История создания первых аккумуляторов. История изобретений. Батарейки Другие важные даты в истории развития батареек

История аккумулятора.

Если проследить историю аккумуляторов, то очевидно, что первым сделал шаг к их созданию Алессендро Вольта, но он не догадался, как сделать полученный им гальванический элемент перезаряжаемым. Другой ученый немец Вильгельм Зинстеден наблюдал эффект получения постоянного тока при погружении свинцовых пластин в серную кислоту, но не сделал из этого выводов, которые можно применить на практике.

Созданием аккумулятора мы обязаны французам. Именно французский ученый Гастон Плант создал в 1859 году его прототип - свинцово-кислотную батарею, которую можно было в отличие от гальванической перезаряжать.

Американский изобретатель лампочки Томас Эдисон заинтересовался свойствами аккумулирующей батареи, способной к перезарядке. Он первым придумал использовать аккумуляторы для нужд транспорта и способствовал началу производства автомобильных аккумуляторов. Эдисон был не только великим ученым, но еще и практически мыслящим человеком. Благодаря ему электричество действительно стало на службу человечеству.

С тех пор суть процесса аккумулирования энергии в свинцово-кислотной батарее ничуть не изменилась, изменились только материалы, используемые при ее производстве. Старые эбонитовые корпуса аккумуляторов сменили современные полипропиленовые. Эбонит менее ударопрочный материал, к тому же полипропилен гораздо дешевле.

Современный автомобильный аккумулятор.

Современный автомобильный аккумулятор - это прежние решетчатые пористые свинцовые пластины (одна - свинцовая, вторая - двуокись свинца), опущенные в электролит, приготовленный из смеси дистиллированной воды и серной кислоты со множеством улучшающих его свойства добавок. Но новейшие технологии, применяемые при изготовлении аккумуляторных автомобильных батарей, существенно улучшают их характеристики. Они снижают коррозию, повышают срок службы аккумуляторов, улучшают прием и отдачу электрозаряда, снижают потерю воды и осыпание активной массы, увеличивают температурный режим путем увеличения морозоустойчивости. Некоторые дополнительные устройства вроде индикаторов позволяют следить за степенью заряженности аккумулятора.

Самым главным преимуществом современных аккумуляторов можно назвать повышение значений стартерного тока, которое обеспечивает стабильный запуск двигателя в любых температурных условиях, и более долгий срок службы за счет снижения саморазряда.

Современная жизнь проходит под знаком электричества, которое повсюду. Страшно даже подумать, что будет, если вдруг все электрические приборы разом исчезнут или выйдут из строя. Электростанции различных типов, разбросанные по всему миру, исправно подают ток в электрические сети, питающие приборы на производстве и в быту. Однако человек устроен так, что никогда не бывает доволен тем, что имеет. Быть привязанным проводом к электрической розетке слишком неудобно. Спасением в этой ситуации являются устройства, питающие током электрические фонарики, мобильные телефоны, фотоаппараты и другие приборы, которые используются в отдалении от источника электричества. Даже маленьким детям известно их название это батарейки.

Строго говоря, обиходное название «батарейка» является не совсем корректным. Оно объединяет сразу несколько видов источников электричества, предназначенных для автономного питания устройства. Это может быть одиночный гальванический элемент, аккумулятор или соединение нескольких таких элементов в батарею для увеличения снимаемого напряжения. Именно это соединение и породило привычное для нашего уха название.

Батарейки и гальванические элементы, и аккумуляторы представляют собой химический источник электрического тока. Первый такой источник был изобретен как это часто бывает в науке случайно итальянским врачом и физиологом Луиджи Гальвани в конце XVIII в.

