Алессандро Вольта и батарея

6 Дек
2014

Во многих ситуациях нам необходим запас электроэнергии, мы уже не можем представить себе жизнь без батареек и постоянного источника электричества. Мобильные телефоны, электрический велосипед – батарея становится неотъемлемой частью жизни. Электрические машины играют важную роль в общественном транспорте, и им нужны качественные батареи.

Развитие батарей началось с человека, который первым нашел источник энергии, дававший постоянный электрический ток, и положил начало веку электричества – Алессандро Вольта.

Алессандро Вольта родился в аристократической семье в итальянском городе Комо 18 февраля 1745 года. Еще в школе он интересовался наукой, особенно – электричеством. Хотя в то время явление электричества уже было известно, его происхождение было загадкой.

Странствующие артисты демонстрировали восхищенной публике странные эффекты электричества: загадочные потрескивания, искры, и «гвоздь» представления – кинжал, воспламенявший спирт.

В 1769 году Алессандро Вольта, 24-летний студент, опубликовал научную статью о силе притяжения электрического огня. Шесть лет спустя он начала преподавать физику в своем родном Комо, но его также заинтересовала химия. В первые годы жизни в Комо он создал электрофор – машину, создававшую электричество из трения.

Электрофор состоит из двух частей: металлический штамп с изолированной ручкой и диск из смолы. Если натереть смолу кошачьей шерстью, трение создает электричество. Оно передается на металлический штамп, который мгновенно выпускает заряд.

Когда диск из смолы натирают мехом, в нем создается избыточный отрицательный заряд. Если электрически нейтральный металлический штамп поднести к тарелке, его положительные заряды притягиваются к отрицательным в смоляном диске. Они собираются на стороне штампа, обращенной к диску. Отрицательный заряд штампа, напротив, отталкивается и собирается на его внешней стороне. Если заземлить эту сторону, отрицательный заряд уйдет.

Теперь у металлического штампа не хватает отрицательного заряда. Если убрать его от диска, он будет заряжен положительно. Но если заземленный стержень поднести к тарелке, создается электрический ток, проскакивает искра, восстанавливая баланс зарядов. Это неравенство зарядов называется разностью потенциалов. Чем дальше отодвинуть штамп от диска, тем она больше.

Чтобы представить разность потенциалов, проведем аналогию с водопроводом. Разность потенциалов соответствует напору воды. Давление может быть высоким, даже когда воды в трубе нет, так происходит, когда кран закрыт. То же верно для разности потенциалов: она может быть высокой даже в отсутствие электричества, т.е. тока.

Вольте удалось сделать недорогой прибор, который создавал высокую разность потенциалов. В результате его работы в 35 лет он стал профессором физики в университете Павии, но электричество интересовало не только Вольту.

В 1789 году профессор анатомии из Болоньи Луиджи Гальвани начал опыты с лягушачьими лапками. Он сделал удивительное наблюдение: если касаться нервных волокон отрезанной лапки двумя разными металлами, мышцы дергаются. Гальвани считал, что открыл «животное электричество».

Услышав об опытах Гальвани, Вольта был потрясен, он немедленно взялся их повторить. Но он не поверил в объяснение Гальвани. Ставя опыты, он обнаружил, что причина тока – не в мышцах и нервах препарированной лапки, а в двух разных металлах. Жидкости в тканях лапки просто служили проводником.

Вольта показал, что в присутствии проводящей жидкости, например, рассола, нужно только два разных металла, чтобы получить электрический эффект, известный как гальванический эффект.

Он начала экспериментировать с разными металлами, исследуя их свойство. Измерительным инструментом ему служил язык. Если одновременно коснуться им двух металлов, создастся ток. Он ощущается как кисловатый вкус и покалывание.

