Pin được phát minh khi nào?

Một trong những khám phá đáng chú ý và mới lạ nhất trong 400 năm qua là điện. Chúng ta có thể hỏi, "Điện đã tồn tại lâu như vậy sao?" Câu trả lời là có, và có lẽ còn lâu hơn nữa. Việc sử dụng thực tế của nó chỉ có thể thực hiện được từ giữa đến cuối những năm 1800, và lúc đầu chỉ ở mức hạn chế. Một số công trình công cộng sớm nhất thu hút sự chú ý là đèn đường ở Berlin năm 1882, thắp sáng Hội chợ Thế giới Chicago năm 1893 bằng 250.000 bóng đèn và chiếu sáng một cây cầu bắc qua sông Seine trong Hội chợ Thế giới Paris năm 1900. Cùng tìm hiểu pin được phát minh khi nào cùng Interlift dưới đây. 

Việc sử dụng điện có thể đã có từ lâu hơn nữa. Trong khi xây dựng một tuyến đường sắt vào năm 1936 gần Baghdad, các công nhân đã phát hiện ra thứ có vẻ là một cục pin thời tiền sử, còn được gọi là Cục pin Parthia. Vật thể này có niên đại từ thời đế chế Parthia và được cho là đã 2.000 năm tuổi. Cục pin bao gồm một bình đất sét chứa đầy dung dịch giấm, trong đó một thanh sắt được bao quanh bởi một xi lanh đồng được lắp vào. Thiết bị này tạo ra điện áp từ 1,1 đến 2,0 vôn. Hình 1 minh họa Cục pin Parthia.

Hình 1: Pin Parthia.
Một bình đất sét đựng pin thời tiền sử chứa một thanh sắt được bao quanh bởi một xi lanh đồng.

Khi đổ đầy giấm hoặc dung dịch điện phân, bình sẽ tạo ra 1,1 đến 2 vôn.
Không phải tất cả các nhà khoa học đều chấp nhận Pin Parthia là nguồn năng lượng. Có khả năng thiết bị này được sử dụng để mạ điện, thêm một lớp vàng hoặc các kim loại quý khác vào bề mặt. Người Ai Cập được cho là đã mạ điện antimon lên đồng cách đây hơn 4.300 năm. Bằng chứng khảo cổ học cho thấy người Babylon là những người đầu tiên khám phá và sử dụng kỹ thuật mạ điện trong sản xuất đồ trang sức bằng cách sử dụng chất điện phân có nguồn gốc từ nước ép nho để mạ vàng đồ đá. Người Parthia, những người cai trị Baghdad (khoảng năm 250 trước Công nguyên), có thể đã sử dụng pin để mạ bạc.

Một trong những phương pháp sớm nhất để tạo ra điện trong thời hiện đại là tạo ra điện tích tĩnh. Năm 1660, Otto von Guericke đã chế tạo một máy điện sử dụng một quả cầu lưu huỳnh lớn, khi cọ xát và xoay, quả cầu này sẽ thu hút lông vũ và những mảnh giấy nhỏ. Guericke đã có thể chứng minh rằng các tia lửa được tạo ra có bản chất là điện.

Năm 1744, Ewald Georg von Kleist đã phát triển bình Leyden lưu trữ điện tích tĩnh trong bình thủy tinh được lót bằng lá kim loại ở bên trong và bên ngoài bình. Nhiều nhà khoa học, bao gồm Peter van Musschenbroek, giáo sư tại Leiden, Hà Lan, nghĩ rằng điện giống như một chất lỏng có thể được giữ lại trong một chai. Họ không biết rằng hai lá kim loại tạo thành một tụ điện. Khi được tích điện với điện áp cao, bình Leyden đã gây ra cho các quý ông một cú sốc mạnh không thể giải thích được khi họ chạm vào lá kim loại.

