Когда была изобретена электрическая батарея?
- Категория: Поддержка по аккумуляторным батареям
- Опубликовано 27.02.2016 11:48
- Автор: Abramova Olesya
Одним из самых значимых и удивительных достижений человечества за последние 400 лет можно назвать развитие науки об электричестве. Вы можете спросить: «Электричество доступно человечеству целых 400 лет?». Ответ будет - даже больше. Только вот полезные качества этого явления, которые можно применять в повседневной жизни, стали доступны лишь во второй половине 1800-х, да и то в весьма ограниченном виде. Одним из самых ранних событий, привлекшем массовое внимание, было применение электричества для освещения Всемирной Колумбовой выставки 1893 года (использовалось 250 000 электрических ламп) и для иллюминации моста через Сену в течение Всемирной выставки в Париже в 1900 году.
Но история находит свидетельства использования электричества людьми даже еще раньше. В 1936 году, при строительстве железной дороги, рабочие обнаружили древний артефакт, который оказался доисторической батарейкой, также известной как Багдадская батарея. Объект относится к парфянскому периоду, и его возраст составляет около 2000 лет. Батарея состояла из глиняного сосуда, заполненного уксусным раствором, в который помещался медный цилиндр с железным прутом посередине. Это устройство могло обеспечивать напряжение от 1.1 до 2.0 вольт. На рисунке 1 изображена Багдадская батарея.
Рисунок 1: Багдадская батарея. Глиняный сосуд доисторической батареи содержит железный прут, окруженный медным цилиндром. При заполнении уксусом или раствором электролита сосуд производил напряжение от 1.1 до 2.0 вольт.
Но не все ученые согласны с тем, что Багдадская батарея была источником электроэнергии. Возможно, это устройство использовалось для гальванопокрытия, например, для нанесения слоя золота или другого драгоценного металла на определенную поверхность. Говорят, что египтяне умели наносить слой сурьмы на медь с помощью гальванизации еще 4300 лет назад. Археологические данные также свидетельствуют о том, что еще в Древнем Вавилоне впервые была открыта и применена техника гальванизации для изготовления ювелирных украшений, которая использовала в качестве электролита виноградный сок. Парфяне, которые правили Багдадом (около 250 до н. э.), возможно, могли использовать эти “батареи” для электролиза серебра.
Одни из самых ранних способов генерации электричества в более современное время были электростатические эксперименты. В 1660 году Отто фон Герике создал электростатическую машину в виде насаженного на металлический стержень серного шара, который, если его потереть или раскрутить, притягивал перья и маленькие кусочки бумаги. Также фон Герике удалось доказать, что полученные в ходе экспериментов искры имеют электрическую природу.
В 1744 году Эвальд Юрген фон Клейст разработал “лейденскую банку”, которая хранила статический заряд в стеклянном сосуде, оклеенном внутри и снаружи металлической фольгой, которая выступала в роли электрода. По сути “лейденская банка” была прообразом современного конденсатора. В те времена ученые, и в их числе Питер ван Мушенбрук, который независимо от фон Клейста проводил подобные эксперименты, предполагали, что электричество является текучим веществом, и его можно “накопить” в сосуде. Но эти предположения о природе электричества не были верны, и ученым в процессе познания электричества приходилось сталкиваться со многими трудностями.
| Standard Range AGM | Deep Cycle Range AGM | Gellyte Range GEL |
 |
 |
 |
| 10 - 12 лет / 600 циклов | 10 - 12 лет / 700 циклов | 10 - 12 лет / 750 циклов |
| универсальная серия AGM | для глубоких разрядов AGM | универсальная серия GEL |
Первым практическим использованием статического электричества стал “электрический пистолет”, который изобрел Алессандро Вольта (1745-1827). Он думал о разработке системы для дистанционной связи, которая могла бы использовать одно логическое состояние. Предполагалось, что железная проволока, поддерживаемая деревянными опорами, будет протянута от городка Комо к Милану, что в Италии. На принимающей стороне конец проволоки должен был находиться в сосуде с метаном. Чтобы сигнализировать о неком событии, по проволоке посылался электрический разряд, целью которого была детонация газа. Но эта конструкция, к сожалению, так и не была построена. Рисунок 2 демонстрирует карандашное изображение Алессандро Вольта.
