Батарея қашан пайда болды?

Батарея қашан пайда болды?

Батарея университеті

Соңғы 400 жылдағы ең керемет және жаңа жаңалықтардың бірі электр энергиясы болды. Біз: «Электр осыншама уақыт болды ма?» Деп сұрауымыз мүмкін. Жауап иә, мүмкін, әлдеқайда ұзағырақ, бірақ оны практикалық қолдану 1800-ші жылдардың ортасынан аяғына дейін және бастапқыда шектеулі түрде ғана біздің қолымызда болды. Көңіл аударған ең алғашқы қоғамдық жұмыстардың бірі 1893 жылы Чикагодағы Дүниежүзілік Колумбия көрмесін 250 000 шаммен жарықтандыру және 1900 жылы Парижде өткен Дүниежүзілік көрме кезінде Сена өзенінің үстіндегі көпірді жарықтандыру болды.
Электр қуатын пайдалану одан әрі артқа кетуі мүмкін. 1936 жылы Бағдад маңында темір жол салу кезінде жұмысшылар «Парфия батареясы» деп те аталатын тарихқа дейінгі батарея болып көрінетін нәрсені тапты. Нысан Парфия кезеңіне жатады және оның жасы 2000 жыл деп есептеледі. Батарея сірке суы ерітіндісімен толтырылған саз құмырадан тұрды, оның ішіне мыс цилиндрімен қоршалған темір өзек салынған. Бұл құрылғы 1,1-ден 2,0 вольтқа дейін электр энергиясын өндірді. 1-суретте Парфия батареясы көрсетілген.

1-сурет: Парфия батареясы. Тарихқа дейінгі батареяның саз құмырасында мыс цилиндрмен қоршалған темір шыбық бар. Сірке суын немесе электролиттік ерітіндіні толтырған кезде банка 1,1-2 вольт шығарады.
Парфия батареясын барлық ғалымдар энергия көзі ретінде қабылдамайды. Құрылғы бетіне алтын немесе басқа бағалы металдар қабатын қосу сияқты гальвания үшін пайдаланылған болуы мүмкін. Мысырлықтар бұдан 4300 жыл бұрын сурьманы мысға электроплатқан деп айтады. Археологиялық дәлелдер вавилондықтардың жүзім шырынына негізделген электролит арқылы алтын тақтайшаға дейін зергерлік бұйымдар жасауда гальваникалық әдісті алғаш ашқан және қолданғанын көрсетеді. Бағдатты билеген парфиялықтар (шамамен б.з.б. 250 ж.) күмісті электроплаткалау үшін батареяларды пайдаланған болуы мүмкін.
Қазіргі уақытта электр энергиясын өндірудің ең алғашқы әдістерінің бірі статикалық зарядты жасау болды. 1660 жылы Отто фон Герик үйкеліс пен айналдыру кезінде қауырсындар мен кішкене қағаз бөліктерін тартатын үлкен күкірт глобусты пайдаланып электр машинасын жасады. Герике пайда болған ұшқындардың электрлік сипатта екенін дәлелдей алды.
Статикалық электр энергиясын бірінші рет практикалық қолдану Алессандро Вольта (1745-1827) ойлап тапқан «электрлік тапанша» болды. Ол тек бір логикалық бит болса да, қалааралық байланыстарды қамтамасыз етуді ойлады. Ағаш тіректерге тірелген темір сым Комодан Италияның Милан қаласына дейін тартылуы керек еді. Қабылдау ұшында сым метан газымен толтырылған құмырада аяқталады. Кодталған оқиға туралы сигнал беру үшін электр тапаншасын жару мақсатында сым арқылы электр ұшқыны жіберіледі. Бұл байланыс байланысы ешқашан салынбаған. 1-2 суретте Алессандро Вольтаның қарындашпен кескіні көрсетілген.

