Je, Betri Ilivumbuliwa Lini?

Je, Betri Ilivumbuliwa Lini?

Chuo Kikuu cha Batri

Moja ya uvumbuzi wa ajabu na wa riwaya katika miaka 400 iliyopita ilikuwa umeme. Tunaweza kuuliza, “Je, umeme umekuwepo kwa muda mrefu hivyo?” Jibu ni ndiyo, na labda kwa muda mrefu zaidi, lakini matumizi yake ya vitendo imekuwa tu ovyo wetu tangu katikati hadi mwishoni mwa miaka ya 1800, na kwa njia ndogo mwanzoni. Mojawapo ya kazi za mapema zaidi za umma zilizopata usikivu ni kuangazia Maonyesho ya Ulimwengu ya Columbia ya 1893 ya Chicago kwa balbu 250,000, na kuangazia daraja juu ya mto Seine wakati wa Maonyesho ya Dunia ya 1900 huko Paris.
Matumizi ya umeme yanaweza kurudi nyuma zaidi. Walipokuwa wakijenga reli mwaka wa 1936 karibu na Baghdad, wafanyakazi waligundua kile kilichoonekana kuwa betri ya awali, inayojulikana pia kama Betri ya Parthian. Kitu hicho kilianzia enzi za Waparthi na inaaminika kuwa na umri wa miaka 2,000. Betri hiyo ilikuwa na mtungi wa udongo uliojaa suluhisho la siki ambayo ndani yake fimbo ya chuma iliyozungukwa na silinda ya shaba iliingizwa. Kifaa hiki kilizalisha volti 1.1 hadi 2.0 za umeme. Kielelezo cha 1 kinaonyesha Betri ya Parthian.

Kielelezo cha 1: Betri ya Parthian. Mtungi wa udongo wa betri ya kabla ya historia hushikilia fimbo ya chuma iliyozungukwa na silinda ya shaba. Unapojazwa na siki au suluhisho la electrolytic, jar hutoa 1.1 hadi 2 volts.
Sio wanasayansi wote wanaokubali Betri ya Parthian kama chanzo cha nishati. Inawezekana kwamba kifaa kilitumika kwa uwekaji wa umeme, kama vile kuongeza safu ya dhahabu au madini mengine ya thamani kwenye uso. Inasemekana kuwa Wamisri walirusha antimoni ya umeme kwenye shaba zaidi ya miaka 4,300 iliyopita. Ushahidi wa kiakiolojia unaonyesha Wababeli walikuwa wa kwanza kugundua na kutumia mbinu ya galvanic katika utengenezaji wa vito kwa kutumia electrolyte kulingana na juisi ya zabibu hadi sahani za mawe za dhahabu. Waparthi, waliotawala Baghdad (takriban 250 BC), wanaweza kuwa walitumia betri kutengeneza platinamu ya fedha.
Mojawapo ya njia za awali za kuzalisha umeme katika nyakati za kisasa ilikuwa kwa kuunda malipo ya tuli. Mnamo 1660, Otto von Guericke alitengeneza mashine ya umeme kwa kutumia globe kubwa ya salfa ambayo, iliposuguliwa na kugeuzwa, ilivutia manyoya na vipande vidogo vya karatasi. Guericke aliweza kuthibitisha kuwa cheche zilizotolewa zilikuwa za umeme kwa asili.
Matumizi ya kwanza ya umeme tuli yalikuwa "bastola ya umeme," ambayo Alessandro Volta (1745-1827) aligundua. Alifikiria kutoa mawasiliano ya masafa marefu, japo kidogo tu ya Boolean. Waya wa chuma ulioungwa mkono na nguzo za mbao ulipaswa kukatwa kutoka Como hadi Milan, Italia. Katika mwisho wa kupokea, waya ingeisha kwenye jar iliyojaa gesi ya methane. Ili kuashiria tukio la kificho, cheche ya umeme ingetumwa kwa waya kwa madhumuni ya kulipua bastola ya umeme. Kiungo hiki cha mawasiliano hakijawahi kujengwa. Kielelezo 1-2 kinaonyesha uonyeshaji wa penseli wa Alessandro Volta.

