Когда была изобретена батарея?

Когда была изобретена батарея?

Батарейный университет

Одним из самых замечательных и новых открытий за последние 400 лет было электричество. Мы могли бы спросить: «А электричество существовало так долго?» Ответ — да, и, возможно, гораздо дольше, но его практическое использование было в нашем распоряжении только с середины до конца 1800-х годов, и поначалу в ограниченной степени. Одной из первых общественных работ, привлекших внимание, было освещение Всемирной выставки Колумбии в Чикаго в 1893 году с помощью 250 000 лампочек и освещение моста через реку Сену во время Всемирной выставки 1900 года в Париже.
Использование электричества может вернуться еще дальше. Во время строительства железной дороги в 1936 году недалеко от Багдада рабочие обнаружили то, что оказалось доисторической батареей, также известной как Парфянская батарея. Объект относится к парфянскому периоду, и считается, что ему 2000 лет. Батарея состояла из глиняного кувшина, наполненного раствором уксуса, в который был вставлен железный стержень, окруженный медным цилиндром. Это устройство производило от 1,1 до 2,0 вольт электричества. На рис. 1 показана парфянская батарея.

Рисунок 1: Парфянская батарея. Глиняный кувшин доисторической батареи содержит железный стержень, окруженный медным цилиндром. При наполнении уксусом или электролитическим раствором банка вырабатывает от 1,1 до 2 вольт.
Не все ученые принимают парфянскую батарею как источник энергии. Возможно, устройство использовалось для гальваники, например, для нанесения на поверхность слоя золота или других драгоценных металлов. Говорят, что египтяне наносили сурьму на медь гальванопокрытием более 4300 лет назад. Археологические данные свидетельствуют о том, что вавилоняне были первыми, кто открыл и применил гальваническую технику в производстве ювелирных изделий с использованием электролита на основе виноградного сока для керамических изделий с золотыми пластинами. Парфяне, правившие Багдадом (ок. 250 г. до н. э.), возможно, использовали батареи для гальванического покрытия серебра.
Одним из самых ранних методов получения электричества в наше время было создание статического заряда. В 1660 году Отто фон Герике сконструировал электрическую машину, используя большой шар из серы, который при трении и вращении притягивал перья и маленькие кусочки бумаги. Герике удалось доказать, что генерируемые искры имеют электрическую природу.
Первым практическим применением статического электричества был «электрический пистолет», который изобрел Алессандро Вольта (1745–1827). Он думал об обеспечении дальней связи, хотя и всего в одном булевом бите. Железная проволока, поддерживаемая деревянными столбами, должна была быть натянута от Комо до Милана, Италия. На приемном конце провод заканчивался в банке, наполненной газом метаном. Чтобы сигнализировать о закодированном событии, по проводу посылалась электрическая искра с целью детонации электрического пистолета. Эта линия связи так и не была построена. На рис. 1-2 показан карандашный рисунок Алессандро Вольта.

Рисунок 2: Алессандро Вольта, изобретатель электрической батареи
Открытие Вольтой разложения воды электрическим током положило начало электрохимии.
Предоставлено Кадекс

В 1791 году, работая в Болонском университете, Луиджи Гальвани обнаружил, что мышцы лягушки сокращаются при прикосновении к металлическому предмету. Это явление стало известно как животное электричество. Вдохновленный этими экспериментами, Вольта инициировал серию экспериментов с использованием цинка, свинца, олова и железа в качестве положительных пластин (катода); и медь, серебро, золото и графит в качестве отрицательных пластин (анода). Интерес к гальваническому электричеству вскоре стал широко распространенным.
Ранние батареи
Вольта обнаружил в 1800 году, что некоторые жидкости могут генерировать непрерывный поток электроэнергии, если их использовать в качестве проводника. Это открытие привело к изобретению первого гальванического элемента, более известного как батарея. Далее Вольта обнаружил, что напряжение будет увеличиваться, когда гальванические элементы расположены друг над другом. Рисунок 3 иллюстрирует такое последовательное соединение.

