Μπαταρία: η «καρδιά» κάθε φορητής συσκευής

Απαραίτητη προϋπόθεση για να λειτουργήσει μια ηλεκτρική συσκευή είναι η παροχή ηλεκτρικής ενέργειας. Αν δεν υπάρχει πρόβλημα μεγέθους, τότε μπορούμε απλά να βάλουμε τη συσκευή στην πρίζα. Αν όμως η συσκευή μας είναι φορητή, τότε χρειαζόμαστε μπαταρία. Το έξυπνο κινητό τηλέφωνό μας είναι εφοδιασμένο με μια επαναφορτιζόμενη μπαταρία υψηλότατης απόδοσης, μακρινό απόγονο της πρώτης μπαταρίας, η οποία εφευρέθηκε από τον Ιταλό κόμη Αλεσάνρο Βόλτα στο τέλος του 18ου αιώνα.

Ο Θαλής ο Μιλήσιος είχε ήδη παρατηρήσει από τον 6ο π.Χ. αιώνα την ιδιότητα του κεχριμπαριού να έλκει ελαφρά αντικείμενα, όταν το τρίψουμε με ένα μάλλινο ύφασμα. Την ιδιότητα αυτή την ονόμασε ηλεκτρισμό από το όνομα του κεχριμπαριού στα αρχαία ελληνικά (ήλεκτρο). Για δύο χιλιάδες χρόνια αυτή η ιδιότητα δεν είχε βρει κάποια σημαντική πρακτική εφαρμογή, έως ότου ο Ιταλός κόμης Αλεσάντρο Βόλτα εφηύρε την μπαταρία, και μπήκαμε στην εποχή των εφαρμογών του ηλεκτρικού ρεύματος. Απόγονος της μπαταρίας του Βόλτα είναι η μπαταρία του κινητού τηλεφώνου μας, με τη διαφορά ότι όχι μόνο έχει ασύγκριτα μεγαλύτερη χωρητικότητα για το ίδιο βάρος, αλλά και ότι μπορεί να επαναφορτιστεί για πάρα πολλές φορές, εξασφαλίζοντας έτσι φθηνή και εύχρηστη πηγή ενέργειας. Η ιστορία της μπαταρίας ξεκινά όταν ο Ιταλός γιατρός Λουίτζι Γκαλβάνι παρατήρησε ότι τα βατραχοπόδαρα συσπώνται όταν τα ακουμπήσει κανείς με ένα μέταλλο.

Ο ίδιος ο Γκαλβάνι νόμισε ότι είχε ανακαλύψει ένα είδος ζωικού ηλεκτρισμού, διαφορετικού από τον μέχρι τότε γνωστό, αλλά ο συμπατριώτης του Βόλτα θεώρησε ότι ο ηλεκτρισμός που προκαλεί τις συσπάσεις προέρχεται από την επαφή του μετάλλου με τα ζωικά υγρά του βατράχου. Ετσι αποφάσισε να κάνει ένα πείραμα, εμβαπτίζοντας δύο ράβδους από διαφορετικά μέταλλα σε αλατόνερο, το οποίο έπαιζε το ρόλο των ζωικών υγρών.

Οταν πλησίαζε το επάνω μέρος των ράβδων παρατηρούσε έναν ασθενικό σπινθήρα μεταξύ των άκρων, απόδειξη της ροής ηλεκτρικού ρεύματος από τη μία ράβδο στην άλλη. Με βάση αυτήν την παρατήρηση ο Βόλτα κατασκεύασε, στα τέλη του 18ου αιώνα, την πρώτη μπαταρία, τοποθετώντας εναλλάξ δίσκους από ψευδάργυρο (τσίγκο) και χαλκό, μεταξύ των οποίων παρεμβάλλονταν δίσκοι από χαρτόνι μουσκεμένο σε αλατόνερο. Στην μπαταρία αυτή, όπως και σε όλες τις άλλες, η ηλεκτρική ενέργεια προέρχεται από τις χημικές αντιδράσεις μεταξύ των δύο μετάλλων (που ονομάζονται ηλεκτρόδια) και του αλατόνερου (που ονομάζεται ηλεκτρολύτης).

Στα χρόνια που ακολούθησαν οι μπαταρίες βελτιώθηκαν εντυπωσιακά, τόσο σε χωρητικότητα όσο και σε διάρκεια λειτουργίας, διατηρούσαν όμως ένα σημαντικό μειονέκτημα. Οταν ένα μεγάλο μέρος των ηλεκτροδίων ή του ηλεκτρολύτη είχε καταναλωθεί από τις χημικές αντιδράσεις, η μπαταρία σταματούσε να λειτουργεί και έπρεπε να αντικατασταθεί με καινούρια. Το 1859 όμως έγινε ένα νέο άλμα με την εφεύρεση της μπαταρίας μολύβδου, η οποία μπορεί να επαναφορτισθεί αν διαβιβάσουμε δια μέσου της ηλεκτρικό ρεύμα με φορά αντίθετη από αυτήν που αναπτύσσεται κατά την εκφόρτισή της. Η μπαταρία αυτή ήταν τόσο πετυχημένη, ώστε χρησιμοποιείται ακόμη και σήμερα στα αυτοκίνητα, έχει όμως μεγάλο βάρος και δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε φορητές συσκευές. Αλλά σηματοδότησε την αρχή μιας ολόκληρης σειράς από επαναφορτιζόμενες μπαταρίες, οι οποίες διαφέρουν μεταξύ τους στο υλικό των ηλεκτροδίων και του ηλεκτρολύτη. Οι πιο συνηθισμένες από αυτές, που χρησιμοποιούνται στα κινητά τηλέφωνα, είναι οι μπαταρίες νικελίου-υδριδίων μετάλλων και οι μπαταρίες ιόντων λιθίου.