|
|
Рисунок 2: Алессандро Вольта, изобретатель электрической батареи. “Открытие Вольта разложения воды электрическим током заложили основы электрохимии. Courtesy of Cadex” |
В 1791 году, работая в университете Болоньи, Луиджи Гальвани обнаружил, что мышцы лягушки сокращаются при прикосновении к ним металлического объекта. Это явление стало известно как “животное электричество”. Движимый результатами этих экспериментов, Вольта инициировал новую серию исследований, включив туда цинк, свинец, олово и железо в качестве положительных электродов (катод) и медь, серебро, золото, графит в качестве отрицательных (анод). Интерес к гальваническому электричеству стал широко распространятся.
1. Ранние батареи
В 1800 году Вольта обнаружил, что определенные жидкости могут генерировать непрерывный поток электрического тока, когда они используются как среда для погружения электродов. Это открытие привело к изобретению первого гальванического элемента, более известного под названием электрическая батарея. Вольта также обнаружил, что напряжение можно увеличить, если последовательно соединить несколько гальванических элементов. Рисунок 3 демонстрирует такое соединение.
|
Серебро (А) и цинк (Z) погружены в чашки, заполненные электролитом, и соединены последовательно.
Последовательно соединенные электроды из серебра и цинка, разделенные бумагой, пропитанной электролитом. |
Рисунок 3: Эксперименты Вольта с электрическими батареями в 1796 году.
Металлы в батарее имеют различное сродство к электрону. Вольта заметил, что чем сильнее разнится значение сродства к электрону у металлов, используемых как материал для электрода, тем сильнее становится и потенциал напряжения между ними. Первое значение в нижеследующем списке демонстрирует сродство к привлечению электронов, второе - степень окисления.
Металлы определяли напряжение батареи; они были разделены влажной бумагой, смоченной в соленой воде. |
В том же году Вольта представил сконструированный им источник непрерывного электрического тока Лондонскому королевскому обществу. Эксперименты в области электричества больше не были ограничены моментальным разрядом источника электростатического тока. Нескончаемый поток электрического тока стал возможен.
Тяговые аккумуляторы Trojan (USA)
| Flooded 6V | Flooded 8V | Flooded 12V |
 |
 |
 |
| 10 - 12 лет / 600 циклов | 10 - 12 лет / 600 циклов | 10 - 12 лет / 600 циклов |
| для тяжелых условий работы с электромотрами в составе лодок, погрузчиков, подъемников, поломоечных машин и т.д. | ||
Франция стала одной из первых стран, где открытия Алессандро Вольта получили официальное признание. Это было в то время, когда наука во Франции поддерживалась на самом высоком политическом уровне и новые идеи встречались с распростертыми объятиями. Будучи официально приглашенным, Вольта выступил в Институте Франции с серией лекций, на которых присутствовал и Наполеон Бонапарт (смотрите рисунок 4).
Рисунок 4: Эксперименты Вольта в Институте Франции.
Открытия Вольта настолько поразили мир, что в ноябре 1800 года он был приглашен Французским Национальным Институтом прочитать ряд лекций, на которых присутствовал Наполеон Бонапарт. Наполеон даже выступил в роли помощника при демонстрации таких явлений как искровой разряд, плавление стальной проволоки, разряжение “электрического пистолета” и разложение воды на элементы.
В 1800 году сэр Гемфри Дэви, изобретатель взрывобезопасной шахтной лампы, начал изучать химические эффекты электричества и выяснил, что, проходя через вещество, электрический ток вызывает его разложение. Этот процесс впоследствии был назван электролизом.
Он сделал множество новых открытий с помощью собранной им самой большой и мощной на тот момент электрической батареи, которая хранилась в запасниках Королевского института в Лондоне. Подключение к батарее угольного электрода породило первый в истории электрический свет. Очевидцы сообщали, что его угольная дуговая лампа производила «самую выдающуюся восходящую арку света из когда-либо виденных».
