Kiedy wynaleziono baterię?

Kiedy wynaleziono baterię?

Uniwersytet Baterii

Jednym z najbardziej niezwykłych i nowatorskich odkryć ostatnich 400 lat była elektryczność. Możemy zapytać: „Czy elektryczność działała tak długo?” Odpowiedź brzmi: tak i być może znacznie dłużej, ale jej praktyczne zastosowanie było do naszej dyspozycji dopiero od połowy do końca XIX wieku i początkowo w ograniczony sposób. Jednym z najwcześniejszych prac publicznych, które zwróciły uwagę, było oświetlenie Światowej Wystawy Columbia w Chicago z 1893 r. 250 000 żarówek oraz oświetlenie mostu na Sekwanie podczas Światowych Targów w 1900 r. w Paryżu.
Wykorzystanie energii elektrycznej może sięgać dalej. Podczas budowy linii kolejowej w 1936 r. w pobliżu Bagdadu robotnicy odkryli coś, co wydawało się być prehistoryczną baterią, znaną również jako bateria Partów. Obiekt pochodzi z okresu Partów i uważa się, że ma 2000 lat. Bateria składała się z glinianego dzbana wypełnionego roztworem octu, do którego włożono żelazny pręt otoczony miedzianym cylindrem. To urządzenie wytwarzało od 1,1 do 2,0 woltów energii elektrycznej. Rysunek 1 przedstawia Baterię Partów.

Rysunek 1: Bateria Partów. Gliniany dzban prehistorycznej baterii zawiera żelazny pręt otoczony miedzianym cylindrem. Po napełnieniu octem lub roztworem elektrolitu słoik wytwarza napięcie od 1,1 do 2 woltów.
Nie wszyscy naukowcy akceptują Baterię Partów jako źródło energii. Możliwe, że urządzenie było używane do galwanizacji, np. dodawania do powierzchni warstwy złota lub innych metali szlachetnych. Mówi się, że Egipcjanie galwanizowali antymon na miedzi ponad 4300 lat temu. Dowody archeologiczne sugerują, że Babilończycy jako pierwsi odkryli i zastosowali technikę galwaniczną w produkcji biżuterii, używając elektrolitu na bazie soku winogronowego do złocenia kamionki. Partowie, którzy rządzili Bagdadem (ok. 250 pne), być może używali baterii do galwanizacji srebra.
Jedną z najwcześniejszych metod wytwarzania energii elektrycznej w czasach nowożytnych było wytworzenie ładunku statycznego. W 1660 roku Otto von Guericke skonstruował maszynę elektryczną wykorzystującą dużą kulę siarkową, która po potarciu i obróceniu przyciągała pióra i małe kawałki papieru. Guericke był w stanie udowodnić, że generowane iskry miały charakter elektryczny.
Pierwszym praktycznym zastosowaniem elektryczności statycznej był „pistolet elektryczny”, który wynalazł Alessandro Volta (1745-1827). Pomyślał o zapewnieniu komunikacji na duże odległości, choć tylko z jednym bitem logicznym. Żelazny drut wsparty na drewnianych słupach miał zostać przeciągnięty z Como do Mediolanu we Włoszech. Na końcu odbiorczym drut kończyłby się w słoiku wypełnionym gazem metanowym. Aby zasygnalizować zakodowane zdarzenie, przewodem wysyłana byłaby iskra elektryczna w celu zdetonowania elektrycznego pistoletu. To łącze komunikacyjne nigdy nie zostało zbudowane. Rycina 1-2 przedstawia ołówek Alessandro Volty.

Rysunek 2: Alessandro Volta, wynalazca akumulatora elektrycznego
Odkrycie przez Voltę rozkładu wody pod wpływem prądu elektrycznego położyło podwaliny pod elektrochemię.
Dzięki uprzejmości Cadex

W 1791 roku, pracując na Uniwersytecie Bolońskim, Luigi Galvani odkrył, że mięsień żaby kurczy się po dotknięciu metalowym przedmiotem. Zjawisko to stało się znane jako elektryczność zwierząt. Zainspirowany tymi eksperymentami, Volta zainicjował serię eksperymentów z wykorzystaniem cynku, ołowiu, cyny i żelaza jako dodatnich płyt (katody); oraz miedź, srebro, złoto i grafit jako płyty ujemne (anoda). Zainteresowanie elektrycznością galwaniczną szybko stało się powszechne.
Wczesne baterie
Volta odkrył w 1800 roku, że niektóre płyny generują ciągły przepływ energii elektrycznej, gdy są używane jako przewodnik. To odkrycie doprowadziło do wynalezienia pierwszego ogniwa galwanicznego, bardziej znanego jako bateria. Volta odkrył dalej, że napięcie wzrośnie, gdy ogniwa fotowoltaiczne zostaną ułożone jeden na drugim. Rysunek 3 ilustruje takie połączenie szeregowe.