Хотя электричество как явление знакомо человечеству с древнейших времен, многие века эти наблюдения не имели никакого практического применения. Лишь в 1600 г. английский физик Уильям Гилберт выпустил в свет научный труд «О магните, магнитных телах и о большом магните Земле», где были обобщены известные на тот момент данные об электричестве и магнетизме, а в 1650 г. Отто фон Герике создал электростатическую машину, представлявшую собой серный шар, насаженный на металлический стержень. Спустя столетие голландцу Питеру ван Мушенбруку впервые удалось накопить с помощью «лейденской банки» первого конденсатора небольшое количество электричества. Однако оно было слишком мало для проведения серьезных экспериментов. Исследованиями «природного» электричества занимались такие ученые, как Бенджамин Франклин, Георг Рихман, Джон Уолш. Именно труд последнего об электрических скатах заинтересовал Гальвани.

Настоящую цель знаменитого эксперимента Гальвани, совершившего революцию в физиологии и навсегда вписавшего свое имя в науку, теперь уже никто и не вспомнит. Гальвани препарировал лягушку и поместил ее на стол, где стояла электростатическая машина. Его помощник случайно дотронулся острием скальпеля до открытого бедренного нерва лягушки и мертвая мышца неожиданно сократилась. Другой помощник заметил, что такое происходит только тогда, когда из машины извлекается искра.

Вдохновленный открытием, Гальвани начал методично исследовать обнаруженное явление способность мертвого препарата демонстрировать жизненные сокращения под влиянием электричества. Проведя целую серию опытов, Гальвани получил особенно интересный результат, использовав медные крючки и серебряную пластинку. Если крючок, державший лапку, прикасался к пластинке, лапка, дотронувшись до пластинки, немедленно сокращалась и поднималась. Потеряв контакт с пластинкой, мышцы лапки немедленно расслаблялись, она вновь опускалась на пластинку, снова сокращалась и поднималась.

Луиджи Гальвани. Журнальная иллюстрация. Франция. 1880 г.

Так в результате серии кропотливых опытов и был открыт новый источник электричества. Сам Гальвани, впрочем, не думал о том, что причина открытого им явления контакт разнородных металлов. По его мнению, источником тока служила сама мышца, которая возбуждалась действием мозга, передаваемым по нервам. Открытие Гальвани произвело сенсацию и повлекло за собой множество экспериментов в различных отраслях науки. Среди последователей итальянского физиолога оказался его соотечественник физик Алессандро Вольта.

В 1800 г. Вольта не только дал правильное объяснение открытому Гальвани явлению, но и сконструировал устройство, ставшее первым в мире искусственным химическим источником электрического тока, прародителем всех современных батареек. Оно состояло из двух электродов анода, содержащего окислитель, и катода, содержащего восстановитель, контактирующих с электролитом (раствором соли, кислоты или щелочи). Разность потенциалов, возникавшая между электродами, соответствовала в этом случае свободной энергии окислительно-восстановительной реакции (электролиза), в ходе которой катионы электролита (положительно заряженные ионы) восстанавливаются, а анионы (отрицательно заряженные ионы) окисляются на соответствующих электродах. Реакция может начаться только в том случае, если электроды соединены внешней цепью (Вольта соединял их обыкновенной проволокой), по которой свободные электроны переходят от катода к аноду, создавая таким образом разрядный ток. И хотя современные батарейки имеют мало общего с устройством Вольты, принцип их работы остается неизменным: это два электрода, погруженные в раствор электролита и соединенные внешней цепью.

Изобретение Вольты дало значительный толчок исследованиям, связанным с электричеством. В том же году ученые Уильям Никольсон и Энтони Карлайл с помощью электролиза разложили воду на водород и кислород, чуть позднее Хэмфри Дэви таким же образом открыл металлический калий.

Эксперименты Гальвани с лягушкой. Гравюра 1793 г.

Но в первую очередь гальванические элементы это, несомненно, важнейший источник электрического тока. С середины XIX в., когда появились первые электроприборы, начался массовый выпуск химических элементов питания.

Все эти элементы можно разделить на два основных типа: первичные, в которых химическая реакция является необратимой, и вторичные, которые можно перезарядить.

