Когда был изобретён аккумулятор?
Электричество — одно из самых ярких и оригинальных открытий последних четырёх столетий, которое радикально изменило человеческую цивилизацию. Можно задать, на первый взгляд парадоксальный, вопрос: действительно ли «открытие электричества» произошло лишь несколько сотен лет назад, если само явление существовало с начала мира? Формальный ответ — да, но косвенные свидетельства намекают, что люди могли экспериментировать с электрическими эффектами значительно раньше, тогда как практическое, управляемое использование электроэнергии стало реальностью лишь с середины до конца XIX века и поначалу было довольно ограниченным по масштабу. Первыми публичными «витринами» новой энергетической эпохи стали электрические фонари на улицах Берлина в 1882 году, грандиозное освещение Всемирной выставки в Чикаго 1893 года с использованием около 250 000 ламп накаливания и подсветка моста через Сену во время парижской Всемирной выставки 1900 года.
Впрочем, история использования электричества, по крайней мере в форме гальванических элементов, может уходить в гораздо более глубокую древность. Во время строительства железной дороги недалеко от Багдада в 1936 году рабочие наткнулись на артефакт, который впоследствии получил название «парфянская батарея» или «Багдадская батарея». Находку датируют временами Парфянской империи, примерно двухтысячелетней давностью, что делает её потенциально одним из древнейших известных источников электрической энергии. Конструктивно этот «элемент» представлял собой глиняный кувшин, наполненный уксусным раствором, внутри которого размещали железный стержень, окружённый медным цилиндром. В такой конфигурации система способна развивать напряжение приблизительно от 1,1 до 2,0 В — то есть выполнять функцию элементарной гальванической батареи. На рисунке 1 обычно приводят реконструкцию парфянской батареи: глиняный сосуд с медным цилиндром и железным электродом внутри, который при заполнении уксусом или другим электролитом производит напряжение в диапазоне 1,1–2 В.
Рисунок 1: Парфянская батарея.
Схематически кувшин доисторической батареи содержит железный стержень, размещённый в медном цилиндре; при заполнении уксусным или иным электролитическим раствором система генерирует около 1,1–2 вольт.
В то же время не все исследователи согласны с трактовкой «парфянской батареи» как целенаправленно созданного источника энергии. Существует вполне обоснованная гипотеза, что такое устройство могли использовать для гальванического покрытия — нанесения тонких слоёв золота или других благородных металлов на различные поверхности. Согласно отдельным историческим свидетельствам, ещё более 4300 лет назад египтяне применяли электролитическое осаждение сурьмы на медь, а археологические данные указывают, что вавилоняне одними из первых систематически использовали гальванические методы в ювелирном производстве, применяя в качестве электролита растворы на основе виноградного сока для золочения керамики. Парфяне, которые господствовали на территории современного Багдада около 250 года до н.э., теоретически могли использовать подобные «элементы» для нанесения серебряного покрытия, превращая металлические и керамические изделия в высокохудожественные предметы роскоши.
Одним из первых технических способов получения электричества в новое время стало генерирование статических зарядов. Уже в 1660 году Отто фон Герике сконструировал одну из первых электрических машин: большой серный глобус, который, будучи одновременно вращаемым и натираемым, начинал притягивать перья и мелкие бумажные кусочки. Исследуя свойства этой установки, Герике смог убедительно показать, что искры, которые возникали, имеют электрическую природу, а не связаны с «летучей жидкостью» или каким-либо иным мистическим фактором.
Следующим важным шагом стало появление устройства для накопления статического заряда. В 1744 году Эвальд Георг фон Клейст описал принцип лейденской банки — стеклянного сосуда, внутренняя и внешняя поверхности которого были покрыты металлической фольгой. Вскоре подобное устройство независимо исследовал Питер ван Мушенбрук из Лейдена, и именно его имя закрепилось в истории как связанное с «лейденской банкой». В то время многие учёные представляли электричество как своеобразную жидкость, которую можно «налить» в бутылку и там удержать; они ещё не осознавали, что фактически имеют дело с конденсатором, где две металлические обкладки, разделённые диэлектриком, сохраняют энергию электрического поля. Заряженная высоким напряжением банка при прикосновении к металлическим обкладкам способна была наносить неожиданно сильный удар — эффект, который тогдашние джентльмены воспринимали одновременно как диковинку и опасное развлечение.
