Історія та сучасність батарейок для гаджетів
Джерела живлення
15.03.2023
Практично кожен цивілізований мешканець сьогодні має пристрій, для роботи якого потрібні акумулятори або батареї: телевізійний пульт, настінний годинник, стільниковий телефон або фотоапарат. Всі ці гаджети стали настільки звичайними, що ніхто вже не намагається вникнути в суть функціонування їх елементів живлення, а тим часом з моменту винаходу прототипу сучасної батарейки минуло вже більше двох століть.
Перш ніж розповісти історію винаходу батарейок, хочу помітити, що у нашому магазині з'явилися батарейки PӃCELL двох видів: Ultra Alkaline та Extra Heavy duty типів АА та ААА.
Рисунок 1: Типи та види батарейок нового надходження
Зрозуміло, що тип або розмір батарейок залежить від форми і розміру осередків в устаткуванні, для якого вони купуються, але на вид мало хто звертає увагу, а це дуже важливо.
Дуже часто на елементах живлення можна зустріти різні яскраві заголовки! Одним із таких є Extra heavy duty. Цей напис означає у перекладі з англійської «розширено надпотужний». Колись давно це відповідало дійсності. Так було поки що ринок не заповнили дешеві сольові джерела енергії. Це словосполучення стали використовувати для приманки споживачів.
Насправді Extra heavy duty означає, що батарейку можна використовувати в суворих умовах. Наприклад, за сильної літньої спеки або в холодних зимових сибірських умовах. До того ж вони віддають більше струму, ніж звичайні. І здатні працювати довше. Їхній внутрішній опір дозволяє виносити навантаження великого струму. Тобто, вони повинні бути хороші для фотоспалаху, для роботи електродвигунів бритв або керованих іграшок, для портативного ліхтарика з потужною лампою.
Алкалінову (лужну) батарейку відносять до марганцево-цинкового джерела живлення. Реакція, необхідна до генерування електрики, створюється за рахунок лужного електроліту. Алкалінові батарейки (на їх корпусі часто можна виявити напис alkaline з будь-яким посилювальним прикметником попереду) знайшли широке застосування в пристроях, що споживають малу кількість енергії, наприклад, у годинниках-будильниках, пультах від телевізора або електричної зубної щітки.
Але насправді зараз все не так. Адже розвиток йде не шляхом поліпшення, а шляхом здешевлення застосовуваних технологій. Тому виявляється, що різновидні батарейки зближуються за можливостями забезпечення коротко великим струмом і довго - малим.
Вибір типу батарей безпосередньо пов'язаний із устроєм приладу, де вони будуть використовуватися. Ці пристрої просто зображуються на етикетках батарейок.
Рисунок 2: Застосовність видів батарейок PӃCELL
Ну а тепер обіцяна історія, яка розповість, коли було винайдено Батарейку?
Одним із найчудовіших і нових відкриттів за останні 400 років стала електрика. Ми могли б запитати: "Невже електрика існує так давно?". Відповідь - так, і, можливо, набагато довше, але його практичне використання було у нашому розпорядженні тільки з середини - кінця 1800-х років, і спочатку в обмеженому обсязі. Однією з перших громадських робіт, які привернули увагу, було освітлення 250 000 лампочок на Всесвітній колумбійській виставці 1893 року у Чикаго і освітлення мосту через річку Сену під час Всесвітньої виставки 1900 року у Парижі.
У використанні електрики можна повернутись ще далі в історію. Під час будівництва залізниці 1936 року неподалік Багдада робітники знайшли те, що виявилося доісторичною батареєю, також відомою як Парфянська батарея. Об'єкт датується парфянським періодом і вважається, що йому 2000 років. Батарея складалася з глиняної посудини, наповненої оцтовим розчином, в яку був вставлений залізний стрижень, оточений мідним циліндром. Цей пристрій виробляв від 1.1 до 2.0 вольт електроенергії. На малюнку 3 показано Парфянську батарею.
Малюнок 3: Парфянська батарея. Глиняний посуд з доісторичною батареєю містить залізний стрижень, оточений мідним циліндром. При заповненні оцтом чи розчином електроліту банки видає напругу від 1.1 до 2 вольт.
Не всі вчені приймають Парфянську батарею як джерело енергії. Цілком можливо, що пристрій використовувався для гальванізації, такої як нанесення на поверхню шару золота або інших дорогоцінних металів. Кажуть, що єгиптяни нанесли гальванічне покриття із сурми на мідь понад 4300 років тому. Археологічні дані свідчать про те, що вавилоняни були першими, хто відкрив та застосував гальванічну технологію у виробництві ювелірних виробів, використовуючи електроліт на основі виноградного соку для золочення керамічного посуду. Парфяни, які керували Багдадом (бл. 250р. до н.е.), можливо, використовували батарейки для гальванопокриття срібла.
Малюнок 4: Електрична машина Отто фон Геріке
Одним з ранніх способів вироблення електроенергії в наш час було створення статичного заряду. У 1660 році Отто фон Геріке з Магдебурга сконструював електричну машину, використовуючи велику сірчану кулю, яка при терті та обертанні притягувала пір'я та маленькі шматочки паперу. Геріке зміг довести, що іскри, що генеруються, мали електричну природу.