Ứng dụng thực tế đầu tiên của tĩnh điện là "súng điện" do Alessandro Volta (1745–1827) phát minh ra. Ông nghĩ đến việc cung cấp thông tin liên lạc đường dài, mặc dù chỉ là một bit Boolean. Một sợi dây sắt được đỡ bằng các cột gỗ sẽ được căng từ Como đến Milan, Ý. Ở đầu nhận, sợi dây sẽ kết thúc trong một lọ chứa đầy khí mê-tan. Để báo hiệu một sự kiện được mã hóa, một tia lửa điện sẽ được gửi qua dây để kích nổ lọ. Đường liên lạc này chưa bao giờ được xây dựng. Hình 2 cho thấy bản vẽ bằng bút chì của Alessandro Volta.

Hình 2: Alessandro Volta, nhà phát minh ra pin điện.
Phát hiện của Volta về sự phân hủy nước bằng dòng điện đã đặt nền tảng cho điện hóa học.
Năm 1791, khi đang làm việc tại Đại học Bologna, Luigi Galvani đã phát hiện ra rằng cơ của một con ếch sẽ co lại khi chạm vào một vật kim loại. Hiện tượng này được gọi là điện động vật. Được thúc đẩy bởi những thí nghiệm này, Volta đã khởi xướng một loạt các thí nghiệm sử dụng kẽm, chì, thiếc và sắt làm các tấm dương (cực âm); và đồng, bạc, vàng và than chì làm các tấm âm (cực dương). Sự quan tâm đến điện galvanic sớm trở nên phổ biến.

Pin đầu tiên

Volta phát hiện ra vào năm 1800 rằng một số chất lỏng nhất định sẽ tạo ra dòng điện liên tục khi được sử dụng làm chất dẫn điện. Phát hiện này dẫn đến việc phát minh ra pin volta đầu tiên, thường được gọi là pin . Volta đã tìm hiểu thêm rằng điện áp sẽ tăng lên khi các pin volta được xếp chồng lên nhau. Hình 3.1 và 3.2 minh họa kết nối nối tiếp như vậy.

Hình 3.1: Thí nghiệm của Volta với pin điện năm 1796.
Kim loại bạc (A) và kẽm (Z) được nhúng vào cốc chứa đầy chất điện phân và được mắc nối tiếp.

Hình 3.2: Thí nghiệm của Volta với pin điện năm 1796.
Các điện cực bạc và kẽm được mắc nối tiếp, ngăn cách bằng giấy thấm chất điện phân.

Thí nghiệm của Volta với pin điện vào năm 1796

Các kim loại trong pin có ái lực electron khác nhau. Volta nhận thấy rằng thế điện áp của các kim loại không giống nhau trở nên mạnh hơn khi các số ái lực di chuyển xa hơn. Số đầu tiên trong các kim loại được liệt kê dưới đây thể hiện ái lực thu hút electron; số thứ hai là trạng thái oxy hóa.

• Kẽm = 1,6 / -0,76 V
• Chì = 1,9 / -0,13 V
• Thiếc = 1,8 / -1,07 V
• Sắt = 1,8 / -0,04 V
• Đồng = 1,9 / 0,159 V
• Bạc = 1,9 / 1,98 V
• Vàng = 2,4 / 1,83 V
• Cacbon = 2,5 / 0,13 V

Kim loại quyết định điện áp của pin; chúng được tách ra bằng giấy ẩm ngâm trong nước muối.

Cùng năm đó, Volta đã công bố phát hiện của mình về nguồn điện liên tục cho Hội Hoàng gia London. Các thí nghiệm không còn giới hạn ở việc trình diễn tia lửa điện ngắn ngủi kéo dài một phần giây nữa; giờ đây, một luồng điện vô tận dường như có thể thực hiện được.