2-сурет: Алессандро Вольта, электр батареясының өнертапқышы
Вольтаның судың электр тогының әсерінен ыдырауын ашуы электрохимияның негізін қалады.
Cadex рұқсатымен

1791 жылы Болонья университетінде жұмыс істеп жүрген Луиджи Гальвани бақаның бұлшық еті металл зат тиген кезде жиырылатынын анықтады. Бұл құбылыс жануарлардың электр тогы деп аталды. Осы эксперименттердің түрткі болған Вольта мырыш, қорғасын, қалайы және темірді оң пластиналар (катод) ретінде қолданатын эксперименттер сериясын бастады; теріс пластиналар (анод) ретінде мыс, күміс, алтын және графит. Гальваникалық электрге деген қызығушылық көп ұзамай кең тарады.
Ерте батареялар
Вольта 1800 жылы белгілі бір сұйықтықтар өткізгіш ретінде пайдаланылған кезде электр қуатының үздіксіз ағынын тудыратынын анықтады. Бұл жаңалық аккумулятор деп аталатын бірінші вольттік ұяшықты ойлап табуға әкелді. Вольта одан әрі вольттік элементтерді бір-бірінің үстіне қою кезінде кернеудің жоғарылайтынын анықтады. 3-суретте осындай сериялық қосылым көрсетілген.

Сурет 1-3: Төрт вариация
Вольтаның электр батареясы
Батареядағы металдар әртүрлі электрлік әсерге ие. Вольта бір-біріне ұқсамайтын заттармен кернеу потенциалы бір-бірінен алшақ болған сайын күшейетінін байқады.
Төменде келтірілген металдардағы бірінші сан - электрондарды тартуға жақындығы; екіншісі – бірінші тотығу дәрежесінен стандартты потенциал.
Мырыш = 1,6 / -0,76 В
Қорғасын = 1,9 / -0,13 В
Қалайы = 1,8 / -1,07 В
Темір = 1,8 / -0,04 В
Мыс = 1,9 / 0,159 В
Күміс = 1,9 / 1,98 В
Алтын = 2,4 / 1,83 В
Көміртек = 2,5 / 0,13 В
Металдар аккумулятордың кернеуін анықтайды; олар тұзды суға малынған дымқыл қағазбен бөлінген.
Cadex рұқсатымен
Сол жылы Вольта Лондон корольдік қоғамына үздіксіз электр энергиясының көзін ашты. Енді эксперименттер секундтың бір бөлігіне созылатын ұшқындардың қысқаша көрінісімен шектелмеді. Электр тогының шексіз ағыны енді мүмкін болып көрінді.
Франция Вольтаның ашқан жаңалықтарын ресми мойындаған алғашқы елдердің бірі болды. Бұл Франция ғылыми жетістіктердің шыңына жақындап, жаңа идеяларды құшақ жая қарсы алып, елдің саяси күн тәртібін қолдауға көмектескен уақыт болды. Шақыру бойынша Вольта Франция институтында Наполеон Бонапарттың институт мүшесі ретінде қатысқан дәрістер сериясында сөз сөйледі (4-суретті қараңыз).