Για να επαναφορτίσουμε μια μπαταρία, χρειαζόμαστε μια πηγή ρεύματος. Το ρεύμα αυτό το παίρνουμε από τις πρίζες του σπιτιού μας, οι οποίες με τη σειρά τους τροφοδοτούνται από τις γεννήτριες της ΔΕΗ και των άλλων εταιριών παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος. Οι γεννήτριες αυτές είναι απόγονοι της πρώτης ηλεκτρικής γεννήτριας, η οποία εφευρέθηκε το 1832 από τον Αγγλο Μάικλ Φαραντέι, αυτοδίδακτο φυσικό και καθηγητή στο Βασιλικό Ιδρυμα του Λονδίνου.

Ο Φαραντέι υπήρξε ίσως ο μεγαλύτερος πειραματικός φυσικός όλων των εποχών, και η επιτυχία του αυτή στηρίχθηκε στο ότι του άρεσε να σκέπτεται με αναλογίες. Γνωρίζοντας ότι το ηλεκτρικό ρεύμα παράγει μαγνητικό πεδίο, μετατρέποντας ένα κομμάτι μαλακό σίδερο σε ηλεκτρομαγνήτη, σκέφθηκε πως θα έπρεπε να συμβαίνει και το αντίστροφο, δηλαδή το μαγνητικό πεδίο να παράγει ηλεκτρικό ρεύμα.

Μετά από αποτυχημένες προσπάθειες ενός έτους αντιλήφθηκε ότι το φαινόμενο είναι δυναμικό, δηλαδή για να παραχθεί ηλεκτρικό ρεύμα θα πρέπει το μαγνητικό πεδίο να «κινείται» σε σχέση με τα σύρματα από τα οποία θα περάσει το παραγόμενο ηλεκτρικό ρεύμα. Από την εποχή εκείνη οι ηλεκτρικές γεννήτριες αποτελούνται από μαγνήτες που περιστρέφονται γύρω από ένα άξονα, έτσι ώστε οι μαγνητικές γραμμές των μαγνητών να περνούν διαδοχικά μέσα από πηνία, δηλαδή από σύρματα τυλιγμένα σε κυλινδρικό σχήμα.

Οι πρώτες γεννήτριες εκείνης της εποχής παρήγαγαν συνεχές ρεύμα. Πολύ σύντομα όμως, ως αποτέλεσμα της δουλειάς πολλών μηχανικών, μεταξύ των οποίων και ο Σέρβος μηχανικός Νίκολα Τέσλα, εμφανίστηκαν γεννήτριες εναλλασσόμενου ρεύματος, το οποίο τελικά επικράτησε παγκοσμίως. Το εναλλασσόμενο ρεύμα έχει δύο σημαντικά πλεονεκτήματα σε σχέση με το συνεχές.

Κατά πρώτον έχει σημαντικά μικρότερες απώλειες κατά τη μεταφορά του από το ηλεκτρικό εργοστάσιο στην κατανάλωση και κατά δεύτερον χρειάζεται λιγότερα σύρματα μεταφοράς. Συγκεκριμένα οι περισσότεροι γνωρίζουμε ότι το ηλεκτρικό ρεύμα θερμαίνει τα σύρματα από τα οποία διέρχεται, φαινόμενο που εκμεταλλευόμαστε στις ηλεκτρικές κουζίνες και στα σίδερα του σιδερώματος.

Η παραγόμενη θερμότητα προέρχεται από ισόποση απώλεια της μεταφερόμενης ηλεκτρικής ενέργειας, και είναι ανάλογη με το τετράγωνο της έντασης του ρεύματος. Στην περίπτωση του συνεχούς ρεύματος δεν υπάρχει τρόπος να αποφευχθούν οι θερμικές απώλειες. Αντίθετα, στο εναλλασσόμενο ρεύμα «ανεβάζουμε» την τάση του μεταφερόμενου ρεύματος με τη βοήθεια μετασχηματιστών και μειώνουμε την έντασή του, οπότε μειώνονται σημαντικά οι απώλειες. Επιπλέον στο τριφασικό ρεύμα χρειαζόμαστε μόνο τρία καλώδια μεταφοράς από το εργοστάσιο προς την κατανάλωση, ενώ για την ίδια μεταφορά ενέργειας στο συνεχές ρεύμα θα χρειάζονταν έξι.

Επομένως υπάρχει οικονομία όχι μόνο στην απώλεια ενέργειας αλλά και στο υλικό κατασκευής των καλωδίων! Η τεχνολογία παραγωγής και μεταφοράς της ηλεκτρικής ενέργειας είναι σήμερα κεφαλαιώδους σημασίας, επειδή αυτή η ενέργεια αποτελεί τη βάση του τεχνολογικού πολιτισμού μας.