Borys Shevchuk / 123RF Lumea modernă, în toată măreția și complexitatea ei, fugă de o forță șocantă primară, una care a străbătut corpurile umane cu mult înainte de a fi construit primul motor. Electricitatea, aceeași forță care a ținut inima omului să bată atâta timp cât au existat inimi umane de bătut, curge astăzi prin venele civilizației, alimentând zgârie-norii în care lucrăm și telefoanele din buzunare.
Deși marii producători de energie electrică, coloși precum Barajul Hoover, pot fi cei mai visceral impresionanți, stăpânirea umană a curenților electrici este probabil cea mai impresionantă sub formă de baterii. Unele suficient de mici pentru a sta pe vârful degetului, bateriile alimentează multe dintre dispozitivele pe care le folosim în fiecare zi: telefoane, laptopuri, lanterne, ceasuri. Au fost o parte omniprezentă a vieții de zeci de ani, dar câți dintre noi știm cum funcționează?
Sub exteriorul lor simplu, un mecanism simplu
O baterie alcalină tipică va fi cunoscută multor oameni, cel puțin din exterior. În general închisă într-un cilindru metalic, bateria are două capete marcate ca + (pozitiv) și - (negativ). Cele două capete ale unei baterii sunt terminale, conectate la electrozi din interiorul bateriei: capătul pozitiv se conectează la un catod, în timp ce capătul negativ se conectează la un anod. Un separator din interiorul bateriei îi împiedică pe cei doi să se atingă, permițând în același timp curentului electric să circule între ele. Între cele două capete se află o pastă de electroliți, o substanță care permite fluxul de curent electric.
Electronii doresc în mod natural să curgă de la capătul negativ (unde există exces de electroni) la capătul pozitiv (unde există spații deschise pentru electroni), totuși nu pot face acest lucru deoarece separatorul le blochează calea. Prin conectarea capetelor pozitive și negative ale petrecerii, se formează un circuit care permite curgerea electrică să curgă.
Când o baterie este conectată la un dispozitiv, cum ar fi o lanternă sau o telecomandă, se stabilește un circuit și apar reacții chimice în anod și catod. În anod, are loc o reacție de oxidare, în care ionii se combină cu anodul și eliberează electroni. În catod, are loc o reacție de reducere, cu ioni și electroni care formează compuși. În aceste reacții de reducere a oxidării, electronii curg de la anodul încărcat negativ la catodul încărcat pozitiv.
Într-o baterie alcalină, anodul este fabricat din zinc, în timp ce catodul este dioxid de mangan. Electrozii acestor baterii se erodează în timp. Bateriile reîncărcabile sunt fabricate de obicei din litiu-ion. Când este conectat la reîncărcare, fluxul de energie electrică se inversează, revenind anodul și catodul la stările lor inițiale.
O scurtă istorie a bateriilor
Cel mai vechi obiect care seamănă cu o baterie ar fi putut fi construit încă din secolul al III-lea d.Hr., sub formă de vase de lut descoperite în 1938 de un pictor german, Wilhelm König, lângă Bagdad. În interiorul fiecărei oale era o tijă de fier înfășurată într-o foaie de cupru. În borcane era suficient spațiu pentru a conține un fel de soluție de electroliți, așa că König credea că vasele sunt celule galvanice, posibil folosite de locuitorii Imperiului Sasanian pentru galvanizare, procesul de utilizare a unui curent electric pentru a produce o acoperire metalică.
Destul de sigur, experimentele care vizează recrearea acestor dispozitive (inclusiv unul al spectacolului popular MythBusters) au descoperit că proiectarea poate produce o tensiune mică, suficient de mare pentru galvanizare. În ciuda acestui fapt, cei mai mulți arheologi cred astăzi că ghivecele nu au fost folosite ca baterii în perioada în care au fost construite, ci mai degrabă ca vase de depozitare a sulurilor sacre. Acoperirile metalice din perioada în care au fost construite borcanele au fost realizate printr-un proces de aurire la foc, astfel încât teoria galvanizării lui König pare fragilă. Indiferent de scopul pentru care au fost proiectate bateriile din Bagdad, acestea sunt cel puțin o curiozitate interesantă, proto-baterii involuntare construite cu mult înainte ca oamenii de știință să ajungă să înțeleagă mai bine curenții electrici.
Prima baterie adevărată a fost construită în 1800 de Alessandro Volta. În zilele sale de profesor la Universitatea din Pavia, Volta a lucrat cu Luigi Galvani, un biolog care a descoperit în timp ce diseca o broască că, atunci când bisturiul său atingea cârligul de alamă care ținea broasca în sus, picioarele i se contracarau. Galvani (care ar inspira cuvântul „galvaniza”) credea că aceasta era dovada unei forțe electrice care animă viața, pe care a numit-o „electricitate animală”. Volta a reprodus experimentul lui Galvani, dar a ajuns la o concluzie diferită: conexiunea dintre bisturiul metalic și cârlig, nu forța vieții broaștei, a produs un curent electric.
Cercetările lui Volta l-au determinat să creeze grămada voltaică, stivuind discuri de zinc și argint, cu carton îmbibat în apă sărată între ele. Conectând discul de sus și de jos cu un fir, Volta a reușit să producă un curent electric și să pună bazele viitoarelor baterii. În cinstea activității lui Volta, unitatea de măsură pentru potențialul electric este cunoscută sub numele de volt.
Bateria așa cum o cunoaștem astăzi este o invenție relativ recentă. Lucrând pentru Union Carbide pe linia de baterii Eveready în anii 1950, inginerului Lewis Urry i s-a dat ceea ce pare astăzi o sarcină remarcabil de banală: fabricarea bateriilor de mai multă durată pentru jucării. În loc să îmbunătățească designul existent așa cum se așteptau șefii săi, Urry a decis să creeze o baterie nouă și, în cele din urmă, se hotărăște să folosească un amestec de dioxid de mangan și zinc pudră. Astfel, Urry a creat bateria alcalină modernă, capabilă să alimenteze dispozitivele exponențial mai mult decât bateriile comerciale anterioare. Deși primele baterii alcaline au apărut pe piață în 1959, îmbunătățirile frecvente le-au menținut viabile chiar și în zilele noastre.
