Історія та розвиток електрики

Одним із найвизначніших і найновіших відкриттів останніх 400 років була електрика. Можна запитати: «Чи існувала електрика так давно?» Відповідь — так, і, можливо, ще довше. Практичне її використання стало доступним лише з середини та кінця 1800-х років, і спочатку в обмеженому масштабі. Одними з перших публічних проектів, що привернули увагу, були вуличні ліхтарі в Берліні у 1882 році, освітлення Чиказької всесвітньої виставки у 1893 році 250 000 лампами та підсвічування мосту через річку Сену під час Паризької виставки 1900 року.

Використання електрики може йти ще далі. Під час будівництва залізниці в 1936 році поблизу Багдада робітники знайшли так звану парфянську батарею, що вважається стародавнім акумулятором віком близько 2 000 років. Вона складалася з глиняного глечика, заповненого оцтовим розчином, у який вставляли залізний стрижень, оточений мідною трубкою, і виробляла 1,1–2,0 В електрики. Дехто вважає, що її використовували для електричного покриття металів.

Рисунок 1: Парфянська батарея.
Глиняна банка доісторичної батареї містить залізний стрижень, оточений мідним циліндром.
При заповненні оцтом або електролітичним розчином банка виробляє від 1,1 до 2 вольт.

Не всі вчені визнають Парфянську батарею джерелом енергії. Можливо, пристрій використовувався для гальванічного покриття, додавання шару золота або інших дорогоцінних металів на поверхню. Кажуть, що єгиптяни наносили гальванічний тин на мідь понад 4300 років тому. Археологічні дані свідчать про те, що вавилоняни першими відкрили та застосували гальванічний метод у виробництві ювелірних виробів, використовуючи електроліт на основі виноградного соку для золотого покриття кераміки. Парфяни, які правили Багдадом (близько 250 р. до н. е.), можливо, використовували батареї для гальванічного покриття срібла.

Один із перших методів отримання електрики в новий час — створення статичного заряду. У 1660 році Отто фон Геріке створив електричну машину з великою сірчаною кулею, яка, терта і обертаючись, притягувала пір’ячко та дрібні шматочки паперу. Це довело, що іскри є електричними за природою. У 1744 році Евальд Георг фон Клейст розробив банку Лейдена для зберігання статичного заряду.

У 1744 році Евальд Георг фон Кляйст розробив Лейденську банку, яка накопичувала статичний заряд у скляній банці, вистеленій металевою фольгою зсередини та зовні. Багато вчених, включаючи Петера ван Мушенбрука, професора в Лейдені, Нідерланди, вважали, що електрика подібна до рідини, яку можна зібрати в пляшці. Вони не знали, що дві металеві фольги утворюють конденсатор. Заряджена високою напругою Лейденська банка спричиняла джентльменам незрозумілий сильний удар струмом, коли вони торкалися металевої фольги.

Першим практичним застосуванням статичної електрики був «електричний пістолет», винайдений Алессандро Вольтою (1745–1827). Він задумав забезпечити зв'язок на великі відстані, хоча й лише одним булевим розрядом. Залізний дріт, що підтримувався дерев'яними жердинами, мав бути протягнутий з Комо до Мілана, Італія. На приймальному кінці дріт закінчувався б у банці, наповненій метаном. Щоб сигналізувати про закодовану подію, електрична іскра мала б послатися по дроту, щоб підірвати банку. Цей канал зв'язку так і не був побудований. На рисунку 2 показано олівцевий малюнок Алессандро Вольти.

Рисунок 2: Алессандро Вольта, винахідник електричної батареї.
Відкриття Вольтою розкладання води електричним струмом заклало основу електрохімії.

У 1791 році Луїджі Гальвані виявив, що м’язи жаби скорочуються при контакті з металом — явище, відоме як тваринна електрика. Це спонукало Алессандро Вольта проводити експерименти з цинком, свинцем, оловом та залізом як анодами, і міддю, сріблом, золотом та графітом як катодами. Інтерес до гальванічної електрики швидко зростав.