4-сурет: Франция институтындағы Вольта тәжірибелері
Вольтаның ашқан жаңалықтары әлемді таң қалдырғаны сонша, 1800 жылы қарашада Француз ұлттық институты оны Наполеон Бонапарт қатысқан іс-шараларға дәріс оқуға шақырды. Наполеон тәжірибелерге көмектесті, аккумулятордан ұшқын шығарды, болат сымды балқытты, электр тапаншасын разрядтады және суды оның элементтеріне ыдыратты.
Cadex рұқсатымен
1800 жылы шахтердің қауіпсіздік шамын ойлап тапқан сэр Хамфри Дэви электр тогының химиялық әсерін сынай бастады және заттар арқылы электр тогын өткенде ыдырау пайда болатынын анықтады. Бұл процесс кейін электролиз деп аталды. Ол Лондон корольдік институтының қоймасына әлемдегі ең үлкен және ең қуатты электр батареясын орнату арқылы жаңа жаңалықтар ашты. Батареяны көмір электродтарына қосу бірінші электр жарығын берді. Куәгерлердің айтуынша, оның доғалық шамы «бұрын-соңды көрген ең керемет жарық доғасын» жасаған.
1802 жылы Уильям Круикшенк жаппай өндіріске арналған алғашқы электр батареясын жасады. Cruickshank мырыштың бірдей өлшемді парақтары бар шаршы мыс парақтарын орналастырды. Бұл парақтар ұзын төртбұрышты ағаш жәшікке салынып, бір-бірімен дәнекерленген. Қораптағы ойықтар металл пластиналарды орнында ұстады, содан кейін тығыздалған қорап тұзды ерітіндінің электролитімен немесе суланған қышқылмен толтырылды. Бұл бүгінгі күнге дейін бізде болатын су басқан батареяға ұқсады. 5-суретте Cruickshank аккумуляторлық шеберханасы көрсетілген.

5-сурет: Cruickshank және бірінші су басқан батарея. Ағылшын химигі Уильям Круикшенк электролит ерітіндісімен толтырылған ағаш қораптағы мырыш пен мыс пластиналарын біріктіру арқылы электр элементтерінің батареясын жасады. Бұл су басқан дизайн пайдалану кезінде кеуіп кетпеу артықшылығына ие болды және Вольта дискінің орналасуына қарағанда көбірек қуат берді.
Cadex рұқсатымен
Қайта зарядталатын батареяның өнертабысы
1836 жылы ағылшын химигі Джон Ф.Дэниэлл бұрынғы құрылғыларға қарағанда тұрақты ток беретін жақсартылған батареяны жасап шығарды. Осы уақытқа дейін барлық батареялар бастапқы болды, яғни оларды қайта зарядтау мүмкін болмады. 1859 жылы француз физигі Гастон Планте бірінші қайта зарядталатын батареяны ойлап тапты. Ол қорғасын қышқылына негізделген, бұл жүйе әлі күнге дейін қолданылады.
1899 жылы швециялық Вальдемар Юнгнер никель-кадмий батареясын (NiCd) ойлап тапты, ол оң электрод (катод) үшін никельді және теріс (анод) үшін кадмийді пайдаланды. Қорғасын қышқылымен салыстырғанда жоғары материалдық шығындар оны пайдалануды шектеді және екі жылдан кейін Томас Эдисон кадмийді темірмен алмастыру арқылы балама дизайн жасады. Төмен меншікті энергия, төмен температурада нашар өнімділік және жоғары өздігінен разрядтау никель-темір батареясының сәттілігін шектеді. 1932 жылы ғана Шлехт пен Акерман агломерленген полюсті пластинаны ойлап табу арқылы жоғары жүктеме токтарына қол жеткізіп, NiCd ұзақ қызмет ету мерзімін жақсартты. 1947 жылы Георг Нейман ұяшықты мөрлей алды.
Көптеген жылдар бойы NiCd портативті қолданбаларға арналған жалғыз қайта зарядталатын батарея болды. 1990 жылдары Еуропадағы экологтар NiCd абайсызда жойылса, қоршаған ортаның ластануы туралы алаңдай бастады; олар бұл химияны шектей бастады және тұтынушы өнеркәсібінен экологиялық таза аккумулятор никель-металл-гидридке (NiMH) ауысуды сұрады. NiMH NiCd-ге ұқсас және көпшілігі NiMH төзімді литий-ионға (Li-ион) баспалдақ болады деп болжайды.
Бүгінгі таңдағы көптеген зерттеу жұмыстары литий негізіндегі жүйелерді жақсартуға бағытталған. Ұялы телефондарды, ноутбуктерді, сандық камераларды, электр құралдарын және медициналық құрылғыларды қуаттандырудан басқа, Li-ion электр көліктері үшін де қолданылады. Аккумулятордың бірқатар артықшылықтары бар, әсіресе оның жоғары меншікті энергиясы, қарапайым зарядтау, төмен техникалық қызмет көрсету және қоршаған ортаға зиянсыз.
Магнитизм арқылы электр тогы
Магнитизм арқылы электр энергиясын өндірудің ашылуы салыстырмалы түрде кеш болды. 1820 жылы Андре-Мари Ампер (1775–1836) электр тогы бар сымдардың кейде бір-біріне тартылатынын, ал кейде итерілетінін байқады. 1831 жылы Майкл Фарадей (1791–1867) мыс дискінің күшті магнит өрісінде айналу кезінде тұрақты электр ағынын қалай қамтамасыз ететінін көрсетті. Фарадей Дэвиге және оның зерттеу тобына көмектесе отырып, катушкалар мен магнит арасындағы қозғалыс жалғасқанша шексіз электр күшін жасай алды. Бұл электр генераторының ойлап табылуына әкелді және процесті кері қайтару электр қозғалтқышын іске қосты. Көп ұзамай айнымалы токты кез келген қажетті кернеуге түрлендіретін трансформаторлар жасалды. 1833 жылы Фарадей Фарадей заңы негізделген электрохимияның негізін қалады. Фарадейдің индукция заңы трансформаторларға, индукторларға және электр қозғалтқыштары мен генераторлардың көптеген түрлеріне байланысты электромагнетизмге қатысты.
Магнитизммен байланысы түсінілгеннен кейін үлкен генераторлар тұрақты электр ағынын шығара бастады. Моторлар механикалық қозғалысты қамтамасыз етті, ал Эдисон шамы қараңғылықты жеңгендей болды. Джордж Вестингхаус 1893 жылы Чикагодағы Дүниежүзілік Колумбия көрмесін жарықтандырғаннан кейін, Вестингхаус Ниагара сарқырамасы энергиясын электр энергиясына айналдыру үшін үш үлкен генератор салды. Никола Тесла әзірлеген үш фазалы айнымалы ток технологиясы электр беру желілеріне электр қуатын үлкен қашықтыққа тасымалдауға мүмкіндік берді. Осылайша, электр энергиясы өмір сапасын жақсарту үшін адамзатқа кеңінен қол жетімді болды.

