Батарейкалар туралы қызықты мәліметтер
Қазіргі өркениет энергияны ыңғайлы түрде сақтау және тасымалдау мүмкіндігіне негізделген. Смартфондар, есту аппараттары, жүрек ырғағын реттегіштер және біз баяғыда-ақ өзімізге деп санайтын жүздеген басқа құрылғылар компактті қуат көздерінсіз жұмыс жасамас еді. Батарейка – күнделікті өмірге сонша берік еніп кеткен заттардың бірі, ол іс жүзінде назар аудартуды тоқтатты. Сонымен бірге бұл өнертабыстың тарихы екі жүз жылдан астам уақытты қамтиды, ал оның жұмыс физикасы алғашқы қарашта көрінгеннен әлдеқайда қызықты. Осы мақалада біз сізге батарейкалар туралы қызықты және танымдық мәліметтер жинақтадық.
Алғашқы батарейканы Алессандро Вольта 1800 жылы тиындар мен тұзды матадан жасады
Итальяндық ғалым Алессандро Вольта тарихтағы алғашқы химиялық ток көзін өте қарапайым материалдарды пайдаланып жасады: тұзды ерітіндіге малынған мата кесіктерімен астарланған мыс пен мырыш дискілерін қолданды. Бұл конструкция «вольт бағанасы» деп аталды – ол биіктігі бірнеше ондаған сантиметр болатын кезектесіп орналасқан металл үйіндісін білдірді. Ашылу кездейсоқ болды: Вольта өлі бақалардың аяқтарында байқаған электр табиғаты туралы әріптесі Луиджи Гальванимен дауласты. Гальванидің «жануар электрін» теріске шығаруға бағытталған тәжірибелер ғылым тарихын өзгерткен құрылғының жасалуына алып келді. «Вольт» деп аталатын электр кернеуінің бірлігі дәл осы ғалымның атын иеленеді.
Батарейкалар пайдаланылмаса да зарядын жоғалтады
Өздігінен разряд болу құбылысы үстел тартпасынан зарядсызданып қалған элементтері бар ұмытылған пультті тапқан әрбір адамға таныс. Бұл іштегі химиялық реакциялар сыртқы жүктеме болмаса да толығымен тоқтамайтындықтан болады: электролит электродтармен баяу әрекеттесіп, сақталған энергияны біртіндеп жұмсайды. Бөлме жағдайында сақталған кезде АА типті қарапайым сілтілі батарейка жыл сайын зарядының 2-ден 3 пайызына дейін жоғалтады. Литийлі элементтер жылына шамамен 1 пайыз мөлшерінде анағұрлым баяу разряд болады – бұл оларды ұзақ сақтауға арналған құрылғыларда: түтін детекторларында, әскери жабдықтарда, ғарыш аппараттарында қолданылуын түсіндіреді. Дәл осы себептен өндірушілер қаптамада қызмет мерзімін емес, жарамдылық мерзімін көрсетеді.
Суық батарейканың разрядын баяулатады, бірақ жоғалған зарядты қалпына келтірмейді
«Батарейканы зарядтау үшін тоңазытқышқа салу» деген кеңінен тараған кеңес – жалпыға бірдей қате түсінік. Төмен температура элемент ішіндегі химиялық реакцияларды шынымен баяулатады, бұл сақтау кезіндегі өздігінен разряд болу жылдамдығын азайтады. Алайда разряд болған қуат көзі суытудан қалпына келмейді: суық электрохимиялық потенциалдың өзгеруі есебінен клеммалардағы кернеуді уақытша ғана арттырады да, бөлме температурасына қайта оралғанда құрылғы тағы да жұмыс жасамайды. Бұл қасиеттен туындайтын іс жүзінде пайдалы қорытынды басқаша: жаңа батарейкаларды салқын жерде сақтаған дұрыс – бұл жарамдылық мерзімін ұзартады. Қысқы суретке түсіруде фотографтар камераға орнатар алдында дене жылуымен жылыту үшін запас элементтерді кеуде қалтасында ұстайды.
