История и развитие электричества

Одним из самых выдающихся и новейших открытий последних 400 лет было электричество. Можно задаться вопросом: «Существовало ли электричество так давно?» Ответ — да, и, возможно, еще дольше. Практическое его использование стало доступным лишь с середины и конца 1800-х годов, и сначала в ограниченном масштабе. Одними из первых публичных проектов, привлекших внимание, были уличные фонари в Берлине в 1882 году, освещение Чикагской всемирной выставки в 1893 году 250 000 лампами и подсветка моста через реку Сену во время Парижской выставки 1900 года.

Использование электричества может уходить еще дальше. Во время строительства железной дороги в 1936 году близ Багдада рабочие нашли так называемую парфянскую батарею, которая считается древним аккумулятором возрастом около 2 000 лет. Она состояла из глиняного кувшина, заполненного уксусным раствором, в который вставляли железный стержень, окруженный медной трубкой, и производила 1,1–2,0 В электричества. Некоторые считают, что ее использовали для гальванического покрытия металлов.

Рисунок 1: Парфянская батарея.
Глиняный сосуд доисторической батареи содержит железный стержень, окруженный медным цилиндром.
При заполнении уксусом или электролитическим раствором сосуд производит от 1,1 до 2 вольт.

Не все ученые признают Парфянскую батарею источником энергии. Возможно, устройство использовалось для гальванического покрытия, добавления слоя золота или других драгоценных металлов на поверхность. Говорят, что египтяне наносили гальваническое олово на медь более 4300 лет назад. Археологические данные свидетельствуют о том, что вавилоняне первыми открыли и применили гальванический метод в производстве ювелирных изделий, используя электролит на основе виноградного сока для позолоты керамики. Парфяне, правившие Багдадом (около 250 г. до н. э.), возможно, использовали батареи для гальванического покрытия серебра.

Один из первых методов получения электричества в новое время — создание статического заряда. В 1660 году Отто фон Герике создал электрическую машину с большим серным шаром, который, вращаясь и подвергаясь трению, притягивал перышки и мелкие кусочки бумаги. Это доказало, что искры имеют электрическую природу. В 1744 году Эвальд Георг фон Клейст разработал лейденскую банку для хранения статического заряда.

В 1744 году Эвальд Георг фон Клейст разработал Лейденскую банку, которая накапливала статический заряд в стеклянной банке, выстланной металлической фольгой изнутри и снаружи. Многие ученые, включая Петера ван Мушенбрука, профессора в Лейдене, Нидерланды, считали, что электричество подобно жидкости, которую можно собрать в бутылке. Они не знали, что две металлические фольги образуют конденсатор. Заряженная высоким напряжением Лейденская банка вызывала у джентльменов необъяснимо сильный удар током, когда они касались металлической фольги.

Первым практическим применением статического электричества был «электрический пистолет», изобретенный Алессандро Вольтой (1745–1827). Он задумал обеспечить связь на большие расстояния, хотя и лишь одним булевым разрядом. Железный провод, поддерживаемый деревянными шестами, должен был быть протянут из Комо в Милан, Италия. На приемном конце провод заканчивался бы в банке, наполненной метаном. Чтобы сигнализировать о закодированном событии, электрическая искра должна была быть послана по проводу, чтобы взорвать банку. Этот канал связи так и не был построен. На рисунке 2 показан карандашный рисунок Алессандро Вольты.

Рисунок 2: Алессандро Вольта, изобретатель электрической батареи.
Открытие Вольтой разложения воды электрическим током заложило основу электрохимии.

В 1791 году Луиджи Гальвани обнаружил, что мышцы лягушки сокращаются при контакте с металлом — явление, известное как животное электричество. Это побудило Алессандро Вольта проводить эксперименты с цинком, свинцом, оловом и железом в качестве анодов, и медью, серебром, золотом и графитом в качестве катодов. Интерес к гальваническому электричеству быстро рос.

