Удивительная физика

Сколько вольт в вольтовом столбе?

В XVIII в. с подачи профессора Л. Гальвани считали, что мышцы животных вырабатывают электричество. Лапка лягушки, подвешенная на медном проводе, как мы уже знаем, дергается, когда прикасается к железным перилам. Дескать, цепь замыкается и «животное» электричество делает свое дело.

Итальянский ученый Аллесандро Вольта (1745—1827) не согласился с этим и доказал, что электричество здесь получается из-за контакта двух разных металлов. Лапка лягушки служит лишь чувствительным прибором для обнаружения этого электричества.

В 1799 г. Вольта изготовил первую электрическую батарею, названную Вольтовым столбом. Столб этот (рис. 318) состоял из серебряных (позже замененных на дешевую медь) и цинковых пластинок, нанизанных на непроводящий стержень; между пластинками были прокладки, смоченные слабой серной кислотой. Первую и последнюю пластинку соединили с проводами – и первая в мире батарейка готова!

Каждая пара пластинок давала 1,1 В. Если, к примеру, в батарее таких пар было 100, то напряжение составляло 110 В, и от него вполне можно было получить вольтову дугу, если замкнуть батарею на два угольных электрода (рис. 319).

Дело было сделано: Вольта доказал, что различные металлы, соединенные через проводящий электролит (прокладки в кислоте), дают электрический ток.

В честь Вольта единица напряжения тока и названа вольтом. А в честь Гальвани, хоть он и ошибался, все источники электричества, подобные описанному, стали называть гальваническими элементами. При этом к созданию гальванических элементов Гальвани не имел никакого отношения!

В действительности оказалось, что Гальвани не так уж и ошибался – живые ткани все-таки вырабатывают электричество, но чрезвычайно малой мощности. Возьмитесь руками за контакты точного прибора (гальванометра), и он покажет наличие у вас «животного» электричества.

Несложно самому соорудить что-то вроде вольтова столба: собрать медные и «белые» монеты в столбик, проложив их кусочками бумаги, затем залить все «рассолом» из обычной соли и закатать герметично в полиэтилен. И от такого вольтова столба длиной около 10 см стенные часы могут идти несколько лет.

После открытия вольтова столба Вольта стал знаменит во всем мире. В Париже его принял Наполеон Бонапарт, вручил орден, пожаловал звание графа и должность сенатора.

А между тем новое – это хорошо забытое старое, так как гальванические элементы, подобные элементу Вольты, существовали несколько тысяч лет назад, и найдены они были при раскопках близ Багдада немецким археологом В. Кенигом еще до второй мировой войны. В своей книге «Затерянный рай» он отметил, что найденный им глиняный глазурованный сосуд с находившимися внутри него медным цилиндром и железным стержнем есть не что иное, как гальванический элемент (рис. 320). В дальнейшем такие сосуды находили в большом количестве. Определили, что заливались они уксусом, а герметизировались битумом. Реставрировали батарейку, залили уксусом – получили ток! Использовали такие батарейки в древности, по-видимому, для гальванического золочения мелких серебряных украшений.

Но Вольта не мог знать об этих гораздо более поздних находках и, как это уже часто бывало в науке и технике, сделал открытие заново, чем дал толчок к целой лавине изысканий в области гальванических элементов, которые активно продолжаются и сейчас.

Почти все гальванические элементы должны содержать жидкий электролит: раствор серной кислоты, как в элементе Вольта, или уксус, как в древней батарейке. Это очень неудобно: представьте себе, что мы в наручных часах или в мобильном телефоне носим банку с кислотой, которая при неудачном ударе бьется. Уж куда удобнее иметь небьющуюся емкость с непроливающимся содержимым. Вольта в своем столбе добился этого лишь временно – прокладки между пластинами высыхали, их приходилось смачивать снова.

И был еще один недостаток у элемента Вольта – он очень быстро «уставал» – начинал давать токи все более низких величин. Причина крылась в том, что медные пластины покрывались пузырьками водорода, который выделялся при работе элемента, и активная поверхность металла сильно уменьшалась.

Чтобы устранить это явление, француз Лекланше придумал элемент, который служит нам до сих пор. В цинковую гильзу помещается электролит – раствор нашатыря (хлористого аммония, который используют для пайки), туда же опущен угольный стержень, обмотанный марлей с перекисью марганца в ней. Таким образом, угольный стержень хоть и находится в электролите, но последний проникает к нему только через слой перекиси марганца, который и поглощает водород, выделяющийся на угольном электроде. В результате элемент Лекланше почти «не устает» до самого конца срока действия.

Остается добавить, что электролит в современных элементах Лекланше не жидкий, а в виде пасты или густого киселя. Тогда даже при повреждении корпуса (что, кстати, часто бывает при истощении элемента и сильном утончении цинковой гильзы) жидкость не вытекает. Такие «сухие» батарейки (рис. 321) продаются и сегодня, хотя есть гораздо более емкие, но и более дорогие элементы.

Эти емкие и дорогие элементы бывают двух видов. Первый – это миниатюрные «кнопки» для часов и приборов, где больше всего ценится срок службы и герметичность, такие сегодня в большом количестве можно видеть в магазинах. А второй вид, который в магазинах так просто не встретишь, – металл-воздушные системы.

Это в основном мощные батареи, которые могут быть использованы даже для движения автомобиля. В них металл – цинк или алюминий – окисляется кислородом воздуха, который продувается через батарею. За счет окисления металла вырабатывается энергия. Израсходованные металлические части заменяют новыми, и батарея снова работает. Металл, таким образом, является в них топливом. Поэтому элементы, сжигающие, или, правильнее, окисляющие, металлы, да и не только металлы, но и топливо, и за счет этого вырабатывающие электроэнергию, называются топливными элементами. За ними – большое будущее!

Как накопить электроэнергию?

Можно ли «оживить» истощенную батарейку? Некоторые умельцы знают, как сделать это: через разряженную сухую батарейку особыми импульсами пропускают ток. Эту операцию порой проделывают по нескольку раз. Однако она ненадолго восстанавливает элемент.

Постойте, постойте! Как бы там ни было, получается, что гальванический элемент – тот же аккумулятор! Заряжая его электрическим током, восстанавливая, мы накапливаем в нем электроэнергию, которую затем расходуем. Так ли это?

Оказывается, и так и нет. Прежде всего, не каждый элемент можно подзарядить. Нельзя это сделать, например, с элементом, в котором присутствуют два жидких электролита. Таков, например, элемент Даниэля, где две разные жидкости разделены пористым стаканчиком. Постепенно просачиваясь через стаканчик, электролиты смешиваются, реагируют друг с другом и выделяют ток. Этот элемент, если он уже отработал свой срок, не восстановить.

Другие элементы с твердыми электродами в принципе подзаряжаются, накапливают энергию, но процесс накопления так неэкономичен и неэффективен, что многие считают его излишним. Накапливается только ничтожная часть поданной на элемент электроэнергии, а сам элемент после нескольких таких зарядок разрушается. Чтобы стать хорошим накопителем, гальванический элемент должен достаточно хорошо переносить процесс зарядки. Этого наконец удалось добиться в середине XIX в.