Rysunek 1-3: Cztery warianty
baterii elektrycznej Volty
Metale w akumulatorze mają różne efekty elektryczne. Volta zauważył, że potencjał napięciowy z odmiennymi substancjami wzrastał w miarę oddalania się od siebie.
Pierwsza liczba w metalach wymienionych poniżej to powinowactwo do przyciągania elektronów; drugi to potencjał standardowy z pierwszego stopnia utlenienia.
Cynk = 1,6 / -0,76 V
Ołów = 1,9 / -0,13 V
Cyna = 1,8 / -1,07 V
Żelazo = 1,8 / -0,04 V
Miedź = 1,9 / 0,159 V
Srebro = 1,9 / 1,98 V
Złoto = 2,4 / 1,83 V
Węgiel = 2,5 / 0,13 V
Metale określają napięcie baterii; oddzielono je wilgotnym papierem nasączonym w słonej wodzie.
Dzięki uprzejmości Cadex
W tym samym roku Volta ujawnił swoje odkrycie nieprzerwanego źródła energii elektrycznej Royal Society of London. Eksperymenty nie ograniczały się już do krótkiego pokazu iskier, który trwał ułamek sekundy. Niekończący się strumień prądu elektrycznego wydawał się teraz możliwy.
Francja była jednym z pierwszych krajów, które oficjalnie uznały odkrycia Volty. Działo się to w czasie, gdy Francja zbliżała się do szczytu postępu naukowego, a nowe idee były przyjmowane z otwartymi ramionami, pomagając wesprzeć agendę polityczną kraju. Na zaproszenie Volta wygłosił w Instytucie Francji serię wykładów, na których Napoleon Bonaparte był obecny jako członek instytutu (patrz rys. 4).

Rysunek 4: Eksperymenty Volty w Instytucie Francji
Odkrycia Volty wywarły takie wrażenie na świecie, że w listopadzie 1800 roku Francuski Instytut Narodowy zaprosił go na wykłady na wydarzeniach, w których uczestniczył Napoleon Bonaparte. Napoleon pomagał w eksperymentach, czerpiąc iskry z akumulatora, topiąc stalowy drut, rozładowując pistolet elektryczny i rozkładając wodę na jego elementy.
Dzięki uprzejmości Cadex
W 1800 roku Sir Humphry Davy, wynalazca górniczej lampy bezpieczeństwa, rozpoczął badania chemicznego wpływu elektryczności i odkrył, że rozkład zachodzi podczas przepuszczania prądu elektrycznego przez substancje. Proces ten został później nazwany elektrolizą. Dokonał nowych odkryć, instalując największą i najpotężniejszą na świecie baterię elektryczną w podziemiach Royal Institution of London. Podłączenie baterii do elektrod węglowych dało pierwsze światło elektryczne. Świadkowie poinformowali, że jego lampa łukowa wytworzyła „najjaśniejszy wznoszący się łuk światła, jaki kiedykolwiek widziano”.
W 1802 roku William Cruickshank zaprojektował pierwszy akumulator elektryczny do masowej produkcji. Cruickshank ułożył kwadratowe arkusze miedzi z równymi rozmiarami arkuszy cynku. Arkusze te zostały umieszczone w długim, prostokątnym drewnianym pudełku i zlutowane. Rowki w pudełku utrzymywały metalowe płytki na miejscu, a szczelne pudełko zostało następnie wypełnione elektrolitem solanki lub rozwodnionym kwasem. Przypominało to zalany akumulator, który jest z nami do dziś. Rysunek 5 ilustruje warsztat baterii Cruickshank.