Первым действительно практическим применением статического электричества в коммуникациях можно считать проект «электрического пистолета» Алессандро Вольты (1745–1827). Идея заключалась в том, чтобы натянуть железный провод, закреплённый на деревянных столбах, на значительное расстояние — от Комо до Милана; на приёмном конце провод должен был заканчиваться сосудом, наполненным метаном. Для передачи сигнала по проводнику подавали статическую искру, которая должна была поджечь газ в банке — таким образом «кодированное событие» передавалось бы одним-единственным булевым битом в виде взрыва. Этот канал передачи, разумеется, так и остался на бумаге, но на рисунке 2 часто приводят карандашные эскизы Вольты, которые фиксируют саму идею использования электрического разряда для дистанционной связи.
Рисунок 2: Алессандро Вольта, изобретатель электрического аккумулятора.
Открытие Вольтой явления электролитического разложения воды под действием тока стало фундаментом для развития электрохимии и гальванических элементов.
В 1791 году, работая в Болонском университете, Луиджи Гальвани обнаружил, что мышцы лягушки сокращаются при прикосновении металлическим предметом, что он трактовал как проявление так называемого «животного электричества». Эти опыты вдохновили Вольту на систематические эксперименты с парами металлов: он использовал цинк, свинец, олово и железо как положительные пластины (катоды), тогда как медь, серебро, золото и графит выполняли роль отрицательных пластин (анодов). Интерес к гальваническому электричеству быстро распространился в научных кругах, ведь речь шла о возможности получить длительный, а не мгновенный электрический эффект.
Ранние батареи
В 1800 году Вольта показал, что определённые жидкости, выступая проводниками, способны обеспечивать непрерывный поток электрической энергии, что привело к созданию первого вольтова элемента — прообраза современной батареи. Он также обнаружил, что общее напряжение возрастает, если отдельные элементы соединить последовательно. На рисунках 3.1 и 3.2 обычно демонстрируют два варианта его экспериментов: в первом серебряные (A) и цинковые (Z) пластины погружены в отдельные чашки с электролитами и последовательно соединены, во втором — электроды из серебра и цинка, разделённые бумагой, пропитанной электролитом, образуют компактную «столбчатую» батарею.
Рисунок 3.1: Эксперименты Вольты с электрическим элементом в 1796 году.
Рисунок 3.2: Эксперименты Вольты с электрическим элементом в 1796 году.
Вольта заметил, что каждая пара разнородных металлов характеризуется собственной разностью потенциалов, и что эта разница тем больше, чем сильнее отличается их электрохимическое «сродство». В его записях можно встретить числовые оценки:
Цинк = 1,6 / -0,76 В
Свинец = 1,9 / -0,13 В
Олово = 1,8 / -1,07 В
Железо = 1,8 / -0,04 В
Медь = 1,9 / 0,159 В
Серебро = 1,9 / 1,98 В
Золото = 2,4 / 1,83 В
Углерод = 2,5 / 0,13 В
Именно комбинирование этих металлов, разделённых бумагой, пропитанной соляным раствором, и задавало выходное напряжение элемента.
В том же 1800 году Вольта доложил о своём открытии непрерывного источника электричества перед Лондонским королевским обществом. Эксперименты с электричеством перестали ограничиваться короткими вспышками искр: на горизонте появилась перспектива длительного, управляемого электрического тока. Франция стала одним из первых государств, официально отреагировавших на это достижение: в эпоху, когда страна находилась на пике научного и политического влияния, новые идеи воспринимались как инструмент укрепления престижа. На серии лекций во Французском институте Вольта демонстрировал свои опыты при личном участии Наполеона Бонапарта, который собственноручно извлекал искры из батареи, плавил стальную проволоку, запускал электрический пистолет и наблюдал за разложением воды на составные элементы (см. рис. 4).
Рисунок 4: Эксперименты Вольты во Французском институте.
Во время демонстраций в ноябре 1800 года Наполеон Бонапарт принимал непосредственное участие в опытах с батареей Вольты — от получения искр до плавления проволоки и электролиза воды.