То, что мы привыкли называть батарейкой, является первичным химическим источником тока, иными словами неперезаряжаемым элементом. Первыми батарейками, запущенными в массовое производство, стали изобретенные в 1865 г. французом Жоржем Лекланше марганцево-цинковые элементы питания с солевым, а затем с загущенным электролитом. Вплоть до начала 1940-х годов это был практически единственный вид используемых гальванических элементов, который вследствие невысокой стоимости широко распространен до сих пор. Такие батарейки называют сухими или угольно-цинковыми элементами.

Гигантская электрическая батарея, сконструированная У. Уолластоном для экспериментов X. Дэви.

Схема работы искусственного химического источника тока А. Вольты.

В 1803 г. Василий Петров создал самый мощный в мире вольтов столб, использовав 4200 металлических кругов. Ему удалось развить напряжение 2500 вольт, а также открыть такое важное явление, как электрическая дуга, которое позднее стало использоваться в электросварке, а также для электрических запалов взрывчатки.

Но настоящим технологическим прорывом стало появление щелочных батареек. Хотя по химическому составу они не особенно отличаются от элементов Лекланше, а их номинальное напряжение по сравнению с сухими элементами увеличено незначительно, за счет принципиального изменения конструкции щелочные элементы могут прослужить в четыре-пять раз дольше сухих, правда, при соблюдении определенных условий.

Важнейшей задачей при разработке батарей является увеличение удельной емкости элемента при уменьшении его размера и веса. Для этого постоянно ведется поиск новых химических систем. Самыми высокотехнологичными первичными элементами на сегодняшний день являются литиевые. Их емкость в два раза выше емкости сухих элементов, а срок службы существенно дольше. Кроме того, если сухие и щелочные батарейки разряжаются постепенно, литиевые держат напряжение в течение практически всего срока службы и лишь затем резко теряют его. Но даже самая лучшая батарейка не может сравниться по эффективности с перезаряжаемым аккумулятором, принцип действия которого основан на обратимости химической реакции.

О возможности создания такого устройства начали задумываться еще в XIX в. В 1859 г. француз Гастон Планте изобрел свинцово-кислотный аккумулятор. Электрический ток в нем возникает в результате реакций свинца и диоксида свинца в сернокислотной среде. Во время генерации тока разряжаемый аккумулятор расходует серную кислоту, образуя сульфат свинца и воду. Чтобы зарядить его, необходимо ток, получаемый из другого источника, пропустить по цепи в обратную сторону, при этом вода будет использована для образования серной кислоты с высвобождением свинца и диоксида свинца.

Несмотря на то что принцип действия такого аккумулятора был описан довольно давно, его массовое производство началось только в XX в., поскольку для перезарядки устройства требуется ток высокого напряжения, а также соблюдение целого ряда других условий. С развитием электросетей свинцово-кислотные аккумуляторы стали незаменимы и используются по сей день в автомобилях, троллейбусах, трамваях и прочих средствах электротранспорта, а также для аварийного электроснабжения.

Немало небольших бытовых электроприборов также работают на «многоразовых батарейках» перезаряжаемых аккумуляторах, имеющих ту же форму, что и невосстанавливаемые гальванические элементы. Развитие электроники напрямую зависит от достижений в этой области.

Элемент питания Ж. Лекланше.

Сухая аккумуляторная батарея.

Мобильным телефоном, цифровым фотоаппаратом, навигатором, мобильным компьютером и прочими подобными устройствами в XXI в. уже никого не удивишь, однако появление их стало возможным лишь с изобретением качественных компактных аккумуляторов, емкость и срок службы которых с каждым годом стараются увеличить.

