Алессандро Вольта і батарея

У багатьох ситуаціях нам необхідний запас електроенергії, ми вже не можемо уявити собі життя без батарейок і постійного джерела електрики. Мобільні телефони, електричний велосипед – батарея стає невід’ємною частиною життя. Електричні машини грають важливу роль в громадському транспорті, і їм потрібні якісні батареї.

Розвиток батарей почалося з людини, який першим знайшов джерело енергії, що давав постійний електричний струм, і поклав початок століття електрики – Алессандро Вольта.

Алессандро Вольта народився в аристократичній родині в італійському місті Комо 18 лютого 1745 року. Ще в школі він цікавився наукою, особливо – електрикою. Хоча в той час явище електрики вже було відомо, його походження було загадкою.

Мандрівні артисти демонстрували захопленої публіці дивні ефекти електрики: загадкові потріскування, іскри, і «цвях» уявлення – кинджал, займисті спирт.

У 1769 році Алессандро Вольта, 24-річний студент, опублікував наукову статтю про силу тяжіння електричного вогню. Шість років по тому він почав викладати фізику в своєму рідному Комо, але його також зацікавила хімія. У перші роки життя в Комо він створив електрофор – машину, яка створювала електрику з тертя.

Електрофор складається з двох частин: металевий штамп з ізольованою ручкою і диск з смоли. Якщо натерти смолу котячої шерстю, тертя створює електрику. Воно передається на металевий штамп, який миттєво випускає заряд.

Коли диск з смоли натирають хутром, в ньому створюється надлишковий негативний заряд. Якщо електрично нейтральний металевий штамп піднести до тарілки, його позитивні заряди притягуються до негативних в смоляному диску. Вони збираються на стороні штампа, зверненої до диска. Негативний заряд штампа, навпаки, відштовхується і збирається на його зовнішній стороні. Якщо заземлити цю сторону, негативний заряд піде.

Тепер у металевого штампа не вистачає негативного заряду. Якщо прибрати його від диска, він буде заряджений позитивно. Але якщо заземлений стрижень піднести до тарілки, створюється електричний струм, проскакує іскра, відновлюючи баланс зарядів. Це нерівність зарядів називається різницею потенціалів. Чим далі відсунути штамп від диска, тим вона більше.

Щоб уявити різницю потенціалів, проведемо аналогію з водопроводом. Різниця потенціалів відповідає напору води. Тиск може бути високим, навіть коли води в трубі немає, так відбувається, коли кран закритий. Те ж вірно для різниці потенціалів: вона може бути високою навіть за відсутності електрики, тобто струму.

Вольті вдалося зробити недорогий прилад, який створював високу різницю потенціалів. В результаті його роботи в 35 років він став професором фізики в університеті Павії, але електрику цікавило не тільки Вольту.

У 1789 році професор анатомії з Болоньї Луїджі Гальвані почав досліди з жаб’ячими лапками. Він зробив дивовижне спостереження: якщо торкатися нервових волокон відрізаною лапки двома різними металами, м’язи сіпаються. Гальвані вважав, що відкрив «тварина електрику».

Почувши про досліди Гальвані, Вольта був вражений, він негайно взявся їх повторити. Але він не повірив в пояснення Гальвані. Ставлячи досліди, він виявив, що причина струму – не в м’язах і нервах препарированной лапки, а в двох різних металах. Рідини в тканинах лапки просто служили провідником.

Вольта показав, що в присутності провідної рідини, наприклад, розсолу, потрібно тільки два різних металу, щоб отримати електричний ефект, відомий як гальванічний ефект.

Він почала експериментувати з різними металами, досліджуючи їх властивість. Вимірювальним інструментом йому служив мову. Якщо одночасно торкнутися їм двох металів, створиться струм. Він відчувається як кислуватий смак і поколювання.

Вольта перебрав всі можливі комбінації металів. Він звів їх в таблицю, де порядок відповідав силі електричної реакції. Він досліджував не тільки метали – цинк, олово, свинець, залізо, мідь, платину, золото, срібло і ртуть, які назвав провідниками першого класу, він відкрив, що рідини і соки організму також є провідниками. Їх він відніс до другого класу. Результати його дослідів означали, що суперечка з Гальвані вирішився на його користь. Підсумком стало винахід, який приніс йому всесвітню славу.