В том же 1800 году сэр Гемфри Дэви, известный впоследствии как изобретатель безопасной лампы для шахтёров, начал систематические исследования химических эффектов электричества и установил, что пропускание тока через вещества может вызывать их разложение — явление, которое позже получило название электролиза. Создав в подвалах Лондонского королевского института одну из самых мощных на то время батарей, Дэви подал ток на угольные электроды и получил первое в истории электрическое освещение в виде дуговой лампы, яркость которой очевидцы описывали как невиданное до тех пор сияние. В 1802 году Уильям Крукшенк предложил первую конструкцию батареи, пригодную для массового производства. Он смонтировал чередование квадратных медных и цинковых пластин в длинном прямоугольном деревянном ящике, спаял их, закрепил в канавках и залил электролитом (рассолом или разбавленной кислотой). Герметичный корпус с жидким электролитом, который не высыхал в процессе работы, позволил получить значительно большую энергию, чем в дисковом «столбе» Вольты; мастерская Крукшенка (рис. 5) стала прообразом современного производства батарейных блоков.
Рисунок 5: Крукшенк и первый батарейный блок с жидким электролитом.
Английский химик Уильям Крукшенк объединил цинковые и медные пластины в заполненном электролитом деревянном ящике, создав конструкцию, которая по принципу очень напоминает заливные батареи, используемые и сегодня.
Изобретение перезаряжаемой батареи
Далее развитие пошло в направлении перезаряжаемых систем. В 1836 году Джон Ф. Даниелл создал батарею, дававшую более стабильный ток, чем предыдущие элементы. В 1859 году французский врач Гастон Планте изобрёл первый свинцово-кислотный аккумулятор — конструкцию, которая в усовершенствованном виде используется и сегодня. До этого момента все батареи были первичными: их нельзя было зарядить повторно. В 1899 году швед Вальдмар Юнгнер предложил никель-кадмиевый (NiCd) аккумулятор с никелевым катодом и кадмиевым анодом; однако высокая стоимость материалов по сравнению со свинцом ограничивала его широкое внедрение. Уже в 1901 году Томас Эдисон заменил кадмий на железо, создав никель-железный (NiFe) аккумулятор, но низкая удельная энергия, плохая работа на холоде и высокий саморазряд помешали его успеху. Лишь в 1932 году Шлехт и Акерманн, разработав спечённые полюсные пластины, смогли повысить токоотдачу и долговечность NiCd-аккумуляторов, а в 1947 году Георг Нейман реализовал герметизацию элемента. На протяжении многих десятилетий никель-кадмиевые батареи оставались «золотым стандартом» для портативной аппаратуры, но в 1990-х годах в Европе усилились экологические опасения относительно последствий небрежной утилизации кадмийсодержащих элементов. Директива 2006/66/EC ограничила продажу NiCd-аккумуляторов, разрешив их преимущественно для специальных промышленных применений без эквивалентной альтернативы, а роль массового портативного источника энергии в значительной мере переняли более экологичные никель-металлгидридные (NiMH) системы. Сегодня большинство исследований сосредоточено на совершенствовании литиевых технологий, которые компания Sony впервые коммерциализировала в 1991 году. Литий-ионные аккумуляторы, сочетающие высокую удельную энергию, простоту зарядки, низкие требования к обслуживанию и сравнительную экологическую безопасность, питают смартфоны, ноутбуки, фотокамеры, электроинструмент и медицинскую аппаратуру, а также электромобили и спутники.
