Când a fost inventată bateria?

Când a fost inventată bateria?

Universitatea Battery

Una dintre cele mai remarcabile și mai noi descoperiri din ultimii 400 de ani a fost electricitatea. Ne-am putea întreba: „Există electricitatea atât de mult?” Răspunsul este da, și poate mult mai lung, dar utilizarea sa practică a fost la dispoziția noastră doar de la mijlocul până la sfârșitul anilor 1800 și într-un mod limitat la început. Una dintre cele mai timpurii lucrări publice care a atras atenția a fost iluminarea Expoziției Mondiale Columbia din Chicago din 1893 cu 250.000 de becuri și iluminarea unui pod peste râul Sena în timpul Târgului Mondial din 1900 de la Paris.
Utilizarea energiei electrice poate reveni mai departe. În timp ce construiau o cale ferată în 1936 lângă Bagdad, muncitorii au descoperit ceea ce părea a fi o baterie preistorică, cunoscută și sub denumirea de bateria partică. Obiectul datează din perioada parților și se crede că are o vechime de 2.000 de ani. Bateria era alcătuită dintr-un borcan de lut care era umplut cu o soluție de oțet în care era introdusă o tijă de fier înconjurată de un cilindru de cupru. Acest dispozitiv producea 1,1 până la 2,0 volți de energie electrică. Figura 1 ilustrează bateria partică.

Figura 1: Baterie partică. Un borcan de lut al unei baterii preistorice ține o tijă de fier înconjurată de un cilindru de cupru. Când este umplut cu oțet sau cu soluție electrolitică, borcanul produce 1,1 până la 2 volți.
Nu toți oamenii de știință acceptă Bateria Parthe ca sursă de energie. Este posibil ca dispozitivul să fi fost folosit pentru galvanizare, cum ar fi adăugarea unui strat de aur sau alte metale prețioase pe o suprafață. Se spune că egiptenii au electroplatit antimoniu pe cupru în urmă cu peste 4.300 de ani. Dovezile arheologice sugerează că babilonienii au fost primii care au descoperit și au folosit o tehnică galvanică în fabricarea de bijuterii prin utilizarea unui electrolit pe bază de suc de struguri pe gresie din placa de aur. Parții, care au condus Bagdadul (aproximativ 250 î.Hr.), s-ar putea să fi folosit baterii pentru a galvaniza argint.
Una dintre cele mai vechi metode de a genera electricitate în timpurile moderne a fost crearea unei sarcini statice. În 1660, Otto von Guericke a construit o mașină electrică folosind un glob mare de sulf care, când este frecat și răsucit, a atras pene și bucăți mici de hârtie. Guericke a reușit să demonstreze că scânteile generate sunt de natură electrică.
Prima utilizare practică a electricității statice a fost „pistolul electric”, pe care l-a inventat Alessandro Volta (1745–1827). S-a gândit să ofere comunicații la distanță lungă, deși doar un bit boolean. Un fir de fier susținut de stâlpi de lemn urma să fie înșirat de la Como până la Milano, Italia. La capătul receptor, firul se termina într-un borcan plin cu gaz metan. Pentru a semnala un eveniment codificat, o scânteie electrică ar fi trimisă prin fir în scopul detonării pistolului electric. Această legătură de comunicații nu a fost niciodată construită. Figura 1-2 prezintă o redare în creion a lui Alessandro Volta.

Figura 2: Alessandro Volta, inventatorul bateriei electrice
Descoperirea lui Volta despre descompunerea apei de către un curent electric a pus bazele electrochimiei.
Prin amabilitatea lui Cadex

În 1791, în timp ce lucra la Universitatea din Bologna, Luigi Galvani a descoperit că mușchiul unei broaște s-ar contracta atunci când este atins de un obiect metalic. Acest fenomen a devenit cunoscut sub numele de electricitate animală. Îndemnat de aceste experimente, Volta a inițiat o serie de experimente folosind zinc, plumb, staniu și fier ca plăci pozitive (catod); și cupru, argint, aur și grafit ca plăci negative (anod). Interesul pentru electricitatea galvanică a devenit curând larg răspândit.
Baterii timpurii
Volta a descoperit în 1800 că anumite fluide vor genera un flux continuu de energie electrică atunci când sunt folosite ca conductor. Această descoperire a condus la inventarea primei celule voltaice, cunoscută mai frecvent sub numele de baterie. Volta a descoperit în continuare că tensiunea va crește atunci când celulele voltaice erau stivuite una peste alta. Figura 3 ilustrează o astfel de conexiune serială.