Первые батареи

В 1800 году Вольта обнаружил, что определенные жидкости могут генерировать непрерывный поток электрической энергии, если их использовать в качестве проводника. Это открытие привело к изобретению первого вольтова элемента, более известного как батарея . Вольта также узнал, что напряжение будет расти, если вольтовы элементы складывать друг на друга. На рисунках 3.1 и 3.2 показано такое последовательное соединение.

Рисунок 3.1: Эксперименты Вольта с электрической батареей в 1796 году.
Металлы серебро (A) и цинк (Z) погружены в чашки, заполненные электролитом, и соединены последовательно.

Рисунок 3.2: Эксперименты Вольта с электрической батареей в 1796 году.
Серебряный и цинковый электроды соединены последовательно, разделены бумагой, пропитанной электролитом.

Опыты Вольта с электрической батареей в 1796 году

Металлы в батарее имеют разное сродство к электронам. Вольта заметил, что потенциал напряжения разных металлов становится сильнее, чем дальше удаляются числа сродства друг от друга. Первое число в перечисленных ниже металлах демонстрирует сродство к притяжению электронов; второе – это степень окисления.

Металлы определяют напряжение батареи; их разделяли влажной бумагой, смоченной в соленой воде.

В том же году Вольта представил свое открытие непрерывного источника электричества Лондонскому Королевскому обществу. Эксперименты больше не ограничивались кратковременным проявлением искр, длившихся доли секунды; теперь казался возможным бесконечный поток электрического тока.

Франция была одной из первых стран, официально признавших открытие Вольта. Это было в то время, когда Франция приближалась к вершине научного прогресса. Новые идеи приветствовались с распростертыми объятиями, поскольку они помогали поддерживать политическую повестку дня страны. В серии лекций Вольта обратился к Институту Франции. Наполеон Бонапарт принимал участие в экспериментах, извлекая искры из батареи, плавя стальную проволоку, разряжая электрический пистолет и разлагая воду на элементы (см. Рисунок 4 ).

Рисунок 4: Эксперименты Вольта в Институте Франции.
Открытия Вольта настолько поразили мир, что в ноябре 1800 года Институт Франции пригласил его читать лекции на мероприятиях, в которых участвовал Наполеон Бонапарт. Наполеон помогал с экспериментами, извлекая искры из батареи, плавя стальную проволоку, разряжая электрический пистолет и разлагая воду на элементы.

В 1800 году сэр Гемфри Дэви, изобретатель шахтерской лампы безопасности, начал исследовать химическое воздействие электричества и обнаружил, что разложение происходит при пропускании электрического тока через вещества. Этот процесс позже назвали электролизом .
Он сделал новые открытия, установив самую большую и мощную в мире электрическую батарею в хранилищах Королевского института в Лондоне, подключив батарею к угольным электродам, что создало первый электрический свет. Свидетели сообщали, что его вольтова дуговая лампа производила «самую яркую восходящую дугу света, которую когда-либо видели».

В 1802 году Уильям Крукшенк разработал первую электрическую батарею для массового производства. Он поместил квадратные листы меди с листами цинка одинакового размера в длинный прямоугольный деревянный ящик и спаял их вместе. Пазы в ящике удерживали металлические пластины на месте. Затем герметичный ящик заполняли электролитом - рассолом или разбавленной кислотой. Это напоминало заливную батарею, которая существует и поныне. На рисунке 5 изображена его мастерская по производству батарей.

Рисунок 5: Крукшенк и первая заливная батарея.
Уильям Крукшенк, английский химик, построил батарею из электрических элементов, соединив цинковые и медные пластины в деревянном ящике, заполненном раствором электролита. Такая заливная конструкция имела преимущество в том, что не высыхала во время использования и обеспечивала больше энергии, чем дисковая конструкция Вольта.