Первыми на смену гальваническим элементам пришли никель-кадмиевые и никель-металлгидридные аккумуляторы. Их существенным недостатком был «эффект памяти» снижение емкости, в случае если зарядка производилась при не полностью разряженном аккумуляторе. Кроме того, они постепенно теряли заряд даже при отсутствии нагрузки. Эти проблемы в значительной степени были решены при разработке литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов, которые в настоящее время повсеместно используются в мобильных устройствах. Их емкость значительно выше, они без потерь заряжаются в любой момент и хорошо удерживают заряд в состоянии ожидания.

Несколько лет назад в средства массовой информации просочились слухи о том, что американские ученые близко подошли к изобретению «вечной батарейки» бетавольтаического элемента, источником энергии в котором являются радиоактивные изотопы, излучающие бета-частицы. Предполагается, что такой источник энергии позволит мобильному телефону или ноутбуку работать без подзарядки до 30 лет. Более того, по истечении срока службы нетоксичный и нерадиоактивный элемент питания останется абсолютно безопасным. Появление этого чудо-устройства, которое, без сомнения, произвело бы революцию в промышленности, очень сильно ударило бы по карману производителей традиционных батареек возможно, поэтому его до сих пор нет на прилавках.

Современное устройство для зарядки перезаряжаемых элементов АА.

Электрическая батарея, или наиболее распространенный в быту термин «батарейка» – это один из самых широко применяемых источников электроэнергии в современном мире. Используются они в электропбриборах.

Электрическая батарейка очень удобна в применении, так как она позволяет вырабатывать электрический ток где угодно и когда угодно. Электрическая батарея питает различные электроприборы, карманные фонарики, будильники, часы, фотоаппараты и многое другое. Однако срок действия батареи не велик, поскольку химические компоненты, которые она содержит, постепенно расходуются.

Электрические батареи бывают разных форм, мощностей и размеров: от булавочной головки до нескольких сотен квадратных метров. В энергосистемах встречаются весьма мощные свинцовые и никель-кадмиевые аккумуляторные батареи, используемые в качестве резервных источников электропитания или для выравнивания электрических нагрузок.
Самая крупная такая батарея была принята в эксплуатацию в 2003 году в Фэрбенксе (Fairbanks, Аляска, США); она состоит из 13 760 никель-кадмиевых элементов и присоединена через инвертор и трансформатор к сети напряжением 138 kV. Номинальное напряжение батареи составляет 5230 V и энергоемкость 9 MWh; срок службы элементов – от 20 до 30 лет. 99 % времени она работает в качестве компенсатора реактивной мощности, но может при необходимости в течение трех минут отдавать в сеть мощность в 46 MW (или в течение 15 min мощность 27 MW). Общая масса батареи составляет 1500 t, а ее изготовление обошлось в 35 млн. долларов. В случае чрезвычайной ситуации она сможет снабжать электроэнергией 12-тысячный город в течение 7 минут. Имеются аккумуляторные батареи еще большей аккумулирующей способности; одна такая батарея (энергоемкостью 60 MWh) установлена в качестве резервного источника питания в Калифорнии (California, США) и может отдавать в сеть в течение 6 часов мощность 6 MW.

Когда же появились первые электрические батареи?

Первые батареи появились еще в 250 году до нашей эры. Парфяне, жившие в районе Багдада, изготавливали примитивные аккумуляторы. Глиняный кувшин наполнялся уксусом (электролит), затем помещался медный цилиндр и железный прут, концы которых возвышались над поверхностью. Такие батареи использовались для гальванизации серебра.

Однако до конца 1700-х годов ученые не проводили серьезных экспериментов с выработкой, хранением и передачей электроэнергии. Попытки создать непрерывный и управляемый электрический ток не приводили к успеху.

В 1800 году итальянский физик Алессандро Вольта создал первый современный аккумулятор, который известен под названием столб вольта.

Это устройство представляло собой цилиндр, с помещенными внутрь медными и цинковыми пластинами, окруженными электролитом, состоящим из уксуса и рассола. Пластины были уложены поочередно и не прикасались друг к другу. В результате химической реакции начиналось вырабатываться электричество. Самое главное преимущества его изобретения заключалось в том, что в отличие от предыдущих экспериментов ток в столбе был невысоким и его силой можно было управлять.