Rysunek 5: Cruickshank i pierwsza zalana bateria. William Cruickshank, angielski chemik, zbudował baterię ogniw elektrycznych, łącząc płytki cynkowe i miedziane w drewnianej skrzynce wypełnionej roztworem elektrolitu. Ta zalana konstrukcja miała tę zaletę, że nie wysychała podczas użytkowania i dostarczała więcej energii niż układ dysków Volty.
Dzięki uprzejmości Cadex
Wynalezienie akumulatora
W 1836 r. angielski chemik John F. Daniell opracował ulepszoną baterię, która wytwarza bardziej stabilny prąd niż wcześniejsze urządzenia. Do tego czasu wszystkie baterie były pierwotne, co oznaczało, że nie można było ich ponownie naładować. W 1859 roku francuski fizyk Gaston Planté wynalazł pierwszy akumulator. Opierał się na kwasie ołowiowym, który jest używany do dziś.
W 1899 Waldemar Jungner ze Szwecji wynalazł baterię niklowo-kadmową (NiCd), w której zastosowano nikiel jako elektrodę dodatnią (katodę) i kadm jako elektrodę ujemną (anodę). Wysokie koszty materiałów w porównaniu z kwasem ołowiowym ograniczyły jego zastosowanie, a dwa lata później Thomas Edison opracował alternatywny projekt, zastępując kadm żelazem. Niska energia właściwa, słaba wydajność w niskich temperaturach i wysokie samorozładowanie ograniczyły sukces akumulatora niklowo-żelazowego. Dopiero w 1932 roku Schlecht i Ackermann osiągnęli wyższe prądy obciążenia i poprawili żywotność NiCd poprzez wynalezienie spiekanej płyty biegunowej. W 1947 Georgowi Neumannowi udało się zapieczętować celę.
Przez wiele lat NiCd był jedynym akumulatorem do zastosowań przenośnych. W latach 90. ekolodzy w Europie zaniepokoili się zanieczyszczeniem środowiska w przypadku nieostrożnego usuwania NiCd; zaczęli ograniczać tę chemię i poprosili przemysł konsumencki o przejście na bardziej przyjazny dla środowiska akumulator niklowo-metalowo-wodorkowy (NiMH). NiMH jest podobny do NiCd i wielu przewiduje, że NiMH będzie odskocznią do trwalszego litowo-jonowego (Li-ion).
Większość dzisiejszych działań badawczych koncentruje się na ulepszaniu systemów litowych. Oprócz zasilania telefonów komórkowych, laptopów, aparatów cyfrowych, elektronarzędzi i urządzeń medycznych, Li-ion jest również używany w pojazdach elektrycznych. Bateria ma wiele zalet, w szczególności wysoką energię właściwą, proste ładowanie, niskie koszty utrzymania i przyjazność dla środowiska.
Elektryczność przez magnetyzm
Odkrycie sposobu generowania elektryczności za pomocą magnetyzmu przyszło stosunkowo późno. W 1820 r. André-Marie Ampère (1775-1836) zauważył, że przewody przewodzące prąd elektryczny były czasami przyciągane do siebie, a innym razem odpychane. W 1831 r. Michael Faraday (1791-1867) zademonstrował, jak miedziany dysk zapewnia stały przepływ elektryczności, obracając się w silnym polu magnetycznym. Faraday, asystując Davy'emu i jego zespołowi badawczemu, zdołał wygenerować nieskończoną siłę elektryczną, dopóki trwał ruch między cewką a magnesem. Doprowadziło to do wynalezienia generatora elektrycznego, a odwrócenie procesu umożliwiło silnik elektryczny. Wkrótce potem opracowano transformatory, które przekształcają prąd przemienny (AC) na dowolne napięcie. W 1833 Faraday ustanowił fundament elektrochemii, na którym opiera się prawo Faradaya. Prawo indukcji Faradaya odnosi się do elektromagnetyzmu związanego z transformatorami, cewkami indukcyjnymi i wieloma typami silników elektrycznych i generatorów.
Kiedy zrozumieno związek z magnetyzmem, duże generatory zaczęły wytwarzać stały przepływ energii elektrycznej. Potem pojawiły się silniki, które umożliwiły ruch mechaniczny, a żarówka Edisona zdawała się zwyciężać ciemność. Po tym, jak George Westinghouse rozświetlił Światową Wystawę Kolumbijską w Chicago w 1893 roku, Westinghouse zbudował trzy duże generatory, aby przekształcić energię z wodospadu Niagara w energię elektryczną. Technologia trójfazowego prądu przemiennego opracowana przez Nikolę Teslę umożliwiła liniom przesyłowym przesyłanie energii elektrycznej na duże odległości. W ten sposób elektryczność stała się powszechnie dostępna dla ludzkości, aby poprawić jakość życia.

Ilustracja 6: 250 000 żarówek oświetla Światową Wystawę Kolumbijską w Chicago w 1893 roku.
Sukces oświetlenia elektrycznego doprowadził do zbudowania trzech dużych hydrogeneratorów przy wodospadzie Niagara.
Dzięki uprzejmości Archiwum Muzeum Brooklyńskiego. Kolekcja archiwalna Goodyear
Wynalezienie elektronicznej lampy próżniowej na początku XX wieku stanowiło kolejny krok w kierunku zaawansowanej technologii, umożliwiającej oscylatory częstotliwości, wzmocnienie sygnału i przełączanie cyfrowe. Doprowadziło to do nadawania programów radiowych w latach dwudziestych XX wieku i pierwszego komputera cyfrowego o nazwie ENIAC w 1946 roku. Odkrycie tranzystora w 1947 utorowało drogę do pojawienia się układu scalonego 10 lat później, a mikroprocesor zapoczątkował epokę informacji, na zawsze zmieniając sposób, w jaki żyjemy i pracujemy.
Ludzkość jest uzależniona od elektryczności, a wraz ze wzrostem mobilności ludzie coraz bardziej skłaniają się w stronę przenośnej mocy — najpierw do zastosowań na kółkach, potem do przenoszenia, a na końcu do noszenia. Choć wczesne baterie mogły być niezręczne i zawodne, przyszłe pokolenia mogą postrzegać dzisiejsze technologie jako nic więcej niż niezdarne eksperymenty.