10.6.1. Батареи

Магнетизм, как вы помните из уроков физики, могучая сила, которая заставляет разные предметы прилипать к холодильникам.

Вы (также Дэйв Барри)

Что это

Способ генерировать и запасать электрический ток.

До того как были изобретены

Если вам требовался переносной источник энергии, то вы должны были таскать с собой электрического угря[111], а их нельзя назвать особенно практичными и предсказуемыми источниками электричества.

Изобретены

1745 н. э. (первые «батареи», запасавшие атмосферное электричество);

1800 н. э. (первые химические батареи, способные давать ток).

Предпосылки

Металл (для проводов, медь очень пластична, и из нее делать провода легче всего), металл (для батарей, медь или серебро для одного конца и железо или цинк для другого).

Как изобрести

Понять, что такое батарея, можно, только поняв, что такое электричество, а его невозможно постичь, не имея представления о магнетизме. Люди раньше думали, что электричество и магнетизм – два разных явления, но затем обнаружили, что они так тесно связаны, что невозможно иметь дело с одним, не затрагивая другое, так что возник термин «электромагнетизм».

Открытие и введение электричества в использование привели ко второй промышленной революции, ну а та (во второй раз) заставила человечество пересмотреть свой способ жизни. До нее людям приходилось либо жить рядом с источником топлива (леса – деревья, шахты – уголь, реки – водяные мельницы), либо дорого платить, чтобы это топливо к ним доставляли. После стало возможным переправлять энергию через целую страну со скоростью от 50 до 99 % скорости света[112], и люди смогли жить с комфортом всюду, куда дотягиваются провода.

Вкратце власть над электромагнетизмом позволит вашей цивилизации распространиться за пределы речных долин и окрестностей шахт, завоевать континенты, планету и само время[113]!

А теперь мы расскажем, как это сделать!

Электричество есть движение заряженных частиц, обычно электронов (и вы можете найти больше информации об этих плохих парнях в разделе 11). Электроны обладают отрицательным зарядом, так что нечто с большим количеством электронов будет заряжено отрицательно, а любой материал, теряющий электроны, получает заряд положительный. Помните: одинаково заряженные частицы отталкивают друг друга, частицы с противоположным зарядом притягивают друг друга.

Некоторые материалы легко пропускают через себя электроны (их именуют «проводниками», и к ним относятся металлы вроде меди, железа, серебра или цинка), некоторые сопротивляются прохождению электрического тока (их называют «изоляторами», в качестве примеров можно назвать стекло, резину и дерево). Но при нормальных обстоятельствах движение электронов в проводнике хаотично, и, чтобы генерировать электричество, вам нужно каким-то образом сделать его упорядоченным.

Мы называем это электрической цепью, поскольку электроны движутся по петле, и вы столь значительны, что собираетесь изобрести первую электрическую цепь и первую батарейку одновременно.

Батареи на самом деле легко придумать, если у вас есть металл, так что – снова это слово – озадачивающим выглядит тот факт, что они появились у нас только в XIX веке н. э. Они превращают энергию химических реакций в электрическую и работают благодаря процессу взаимодействия между двумя металлами.

Два любых металла имеют разное сродство с электронами, так что, если вы поместите их в проводящий раствор, начнется химическая реакция обмена этими электронами. Проводящий материал называют «электролитом», и в его роли могут выступать многие вещества: кислота, соленая вода или даже вполне себе вкусный картофель. Многие соли, щелочи и кислоты прекрасно справляются с этой работой, и вы можете сделать серную кислоту, особенно хороший электролит, используя сведения из приложения С.

Металл, которому требуется больше электронов, будет оттягивать их у другого, получая отрицательный заряд, в то время как второй обзаводится зарядом положительным (куски металла в батарее именуют контактами). Отрицательно заряженные электроны, собираясь вокруг жаждущего их контакта, будут отталкивать друг друга, так что если вы соедините этот электрод с положительно заряженным посредством провода, то электроны будут избегать столпотворения, двигаясь по проводу в сторону положительного контакта.

Хей, вот вы и устроили все так, что электроны движутся в одном направлении! Дружище, вы только что сделали электричество[114]!

Вы используете его для изобретения электрического освещения, электрического отопления, электроплит, электродвигателей и много чего еще – через несколько параграфов, – но пока не суетитесь, поскольку мы еще не вполне закончили с вашей новой батарейкой. Она использует химическую реакцию для генерации энергии, но реакция в конечном счете закончится, и ваша батарея умрет.

Не хотите ли изобрести перезаряжаемую батарею прямо сегодня же?

Почему нет, верно?

Свинцово-кислотные батареи, придуманные в 1859 н. э., во всем похожи на штуковину с двумя контактами, только что вами изобретенную, разве что там использовались контакты на основе свинца, погруженные в смесь воды и серной кислоты в пропорции три к одному. Один контакт – чистый свинец, второй – диоксид свинца. Вещества эти реагируют с серной кислотой так, что на обоих контактах получается сульфат свинца, но эта реакция требует, чтобы оба контакта обменивались электронами. Поэтому, когда вы соединяете их проводом, вы создаете на проводе электрический ток, который течет, пока идет реакция.

Но важно то, что когда вы разворачиваете реакцию и подаете электричество на батарею, то процесс идет вспять: сульфат свинца распадается в электролит, и вы восстанавливаете два контакта, из чистого свинца с одной стороны, из диоксида свинца – с другой. Подобная обратимость реакции означает, что вы можете эффективно запасать энергию для будущего использования[115]!

Так что теперь у нас есть батареи, способные генерировать электрич ество, и другие батареи, которые в состоянии резво запасать уже существующее электричество. Несомненно, батареи прекрасная штука для экспериментов и для того, чтобы обеспечивать работу портативных музыкальных плееров последней модели, но печальный факт состоит в том, что на батареях цивилизацию не построишь!

Цивилизацию можно основать на устройстве, которое не требует добывать определенные металлы или синтезировать конкретные кислоты. Другими словами, опорой цивилизации могут стать электрические генераторы, известные также как электростанции. И хорошая новость состоит в том, что если вы уже поработали над водяными мельницами, ветряными или турбинами, то вы почти изобрели электростанцию.