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Conoscenza

Quando è stata inventata la batteria?

Quando è stata inventata la batteria?

Università della batteria

Una delle scoperte più straordinarie e nuove degli ultimi 400 anni è stata l'elettricità. Potremmo chiedere: "L'elettricità è in circolazione da così tanto tempo?" La risposta è sì, e forse molto più a lungo, ma il suo uso pratico è stato a nostra disposizione solo dalla metà del 1800 alla fine del 1800, e in modo limitato all'inizio. Una delle prime opere pubbliche che ha attirato l'attenzione è stata l'illuminazione dell'Esposizione mondiale della Columbia di Chicago del 1893 con 250.000 lampadine e l'illuminazione di un ponte sul fiume Senna durante l'Esposizione Universale del 1900 a Parigi.
L'uso dell'energia elettrica potrebbe tornare indietro. Durante la costruzione di una ferrovia nel 1936 vicino a Baghdad, i lavoratori hanno scoperto quella che sembrava essere una batteria preistorica, nota anche come batteria dei Parti. L'oggetto risale al periodo dei Parti e si ritiene che abbia 2000 anni. La batteria consisteva in una giara di terracotta che veniva riempita con una soluzione di aceto in cui veniva inserita un'asta di ferro circondata da un cilindro di rame. Questo dispositivo produceva da 1,1 a 2,0 volt di elettricità. La figura 1 illustra la batteria dei Parti.

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Figura 1: batteria dei Parti. Un vaso di terracotta di una batteria preistorica contiene un'asta di ferro circondata da un cilindro di rame. Quando viene riempito con aceto o soluzione elettrolitica, il barattolo produce da 1,1 a 2 volt.
Non tutti gli scienziati accettano la batteria dei Parti come fonte di energia. È possibile che il dispositivo sia stato utilizzato per la galvanica, come l'aggiunta di uno strato di oro o altri metalli preziosi su una superficie. Si dice che gli egiziani abbiano elettroplaccato l'antimonio sul rame oltre 4.300 anni fa. Le prove archeologiche suggeriscono che i babilonesi furono i primi a scoprire e impiegare una tecnica galvanica nella produzione di gioielli utilizzando un elettrolita a base di succo d'uva su gres placcato d'oro. I Parti, che governarono Baghdad (ca. 250 aC), potrebbero aver usato batterie per placcare l'argento.
Uno dei primi metodi per generare elettricità nei tempi moderni è stato creare una carica statica. Nel 1660 Otto von Guericke costruì una macchina elettrica utilizzando un grande globo di zolfo che, strofinato e girato, attirava piume e piccoli pezzi di carta. Guericke è stato in grado di dimostrare che le scintille generate erano di natura elettrica.
Il primo uso pratico dell'elettricità statica fu la "pistola elettrica", inventata da Alessandro Volta (1745–1827). Pensò di fornire comunicazioni a lunga distanza, anche se solo un bit booleano. Un filo di ferro sostenuto da pali di legno doveva essere teso da Como a Milano, in Italia. All'estremità ricevente, il filo finirebbe in un barattolo pieno di gas metano. Per segnalare un evento codificato, una scintilla elettrica verrebbe inviata via cavo allo scopo di far esplodere la pistola elettrica. Questo collegamento di comunicazione non è mai stato costruito. La figura 1-2 mostra un rendering a matita di Alessandro Volta.

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Figura 2: Alessandro Volta, inventore della batteria elettrica
La scoperta di Volta della decomposizione dell'acqua da parte di una corrente elettrica ha gettato le basi dell'elettrochimica.
Per gentile concessione di Cadex

Nel 1791, mentre lavorava all'Università di Bologna, Luigi Galvani scoprì che il muscolo di una rana si contraeva se toccato da un oggetto metallico. Questo fenomeno divenne noto come elettricità animale. Spinto da questi esperimenti, Volta ha avviato una serie di esperimenti utilizzando zinco, piombo, stagno e ferro come piastre positive (catodo); e rame, argento, oro e grafite come lastre negative (anodo). L'interesse per l'elettricità galvanica si diffuse presto.
Le prime batterie
Volta scoprì nel 1800 che alcuni fluidi avrebbero generato un flusso continuo di energia elettrica se usati come conduttori. Questa scoperta portò all'invenzione della prima cella voltaica, più comunemente nota come batteria. Volta ha inoltre scoperto che la tensione aumenterebbe quando le celle voltaiche sono state impilate una sopra l'altra. La figura 3 illustra tale connessione seriale.

