Pin được phát minh khi nào?

Pin được phát minh khi nào?

Đại học pin

Một trong những khám phá mới lạ và đáng chú ý nhất trong 400 năm qua là điện. Chúng ta có thể hỏi, "Điện đã có từ lâu chưa?" Câu trả lời là có, và có lẽ lâu hơn nữa, nhưng việc sử dụng thực tế của nó mới chỉ có ở chúng ta kể từ giữa đến cuối những năm 1800, và lúc đầu thì theo một cách hạn chế. Một trong những công trình công cộng sớm nhất thu hút được sự chú ý là khai mạc Triển lãm Columbia Thế giới năm 1893 ở Chicago với 250.000 bóng đèn và chiếu sáng một cây cầu bắc qua sông Seine trong Hội chợ Thế giới năm 1900 ở Paris.
Việc sử dụng điện có thể quay trở lại xa hơn. Trong khi xây dựng một tuyến đường sắt vào năm 1936 gần Baghdad, các công nhân đã phát hiện ra thứ dường như là một khối pin thời tiền sử, còn được gọi là Pin Parthia. Vật thể có niên đại từ thời Parthia và được cho là 2.000 năm tuổi. Pin bao gồm một lọ đất sét chứa đầy dung dịch giấm, trong đó cắm một thanh sắt bao quanh một hình trụ bằng đồng. Thiết bị này tạo ra điện từ 1,1 đến 2,0 vôn. Hình 1 minh họa Pin Parthian.

Hình 1: Pin Parthian. Một bình đất sét hình cục pin thời tiền sử chứa một thanh sắt được bao quanh bởi một hình trụ bằng đồng. Khi đổ đầy giấm hoặc dung dịch điện phân, bình tạo ra từ 1,1 đến 2 vôn.
Không phải tất cả các nhà khoa học đều chấp nhận Pin Parthia như một nguồn năng lượng. Có thể thiết bị đã được sử dụng để mạ điện, chẳng hạn như thêm một lớp vàng hoặc các kim loại quý khác lên bề mặt. Người Ai Cập được cho là đã mạ điện antimon lên đồng hơn 4.300 năm trước. Các bằng chứng khảo cổ học cho thấy người Babylon là những người đầu tiên khám phá và sử dụng kỹ thuật mạ vàng trong sản xuất đồ trang sức bằng cách sử dụng chất điện phân dựa trên nước nho vào đồ đá bằng vàng. Người Parthia, những người cai trị Baghdad (khoảng năm 250 trước Công nguyên), có thể đã sử dụng pin để mạ điện bạc.
Một trong những phương pháp tạo ra điện sớm nhất trong thời hiện đại là tạo ra điện tích tĩnh. Năm 1660, Otto von Guericke chế tạo một máy điện bằng cách sử dụng một quả cầu lưu huỳnh lớn, khi cọ xát và quay, sẽ thu hút các lông vũ và các mảnh giấy nhỏ. Guericke đã có thể chứng minh rằng các tia lửa điện được tạo ra có bản chất là điện.
Ứng dụng thực tế đầu tiên của tĩnh điện là “súng lục điện”, mà Alessandro Volta (1745–1827) đã phát minh ra. Anh ta nghĩ đến việc cung cấp thông tin liên lạc đường dài, mặc dù chỉ có một bit Boolean. Một sợi dây sắt được hỗ trợ bởi các cọc gỗ đã được xâu từ Como đến Milan, Ý. Ở đầu nhận, dây dẫn sẽ kết thúc trong một bình chứa đầy khí mêtan. Để báo hiệu một sự kiện được mã hóa, một tia lửa điện sẽ được gửi qua dây với mục đích kích nổ khẩu súng lục điện. Liên kết thông tin liên lạc này chưa bao giờ được xây dựng. Hình 1-2 cho thấy bản vẽ bằng bút chì của Alessandro Volta.