Зі своїх дослідів він зрозумів, що ефект електрики можна посилити, помістивши рідина між двома металами. Він створив прилад, який зробив його знаменитим – вольтів стовп.

Вольта зробив стовпчик з мідних монет, перекладених цинковими пластинами. Метали поділяли шкіряні гуртки, вимочені в розсолі. Коли він з’єднував два кінця стовпа дротом, по ній тек електричний струм. Вольта винайшов першу батарею. Але як вона працює? Що відбувається всередині стовпа?

Батарея перетворює хімічну енергію в електричну. У ній є дві камери, розділені пористою мембраною. В одній камері цинковий електрод, в іншій – мідний. Дія батареї засновано на різних хімічних реакціях металів. Цинковий електрод віддає розчину позитивні іони, виникає їх нестача, і електрод заряджається позитивно. Щось схоже відбувається з мідним електродом, але в меншому масштабі, тому що мідь менш схильна віддавати позитивні іони, ніж цинк, вона менше окислюється. Це означає, що її негативний заряд менше, ніж у цинкового електрода. Якщо з’єднати електроди дротом, надлишковий негативний заряд, або електрони, потече по дроті від цинкового електрода до мідного. Це триває недовго, так як з часом хімічний процес припиняється.

Проте, вольтів стовп був першим приладом, який створив тривалий струм. Це був вирішальний крок у дослідженні електрики.

Після майже 10 років роботи Алессандро Вольта, нарешті, досяг мети. У віці 55 років він повідомив про своє відкриття Королівському лондонському суспільству. Британська академія наук вручила Вольті найвищу нагороду – медаль Коплі. До Нобелівської премії вона була піком наукових досягнень.

У 1810 році Вольта переїхав до Парижа і продемонстрував вольтів стовп Французької академії наук у присутності Наполеона. Імператора зацікавило винахід. Він нагородив Вольту рентою і званнями графа і сенатора Італії, яка тоді була під владою Франції.

У 1815 році Вольта став деканом філософського факультету в Павії. Чотири роки по тому він виїхав до Комо, де помер 5 березня 1827 року в віці 82 років.

Через 50 з гаком років з серпня по листопад 1881 року в Паризькому палаці промисловості проходив перший Міжнародний конгрес з електрики. Було представлено безліч технічних новинок: електричний трамвай Сіменса, освітлювальна система Едісона з лампами розжарювання, але головною метою було створити стандартні одиниці електрики. Одну з одиниць назвали в честь Вольти: Міжнародний конгрес з електрики вибрав ім’я вольт для одиниці різниці потенціалів або електрорушійної сили. Так вона називається і зараз. У 19 столітті в графі Вольті бачили відкривача нової ери – ери електрики.

Сьогодні існує безліч батарей, але одне не змінилося з часів Вольти: рано чи пізно вони розряджаються, ток перестає вироблятися. Тоді їх потрібно замінити.

Як і при Вольті, в більшість батарей використовують два металу. Але ці метали, та кислоти, що містяться в батареї, не екологічні, особливо, якщо їх неправильно утилізувати. Тому йде пошук нових комбінацій: досліджуються високоефективні батареї на основі біологічно розкладаються органічних складів. Наука і промисловість роками працює над створенням батарей з більшою питомою енергією і повністю герметичних. Металеві контейнери намагаються замінити пластиковою фольгою, покритою алюмінієм або іншим металом. Це дозволяє надати батареї будь-яку форму, що дуже важливо, коли потрібно «вписати» батарейку в такі прилади, як мобільний телефон або ноутбук.

Але продуктивність теж не забута. Створюються великі батареї, наприклад, для велосипедів. У наш час мобільний запас електрики – найвищий пріоритет.

Хоча батареї швидко розвиваються, їх принцип залишається тим же, що в вольтовом стовпі.

ПОДІЛИТИСЯ: