Сегодня в нашей «школе фиксиков» - беседа о батарейках.

Что бы мы делали без этих «палочек-выручалочек», которые позволяют нам пользоваться электричеством там, где нет никаких розеток и проводов! Мы берем с собой в лес фонарик, слушаем музыку на пляже, в поездке у нас всегда под рукой фотоаппарат, а малыши выносят на улицу движущиеся игрушки… И везде работают батарейки!

Но откуда же в этих маленьких трубочках берется электрический ток, заставляющий работать все устройства? Попробуем разобраться.

Сначала мы с вами еще раз послушаем фиксипелку про батарейки и посмотрим клип, сделанный режиссером-аниматором Алексеем Будовским. А потом – поговорим о том, как устроены батарейки, и об истории их изобретения.

У обычной, «одноразовой» батарейки есть и другое название – «гальванический элемент» . Электрический ток в нем появляется из-за химического взаимодействия веществ.

Впервые этот способ получения электричества был придуман знаменитым итальянским физиком Алессандро Вольта. Именно в честь него была названа единица измерения электрического напряжения – 1 вольт.

А название «гальванический элемент» дано в честь итальянского физиолога Луиджи Гальвани из Болоньи. Еще в 1791 году он сделал важное наблюдение – только не сумел его правильно истолковать. Гальвани заметил, что тело мертвой лягушки вздрагивает под действием электричества - если положить его возле электрической машины, когда оттуда вылетают искры. Или если оно просто прикасается к двум металлическим предметам. Но Гальвани подумал, что это электричество есть в теле самой лягушки. И назвал это явление «животным электричеством». Вольта повторил опыты Гальвани, но с большей точностью. Он заметил, что если мертвая лягушка касается предметов из одного металла - например, железа - никакого эффекта не наблюдается. Чтобы эксперимент прошел успешно, всегда требовались два разных металла. И Вольта сделал вывод - появление электричества объясняется взаимодействием двух различных металлов, между которыми образуется (с помощью проводника, которым и оказывалось в опытах Гальвани тело лягушки) химическая реакция.

После множества опытов с разными металлами Вольта сконструировал столб из пластинок цинка, меди и войлока, смоченного раствором серной кислоты. Цинк, медь и войлок он накладывал друг на друга в таком порядке: внизу находилась медная пластинка, на ней войлок, затем цинк, опять медь, войлок, цинк, медь, войлок и т. д.

И в итоге столб оказывался заряженным на нижнем конце положительным, а на верхнем - отрицательным электричеством.

А теперь возьмите обычную батарейку и посмотрите: вы увидите, что на одном ее конце нарисован плюс, а на другом – минус. Это почти тот же самый «Вольтов столб». Только за двести лет он стал гораздо меньше. Первый-то, сделанный Алессандро Вольтой, был высотой в полметра. Представьте такую огромную батарейку!

Это изобретение стало сенсацией –– о нем говорили, что «это снаряд, чудеснее которого никогда не изобретал человек, не исключая даже телескопа и паровой машины». Ведь это был первый в истории химический источник тока, пригодный для практического применения.

Для самых любознательных

Современные батарейки устроены, конечно, немного иначе – в них уже нет ни металлических дисков, ни войлочных пластинок, пропитанных раствором кислоты. Но принцип тот же – батарейка содержит в себе химические вещества-реагенты, в состав которых входят два разных металла. В батарейке есть два электрода – положительный (анод) и отрицательный (катод). Между ними – жидкость-электролит: раствор, который хорошо проводит электрический ток и участвует в химической реакции. Когда металлы начинают взаимодействовать через этот раствор, возникает движение заряженных частиц из анода к катоду – и вырабатывается электрическая энергия.

Для экспериментаторов

Делаем сами «Вольтов столб»

Можно попробовать - только вместе со взрослыми! - в домашних условиях сделать свое маленькое подобие «Вольтова столба».

Вам понадобятся:

1) Монетки, обязательно медные (российские 50 и 10 копеек, чистые!)
2) Уксус, или раствор лимонной кислоты, или очень сильно солёная вода (электролит)
3) Алюминиевая фольга
4) Бумажка
5) Прибор, измеряющий электрическое напряжение - мультиметр.

Берём бумажку, и режем на квадратики так, чтобы ими можно было закрыть монетку. Вымачиваем бумажные квадратики в электролите. Далее начинаем строить батарейку. Складываем компоненты по схеме монетка - бумажка - кусочек фольги - монетка - бумажка - кусочек фольги - ... и т.д.

Повторяем операцию, пока не закончится терпение/фольга/монетки/электролит. Когда что-либо закончится, берём мультиметр и меряем напряжение.

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.

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.

Учебники по истории могут оказаться неправдивыми: человечество могло начать изучение электрики намного раньше, чем это принято считать. Существование тысячелетней Багдадской батареи говорит о том, что электрическую батарею изобрел не Вольта. Сегодня общепринято считается, что именно итальянский физик Алессандро Вольта в 1800 году придумал электрическую батарею. Он обнаружил, что когда два разнородных металлических зонда помещаются в химический раствор, между ними протекают электроны. С этого начались работы других ученых над электричеством, и это дало огромный толчок развитию науки. Но Багдадская батарея сдвигает срок на несколько тысячелетий раньше.

Составные части Багдадской батареи

Электричество люди пытались изучать задолго до Вольта, о чем сохранились записи в папирусах и настенных рисунках Древнего Египта. Однако это косвенные доказательства, и им мало кто верил, пока в 1938 году немецкий археолог Вильгельм Кениг не описал так называемую Багдадскую банку (ее еще называют Багдадской батареей). Этот глиняный сосуд с электричеством нашли в 1936 году в месте Куджут-Рабу за чертой Багдада, когда рабочие равняли грунт под железную дорогу.