Электричество с помощью магнетизма
Не менее важным стало направление «электричество из магнетизма». В 1820 году Андре-Мари Ампер обнаружил, что две параллельные проводящие шины с током могут взаимно притягиваться или отталкиваться в зависимости от направления тока. В 1831 году Майкл Фарадей продемонстрировал, что вращающийся в мощном магнитном поле медный диск способен генерировать непрерывный электрический ток. Работая вместе с Дэви и его группой, Фарадей показал, что пока существует относительное движение между проводником и магнитным полем, можно получать практически бесконечную электродвижущую силу, что и привело к созданию генератора; обратив процесс, он заложил основы электродвигателя. Уже вскоре появились трансформаторы, которые позволяли преобразовывать переменный ток одного напряжения в другое, а в 1833 году Фарадей математически сформулировал закон электромагнитной индукции, на котором основана работа трансформаторов, индукторов, большинства электродвигателей и генераторов. После осознания связи электричества и магнетизма были построены большие генераторы для производства стабильных электрических потоков, появились двигатели для получения механического движения, а лампа Томаса Эдисона стала символом победы над тьмой. Первые электростанции генерировали постоянный ток (DC), который из-за потерь в линиях было трудно передавать дальше чем на 3 км. Около 1886 года компания Niagara Falls Power Company объявила награду в 100 000 долларов за эффективный способ передачи энергии на большие расстояния. После многочисленных дискуссий и неудачных проектов международная комиссия в Лондоне отдала первенство системе переменного тока, предложенной Николой Теслой (1856–1943), сербским эмигрантом, разработавшим многофазную схему передачи. Привлекши Теслу в качестве консультанта, NRPC построила многофазную систему переменного тока, которая передавала энергию от электростанции на Ниагарском водопаде в город Буффало (штат Нью-Йорк).
Рисунок 6: Никола Тесла (1856–1943).
Сербско-американский изобретатель и инженер, наиболее известный созданием систем переменного тока и концепцией вращающегося магнитного поля.
В отличие от систем постоянного тока, работавших на низком напряжении и требовавших массивных проводников, переменный ток легко трансформировался до высоких напряжений для передачи по более тонким проводам и понижался непосредственно перед потребителем. Старшее поколение инженеров поддерживало DC, тогда как новая волна исследователей отдавала предпочтение AC; Томас Эдисон активно выступал против переменного тока, подчёркивая опасность поражения. Несмотря на ожесточённую «войну токов», именно переменный ток стал общепринятым стандартом, который быстро поддержала и Европа; Джордж Вестингауз развернул производство оборудования по тесловской схеме, что ещё больше обострило его конкуренцию с Эдисоном. Ко всеобщему удивлению, именно система AC освещала Всемирную выставку в Чикаго 1893 года (рис. 7), а впоследствии Вестингауз построил три крупных гидрогенератора на Ниагаре, которые превращали энергию водопада в электричество и передавали её на значительные расстояния. Трёхфазная технология переменного тока, разработанная Теслой, сделала электроэнергию относительно дешёвой и доступной, заложив основы массовой электрификации.
Рисунок 7: Чикагская Всемирная Колумбийская выставка 1893 года, освещённая 250 000 лампами накаливания.
Успех электрического освещения подтолкнул строительство трёх мощных гидрогенераторов на Ниагарском водопаде, которые обеспечивали стабильное энергоснабжение региона.
Параллельно развивались коммуникационные технологии. Линии телеграфа вдоль железных дорог питались от первичных батарей, требовавших регулярной замены. Телекс, одна из ранних систем цифровой передачи данных, работал фактически в «двоичном» режиме: батареи последовательно активировали релейные цепи, а стоимость сообщения зависела от количества таких срабатываний. В середине XIX века телеграфия открыла новые социальные лифты для способных молодых людей: операторы и технический персонал выходили из мира фабрик и шахт в растущий средний класс, строя карьеры на пересечении техники и информации. Начало XX века ознаменовалось изобретением электронной вакуумной лампы, что стало ключевым шагом к высокочастотным генераторам, усилителям и цифровым коммутаторам. Это привело к появлению радиовещания в 1920-х годах и первого электронного цифрового компьютера ENIAC в 1946-м. Изобретение транзистора в 1947 году открыло путь к интегральным схемам через десять лет, а затем — к микропроцессору, который фактически положил начало информационной эре. Эти преобразования коренным образом изменили образ жизни и труда: человечество оказалось в полной зависимости от электроэнергии, а с развитием мобильности всё больше задач начали выполняться с помощью портативных источников питания — аккумуляторов и батарейных блоков. По мере дальнейшего совершенствования аккумуляторных технологий роль таких автономных источников будет только возрастать, расширяя границы того, что можно сделать «на ходу» — вдали от стационарной розетки.
Ссылки
[1]: Goodyear Archival Collection. "World's Columbian Exposition: Grand Basin, Chicago, United States", 1893. Brooklyn Museum Archives