Першим практичним застосуванням статичної електрики став "електричний пістолет", винайдений Алессандро Вольто (1745-1827). Він думав про те, щоб забезпечити міжміський зв'язок, хоч і лише одним логічним бітом. Залізний дріт, підтримуваний дерев'яними стовпами, мав бути протягнутий від Комо до Мілана, Італія. На приймальному кінці дріт закінчувався б у банки, наповненої газоподібним метаном. Щоб сигналізувати про закодовану подію, по дроту буде надіслано електричну іскру з метою детонації електричного пістолета. Цю лінію зв'язку не було побудовано. На рис. 5 показаний малюнок олівцем Алессандро Вольти.
Малюнок 5: Алессандро Вольта, винахідник електричної батареї
Відкриття Вольтою розкладання води електричним струмом заклало основи електрохімії.
У 1791 році, працюючи в Болонському університеті, Луїджі Гальвані виявив, що м'язи жаби скорочуються при дотику до металевого предмета. Це стало відомо, як тваринна електрика. Натхненний цими експериментами, Вольта ініціював серію експериментів з використанням цинку, свинцю, олова та заліза як позитивні пластини (катод); і міді, срібла, золота та графіту як негативні пластини (анод). Інтерес до гальванічної електрики незабаром став широко поширеним.
У 1800 році Вольта виявив, що деякі рідини будуть генерувати безперервний потік електричної енергії при використанні як провідник. Це відкриття призвело до винаходу першого гальванічного елемента, відомого як акумулятор.
Малюнок 6: Акумуляторна батарея Volta – «Вольтовий стовп»
Вольта також виявив, що напруга збільшуватиметься, коли гальванічні елементи будуть укладені один на одного. На малюнку 7 показано таку послідовну сполуку.
Малюнок 7: Чотири варіанти електричної батареї Volta
Метали в батареї мають різний електричний вплив. Вольта зауважив, що потенціал напруги у різнорідних речовин ставав сильнішим, ніж далі вони були один від одного.
Перше число в металах, наведених нижче, - це спорідненість до тяжіння електронів; друге – стандартний потенціал від першого ступеня окислення.
Цинк = 1.6 / -0.76 В
Свинець = 1.9 / -0.13 В
Олово = 1.8 / -1.07 В
Залізо = 1.8 / -0.04 В
Мідь = 1.9 / 0.159 В
Срібло = 1.9 / 1.98 В
Золото = 2.4 / 1.83 В
Вуглець = 2.5 / 0.13 В.
Метали визначають напругу батареї; вони були розділені вологим папером, просоченим солоною водою.
У тому ж році Вольта повідомив про відкриття безперервного джерела електрики Лондонському королівському суспільству. Експерименти більше не обмежувалися короткочасною появою іскор, що тривали частки секунди. Нескінченний потік електричного струму тепер видавався можливим.
Франція була однією з перших країн, які офіційно визнали відкриття Вольти. Це було в той час, коли Франція наближалася до піку наукових досягнень, і нові ідеї зустрічалися з розкритими обіймами, допомагаючи підтримувати політичний порядок денний країни. На запрошення Вольта виступив в Інституті Франції із серією лекцій, на яких як член інституту був присутній Наполеон Бонапарт (див. мал. 8).
Рисунок 8: Експерименти Вольти в Інституті Франції
Відкриття Вольти настільки вразили світ, що у листопаді 1800 року Французький національний інститут запросив читати лекції на заходах, у яких брав участь Наполеон Бонапарт. Наполеон допомагав в експериментах, витягуючи іскри з батареї, розплавляючи сталевий дріт, розряджаючи електричний пістолет і розкладаючи воду на її елементи.
У 1800 році сер Хамфрі Деві, винахідник шахтарської захисної лампи, почав зазнавати хімічного впливу електрики і виявив, що при проходженні електричного струму через речовини відбувається розкладання. Пізніше цей процес було названо електролізом. Він зробив нові відкриття, встановивши найбільшу та потужну у світі електричну батарею у сховищах Лондонського королівського інституту. Підключення батареї до вугільних електродів дало перше електричне світло. Свідки повідомили, що його вольтова дугова лампа створювала "найяскравішу висхідну дугу світла, яку коли-небудь бачили".
В 1802 Вільям Крукшенк розробив першу електричну батарею для масового виробництва. Круїкшенк розташував квадратні листи міді з рівними за розміром листами цинку. Ці листи були поміщені у довгу прямокутну дерев'яну коробку та спаяні разом. Канавки в коробці утримували металеві пластини на місці, а потім герметична коробка заповнювалася електролітом з розсолу або кислоти розведеної. Це нагадувало заливну батарею, яка досі з нами сьогодні. На малюнку 9 показаний акумуляторний цех компанії Cruickshank.
Малюнок 9: Крукшенк та перша затоплена батарея.
Перевага цієї заливної конструкції полягала в тому, що вона не висихала при використанні та забезпечувала більше енергії, ніж дискове компонування Volta.