Pháp là một trong những quốc gia đầu tiên chính thức công nhận những khám phá của Volta. Đây là thời điểm Pháp đang tiến gần đến đỉnh cao của những tiến bộ khoa học. Những ý tưởng mới được chào đón nồng nhiệt vì chúng giúp hỗ trợ chương trình nghị sự chính trị của đất nước. Trong một loạt bài giảng, Volta đã phát biểu tại Viện Pháp. Napoleon Bonaparte đã tham gia vào các thí nghiệm, lấy tia lửa từ pin, làm tan chảy một sợi dây thép, xả một khẩu súng lục điện và phân hủy nước thành các nguyên tố của nó (xem Hình 4 ).

Hình 4: Các thí nghiệm của Volta tại Viện Pháp.
Những khám phá của Volta đã gây ấn tượng mạnh mẽ với thế giới đến nỗi vào tháng 11 năm 1800, Viện Pháp đã mời ông đến thuyết trình tại các sự kiện có sự tham gia của Napoleon Bonaparte. Napoleon đã hỗ trợ các thí nghiệm, thu tia lửa từ pin, làm tan chảy một sợi dây thép, xả điện một khẩu súng lục và phân hủy nước thành các nguyên tố của nó.
Năm 1800, Sir Humphry Davy , nhà phát minh ra đèn an toàn cho thợ mỏ, bắt đầu thử nghiệm các tác động hóa học của điện và phát hiện ra rằng sự phân hủy xảy ra khi truyền dòng điện qua các chất. Quá trình này sau đó được gọi là điện phân .
Ông đã có những khám phá mới bằng cách lắp đặt pin điện lớn nhất và mạnh nhất thế giới trong hầm của Viện Hoàng gia London, kết nối pin với các điện cực than đã tạo ra ánh sáng điện đầu tiên. Các nhân chứng đã báo cáo rằng đèn hồ quang volta của ông tạo ra "vòm ánh sáng hướng lên rực rỡ nhất từng thấy".

Năm 1802, William Cruickshank đã thiết kế pin điện đầu tiên để sản xuất hàng loạt. Ông sắp xếp các tấm đồng vuông với các tấm kẽm có kích thước bằng nhau vào một hộp gỗ hình chữ nhật dài và hàn lại với nhau. Các rãnh trong hộp giữ các tấm kim loại ở đúng vị trí. Sau đó, hộp kín được đổ đầy chất điện phân là nước muối hoặc axit loãng. Điều này giống với pin ngập nước vẫn còn tồn tại cho đến ngày nay. Hình 5 minh họa xưởng sản xuất pin của ông.

Hình 5: Cruickshank và pin ngập nước đầu tiên.
William Cruickshank, một nhà hóa học người Anh, đã chế tạo một pin điện bằng cách ghép các tấm kẽm và đồng vào một hộp gỗ chứa đầy dung dịch điện phân. Thiết kế ngập nước này có ưu điểm là không bị khô khi sử dụng và cung cấp nhiều năng lượng hơn so với cách sắp xếp đĩa của Volta.

Phát minh ra pin sạc

Năm 1836, John F. Daniell , một nhà hóa học người Anh, đã phát triển một loại pin cải tiến tạo ra dòng điện ổn định hơn so với những nỗ lực trước đó để lưu trữ năng lượng điện. Năm 1859, bác sĩ người Pháp Gaston Planté đã phát minh ra loại pin sạc đầu tiên dựa trên axit chì, một hệ thống vẫn được sử dụng cho đến ngày nay. Cho đến lúc đó, tất cả các loại pin đều là pin sơ cấp, nghĩa là chúng không thể sạc lại được.

Năm 1899, Waldmar Jungner người Thụy Điển đã phát minh ra pin niken-cadmium (NiCd) sử dụng niken làm điện cực dương (cathode) và cadmium làm điện cực âm (anode). Chi phí vật liệu cao so với chì đã hạn chế việc sử dụng pin này. Hai năm sau, Thomas Edison đã thay thế cadmium bằng sắt và pin này được gọi là niken-sắt (NiFe). Năng lượng riêng thấp, hiệu suất kém ở nhiệt độ thấp và khả năng tự phóng điện cao đã hạn chế sự thành công của pin niken-sắt. Mãi đến năm 1932, Schlecht và Ackermann mới đạt được dòng điện tải cao hơn và cải thiện tuổi thọ của NiCd bằng cách phát minh ra tấm cực thiêu kết. Năm 1947, Georg Neumann đã thành công trong việc niêm phong cell pin.