В 1802 году Уильям Крюйкшенк создал электрическую батарею, пригодную для массового производства. Крюйкшенк расположил в длинной прямоугольной коробке спаянные между собой квадратные листы меди и цинка одинакового размера. Прорези в стенках ящика удерживали металлические листы в нужном положении. Затем ящик заполнялся электролитом - морской водой или разбавленной кислотой. Эта конструкция уже была похожа на современную батарею. На рисунке 5 показана мастерская Крюйкшенка по производству батарей.
Рисунок 5: Крюйкшенк и его первая батарея.
Уильям Крюйкшенк, английский химик, сконструировал гальванический элемент путем соединения медных и цинковых пластин в деревянной коробке, заполненной электролитом.
2. Изобретение заряжаемой батареи
В 1836 году Джон Ф. Даниель, английский химик, разработал усовершенствованную модель батареи, которая генерировала более устойчивый ток, чем ранние устройства. К этому времени все электрические батареи были первичными, то есть их нельзя было зарядить. Но в 1859 году французский физик Гастон Планте изобрел первую аккумуляторную батарею. Она была основана на свинцово-кислотной системе, которая используется и по сей день.
Контроль и защита аккумуляторов
| Батарейный монитор | Защита от глубокого разряда | Батарейный балансир |
 |
 |
 |
| контроль более 25 параметров, история и синхронизация | защита от низкого и высокого напряжения, возможность регулировки | для 12, 24, 36 и 48В систем, возможность параллельного подключения |
В 1899 году Вальдмар Юнгнер из Швеции изобрел никель-кадмиевый аккумулятор (NiCd), в котором никель использовался для положительного электрода (катод), и кадмий для отрицательного (анод). Но высокая себестоимость по сравнению со свинцово-кислотным аккумулятором заметно ограничила его использование.
Два года спустя Томас Эдисон разработал альтернативную конструкцию аккумулятора, заменив кадмий железом. Но низкая удельная энергия, слабая производительность при низких температурах и высокие показатели саморазряда ограничили успех никель-железных аккумуляторов. Так было до 1932 года, когда немецкие ученые Шлехт и Аккерман смогли достичь более высокого показателя тока нагрузки, а также заметно увеличили продолжительность срока эксплуатации NiCd аккумулятора, используя технологию прессованния пластин. В 1947 году французскому ученому Нойману удалось сконструировать герметичный NiCd аккумулятор.
В течение многих лет никель-кадмиевые аккумуляторы были единственно возможными аккумуляторами для портативных устройств. В 1990-х экологов стали беспокоить факты загрязнения окружающей среды, вызванные неправильной утилизацией NiCd аккумуляторов; в связи с этим производители стали переходить на более экологически чистые никель-металлгидридные (NiMH) батареи. Вскоре также появилась литий-ионная технология, которая стала теснить никелевые батареи.
Большинство научно-исследовательских усилий сегодня направлены на развитие именно литий-ионной технологии. Эта технология сейчас используется для производства аккумуляторов не только для мобильных телефонов, ноутбуков, фототехники, электроинструмента и медицинского оборудования, но также и для электромобилей и спутников. Литий-ионный аккумулятор имеет ряд преимуществ, таких как высокая удельная энергия, простой процесс заряжания, низкие эксплуатационные расходы и экологическая безопасность.
3. Электричество посредством магнетизма
Идеи о получении электричества с помощью магнетизма пришли сравнительно поздно. В 1820 году Андре-Мари Ампер (1775- 1836) заметил, что провода, по которым протекает электрический ток, порой могут взаимно притягиваться или наоборот - отталкиваться. В 1831 году Майкл Фарадей опытным путем продемонстрировал, что медный диск, если вращать его в сильном магнитном поле, генерирует постоянный поток электрического тока. Фарадею, помогающему Гемфри Дэви в его исследованиях, удалось создать источник электрической силы, который был не иссякаем при обеспечении движения катушки в магните. Это привело к изобретению электрического генератора, а также, соответственно, и электродвигателя, когда процесс направлен в обратную сторону.
