|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
HISTORIA TECHNOLOGII, TECHNOLOGII, OBIEKTÓW WOKÓŁ NAS
Bateria. Historia wynalazku i produkcji
Katalog / Historia technologii, technologii, przedmiotów wokół nas Bateria elektryczna jest źródłem prądu wielokrotnego użytku, którego główną cechą jest odwracalność wewnętrznych procesów chemicznych, co zapewnia jej wielokrotne cykliczne wykorzystanie (poprzez ładowanie-rozładowanie) do magazynowania energii i autonomicznego zasilania różnych urządzeń i sprzętu elektrycznego, a także jak w zakresie zapewniania zapasowych źródeł energii w medycynie, produkcji i innych obszarach.
Odkrycie efektu akumulacji jest jednym z najważniejszych i najważniejszych wynalazków w dziedzinie elektrotechniki. Bardzo często istniała i jest potrzeba doprowadzenia energii elektrycznej do urządzeń lub mechanizmów w miejscu, gdzie nie ma źródeł energii. Przez długi czas do tych celów używano baterii galwanicznej, ale było to słabe, drogie i nadmiernie nieporęczne źródło prądu. Stworzenie baterii elektrycznej znacznie uprościło to zadanie. W 1802 r. Ritter odkrył, że dwie miedziane płytki zanurzone w kwasie i podłączone do akumulatora galwanicznego są ładowane i mogą być następnie przez krótki czas używane jako źródło prądu stałego. Zjawisko to było później badane przez wielu innych naukowców. W 1854 roku niemiecki lekarz wojskowy Wilhelm Sinsteden zaobserwował następujący efekt: przy przepuszczaniu prądu przez elektrody ołowiowe zanurzone w rozcieńczonym kwasie siarkowym, elektroda dodatnia była pokryta dwutlenkiem ołowiu PbO2, podczas gdy elektroda ujemna nie ulegała zmianom. Jeśli taki element został następnie zwarty, zatrzymując przepływ przez niego prądu ze stałego źródła, wówczas pojawił się w nim stały prąd, który wykrywano, aż cały dwutlenek ołowiu został rozpuszczony w kwasie. Tak więc Sinsteden był bliski stworzenia akumulatora, ale nie wyciągnął żadnych praktycznych wniosków ze swoich obserwacji. Zaledwie pięć lat później, w 1859 roku, francuski inżynier Gaston Plante przypadkowo dokonał tego samego odkrycia i zbudował pierwszy w historii akumulator kwasowo-ołowiowy. To był początek technologii akumulatorów. Akumulator Plante składał się z dwóch identycznych płyt ołowianych nawiniętych na drewniany cylinder. Oddzielone były od siebie uszczelką z tkaniny. Tak zaaranżowane urządzenie zostało umieszczone w naczyniu z zakwaszoną wodą i podłączone do akumulatora elektrycznego. Kilka godzin później, odłączając akumulator, udało się usunąć z akumulatora wystarczająco silny prąd, który przez pewien czas utrzymywał swoją stałą wartość.
Co wyjaśnia procesy zachodzące w baterii? Podobnie jak w ogniwie galwanicznym, prąd elektryczny jest tutaj konsekwencją reakcji chemicznej, która może zachodzić wielokrotnie w obu kierunkach. Wyobraź sobie, że ładowanie rozładowanego akumulatora zaczynamy od podłączenia go do źródła prądu stałego. Zwykle jeszcze nienaładowana masa dodatniej płyty ołowiowej zawiera pozostałości poprzedniego cyklu - tlenek ołowiu PbO i siarczan ołowiu PbSO4, a ujemna - tylko tlenek ołowiu PbO. Pod działaniem prądu elektrycznego elektrolit - zakwaszona woda - zaczyna się rozkładać: na elektrodzie dodatniej uwalnia się tlen, który natychmiast utlenia tlenek ołowiu i siarczan ołowiu do nadtlenku PbO2 (ponadto do roztworu przechodzi kwasowa pozostałość SO4) oraz wodór jest uwalniany na płycie ujemnej. Ten ostatni łączy się z tlenem tlenku, tworząc metaliczny ołów i wodę. Wtedy gaz zaczyna gromadzić się w porach płytki ołowianej. Jeżeli naładowany akumulator jest podłączony do obwodu, to prąd przepływający przez akumulator podczas ładowania zmienia swój kierunek. W efekcie na