Наполеон Бонапарт, которому Вольта представил свое изобретение, был впечатлен изобретение физика и даровал ему титул графа. Кроме того, чтобы подчеркнуть важность этого открытия, в честь Вольта была названа единица электродвижущей силы. Не смотря на то, что изобретение А.Вольта совсем не походило на ту электрическую батарейку, которая нам хорошо известна, принцип ее действия остается до сих пор тем же.

Как вы наверно уже догадались, речь пойдет о такой мелочи, коих в нашей повседневной жизни очень много, о батарейке. В современном мире, батарейки окружают нас по всюду, будь то электронная книга или часы, пульт от телевизора или аккумулятор в мобильном телефоне, мы уже очень привыкли к их существованию и наличию, что практически не замечаем их существования, чему собственно говоря помогает то обстоятельство, что они обладают различными размерами.

Для нас, батарейка стала обыденностью!

А когда-то, на заре своего возникновения, она была достаточно большим устройством и являлась единственным источником электрической энергии на планете, доступным человечеству.

Родоначальником батарейки по праву считается итальянский физик Алессандро Вольта (1745 - 1827), который изучив многочисленные труды своего соотечественника Луиджи Гальвани (1737-1798), проводившего опыты с «животным электричеством», пришел к этому замечательному открытию.

Ознакомившись с трактатом Гальвани «об электрических силах в мускуле», Алессандро Вольта обратил внимание, что электричество появляется исключительно, при наличие двух металлов. Поэтому, он сразу же провел свой первый опыт, который заключался в том, что положив две монеты в рот, одну на язык, а вторую под, при этом соединив их проволокой, ощутил солоноватый привкус.

Этот опыт натолкнул его на размышления, результатом которых явилось продолжение начатого им, таким образом, исследования, только уже в больших масштабах.

Одним из таких опытов была установка друг на друга более ста металлических кружков, разделенных бумагой и смоченных соленой водой. Результат не заставил себя ждать, Алессандро снова, проверив ощущения на собственном языке, убедился в наличии электричества в своем устройстве, при этом обратив внимание на то, что оно присутствовало постоянно.

После несколько проведенных таких опытов, Алессандро Вольта сделал батарею. Она представляла собой последовательно соединенные медные и цинковые пластины, попарно опущенные в сосуды с разбавленной кислотой.

Правда, то название, к которому мы сейчас уже так привыкли - батарея, это устройство получило не сразу. Изначально, устройство называлось - «корона сосудов», и являлась она на тот момент самым большим источников электрической энергии.

Если переводить на современные мерки, как сейчас это принято, «короны сосудов» в наше время хватило бы только, чтобы запитать обыкновенный радиоприемник.

В последующем Алессандро Вольта переименовал свое изобретение в честь Луиджи Гальвани и назвал его гальваническим элементом.

Это название кстати, дошло до нашего времени, даже не смотря на то, что само устройство претерпело существенные изменения в конструкции.

Сегодня в нашей «школе фиксиков» - беседа о батарейках.

Что бы мы делали без этих «палочек-выручалочек», которые позволяют нам пользоваться электричеством там, где нет никаких розеток и проводов! Мы берем с собой в лес фонарик, слушаем музыку на пляже, в поездке у нас всегда под рукой фотоаппарат, а малыши выносят на улицу движущиеся игрушки… И везде работают батарейки!

Но откуда же в этих маленьких трубочках берется электрический ток, заставляющий работать все устройства? Попробуем разобраться.

Сначала мы с вами еще раз послушаем фиксипелку про батарейки и посмотрим клип, сделанный режиссером-аниматором Алексеем Будовским. А потом – поговорим о том, как устроены батарейки, и об истории их изобретения.