Figura 1-3: Patru variante
a bateriei electrice a lui Volta
Metalele dintr-o baterie au efecte electrice diferite. Volta a observat că potențialul de tensiune cu substanțe diferite devenea mai puternic cu cât erau mai îndepărtați unul de celălalt.
Primul număr din metalele enumerate mai jos este afinitatea de a atrage electroni; al doilea este potențialul standard din prima stare de oxidare.
Zinc = 1,6 / -0,76 V
Plumb = 1,9 / -0,13 V
Staniu = 1,8 / -1,07 V
Fier = 1,8 / -0,04 V
Cupru = 1,9 / 0,159 V
Argint = 1,9 / 1,98 V
Aur = 2,4 / 1,83 V
Carbon = 2,5 / 0,13 V
Metalele determină tensiunea bateriei; au fost separate cu hârtie umedă înmuiată în apă sărată.
Prin amabilitatea lui Cadex
În același an, Volta și-a lansat descoperirea unei surse continue de electricitate către Societatea Regală din Londra. Experimentele nu au mai fost limitate la o scurtă afișare de scântei care a durat o fracțiune de secundă. Un flux nesfârșit de curent electric părea acum posibil.
Franța a fost una dintre primele națiuni care au recunoscut oficial descoperirile lui Volta. Acest lucru a fost într-o perioadă în care Franța se apropia de apogeul progreselor științifice și noile idei au fost primite cu brațele deschise, ajutând la sprijinirea agendei politice a țării. La invitație, Volta s-a adresat Institutului Franței într-o serie de prelegeri la care Napoleon Bonaparte a fost prezent ca membru al institutului (vezi Figura 4).

Figura 4: Experimentele lui Volta la Institutul din Franța
Descoperirile lui Volta au impresionat atât de mult lumea încât, în noiembrie 1800, Institutul Național Francez l-a invitat la prelegeri la evenimente la care a participat Napoleon Bonaparte. Napoleon a ajutat la experimente, scoțând scântei din baterie, topind un fir de oțel, descarcând un pistol electric și descompunând apa în elementele sale.
Prin amabilitatea lui Cadex
În 1800, Sir Humphry Davy, inventatorul lămpii de siguranță a minerului, a început să testeze efectele chimice ale electricității și a aflat că descompunerea are loc la trecerea unui curent electric prin substanțe. Acest proces a fost numit mai târziu electroliză. A făcut noi descoperiri instalând cea mai mare și mai puternică baterie electrică din lume în seifurile Instituției Regale din Londra. Conectarea bateriei la electrozi de cărbune a produs prima lumină electrică. Martorii au raportat că lampa sa cu arc voltaic a produs „cel mai strălucitor arc de lumină ascendent văzut vreodată”.
În 1802, William Cruickshank a proiectat prima baterie electrică pentru producția de masă. Cruickshank a aranjat foi pătrate de cupru cu foi de dimensiuni egale de zinc. Aceste foi au fost plasate într-o cutie lungă de lemn dreptunghiulară și lipite împreună. Canelurile din cutie țineau plăcile metalice în poziție, iar cutia sigilată a fost apoi umplută cu un electrolit de saramură sau un acid udat. Aceasta semăna cu bateria inundată care este încă cu noi astăzi. Figura 5 ilustrează atelierul de baterii de la Cruickshank.

