Borys Shevchuk / 123RF Ο σύγχρονος κόσμος, με όλο το μεγαλείο και την πολυπλοκότητά του, εκτοξεύει μια συγκλονιστικά πρωταρχική δύναμη, μια που ρέει μέσα από ανθρώπινα σώματα πολύ πριν από την κατασκευή του πρώτου κινητήρα. Η ηλεκτρική ενέργεια, η ίδια δύναμη που έχει κρατήσει τις ανθρώπινες καρδιές να χτυπούν όσο υπήρχαν ανθρώπινες καρδιές για να χτυπήσουν, σήμερα ρέει μέσα από τις φλέβες του πολιτισμού, τροφοδοτώντας τους ουρανοξύστες στους οποίους εργαζόμαστε και τα τηλέφωνα στις τσέπες μας.
Αν και οι μεγάλοι παραγωγοί ηλεκτρικής ενέργειας, οι κολοσσοί όπως το φράγμα Hoover, μπορεί να είναι ο πιο εντυπωσιακά εντυπωσιακά, η ανθρώπινη κυριαρχία των ηλεκτρικών ρευμάτων είναι ίσως πιο εντυπωσιακή με τη μορφή μπαταριών. Κάποια αρκετά μικρά για να κάθονται στην άκρη ενός δακτύλου, οι μπαταρίες τροφοδοτούν πολλές από τις συσκευές που χρησιμοποιούμε καθημερινά: τηλέφωνα, φορητούς υπολογιστές, φακούς, ρολόγια. Ήταν πανταχού παρόν μέρος της ζωής εδώ και δεκαετίες, αλλά πόσοι από εμάς γνωρίζουμε πώς λειτουργούν;
Κάτω από τα απλά εξωτερικά τους, ένας απλός μηχανισμός
Μια τυπική αλκαλική μπαταρία θα είναι γνωστή σε πολλά άτομα, τουλάχιστον από το εξωτερικό. Γενικά, εγκλωβισμένη σε μεταλλικό κύλινδρο, η μπαταρία έχει δύο άκρα με σήμανση + (θετικά) και - (αρνητικά) Τα δύο άκρα της μπαταρίας είναι ακροδέκτες, συνδεδεμένα με ηλεκτρόδια εντός της μπαταρίας: το θετικό άκρο συνδέεται με κάθοδο, ενώ το αρνητικό άκρο συνδέεται με άνοδο. Ένας διαχωριστής μέσα στην μπαταρία εμποδίζει τους δύο να αγγίζουν, επιτρέποντας ταυτόχρονα τη ροή ηλεκτρικής ενέργειας μεταξύ τους. Μεταξύ των δύο άκρων υπάρχει μια πάστα ηλεκτρολύτη, μια ουσία που επιτρέπει τη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος.
Τα ηλεκτρόνια φυσικά θέλουν να ρέουν από το αρνητικό άκρο (όπου υπάρχουν περίσσεια ηλεκτρονίων) στο θετικό άκρο (όπου υπάρχουν ανοιχτοί χώροι για ηλεκτρόνια), ωστόσο δεν μπορούν να το κάνουν επειδή ο διαχωριστής εμποδίζει την πορεία τους. Συνδέοντας τα θετικά και αρνητικά άκρα του πάρτι, σχηματίζεται ένα κύκλωμα που επιτρέπει τη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος.
Όταν μια μπαταρία είναι συνδεδεμένη σε μια συσκευή, όπως ένας φακός ή ένα τηλεχειριστήριο, δημιουργείται κύκλωμα και εμφανίζονται χημικές αντιδράσεις στην άνοδο και την κάθοδο. Στην άνοδο, εμφανίζεται μια αντίδραση οξείδωσης, όπου τα ιόντα συνδυάζονται με την άνοδο και απελευθερώνουν τα ηλεκτρόνια. Στην κάθοδο, εμφανίζεται μια αντίδραση αναγωγής, με ιόντα και ηλεκτρόνια να σχηματίζουν ενώσεις. Σε αυτές τις αντιδράσεις μείωσης της οξείδωσης, τα ηλεκτρόνια ρέουν από την αρνητικά φορτισμένη άνοδο προς τη θετικά φορτισμένη κάθοδο.
Σε μια αλκαλική μπαταρία, η άνοδος αποτελείται από ψευδάργυρο, ενώ η κάθοδος είναι διοξείδιο του μαγγανίου. Τα ηλεκτρόδια σε αυτές τις μπαταρίες διαβρώνονται με την πάροδο του χρόνου. Οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες κατασκευάζονται συνήθως από ιόν λιθίου. Όταν συνδέεται για επαναφόρτιση, η ροή ηλεκτρικού ρεύματος αντιστρέφεται, επιστρέφοντας την άνοδο και την κάθοδο στις αρχικές τους καταστάσεις.