Изобретение аккумуляторной батареи

В 1836 году английский химик Джон Ф. Даниэль разработал усовершенствованный аккумулятор, который производил более стабильный ток, чем предыдущие попытки накопления электрической энергии. В 1859 году французский врач Гастон Планте изобрел первый перезаряжаемый аккумулятор на основе свинцово-кислотной системы, система, которая используется и по сей день. До тех пор все аккумуляторы были первичными, то есть их нельзя было перезаряжать.

В 1899 году шведский Вальдемар Юнгнер изобрел никель-кадмиевый (NiCd) аккумулятор в котором никель использовался в качестве положительного электрода (катода), а кадмий — в качестве отрицательного (анода). Высокая стоимость материалов по сравнению со свинцом ограничивала его использование. Два года спустя Томас Эдисон заменил кадмий железом, и этот аккумулятор получил название никель-железный (NiFe). Низкая удельная энергия, плохая производительность при низкой температуре и высокий саморазряд ограничивали успех никель-железного аккумулятора. Лишь в 1932 году Шлехт и Аккерманн достигли более высоких токов нагрузки и улучшили срок службы NiCd, изобретя спеченную полюсную пластину. В 1947 году Георгу Нойманну удалось герметизировать элемент.

В течение многих лет никель-кадмиевые аккумуляторы были единственными аккумуляторными батареями для портативных приложений. В 1990-х годах экологи в Европе обеспокоились вредом, наносимым небрежной утилизацией никель-кадмиевых аккумуляторов. Директива 2006/66/ЕС об аккумуляторах теперь ограничивает продажу никель-кадмиевых аккумуляторов в Европейском Союзе, за исключением специального промышленного использования, для которого нет подходящей замены. Альтернативой являются никель-металлгидридные (NiMH) аккумуляторы, более экологически чистые, подобные никель-кадмиевым.

Наши аккумуляторы NiCd

Надежные никель-кадмиевые аккумуляторы для резервного питания и построения крупных энергетических систем

EBH10 / KHP10 1,2В 10Ач – NiCd аккумулятор никель-кадмиевый

Надежная работа при высоких разрядных токах. Устойчивость к перезаряду, глубокому разряду и ударам

Купить

SEBM20 / KMP20 1,2В 20Ач – NiCd аккумулятор никель-кадмиевый

Герметичный корпус с клапаном — обслуживание 1 раз в 3–5 лет. Надежная конструкция с сроком службы более 20 лет

Купить

EBM700 / KMP700 1,2В 700Ач – NiCd аккумулятор никель-кадмиевый

Серия аккумуляторов EBM/KMP оптимизирована для работы при разрядах от 30 минут до 2 часов, но может применяться и при более длительных нагрузках

Купить

Посмотреть больше

Большинство исследовательских работ сегодня сосредоточены на совершенствовании литиевых систем , которые впервые были коммерциализированы компанией Sony в 1991 году. Кроме питания сотовых телефонов, ноутбуков, цифровых камер, электроинструментов и медицинских устройств, литий-ионные батареи также используются для электромобилей и спутников . Аккумулятор имеет ряд преимуществ, в частности высокую удельную энергию, простую зарядку, низкие затраты на обслуживание и экологическую безопасность.

Электричество через магнетизм

Генерация электричества с помощью магнетизма появилась относительно поздно. В 1820 году Андре-Мари Ампер (1775–1836) заметил, что провода, по которым проходит электрический ток, иногда притягиваются, а иногда отталкиваются друг от друга. В 1831 году Майкл Фарадей (1791–1867) продемонстрировал, как медный диск обеспечивает постоянный поток электричества, вращаясь в сильном магнитном поле. Фарадей, помогая Гемфри Дэви и его исследовательской группе, сумел генерировать бесконечную электрическую силу, пока продолжается движение между катушкой и магнитом. Это привело к изобретению электрического генератора, а также электродвигателя путем обратного процесса.