Figura 5: Cruickshank și prima baterie inundată. William Cruickshank, un chimist englez, a construit o baterie de celule electrice unind plăci de zinc și cupru într-o cutie de lemn umplută cu o soluție de electrolit. Acest design inundat a avut avantajul de a nu se usuca cu utilizare și a furnizat mai multă energie decât aranjamentul cu discuri al lui Volta.
Prin amabilitatea lui Cadex
Invenția bateriei reîncărcabile
În 1836, John F. Daniell, un chimist englez, a dezvoltat o baterie îmbunătățită care producea un curent mai constant decât dispozitivele anterioare. Până în acest moment, toate bateriile erau primare, ceea ce înseamnă că nu puteau fi reîncărcate. În 1859, fizicianul francez Gaston Planté a inventat prima baterie reîncărcabilă. Era bazat pe acid de plumb, sistem care este folosit și astăzi.
În 1899, Waldemar Jungner din Suedia a inventat bateria nichel-cadmiu (NiCd), care folosea nichel pentru electrodul pozitiv (catod) și cadmiu pentru negativ (anod). Costurile ridicate ale materialelor în comparație cu plumb-acidul au limitat utilizarea acestuia și doi ani mai târziu, Thomas Edison a produs un design alternativ prin înlocuirea cadmiului cu fier. Energia specifică scăzută, performanța slabă la temperatură scăzută și auto-descărcarea ridicată au limitat succesul bateriei nichel-fier. Abia în 1932, Schlecht și Ackermann au obținut curenți de sarcină mai mari și au îmbunătățit longevitatea NiCd prin inventarea plăcii polare sinterizate. În 1947, Georg Neumann a reușit să sigileze celula.
Timp de mulți ani, NiCd a fost singura baterie reîncărcabilă pentru aplicații portabile. În anii 1990, ecologistii din Europa au devenit îngrijorați de contaminarea mediului dacă NiCd-ul a fost eliminat cu neglijență; au început să limiteze această chimie și au cerut industriei de consum să treacă la Nichel-metal-hidrură (NiMH), o baterie mai prietenoasă cu mediul. NiMH este similar cu NiCd și mulți prevăd că NiMH va fi piatra de treaptă către litiu-ionul (Li-ion) mai rezistent.
Majoritatea activităților de cercetare din ziua de azi se învârte în jurul îmbunătățirii sistemelor pe bază de litiu. Pe lângă alimentarea telefoanelor celulare, laptopurilor, camerelor digitale, sculelor electrice și dispozitivelor medicale, Li-ion este folosit și pentru vehiculele electrice. Bateria are o serie de beneficii, în special energia sa specifică mare, încărcarea simplă, întreținerea redusă și respectarea mediului.
Electricitate prin magnetism
Descoperirea modului de a genera electricitate prin magnetism a venit relativ târziu. În 1820, André-Marie Ampère (1775–1836) a observat că firele care transportau curent electric erau uneori atrase și alteori respinse unele de altele. În 1831, Michael Faraday (1791–1867) a demonstrat cum un disc de cupru asigura un flux constant de electricitate în timp ce se rotește într-un câmp magnetic puternic. Faraday, asistându-l pe Davy și echipa sa de cercetare, a reușit să genereze o forță electrică nesfârșită atâta timp cât mișcarea dintre bobină și magnet a continuat. Acest lucru a condus la inventarea generatorului electric și inversarea procesului a permis motorul electric. La scurt timp după aceea, au fost dezvoltate transformatoare care au transformat curentul alternativ (AC) la orice tensiune dorită. În 1833, Faraday a stabilit fundamentul electrochimiei pe care se bazează legea lui Faraday. Legea inducției lui Faraday se referă la electromagnetismul legat de transformatoare, inductori și multe tipuri de motoare și generatoare electrice.
Odată ce relația cu magnetismul a fost înțeleasă, generatoarele mari au început să producă un flux constant de electricitate. Au urmat motoare care au permis mișcarea mecanică, iar becul Edison părea să cucerească întunericul. După ce George Westinghouse a luminat Expoziția Mondială Columbian din Chicago în 1893, Westinghouse a construit trei generatoare mari pentru a transforma energia din Cascada Niagara în electricitate. Tehnologia AC trifazată dezvoltată de Nikola Tesla a permis liniilor de transport să transporte energie electrică pe distanțe mari. Electricitatea a fost astfel pusă la dispoziția umanității pe scară largă pentru a îmbunătăți calitatea vieții.

Figura 6: 250.000 de becuri luminează Expoziția Mondială Columbian din Chicago din 1893.
Succesul luminii electrice a dus la construirea a trei hidrogeneratoare mari la Cascada Niagara.
Prin amabilitatea Arhivelor Muzeului din Brooklyn. Colecția de arhivă Goodyear
Invenția tubului electronic cu vid la începutul anilor 1900 a format următorul pas semnificativ către înaltă tehnologie, permițând oscilatorii de frecvență, amplificarea semnalului și comutarea digitală. Acest lucru a condus la difuzarea radio în anii 1920 și la primul computer digital, numit ENIAC, în 1946. Descoperirea tranzistorului în 1947 a deschis calea pentru sosirea circuitului integrat 10 ani mai târziu, iar microprocesorul a inaugurat era informației, schimbând pentru totdeauna modul în care trăim și lucrăm.
Omenirea depinde de electricitate și, odată cu o mobilitate crescută, oamenii au gravitat din ce în ce mai mult spre puterea portabilă - mai întâi pentru aplicații pe roți, apoi portabilitate și, în final, utilizarea purtabilă. Oricât de incomode și de nesigure ar fi fost bateriile timpurii, generațiile viitoare pot privi tehnologiile de astăzi ca la nimic altceva decât experimente stângace.