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.
Что общего у смартфона, ноутбука, ручного фонарика, интерактивных движущихся игрушек для детей и часов? Ответ прост – батарейка. Именно благодаря незаметным кружочкам, цилиндрам и прямоугольникам мы можем пользоваться всем этим.
Сколько лет прошло с изобретения батарейки? Большинство скажет, что первые варианты появились в конце XVIII века. Вполне разумно, ведь в 1798 году итальянский граф Алессандро Вольта построил первую примитивную батарейку, получившую имя «Вольтов столб». Он сложил цинковые и медные диски и разделил их полотном, пропитанным щелочью или кислотой. Такая «башня» была высотой в полметра. Но! Существуют свидетельства того, что происхождение батарейки более давнее. Самый первый примитивный образец был известен людям еще за 2000 лет до этого.
В середине XX века (1938 год) на раскопках в Ираке Вильгельм Кениг нашел глиняный горшок 13 см в высоту с медным цилиндром, в который был вставлен стержень из другого металла. Археологи предположили, что это самая древняя батарейка.
Однако как именно использовали этот кувшин жители древнего Ирака, мы уже не узнаем. А вот об итальянце Луиджи Гальвани и животном электричестве известно много. Он заметил, что тело лягушки дергалось, если соприкасалось с двумя металлическими элементами или располагалось рядом с электрической машиной и вылетающими из нее искрами. Луиджи предположил, что электричество есть в самом теле животного.
Именно его опыты с лягушачьими лапками подвигли Вольта на поиск источника электрического тока. Он провел серию испытаний и заметил, что если тело животного соприкасалось с предметами из одного и того же металла, то ничего не происходило, а вот если металлы были разные, то появлялся нужный эффект. Соорудив свою башню из металлических пластин, он доказал, что электрический ток появляется не в тканях животных. Опыты показывали, что причиной всему являются химические реакции между разными металлами соединенными проводником (у Гальвани в его качестве было тело лягушки).
Оба итальянца прославились, а их именами назвали единицу измерения напряжения Вольт и непосредственно сам «гальванический элемент».
История батарейки
С открытия батарейки, вернее, ее прапрапрабабушки, прошло совсем немного времени, и в 1836 году англичанин Джордж Фредерик Даниель решил главную проблему «вольтового столба» – коррозию.
В 1859 году француз Гастон Плантэ создал аккумулятор, ну то есть его прапрадедушку. Он использовал серную кислоту и свинцовые пластины. Преимуществом созданного прибора было то, после зарядки от источника постоянного тока, уже сам отдавал его и становился источником электроэнергии.
1868 год можно считать судьбоносным. Химик из Франции Жорж Лекланше создал «жидкостный» прародитель «сухого» элемента батареи. Спустя 20 лет немец Карл Гасснер постарался и получил тот самый «сухой». Он практически во всем был похож на современный вариант.
После этого история производства батареек только набирала обороты. Гальванические элементы заменили никель-кадмиевые и никель-металлгидридные аккумуляторы. Главной задачей ученых было увеличение емкости и срока службы, а также уменьшение размеров. Решением проблемы стало появление литий-ионных и литий-полимерных аккумуляторов. Они без проблем долго держат заряд, отличаются большой емкостью и небольшими размерами.
История развития батареек продолжается. Ученые ищут «вечную» батарейку, и, вполне возможно, скоро найдут.
Взгляните вокруг. Практически все малогабаритные электрические устройства, которые окружают нас в повседневной жизни, имеют в своей схеме портативный элемент питания – попросту говоря батарейку. Будь-то мобильный телефон, пульт от телевизора, настенные или настольные часы, калькулятор и др.
Все эти приборы неработоспособны без батарейки либо аккумулятора. Так давайте заглянем в историю открытия этого маленького чудо приспособления. Первый химический элемент был изобретен в конце XVIII века итальянским ученым Луиджи Гальвани, совершенно случайно. Ученый проводил исследования реакции животных на различные типы воздействия на них.
Когда он присоединил к лягушачьей лапке две полоски разных металлов, то обнаружил протекание тока между ними. Хотя Гальвани и не дал правильного объяснения этому процессу, но его опыт послужил основой для исследований другого итальянского ученого Алессандро Вольта. Он и выявил, что причиной возникновения тока является химическая реакция между двумя различными металлами в определенной среде.
Вольта поместил в емкость с соляным раствором две пластинки: цинковую и медную. Это устройство и стало первым в мире автономным химическим элементом. В последствии Вольта усовершенствовал свою конструкцию, создав знаменитый “Вольтов столб ”(Приложение. Фото).
