«Батарейка»Цели урока. Провести исторический обзор создания гальванических элементов, познакомить учащихся с разными типами гальванических элементов, принципами их действия, областями использования; научить схематически изображать гальванические элементы, указывая на схемах катод и анод, направление движения электронов, описывать принципы действия свинцовой аккумуляторной батареи, сухого элемента, никель-кадмиевой батареи, топливного элемента; решать задачи на нахождение количества работы, выполняемой батареей. Исторический обзорВ 1936 г. к немецкому исследователю Вильгельму Кенингу, который работал в Археологическом музее Багдада – столицы Ирака, попал странный предмет (рис. 1).
Его нашли среди руин древнего парфянского поселения неподалеку от Багдада. (Парфяне властвовали здесь, на территории Древней Месопотамии, в 250 г. до н.э. – 224 г. н.э.) Это была невзрачная глиняная ваза высотой примерно 15 см. В ней находился цилиндр из листовой меди со вставленным в него проржавевшим железным стержнем. Все эти детали были залиты смолой, склеивавшей их, – в той местности существовали месторождения асфальта. Кенинг обследовал странный предмет и внезапно понял, что попало ему в руки. Это были остатки электрической батарейки! Стало быть, парфяне уже тогда использовали электрический ток – почти за две тысячи лет до открытий Луиджи Гальвани и Алессандро Вольта. Ведь именно эти ученые считаются изобретателями электрической батарейки. Заключение Кенинга казалось невероятным. И вот тогда за дело взялся египтолог Арне Эггебрехт. Он изготовил точно такие же «вазу», стержень, цилиндр. Наполнил «вазу» винным уксусом и подключил к ней измерительный прибор. Датчик зафиксировал напряжение 0,5 В. Эггебрехт предположил, для чего парфянам мог понадобиться электрический ток. В его коллекции была небольшая серебряная статуэтка египетского бога Осириса, созданная около 400 г. до н.э. Она покрыта необычайно тонким слоем позолоты. Эггебрехт давно уже пытался понять, как древний мастер сумел равномерно покрыть статуэтку золотом. Ученый взял серебряную копию фигурки и погрузил ее в соляной раствор золота. Затем он соединил последовательно 10 батареек, т.е. глиняных «ваз», и подключил этот источник питания к раствору. Всего за несколько часов статуэтка покрылась тонким слоем золота. Остается вопрос: каким образом парфяне открыли электрический ток? Ведь без измерительных приборов напряжение в 0,5 В нельзя обнаружить. Даже крохотная батарейка, которую мы вставляем в электрический фонарик, вырабатывает в три раза большее напряжение. Спустя 18 столетий Гальвани сделал свое открытие по чистой случайности. Однажды, как обычно, он препарировал лягушку и лапки с обнаженными нервами оставил на лабораторном столе. На этом же столе стояла электрофорная машина – прибор для получения электричества. Один из ассистентов Гальвани случайно дотронулся кончиком стального скальпеля до нерва препарированной лапки, и ее мышцы начали интенсивно сокращаться. Произошло это в тот момент, когда на электрофорной машине проскочила искра (рис. 2).
Эстафету исследований принял у Гальвани его соотечественник – физик Вольта. Повторив опыты Гальвани, Вольта вначале полностью разделял теорию «животного» электричества. Однако позже он заметил, что если прикоснуться к препарированной лапке лягушки концами проволоки одного металла, то реакция мышц будет довольно слабой, а если воткнуть две соединенные между собой проволочки из разных металлов, сокращения усилятся. Вольта утвердился в мысли, что электричество возникает при контакте разнородных металлов, а лапка играет роль естественного индикатора электрического тока.
Ученый показал, что индикатором может быть не только лягушачья лапка, но… и язык экспериментатора. Он клал на середину языка золотую или серебряную монету, а кончиком языка прикасался к оловянной или свинцовой пластинке. Как только два металла вступали в контакт с помощью проволоки, сразу же во рту ощущался кислый вкус. Когда он менял металлы местами, во рту чувствовалась горечь, характерная для щелочей. Быть может, древние тоже случайно открыли электричество? А как они поняли, что к батарейке надо подключать провода? Как догадались, что с помощью тока можно осаждать содержащееся в растворе золото? Интересно, а в других странах знали об этом открытии? Как-никак батарейками, наверное, пользовались не одно столетие. Увы, нам об этом ничего не известно. Не сохранилось никаких письменных упоминаний об этом. Нет и новых находок. Лишь этот неприметный музейный экспонат свидетельствует об удивительном открытии, сделанном почти две с половиной тысячи лет назад.