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Figura 1-3: Quattro varianti
della batteria elettrica di Volta
I metalli in una batteria hanno effetti elettrici diversi. Volta ha notato che il potenziale di tensione con sostanze dissimili diventava più forte quanto più erano distanti l'una dall'altra.
Il primo numero nei metalli elencati di seguito è l'affinità per attrarre elettroni; il secondo è il potenziale standard del primo stato di ossidazione.
Zinco = 1,6 / -0,76 V
Piombo = 1,9 / -0,13 V
Stagno = 1,8 / -1,07 V
Ferro = 1,8 / -0,04 V
Rame = 1,9 / 0,159 V
Argento = 1,9 / 1,98 V
Oro = 2,4 / 1,83 V
Carbonio = 2,5 / 0,13 V
I metalli determinano la tensione della batteria; sono stati separati con carta umida imbevuta di acqua salata.
Per gentile concessione di Cadex
Nello stesso anno, Volta pubblicò la sua scoperta di una fonte continua di elettricità alla Royal Society di Londra. Gli esperimenti non erano più limitati a una breve esposizione di scintille che duravano una frazione di secondo. Adesso sembrava possibile un flusso infinito di corrente elettrica.
La Francia è stata una delle prime nazioni a riconoscere ufficialmente le scoperte di Volta. Questo è stato durante un periodo in cui la Francia si stava avvicinando al culmine dei progressi scientifici e le nuove idee sono state accolte a braccia aperte, contribuendo a sostenere l'agenda politica del paese. Su invito, Volta si rivolse all'Istituto di Francia in una serie di conferenze a cui Napoleone Bonaparte era presente come membro dell'istituto (vedi Figura 4).

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Figura 4: Le sperimentazioni di Volta all'Istituto di Francia
Le scoperte di Volta impressionarono così tanto il mondo che nel novembre 1800 l'Istituto nazionale francese lo invitò a tenere conferenze in occasione di eventi a cui partecipò Napoleone Bonaparte. Napoleone aiutò con gli esperimenti, traendo scintille dalla batteria, sciogliendo un filo d'acciaio, scaricando una pistola elettrica e decomponendo l'acqua nei suoi elementi.
Per gentile concessione di Cadex
Nel 1800, Sir Humphry Davy, inventore della lampada di sicurezza del minatore, iniziò a testare gli effetti chimici dell'elettricità e scoprì che la decomposizione si verificava quando una corrente elettrica passava attraverso le sostanze. Questo processo è stato poi chiamato elettrolisi. Ha fatto nuove scoperte installando la batteria elettrica più grande e potente del mondo nei sotterranei della Royal Institution di Londra. Il collegamento della batteria agli elettrodi di carbone ha prodotto la prima luce elettrica. Testimoni hanno riferito che la sua lampada ad arco voltaico produceva "l'arco di luce ascendente più brillante mai visto".
Nel 1802, William Cruickshank progettò la prima batteria elettrica per la produzione di massa. Cruickshank ha disposto lastre di rame quadrate con lastre di zinco di dimensioni uguali. Questi fogli sono stati posti in una lunga scatola rettangolare di legno e saldati insieme. Le scanalature nella scatola tenevano in posizione le piastre di metallo e la scatola sigillata è stata quindi riempita con un elettrolita di salamoia o un acido diluito. Questo somigliava alla batteria allagata che è ancora con noi oggi. La figura 5 illustra l'officina delle batterie di Cruickshank.