«Крона» типті батарейка дәйекті қосылған алты элементтен тұрады
Бір қырлы торцінде екі контакты бар тән тікбұрышты корпус ішінде бір емес, тұтасымен алты химиялық элементті жасырады. Олардың әрқайсысы шамамен 1,5 вольт кернеу береді және дәйекті қосылғанда жалпы кернеу 9 вольтқа жетеді – радиоқабылдағыштарды, түтін сенсорларын және бірқатар музыкалық педальдарды қоректендіру үшін дәл осыншасы қажет. Мұндай конструкция мәжбүрлі шешім болып табылады: стандартты реагенттерде кернеуі 9 вольт болатын бір электрохимиялық элементті жасау өте қиын, өйткені кернеу элемент өлшемімен емес, химиялық жұптың табиғатымен анықталады. Дәл осы себептен «крона» АА батарейкасымен шамалас көлемде болса да қымбатырақ тұрады. Ескі «кронаны» бөлшектесеңіз, ішінен қатарға жатқызылған алты миниатюрлі цилиндрлік ұяшықты табуға болады.
Бір қарапайым батарейка шамамен 20 шаршы метр топырақты ластай алады
Стандартты сілтілі элементтің ішінде марганец диоксиді, калий гидроксиді және мырыш бар – топыраққа түскенде оның химиялық құрамын бұзатын және топырақ микроорганизмдерін жайлайтын заттар. Сынап пен кадмий бар өткен ондаған жылдардың қуат элементтері ерекше қауіп төндірді: мұндай бір көз бірнеше текше метр жер асты суларын улай алды. Қазіргі сілтілі батарейкалар сынапсыз өндіріледі және ресми түрде аз уытты болып саналады, алайда оларды кәдімгі полигондарда жаппай көму қоршаған ортада ауыр металдарды жинақтай береді. Еуропа Одағында пайдаланылған элементтерді жинау міндетті болып табылады, ал өндірушілер оларды қайта өңдеуді қаржыландыруға міндетті. Ресейде батарейкаларды бөлек жинау біртіндеп дамуда, дегенмен нақты кәдеге жаратылатын элементтердің пайызы төмен күйінде қалып отыр.
Литий-иондық аккумуляторлар зарядтау саны емес, разряд тереңдігі салдарынан тозады
Смартфон аккумуляторы белгілі бір зарядтау циклдарына есептелген, содан кейін оны ауыстыру керек деген пікір кеңінен тараған. Бұл тек ішінара дұрыс: өндірушілер әдетте 300–500 толық цикл өткеннен кейін сыйымдылықтың 80 пайызын сақтауға кепілдік береді, бірақ «толық цикл» дегеніміз 100-ден 0 пайызға дейін разряд болу. Мезгіл-мезгіл жартылай зарядтау – мысалы, 40-тан 80 пайызға дейін – ұяшықты толық разряд болуға қарағанда анағұрлым баяу тоздырады. Дәл осы себептен мамандар смартфонды нөлге дейін жеткізбеуді және үнемі 100 пайызда ұстамауды ұсынады: екі шекті күй де электродтардың кристалдық торындағы механикалық кернеуді арттырады. Электромобиль өндірушілері тарту батареяларының ресурсын ұзарту үшін зарядтау диапазонын бағдарламалы түрде 20–80 пайызбен шектеп, осы заңдылықты ескереді.