Kielelezo cha 2: Alessandro Volta, mvumbuzi wa betri ya umeme
Ugunduzi wa Volta wa mtengano wa maji kwa mkondo wa umeme uliweka msingi wa kemia ya umeme.
Kwa hisani ya Cadex

Mnamo mwaka wa 1791, alipokuwa akifanya kazi katika Chuo Kikuu cha Bologna, Luigi Galvani aligundua kwamba misuli ya chura itapungua wakati unaguswa na kitu cha metali. Jambo hili lilijulikana kama umeme wa wanyama. Kwa kuchochewa na majaribio haya, Volta alianzisha mfululizo wa majaribio kwa kutumia zinki, risasi, bati, na chuma kama mabamba chanya (cathode); na shaba, fedha, dhahabu, na grafiti kama mabamba hasi (anode). Nia ya umeme wa galvanic hivi karibuni ilienea.
Betri za Mapema
Volta aligundua mnamo 1800 kwamba vimiminika fulani vinaweza kutoa mtiririko unaoendelea wa nguvu za umeme wakati unatumiwa kama kondakta. Ugunduzi huu ulisababisha uvumbuzi wa seli ya kwanza ya voltaic, inayojulikana zaidi kama betri. Volta iligundua zaidi kwamba voltage ingeongezeka wakati seli za voltaic zilipangwa juu ya kila mmoja. Kielelezo 3 kinaonyesha uunganisho wa serial kama huo.

Kielelezo 1-3: Tofauti nne
ya betri ya umeme ya Volta
Vyuma kwenye betri vina athari tofauti za umeme. Volta aligundua kuwa uwezo wa volteji na dutu zisizofanana ulizidi kuwa na nguvu kadiri zilivyokuwa mbali kutoka kwa kila mmoja.
Nambari ya kwanza katika metali iliyoorodheshwa hapa chini ni mshikamano wa kuvutia elektroni; pili ni uwezo wa kawaida kutoka kwa hali ya kwanza ya oxidation.
Zinki = 1.6 / -0.76 V
Uongozi = 1.9 / -0.13 V
Bati = 1.8 / -1.07 V
Chuma = 1.8 / -0.04 V
Shaba = 1.9 / 0.159 V
Fedha = 1.9 / 1.98 V
Dhahabu = 2.4 / 1.83 V
Kaboni = 2.5 / 0.13 V
Metali huamua voltage ya betri; zilitenganishwa na karatasi yenye unyevunyevu iliyolowekwa kwenye maji ya chumvi.
Kwa hisani ya Cadex
Katika mwaka huo huo, Volta alitoa ugunduzi wake wa chanzo endelevu cha umeme kwa Jumuiya ya Kifalme ya London. Majaribio hayakuwa tena kwa onyesho fupi la cheche ambalo lilidumu kwa sekunde moja. Mkondo usio na mwisho wa mkondo wa umeme sasa ulionekana kuwa unawezekana.
Ufaransa ilikuwa moja ya mataifa ya kwanza kutambua rasmi uvumbuzi wa Volta. Hii ilikuwa wakati ambapo Ufaransa ilikuwa inakaribia kilele cha maendeleo ya kisayansi na mawazo mapya yalikaribishwa kwa mikono miwili, kusaidia kuunga mkono ajenda ya kisiasa ya nchi. Kwa mwaliko, Volta alihutubia Taasisi ya Ufaransa katika mfululizo wa mihadhara ambayo Napoleon Bonaparte alikuwepo kama mshiriki wa taasisi hiyo (ona Mchoro 4).

