Коли було винайдено акумулятор?
Електрика — одне з найяскравіших і найоригінальніших відкриттів останніх чотирьох століть, яке радикально змінило людську цивілізацію. Можна поставити, на перший погляд парадоксальне, запитання: чи справді «відкриття електрики» сталося лише кілька сотень років тому, якщо саме явище існувало від початку світу? Формальна відповідь — так, але непрямі свідчення натякають, що люди могли експериментувати з електричними ефектами значно раніше, а ось практичне, кероване використання електроенергії стало реальністю лише від середини до кінця XIX століття і спершу було доволі обмеженим за масштабом. Першими публічними «вітринами» нової енергетичної епохи стали електричні ліхтарі на вулицях Берліна у 1882 році, грандіозне освітлення Всесвітньої виставки в Чикаго 1893 року з використанням близько 250 000 ламп розжарювання та підсвічування мосту через Сену під час паризької Всесвітньої виставки 1900 року.
Втім, історія використання електрики, принаймні у формі гальванічних елементів, може сягати набагато глибшої давнини. Під час будівництва залізниці поблизу Багдада у 1936 році робітники натрапили на артефакт, який згодом отримав назву «парфянська батарея» або «Багдадська батарея». Знахідку датують часами Парфянської імперії, приблизно двотисячолітньою давністю, що робить її потенційно одним із найдавніших відомих джерел електричної енергії. Конструктивно цей «елемент» являв собою глиняний глечик, наповнений оцтовим розчином, усередині якого розміщували залізний стрижень, оточений мідним циліндром. У такій конфігурації система здатна розвивати напругу приблизно від 1,1 до 2,0 В — тобто виконувати функцію елементарної гальванічної батареї. На рисунку 1 зазвичай подають реконструкцію парфянської батареї: глиняну посудину з мідним циліндром і залізним електродом усередині, яка при заповненні оцтом або іншим електролітом продукує напругу в діапазоні 1,1–2 В.
Рисунок 1: Парфянська батарея.
Схематично глечик доісторичної батареї містить залізний стрижень, розміщений у мідному циліндрі; при заповненні оцтовим чи іншим електролітичним розчином система генерує близько 1,1–2 вольт.
Водночас не всі дослідники погоджуються з трактуванням «парфянської батареї» як цілеспрямовано створеного джерела енергії. Існує цілком обґрунтована гіпотеза, що такий пристрій могли використовувати для гальванічного покриття — нанесення тонких шарів золота або інших благородних металів на різні поверхні. Згідно з окремими історичними свідченнями, ще понад 4300 років тому єгиптяни застосовували електролітичне осадження сурми на мідь, а археологічні дані вказують, що вавилоняни одними з перших систематично використовували гальванічні методи у ювелірному виробництві, застосовуючи як електроліт розчини на основі виноградного соку для позолочення кераміки. Парфяни, які панували на території сучасного Багдада близько 250 року до н.е., теоретично могли використовувати подібні «елементи» для нанесення срібного покриття, перетворюючи металеві й керамічні вироби на високохудожні предмети розкоші.
Одним із перших технічних шляхів отримання електрики в новий час стало генерування статичних зарядів. Уже у 1660 році Отто фон Геріке сконструював одну з перших електричних машин: великий сірчаний глобус, який, будучи одночасно обертаним і натираним, починав притягувати пір’я та дрібні паперові шматочки. Досліджуючи властивості цієї установки, Геріке зміг переконливо показати, що іскри, які виникали, мають електричну природу, а не пов’язані з «леткою рідиною» чи якимось іншим містичним чинником.
Наступним важливим кроком стала поява пристрою для накопичення статичного заряду. У 1744 році Евальд Георг фон Клейст описав принцип лейденської банки — скляної посудини, внутрішня й зовнішня поверхні якої були покриті металевою фольгою. Незабаром подібний пристрій незалежно дослідив Пітер ван Муссенброк із Лейдена, і саме його ім’я закріпилося в історії як пов’язане з «лейденською банкою». На той час багато вчених уявляли електрику як своєрідну рідину, яку можна «налити» в пляшку й там утримати; вони ще не усвідомлювали, що фактично мають справу з конденсатором, де дві металеві обкладки, розділені діелектриком, зберігають енергію електричного поля. Заряджена високою напругою банка при дотику до металевих обкладок здатна була завдавати несподівано сильного удару — ефект, який тодішні джентльмени сприймали одночасно як дивину й небезпечну розвагу.