6-сурет: 250 000 шамдар 1893 жылы Чикагодағы Дүниежүзілік Колумбия көрмесін жарықтандырады.
Электр жарығының сәтті болуы Ниагара сарқырамасында үш үлкен гидрогенератордың құрылысына әкелді.
Бруклин мұражайының мұрағатының рұқсатымен. Goodyear мұрағат жинағы
1900 жылдардың басында электронды вакуумдық түтіктің өнертабысы жиілік осцилляторларын, сигналды күшейтуді және цифрлық коммутацияны қамтамасыз ететін жоғары технологияға қарай маңызды келесі қадамды құрады. Бұл 1920 жылдары радиохабар таратуға және 1946 жылы ENIAC деп аталатын алғашқы цифрлық компьютерге әкелді. 1947 жылы транзистордың ашылуы 10 жылдан кейін интегралды схеманың келуіне жол ашты, ал микропроцессор Ақпарат ғасырын бастады, өмір сүру және жұмыс істеу тәсілін мәңгілікке өзгертеді.
Адамзат электр қуатына тәуелді және ұтқырлықтың жоғарылауымен адамдар портативті қуатқа көбірек тартылды - алдымен доңғалақты қолданбалар үшін, содан кейін портативтілік және соңында киілетін пайдалану үшін. Алғашқы батареялар қаншалықты ыңғайсыз және сенімсіз болса да, болашақ ұрпақ бүгінгі технологияларды ебедейсіз эксперименттер ретінде қарастыруы мүмкін.