Заслуга Кенига состояла в том, что он увидел в овальном кувшине из ярко-желтой глины высотой 13 см типичную конструкцию батарейки, которые к тому времени массово использовались. Сосуд имел все, что нужно для хранения энергии: свернутый лист меди по периметру, железный стержень в центре и несколько кусков битума внутри. Последний запечатывал верхний и нижний края медного цилиндра. Такое герметичное соединение говорит о том, что кувшин когда-то содержал жидкость. Эту гипотезу же подтверждают следы коррозии на меди. Это же дает разгадку о типе жидкости – уксус или вино. Эти природные вещества содержат в себе кислоту – необходимое условие для любой батарейки.

Багдадская батарея в разрезе

Зачем батарейки, если нет электроприборов

В скором времени похожие на Багдадскую банку артефакты нашли возле городов Селевкия и Ктесифона. Это дало точное знание, что уже несколько тысяч лет тому назад люди пользовались электричеством. Однако зачем им электроэнергия, ведь у них не было лампочек, телевизоров, холодильников и других электроприборов?

Точный ответ на этот вопрос пока что неизвестен, но ученые имеют на этот счет некоторые догадки. Например, Кениг в своих статьях считал, что эти источники питания использовались для гальванизации ювелирных украшений. Этот технологический процесс применяется сегодня повсеместно: омеднение проводов, позолота медных и серебряных украшений, хром на стальных деталях и тому подобное. Его особенностью является то, что под воздействием электрического тока можно нанести тонкое и прочное покрытие из одного материала на другой.

Эта версия имеет право на жизнь, ведь ее проверили на практике. Инженер главной лаборатории высоковольтного электричества в американском городе Питсфилд Уиллард Грей создал по рисункам из статьи Кенига точную копию древней батарейки. Он наполнил глиняный кувшин поочередно виноградным соком и уксусом и получил напряжение на металлических выводах около 1,5 В. Именно столько дает сегодня любая стандартная батарейка формата АА.

Конструкция Багдадской банки

Батарейки для магии и лечения

Кроме гипотезы об использовании древними батареек для гальванизации, существуют еще две: электротерапия и магия.

Древние верили, что если приложить к больному месту электрический ток, тогда оно онемеет и перестанет болеть. Об этом есть записи в трудах древнегреческих и римских медиков. Греки, например, для этих целей часто применяли электрического угря, которого прикладывали к воспаленной конечности и держали до тех пор, пока воспаленная конечность не онемеет.

Размер Багдадской батареи в сравнении с рукой

Еще электричеством могли укреплять религиозную сферу жизни граждан. Жрецы, например, собирали несколько Багдадских банок в один мощный элемент питания и присоединяли выводы к металлической статуе бога. Каждый, кто к ней прикасался, думал, что получил контакт с высшим существом. Хотя на самом деле это был всего лишь слабый разряд тока.

Жрец еще больше укреплял веру в свою связь с божеством тем, что мог спокойно прикасаться к статуе и не получать удары электричества. Для этого он носил сандалии, которыми становился на металлический пол под статуей. Обувь служила изолятором и не пропускала ток. А простые верующие ходили чаще всего босиком, из-за чего этот трюк работал безотказно.

Не батарейка, а камера хранения

Теории о том, что древние могли целенаправленно использовать энергию в химических источниках, не позволяют с уверенностью сказать, что это было в действительности. Причиной этому является очень малая мощность и большой вес таких аккумуляторов, из-за чего на практике они оказываются бесполезными. Например, от яблока можно заставить работать обычный калькулятор или простые наручные часы. Но куда удобней современные источники питания.

Кроме этого, то, что Багдадская банка на самом деле была батареей, опровергают другие находки. Например, находка в той же Селевкии содержала в себе свиток папируса. А артефакт из Ктесифона имел внутри скрученные листы бронзы. Поэтому, по мнению некоторых ученых, такие сосуды использовались для хранения вещей, а не для генерации электричества.

Их версию подтверждает то, что битумная крышка была полностью герметичной и не имела выводов для металлических контактов для проводов. В ней также не было отверстий для заливки электролита, а ведь такой источник питания требует его частой замены.

По мнению ученых, в таких сосудах хранились священные свитки из материалов органического происхождения – пергамента или папируса. При их разложении выделяются органические кислоты, что объясняет наличие следов коррозии на медном цилиндре внутри глиняного сосуда.

Кстати, если у древних проблемой было создать источник электричества, то сегодня главная задача – их утилизация с минимальным вредом для экологии. И в этом МТС помогает украинским пользователям. Оператор запустил национальную программу , с помощью которой они смогут утилизировать элементы питания правильно. О том, куда девать отработанные батарейки, можете .

Кто есть кто в мире открытий и изобретений Ситников Виталий Павлович

Кто изобрел батарейку?

Кто изобрел батарейку?

Батарейка – это химический источник тока.

Электричество в ней вырабатывается в результате химической окислительно-восстановительной реакции. Если батарейка перестала работать или, как говорят, «села» – это значит, что она исчерпала запас химической энергии.

Химический источник тока изобрел итальянский ученый А. Вольта (1745–1827). Он поочередно уложил в столбик медные и цинковые кружки, изолированные фетровыми прокладками. С тех пор элемент так и называется: вольтов столб. В наше время для бытовых нужд используются сухие батарейки. Они заполнены пастообразным электролитом. Наиболее распространенным гальваническим элементом является элемент Лекланше (изобретен в 1865 году французским ученым Ж. Лекланше). Он наполнен жидким электролитом (хлорид калия или цинка), значительно убыстряющим химическую реакцию. Элемент вырабатывает постоянный ток низкого напряжения и повсеместно используется в часах, радиоаппаратуре и т. п.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.