Як енергія стала портативною: Вступ до технології акумуляторів

Сучасний світ, у всій його величі та складності, живиться шокуюче первісною силою, яка протікала через людські тіла задовго до того, як був побудований перший двигун. Електрика, та сама сила, яка змушувала людські серця битися стільки, скільки існують людські серця, сьогодні тече по жилах цивілізації, живлячи хмарочоси, в яких ми працюємо, і телефони в наших кишенях.

Хоча великі виробники електроенергії, такі колосальні споруди, як гребля Гувера, можуть бути найбільш вражаючими візуально, людське оволодіння електричними струмами, мабуть, найбільш вражає у вигляді батарейок. Деякі з них досить малі, щоб поміститися на кінчику пальця, живлять багато пристроїв, якими ми користуємося щодня: телефони, ноутбуки, ліхтарики, годинники. Вони є всюдисущою частиною життя вже протягом десятиліть, але чи багато хто з нас знає, як вони працюють?

Під їх простим зовнішнім виглядом ховається простий механізм

Типова лужна батарейка знайома багатьом людям, принаймні зовні. Як правило, укладена в металевий циліндр, батарея має два кінці, позначені як + (позитивний) і – (негативний). Обидва кінці батареї є клемами, з’єднаними з електродами всередині батареї: позитивний кінець з’єднується з катодом, а негативний кінець – з анодом. Сепаратор всередині батареї не дає їм торкатися один одного, дозволяючи при цьому електриці протікати між ними. Між двома кінцями знаходиться електролітна паста – речовина, яка забезпечує протікання електричного струму.

• Як купити біткойн
• NASA управляє марсоходом Curiosity з домашніх офісів працівників
• Tesla показує, як використовує деталі електромобілів для створення апаратів штучної вентиляції легенів

Електрони, природно, хочуть текти від негативного кінця (де є надлишок електронів) до позитивного кінця (де є відкриті простори для електронів), однак вони не можуть цього зробити, оскільки сепаратор блокує їх шлях. При з’єднанні позитивного і негативного кінців сторони утворюється ланцюг, який дозволяє протікати електричному струму.

Коли батарея підключається до пристрою, такого як ліхтарик або пульт дистанційного керування, ланцюг встановлюється і в аноді і катоді відбуваються хімічні реакції. В аноді відбувається реакція окислення, де іони з’єднуються з анодом і вивільняють електрони. На катоді відбувається реакція відновлення, при якій іони та електрони утворюють сполуки. У цих окислювально-відновних реакціях електрони течуть від негативно зарядженого анода до позитивно зарядженого катода.

У лужних батарейках анод виготовляється з цинку, а катод – з діоксиду марганцю. Електроди в цих батареях з часом стираються. Акумуляторні батареї зазвичай виготовляються з літій-іонних. При підключенні до мережі для підзарядки потік електрики змінюється на протилежний, повертаючи анод і катод в початковий стан.

Коротка історія акумуляторів

Найдавніший об’єкт, що нагадує батарею, можливо, був побудований ще в 3 столітті нашої ери у вигляді глиняних горщиків, виявлених у 1938 році німецьким художником Вільгельмом Кенігом поблизу Багдада. Усередині кожного горщика знаходився залізний стрижень, загорнутий в лист міді. Місця в банках було достатньо, щоб містити якийсь розчин електроліту, і тому Кеніг вважав, що горщики є гальванічними елементами, які, можливо, використовувалися жителями Сасанідської імперії для гальванопластики – процесу використання електричного струму для отримання металевого покриття.

Безумовно, експерименти, спрямовані на відтворення цих пристроїв (в тому числі один з них, проведений популярним шоу MythBusters), виявили, що конструкція може виробляти невелику напругу, досить велику для гальванопластики. Незважаючи на це, більшість археологів сьогодні вважають, що горщики використовувалися не як батареї в період, коли вони були побудовані, а скоріше як судини для зберігання священних сувоїв. Металеві покриття в період виготовлення глечиків наносилися шляхом вогневого золочення, тому теорія Кеніга про гальванічне покриття здається хисткою. Для якої б мети не призначалися багдадські батареї, вони є щонайменше цікавим курйозом, ненавмисними прото-батареями, побудованими задовго до того, як вчені прийшли б до кращого розуміння електричних струмів.

Перша справжня батарея була побудована в 1800 році Алессандро Вольта. У часи, коли Вольта був професором в Університеті Павії, він працював з Луїджі Гальвані, біологом, який під час препарування жаби виявив, що коли його скальпель торкається латунного гачка, що утримує жабу, її лапки смикаються. Гальвані (який надихнув слово “гальванізувати”) вважав, що це свідчення електричної сили, яка оживляє життя, яку він назвав “тваринною електрикою”. Вольта відтворив експеримент Гальвані, але прийшов до іншого висновку: електричний струм виробляло з’єднання між металевим скальпелем і гачком, а не життєва сила жаби.

Дослідження Вольта привели його до створення вольтова стовпа – укладання дисків з цинку і срібла, між якими був прокладений картон, змочений солоною водою. З’єднавши верхній і нижній диск дротом, Вольта зміг отримати електричний струм, і закласти основу для майбутніх батарей. На честь роботи Вольта одиниця вимірювання електричного потенціалу відома як вольт.

Батарея, якою ми її знаємо сьогодні, є відносно недавнім винаходом. Працюючи в 1950-х роках в компанії Union Carbide над лінією акумуляторів Eveready, інженер Льюїс Уррі отримав завдання, яке сьогодні здається напрочуд буденним: зробити більш довговічні акумулятори для іграшок. Замість того, щоб удосконалити існуючу конструкцію, як того очікувало начальство, Уррі вирішив створити нову батарею, і в кінцевому підсумку зупиняється на використанні суміші діоксиду марганцю і порошкоподібного цинку. Таким чином, Уррі створив сучасну лужну батарею, здатну живити пристрої експоненціально довше, ніж попередні комерційні батареї. Хоча перші лужні батарейки з’явилися на ринку в 1959 році, часті вдосконалення дозволили їм залишатися життєздатними і донині.

Рекомендація редакції

Source: digitaltrends.com