Hình 2: Alessandro Volta, người phát minh ra pin điện
Khám phá của Volta về sự phân hủy nước bằng dòng điện đã đặt nền tảng của điện hóa học.
Được phép của Cadex

Năm 1791, khi đang làm việc tại Đại học Bologna, Luigi Galvani phát hiện ra rằng cơ của ếch sẽ co lại khi bị một vật kim loại chạm vào. Hiện tượng này được gọi là điện động vật. Được thúc đẩy bởi những thí nghiệm này, Volta đã khởi xướng một loạt thí nghiệm sử dụng kẽm, chì, thiếc, và sắt làm bản cực dương (cực âm); và đồng, bạc, vàng, và than chì làm bản cực âm (cực dương). Mối quan tâm đến điện galvanic nhanh chóng trở nên phổ biến.
Pin sớm
Năm 1800, Volta phát hiện ra rằng một số chất lỏng nhất định sẽ tạo ra dòng điện liên tục khi được sử dụng làm chất dẫn điện. Khám phá này đã dẫn đến việc phát minh ra tế bào điện áp đầu tiên, thường được gọi là pin. Volta phát hiện thêm rằng điện áp sẽ tăng lên khi các tế bào điện áp được xếp chồng lên nhau. Hình 3 minh họa một kết nối nối tiếp như vậy.

Hình 1-3: Bốn biến thể
pin điện của Volta
Các kim loại trong pin có các hiệu ứng điện khác nhau. Volta nhận thấy rằng hiệu điện thế với các chất khác nhau càng mạnh khi chúng ở xa nhau.
Con số đầu tiên trong các kim loại được liệt kê dưới đây là ái lực hút electron; thứ hai là thế tiêu chuẩn từ trạng thái oxy hóa đầu tiên.
Kẽm = 1,6 / -0,76 V
Chì = 1,9 / -0,13 V
Thiếc = 1,8 / -1,07 V
Sắt = 1,8 / -0,04 V
Đồng = 1,9 / 0,159 V
Bạc = 1,9 / 1,98 V
Vàng = 2,4 / 1,83 V
Carbon = 2,5 / 0,13 V
Các kim loại xác định điện áp của pin; chúng được tách ra bằng giấy ẩm ngâm trong nước mặn.
Được phép của Cadex
Cùng năm, Volta đã công bố khám phá của mình về nguồn điện liên tục cho Hiệp hội Hoàng gia London. Các thí nghiệm không còn giới hạn trong một màn trình diễn ngắn gọn của tia lửa kéo dài trong một phần giây nữa. Bây giờ dường như có thể có một dòng điện vô tận.
Pháp là một trong những quốc gia đầu tiên chính thức công nhận những khám phá của Volta. Đây là thời điểm Pháp đang đạt đến đỉnh cao của tiến bộ khoa học và những ý tưởng mới được chào đón với vòng tay rộng mở, giúp hỗ trợ chương trình nghị sự chính trị của đất nước. Theo lời mời, Volta đã phát biểu trước Viện Pháp trong một loạt các bài giảng mà tại đó Napoléon Bonaparte có mặt với tư cách là thành viên của viện (xem Hình 4).

