Публикации по материалам Д. Джанколи. "Физика в двух томах" 1984 г. Том 2.

Электрическая батарея

Интересен путь, приведший к созданию первой электрической батареи. С этим важным открытием связан знаменитый научный спор между Вольтой и Луиджи Гальвани, в который были вовлечены и многие другие представители научного мира.

В 1780-х годах Гальвани, профессор Болонского университета, выполнил большую серию опытов, изучая сокращение мышц лягушки под действием электричества, вырабатываемого электрической машиной. В ходе этих опытов Гальвани к своему удивлению обнаружил, что сокращения мышц можно добиться и другими способами. На медном крючке он подвешивал лягушку за позвоночник к железной решетке балкона, и, когда лапка тоже касалась решетки, она сокращалась. Дальнейшие эксперименты подтвердили, что этот странный, но важный эффект наблюдается и с другими металлами.

В чем же причина этого необыкновенного явления? Гальвани считал, что источник электрических зарядов находится в самих мышцах или нервах лягушки, а металл служит лишь проводником заряда тела. В работе, опубликованной в 1791 г., он ввел понятие «животное электричество». Многие, в том числе и Гальвани, задавались вопросом: не открыл ли он ту самую «жизненную силу», которая давно занимала умы ученых?

Вольта, работавший в Павийском университете (200 км от Болоньи), поначалу скептически отнесся к результатам Гальвани. Однако, побуждаемый коллегами, он вскоре повторил опыты Гальвани и пошел еще дальше. Но Вольта сомневался в теории «животного электричества»: по его мнению, источник электричества не находился в организме животного, а возникал при контакте между двумя металлами. Вольта опубликовал свои предположения и вскоре имел уже много последователей, хотя немало ученых оставались по-прежнему на стороне Гальвани.

Талант теоретика сочетался у Вольты с искусством экспериментатора. Он вскоре понял, что для получения нужного результата цепь должна включать влажный проводник типа мышц лягушки или влажный контакт двух разнородных металлов. Понял он также, что сокращение лягушечьей лапки служит чувствительным прибором для обнаружения того, что он называл «электрическим напряжением» или «электродвижущей силой» (мы теперь называем это потенциалом),-намного более чувствительным, чем самые совершенные из разработанных им и другими учеными электрометров. И самое важное, Вольта рассудил, что решающий ответ Гальвани он сможет дать лишь в том случае, если ему удастся заменить лягушечью лапку иным, неорганическим детектором.

Другими словами, для доказательства того, что причиной сокращения лапки является именно контакт двух разнородных металлов, ему следовало бы подключить их к электрометру и зарегистрировать отклонение листочков, указывающее на наличие разности потенциалов. Это оказалось для Вольты сложной задачей, так как самые чувствительные его электрометры намного уступали лягушечьей лапке. Но в конечном счете успешный эксперимент доказал справедливость теории Вольты.

Исследования Вольты показали, что одни сочетания металлов дают больший эффект, нежели другие, и на основании своих измерений Вольта расположил металлы в порядке их «эффективности». (Химики по сей день используют этот «электрохимический ряд».) Он обнаружил также, что вместо одного из металлов можно использовать уголь.

Затем Вольте удалось постичь то, что стало его главным вкладом в науку. Он проложил между серебряным и цинковым дисками кусочек бумаги или ткани, пропитанный раствором соли или разбавленной кислотой, а затем собрал из таких кружочков столбик, укладывая их один на другой, как показано на рис. 26.2.

Опыты Вольты и Гальвани

Такой «столб» (или «батарея») оказался источником гораздо большей разности потенциалов, чем одна пара кружочков. При сближении проводников, подключенных к концам столба, между ними проскакивала искра. Вольта сконструировал и построил первую электрическую батарею. На рис. 26.2 показана и другая конструкция, известная под названием «цепочка чашек». Свое замечательное открытие Вольта опубликовал в 1800 г.

