Bilakah Bateri Dicipta?

Bilakah Bateri Dicipta?

Universiti Bateri

Salah satu penemuan yang paling luar biasa dan baru dalam 400 tahun yang lalu ialah elektrik. Kita mungkin bertanya, "Adakah elektrik telah wujud selama itu?" Jawapannya adalah ya, dan mungkin lebih lama, tetapi penggunaan praktikalnya hanya digunakan oleh kami sejak pertengahan hingga akhir 1800-an, dan dengan cara yang terhad pada mulanya. Salah satu kerja awam terawal yang mendapat perhatian ialah mencerahkan Pameran World Columbia 1893 Chicago dengan 250,000 mentol, dan menerangi jambatan di atas sungai Seine semasa Pameran Dunia 1900 di Paris.
Penggunaan elektrik mungkin akan kembali lebih jauh. Semasa membina landasan kereta api pada tahun 1936 berhampiran Baghdad, pekerja menemui apa yang kelihatan seperti bateri prasejarah, juga dikenali sebagai Bateri Parthian. Objek itu bermula pada zaman Parthia dan dipercayai berusia 2,000 tahun. Bateri itu terdiri daripada balang tanah liat yang diisi dengan larutan cuka di mana batang besi yang dikelilingi oleh silinder kuprum dimasukkan. Peranti ini menghasilkan 1.1 hingga 2.0 volt elektrik. Rajah 1 menggambarkan Bateri Parthian.

Rajah 1: Bateri Parthian. Sebuah balang tanah liat bateri prasejarah memegang batang besi yang dikelilingi oleh silinder kuprum. Apabila diisi dengan cuka atau larutan elektrolitik, balang menghasilkan 1.1 hingga 2 volt.
Tidak semua saintis menerima Bateri Parthian sebagai sumber tenaga. Ada kemungkinan bahawa peranti itu digunakan untuk penyaduran elektrik, seperti menambahkan lapisan emas atau logam berharga lain pada permukaan. Orang Mesir dikatakan telah menyadur antimoni pada tembaga lebih 4,300 tahun dahulu. Bukti arkeologi menunjukkan bahawa orang Babylon adalah orang pertama yang menemui dan menggunakan teknik galvanik dalam pembuatan barang kemas dengan menggunakan elektrolit berasaskan jus anggur kepada pinggan mangkuk emas. Orang Parthia, yang memerintah Baghdad (sekitar 250 SM), mungkin telah menggunakan bateri untuk menyadur perak.
Salah satu kaedah terawal untuk menjana elektrik pada zaman moden ialah dengan mencipta cas statik. Pada tahun 1660, Otto von Guericke membina mesin elektrik menggunakan glob sulfur besar yang, apabila digosok dan diputar, menarik bulu dan kepingan kertas kecil. Guericke dapat membuktikan bahawa percikan api yang dihasilkan adalah bersifat elektrik.
Penggunaan praktikal pertama elektrik statik ialah "pistol elektrik," yang dicipta oleh Alessandro Volta (1745–1827). Dia berfikir untuk menyediakan komunikasi jarak jauh, walaupun hanya satu bit Boolean. Kawat besi yang disokong oleh tiang kayu akan digantung dari Como ke Milan, Itali. Di hujung penerima, wayar akan ditamatkan dalam balang yang diisi dengan gas metana. Untuk menandakan peristiwa berkod, percikan elektrik akan dihantar melalui wayar untuk tujuan meletupkan pistol elektrik. Pautan komunikasi ini tidak pernah dibina. Rajah 1-2 menunjukkan rendering pensel Alessandro Volta.

Rajah 2: Alessandro Volta, pencipta bateri elektrik
Penemuan Volta tentang penguraian air oleh arus elektrik meletakkan asas elektrokimia.
Dengan hormat dari Cadex

Pada tahun 1791, semasa bekerja di Universiti Bologna, Luigi Galvani mendapati bahawa otot katak akan mengecut apabila disentuh oleh objek logam. Fenomena ini dikenali sebagai elektrik haiwan. Didorong oleh eksperimen ini, Volta memulakan satu siri eksperimen menggunakan zink, plumbum, timah, dan besi sebagai plat positif (katod); dan kuprum, perak, emas, dan grafit sebagai plat negatif (anod). Kepentingan dalam elektrik galvanik tidak lama lagi menjadi meluas.
Bateri Awal
Volta mendapati pada tahun 1800 bahawa cecair tertentu akan menghasilkan aliran berterusan kuasa elektrik apabila digunakan sebagai konduktor. Penemuan ini membawa kepada penciptaan sel voltan pertama, lebih dikenali sebagai bateri. Volta mendapati lagi bahawa voltan akan meningkat apabila sel volta disusun di atas satu sama lain. Rajah 3 menggambarkan sambungan bersiri sedemikian.

