Кто придумал батарейку? Как работает батарейка

Оставьте комментарий 6,950

Батарейки различных типов давно и прочно вошли в повседневную жизнь. Они используются во всевозможных электрических устройствах со слабыми токами, в качестве источника питания. Несмотря на внешние существенные отличия, устройство батарейки любого типа имеет общие черты и принципы. Различия могут быть только в составе химических веществ, с помощью которых выделяется электрическая энергия.

Типовое устройство батарейки

Батарейка, изготовленная в заводских условиях, включает в свой состав несколько специальных химических реагентов, которые, взаимодействуя между собой, выделяют энергию - тепловую и электрическую. Кроме того, в каждой батарейке имеются электроды - катод и анод, создающие соответствующие полюса - положительный и отрицательный.

Все реагенты разделяются при помощи специальной прокладки, которая не позволяет их составным частям перемешиваться. Тем не менее, эта прокладка способна пропускать электролит, находящийся внутри батарейки в жидком виде. Между разными твердыми реагентами и жидким электролитом происходят химические реакции, в результате которых образуются положительный и отрицательный заряды. Полюсность заряда напрямую зависит от химического состава того или иного реагента. Прокладка, расположенная между ними, не позволяет нейтрализовать положительный и отрицательный заряд.

Дополнительные элементы батарейки

Для снятия заряда и вывода его на контакты во внутрь анодного реагента помещается специальный токосниматель в виде штыря. Токосниматель катода расположен под внешней гильзой, являющейся ее оболочкой. И тот и другой токосниматели, оканчиваются электрическими контактами, соответственно анодом и катодом. Работа начинается с химической реакции, затем на реактивах происходит разделение зарядов и их последующий переход на токосниматели. Окончательно заряды поступают на раздельные электроды и, непосредственно, в электронное устройство.

В устройстве щелочных (алкалиновых) батареек применяется цинк в порошкообразной форме. Для того, чтобы замедлить расход цинка, некоторое время назад производились добавки в порошок химических элементов - ртути и кадмия. Поскольку эти добавки оказались вредными, их перестали применять. В современных конструкциях батареек используются более дорогостоящие, но менее вредные вещества, такие как индий, свинец и прочие. В качестве анодного реактива применяется оксид марганца совместно с электролитом, которым в данном случае является щелочь.

Щелочные батарейки могут иногда протекать. Это происходит, когда нарушена герметичность из-за возможных внешних повреждений гильзы, или, когда внутреннее давление становится выше нормы.

Солевые батарейки имеют аналогичную конструкцию и более низкую стоимость. Их основное отличие в том, что катодная масса заменяется цинковым корпусом. Угольный токосниматель расположен по центру. Хлорид, используемый как электролит, не что иное, как соль соляной кислоты. Именно она и послужила названием для данного вида батареек.

История аккумулятора.

Если проследить историю аккумуляторов, то очевидно, что первым сделал шаг к их созданию Алессендро Вольта, но он не догадался, как сделать полученный им гальванический элемент перезаряжаемым. Другой ученый немец Вильгельм Зинстеден наблюдал эффект получения постоянного тока при погружении свинцовых пластин в серную кислоту, но не сделал из этого выводов, которые можно применить на практике.

Созданием аккумулятора мы обязаны французам. Именно французский ученый Гастон Плант создал в 1859 году его прототип - свинцово-кислотную батарею, которую можно было в отличие от гальванической перезаряжать.

Американский изобретатель лампочки Томас Эдисон заинтересовался свойствами аккумулирующей батареи, способной к перезарядке. Он первым придумал использовать аккумуляторы для нужд транспорта и способствовал началу производства автомобильных аккумуляторов. Эдисон был не только великим ученым, но еще и практически мыслящим человеком. Благодаря ему электричество действительно стало на службу человечеству.

С тех пор суть процесса аккумулирования энергии в свинцово-кислотной батарее ничуть не изменилась, изменились только материалы, используемые при ее производстве. Старые эбонитовые корпуса аккумуляторов сменили современные полипропиленовые. Эбонит менее ударопрочный материал, к тому же полипропилен гораздо дешевле.

Современный автомобильный аккумулятор.

Современный автомобильный аккумулятор - это прежние решетчатые пористые свинцовые пластины (одна - свинцовая, вторая - двуокись свинца), опущенные в электролит, приготовленный из смеси дистиллированной воды и серной кислоты со множеством улучшающих его свойства добавок. Но новейшие технологии, применяемые при изготовлении аккумуляторных автомобильных батарей, существенно улучшают их характеристики. Они снижают коррозию, повышают срок службы аккумуляторов, улучшают прием и отдачу электрозаряда, снижают потерю воды и осыпание активной массы, увеличивают температурный режим путем увеличения морозоустойчивости. Некоторые дополнительные устройства вроде индикаторов позволяют следить за степенью заряженности аккумулятора.

Самым главным преимуществом современных аккумуляторов можно назвать повышение значений стартерного тока, которое обеспечивает стабильный запуск двигателя в любых температурных условиях, и более долгий срок службы за счет снижения саморазряда.