płycie, na której wcześniej uwalniany był tlen, zaczyna wydzielać się wodór, który reaguje z tlenem nadtlenku ołowiu. Na drugiej płytce uwalniany jest tlen. Kwas siarkowy z cieczy przechodzi do elektrody dodatniej i ponownie tworzy siarczan ołowiu, natomiast wodór i ołów na płycie ujemnej ulegają utlenieniu, pierwszy do wody, drugi do tlenku ołowiu. W nieco uproszczonej formie (bez uwzględnienia równoległych procesów) reakcja chemiczna wyładowania ma postać: PbO2 + Pb + 2H2S4 = 2PbSOXNUMX4 + 2H2O. Podczas ładowania zjawiska idą w przeciwnym kierunku. Reakcja ta, której towarzyszy uwolnienie prądu elektrycznego, trwa do momentu wyrównania ilości tlenku ołowiu na obu płytkach. Ta sama reakcja zachodzi w otwartym akumulatorze, ale znacznie wolniej. Podczas ładowania (na skutek uwolnienia pozostałości kwasu do roztworu) ciężar właściwy cieczy w akumulatorze wzrasta, a po rozładowaniu maleje (ponieważ po rozładowaniu kwas siarkowy łączy się z tlenkiem ołowiu i tworzy na elektrody). Podczas rozładowania energia reakcji chemicznych zamieniana jest na energię elektryczną, a podczas ładowania na odwrót. Istotną wadą akumulatora Plante była jego mała pojemność – rozładowywał się zbyt szybko. Plante szybko zauważył, że wydajność można zwiększyć poprzez specjalne przygotowanie powierzchni płyt ołowianych, które powinny być jak najbardziej porowate. Aby to osiągnąć, Plante rozładował naładowany akumulator, a następnie ponownie przepuścił przez niego prąd, ale w przeciwnym kierunku. Ten proces formowania płyt był powtarzany wielokrotnie przez około 500 godzin i miał na celu zwiększenie warstwy tlenku ołowiu na obu płytach. Do czasu wynalezienia prądnicy akumulatory nie były przedmiotem zainteresowania inżynierów elektryków, ale kiedy stało się możliwe łatwe i szybkie ładowanie ich za pomocą generatora, akumulatory stały się powszechne. W 1882 roku Camille Faure znacznie udoskonalił technikę wytwarzania płyt akumulacyjnych. Jeśli akumulator Plante zaczął dobrze działać dopiero po wielokrotnym ładowaniu i rozładowywaniu (do momentu, gdy płytki stały się porowate), w akumulatorze Faure tworzenie płytek następowało znacznie szybciej. Istotą udoskonalenia Faure'a było to, że wpadł na pomysł pokrycia każdej płytki czerwonym ołowiem lub innym tlenkiem ołowiu. Po naładowaniu warstwa tej substancji na jednej z płytek zamieniła się w nadtlenek, natomiast na drugiej w wyniku reakcji uzyskano niski stopień tlenku. W trakcie tych procesów na obu płytkach utworzyła się warstwa tlenków o porowatej strukturze, co przyczyniło się do akumulacji wydzielanych gazów na elektrodach. Aby masa tlenków powstałych na płytach nie spadła, przykrywa się je ściereczką. Akumulator Faure nie tylko ładował się szybciej niż akumulator Plante, ale miał też znacznie większą pojemność i mógł wytwarzać bardzo silny prąd. Składał się z równoległych płytek ołowianych umieszczonych blisko siebie i połączonych jedną tak, że każda elektroda tego samego znaku była umieszczona pomiędzy dwiema elektrodami przeciwnych. Wynalazek Faure'a natychmiast przyciągnął uwagę inżynierów elektryków. Niemiecki bankier Volkmar, który przejął produkcję baterii Faure, wkrótce ulepszył je jeszcze bardziej. W poprzednich akumulatorach warstwa tlenku, jak już wspomniano, nie przylegała dobrze do rusztu i łatwo odpadała przy potrząśnięciu. Była to poważna wada konstrukcyjna, ponieważ uniemożliwiała użycie akumulatorów w transporcie. Aby poprawić sytuację, Volkmar zasugerował wykonanie płyt ołowianych nie litych, ale w postaci krat, których otwory były wypchane gąbczastym ołowiem. Na takich kratach aktywna masa nie przywierała już po prostu do ołowiu, ale była mocno utrzymywana w komórkach.
