Bateria electrică: de la pila lui Volta la acumulator

Bateria electrică este un dispozitiv care păstrează energie sub formă chimică și o eliberează sub formă de curent electric, atunci când o conectezi la un circuit. Fiecare telecomandă, ceas, telefon sau mașină electrică depinde de un asemenea dispozitiv, iar principiul de bază nu s-a schimbat de două secole: două materiale diferite, aflate într-un mediu care conduce ionii, produc o tensiune electrică.

În articol vezi cum a fost descoperită pila electrică, cum este alcătuită o baterie, ce deosebește bateriile de acumulatori, ce tipuri sunt folosite în aparate și cum le manevrezi în siguranță. Pe parcurs găsești și un experiment simplu, cu o lămâie, pe care îl poți face acasă.

Cum a apărut prima baterie?

Prima baterie practică, numită pila lui Volta, a fost construită de fizicianul italian Alessandro Volta pe la 1800, ca răspuns la experimentele lui Luigi Galvani cu mușchi de broască. Galvani credea că electricitatea vine din țesutul animal, iar Volta a arătat că ea apare la contactul dintre două metale diferite, separate de un mediu umed.

Volta a așezat unul peste altul discuri de zinc și de argint sau cupru, între ele punând pânză înmuiată în apă cu sare sau acid. Cu cât stiva era mai înaltă, cu atât tensiunea creștea. Pentru prima dată oamenii aveau o sursă de curent continuu, constantă, nu doar scântei de scurtă durată. Unitatea de măsură pentru tensiune, voltul, îi poartă numele. Bazele tensiunii și ale curentului sunt prezentate în articolul despre electricitate.

Cum funcționează o baterie?

O baterie funcționează prin reacții chimice care mută electroni de la un electrod la altul prin circuitul exterior. Ea are trei părți principale, plus o carcasă de protecție.

• Anodul, electrodul de la care pleacă electronii în timpul descărcării.
• Catodul, electrodul spre care ajung electronii.
• Electrolitul, un lichid, o pastă sau un gel care conține ioni și permite trecerea sarcinii în interior, dar nu și a electronilor.
• Separatorul, un strat subțire care împiedică atingerea directă a electrozilor.

Când închizi circuitul, o reacție chimică de tip oxido-reducere eliberează electroni la anod. Ei circulă prin firul exterior, aprind un bec sau pornesc un motor, apoi ajung la catod. În acest timp, ionii se mișcă prin electrolit și închid circuitul în interior. Procesul se oprește când reactanții s-au consumat.

Energia pe care o furnizează bateria nu apare din nimic: este energia chimică stocată în materiale, transformată în energie electrică. Acest tip de conversie este un exemplu clasic pentru legea conservării energiei.

Experimentul cu lămâia

Înfige în lămâie un cui zincat și o monedă de cupru, la câțiva centimetri unul de altul. Sucul acid joacă rolul electrolitului. Cu un voltmetru vei măsura o tensiune de ordinul unui volt. Doi sau trei asemenea elemente legate în serie pot face să se aprindă un LED mic. Experimentul arată principiul pilei lui Volta, deși energia obținută este foarte mică.

Care este diferența dintre baterie și acumulator?

Bateria obișnuită, numită element primar, se folosește o singură dată, iar acumulatorul, numit element secundar, poate fi reîncărcat. Diferența vine din reversibilitatea reacției chimice: la acumulator, un curent aplicat din exterior inversează reacția și readuce substanțele la starea inițială.

Acumulatorul cu plumb

Acumulatorul cu plumb și acid a fost inventat de fizicianul francez Gaston Planté în secolul al XIX-lea și este încă folosit la pornirea motoarelor cu ardere internă. Este greu și conține substanțe toxice, dar este ieftin, robust și foarte bine reciclat.

Acumulatorul litiu-ion

Acumulatorul cu litiu-ion funcționează prin deplasarea ionilor de litiu între două straturi de material, în timpul încărcării și descărcării. Are o densitate mare de energie, adică stochează multă energie la o greutate mică, motiv pentru care a devenit alegerea obișnuită pentru telefoane și vehicule electrice. Spre deosebire de unele baterii mai vechi, nu își pierde capacitatea dacă este încărcat parțial.

Cum folosești bateriile în siguranță?

Folosești bateriile în siguranță dacă nu le scurtcircuitezi, nu le deteriorezi și nu le amesteci. Un scurtcircuit apare când cele două borne se unesc direct printr-un conductor, iar curentul foarte mare încinge bateria.

Atenție: bateriile-buton sunt periculoase pentru copii mici, pentru că pot fi înghițite. Dacă se întâmplă, e nevoie de ajutor medical imediat.

• Nu amesteca baterii noi cu vechi sau de tipuri diferite în același aparat.
• Nu încerca să reîncarci o baterie nereîncărcabilă.
• Nu străpunge și nu încălzi o baterie sau un acumulator.
• Scoate bateriile din aparatele pe care nu le folosești mult timp, pentru a evita scurgerile de electrolit.
• Predă bateriile uzate la punctele de colectare, nu la gunoiul obișnuit, pentru că unele conțin metale grele.

Ce rol au bateriile în istoria invențiilor?

Bateriile au permis electricității să devină portabilă. Fără ele, lanterna, radioul portabil, aparatele medicale și, mai târziu, telefoanele mobile ar fi rămas legate de priză. Experimentele timpurii cu pile electrice au dus la descoperiri în chimie, cum ar fi separarea unor elemente prin electroliză, iar în același timp au contribuit la apariția iluminatului electric; lectura despre istoria becului electric arată cât de mult a contat sursa de curent.

Pentru o imagine de ansamblu a descoperirilor care au schimbat viața de zi cu zi, vezi lista invențiilor care au schimbat lumea. Iar dacă te întrebi cum se leagă bateriile de materia care le alcătuiește, articolul despre atom explică de unde vin electronii care circulă prin fir.