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.
Гальванический элемент или батарейка - это простейший источник электричества, который работает на принципах химического взаимодействия определенных веществ друг с другом. Она была изобретена ученым Алессандро Вольта, но последние данные из раскопок древних фараонов дают основания полагать, что гальванические элементы были известны человеку уже не одну тысячу лет. И так давайте попытаемся понять, как все же работает гальванический элемент и разберем устройство батарейки.
Устройство батарейки. Самый простой вариант |
Предположим, у нас имеется стеклянный сосуд, а в него налит раствор серной кислота и опущен цинковый стержень. Так как на поверхности пластины имеются положительно заряженные ионы цинка, то в растворе кислоты вокруг стержня концентрируются отрицательные ионы раствора. Силы притяжения раствора отрывают ионы цинка. В итоге цинковый стержень приобретает отрицательный потенциал, а раствор положительный. А как мы уже знаем разность потенциалов - это . Итак, при контакте металла и кислотного раствора на границе появляется . В момент образования его и происходит превращение химической энергии в электрическую.
Элемент Александро Вольта состоит из двух различных пластин меди и цинка, помещенных в слабый раствор серной кислоты. Медная пластина которого плюс, а цинковая соответственно минус, с некоторой разность потенциала. Нужно сказать, что это вырабатываемое ЭДС гальванического источника, полностью зависит от материала и от происходящих химических процессов.
Изобретатель Александро Вольта поместил в банку с кислотой медную и цинковую пластинки, а затем соединил их проволокой. После этого цинковая пластина начала растворяться в растворе, а на медной появились пузырьки газа - водорода. "Вольтов столб " - представляет из себя слоеный пирог из соединенных между собой пластинок цинка, меди и сукна, пропитанных серной кислотой и сложенных друг на друга в определенной последовательности.
Подсоединив гальванический элемент к нагрузке, мы косвенно видим как электроны с цинкового электрода перетекают на медный, тем самым нарушая равновесие. В итоге на медной пластине начнет, выделятся водород. Это образование водорода весьма отрицательно влияет на работу гальванического элемента, т.к они создают барьер между границей меди и раствора. И это явление в физике называется поляризация.
Для борьбы с эффектом поляризации был открыт другой принцип устройство батарейки. Его назвали в честь первооткрывателя - элемент Лекланше . В сосуд с раствором нашатыря, слегка разбавленного водой помещены два стержня цинковый и графитовый, последний имеет вокруг себя слой двуокиси марганца, задача которого как раз поглощения нежелательного водорода.
В результате эффективность гальванический элемент существенно возрастает. Именно по этому принципу и изготавливаются большинство имеющихся батареек. Отличия заключаются лишь в применяемых веществах и материалах. Так как именно это отличие и закладывает специфические параметры и характеристики гальванических элементов. Например, одни растрачивать свой заряд постепенно и при этом их ЭДС, так же будет, снижаться, а другие наоборот более равномерно отдают энергию и лишь в самый последний момент резко теряют заряд.
Сегодня существует огромное количество различных типов гальванических элементов: Марганцево - цинковый, Марганцево - оловянный, Марганцево - магниевый, Свинцово - цинковый, Свинцово - кадмиевый, Свинцово - хлорный, Хром - цинковый, Окисно - ртутно-оловянный, Ртутно - цинковый, Ртутно - кадмиевый и т.п. Кроме химического состава, гальванические элементы также отличаются размерами и емкостью заряда.
Каждый современный человек периодически сталкивался с вопросами замены батарейки и раз уж вы попали на эту страницу, значит у вас возникли сомнения в правильности выбора того или иного выбора элемента питания. В рамках данной статьи мы разложим все популярные стандарты актуальных батареек по типам и видам.
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.
Итальянский физик Алессандро Вольта создал в 1800 г. источник постоянного тока, способный постоянно производить электроэнергию. Эта первая электрическая батарея, получившая название вольтова столба, была гораздо эффективнее и удобнее, чем обычные тогда конденсаторы, которые требовалось долго заряжать перед каждым использованием.
От жидкостного элемента…
Алессандро Вольта не желал верить в постулированное его земляком Луиджи Гальвани в 1780 г. животное электричество и подверг его опыты с дергающимися лягушачьими лапками тщательной проверке. Вольта обнаружил, что источник электрического тока — не в самих животных тканях, а в химических процессах, возникающих между электродами из различных металлов. В доказательство он соорудил названный его именем элемент, где чередующиеся пластинки цинка и меди были переложены сукном, пропитанным соляной кислотой. На выходах создавалась разность потенциалов, суммирующая напряжение всех соединенных
в столб гальванических элементов. Раствор обладал проводимостью, поскольку в нем вступали между собой в реакцию положительно и отрицательно заряженные элементарные частички (ионы). При таком оснащении опыта возникал электрический ток, способный заставить дергаться лягушачью лапку -но с тем же успехом обеспечивать свечение лампы.
К сухой батарее
Однако у этой батареи были и недостатки: со временем цинковые пластинки растворяются, а у катода накапливается водород, что приводит к снижению напряжения на выходе. В 1867 г. француз Жорж Лекланше устранит эти проблемы, создав сухую батарейку. Электродами в ней служат цинковый цилиндр и угольный стержень. Электролит представляет собой папу, состоящую в основном из хлорида аммония. В 1912 г. Томас Алва Эдисон получил патент на герметичную никель-кадмиевую батарею. В 1950 г. появились первые герметичные пуговичные батарейки. Выпущенные в продажу в 1998 г. ионно-литиевые элементы питания не только мощнее и долговечнее, но и меньше загрязняют окружающую среду, чем ядовитые кадмиевые батарейки.
С обновляющейся энергией
Батарейки, которые можно заряжать многократно, изобрел в 1859 г. французский физик Гастон Планше. В его аккумуляторе использовались свинцовые электроды, погруженные в серную кислоту. При подключении обеих пластин к электрической батарее вторичный элемент через некоторое время заряжался и сам оказывался способен давать ощутимый постоянной ток. С появлением аккумулятора впервые стало возможно накапливать электрическую энергию.
- 1840 г.: Роберт Вильгельм Бунзен создал угольно-цинковый гальванический элемент.
- 1992 г.: чтобы избежать ядовитого кадмия, разработаны никелево-металлогидридные аккумуляторы.
- 1999 г.: концерн Даймлер-Крайслер представил первый автомобить на топливных элементах без выхлопов.