Перші батареї

У 1800 році Вольта виявив, що певні рідини можуть генерувати безперервний потік електричної енергії, якщо їх використовувати як провідник. Це відкриття призвело до винаходу першого вольтового елемента, більш відомого як батарея . Вольта також дізнався, що напруга зростатиме, якщо вольтові елементи складати один на одного. На рисунках 3.1 та 3.2 показано таке послідовне з'єднання.

Рисунок 3.1: Експерименти Вольта з електричною батареєю в 1796 році.
Метали срібло (A) та цинк (Z) занурені в чашки, заповнені електролітом, та з'єднані послідовно.

Рисунок 3.2: Експерименти Вольта з електричною батареєю в 1796 році.
Срібний та цинковий електроди з'єднані послідовно, розділені папером, просоченим електролітом.

Досліди Вольта з електричною батареєю в 1796 році

Метали в батареї мають різну спорідненість до електронів. Вольта помітив, що потенціал напруги різних металів стає сильнішим, чим далі віддаляються числа спорідненості одне від одного. Перше число у перелічених нижче металах демонструє спорідненість до притягування електронів; друге – це ступінь окиснення.

Метали визначають напругу батареї, їх розділяли вологим папером, змоченим у солоній воді.

Того ж року Вольта представив своє відкриття безперервного джерела електрики Лондонському Королівському товариству. Експерименти більше не обмежувалися короткочасним проявом іскор, що тривали частки секунди; тепер здавався можливим нескінченний потік електричного струму.

Франція була однією з перших країн, яка офіційно визнала відкриття Вольта. Це було в той час, коли Франція наближалася до вершини наукового прогресу. Нові ідеї віталися з розпростертими обіймами, оскільки вони допомагали підтримувати політичний порядок денний країни. У серії лекцій Вольта звернувся до Інституту Франції. Наполеон Бонапарт брав участь в експериментах, витягуючи іскри з батареї, плавлячи сталевий дріт, розряджаючи електричний пістолет і розкладаючи воду на елементи (див. Рисунок 4 ).

Рисунок 4: Експерименти Вольта в Інституті Франції.
Відкриття Вольта настільки вразили світ, що в листопаді 1800 року Інститут Франції запросив його читати лекції на заходах, у яких брав участь Наполеон Бонапарт. Наполеон допомагав з експериментами, витягуючи іскри з батареї, плавлячи сталевий дріт, розряджаючи електричний пістолет і розкладаючи воду на елементи.

У 1800 році сер Гемфрі Деві, винахідник шахтарської лампи безпеки, почав досліджувати хімічний вплив електрики та виявив, що розкладання відбувається під час пропускання електричного струму через речовини. Цей процес пізніше назвали електролізом .
Він зробив нові відкриття, встановивши найбільшу та найпотужнішу у світі електричну батарею у сховищах Королівського інституту Лондона, підключивши батарею до вугільних електродів, що створило перше електричне світло. Свідки повідомляли, що його гальванічна дугова лампа виробляла «найяскравішу висхідну дугу світла, яку будь-коли бачили».

У 1802 році Вільям Крукшанк розробив першу електричну батарею для масового виробництва. Він помістив квадратні листи міді з листами цинку однакового розміру в довгу прямокутну дерев'яну коробку та спаяв їх разом. Пази в коробці утримували металеві пластини на місці. Потім герметичну коробку заповнювали електролітом - розсолом, або розведеною кислотою. Це нагадувало затоплену батарею, яка існує й донині. На малюнку 5 зображено його майстерню з виробництва батарей.

Рисунок 5: Крукшенк та перша затоплена батарея.
Вільям Крукшенк, англійський хімік, побудував батарею електричних елементів, з'єднавши цинкові та мідні пластини в дерев'яному ящику, заповненому розчином електроліту. Така затоплена конструкція мала перевагу в тому, що не висихала під час використання та забезпечувала більше енергії, ніж дискова конструкція Вольта.