Радиоактивті ыдырауға негізделген батарейкалар бар, олардың қызмет мерзімі 25 жылды құрайды
Ядролық батарейкалар – немесе дәлірек айтқанда, шағын қуатты радиоизотоптық генераторлар – радиоактивті изотоптардың ыдырауы кезінде бөлінетін жылуды пайдаланып, оны терможұптар арқылы электр энергиясына айналдырады. Азаматтық қолданыстағы ең белгілі нұсқасы – «атомдық» кардиостимуляторлар, олар 1970–80-жылдары науқастарға жаппай имплантталды: оларда плутоний-238 қуат көзі ретінде пайдаланылып, ауыстырусыз 10–20 жыл бойы жұмыс қамтамасыз етілді. Бүгінде бұл технология негізінен ғарышта қолданылады: «Кьюриосити» мен «Персеверанс» марс роверлері дәл осындай генераторлардан қоректенеді, өйткені Марс бетіндегі күн жарығы панельдердің сенімді жұмысы үшін жеткіліксіз. Мұндай көздердің қуаты аз – ондаған ватт, – алайда тұрақтылығы мен беріктігі оларды қуатты ауыстыру физикалық тұрғыдан мүмкін емес жерде ауыстырылмас етеді. Сонымен қатар қызмет мерзімі мыңдаған жылды құрайтын радиоактивті көміртек-14 негізіндегі «алмас батарейкалар» да жасалуда.
Әлемдегі ең кішкентай батарейка күріш дәнінен де кішілеу
Қуат көздерін шағындату заманауи электрониканың негізгі бағыттарының біріне айналды. Цюрих Жоғары техникалық мектебінің швейцариялық зерттеушілері шамамен бір текше миллиметр көлемді литий-иондық аккумулятор жасады – ол глаукома кезінде көздің ішкі қысымын үздіксіз бақылауы тиіс имплантацияланатын медициналық сенсорларға арналған. «Мурата» жапон компаниясы жаңа буын есту аппараттарында және миниатюрлі сымсыз датчиктерде пайдаланылатын 3,5 х 2,5 миллиметр өлшемді серийлі элементтер өндіреді. Батарейканы кішірейтудің принципті қиындығы сыйымдылық белсенді заттың мөлшеріне тура пропорционал екендігінде: элемент неғұрлым кішілеу болса, оның жұмыс уақыты соғұрлым қысқа. Инженерлер бұл қарама-қайшылықты микроваттың үлестеріне дейін құрылғылардың өзінің энергия тұтынуын азайту арқылы шешеді.
Лимон, картоп және тиындар шынымен де батарейка ретінде жұмыс жасай алады
Лимонға мыс пен мырыш электрод тіккен мектептегі тәжірибе – жай демонстрациялық амал емес, нақты электрохимиялық элемент. Цитрустық жемістің қышқылы электролит ретінде қызмет атқарады, ал екі металдың химиялық потенциалдарының айырмашылығы шамамен 0,9 вольт кернеу туғызады. Дәйекті қосылған бірнеше лимон жарықдиодты жандыруға немесе цифрлық сағатты іске қосуға жеткілікті ток береді. Картоп та осылайша жұмыс жасайды: оның құрамындағы фосфор қышқылы электролиттің сол қызметін атқарады. 2010 жылы Иерусалим Еврей университетінің зерттеушілері пісірілген картоптың шикіге қарағанда он есе көп энергия өндіретінін көрсетті – бұл электр жүйесі жоқ аймақтар үшін арзан қуат көздерін жасау перспективаларын ашты. Жұмыс принципі өнеркәсіптік химиялық элементтердегімен мүлдем бірдей – айырмашылық тек реагенттердің шоғырлануы мен олардың беріктігінде.
Батарейка тиындардан жасалған кустарлық бағанадан ядролық генераторлар мен нанөлшемді ұяшықтарға дейін екі ғасырдан сәл астам уақытта жетті – бұл қарқын есептеу техникасының дамуымен ғана салыстыруға болады. Бүгінде адамзат алдында энергия жинақтағыштардың сипаттамаларын жақсарту ғана емес, оларды кәдеге жарату жүйесін де орнықтыру міндеті тұр. Көліктің, жаңартылатын энергетиканың және портативті электрониканың болашағы көбіне энергия сақтау саласындағы жетістіктермен анықталады. Принципті жаңа қуат көзінің түрін жасаған адам технологиялық өркениеттің бет-бейнесін Вольтаның тұзды мата мен металл дискілерден жасаған бағанасы өзгерткеннен кем емес дәрежеде өзгертеді.
