Удивительная физика - Нурбей Гулиа

В 1859 г. французский ученый и инженер Гастон Плантэ провел любопытный опыт, внешне очень похожий на опыт Вольты. Как и Вольта, Плантэ построил гальванический элемент, однако в качестве электродов он взял две свинцовые пластины, в обычных условиях покрытые пленкой окиси свинца. Электролит был все тот же – разбавленная серная кислота. Плантэ подключил к электродам источник постоянного тока и некоторое время пропускал ток через свой элемент, совсем как при подзарядке сухих элементов. Потом он отключил ток и подключил к электродам гальванометр. Прибор показал, что элемент Плантэ стал сам вырабатывать электроток и при этом выделял почти всю энергию, затраченную на зарядку. Зарядку можно было повторять большое число раз – элемент неизменно работал исправно, не разрушался, подобно сухим батарейкам.

Этот гальванический элемент назвали элементом второго рода, или аккумулятором. Как же происходит накопление энергии в аккумуляторе Плантэ? При пропускании тока через электролит из серной кислоты на свинцовой пластине, соединенной с отрицательным полюсом источника тока – катодом, выделяется водород, который восстанавливает окись свинца в чистый свинец. На электроде, соединенном с положительным полюсом – анодом, выделяется кислород, который окисляет окись свинца до перекиси. Аккумулятор зарядится, когда катод целиком станет чистым свинцом, а анод – перекисью свинца. Тогда между электродами окажется наибольшее напряжение.

Соединяя пластины-электроды проводником с потребителем, расходуя энергию, мы разряжаем аккумулятор. Направление тока при разрядке противоположно тому, что было при зарядке. Положительно заряженная пластина будет восстанавливаться водородом, а отрицательная – окисляться кислородом. Как только пластины станут одинаковыми, аккумулятор прекратит давать ток. Надо повторить зарядку.

Ясно, что энергия в этом аккумуляторе накапливается в виде вполне осязаемого вещества – свинца, переходящего с выделением энергии в перекись свинца. Сам процесс накопления и выделения энергии здесь происходит иначе, чем в чисто электрических аккумуляторах – конденсаторах. Поэтому такой аккумулятор принято называть электрохимическим.

В конструкциях автомобильных свинцово-кислотных аккумуляторов (рис. 322) ученые постарались как можно больше увеличить поверхность электродов, не нарушая при этом их прочности. Ведь именно от величины поверхности зависит мощность аккумулятора. Сейчас пластины аккумулятора изготовляются в форме свинцовых решеток, покрытых перекисью свинца (положительный электрод) и губчатым свинцом (отрицательный электрод). Электролитом служит 25—35%-й водный раствор серной кислоты. Заряженный автомобильный аккумулятор имеет напряжение (точнее – электродвижущую силу) на клеммах 2 – 2,2 В. При разрядке это напряжение падает, и когда оно достигает 1,8 В, разрядку обычно прекращают, иначе решетка из свинца может слишком истончиться в ходе реакции, и пластины, потеряв прочность, рассыплются.

Вы хотите узнать, что будет с аккумулятором, если попробовать хотя бы кратковременно получить от него ток большой мощности? Тогда включите стартер, питаемый от аккумулятора, но без подачи топлива в двигатель. Двигатель, естественно, не заведется, а через 15—20 секунд стартер начнет сбавлять обороты. Еще через некоторое время он вообще остановится. Будет полное впечатление, что аккумулятор разрядился и больше из него «выжать» ничего нельзя. Но потом, спустя несколько минут, стартер снова заработает! Откуда берутся силы у аккумулятора? Не может же он, как живое существо, отдыхать?

В самом деле, поведение аккумулятора и живого организма здесь поразительно похожи. При усталости мышц от интенсивной работы их сила резко снижается, и нужно время, чтобы она восстановилась. Человек сделает гораздо больше, если он будет работать равномерно, с постоянной, но небольшой по мощности нагрузкой. Например, если попытаться взбежать на 20-й этаж дома, с одного раза это вряд ли получится, потребуется отдых. Да и усталость после этого будет ощущаться немалая. А если идти спокойно, то 20 этажей можно преодолеть без особой усталости.

Так и в аккумуляторе: при включении его на большую мощность серная кислота, которая была в порах пластин, быстро израсходуется, в результате реакции она превратится в воду, и выделение тока прекратится. Только через некоторое время, когда серная кислота постепенно вновь заполнит поры, можно опять разряжать аккумулятор.