Вскоре после этого были разработаны трансформаторы, которые могли изменять показатель напряжения переменного тока. В 1833 году Фарадей заложил основы электродинамики, которые изобразил в виде закона о электромагнитной индукции. Этот закон, названный в честь его автора, описывает явления электромагнетизма в трансформаторах, катушках индуктивности, генераторах и электродвигателях.
После того, как связь электричества и магнетизма стала ясна, были построены большие генераторы для получения постоянного электрического тока. Это способствовало распространению электродвигателей, которые обеспечивали механическое движение, и лампочек Эдисона, которые успешно справлялись с задачей освещения.
| Marin GEL Range | Deep Cycle GEL Range | Solar GEL Range |
 |
 |
 |
| 10 - 12 лет / 800 циклов | 10 - 12 лет / 800 циклов | 10 - 12 лет / 800 циклов |
| для электромоторов лодок и катеров | для глубоких циклических разрядов | для солнечных электростанций |
Первые электростанции генерировали постоянный ток, который невозможно было доставить более чем на 3 км. В 1880-м году Ниагарская Энергетическая кампания предложила 100 000 $ тому, кто придумает способ передачи электроэнергии на большие расстояния. Приз в конечном итоге достался Николе Тесла (1856-1943), хорватскому эмигранту, который создал систему передачи переменного тока.
Системы для передачи постоянного тока работали на низком напряжении и требовали массивных проводов; напряжение же переменного легко могло быть преобразовано в более высокое для транспортировки по обычным проводам, а затем также легко восстановлено. Старшее поколение ученых поддерживало постоянный ток, тогда как молодые тяготели к переменному. Томас Эдисон был категорически против переменного тока, указывая на опасность последнего при поражении электротоком.
Переменный ток становился все более популярным и Джордж Вестингауз, американский инженер и промышленник, решил реализовать многофазную систему Тесла на Ниагарской электростанции. Между Вестингаузом и Эдисоном вспыхнула так называемая “война токов”.
Рисунок 6: Никола Тесла (1856-1943)
В 1883 году Вестингауз создал систему освещения для Ниагара Фолс, использующую переменный ток, а в 1893 году зажглось электрическое освещение Всемирной Колумбовой выставки в Чикаго, что вызвало неподдельное всеобщее удивление. Затем Вестингауз построил три больших генератора для преобразования энергии Ниагарского водопада в электричество. Трехфазная технология, разработанная Тесла, позволяла передавать электроэнергию на большие расстояния значительно дешевле. Благодаря этому электричество получило широкое распространение, оказывая благотворное влияние на тогдашнее качество жизни.
Рисунок 7: 250 000 электроламп освещают Всемирную Колумбову Выставку в Чикаго, 1893 год.
Успешность электрического освещения привела к необходимости постройки трех больших генераторов на Ниагарском водопаде. Courtesy of the Brooklyn Museum Archives. Goodyear Archival Collection
Стоит отметить важнейшее влияние науки о электричестве на многие процессы, происходившие в тогдашней жизни. Именно электричество вдохнуло жизнь в развитие телеграфа. В середине 1800-х телеграф открыл новый род деятельности для способной молодежи. Персонал, управляющий им, приходил из растущего среднего класса, был далек от фабрик и шахт, чреватых опасным и неблагодарным трудом. Стальной магнат и филантроп Эндрю Карнеги часто вспоминал свои молодые годы, когда он работал телеграфистом, также и Альфред Хичкок перед тем как прославиться в киноиндустрии, был техническим оценщиком состояния электрических проводов и кабелей в телеграфной компании.
Изобретение электронных вакуумных трубок в начале 1900-х стало значительным шагом на пути к высоким технологиям. Стало возможным создавать такие устройства как усилитель сигнала или частотный генератор. Это в свою очередь привело к развитию коммерческого радиовещания в 1920-х, и появлению в 1946 году первого цифрового компьютера ENIAC. Изобретение транзистора в 1947 году проложило путь к созданию интегральных схем десятилетием спустя, и появившиеся микропроцессоры дали старт информационной эре, навсегда изменив нашу жизнь.
Человечество стало очень сильно зависеть от электричества. Повышаются и требования к электрическим батареям - необходимы портативные и мобильные источники электроэнергии. С улучшением батарей увеличивается и объем задач, которые решаются с их помощью.