Μια σύντομη ιστορία των μπαταριών
Το παλαιότερο αντικείμενο που μοιάζει με μπαταρία μπορεί να έχει κατασκευαστεί ήδη από τον 3ο αιώνα μ.Χ., με τη μορφή πήλινων δοχείων που αποκαλύφθηκαν το 1938 από έναν Γερμανό ζωγράφο, Wilhelm König, κοντά στη Βαγδάτη. Μέσα σε κάθε γλάστρα ήταν μια σιδερένια ράβδος τυλιγμένη σε ένα φύλλο χαλκού. Υπήρχε αρκετός χώρος στα βάζα για να περιέχει κάποιο είδος διαλύματος ηλεκτρολύτη, και έτσι ο König πίστευε ότι τα δοχεία ήταν γαλβανικά κελιά, τα οποία πιθανώς χρησιμοποιούσαν οι κάτοικοι της Αυτοκρατορίας Sasanian για ηλεκτρολυτική επίστρωση, τη διαδικασία χρήσης ηλεκτρικού ρεύματος για την παραγωγή μεταλλικής επίστρωσης.
Σίγουρα, πειράματα στοχεύουν στην αναδημιουργία αυτών των συσκευών (συμπεριλαμβανομένης μιας από τη δημοφιλή εκπομπή MythBustersδιαπίστωσαν ότι ο σχεδιασμός μπορεί να παράγει μια μικρή τάση, αρκετά μεγάλη για ηλεκτρολυτική επίστρωση. Παρ 'όλα αυτά, οι περισσότεροι αρχαιολόγοι πιστεύουν σήμερα ότι τα δοχεία δεν χρησιμοποιήθηκαν ως μπαταρίες κατά την περίοδο κατασκευής τους, αλλά ως δοχεία αποθήκευσης ιερών κυλίνδρων. Οι μεταλλικές επικαλύψεις κατά την περίοδο κατασκευής των βάζων έγιναν μέσω μιας διαδικασίας επιχρύσωσης πυρκαγιάς, έτσι η θεωρία της επιμετάλλωσης του König φαίνεται αδύνατη. Όποιος και αν είναι ο σκοπός για τον οποίο σχεδιάστηκαν οι μπαταρίες της Βαγδάτης, είναι τουλάχιστον μια ενδιαφέρουσα περιέργεια, οι ακούσιες πρωτότυπες μπαταρίες που έχουν κατασκευαστεί πολύ πριν οι επιστήμονες να καταλάβουν καλύτερα τα ηλεκτρικά ρεύματα.
Η πρώτη αληθινή μπαταρία χτίστηκε το 1800 από τον Alessandro Volta. Στις μέρες του ως καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Παβίας, ο Βόλτα συνεργάστηκε με τον Luigi Galvani, έναν βιολόγο, ο οποίος ανακάλυψε κατά την ανατομή ενός βατράχου ότι, όταν το νυστέρι του άγγιξε τον ορειχάλκινο γάντζο κρατώντας τον βάτραχο, τα πόδια του θα συστρέφονταν. Ο Galvani (ο οποίος θα εμπνεύσει τη λέξη «γαλβανιζέ») πίστευε ότι αυτό ήταν απόδειξη μιας ηλεκτρικής δύναμης που ζωντανεύει τη ζωή, την οποία ονομαζόταν «ηλεκτρική ενέργεια των ζώων». Η Volta αναπαράγει το πείραμα του Galvani, αλλά κατέληξε σε ένα διαφορετικό συμπέρασμα: ήταν η σύνδεση μεταξύ του μεταλλικού νυστέρι και του γάντζου, όχι η δύναμη ζωής του βατράχου, που παρήγαγε ένα ηλεκτρικό ρεύμα.
Η έρευνα του Βόλτα τον οδήγησε να δημιουργήσει το βολταϊκό σωρό, στοιβάζοντας δίσκους ψευδαργύρου και αργύρου, με χαρτόνι εμποτισμένο με αλμυρό νερό μεταξύ τους. Συνδέοντας τον επάνω και τον κάτω δίσκο με καλώδιο, η Volta μπόρεσε να παράγει ηλεκτρικό ρεύμα και έθεσε τα θεμέλια για μελλοντικές μπαταρίες. Προς τιμήν του έργου της Volta, η μονάδα μέτρησης του ηλεκτρικού δυναμικού είναι γνωστή ως volt.
Η μπαταρία, όπως γνωρίζουμε σήμερα, είναι μια σχετικά πρόσφατη εφεύρεση. Δουλεύοντας για την Union Carbide στη γραμμή μπαταριών του Eveready στη δεκαετία του 1950, ο μηχανικός Lewis Urry έλαβε αυτό που φαίνεται σήμερα σαν μια εξαιρετικά απλή εργασία: φτιάξτε μπαταρίες μεγαλύτερης διάρκειας για παιχνίδια. Αντί να βελτιώσει την υπάρχουσα σχεδίαση όπως περίμεναν τα αφεντικά του, ο Urry αποφάσισε να δημιουργήσει μια νέα μπαταρία, και τελικά καταφέρνει να χρησιμοποιήσει ένα μείγμα διοξειδίου του μαγγανίου και ψευδαργύρου σε σκόνη. Έτσι, η Urry δημιούργησε τη σύγχρονη αλκαλική μπαταρία, ικανή να τροφοδοτεί συσκευές για εκθετικά μεγαλύτερη διάρκεια από τις προηγούμενες εμπορικές μπαταρίες. Αν και οι πρώτες αλκαλικές μπαταρίες έπληξαν την αγορά το 1959, οι συχνές βελτιώσεις τις κράτησαν βιώσιμες ακόμη και μέχρι σήμερα.
