Кто придумал Батарейка - Когда Изобрели?

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.