Вольта перебрал все возможные комбинации металлов. Он свел их в таблицу, где порядок соответствовал силе электрической реакции. Он исследовал не только металлы – цинк, олово, свинец, железо, медь, платину, золото, серебро и ртуть, которые назвал проводниками первого класса, он открыл, что жидкости и соки организма также являются проводниками. Их он отнес ко второму классу. Результаты его опытов означали, что спор с Гальвани разрешился в его пользу. Итогом стало изобретение, принесшее ему всемирную славу.

Из своих опытов он понял, что эффект электричества можно усилить, поместив жидкость между двумя металлами. Он создал прибор, сделавший его знаменитым – вольтов столб.

Вольта сделал столбик из медных монет, переложенных цинковыми пластинами. Металлы разделяли кожаные кружки, вымоченные в рассоле. Когда он соединял два конца столба проволокой, по ней тек электрический ток. Вольта изобрел первую батарею. Но как она работает? Что происходит внутри столба?

Батарея превращает химическую энергию в электрическую. В ней есть две камеры, разделенные пористой мембраной. В одной камере цинковый электрод, в другой – медный. Действие батареи основано на разных химических реакциях металлов. Цинковый электрод отдает раствору положительные ионы, возникает их недостаток, и электрод заряжается положительно. Нечто похожее происходит с медным электродом, но в меньшем масштабе, потому что медь менее склонна отдавать положительные ионы, чем цинк, она меньше окисляется. Это значит, что ее отрицательный заряд меньше, чем у цинкового электрода. Если соединить электроды проволокой, избыточный отрицательный заряд, или электроны, потечет по проволоке от цинкового электрода к медному. Это длится недолго, так как со временем химический процесс прекращается.

Тем не менее, вольтов столб был первым прибором, создавшим продолжительный ток. Это был решающий шаг в исследовании электричества.

После почти 10 лет работы Алессандро Вольта, наконец, достиг цели. В возрасте 55 лет он сообщил о своем открытии Королевскому лондонскому обществу. Британская академия наук вручила Вольте высшую награду – медаль Копли. До Нобелевской премии она была пиком научных достижений.

В 1810 году Вольта переехал в Париж и продемонстрировал вольтов столб Французской академии наук в присутствии Наполеона. Императора заинтересовало изобретение. Он наградил Вольту рентой и званиями графа и сенатора Италии, которая тогда была под властью Франции.

В 1815 году Вольта стал деканом философского факультета в Павии. Четыре года спустя он уехал в Комо, где умер 5 марта 1827 года в возрасте 82 лет.

Через 50 с лишним лет с августа по ноябрь 1881 года в Парижском дворце промышленности проходил первый Международный конгресс по электричеству. Было представлено множество технических новинок: электрический трамвай Сименса, осветительная система Эдисона с лампами накаливания, но главной целью было создать стандартные единицы электричества. Одну из единиц назвали в честь Вольты: Международный конгресс по электричеству выбрал имя вольт для единицы разности потенциалов или электродвижущей силы. Так она называется и сейчас. В 19 веке в графе Вольте видели открывателя новой эры – эры электричества.

Сегодня существует множество батарей, но одно не изменилось со времен Вольты: рано или поздно они разряжаются, ток перестает производиться. Тогда их нужно заменить.

Как и при Вольте, в большинство батарей используют два металла. Но эти металлы, и кислоты, содержащиеся в батарее, не экологичны, особенно, если их неправильно утилизировать. Поэтому идет поиск новых комбинаций: исследуются высокоэффективные батареи на основе биологически разлагаемых органических составов. Наука и промышленность годами трудится над созданием батарей с большей удельной энергией и полностью герметичных. Металлические контейнеры пытаются заменить пластиковой фольгой, покрытой алюминием или другим металлом. Это позволяет придать батарее любую форму, что очень важно, когда нужно «вписать» батарейку в такие приборы, как мобильный телефон или ноутбук.

Но производительность тоже не забыта. Создаются большие батареи, например, для велосипедов. В наше время мобильный запас электричества – наивысший приоритет.

Хотя батареи быстро развиваются, их принцип остается тем же, что в вольтовом столбе.


 

Комментарии:

наверх