Разность потенциалов, создаваемая вольтовым столбом, была все же слабой по сравнению с той, какую создавали лучшие электростатические машины того времени, хотя такой столб позволял получать довольно значительный заряд. (Электростатические машины создают высокий потенциал, но небольшой заряд.) Однако у вольтова столба было и огромное достоинство: он оказался способен к «самообновлению» и мог обеспечивать поток электрического заряда в течение довольно длительного времени. А вскоре были сконструированы и более мощные батареи.

В конце концов стало ясно, что в изобретенной Вольтой электрической батарее электричество возникает благодаря превращению химической энергии в электрическую. В наши дни выпускается множество электрических элементов и батарей различных типов - от батареек для карманного фонарика (которые называют также сухими элементами) до автомобильных аккумуляторных батарей. Простейшая батарея (гальванический элемент) состоит из двух так называемых электродов-стержней или пластин из разнородных металлов (одним из электродов может служить уголь). Электроды погружены в электролит, например разбавленную кислоту. В сухом элементе электролит представляет собой желеобразную массу. Так выглядит элемент, а несколько элементов, соединенных между собой, образуют электрическую батарею. Химические реакции, происходящие в большинстве элементов, довольно сложны; описание их деталей можно найти в учебниках химии. Здесь же мы рассмотрим работу самого простого элемента, интересуясь физической стороной дела.

В простейшем гальваническом элементе (рис. 26.3) в качестве электролита используется разбавленная серная кислота. Гальванический элемент Одним из электродов служит уголь, другим - цинк. Часть электрода, не погруженная в электролит, служит клеммой', к ней подключаются проводники, соединяющие элемент и схемы. Кислота постепенно растворяет цинковый электрод. Атомы переходят в раствор в виде положительных ионов, оставляя по два электрона на электроде. Таким образом, цинковый электрод становится отрицательно заряженным. По мере того как цинк переходит в раствор, электролит приобретает положительный заряд. Вследствие этого, а также в результате других химических реакций электроны покидают угольный электрод, который при этом приобретает положительный заряд. Положительный электрод называют анодом, отрицательный - катодом. Поскольку у электродов противоположные по знаку заряды, между клеммами возникает разность потенциалов. В элементе с разомкнутыми клеммами растворяется лишь незначительное количество цинка; по мере того как цинковый электрод накапливает отрицательный заряд, образующиеся положительные ионы цинка притягиваются обратно к электроду. Таким образом, между клеммами поддерживается определенная разность потенциалов, или напряжение. Если же заряд перемещается между клеммами (например, по проводнику или через электрическую лампу), то растворение цинка усилится. Угольный электрод также испытывает разрушение. Спустя некоторое время тот или другой электрод полностью израсходуется и элемент «садится».

Напряжение между клеммами батареи зависит от вещества, из которого изготовлены электроды, от их способности переходить в раствор или отдавать электроны. Разность потенциалов на клеммах батареи при разомкнутой внешней цепи называется электродвижущей силой (ЭДС); электродвижущую силу обозначают S (не следует путать с напряженностью поля Е). Обычно ЭДС гальванического элемента или аккумулятора составляет 1,0-2,0 В. Когда заряд поступает от батареи во внешнюю цепь, напряжение на клеммах оказывается ниже ЭДС из-за «внутреннего сопротивления» (мы обсудим это в разд. 27.2). При последовательном соединении двух или более элементов (когда плюсовую клемму одного элемента соединяют с минусовой клеммой следующего и т. д.) их ЭДС складывается. Так, ЭДС двух элементов для карманного фонарика, соединенных последовательно, равна 3,0 В, а шесть соединенных последовательно элементов в автомобильном аккумуляторе, каждый по 2,0 В, обеспечивают напряжение 12 В.

Любое устройство типа батареи, способное поддерживать определенную разность потенциалов и обеспечить поток электрического заряда во внешней цепи, называется источником ЭДС. Источниками ЭДС кроме элементов и батарей являются электрические генераторы, фотоэлементы, термопары и т.п. (о них мы еще поговорим позднее).

Коротко о следующей публикации: Электрический ток.

Альтернативные статьи: Законы ома. Формулы.


Замечания и предложения принимаются по адресу horeff@mail.ru

1.22