В 859 году французский ученый Гастон Плантэ создал элемент питания, в котором использовались свинцовые пластины погруженные в слабый раствор серной кислоты. Эта батарея подвергалась заряду источником постоянного тока, а потом начинала сама вырабатывать электричество, выдавая почти всю потраченную на заряд электроэнергию. Причем это можно было проделывать много раз. Так появился первый аккумулятор.
2. Анкетирование о батарейках в нашей жизни
Для того, чтобы получить ответ на все эти вопросы, я провёл анкетирование:
попросил родителей, старшеклассников ответить на вопросы моей анкеты. Было опрошено 32 человека
Вопрос 1: Чем руководствуетесь при покупке батареек?
(Приложение. Таблица 1)
Большинство опрошенных обращают внимание при покупке батареек на фирму производителя.
Вопрос 2: В каких устройствах используете, батарейки?
(Приложение. Таблица 2)
Большинство используют батарейки в пультах управления и часах.
Электрические батарейки - очень полезная вещь. Если бы их не было, то пришлось бы игрушки включать в розетку и путаться в проводах, к тому же электрический ток из сети не подходит для игрушек, понадобилась бы еще специальная коробочка для его исправления.
Батарейки не обладают такой мощностью, как то электричество, которое поступает в наши дома, но зато их можно переносить с места на место, а так же использовать как аварийный источник энергии, когда оборвана сеть.
Вопрос 3: Что Вы делаете с использованными батарейками?
(Приложение. Таблица 3)
Большинство батарейки выбрасывают, некоторые используют зарядные устройства.
Вопрос 4: Как можно продлить срок работы батарейки?
(Приложение. Таблица 4)
Почти половина опрошенных не знают, как продлить срок работы батарейки.
Выводы по итогам анкетирования:
1. Электрические батарейки - очень полезная вещь. Они дают игрушкам и другим полезным вещам независимость и самостоятельность
2. В каждом доме есть устройства, для которых нужны батарейки.
3. Большинство опрошенных при покупке батареек ориентируются на цену и фирму.
4. Большинство не знают, как продлить срок работы батарейки и поэтому сразу их выбрасывают.
Школьная научно – практическая конференция
молодежи и школьников
«Поиск. Наука. Открытие.»
города Новочебоксарска
Николаев Александр
ученик 5А класса МОУ «СОШ № 13»
города Новочебоксарска
Научный руководитель:
Комиссарова Наталья Ивановна,
учитель физики МОУ «СОШ № 13»
г. Новочебоксарск, 2011 год
2. История создания батарейки…..…………………………………………………… 3-5
3. Устройство батарейки.. ……………………………………………………………… 5
4. Эксперимент…………………………………………………………………………… 5
5. Об использовании фруктов и овощей для получения электричества. ................ 7
6. Выводы…………………………………………………………………………………... 8
7. Использованная литература………………………………………………………….. 8
Введение
Наша работа посвящена необычным источникам энергии.
В окружающем нас мире очень важную роль играют химические источники тока. Они используются в мобильных телефонах и космических кораблях, в крылатых ракетах и ноутбуках, в автомобилях, фонариках и обыкновенных игрушках. Мы каждый день сталкиваемся с батарейками, аккумуляторами, топливными элементами .
Впервые о нетрадиционном использовании фруктов мы прочитали в книге Николая Носова. По замыслу писателя, Коротышки Винтик и Шпунтик, жившие в Цветочном городе, создали автомобиль, работающий на газировке с сиропом. И тогда мы подумали, а вдруг овощи и фрукты хранят еще какие-нибудь секреты. В результате нам захотелось узнать как можно больше о необычных свойствах овощей и фруктов.
Целью нашей работы является исследование электрических свойств фруктов и овощей.
Перед собой мы поставили следующие задачи :
1 Познакомиться с устройством батарейки и его изобретателями.
2.Узнать, какие процессы протекают внутри батарейки.
3.Экспериментально определить напряжение внутри «вкусной» батарейки и силу тока создаваемую ею.
4. Собрать цепь, состоящую из нескольких таких батареек и постараться зажечь лампочку.
5. Узнать, используются ли овощные и фруктовые батарейки на практике.
История создания батарейки
Первый химический источник электрического тока был изобретен случайно, в конце 17 века итальянским ученым Луиджи Гальвани. На самом деле целью изысканий Гальвани был совсем не поиск новых источников энергии, а исследование реакции подопытных животных на разные внешние воздействия. В частности, явление возникновения и протекания тока было обнаружено при присоединении полосок из двух разных металлов к мышце лягушачьей лапки. Теоретическое объяснение наблюдаемому процессу Гальвани дал неверное.