Першим справді практичним застосуванням статичної електрики в комунікаціях можна вважати проєкт «електричного пістолета» Алессандро Вольти (1745–1827). Ідея полягала в тому, щоб натягнути залізний дріт, закріплений на дерев’яних стовпах, на значну відстань — від Комо до Мілана; на приймальному кінці дріт мав закінчуватися посудиною, заповненою метаном. Для передачі сигналу по провіднику подавали статичну іскру, яка мала підпалити газ у банці — таким чином «кодована подія» передавалася б одним‑єдиним булевим бітом у вигляді вибуху. Цей канал передавання, зрозуміло, так і залишився на папері, але на рисунку 2 часто наводять олівцеві ескізи Вольти, які фіксують саму ідею використання електричного розряду для дистантного зв’язку.
Рисунок 2: Алессандро Вольта, винахідник електричного акумулятора.
Відкриття Вольтою явища електролітичного розкладу води під дією струму стало фундаментом для розвитку електрохімії та гальванічних елементів.
У 1791 році, працюючи в Болонському університеті, Луїджі Гальвані виявив, що м’язи жаби скорочуються при доторканні металевим предметом, що він трактував як прояв так званої «тваринної електрики». Ці досліди надихнули Вольту на систематичні експерименти з парами металів: він використовував цинк, свинець, олово та залізо як позитивні пластини (катоди), тоді як мідь, срібло, золото й графіт виконували роль негативних пластин (анодів). Інтерес до гальванічної електрики швидко поширився в наукових колах, адже йшлося про можливість отримати тривалий, а не миттєвий електричний ефект.
Ранні батареї
У 1800 році Вольта показав, що певні рідини, виступаючи провідниками, здатні забезпечувати безперервний потік електричної енергії, що привело до створення першого вольтового елемента — прообразу сучасної батареї. Він також виявив, що загальна напруга зростає, якщо окремі елементи з’єднати послідовн. На рисунках 3.1 і 3.2 зазвичай демонструють два варіанти його експериментів: у першому срібні (A) та цинкові (Z) пластини занурені в окремі чашки з електролітами й послідовно з’єднані, у другому — електроди зі срібла й цинку, розділені папером, просоченим електролітом, утворюють компактну «стовпчасту» батарею.
Рисунок 3.1: Експерименти Вольти з електричним елементом у 1796 році.
Рисунок 3.2: Експерименти Вольти з електричним елементом у 1796 році.
Вольта помітив, що кожна пара різнорідних металів характеризується власною різницею потенціалів, і що ця різниця тим більша, чим сильніше відрізняється їхня електрохімічна «спорідненість». У його записах можна зустріти числові оцінки:
Цинк = 1,6 / -0,76 В
Свинець = 1,9 / -0,13 В
Олово = 1,8 / -1,07 В
Залізо = 1,8 / -0,04 В
Мідь = 1,9 / 0,159 В
Срібло = 1,9 / 1,98 В
Золото = 2,4 / 1,83 В
Вуглець = 2,5 / 0,13 В
Саме комбінування цих металів, розділених папером, просоченим соляним розчином, і задавало вихідну напругу елемента.
Того ж 1800 року Вольта доповів про своє відкриття безперервного джерела електрики перед Лондонським королівським товариством. Експерименти з електрикою перестали обмежуватися короткими спалахами іскор: на горизонті з’явилася перспектива тривалого, керованого електричного струму. Франція стала однією з перших держав, що офіційно відреагували на це досягнення: в епоху, коли країна перебувала на піку наукового й політичного впливу, нові ідеї сприймалися як інструмент зміцнення престижу. На серії лекцій у Французькому інституті Вольта демонстрував свої досліди за особистої участі Наполеона Бонапарта, який власноруч витягував іскри з батареї, плавив сталевий дріт, запускав електричний пістолет і спостерігав за розкладом води на складові елементи (див. рис. 4).
Рисунок 4: Експерименти Вольти у Французькому інституті.
Під час демонстрацій у листопаді 1800 року Наполеон Бонапарт брав безпосередню участь у дослідах із батареєю Вольти — від отримання іскор до плавлення дроту й електролізу води.