Существование «контактного электричества» навело Вольта на мысль о возможности создания на этом принципе источника тока. Поскольку электродвижущая сила (ЭДС) одной пары соединенных между собой пластинок из разных металлов очень мала, Вольта сделал батарею из нескольких соединенных последовательно пар. Он установил, что ЭДС резко возрастает, если между разнородными металлами находится раствор какой-либо соли. Назвав металлы проводниками I рода, а растворы солей – проводниками II рода, Вольта сформулировал следующий закон: система должна содержать по крайней мере два проводника I рода и разделяющий их проводник II рода. Новый источник тока он назвал гальваническим, в честь своего выдающегося предшественника. В 1799 г. ученый построил вольтов столб, который состоял из кружков серебра, меди и картона, пропитанного раствором калиевой щелочи. Затем Вольта заменил серебряные кружки цинковыми, а картон – сукном. В результате получилась удобная компактная батарея (рис. 3).
Вольта обнаружил, что при сочетании меди и цинка получаются «сильные» элементы, а из меди и серебра – «слабые». Исследовав многие проводники, он расположил их в ряд, известный впоследствии как ряд Вольта (сейчас его называют рядом напряжений). Чем дальше отстоят друг от друга металлы в этом ряду, тем сильнее будет разряд собранного из них источника тока. Гальванические элементы получили широкое применение как удобные источники энергии, одним из важнейших достоинств которых является портативность. Хотя для создания гальванического элемента в принципе подходит любая самопроизвольная окислительно-восстановительная реакция, разработка практически применимого химического элемента на основе какой-либо конкретной окислительно-восстановительной реакции требует большой изобретательности. Во многих лабораториях после открытия Вольта началось состязание в построении самой мощной гальванической батареи. Первыми были англичане. В письме президенту Лондонского королевского общества Джозефу Бэнксу (1743–1820) от 20 марта 1820 г. изобретатель описал различные конструкции гальванических элементов. Бэнкс ознакомил с этим посланием своих коллег, и уже в конце апреля того же года Энтони Карлейль (1768–1840) изготовил вольтов столб из 17 соединенных последовательно цинковых кружочков и монет в полкроны (тогда их чеканили массой 14,1 г из серебра 925-й пробы). Затем число элементов батареи было увеличено до 36. В первых же опытах наблюдалось разложение воды с образованием газов.
Знаменитый английский химик и физик Гемфри Дэви сначала проводил опыты с батареей, подаренной ему самим Вольта, но затем стал изготовлять все более мощные собственные конструкции из медных и цинковых пластинок, разделенных водным раствором аммиака. Если первая его батарея состояла из 60 таких элементов, то выполненная несколько лет спустя – уже из 1000. Еще более грандиозную батарею построил задолго до Дэви русский физик-самоучка Василий Владимирович Петров (1761–1834). Будучи профессором Петербургской медико-хирургической академии, он оборудовал в ней богатый по тем временам физический кабинет, для которого приобрел коллекцию физических приборов. В 1802 г. Петров создал гальваническую батарею, состоящую из 4200 медных и цинковых пластин. Между металлическими кружками диаметром около 4 см находились картонные прокладки, пропитанные раствором хлорида аммония. «Столб Петрова», в отличие от вольтова, располагался горизонтально в сухих узких деревянных ящичках. Батарея состояла из трехметровых рядов, соединенных последовательно медными скобами. Теоретически подобное устройство из 2100 медно-цинковых пар может давать напряжение до 2500 В. Обслуживание батареи было очень трудоемким. В ходе опытов пластины окислялись, и их приходилось регулярно вручную чистить. За один час работы один работник мог осилить только 40 пластин, а на то, чтобы привести в готовность батарею к следующим опытам, у него ушло бы не меньше двух недель. Еще долгое время физики состязались в том, кто построит самую мощную батарею. «Рекорд» по числу соединенных между собой гальванических элементов принадлежит, вероятно, англичанину Дж.Зингеру, который в 1813 г. описал батарею, состоящую из 20 тыс. серебряно-цинковых пар. Однако из-за очень большого сопротивления она не могла даже давать ток, способный разложить воду. Князь Петр Романович Багратион (1818–1876) – племянник знаменитого полководца – начинал службу в инженерных войсках. В 1840 г., будучи в чине лейтенанта и в адъютантской должности, он изобрел гальванический элемент, впоследствии получивший название «цепь князя Багратиона постоянного действия». Этот элемент представлял собой горшок с землей, пропитанной раствором хлорида аммония, в которую на некотором расстоянии втыкали медную и цинковую пластины. Такой элемент давал ток на протяжении нескольких месяцев, но он неудобен для практического применения. Существующие в настоящее время гальванические элементы не выдерживают конкуренции с другими распространенными источниками энергии по стоимости ее получения. Стоимость электрической энергии, получаемой от обычных батареек для карманных фонариков, приблизительно в 800 раз выше стоимости электроэнергии, поставляемой в потребительскую сеть электростанциями. Наиболее распространенные электрические батареи представляют собой один или несколько гальванических элементов. При последовательном соединении нескольких гальванических элементов (когда положительный полюс одного элемента присоединяется к отрицательному полюсу следующего элемента) ЭДС батареи равна сумме ЭДС отдельных элементов. Окончание следует М.А.Александрова,
|