Trong nhiều năm, NiCd là loại pin sạc duy nhất cho các ứng dụng di động. Vào những năm 1990, các nhà môi trường học ở Châu Âu đã lo ngại về tác hại khi NiCd bị thải bỏ một cách bất cẩn. Chỉ thị về pin 2006/66/EC hiện hạn chế việc bán pin NiCd tại Liên minh Châu Âu ngoại trừ mục đích sử dụng công nghiệp đặc biệt mà không có loại pin thay thế nào phù hợp. Loại pin thay thế là niken-kim loại-hydrua (NiMH), một loại pin thân thiện với môi trường hơn, tương tự như NiCd.

Hầu hết các hoạt động nghiên cứu hiện nay đều xoay quanh việc cải thiện các hệ thống dựa trên lithium , lần đầu tiên được Sony thương mại hóa vào năm 1991. Bên cạnh việc cung cấp năng lượng cho điện thoại di động, máy tính xách tay, máy ảnh kỹ thuật số, dụng cụ điện và thiết bị y tế, Li-ion cũng được sử dụng cho xe điện và vệ tinh . Pin có một số lợi ích, đáng chú ý nhất là năng lượng riêng cao, sạc đơn giản, bảo trì thấp và thân thiện với môi trường.

Điện qua từ tính
Tạo ra điện thông qua từ tính xuất hiện khá muộn. Năm 1820, André-Marie Ampère (1775–1836) nhận thấy rằng các dây dẫn điện đôi khi bị hút vào nhau, và đôi khi lại bị đẩy ra. Năm 1831, Michael Faraday (1791–1867) đã chứng minh cách một đĩa đồng cung cấp dòng điện liên tục trong khi quay trong từ trường mạnh. Faraday, hỗ trợ Humphry Davy và nhóm nghiên cứu của ông, đã thành công trong việc tạo ra lực điện vô tận miễn là chuyển động giữa cuộn dây và nam châm vẫn tiếp tục. Điều này dẫn đến việc phát minh ra máy phát điện, cũng như động cơ điện bằng cách đảo ngược quá trình.

Ngay sau đó, máy biến áp đã được phát triển để chuyển đổi dòng điện xoay chiều (AC) thành bất kỳ điện áp mong muốn nào. Năm 1833, Faraday đã thiết lập nền tảng của điện từ học mà định luật Faraday dựa trên. Nó liên quan đến điện từ học được tìm thấy trong máy biến áp, cuộn cảm và nhiều loại động cơ điện và máy phát điện. Khi mối quan hệ với từ tính được hiểu rõ, các máy phát điện lớn đã được chế tạo để tạo ra dòng điện ổn định. Động cơ sau đó cho phép chuyển động cơ học và bóng đèn của Thomas Edison dường như đã chinh phục được bóng tối.

Các nhà máy điện đầu tiên sản xuất dòng điện một chiều (DC) với giới hạn phân phối là 3km (~2 dặm) từ nhà máy. Vào khoảng năm 1886, Công ty Điện lực Thác Niagara (NFPC) đã đưa ra mức giá 100.000 đô la cho một phương pháp truyền tải điện trên một khoảng cách xa. Sau nhiều tranh cãi và các đề xuất không thành công, những bộ óc thông minh nhất thế giới đã họp tại London, Anh và giải thưởng đã được trao cho Nikola Tesla (1856–1943), một người nhập cư Serbia đã tạo ra hệ thống truyền tải AC. NRPC với Tesla là cố vấn đã xây dựng một hệ thống AC nhiều pha, cung cấp điện từ nhà máy điện Niagara mới đến tận Buffalo, New York.