У обычной, «одноразовой» батарейки есть и другое название – «гальванический элемент» . Электрический ток в нем появляется из-за химического взаимодействия веществ.

Впервые этот способ получения электричества был придуман знаменитым итальянским физиком Алессандро Вольта. Именно в честь него была названа единица измерения электрического напряжения – 1 вольт.

А название «гальванический элемент» дано в честь итальянского физиолога Луиджи Гальвани из Болоньи. Еще в 1791 году он сделал важное наблюдение – только не сумел его правильно истолковать. Гальвани заметил, что тело мертвой лягушки вздрагивает под действием электричества - если положить его возле электрической машины, когда оттуда вылетают искры. Или если оно просто прикасается к двум металлическим предметам. Но Гальвани подумал, что это электричество есть в теле самой лягушки. И назвал это явление «животным электричеством». Вольта повторил опыты Гальвани, но с большей точностью. Он заметил, что если мертвая лягушка касается предметов из одного металла - например, железа - никакого эффекта не наблюдается. Чтобы эксперимент прошел успешно, всегда требовались два разных металла. И Вольта сделал вывод - появление электричества объясняется взаимодействием двух различных металлов, между которыми образуется (с помощью проводника, которым и оказывалось в опытах Гальвани тело лягушки) химическая реакция.

После множества опытов с разными металлами Вольта сконструировал столб из пластинок цинка, меди и войлока, смоченного раствором серной кислоты. Цинк, медь и войлок он накладывал друг на друга в таком порядке: внизу находилась медная пластинка, на ней войлок, затем цинк, опять медь, войлок, цинк, медь, войлок и т. д.

И в итоге столб оказывался заряженным на нижнем конце положительным, а на верхнем - отрицательным электричеством.

А теперь возьмите обычную батарейку и посмотрите: вы увидите, что на одном ее конце нарисован плюс, а на другом – минус. Это почти тот же самый «Вольтов столб». Только за двести лет он стал гораздо меньше. Первый-то, сделанный Алессандро Вольтой, был высотой в полметра. Представьте такую огромную батарейку!

Это изобретение стало сенсацией –– о нем говорили, что «это снаряд, чудеснее которого никогда не изобретал человек, не исключая даже телескопа и паровой машины». Ведь это был первый в истории химический источник тока, пригодный для практического применения.

Для самых любознательных

Современные батарейки устроены, конечно, немного иначе – в них уже нет ни металлических дисков, ни войлочных пластинок, пропитанных раствором кислоты. Но принцип тот же – батарейка содержит в себе химические вещества-реагенты, в состав которых входят два разных металла. В батарейке есть два электрода – положительный (анод) и отрицательный (катод). Между ними – жидкость-электролит: раствор, который хорошо проводит электрический ток и участвует в химической реакции. Когда металлы начинают взаимодействовать через этот раствор, возникает движение заряженных частиц из анода к катоду – и вырабатывается электрическая энергия.

Для экспериментаторов

Делаем сами «Вольтов столб»

Можно попробовать - только вместе со взрослыми! - в домашних условиях сделать свое маленькое подобие «Вольтова столба».

Вам понадобятся:

1) Монетки, обязательно медные (российские 50 и 10 копеек, чистые!)
2) Уксус, или раствор лимонной кислоты, или очень сильно солёная вода (электролит)
3) Алюминиевая фольга
4) Бумажка
5) Прибор, измеряющий электрическое напряжение - мультиметр.

Берём бумажку, и режем на квадратики так, чтобы ими можно было закрыть монетку. Вымачиваем бумажные квадратики в электролите. Далее начинаем строить батарейку. Складываем компоненты по схеме монетка - бумажка - кусочек фольги - монетка - бумажка - кусочек фольги - ... и т.д.

Повторяем операцию, пока не закончится терпение/фольга/монетки/электролит. Когда что-либо закончится, берём мультиметр и меряем напряжение.