Того ж 1800 року сер Гемфрі Деві, відомий згодом як винахідник безпечної лампи для шахтарів, розпочав систематичні дослідження хімічних ефектів електрики й встановив, що пропускання струму крізь речовини може спричиняти їхній розклад — явище, яке пізніше отримало назву електролізу. Створивши у підвалах Лондонського королівського інституту одну з найпотужніших на той час батарей, Деві подав струм на вугільні електроди й отримав перше в історії електричне освітлення у вигляді дугової лампи, яскравість якої очевидці описували як небачене дотепер сяйво. У 1802 році Вільям Крукшенк запропонував першу конструкцію батареї, придатну для масового виробництва. Він змонтував чергування квадратних мідних і цинкових пластин у довгій прямокутній дерев’яній коробці, спаяв їх, закріпив у канавках та залив електролітом (розсолом чи розведеною кислотою). Герметичний корпус із рідким електролітом, що не висихав у процесі роботи, дозволив отримати значно більшу енергію, ніж у дисковому «стовпі» Вольти; майстерня Крукшенка (рис. 5) стала прообразом сучасного виробництва батарейних блоків.
Рисунок 5: Крукшенк і перший батарейний блок із рідинним електролітом.
Англійський хімік Вільям Крукшенк об’єднав цинкові й мідні пластини в заповненій електролітом дерев’яній коробці, створивши конструкцію, що за принципом дуже нагадує заливні батареї, які використовуються й сьогодні.
Винахід перезаряджуваної батареї
Далі розвиток пішов у напрямку перезаряджуваних систем. У 1836 році Джон Ф. Деніелл створив батарею, що давала стабільніший струм, ніж попередні елементи. У 1859 році французький лікар Гастон Планте винайшов перший свинцево‑кислотний акумулятор — конструкцію, яку в удосконаленому вигляді використовують і нині. До цього моменту всі батареї були первинними: їх не можна було зарядити повторно. У 1899 році швед Вальдмар Юнгнер запропонував нікель‑кадмієвий (NiCd) акумулятор з нікелевим катодом і кадмієвим анодом; однак висока вартість матеріалів у порівнянні зі свинцем обмежувала його широке впровадження. Уже у 1901 році Томас Едісон замінив кадмій на залізо, створивши нікель‑залізний (NiFe) акумулятор, але низька питома енергія, погана робота на холоді та високий саморозряд стали на заваді його успіху. Лише в 1932 році Шлехт і Акерманн, розробивши спечені полюсні пластини, змогли підвищити струмову віддачу й довговічність NiCd‑акумуляторів, а в 1947 році Георг Нейман реалізував герметизацію елемента. Упродовж багатьох десятиліть нікель‑кадмієві батареї залишалися «золотим стандартом» для портативної апаратури, але в 1990‑х роках у Європі посилилися екологічні побоювання щодо наслідків недбалої утилізації кадмійвмісних елементів. Директива 2006/66/EC обмежила продаж NiCd‑акумуляторів, дозволивши їх переважно для спеціальних промислових застосувань без еквівалентної альтернативи, а роль масового портативного джерела енергії значною мірою перейняли більш екологічні нікель‑металгідридні (NiMH) системи. Сьогодні більшість досліджень сконцентрована на вдосконаленні літієвих технологій, які компанія Sony вперше комерціалізувала у 1991 році. Літій‑іонні акумулятори, що поєднують високу питому енергію, простоту заряджання, низькі вимоги до обслуговування й порівняну екологічну безпечність, живлять смартфони, ноутбуки, фотокамери, електроінструмент і медичну апаратуру, а також електромобілі та супутники.