Kielelezo cha 4: Majaribio ya Volta katika Taasisi ya Ufaransa
Ugunduzi wa Volta ulivutia sana ulimwengu hivi kwamba mnamo Novemba 1800 Taasisi ya Kitaifa ya Ufaransa ilimwalika kwenye mihadhara kwenye hafla ambazo Napoleon Bonaparte alishiriki. Napoleon alisaidia katika majaribio, kuchora cheche kutoka kwa betri, kuyeyusha waya wa chuma, kutoa bastola ya umeme, na kuoza maji ndani ya vitu vyake.
Kwa hisani ya Cadex
Mnamo 1800, Sir Humphry Davy, mvumbuzi wa taa ya usalama ya mchimbaji, alianza kupima athari za kemikali za umeme na kugundua kuwa mtengano ulitokea wakati wa kupitisha mkondo wa umeme kupitia vitu. Utaratibu huu baadaye uliitwa electrolysis. Alipata ugunduzi mpya kwa kusakinisha betri kubwa zaidi na yenye nguvu zaidi ya umeme ulimwenguni katika vyumba vya kuhifadhia nguo vya Taasisi ya Kifalme ya London. Kuunganisha betri kwa elektroni za mkaa zilitoa mwanga wa kwanza wa umeme. Mashahidi waliripoti kwamba taa yake ya arc ya voltaic ilitokeza “mwangaza mwingi zaidi wa nuru inayopanda kuwahi kuonekana.”
Mnamo 1802, William Cruickshank alitengeneza betri ya kwanza ya umeme kwa uzalishaji wa wingi. Cruickshank ilipanga karatasi za mraba za shaba na karatasi za ukubwa sawa za zinki. Karatasi hizi ziliwekwa kwenye sanduku refu la mbao la mstatili na kuuzwa pamoja. Miundo kwenye sanduku ilishikilia sahani za chuma mahali, na sanduku lililofungwa lilijazwa na elektroliti ya brine, au asidi iliyotiwa maji. Hii ilifanana na betri iliyojaa maji ambayo bado iko nasi hadi leo. Mchoro wa 5 unaonyesha semina ya betri ya Cruickshank.

Kielelezo cha 5: Cruickshank na betri ya kwanza iliyofurika. William Cruickshank, mwanakemia wa Kiingereza, alijenga betri ya seli za umeme kwa kuunganisha sahani za zinki na shaba katika sanduku la mbao lililojaa suluhisho la electrolyte. Muundo huu uliofurika ulikuwa na faida ya kutokauka kwa matumizi na ulitoa nishati zaidi ya mpangilio wa diski wa Volta.
Kwa hisani ya Cadex
Uvumbuzi wa Betri Inayoweza Kuchajiwa tena
Mnamo 1836, John F. Daniell, mwanakemia Mwingereza, alitengeneza betri iliyoboreshwa ambayo ilitokeza mkondo wa kasi zaidi kuliko vifaa vya awali. Hadi wakati huu, betri zote zilikuwa za msingi, kumaanisha kuwa hazingeweza kuchajiwa tena. Mnamo 1859, mwanafizikia wa Ufaransa Gaston Planté aligundua betri ya kwanza inayoweza kuchajiwa tena. Ilitokana na asidi ya risasi, mfumo ambao unatumika hadi leo.
Mnamo 1899, Waldemar Jungner kutoka Uswidi aligundua betri ya nickel-cadmium (NiCd), ambayo ilitumia nikeli kwa elektrodi chanya (cathode) na cadmium kwa hasi (anode). Gharama ya juu ya nyenzo ikilinganishwa na asidi ya risasi ilipunguza matumizi yake na miaka miwili baadaye, Thomas Edison alizalisha muundo mbadala kwa kuchukua nafasi ya cadmium na chuma. Nishati mahususi ya chini, utendakazi duni katika halijoto ya chini, na kutokwa na maji kwa kiwango cha juu kulizuia ufanisi wa betri ya nikeli-chuma. Haikuwa hadi 1932 ambapo Schlecht na Ackermann walipata mikondo ya juu ya mzigo na kuboresha maisha marefu ya NiCd kwa kuvumbua bamba la nguzo la sintered. Mnamo 1947, Georg Neumann alifanikiwa kufunga seli.
Kwa miaka mingi, NiCd ilikuwa betri pekee inayoweza kuchajiwa kwa programu zinazobebeka. Katika miaka ya 1990, wanamazingira barani Ulaya walipata wasiwasi kuhusu uchafuzi wa mazingira ikiwa NiCd ingetupwa ovyo; walianza kuzuia kemia hii na wakauliza tasnia ya watumiaji kubadili hadi Nickel-metal-hydride (NiMH), betri ambayo ni rafiki kwa mazingira. NiMH ni sawa na NiCd, na wengi wanatabiri kuwa NiMH itakuwa hatua ya kufikia lithiamu-ioni ya kudumu zaidi (Li-ion).
Shughuli nyingi za utafiti leo zinahusu kuboresha mifumo inayotegemea lithiamu. Kando na kuwasha simu za rununu, kompyuta za mkononi, kamera za kidijitali, zana za nguvu na vifaa vya matibabu, Li-ion pia hutumika kwa magari yanayotumia umeme. Betri ina manufaa kadhaa, hasa nishati yake mahususi ya juu, chaji rahisi, matengenezo ya chini, na kutojali mazingira.
Umeme Kupitia Magnetism
Ugunduzi wa jinsi ya kuzalisha umeme kupitia sumaku ulikuja kuchelewa. Mnamo mwaka wa 1820, André-Marie Ampère (1775-1836) aliona kwamba nyaya zilizobeba mkondo wa umeme wakati fulani zilivutiwa na wakati mwingine zilikataliwa kutoka kwa kila mmoja. Mnamo mwaka wa 1831, Michael Faraday (1791-1867) alionyesha jinsi diski ya shaba ilitoa mtiririko wa mara kwa mara wa umeme wakati unazunguka kwenye uwanja wenye nguvu wa sumaku. Faraday, akisaidiana na Davy na timu yake ya utafiti, alifaulu kutoa nguvu isiyo na mwisho ya umeme mradi tu harakati kati ya coil na sumaku iendelee. Hii ilisababisha uvumbuzi wa jenereta ya umeme na kugeuza mchakato kuwezeshwa motor ya umeme. Muda mfupi baadaye, transfoma zilitengenezwa ambazo zilibadilisha sasa mbadala (AC) kwa voltage yoyote inayotaka. Mnamo 1833, Faraday alianzisha msingi wa kemia ya umeme ambayo sheria ya Faraday inategemea. Sheria ya Faraday ya induction inahusiana na sumaku-umeme inayohusishwa na transfoma, inductors, na aina nyingi za motors za umeme na jenereta.
Mara tu uhusiano na sumaku ulipoeleweka, jenereta kubwa zilianza kutoa mtiririko thabiti wa umeme. Motors zilifuata ambazo ziliwezesha harakati za mitambo, na balbu ya Edison ilionekana kushinda giza. Baada ya George Westinghouse kuwasha Maonyesho ya Ulimwenguni ya Columbian ya Chicago mwaka wa 1893, Westinghouse ilijenga jenereta tatu kubwa ili kubadilisha nishati kutoka Niagara Falls hadi umeme. Teknolojia ya awamu ya tatu ya AC iliyotengenezwa na Nikola Tesla iliwezesha njia za usambazaji kubeba nguvu za umeme kwa umbali mkubwa. Umeme kwa hivyo ulipatikana kwa watu wengi ili kuboresha ubora wa maisha.

