra, mint ügyetlen kísérletekre.