Винахід акумуляторної батареї

У 1836 році англійський хімік Джон Ф. Даніелл розробив удосконалений акумулятор, який виробляв стабільніший струм, ніж попередні спроби накопичення електричної енергії. У 1859 році французький лікар Гастон Планте винайшов перший акумуляторний акумулятор на основі свинцево-кислотної системи, система, яка використовується й донині. До того часу всі акумулятори були первинними, тобто їх не можна було перезаряджати.

У 1899 році шведський Вальдмар Юнгнер винайшов нікель-кадмієвий (NiCd) акумулятор, у якому нікель використовувався як позитивний електрод (катод), а кадмій як негативний (анод). Висока вартість матеріалів порівняно зі свинцем обмежувала його використання. Два роки по тому Томас Едісон замінив кадмій залізом, і цей акумулятор отримав назву нікель-залізний (NiFe). Низька питома енергія, погана продуктивність за низької температури та високий саморозряд обмежували успіх нікель-залізного акумулятора. Лише в 1932 році Шлехт та Акерманн досягли вищих струмів навантаження та покращили термін служби NiCd, винайшовши спечену полюсну пластину. У 1947 році Георгу Нойманну вдалося герметизувати елемент.

Протягом багатьох років нікель-кадмієві акумулятори були єдиними акумуляторними батареями для портативних застосувань. У 1990-х роках екологи в Європі занепокоїлися шкодою, яку завдає недбала утилізація нікель-кадмієвих акумуляторів. Директива 2006/66/ЄС про акумулятори тепер обмежує продаж нікель-кадмієвих акумуляторів у Європейському Союзі, за винятком спеціального промислового використання, для якого немає придатної заміни. Альтернативою є нікель-металгідридні (NiMH) акумулятори, більш екологічно чисті, подібні до нікель-кадмієвих.

Наші акумулятори NiCd

Надійні нікель-кадмієві акумулятори для резервного живлення та побудови великих енергетичних систем

EBH10 / KHP10 1,2В 10Аг – NiCd акумулятор нікель-кадмієвий

Надійна робота при високих розрядних струмах. Стійкість до перезаряду, глибокого розряду та ударів

Купити

SEBM20 / KMP20 1,2В 20Аг – NiCd акумулятор нікель-кадмієвий

Герметичний корпус з клапаном — обслуговування 1 раз на 3–5 років. Надійна конструкція з довговічністю до 20+ років

Купити

EBM700 / KMP700 1,2В 700Аг – NiCd акумулятор нікель-кадмієвий

Серія акумуляторів EBM/KMP оптимізована роботу при розрядах від 30 хвилин до 2 годин, але може виконувати задачі при більш тривалих розрядах

Купити

Подивитися більше

Більшість дослідницьких робіт сьогодні зосереджені на вдосконаленні літієвих систем , які вперше були комерціалізовані компанією Sony у 1991 році. Окрім живлення стільникових телефонів, ноутбуків, цифрових камер, електроінструментів та медичних пристроїв, літій-іонні батареї також використовуються для електромобілів та супутників . Акумулятор має низку переваг, зокрема високу питому енергію, просте заряджання, низькі витрати на обслуговування та екологічну безпеку.

Електрика через магнетизм

Генерація електрики за допомогою магнетизму з'явилася відносно пізно. У 1820 році Андре-Марі Ампер (1775–1836) помітив, що дроти, якими проходить електричний струм, іноді притягуються, а іноді відштовхуються один від одного. У 1831 році Майкл Фарадей (1791–1867) продемонстрував, як мідний диск забезпечує постійний потік електрики, обертаючись у сильному магнітному полі. Фарадей, допомагаючи Гемфрі Деві та його дослідницькій групі, зумів генерувати нескінченну електричну силу, поки триває рух між котушкою та магнітом. Це призвело до винаходу електричного генератора, а також електродвигуна шляхом зворотного процесу.