Електрика за допомогою магнетизму
Не менш важливим став напрямок «електрика з магнетизму». У 1820 році Андре‑Марі Ампер виявив, що дві паралельні провідні шини зі струмом можуть взаємно притягуватися або відштовхуватися, залежно від напрямку струму. У 1831 році Майкл Фарадей продемонстрував, що обертовий в міцьному магнітному полі мідний диск здатний генерувати безперервний електричний струм. Працюючи разом із Деві та його групою, Фарадей показав, що поки існує відносний рух між провідником і магнітним полем, можна отримувати практично нескінченну електрорушійну силу, що й привело до створення генератора; обернувши процес, він заклав основи електродвигуна. Вже невдовзі з’явилися трансформатори, які дозволяли перетворювати змінний струм однієї напруги на іншу, а у 1833 році Фарадей математично сформулював закон електромагнітної індукції, на якому ґрунтується робота трансформаторів, індукторів, більшості електродвигунів і генераторів. Після усвідомлення зв’язку електрики й магнетизму були побудовані великі генератори для виробництва стабільних електричних потоків, з’явилися двигуни для отримання механічного руху, а лампа Томаса Едісона стала символом перемоги над темрявою. Перші електростанції генерували постійний струм (DC), який через втрати в лініях було важко передавати далі ніж на 3 км. Близько 1886 року компанія Niagara Falls Power Company оголосила винагороду в 100 000 доларів за ефективний спосіб передавання енергії на великі відстані. Після численних дискусій і невдалих проєктів міжнародна комісія в Лондоні віддала першість системі змінного струму, запропонованій Ніколою Теслою (1856–1943), сербським емігрантом, який розробив багатофазну схему передачі. Залучивши Теслу як консультанта, NRPC збудувала багатофазну систему змінного струму, що передавала енергію від електростанції на Ніагарському водоспаді до міста Буффало (штат Нью‑Йорк).
Рисунок 6: Нікола Тесла (1856–1943).
Сербсько‑американський винахідник і інженер, найбільш відомий створенням систем змінного струму та концепцією обертового магнітного поля.
На відміну від систем постійного струму, що працювали на низькій напрузі й вимагали масивних провідників, змінний струм легко трансформувався до високих напруг для передачі тоншими дротами та знижувався безпосередньо перед споживачем. Старше покоління інженерів підтримувало DC, тоді як нова хвиля дослідників віддавала перевагу AC; Томас Едісон активно виступав проти змінного струму, наголошуючи на небезпеці ураження. Попри запеклу «війну струмів», саме змінний струм став загальноприйнятим стандартом, який швидко підтримала і Європа; Джордж Вестінгхаус розгорнув виробництво обладнання за теслиною схемою, що ще більше загострило його конкуренцію з Едісоном. На загальний подив, саме система AC освітлювала Всесвітню виставку в Чикаго 1893 року (рис. 7), а згодом Вестінгхаус побудував три великі гідрогенератори на Ніагарі, які перетворювали енергію водоспаду на електрику й передавали її на значні відстані. Трифазна технологія змінного струму, розроблена Теслою, зробила електроенергію відносно дешевою й доступною, заклавши підвалини масової електрифікації.
Рисунок 7: Чиказька Всесвітня Колумбійська виставка 1893 року, освітлена 250 000 лампами розжарювання.
Успіх електричного освітлення підштовхнув будівництво трьох потужних гідрогенераторів на Ніагарському водоспаді, які забезпечували стабільне живлення регіону.
Паралельно розвивалися комунікаційні технології. Лінії телеграфу вздовж залізниць живилися від первинних батарей, що потребували регулярної заміни. Телекс, одна з ранніх систем цифрової передавання даних, працював фактично в «двоїчному» режимі: батареї послідовно активували релейні ланцюги, а вартість повідомлення залежала від кількості таких спрацювань. У середині XIX століття телеграфія відкрила нові соціальні ліфти для здібних молодих людей: оператори й технічний персонал виходили зі світу фабрик і шахт до зростаючого середнього класу, будуючи кар’єри на перетині техніки й інформації. Початок XX століття ознаменувався винайденням електронної вакуумної лампи, що стало ключовим кроком до високочастотних генераторів, підсилювачів і цифрових комутаторів. Це привело до появи радіомовлення в 1920‑х роках і першого електронного цифрового комп’ютера ENIAC у 1946‑му. Винахід транзистора у 1947 році відкрив шлях до інтегральних схем через десять років, а надалі — до мікропроцесора, який фактично започаткував інформаційну еру. Ці перетворення докорінно змінили спосіб життя й праці: людство опинилося в повній залежності від електроенергії, а з розвитком мобільності дедалі більше завдань почали виконуватися за допомогою портативних джерел живлення — акумуляторів і батарейних блоків. У міру подальшого вдосконалення акумуляторних технологій роль таких автономних джерел лише зростатиме, розширюючи межі того, що можна зробити «на ходу» — далеко від стаціонарної розетки.
Посилання
[1]: Goodyear Archival Collection. "World's Columbian Exposition: Grand Basin, Chicago, United States", 1893. Brooklyn Museum Archives