Na początku XX wieku Edison zajął się ulepszaniem baterii, chcąc uczynić ją bardziej odpowiednią na potrzeby transportu. W związku z tym zadaniem konieczne było zmniejszenie masy akumulatorów, zwiększenie ich pojemności, pozbycie się trującego ołowiu i żrącego kwasu siarkowego, który szybko skorodował ołowiane płyty, po czym trzeba je było wymienić. Jak zwykle Edison zabrał się do pracy z rozmachem: stworzył specjalne laboratorium z liczną kadrą chemików i powierzył im badania we wszystkich powyższych dziedzinach. W istocie chodziło o stworzenie zupełnie nowego typu baterii, w której alkalia służyły jako elektrolit, a rozdrobnione żelazo z pewnymi zanieczyszczeniami służyło jako elektroda ujemna. Przez długi czas nie było możliwe dobranie materiału na elektrodę dodatnią. Ponieważ procesy chemiczne w baterii alkalicznej były bardzo złożone i nie do końca zrozumiane, musieliśmy dosłownie wyczuć swoją drogę. W modelach eksperymentalnych elektrodę dodatnią wykonano z węgla, którego pory były wypełnione różnymi substancjami: wypróbowano wiele metali i ich związków, ale wszystkie dały niedostatecznie dobre wyniki. Ostatecznie zdecydowaliśmy się na nikiel, który okazał się najbardziej odpowiedni. Więc Edison przyszedł do baterii żelazowo-niklowej z elektrolitem w postaci żrącego potażu. (Reakcja chemiczna zachodząca podczas rozładowania w baterii alkalicznej opisana jest w nieco uproszczonej formie równaniem: 2NiOOH + Fe + 2H2O = 2Ni(OH)2 +Fe(OH)2; podczas ładowania proces przebiega w przeciwnym kierunku; elektrolit KOH, choć tworzy niezbędne środowisko, nie uczestniczy w reakcji.) Kilka takich baterii zostało wykonanych do szeroko zakrojonych testów i tutaj badacze byli zawiedzeni - pojemność baterii okazała się bardzo mała. Edison zauważył, że czystość materiału miała ogromne znaczenie w zwiększaniu pojemności. Zamówił wysokiej jakości kanadyjski nikiel do próbek, po czym pojemność baterii natychmiast się potroiła. W West Orange zbudowano małą rafinerię żelaza i niklu. Pojemność nowego akumulatora okazała się 2 razy większa niż starego ołowiowego. Edison twierdził, że był to największy postęp w technologii akumulatorów od czasu jej powstania. Dalsze eksperymenty były na tyle udane, że w 1903 roku Edison postanowił rozpocząć przemysłową produkcję swoich akumulatorów w specjalnie do tego wybudowanej fabryce. Jednak pierwsze baterie alkaliczne, które trafiły do sprzedaży, okazały się bardzo dalekie od ideału: nie wytrzymywały dobrze zadanej wartości napięcia, często przeciekały i miały wiele innych drobnych wad. Od dystrybutorów zaczęły napływać liczne skargi. Edison musiał zatrzymać fabrykę i ponownie zaangażować się w ulepszanie swojego wynalazku. Pomimo niepowodzeń nadal mocno wierzył w powodzenie sprawy. Udoskonalenie powierzono kilku grupom jednocześnie: jedna pracowała nad poprawą spawania zbiorników akumulatorowych, druga nad rafinacją żelaza, trzecia zajmowała się niklem i dodatkami do niego. Do 1905 r. przeprowadzono ponad 10 1910 dodatkowych eksperymentów, a w 1 r. znacznie ulepszony akumulator został ponownie wprowadzony do produkcji. W pierwszym roku wyprodukowano produkty o wartości XNUMX miliona dolarów i wszystkie znalazły dobrą sprzedaż. Nowa przenośna bateria szybko stała się powszechna w transporcie, elektrowniach, małych łodziach i łodziach podwodnych. Autor: Ryzhov K.V.
Nowy sposób kontrolowania i manipulowania sygnałami optycznymi
05.05.2024 Klawiatura Primium Seneca
05.05.2024 Otwarto najwyższe obserwatorium astronomiczne na świecie
04.05.2024
▪ Tylko połowa mieszkańców USA korzysta z telefonów stacjonarnych ▪ Czujnik jadalny do kontroli zamrażania żywności ▪ Automatyczne ograniczenie prędkości dla skuterów elektrycznych na chodnikach
▪ sekcja witryny Wzmacniacze mocy. Wybór artykułów ▪ artykuł Instrukcja dotycząca ochrony pracy podczas pracy z komputerem PC i terminalami wideo ▪ artykuł Gdzie znaleziono pierwsze skamieniałości? Szczegółowa odpowiedź ▪ artykuł Telewizyjny operator montażu wideo. Opis pracy ▪ artykuł Nadajnik sygnału wideo. Encyklopedia elektroniki radiowej i elektrotechniki
Strona główna | biblioteka | Artykuły | Mapa stony | Recenzje witryn
www.diagram.com.ua |
Polecamy ciekawe artykuły Sekcja 
Zobacz inne artykuły Sekcja 
Najnowsze wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika:
Wszystkie języki tej strony