Аккумулятор и немецкий романтизм

Романтик и учёный

Иоганн Риттер родился в Силезии в 1776 году и в молодости работал фармацевтом, однако увлёкся наукой и променял гарантированный заработок на обучение в Йенском университете. Атмосфера знаменитой йенской школы навсегда оставила отпечаток на воззрениях будущего учёного. Его студенческими товарищами были Шеллинг, Гёте, Новалис, братья Шлегели. Романтизм, которым был пропитан университетский городок, стал движущей силой исканий молодого Риттера. Один из его биографов пишет, что учёный верил в животный магнетизм, пытался применять «волшебную палочку» для нахождения металлической руды, был последователем сидеризма (учение о влиянии звёзд на судьбу человека). Однако натурфилософские взгляды и мистические представления об электричестве как о некой душе мира не помешали Риттеру ставить научные опыты и делать из них вполне рациональные выводы.

В 1800 году Риттер, независимо от английских учёных Энтони Карлайла и Вильяма Никольсона, впервые осуществил электролиз воды, разложив её, соответственно, на водород и кислород. Годом позднее он установил связь между теплотой и появлением электрического тока, таким образом, предсказав явление термоэлектричества, которое лишь через 20 лет открыл и описал Томас Иоганн Зеебек. Одно из главных открытий Риттера было связано с исследованием светового спектра. В ходе экспериментов по воздействию светом на хлористое серебро учёный наблюдал постепенное потемнение металла при переходе от красной к фиолетовой части спектра и усиление этого эффекта при выходе за пределы видимого спектра. Объясняя это явление, Риттер впервые указал на существование ультрафиолетового излучения. Но наибольший интерес для Риттера представляли опыты именно с электричеством.

Работы Риттера дали начало развитию нового направления в науке – электрохимии. В 1802 году, изучая химическую природу электричества, Риттер замечает, что после пропускания тока через «вольтов стол» медные элементы ещё какое-то время сами являются источником тока. Учёный конструирует свой «вольтов столб», который впоследствии получил название вторичного столба Риттера и, по сути, стал первым в мире аккумулятором.

Столб Риттера

Интересно, что вокруг открытия накопления энергии ходили многие исследователи, но либо не замечали это явление, либо не могли объяснить его. Первое наблюдение вторичного тока приписывают французскому музыканту Готеро, мастеру игры на клавесине и арфе, увлекавшемуся физикой. В начале 1800-х годов, вдохновленный, как и многие другие, исследованиями Вольты, он проводил опыты с пропусканием электрического тока через жидкости, используя золото, серебро, платину и другие металлы. После одного опыта Готеро заметил, что использовавшиеся в вольтовом столбе проволоки, если их приложить к языку, дают странные вкусовые ощущения. Он сделал предположение о наличии в них электрического тока. Но дальше этого дело не пошло.

Риттер в это время проводил эксперименты по разложению воды электрическим током. Как и Готеро, он заметил, что металлические электроды после пропускания тока ещё какое-то время способны отдавать электричество. Он сконструировал особый «вольтов столб», использовав в нём вместо медно-цинковых пластин только медные.

50 дисков он проложил пропитанными в соляном растворе суконками и подключил конструкцию в качестве нагрузки в цепь к «вольтову столбу» из 100 медно-цинковых элементов. После пропускания тока медные пластины поляризовались, столб Риттера заряжался и после отключения от источника энергии продолжал отдавать электричество. Хотя время работы столба Риттера было непродолжительным, его оказалось достаточно, чтобы установить, что у вторичного тока та же природа, что и у тока от «вольтова столба».

Таким образом, в 1802 году Риттер открыл принцип работы аккумулятора, а 1803 году впервые создал само устройство. Дальнейшая история аккумулятора будет связана только с совершенствованием его конструкции и увеличением срока работы.

В поисках свинца

Опыты Риттера вызвали волну интереса к вторичному электричеству у многих исследователей начала XIX века. Первоначально учёные, в том числе Вольта, были склонны связывать способность «зарядного столба» отдавать электричество с разложением солей электролита под воздействием тока на кислоту и щёлочь, которые при восстановлении генерируют ток. Замена солевого раствора в аккумуляторе на подкисленную воду позволила сделать вывод о том, что причина возникновения вторичного тока в разложении воды на кислород и водород. В 1839 году английский физик Уильям Грове сконструировал свой гальванический «столб», состоявший из опущенных в раствор серной кислоты платиновых электродов. Подключение «элемента Грове» к «вольтову столбу» приводило к накоплению на одном полюсе водорода, а на другом – кислорода. После отключения в газовом аккумуляторе шла обратная реакция, и он сам начинал работать как источник электрического тока. Напряжение этой вторичной батареи составляло примерно 1 В. Однако газовый элемент был ненадёжен и очень неудобен в использовании: запасание газов требовало большой ёмкости, поэтому он не получил распространения, зато стал прообразом электрохимических топливных элементов.

Новый толчок к совершенствованию батареи вторичного тока дал молодой ассистент французского физика Александра Беккереля – Гастон Планте. В лаборатории своего именитого наставника юноша занимался разработкой надёжных источников питания для телеграфа. Проводя многочисленные опыты с газовым элементом Грове, Планте полностью переделал его конструкцию: платиновые пластины он заменил свинцовыми, электроды проложил сукном, а полученные элемент обмотал вокруг деревянной палочки и опустил в стеклянную колбу с подкисленной водой. Небольшой по размерам элемент обладал достаточной поверхностью соприкосновения электродов с электролитом, чтобы после запитки от источника тока длительное время сохранять заряд. Появившийся в 1850-х годах накопительный элемент Планте стал первым аккумулятором с возможностью практического применения.

В 1880 году французский физик Камилл Фор, работавший вместе с Планте, предложил новый способ формовки, заключавшийся в заблаговременном покрытии решётчатых пластин электрода оксидом свинца. Во время зарядки слой окисла приобретал пористое строение, площадь его поверхности увеличивалась, а значит, росла и энергоёмкость аккумулятора. Дешёвые свинцовые аккумуляторы, изготовленные по методу Фора, стали применяться повсеместно и, практически не поменявшись в конструкции, используются до сих пор, например, в автомобилях.

Первый несвинцовый аккумулятор был запатентован Томасом Эдисоном в 1901 году. Он состоял из пластин железа и никеля с раствором едкой щёлочи с добавлением лития в качестве электролита. Преимуществом железно-никелевого аккумулятора был малый размер и неприхотливость к условиям работы (например, он, не портясь, сколь угодно долго мог оставаться разряжённым). Он стал активно применяться в переносных устройствах, но не смог заменить свинцового «собрата» в стационарных установках из-за меньшей электродвижущей силы.

Сейчас существует множество вариантов аккумуляторов – серно-натриевые, хлорно-литиевые, медно-литиевые, серебряно-цинковые, цинково-воздушные и другие. Однако в их основе лежит один и тот же принцип, открытый 200 лет назад в результате опытов Риттера с опусканием медных колец в подсоленную воду.

При подготовке материала использованы: Веселовский О. Н. В., Шнейберг Я. А. «Очерки по истории электротехники», Лебедев Ю. А. «Второе дыхание марафонца (о свинце)», Емцов Г. «Электрические аккумуляторы».