Поэтому разряжают и заряжают аккумуляторы (это касается практически всех видов электрохимических аккумуляторов) обычно с достаточно малой нагрузкой, небольшими токами и продолжительное время – несколько часов. Здесь и кроется один из главнейших недостатков электрохимических аккумуляторов – их малая мощность, приходящаяся на 1 кг массы аккумулятора, так называемая удельная мощность, или плотность мощности.

Свинцово-кислотные аккумуляторы весьма экономичны, однако они и капризны, часто портятся, недолговечны. К тому же свинец – сравнительно редкий и дорогой металл, а кислота опасна в обращении. Естественно, что ученые стали искать новые материалы и новые принципы работы аккумуляторов. Так возник второй основной тип электрохимических аккумуляторов – щелочные аккумуляторы. Создание их тесно связано с именем знаменитого американского ученого и изобретателя Томаса Эдисона (1847—1931).

В аккумуляторах электролитом служит уже не кислота, а щелочь – 20 %-й раствор едкого кали. Пластины изготовлены из стальных решеток с карманами в них. У положительных пластин карманы заполнены смесью, содержащей окись никеля, а у отрицательных – губчатым кадмием. Корпус щелочного аккумулятора стальной, что придает устройству большую прочность.

Щелочные аккумуляторы дороже кислотных и менее экономичны. Но, несмотря на это, положительные их качества преобладают – они неприхотливы, прочны, долговечны. Поэтому они все больше входят в технику. Например, на троллейбусах применяются именно такие накопители. Их можно видеть в транзисторных приемниках, телефонных и слуховых аппаратах, карманных фонариках и других устройствах. Во многих радиоприборах присутствуют миниатюрные аккумуляторы, тоже щелочные, называемые кнопочными, так как они внешне напоминают кнопку. Ценность их в том, что они герметично закрыты, совершенно нечувствительны к перезаряду, не требуют ухода. Обычные крупные аккумуляторы этим похвастать не могут.

На некоторых спутниках связи и космических станциях применяются очень дорогие, но зато великолепные по своим характеристикам серебряно-цинковые щелочные аккумуляторы. Им нипочем ни большие токи, ни низкие (до – 60 °C) температуры. Плотность энергии, накапливаемой в них, в 5 раз выше, чем у кислотных аккумуляторов, а плотность мощности – вдвое выше.

Но серебро нынче дорого, а будет еще дороже. Много серебра идет на технические нужды, вот оно и кончается. Так что ставку на эти аккумуляторы делать не стоит, особенно если речь идет о массовом и мощном потребителе, как, например, электромобили.

Чем кормить электрическую лошадку?

Электромобиль сегодня – притча во языцех. Вот автомобили, дескать, весь кислород съели и всю атмосферу задымили, только электромобиль и может спасти мир от экологической катастрофы.

Мало кто знает, что электромобиль появился задолго до первого автомобиля с двигателем внутреннего сгорания. Как только в 30-х гг. XIX в. появился первый электродвигатель, его сразу поставили на экипаж. Питался этот двигатель от батареи гальванических элементов.

Автором первого в мире электромобиля был англичанин Роберт Дэвидсон. Его машина, построенная в 1837 г. еще в правление королевы Виктории, представляла собой четырехколесную коляску длиной 4,8 и шириной 1,8 м, с метровыми колесами, т. е. была достаточно крупным сооружением. Большую часть коляски занимали батарея гальванических элементов и пока еще примитивный, внушительных размеров электродвигатель. О ходовых качествах этого электромобиля достоверных сведений не осталось.

Но чтобы электромобиль мог заменить автомобили, ему нужен достойный аккумулятор, обычным стартерным тут не обойдешься. Сейчас ученые связывают свои надежды с необычным на первый взгляд аккумулятором, в котором используются гальванические пары сера-натрий (рис. 323) и хлор-литий (рис. 324). Металлы – натрий или литий – там расплавлены, их температура достигает нескольких сот градусов. Расплавленный натрий соединяется в аккумуляторе с горячей жидкой серой, а литий взаимодействует с раскаленным газом – хлором. Из-за того, что содержимое таких аккумуляторов при работе нагрето до 300—800 °C, они получили название горячих.