Невдовзі після цього були розроблені трансформатори, які перетворювали змінний струм (AC) на будь-яку потрібну напругу. У 1833 році Фарадей заклав основи електромагнетизму, на яких базується закон Фарадея. Він стосується електромагнетизму, що зустрічається в трансформаторах, індуктивностях та багатьох типах електродвигунів і генераторів. Як тільки зв'язок з магнетизмом був зрозумілий, були побудовані великі генератори для виробництва постійного потоку електроенергії. Згодом з'явилися двигуни, які забезпечили механічний рух, і лампочка Томаса Едісона, здавалося, перемогла темряву.

Ранні електростанції виробляли постійний струм (DC) з обмеженнями розподілу в 3 км (~2 милі) від станції. Приблизно в 1886 році енергетична компанія Ніагарського водоспаду (NFPC) запропонувала 100 000 доларів за метод передачі електроенергії на великі відстані. Після численних суперечок та невдалих пропозицій найяскравіші уми світу зустрілися в Лондоні, Англія, і приз було присуджено Ніколі Теслі (1856–1943), сербському іммігранту, який створив систему передачі змінного струму. NRPC з Теслою як консультантом побудувала багатофазну систему змінного струму, яка постачала електроенергію від нової електростанції Ніагари аж до Буффало, штат Нью-Йорк.

 Системи постійного струму працюють на низькій напрузі та потребують потужних проводів; змінний струм можна було перетворити на вищу напругу для передачі по легких проводах, а потім зменшити для використання. Старші люди підтримували постійний струм, тоді як молодші генії тяжіли до змінного струму. Томас Едісон був категорично проти змінного струму, називаючи небезпеку ураження електричним струмом як причину.

Розбіжності продовжувалися, але змінний струм став загальноприйнятою нормою, яку також підтримувала Європа. Джордж Вестінгауз, американський винахідник і виробник, почав розробляти систему Тесли, що викликало невдоволення Томаса Едісона.

На загальний подив, змінний струм освітлював Чиказьку всесвітню виставку 1893 року ( рис. 7 ). Потім Вестінгхаус побудував три великі генератори для перетворення енергії Ніагарського водоспаду на електрику. Технологія трифазного змінного струму, розроблена Теслою, дозволила дешево передавати електроенергію на великі відстані. Таким чином, електрика стала широко доступною для людства для покращення якості життя.

Рисунок 7: 250 000 лампочок освітлюють Всесвітню виставку в Чикаго 1893 року, також відому як Всесвітня колумбійська виставка в Чикаго.
Успіх електричного освітлення призвів до будівництва трьох великих гідрогенераторів на Ніагарському водоспаді.

Телекомунікації по дротах, що прокладалися вздовж залізниць, працювали переважно від первинних батарей, які потребували частої заміни. Телекс, один з ранніх засобів передачі даних, був цифровим, оскільки батареї активували ряд реле. Ціна за надсилання повідомлення залежала від кількості необхідних клацань реле.

У середині 1800-х років телеграфія відкрила нові кар'єрні можливості для здібних молодих людей. Персонал, що обслуговував ці пристрої, перейшов до зростаючого середнього класу, далеко від фабрик і шахт, обтяжених працею, брудом і небезпекою. Сталевий магнат Ендрю Карнегі згадував свої ранні роки як телеграфний посильний: Альфред Гічкок розпочав свою кар'єру як кошторисник, перш ніж стати ілюстратором.

Винахід електронної вакуумної лампи на початку 1900-х років став важливим  наступним  кроком до високих технологій. Він дозволив створювати частотні генератори підсилювати сигнали та цифрову комутацію. Це призвело до радіомовлення в 1920-х роках та першого цифрового комп'ютера під назвою ENIAC у 1946 році. Винахід транзистора в 1947 році проклав шлях для появи інтегральної схеми 10 років потому та мікропроцесора, який започаткував інформаційну епоху. Це назавжди змінило те, як ми живемо та працюємо.

Людство стало залежним від електроенергії, і зі зростанням мобільності люди тяжіють до портативних джерел живлення, що використовують акумулятори. З подальшим удосконаленням акумуляторів, це портативне джерело живлення стане можливим для виконання більшої кількості завдань.