Hình 4: Các thí nghiệm của Volta tại Viện Pháp
Những khám phá của Volta đã gây ấn tượng với thế giới đến nỗi vào tháng 11 năm 1800, Viện Quốc gia Pháp đã mời ông đến thuyết trình tại các sự kiện có sự tham gia của Napoléon Bonaparte. Napoléon đã giúp thực hiện các thí nghiệm, tạo ra tia lửa từ pin, làm nóng chảy một sợi dây thép, phóng ra một khẩu súng lục điện và phân hủy nước thành các phần tử của nó.
Được phép của Cadex
Năm 1800, Ngài Humphry Davy, người phát minh ra đèn an toàn của thợ mỏ, bắt đầu thử nghiệm các tác động hóa học của điện và phát hiện ra rằng sự phân hủy xảy ra khi cho dòng điện chạy qua các chất. Quá trình này sau đó được gọi là điện phân. Ông đã có những khám phá mới khi lắp đặt pin điện lớn nhất và mạnh nhất thế giới trong hầm của Viện Hoàng gia London. Kết nối pin với các điện cực than đã tạo ra ánh sáng điện đầu tiên. Các nhân chứng kể lại rằng chiếc đèn hồ quang điện áp của ông đã tạo ra “vòm ánh sáng đi lên rực rỡ nhất từng thấy”.
Năm 1802, William Cruickshank thiết kế pin điện đầu tiên để sản xuất hàng loạt. Cruickshank xếp những tấm đồng hình vuông với kích thước tấm kẽm bằng nhau. Những tấm này được đặt vào một hộp gỗ dài hình chữ nhật và hàn lại với nhau. Các rãnh trong hộp giữ các tấm kim loại ở vị trí, và hộp kín sau đó được đổ đầy chất điện phân của nước muối, hoặc axit đã ngâm nước. Điều này tương tự như pin ngập nước vẫn còn với chúng ta ngày nay. Hình 5 minh họa xưởng sản xuất pin của Cruickshank.

Hình 5: Cruickshank và bình ắc quy bị ngập đầu tiên. William Cruickshank, một nhà hóa học người Anh, đã chế tạo một loại pin tế bào điện bằng cách ghép các tấm kẽm và đồng vào một hộp gỗ chứa đầy dung dịch điện phân. Thiết kế ngập nước này có ưu điểm là không bị khô khi sử dụng và cung cấp nhiều năng lượng hơn so với cách sắp xếp đĩa của Volta.
Được phép của Cadex
Sự phát minh ra pin có thể sạc lại
Năm 1836, John F. Daniell, một nhà hóa học người Anh, đã phát triển một loại pin cải tiến tạo ra dòng điện ổn định hơn các thiết bị trước đó. Cho đến thời điểm này, tất cả các loại pin đều là pin chính, có nghĩa là chúng không thể được sạc lại. Năm 1859, nhà vật lý người Pháp Gaston Planté đã phát minh ra loại pin sạc đầu tiên. Nó dựa trên axit chì, một hệ thống vẫn được sử dụng cho đến ngày nay.
Năm 1899, Waldemar Jungner đến từ Thụy Điển đã phát minh ra pin niken-cadmium (NiCd), sử dụng niken cho điện cực dương (cực âm) và cadimi cho cực âm (cực dương). Chi phí nguyên liệu cao so với axit chì đã hạn chế việc sử dụng nó và hai năm sau, Thomas Edison đã đưa ra một thiết kế thay thế bằng cách thay thế cadimi bằng sắt. Năng lượng riêng thấp, hiệu suất kém ở nhiệt độ thấp và khả năng tự phóng điện cao đã hạn chế sự thành công của pin niken-sắt. Mãi đến năm 1932, Schlecht và Ackermann mới đạt được dòng tải cao hơn và cải thiện tuổi thọ của NiCd bằng cách phát minh ra tấm cực thiêu kết. Năm 1947, Georg Neumann đã thành công trong việc niêm phong phòng giam.
Trong nhiều năm, NiCd là pin sạc duy nhất cho các ứng dụng di động. Vào những năm 1990, các nhà bảo vệ môi trường ở châu Âu đã lo ngại về sự ô nhiễm môi trường nếu NiCd được xử lý bất cẩn; họ bắt đầu hạn chế hóa chất này và yêu cầu ngành công nghiệp tiêu dùng chuyển sang sử dụng Nickel-metal-hydride (NiMH), một loại pin thân thiện với môi trường hơn. NiMH tương tự như NiCd, và nhiều người dự đoán rằng NiMH sẽ là bước đệm cho lithium-ion (Li-ion) bền bỉ hơn.
Hầu hết các hoạt động nghiên cứu ngày nay đều xoay quanh việc cải tiến các hệ thống dựa trên lithium. Bên cạnh việc cung cấp năng lượng cho điện thoại di động, máy tính xách tay, máy ảnh kỹ thuật số, dụng cụ điện và thiết bị y tế, Li-ion cũng được sử dụng cho xe điện. Pin có một số lợi ích, đáng chú ý nhất là năng lượng cụ thể cao, sạc đơn giản, bảo trì thấp và thân thiện với môi trường.
Điện thông qua từ tính
Việc phát hiện ra cách tạo ra điện thông qua từ tính đến khá muộn. Năm 1820, André-Marie Ampère (1775–1836) nhận thấy rằng các dây dẫn mang dòng điện đôi khi bị hút vào và lúc khác bị đẩy ra khỏi nhau. Năm 1831, Michael Faraday (1791–1867) đã chứng minh cách một đĩa đồng cung cấp dòng điện liên tục trong khi quay trong một từ trường mạnh. Faraday, hỗ trợ Davy và nhóm nghiên cứu của ông, đã thành công trong việc tạo ra một lực điện vô tận miễn là chuyển động giữa cuộn dây và nam châm vẫn tiếp tục. Điều này dẫn đến việc phát minh ra máy phát điện và đảo ngược quá trình đã kích hoạt động cơ điện. Ngay sau đó, máy biến áp đã được phát triển để biến đổi dòng điện xoay chiều (AC) thành bất kỳ điện áp mong muốn nào. Năm 1833, Faraday thành lập nền tảng điện hóa học dựa trên định luật Faraday. Định luật Faraday về cảm ứng liên quan đến điện từ liên kết với máy biến áp, cuộn cảm, và nhiều loại động cơ điện và máy phát điện.
Khi mối quan hệ với từ tính đã được hiểu rõ, các máy phát điện lớn bắt đầu tạo ra dòng điện ổn định. Các động cơ theo đó cho phép chuyển động cơ học, và bóng đèn Edison xuất hiện để chinh phục bóng tối. Sau khi George Westinghouse thắp sáng Triển lãm Columbian Thế giới ở Chicago vào năm 1893, Westinghouse đã chế tạo ba máy phát điện lớn để biến năng lượng từ thác Niagara thành điện năng. Công nghệ xoay chiều ba pha do Nikola Tesla phát triển cho phép các đường dây tải điện truyền tải năng lượng điện trên một khoảng cách rất xa. Do đó, điện đã được phổ biến rộng rãi cho nhân loại để cải thiện chất lượng cuộc sống.