Наверное все из нас пользуются батарейками. Они незаменимы и сфера их применения обширна – от простого будильника или фонаря, до магнитофона. Вряд ли кому-то приходило в голову узнать о том, как появилась эта незаменимая помощница. Именно истории её происхождения и будет посвящена эта статья.
В конце XVII века неожиданно был изобретен первый источник тока. Сделал это итальянский учёный Л. Гальвани. Изначально цель опыта заключалась в том, чтобы узнать о реакции животных на местные раздражители. Но когда к мышечной массе лапки лягушки были присоединены две полоски разных металлов, ученый обнаружил протекание тока между ними. Процесс этот Гальвани объяснил неверно, но это послужило основой для дальнейших исследований еще одного итальянца А. Вольта. Он дал чёткое определение изобретению. Толчком появления тока является реактив химического происхождения, с участием двух металлов. Нехитрое изобретение Вольта из цинка и меди, погружённое в раствор соли – это доказало. Данная конструкция и стала прообразом современной батарейки.

В 1859 г. французский ученый Гастон Плантэ провел исследование, где использовались свинцовые пластины в качестве электродов, а разбавленная серная кислота являлась электролитом. После подключения элемента к источнику питания, происходила зарядка батареи. После этого прибор начинал сам вырабатывать электричество, выдавая при этом всю энергию затраченную на зарядку. При этом проделывать это можно было много раз. Вот так и появился первый свинцовый аккумулятор, который еще долгое время будет применяться в автомобилях.

Усовершенствованный источник питания вовсе не похож на изобретение Вольта, но принцип работы остался тот же. В состав батарейки входит катод с анодом и электролит, который расположен между ними. Выработка электричества происходит в ходе окислительно-восстановительной реакции, которая идёт между электролитами. Выход тока и остальных свойств находится в зависимом состоянии от выбираемых материалов взамен анода и катода, электролита, и от самой конструкции. Элементы питания делятся на первичные и вторичные группы. Для первичных процессов характерны необратимые химические действия, а для вторичных присущи обратимые свойства. Несложно догадаться, что к вторичным процессам относится всем известный аккумулятор, который можно подзарядить и заново использовать. К первичным процессам относится батарейка. После того, как она сядет, её можно будет только выбросить.

Химический источник питания, который в 1866 г. изобрёл француз Жорж Лекланше стал прообразом современных «сухих батареек». За альтернативу электродов были взяты марганец и цинк. Электролитом послужил соляной раствор.

Максимальная удельная ёмкость служит главным свойством в создании батареи. Физические параметры и ёмкость определяются, идущими внутри, химическими реакциями. В основе истории батарейки лежит поиск нанотехнологии для улучшения её функций и удобного использования, а также поиск разработки малых размеров.

В настоящий момент есть производство любых составляющих батарейки, вплоть до тех, которые использовались повсеместно в XIX веке.

Типы и виды батарей.

Сухие батарейки. Состав электролита – хлорид цинка, нашатырь и диоксид марганца. Вместо катода служит уголь электролита и диоксид марганца. Цинк применяют вместо анода.
Никель-кадмиевые батареи. В состав их входит никелевый анод и кадмиевый катод. Такие аккумуляторы популярны во всём мире. Они выдерживают от пятисот до тысячи зарядок.
Свинцовые батареи. Большая часть аккумуляторов, которые сделаны из свинца. Широко используются в автомобильной промышленности.
Литий-ионные батареи. Литий является быстродействующим химическим металлом. Его используют в мобильной технике. Выходное напряжение составляет от полутора вольт почти до трёх с половиной (без одной десятой).
Литий полимерные зарядные устройства. Подобные элементы используются в компьютерах. Они способны хранить на 22% больше заряда, чем предыдущий вариант.
Литий-железодисульфидные батареи. Выходное напряжение в два раза меньше 3 вольт. Минусом является то, что их нельзя перезарядить.

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.

Сегодня представить свою жизнь без электрических устройств очень сложно. Причем, речь идет даже не о крупной бытовой технике, а о малогабаритных приборах, делающих быт значительно комфортнее. Настенные часы, дистанционные пульты, фонарики и многие другие мелкие устройства, к которым мы так привыкли, работают от портативного элемента питания. Чтобы обеспечить их стабильную работу, необходимо просто купить аккумуляторные батарейки . А ведь этот источник питания появился не так и давно!

История создания батарейки

Первый шаг на пути появления батарейки был сделан ученым из Италии Луиджи Гальвани, который исследовал реакции живых организмов на различные воздействия. Суть сделанного им открытия заключалась в том, что через лягушачью лапку проходит ток, когда к ней присоединены две полоски из разных видов металла. Объяснить увиденное ученый так и не смог, зато результаты его работы очень пригодились другому исследователю – Алессандро Вольту.

Этот итальянец смог разгадать суть процесса и понял, что появлению тока способствует химическая реакция, возникающая между различными металлами в определенной среде. Разместив цинковую и медную пластину в соляном растворе, он создал первую в мире батарею первичных элементов, которую после доработки назвал «Вольтов столб». Это было в 1800 году.

Первый аккумулятор появился значительно позже – в 1859 году, когда француз Гастон Плантэ повторил эксперимент своего коллеги, используя слабый раствор серной кислоты и две пластины из свинца. Особенность этого элемента питания заключалась в том, что оно требовало подзарядки от источника постоянного тока, а затем само отдавало полученный заряд на создание электроэнергии.