Рисунок 1-3: Четыре варианта
электрической батареи Вольта
Металлы в батарее имеют различные электрические эффекты. Вольта заметил, что потенциал напряжения у разнородных веществ тем сильнее, чем дальше они находятся друг от друга.
Первое число в перечисленных ниже металлах - это способность притягивать электроны; второй - стандартный потенциал из первой степени окисления.
Цинк = 1,6/-0,76 В
Вывод = 1,9/-0,13 В
Олово = 1,8/-1,07 В
Железо = 1,8/-0,04 В
Медь = 1,9/0,159 В
Серебро = 1,9/1,98 В
Золото = 2,4/1,83 В
Углерод = 2,5/0,13 В
Металлы определяют напряжение батареи; они были разделены влажной бумагой, смоченной в соленой воде.
Предоставлено Кадекс
В том же году Вольта сообщил Лондонскому Королевскому обществу о своем открытии непрерывного источника электричества. Эксперименты больше не ограничивались кратким появлением искр, которые длились доли секунды. Бесконечный поток электрического тока теперь казался возможным.
Франция была одной из первых стран, официально признавших открытия Вольта. Это было в то время, когда Франция приближалась к вершине научных достижений, и новые идеи встречались с распростертыми объятиями, помогая поддерживать политическую повестку дня страны. По приглашению Вольта выступил в Институте Франции с циклом лекций, на которых в качестве члена института присутствовал Наполеон Бонапарт (см. рис. 4).

Рисунок 4: Эксперименты Вольты в Институте Франции.
Открытия Вольта настолько поразили мир, что в ноябре 1800 года Французский национальный институт пригласил его читать лекции на мероприятиях, в которых участвовал Наполеон Бонапарт. Наполеон помогал в экспериментах, вытягивая искры из батареи, плавя стальную проволоку, разряжая электрический пистолет и разлагая воду на элементы.
Предоставлено Кадекс
В 1800 году сэр Хамфри Дэви, изобретатель шахтерской предохранительной лампы, начал проверять химическое действие электричества и обнаружил, что разложение происходит при пропускании через вещества электрического тока. Позднее этот процесс был назван электролизом. Он сделал новые открытия, установив самую большую и мощную в мире электрическую батарею в хранилищах Лондонского Королевского института. Подключение батареи к угольным электродам дало первый электрический свет. Свидетели сообщили, что его дуговая лампа давала «самую яркую восходящую дугу света, которую когда-либо видели».
В 1802 году Уильям Круикшенк разработал первую электрическую батарею для массового производства. Круикшенк расположил квадратные листы меди с листами цинка одинакового размера. Эти листы были помещены в длинную прямоугольную деревянную коробку и спаяны между собой. Канавки в коробке удерживали металлические пластины на месте, а затем герметичную коробку заполняли электролитом из рассола или разбавленной водой кислоты. Это напоминало залитую батарею, которая до сих пор с нами. На рис. 5 показан аккумуляторный цех в Круикшенке.