Hình 6: Nikola Tesla (1856–1943).
Nhà vật lý, nhà phát minh và kỹ sư người Mỹ gốc Serbia nổi tiếng nhất với hệ thống cung cấp dòng điện xoay chiều và từ trường quay.

Hệ thống DC chạy bằng điện áp thấp và cần dây nặng; AC có thể được chuyển đổi thành điện áp cao hơn để truyền qua dây nhẹ và sau đó giảm xuống để sử dụng. Những người lớn tuổi ủng hộ DC trong khi những thiên tài trẻ tuổi lại hướng đến AC. Thomas Edison phản đối AC, lấy lý do là nguy cơ bị điện giật.

Sự bất đồng vẫn tiếp diễn, nhưng AC đã trở thành chuẩn mực được chấp nhận và cũng được châu Âu ủng hộ. George Westinghouse, một nhà phát minh và nhà sản xuất người Mỹ, đã bắt đầu phát triển hệ thống Tesla khiến Thomas Edison không hài lòng.

Khiến mọi người kinh ngạc, nguồn điện xoay chiều đã thắp sáng Hội chợ Thế giới Chicago năm 1893 ( Hình 7 ). Sau đó, Westinghouse đã chế tạo ba máy phát điện lớn để chuyển đổi năng lượng từ Thác Niagara thành điện. Công nghệ xoay chiều ba pha do Tesla phát triển cho phép truyền tải điện năng trên những khoảng cách xa với chi phí thấp. Do đó, điện đã được cung cấp rộng rãi cho nhân loại để cải thiện chất lượng cuộc sống.

Hình 7: 250.000 bóng đèn chiếu sáng Hội chợ Thế giới Chicago năm 1893, còn được gọi là Triển lãm Thế giới Columbia của Chicago. [1]
Sự thành công của đèn điện đã dẫn đến việc xây dựng ba máy phát điện thủy điện lớn tại Thác Niagara.

Viễn thông bằng dây được kéo dọc theo đường sắt chủ yếu được vận hành bằng pin chính cần thay thế thường xuyên. Telex, một phương tiện ban đầu để truyền dữ liệu, là kỹ thuật số ở chỗ pin kích hoạt một loạt rơle. Giá để gửi tin nhắn dựa trên số lần nhấp rơle cần thiết.

Vào giữa những năm 1800, điện báo đã mở ra những nghề nghiệp mới cho những chàng trai trẻ thông minh. Đội ngũ nhân viên vận hành các thiết bị này chuyển sang tầng lớp trung lưu đang phát triển, tách biệt khỏi các nhà máy và hầm mỏ, nơi phải gánh chịu nhiều lao động, bụi bẩn và nguy hiểm. Ông trùm thép Andrew Carnegie nhớ lại những ngày đầu làm người đưa tin điện báo: Alfred Hitchcock bắt đầu sự nghiệp của mình với tư cách là một người ước tính trước khi trở thành một họa sĩ minh họa.

Phát minh ra ống chân không điện tử vào đầu những năm 1900 đã tạo nên bước tiến quan trọng tiếp theo hướng đến công nghệ cao. Nó cho phép tạo ra các bộ dao động tần số, khuếch đại tín hiệu và chuyển mạch kỹ thuật số. Điều này dẫn đến phát thanh vào những năm 1920 và máy tính kỹ thuật số đầu tiên, được gọi là ENIAC, vào năm 1946. Phát minh ra bóng bán dẫn vào năm 1947 đã mở đường cho sự ra đời của mạch tích hợp 10 năm sau đó và bộ vi xử lý mở ra Kỷ nguyên thông tin. Điều này đã thay đổi mãi mãi cách chúng ta sống và làm việc.

Nhân loại đã trở nên phụ thuộc vào điện và với khả năng di chuyển ngày càng tăng, mọi người hướng đến nguồn điện di động liên quan đến pin. Khi pin được cải thiện hơn nữa, nhiều nhiệm vụ hơn sẽ có thể thực hiện được với nguồn điện di động này.