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Figura 5: Cruickshank e la prima batteria allagata. William Cruickshank, un chimico inglese, costruì una batteria di celle elettriche unendo piastre di zinco e rame in una scatola di legno riempita con una soluzione elettrolitica. Questo design allagato aveva il vantaggio di non seccarsi con l'uso e forniva più energia rispetto alla disposizione del disco di Volta.
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L'invenzione della batteria ricaricabile
Nel 1836, John F. Daniell, un chimico inglese, sviluppò una batteria migliorata che produceva una corrente più stabile rispetto ai dispositivi precedenti. Fino a quel momento, tutte le batterie erano primarie, il che significa che non potevano essere ricaricate. Nel 1859 il fisico francese Gaston Planté inventò la prima batteria ricaricabile. Era a base di piombo acido, un sistema utilizzato ancora oggi.
Nel 1899, Waldemar Jungner dalla Svezia inventò la batteria al nichel-cadmio (NiCd), che utilizzava il nichel per l'elettrodo positivo (catodo) e il cadmio per il negativo (anodo). Gli elevati costi dei materiali rispetto al piombo acido ne limitarono l'uso e due anni dopo Thomas Edison produsse un progetto alternativo sostituendo il cadmio con il ferro. La bassa energia specifica, le scarse prestazioni a bassa temperatura e l'elevata autoscarica hanno limitato il successo della batteria al nichel-ferro. Fu solo nel 1932 che Schlecht e Ackermann ottennero correnti di carico più elevate e migliorarono la longevità del NiCd inventando la piastra polare sinterizzata. Nel 1947 Georg Neumann riuscì a sigillare la cella.
Per molti anni, NiCd è stata l'unica batteria ricaricabile per applicazioni portatili. Negli anni '90, gli ambientalisti in Europa si preoccuparono della contaminazione ambientale se il NiCd fosse stato smaltito con noncuranza; hanno iniziato a limitare questa chimica e hanno chiesto all'industria di consumo di passare al nichel-metallo-idruro (NiMH), una batteria più rispettosa dell'ambiente. Il NiMH è simile al NiCd e molti prevedono che il NiMH sarà il trampolino di lancio per il più duraturo ioni di litio (Li-ion).
La maggior parte delle attività di ricerca oggi ruotano attorno al miglioramento dei sistemi a base di litio. Oltre ad alimentare telefoni cellulari, laptop, fotocamere digitali, utensili elettrici e dispositivi medici, gli ioni di litio vengono utilizzati anche per i veicoli elettrici. La batteria ha una serie di vantaggi, in particolare l'elevata energia specifica, la ricarica semplice, la bassa manutenzione e il rispetto dell'ambiente.
Elettricità attraverso il magnetismo
La scoperta di come generare elettricità attraverso il magnetismo è arrivata relativamente tardi. Nel 1820, André-Marie Ampère (1775–1836) notò che i fili che trasportavano una corrente elettrica erano a volte attratti e altre volte respinti l'uno dall'altro. Nel 1831, Michael Faraday (1791–1867) dimostrò come un disco di rame fornisse un flusso costante di elettricità mentre ruotava in un forte campo magnetico. Faraday, assistendo Davy e il suo gruppo di ricerca, è riuscito a generare una forza elettrica infinita fintanto che il movimento tra una bobina e un magnete è continuato. Ciò ha portato all'invenzione del generatore elettrico e l'inversione del processo ha consentito il motore elettrico. Poco dopo, furono sviluppati trasformatori che convertivano la corrente alternata (CA) in qualsiasi tensione desiderata. Nel 1833 Faraday stabilì le basi dell'elettrochimica su cui si basa la legge di Faraday. La legge dell'induzione di Faraday si riferisce all'elettromagnetismo legato a trasformatori, induttori e molti tipi di motori elettrici e generatori.
Una volta compresa la relazione con il magnetismo, i grandi generatori hanno iniziato a produrre un flusso costante di elettricità. Seguirono motori che consentivano il movimento meccanico e la lampadina Edison sembrava conquistare l'oscurità. Dopo che George Westinghouse ha illuminato l'Esposizione mondiale colombiana di Chicago nel 1893, Westinghouse ha costruito tre grandi generatori per trasformare l'energia delle cascate del Niagara in elettricità. La tecnologia AC trifase sviluppata da Nikola Tesla ha consentito alle linee di trasmissione di trasportare energia elettrica su grandi distanze. L'elettricità è stata così resa ampiamente disponibile all'umanità per migliorare la qualità della vita.

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Figura 6: 250.000 lampadine illuminano l'Esposizione mondiale colombiana di Chicago nel 1893.
Il successo della luce elettrica ha portato alla costruzione di tre grandi generatori idroelettrici alle Cascate del Niagara.
Per gentile concessione degli archivi del Brooklyn Museum. Collezione d'archivio Goodyear
L'invenzione del tubo a vuoto elettronico all'inizio del 1900 segnò il significativo passo successivo verso l'alta tecnologia, consentendo oscillatori di frequenza, amplificazione del segnale e commutazione digitale. Ciò portò alla trasmissione radiofonica negli anni '20 e al primo computer digitale, chiamato ENIAC, nel 1946. La scoperta del transistor nel 1947 aprì la strada all'arrivo del circuito integrato 10 anni dopo e il microprocessore inaugurò l'era dell'informazione, cambiando per sempre il modo in cui viviamo e lavoriamo.
L'umanità dipende dall'elettricità e, con una maggiore mobilità, le persone hanno gravitato sempre di più verso l'alimentazione portatile, prima per le applicazioni su ruote, poi per la portabilità e infine per l'uso indossabile. Per quanto imbarazzanti e inaffidabili possano essere state le prime batterie, le generazioni future potrebbero considerare le tecnologie odierne nient'altro che esperimenti goffi.

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