Борис Шевчук / 123RF Сучасний світ, у всій своїй величі та складності, вибігає вражаюче первісну силу, таку, що протікала крізь людські тіла задовго до побудови першого двигуна. Електроенергія, та сама сила, яка тримала людські серця до тих пір, поки не було людей, щоб битися, сьогодні тече цивілізаційними жилами, живлячи хмарочоси, в яких ми працюємо, і телефони в кишенях.
Хоча великі виробники електроенергії, такі колоси, як дамба Гувера, можуть бути найбільш вісцерально вражаючими, володіння людиною електричними струмами, мабуть, найбільш вражаюче у вигляді батарей. Деякі досить маленькі, щоб сидіти на кінчику пальця, акумулятори живлять багато пристроїв, якими ми користуємося щодня: телефони, ноутбуки, ліхтарики, годинники. Вони є всюдисущою частиною життя вже десятки років, але скільки з нас знає, як вони працюють?
Під їх простими зовнішніми елементами простий механізм
Типова лужна батарея буде знайома багатьом людям, принаймні зовні. Як правило, акумулятор, укладений у металевий циліндр, має два кінці, позначені як + (позитивний) та - (негативний). Два кінці батареї - це клеми, з'єднані з електродами в батареї: позитивний кінець з'єднується з катодом, а негативний - з анодом. Сепаратор всередині акумулятора утримує їх від дотику, дозволяючи при цьому електриці протікати між ними. Між двома кінцями знаходиться електролітна паста, речовина, яка забезпечує протікання електричного струму.
Електрони, природно, хочуть перетікати з негативного кінця (де є надлишкові електрони) в позитивний кінець (де є відкриті простори для електронів), проте вони не можуть цього зробити, оскільки сепаратор перекриває їм шлях. З’єднуючи позитивний і негативний кінці партії, утворюється ланцюг, що дозволяє протікати електричному струму.
Коли акумулятор підключено до пристрою, такого як ліхтарик або пульт, встановлюється ланцюг і в аноді та катоді відбуваються хімічні реакції. В аноді відбувається реакція окислення, де іони поєднуються з анодом і вивільняють електрони. На катоді відбувається реакція відновлення, при якій іони та електрони утворюють сполуки. У цих реакціях відновлення окислення електрони перетікають від негативно зарядженого анода до позитивно зарядженого катода.
У лужній батареї анод виготовлений з цинку, тоді як катод - це діоксид марганцю. Електроди в цих батареях з часом стираються. Акумуляторні батареї зазвичай виготовляються з літій-іонних. При підключенні для підзарядки потік електроенергії змінюється, повертаючи анод і катод у початковий стан.
Коротка історія батарей
Найдавніший об’єкт, схожий на батарею, міг бути побудований ще у 3 столітті нашої ери у вигляді глиняних горщиків, розкритих у 1938 році німецьким живописцем Вільгельмом Кенігом поблизу Багдада. Усередині кожного горщика був залізний стрижень, обмотаний аркушем міді. У банках було достатньо місця, щоб містити якийсь розчин електроліту, і тому Кеніг вважав, що горщики є гальванічними елементами, які, можливо, використовуються жителями Сасанійської імперії для гальваніки, процесу використання електричного струму для отримання металевого покриття.
Звичайно, експерименти, спрямовані на відтворення цих пристроїв (у тому числі і популярного шоу MythBusters) виявили, що конструкція може виробляти невелику напругу, достатню для гальванічного покриття. Незважаючи на це, більшість археологів сьогодні вважають, що горщики не використовувались як батареї в той період, коли їх будували, а скоріше як посудини для зберігання священних сувоїв. Металеві покриття в той час, коли були побудовані банки, виконувались у процесі позолоти, тому теорія гальваніки Кеніга здається неміцною. Незалежно від того, для якої мети були розроблені Багдадські батареї, вони є принаймні цікавим курйозом, ненавмисними прото-акумуляторами, побудованими задовго до того, як вчені зрозуміли б електричні струми.
Перший справжній акумулятор був побудований в 1800 році Алессандро Вольта. У свої часи професора в Університеті Павії Вольта працював з Луїджі Гальвані, біологом, який виявив під час розтинання жаби, що коли його скальпель торкається латунного гачка, що тримає жабу, її ноги смикаються. Гальвані (який би надихнув на слово "цинкувати") вважав, що це свідчення електричної сили, що оживляє життя, яку він назвав "електрикою тварин". Вольта відтворив експеримент Гальвані, але дійшов іншого висновку: саме зв’язок між металевим скальпелем і гачком, а не життєва сила жаби, виробляв електричний струм.
Дослідження Вольти змусили його створити вольтову купу, складаючи диски з цинком і сріблом, з картоном, змоченим у морській воді між ними. З'єднавши верхній і нижній диск дротом, Вольта змогла виробляти електричний струм і закладати основу для майбутніх батарей. На честь роботи Вольти одиниця виміру електричного потенціалу відома як вольт.
Акумулятор, яким ми його знаємо сьогодні, є відносно недавнім винаходом. Працюючи над компанією Union Carbide на лінійці акумуляторів Eveready у 1950-х роках, інженер Льюїс Уррі отримав те, що сьогодні здається надзвичайно буденним завданням: виготовити довговічні батареї для іграшок. Замість того, щоб вдосконалити існуючий дизайн, як очікували його начальники, Уррі вирішив створити нову батарею і врешті-решт зупинився на використанні суміші діоксиду марганцю та порошку цинку. Таким чином, Уррі створив сучасну лужну батарею, здатну живити пристрої експоненціально довше, ніж попередні комерційні батареї. Хоча перші лужні батареї з’явилися на ринку в 1959 році, часті вдосконалення зберегли їх життєздатність навіть до сьогодні.