Rajah 1-3: Empat variasi
daripada bateri elektrik Volta
Logam dalam bateri mempunyai kesan elektrik yang berbeza. Volta menyedari bahawa potensi voltan dengan bahan yang berbeza menjadi lebih kuat apabila semakin jauh mereka antara satu sama lain.
Nombor pertama dalam logam yang disenaraikan di bawah ialah pertalian untuk menarik elektron; yang kedua ialah keupayaan piawai daripada keadaan pengoksidaan pertama.
Zink = 1.6 / -0.76 V
Plumbum = 1.9 / -0.13 V
Timah = 1.8 / -1.07 V
Besi = 1.8 / -0.04 V
Kuprum = 1.9 / 0.159 V
Perak = 1.9 / 1.98 V
Emas = 2.4 / 1.83 V
Karbon = 2.5 / 0.13 V
Logam menentukan voltan bateri; mereka diasingkan dengan kertas lembap yang direndam dalam air masin.
Dengan hormat dari Cadex
Pada tahun yang sama, Volta mengeluarkan penemuannya tentang sumber elektrik yang berterusan kepada Royal Society of London. Eksperimen tidak lagi terhad kepada paparan singkat percikan api yang bertahan selama pecahan sesaat. Aliran arus elektrik yang tidak berkesudahan kini kelihatan mungkin.
Perancis adalah salah satu negara pertama yang secara rasmi mengiktiraf penemuan Volta. Ini adalah ketika Perancis menghampiri kemuncak kemajuan saintifik dan idea-idea baru disambut dengan tangan terbuka, membantu menyokong agenda politik negara. Dengan jemputan, Volta berucap kepada Institut Perancis dalam satu siri kuliah di mana Napoleon Bonaparte hadir sebagai ahli institut itu (lihat Rajah 4).

Rajah 4: Eksperimen Volta di Institut Perancis
Penemuan Volta begitu mengagumkan dunia sehinggakan pada November 1800 Institut Kebangsaan Perancis menjemputnya ke kuliah di acara-acara di mana Napoleon Bonaparte mengambil bahagian. Napoleon membantu dengan eksperimen, mengeluarkan bunga api dari bateri, mencairkan dawai keluli, mengeluarkan pistol elektrik, dan mengurai air ke dalam unsur-unsurnya.
Dengan hormat dari Cadex
Pada tahun 1800, Sir Humphry Davy, pencipta lampu keselamatan pelombong, mula menguji kesan kimia elektrik dan mendapati bahawa penguraian berlaku apabila mengalirkan arus elektrik melalui bahan. Proses ini kemudiannya dipanggil elektrolisis. Dia membuat penemuan baharu dengan memasang bateri elektrik terbesar dan paling berkuasa di dunia di bilik kebal Institusi Diraja London. Menyambungkan bateri ke elektrod arang menghasilkan cahaya elektrik pertama. Saksi melaporkan bahawa lampu arka voltannya menghasilkan "lengkungan cahaya menaik paling cemerlang yang pernah dilihat."
Pada tahun 1802, William Cruickshank mereka bentuk bateri elektrik pertama untuk pengeluaran besar-besaran. Cruickshank menyusun kepingan kuprum segi empat sama dengan kepingan zink bersaiz sama. Lembaran ini diletakkan ke dalam kotak kayu segi empat tepat panjang dan dipateri bersama. Alur dalam kotak memegang plat logam pada kedudukannya, dan kotak yang dimeterai kemudiannya diisi dengan elektrolit air garam, atau asid yang disiram. Ini menyerupai bateri yang dibanjiri yang masih ada pada kita hari ini. Rajah 5 menggambarkan bengkel bateri Cruickshank.