Hình 6: 250.000 bóng đèn chiếu sáng Triển lãm Colombia Thế giới năm 1893.
Sự thành công của đèn điện đã dẫn đến việc xây dựng ba máy phát điện thủy điện lớn tại thác Niagara.
Được phép của Kho lưu trữ Bảo tàng Brooklyn. Bộ sưu tập lưu trữ của Goodyear
Việc phát minh ra ống chân không điện tử vào đầu những năm 1900 đã hình thành một bước quan trọng tiếp theo đối với công nghệ cao, cho phép tạo dao động tần số, khuếch đại tín hiệu và chuyển mạch kỹ thuật số. Điều này dẫn đến việc phát sóng vô tuyến vào những năm 1920 và máy tính kỹ thuật số đầu tiên, được gọi là ENIAC, vào năm 1946. Việc phát hiện ra bóng bán dẫn vào năm 1947 đã mở đường cho sự xuất hiện của mạch tích hợp 10 năm sau đó, và bộ vi xử lý đã mở ra Kỷ nguyên Thông tin, thay đổi mãi mãi cách chúng ta sống và làm việc.
Nhân loại phụ thuộc vào điện, và với sự gia tăng tính di động, con người ngày càng thu hút nhiều hơn về điện di động - đầu tiên là các ứng dụng có bánh xe, sau đó là tính di động và cuối cùng là sử dụng trên thiết bị đeo. Tuy khó sử dụng và không đáng tin cậy như những loại pin ban đầu, thế hệ tương lai có thể coi các công nghệ ngày nay chẳng khác gì những thí nghiệm vụng về.