Опыты Гальвани стали основой исследований другого итальянского ученого - Алессандро Вольта. Он сформулировал главную идею изобретения. Причиной возникновения электрического тока является химическая реакция, в которой принимают участие пластинки металлов. Для подтверждения своей теории Вольта создал нехитрое устройство. Оно состояло из цинковой и медной пластин погруженных в емкость с соляным раствором. В результате цинковая пластина (катод) начинала растворяться, а на медной стали (аноде) появлялись пузырьки газа. Вольта предположил и доказал, что по проволоке протекает электрический ток. Несколько позже ученый собрал целую батарею из последовательно соединенных элементов, благодаря чему удалось существенно увеличить выходное напряжение.
Именно это устройство стало первым в мире элементом питания и прародителем современных батарей. А батарейки в честь Луиджи Гальвани называют теперь гальваническими элементами.
Всего через год после этого, в 1803 году, русский физик Василий Петров для демонстрации электрической дуги собрал самую мощную химическую батарею, состоящую из 4200 медных и цинковых электродов. Выходное напряжение этого монстра достигало 2500 вольт. Впрочем, ничего принципиально нового в этом «вольтовом столбе» не было.
В 1836 году английский химик Джон Дэниель усовершенствовал элемент Вольта, поместив цинковый и медный электроды в раствор серной кислоты. Эта конструкция стала называться «элементом Даниэля».
В 1859 году французский физик Гастон Плантэ изобрёл свинцово-кислотный аккумулятор. Этот тип элемента и по сей день используется в автомобильных аккумуляторах.
Начало промышленного производства первичных химических источников тока было заложено в 1865 г. французом Ж. Л. Лекланше, предложившим марганцево-цинковый элемент с солевым электролитом.
В 1890 году в Нью-Йорке Конрад Губерт, иммигрант из России, создаёт первый карманный электрический фонарик. А уже в 1896 году компания National Carbon приступает к массовому производству первых в мире сухих элементов Лекланше «Columbia». Самый долгоживущий гальванический элемент - серно-цинковая батарея, изготовленная в Лондоне в 1840 г.
До 1940 г. марганцево-цинковый солевой элемент был практически единственным используемым химическим источником тока.
Несмотря на появление в дальнейшем других первичных источников тока с более высокими характеристиками, марганцево-цинковый солевой элемент используется в очень широких масштабах, в значительной мере благодаря его относительно невысокой цене.
В современных химических источниках тока используются:
в качестве восстановителя (на аноде) - свинец Pb, кадмий Cd, цинк Zn и другие металлы;
в качестве окислителя (на катоде) - оксид свинца(IV) PbO2, гидроксооксид никеля NiOOH, оксид марганца(IV) MnO2 и другие;
в качестве электролита - растворы щелочей, кислот или солей.
Устройство батарейки
Современные гальванические элементы внешне имеют мало общего с устройством, созданным Алессандро Вольта, однако базовый принцип остался неизменным. Батарейки производят и сохраняют электричество. Внутри сухого элемента, питающего прибор, есть три главные части. Это отрицательный электрод (-), положительный электрод (+) и находящийся между ними электролит, представляющий собой смесь химических веществ. Химические реакции заставляют электроны течь от отрицательного электрода через прибор, а затем назад, к положительному электроду. Благодаря этому прибор и работает. По мере того как химикалии расходуются, батарейка садится.
Корпус батарейки, который делают из цинка, снаружи может быть покрыт картоном или пластиком. Внутри корпуса находятся химикалии в виде пасты, а у некоторых батареек посредине есть угольный стержень. Если мощность батарейки падает, это значит, что химикалии израсходованы и батарейка больше не в состоянии производить электричество.
Перезарядка таких батарей невозможна или очень нерациональна (к примеру, для зарядки некоторых типов батарей придется потратить в десятки раз больше энергии, чем они могут сохранить, а другие виды могут накопить только малую часть своего первоначального заряда). После этого батарею останется только выкинуть в мусорный ящик
Большинство современных аккумуляторных батарей были разработаны уже в 20-ом веке в лабораториях крупных компаний или университетов.
Экспериментальная часть
Ученые утверждают, что если у вас дома отключат электричество, вы сможете некоторое время освещать свой дом при помощи лимонов. Ведь в любом фрукте и овоще есть электричество, поскольку они заряжают нас, людей, энергией при их употреблении.
Но мы не привыкли верить всем на слово, поэтому решили проверить это на опыте. Итак, для создания «вкусной» батарейки мы взяли:
лимон, яблоко, луковицу, картофелину сырую и вареную;
несколько медных пластин из набора по электростатике – это будет наш положительный полюс;
оцинкованные пластины из того же набора – для создания отрицательного полюса;
провода, зажимы;
милливольтметры, вольтметры
амперметры.