Rajah 5: Cruickshank dan bateri pertama yang dibanjiri. William Cruickshank, seorang ahli kimia Inggeris, membina bateri sel elektrik dengan mencantumkan plat zink dan kuprum dalam kotak kayu yang diisi dengan larutan elektrolit. Reka bentuk banjir ini mempunyai kelebihan kerana tidak kering dengan penggunaan dan memberikan lebih banyak tenaga daripada susunan cakera Volta.
Dengan hormat dari Cadex
Ciptaan Bateri Boleh Dicas semula
Pada tahun 1836, John F. Daniell, seorang ahli kimia Inggeris, membangunkan bateri yang lebih baik yang menghasilkan arus yang lebih stabil daripada peranti terdahulu. Sehingga masa ini, semua bateri adalah utama, bermakna ia tidak boleh dicas semula. Pada tahun 1859, ahli fizik Perancis Gaston Planté mencipta bateri boleh dicas semula yang pertama. Ia berasaskan asid plumbum, sistem yang masih digunakan hari ini.
Pada tahun 1899, Waldemar Jungner dari Sweden mencipta bateri nikel-kadmium (NiCd), yang menggunakan nikel untuk elektrod positif (katod) dan kadmium untuk negatif (anod). Kos bahan yang tinggi berbanding asid plumbum menghadkan penggunaannya dan dua tahun kemudian, Thomas Edison menghasilkan reka bentuk alternatif dengan menggantikan kadmium dengan besi. Tenaga khusus yang rendah, prestasi buruk pada suhu rendah dan nyahcas sendiri yang tinggi mengehadkan kejayaan bateri besi nikel. Hanya pada tahun 1932 Schlecht dan Ackermann mencapai arus beban yang lebih tinggi dan meningkatkan jangka hayat NiCd dengan mencipta plat tiang tersinter. Pada tahun 1947, Georg Neumann berjaya menutup sel itu.
Selama bertahun-tahun, NiCd adalah satu-satunya bateri boleh dicas semula untuk aplikasi mudah alih. Pada tahun 1990-an, ahli alam sekitar di Eropah menjadi bimbang tentang pencemaran alam sekitar jika NiCd dilupuskan secara cuai; mereka mula menyekat kimia ini dan meminta industri pengguna beralih kepada Nickel-metal-hydride (NiMH), bateri yang mesra alam. NiMH adalah serupa dengan NiCd, dan ramai yang meramalkan bahawa NiMH akan menjadi batu loncatan kepada litium-ion (Li-ion) yang lebih berkekalan.
Kebanyakan aktiviti penyelidikan hari ini berkisar pada penambahbaikan sistem berasaskan litium. Selain membekalkan kuasa kepada telefon selular, komputer riba, kamera digital, alat kuasa dan peranti perubatan, Li-ion juga digunakan untuk kenderaan elektrik. Bateri mempunyai beberapa faedah, terutamanya tenaga khusus yang tinggi, pengecasan mudah, penyelenggaraan yang rendah dan jinak alam sekitar.
Elektrik Melalui Kemagnetan
Penemuan cara menjana elektrik melalui kemagnetan datang agak lewat. Pada tahun 1820, André-Marie Ampère (1775–1836) menyedari bahawa wayar yang membawa arus elektrik ada kalanya tertarik dan pada masa lain ditolak antara satu sama lain. Pada tahun 1831, Michael Faraday (1791–1867) menunjukkan bagaimana cakera kuprum memberikan aliran elektrik yang berterusan semasa berputar dalam medan magnet yang kuat. Faraday, membantu Davy dan pasukan penyelidiknya, berjaya menghasilkan daya elektrik yang tidak berkesudahan selagi pergerakan antara gegelung dan magnet berterusan. Ini membawa kepada penciptaan penjana elektrik dan membalikkan proses membolehkan motor elektrik. Tidak lama selepas itu, transformer telah dibangunkan yang menukarkan arus ulang alik (AC) kepada sebarang voltan yang dikehendaki. Pada tahun 1833, Faraday menubuhkan asas elektrokimia yang menjadi asas kepada undang-undang Faraday. Hukum aruhan Faraday berkaitan dengan elektromagnetisme yang dikaitkan dengan transformer, induktor, dan banyak jenis motor dan penjana elektrik.
Sebaik sahaja hubungan dengan kemagnetan difahami, penjana besar mula menghasilkan aliran elektrik yang stabil. Motor mengikuti yang membolehkan pergerakan mekanikal, dan mentol lampu Edison kelihatan menakluki kegelapan. Selepas George Westinghouse menyalakan Pameran Kolumbia Dunia Chicago pada tahun 1893, Westinghouse membina tiga penjana besar untuk mengubah tenaga dari Air Terjun Niagara menjadi elektrik. Teknologi AC tiga fasa yang dibangunkan oleh Nikola Tesla membolehkan talian penghantaran membawa kuasa elektrik pada jarak yang jauh. Oleh itu, tenaga elektrik telah disediakan secara meluas kepada manusia untuk meningkatkan kualiti hidup.

Rajah 6: 250,000 mentol menerangi Ekspo Columbia Dunia Chicago pada tahun 1893.
Kejayaan lampu elektrik membawa kepada pembinaan tiga penjana hidro besar di Air Terjun Niagara.
Dengan hormat dari Arkib Muzium Brooklyn. Koleksi Arkib Goodyear
Penciptaan tiub vakum elektronik pada awal 1900-an membentuk langkah penting seterusnya ke arah teknologi tinggi, membolehkan pengayun frekuensi, penguatan isyarat, dan pensuisan digital. Ini membawa kepada penyiaran radio pada tahun 1920-an dan komputer digital pertama, yang dipanggil ENIAC, pada tahun 1946. Penemuan transistor pada tahun 1947 membuka jalan untuk ketibaan litar bersepadu 10 tahun kemudian, dan mikropemproses membawa kepada Zaman Maklumat, selamanya mengubah cara hidup dan bekerja kita.
Kemanusiaan bergantung kepada elektrik, dan dengan peningkatan mobiliti, orang ramai semakin tertarik kepada kuasa mudah alih — pertama untuk aplikasi beroda, kemudian mudah alih, dan akhirnya penggunaan boleh pakai. Walaupun janggal dan tidak boleh dipercayai seperti bateri awal, generasi akan datang mungkin melihat teknologi hari ini sebagai tidak lebih daripada percubaan yang kekok.