Вскоре после этого были разработаны трансформаторы, которые преобразовывали переменный ток (AC) в любое необходимое напряжение. В 1833 году Фарадей заложил основы электромагнетизма, на которых базируется закон Фарадея. Он относится к электромагнетизму, встречающемуся в трансформаторах, индуктивностях и многих типах электродвигателей и генераторов. Как только связь с магнетизмом была понята, были построены большие генераторы для производства постоянного потока электроэнергии. Впоследствии появились двигатели, обеспечившие механическое движение, и лампочка Томаса Эдисона, казалось, победила темноту.

Ранние электростанции производили постоянный ток (DC) с ограничениями распределения в 3 км (~2 мили) от станции. Примерно в 1886 году энергетическая компания Ниагарского водопада (NFPC) предложила 100 000 долларов за метод передачи электроэнергии на большие расстояния. После многочисленных споров и неудачных предложений самые яркие умы мира встретились в Лондоне, Англия, и приз был присужден Николе Тесле (1856–1943), сербскому иммигранту, создавшему систему передачи переменного тока. NRPC с Теслой в качестве консультанта построила многофазную систему переменного тока, которая поставляла электроэнергию от новой электростанции Ниагары вплоть до Буффало, штат Нью-Йорк.

 Системы постоянного тока работают на низком напряжении и требуют мощных проводов; переменный ток можно было преобразовать в более высокое напряжение для передачи по легким проводам, а затем понизить для использования. Люди старшего поколения поддерживали постоянный ток, в то время как молодые гении тяготели к переменному току. Томас Эдисон был категорически против переменного тока, называя опасность поражения электрическим током в качестве причины.

Разногласия продолжались, но переменный ток стал общепринятой нормой, которую также поддерживала Европа. Джордж Вестингауз, американский изобретатель и производитель, начал разрабатывать систему Теслы, что вызвало недовольство Томаса Эдисона.

К всеобщему удивлению, переменный ток освещал Чикагскую всемирную выставку 1893 года ( рис. 7 ). Затем Вестингауз построил три больших генератора для преобразования энергии Ниагарского водопада в электричество. Технология трехфазного переменного тока, разработанная Теслой, позволила дешево передавать электроэнергию на большие расстояния. Таким образом, электричество стало широко доступным для человечества для улучшения качества жизни.

Рисунок 7: 250 000 лампочек освещают Всемирную выставку в Чикаго 1893 года, также известную как Всемирная колумбова выставка в Чикаго.
Успех электрического освещения привел к строительству трех больших гидрогенераторов на Ниагарском водопаде.

Телекоммуникации по проводам, прокладываемым вдоль железных дорог, работали в основном от первичных батарей, которые требовали частой замены. Телекс, одно из ранних средств передачи данных, был цифровым, поскольку батареи активировали ряд реле. Цена за отправку сообщения зависела от количества необходимых щелчков реле.

В середине 1800-х годов телеграфия открыла новые карьерные возможности для способных молодых людей. Персонал, обслуживавший эти устройства, перешел в растущий средний класс, вдали от фабрик и шахт, отягощенных трудом, грязью и опасностью. Стальной магнат Эндрю Карнеги вспоминал свои ранние годы в качестве телеграфного посыльного: Альфред Хичкок начал свою карьеру в качестве сметчика, прежде чем стать иллюстратором.

Изобретение электронной вакуумной лампы в начале 1900-х годов стало важным  следующим  шагом к высоким технологиям. Он позволил создавать частотные генераторы, усиливать сигналы и цифровую коммутацию. Это привело к радиовещанию в 1920-х годах и первому цифровому компьютеру под названием ENIAC в 1946 году. Изобретение транзистора в 1947 году проложило путь для появления интегральной схемы 10 лет спустя и микропроцессора, который положил начало информационной эре. Это навсегда изменило то, как мы живем и работаем.

Человечество стало зависимым от электроэнергии, и с ростом мобильности люди тяготеют к портативным источникам питания, использующим аккумуляторы. С дальнейшим совершенствованием аккумуляторов, этот портативный источник питания станет возможным для выполнения большего количества задач.