Kielelezo cha 6: balbu 250,000 huangazia Maonyesho ya Ulimwengu ya Columbian ya Chicago mnamo 1893.
Mafanikio ya mwanga wa umeme yalipelekea kujengwa kwa jenereta tatu kubwa za kuzalisha maji katika Maporomoko ya Niagara.
Kwa hisani ya Kumbukumbu ya Makumbusho ya Brooklyn. Mkusanyiko wa Nyaraka za Goodyear
Uvumbuzi wa bomba la kielektroniki la utupu mwanzoni mwa miaka ya 1900 uliunda hatua inayofuata muhimu kuelekea teknolojia ya hali ya juu, kuwezesha oscillators za masafa, ukuzaji wa mawimbi, na ubadilishaji wa dijiti. Hii ilisababisha utangazaji wa redio katika miaka ya 1920 na kompyuta ya kwanza ya digital, iitwayo ENIAC, mwaka wa 1946. Ugunduzi wa transistor mwaka wa 1947 ulifungua njia ya kuwasili kwa mzunguko jumuishi miaka 10 baadaye, na microprocessor ilianzisha Enzi ya Habari; kubadilisha kabisa jinsi tunavyoishi na kufanya kazi.
Ubinadamu hutegemea umeme, na kwa kuongezeka kwa uhamaji, watu wamevutiwa zaidi na zaidi kuelekea nishati ya kubebeka - kwanza kwa matumizi ya magurudumu, kisha kubebeka, na mwishowe matumizi yanayoweza kuvaliwa. Ingawa betri za awali zilivyokuwa za kustaajabisha na zisizotegemewa, vizazi vijavyo vinaweza kutazama teknolojia za leo kuwa si chochote zaidi ya majaribio magumu.