лампочку на подставке, рассчитанную на напряжение 2,5 В и силу тока 0,16А.
Результаты эксперимента мы занесли в таблицу.
Вывод: напряжение между электродами приблизительно одинаковое. А величина силы тока, вероятно, связана с кислотностью продукта. Чем больше кислотность, тем больше сила тока.
Если использовать не сырую, а вареную картошку, то мощность устройства увеличится в 4 раза.
Мы решили исследовать, как зависят напряжение и сила тока от расстояния между электродами. Для этого взяли вареную картофелину, изменяли расстояние между анодом и катодом и измеряли напряжение и силу тока на батарейке. Результаты эксперимента занесли в таблицу.
|
Расстояние между электродами, см |
Напряжение между электродами, В |
Ток короткого замыкания, мА |
|
1 |
0,6 |
2,1 |
|
2,5 |
0,7 |
3,6 |
|
3,5 |
0,7 |
3,8 |
|
5 |
0,8 |
4,2 |
Вывод: напряжение между электродами и сила тока растут с увеличением расстояния между ними. Ток короткого замыкания мал, т.к. внутреннее сопротивление картофеля велико.
Далее мы решили составить батарею из двух, трех, четырех картофелин. Предварительно увеличив расстояние между электродами до максимума, последовательно включили картофелины в цепь. Результаты эксперимента занесли в таблицу.
Вывод: напряжение на зажимах батареи растет, а ток уменьшается. Ток слишком мал, для того чтобы загорелась лампочка.
Поэтому мы планируем в дальнейшем выяснить, какими способами можно увеличить силу тока в цепи и заставить лампочку светиться.
Наблюдали за нашими «вкусными» батарейками мы в течение некоторого времени. Результаты измеренного напряжения на батарейках занесли в таблицу:
Вывод: постепенно напряжение на всех «вкусных» батарейках уменьшается. До сих пор еще есть напряжение на яблоке, луке и вареном картофеле.
Вытаскивая медную и цинковую пластины из овощей и фруктов, мы обратили внимание на то, что они сильно окислились. Это значит, что кислота вступала в реакцию с цинком и медью. За счет этой химической реакции и протекал очень слабый электрический ток.
Об использовании фруктов и овощей для получения электричества.
Недавно израильские ученые изобрели новый источник экологически чистого электричества. В качестве источника энергии необычной батарейки исследователи предложили использовать вареный картофель, так как мощность устройства в этом случае по сравнению с сырым картофелем увеличится в 10 раз. Такие необычные батареи способны работать несколько дней и даже недель, а вырабатываемое ими электричество в 5-50 раз дешевле получаемого от традиционных батареек и, по меньшей мере, вшестеро экономичнее керосиновой лампы при использовании для освещения.
Индийские ученые решили использовать фрукты, овощи и отходы от них для питания несложной бытовой техники. Батарейки содержат внутри пасту из переработанных бананов, апельсиновых корок и других овощей или фруктов, в которой размещены электроды из цинка и меди. Новинка рассчитана, прежде всего, на жителей сельских районов, которые могут сами заготавливать фруктово-овощные ингредиенты для подзарядки необычных батареек.
Выводы:
1 Познакомились с устройством батарейки и его изобретателями.
2.Узнали, какие процессы протекают внутри батарейки.
3. Изготовили овощные и фруктовые батарейки
4.Научились определять напряжение внутри «вкусной» батарейки и силу тока создаваемую ею.
5. Заметили, что напряжение между электродами и сила тока растут с увеличением расстояния между ними. Ток короткого замыкания мал, т.к. внутреннее сопротивление батарейки велико.
6.Обнаружили, что напряжение на зажимах батареи составленной из нескольких овощей растет, а ток уменьшается. Ток слишком мал, для того чтобы загорелась лампочка.
7. В собранной цепи лампочку зажечь не смогли, т.к. ток мал.
Использованная литература:
1 Энциклопедический словарь юного физика. -М.: Педагогика, 1991г
2 О. Ф. Кабардин. Справочные материалы по физике.-М.: Просвещение 1985.
3 Энциклопедический словарь юного техника. -М.: Педагогика, 1980г.
4 Журнал «Наука и жизнь», №10 2004г.
5 А. К. Кикоин, И.К. Кикоин. Электродинамика.-М.: Наука 1976.
6 Кирилова И. Г. Книга для чтения по физике.- Москва: Просвещение 1986.
7 Журнал «Наука и жизнь», №11 2005г.
8 Н.В.Гулиа. Удивительная физика.-Москва: «ИздательствоНЦ ЭНАС» 2005
Интернет- ресурс.
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.