Рисунок 5: Круикшенк и первая затопленная батарея. Уильям Круикшенк, английский химик, построил батарею электрических элементов, соединив цинковые и медные пластины в деревянном ящике, наполненном раствором электролита. Преимущество этой затопленной конструкции заключалось в том, что она не высыхала при использовании и давала больше энергии, чем дисковая конструкция Volta.
Предоставлено Кадекс
Изобретение перезаряжаемой батареи
В 1836 году английский химик Джон Ф. Даниэлл разработал улучшенную батарею, которая давала более стабильный ток, чем более ранние устройства. До этого времени все батареи были первичными, то есть их нельзя было перезаряжать. В 1859 году французский физик Гастон Планте изобрел первую аккумуляторную батарею. Он был основан на свинцово-кислотной системе, которая используется до сих пор.
В 1899 году Вальдемар Юнгнер из Швеции изобрел никель-кадмиевую батарею (NiCd), в которой никель использовался в качестве положительного электрода (катода), а кадмий - в качестве отрицательного (анода). Высокая стоимость материалов по сравнению со свинцово-кислотным ограничивала его использование, и два года спустя Томас Эдисон разработал альтернативную конструкцию, заменив кадмий железом. Низкая удельная энергия, плохие характеристики при низких температурах и высокий саморазряд ограничивали успех никель-железной батареи. Только в 1932 году Шлехт и Аккерман добились более высоких токов нагрузки и увеличили срок службы NiCd, изобретя спеченную полюсную пластину. В 1947 году Георгу Нейману удалось запечатать камеру.
В течение многих лет NiCd был единственным перезаряжаемым аккумулятором для портативных устройств. В 1990-х годах защитники окружающей среды в Европе были обеспокоены загрязнением окружающей среды в случае небрежной утилизации NiCd; они начали ограничивать эту химию и попросили потребительскую промышленность перейти на никель-металлогидридные (NiMH), более экологически чистые батареи. NiMH похож на NiCd, и многие предсказывают, что NiMH станет ступенькой к более прочному литий-ионному (Li-ion).
Большая часть исследовательской деятельности сегодня вращается вокруг улучшения систем на основе лития. Помимо питания сотовых телефонов, ноутбуков, цифровых камер, электроинструментов и медицинских устройств, литий-ион также используется для электромобилей. Аккумулятор имеет ряд преимуществ, в первую очередь высокую удельную энергию, простую зарядку, низкие эксплуатационные расходы и безвредность для окружающей среды.
Электричество через магнетизм
Открытие того, как генерировать электричество с помощью магнетизма, произошло относительно поздно. В 1820 году Андре-Мари Ампер (1775–1836) заметил, что провода, по которым течет электрический ток, иногда притягиваются, а иногда отталкиваются друг от друга. В 1831 году Майкл Фарадей (1791–1867) продемонстрировал, как медный диск обеспечивает постоянный поток электричества, вращаясь в сильном магнитном поле. Фарадею, помогая Дэви и его исследовательской группе, удалось создать бесконечную электрическую силу, пока продолжалось движение между катушкой и магнитом. Это привело к изобретению электрического генератора, а обратный процесс позволил создать электродвигатель. Вскоре после этого были разработаны трансформаторы, которые преобразовывали переменный ток (AC) в любое желаемое напряжение. В 1833 году Фарадей заложил основу электрохимии, на которой основан закон Фарадея. Закон индукции Фарадея относится к электромагнетизму, связанному с трансформаторами, катушками индуктивности и многими типами электрических двигателей и генераторов.
Как только связь с магнетизмом была понята, большие генераторы начали производить постоянный поток электричества. Затем последовали двигатели, позволившие механическому движению, и лампочка Эдисона, казалось, победила тьму. После того, как Джордж Вестингауз осветил Всемирную Колумбийскую выставку в Чикаго в 1893 году, Вестингауз построил три больших генератора для преобразования энергии Ниагарского водопада в электричество. Технология трехфазного переменного тока, разработанная Николой Теслой, позволила линиям электропередач передавать электроэнергию на большие расстояния. Таким образом, электричество стало широко доступно человечеству для улучшения качества жизни.

Рисунок 6: 250 000 лампочек освещают Всемирную Колумбийскую выставку в Чикаго в 1893 году.
Успех электрического освещения привел к строительству трех больших гидрогенераторов на Ниагарском водопаде.
Предоставлено архивом Бруклинского музея. Архивная коллекция Goodyear
Изобретение электронной вакуумной лампы в начале 1900-х годов стало важным следующим шагом на пути к высоким технологиям, позволяющим создавать генераторы частоты, усиление сигнала и цифровое переключение. Это привело к радиовещанию в 1920-х годах и первому цифровому компьютеру, названному ENIAC, в 1946 году. Открытие транзистора в 1947 году проложило путь к появлению интегральной схемы 10 лет спустя, а микропроцессор открыл информационный век, навсегда изменить то, как мы живем и работаем.
Человечество зависит от электричества, и с ростом мобильности люди все больше и больше тяготеют к портативным источникам энергии — сначала для колесных приложений, затем портативности и, наконец, носимых устройств. Какими бы неуклюжими и ненадежными ни были первые батареи, будущие поколения могут смотреть на сегодняшние технологии как на неуклюжие эксперименты.