У 1836 році англійський хімік Джон Ф. Деніел розробив удосконалену батарею, яка давала стабільніший струм, ніж більш ранні пристрої. Досі всі акумулятори були первинними, що означало, що їх не можна було підзарядити. У 1859 році французький фізик Гастон Планте винайшов першу акумуляторну батарею. Він був заснований на свинцевій кислоті, системі, яка використовується досі.
Малюнок 10: 1849, Джон Фредерік Деніел і Майкл Фарадей | Осередок Даніеля: у зборі та подетально
У 1899 році Вальдмар Юнгнер зі Швеції винайшов нікель-кадмієву батарею (NiCd), в якій як позитивний електрод (катод) використовувався нікель, а як негативний (анод) - кадмій. Високі матеріальні витрати порівняно зі свинцевою кислотою обмежили її використання, і через два роки Томас Едісон створив альтернативну конструкцію, замінивши кадмій залізом. Низька питома енергія, низька продуктивність за низької температури та високий саморозряд обмежили успіх нікель-залізного акумулятора. Тільки в 1932 році Шлехт і Аккерман досягли більш високих струмів навантаження і підвищили довговічність NiCd, винайшовши технологію пресованого анода. 1947 року Георгу Нойманну вдалося запечатати камеру.
Протягом багатьох років NiCd був єдиною батареєю, що перезаряджається, для портативних пристроїв. У 1990-х роках захисники довкілля у Європі занепокоїлися про забруднення довкілля у разі недбалої утилізації нікель-металогідридних акумуляторів; вони почали обмежувати використання цієї хімічної речовини та попросили споживчу промисловість перейти на нікель-металогідридний ( NiMH ), більш екологічний акумулятор. NiMH схожий на NiCd , і багато хто стверджує, що NiMH став сходинкою до більш довговічного літій-іонного ( Li-ion).
Більшість досліджень сьогодні обертаються навколо вдосконалення систем на основі літію. Крім живлення стільникових телефонів, ноутбуків, цифрових фотоапаратів, електроінструментів та медичних приладів, літій-іонний акумулятор також використовується для електромобілів. Акумулятор має ряд переваг, в першу чергу високою питомою енергією, простотою зарядки, низькими витратами на технічне обслуговування та екологічністю.
Відкриття того, як генерувати електрику за допомогою магнетизму сталося відносно пізно. У 1820 році Андре-Марі Ампер (1775-1836) зауважив, що дроти, якими проходить електричний струм, іноді притягуються, а іноді відштовхуються один від одного. У 1831 Майкл Фарадей (1791-1867) продемонстрував, як мідний диск забезпечує постійний потік електрики, обертаючись у сильному магнітному полі. Фарадею, який допомагав Деві та його дослідницької групі, вдалося генерувати нескінченну електричну силу доти, доки тривав рух між котушкою та магнітом. Це призвело до винаходу електрогенератора, і звернення процесу дозволило запустити електродвигун. Незабаром після цього були розроблені трансформатори, які перетворювали змінний струм (змінний струм) у будь-яку бажану напругу. В 1833 Фарадей заклав основи електрохімії, на яких заснований закон Фарадея. Закон індукції Фарадея відноситься до електромагнетизму, пов'язаного з трансформаторами, котушками індуктивності та багатьма типами електродвигунів та генераторів.
Щойно зв'язок з магнетизмом було зрозуміло, великі генератори почали виробляти постійний потік електроенергії. Потім були двигуни, які забезпечували механічний рух, і лампочка Едісона, здавалося, перемогла темряву. Після того, як Джордж Вестінгауз освітив Всесвітню Колумбійську виставку в Чикаго в 1893 році, Вестінгауз побудував три великі генератори для перетворення енергії Ніагарського водоспаду в електрику. Технологія трифазного змінного струму, розроблена Миколою Теслою, дозволила лініям електропередачі передавати електроенергію на великі відстані. Таким чином, електрика стала широко доступною для людства, щоб покращити якість життя.
Малюнок 11: 250 000 лампочок освітлюють Всесвітню Колумбійську виставку в Чикаго 1893 року. Успіх електричного освітлення призвів до будівництва трьох великих гідрогенераторів на Ніагарському водоспаді.
Винахід електронної вакуумної трубки на початку 1900-х років став важливим наступним кроком на шляху до високих технологій, що дозволило створювати частотні генератори, посилення сигналів та цифрову комутацію. Це призвело до появи радіомовлення у 1920-х роках та першого цифрового комп'ютера під назвою ENIAC у 1946 році. Відкриття транзистора в 1947 році проклало шлях до появи інтегральної схеми через 10 років, а мікропроцесор відкрив інформаційну епоху, назавжди змінивши наш спосіб життя і роботи.
Людство залежить від електрики, та зі зростанням мобільності люди все більше і більше тяжіють до портативного джерела живлення — спочатку для колісних пристроїв, потім до портативності та, нарешті, до використання. Якими б незграбними і ненадійними були перші акумулятори, майбутні покоління можуть дивитися на сучасні технології не більше ніж на незграбні експерименти.
Малюнок 12: Раннє електрообладнання