Электрическое питание для переносных устройств
Электрическую энергию не всегда удобно передавать по проводам. Поэтому существуют и переносные устройства: ноутбуки, мобильные телефоны, электронные фотоаппараты, калькуляторы, радиоприемники и т.п. Для независимой работы таких аппаратов используют иные источники электричества — батарейки и аккумуляторы. Последние применяются и на транспорте, но, к сожалению, их большие габариты, а также вредные химические вещества (кислота, свинец), используемые в них, являются препятствием для создания автомобилей на автономной электрической тяге.
Батарейки и аккумуляторы вырабатывают или сохраняют электрическую энергию в ходе химической реакции и поэтому относятся к химическим источникам питания. К ним же относятся созданные относительно недавно топливные элементы.
Первый химический источник тока
Очень часто батарейки называют гальваническими элементами, так как они были названы в честь итальянского ученого Луиджи Гальвани (1737—1798), создателя теории «животного электричества» и «отца» современной электрофизиологии.
История химических источников тока началась с опытов Гальвани, который в 1791 г. обнаружил, что лапка мертвой лягушки сокращается при прикосновении к ней разнородных металлических предметов. Однако ученый не извлек никакой практической пользы из своего открытия, так как не смог правильно его объяснить, поскольку исходил из ложной гипотезы о существовании некоего животного электричества. Разобраться в этом явлении и создать полезное устройство на его основе удалось физику Алессандро Вольта. Его «вольтовый столб» стал первым химическим источником тока и послужил прообразом всех современных батарей и аккумуляторов.
Тем не менее, сами явления, открытые Гальвани, в учебниках и научных статьях до сих пор продолжают называть «гальванизмом». Этот термин также сохраняется в названии некоторых аппаратов и процессов (например, гальванопластика— получение точной металлической копии предмета). В родном городе ученого, Болонье, в его честь названа площадь и установлен памятник.
Солевые и щелочные элементы питания
Современные батарейки работают по тому же принципу, что и первая электрическая батарея Вольта. Два электрода из разных материалов опускаются в раствор, который называется электролитом. За счет окисления одного материала при взаимодействии его с электролитом на этом электроде образуется избыток электронов, и при замыкании электродов внешней цепью по батарее начинает течь электрический ток.
Батареи Вольта из-за применения жидкого электролита были крайне неудобными в обращении. Поэтому настоящую революцию произвели так называемые «сухие» элементы, изобретенные французским химиком Жоржем Лекланшем (1839—1882) в 1867 г. Такая батарейка состояла из цинкового положительного и угольного отрицательного электродов, погруженных в раствор хлорида аммония. Такие элементы сегодня называют солевыми, и они являются самыми популярными из-за своей низкой стоимости.
Более мощными, но и более дорогими являются щелочные элементы питания (их еще называют «алкалиновыми», от английского «alkaline» — «щелочь»). Они были созданы в конце 50-х гг. XX в. Положительный электрод в таких элементах питания представляет собой желеобразную смесь порошка цинка и щелочного электролита.
Это интересно!
Простейший гальванический элемент несложно построить в домашних условиях. Для этого достаточно взять две небольшие пластины — цинковую и медную — и опустить их в емкость с 10%-ным раствором серной кислоты или нашатыря, или обыкновенной поваренной соли. Достаточно замкнуть эти пластинки между собой проводником, и в нем возникнет электрический ток. Причем медная пластинка станет положительным электродом («плюсом»), а цинковая — отрицательным («минусом»).
Преимущества аккумуляторов
Батарейки (гальванические элементы) имеют один существенный недостаток — они используются только один раз. Проходящая в них химическая реакция необратимая, она дает ток до тех пор, пока не прореагирует весь запас веществ, заложенных при изготовлении. Поэтому часто для снабжения электричеством мобильных устройств более оправдано применять источники тока многоразового использования (аккумуляторы, от латинского «accumulo» — «собираю», «накопляю»).
При зарядке аккумулятора ток проходит через элемент в направлении, противоположном току разряда, при этом происходит восстановление исходных химических реактивов. Таким образом, они могут многократно накапливать энергию (несколько тысяч раз) и в отличие от батареек применяться в качестве мощных источников тока: для запуска автомобильных двигателей, источников бесперебойного питания, резервных осветительных систем, двигателей подводных лодок и специальных средств передвижения.
Создание аккумулятора нового типа
Толчком для создания аккумуляторной батареи послужили опыты, поставленные немецким ученым Иоганном Вильгельмом Риттером {1776— 1810) еще в 1803 г. Оказалось, что две медные пластины, опущенные в кислоту и соединенные с гальванической батареей, заряжаются и их можно в течение короткого времени, но многократно использовать как постоянный источник тока.
В 1859 г. французский инженер Гастон Планте (1834—1889) изобрел наиболее популярный в наши дни свинцово-кислотный аккумулятор. Отрицательным электродом в нем служит губчатый свинец, а положительным — оксид свинца на свинцовом основании, электролитом — серная кислота.
В начале XX в. усовершенствованием аккумулятора занялся Томас Эдисон, который хотел сделать это устройство более компактным, мощным, а также избавиться от ядовитого свинца и едкой серной кислоты, которая быстро разъедала свинцовые пластины, после чего их приходилось менять. В 1908 г. Эдисон создал аккумулятор совершенно нового типа, в котором электролитом служила щелочь (едкий калий), положительный электрод был изготовлен из никеля, а отрицательный — из измельченного железа с некоторыми примесями. Емкость нового аккумулятора оказалась почти в 3 раза больше, чем у свинцового.
Топливные элементы незаменимы в космонавтике
Существует еще один очень перспективный химический источник электрической энергии. Он получил название «топливный элемент». Известно, что электрический ток, проходя через воду, разлагает ее на водород и кислород. В топливном элементе все сделано наоборот — оба этих газа подаются по трубкам в ванну с едкой щелочью. Там после нескольких химических реакций получается вода, а на опущенных в ванну электродах появляется электрическое напряжение. Такой процесс называется холодным горением. Теоретически его эффективность, т.е. КПД топливного элемента, очень велика и может достигать 90%. Причем эти элементы намного компактнее и значительно меньше загрязняют атмосферу.
К сожалению, из-за сложности конструкции топливные элементы пока еще не нашли широкого применения. Однако их используют в космических кораблях и там, где требуются независимые и надежные источники электроэнергии. Так, например, топливные элементы на основе водорода и кислорода служили в качестве главного источника электроэнергии на американских космических кораблях серии «Аполлон», доставлявших на Луну астронавтов. Этот элемент обеспечивал энергией корабль одиннадцать суток полета, а весил он около 250 кг и заменял обычный электрогенератор массой в несколько тонн.
Теория относительности сулит несметное количество энергии
В будущем человек научится добывать безграничное количество энергии, не загрязняя окружающий мир. И это не голословное утверждение. Знаменитый немецкий физик А. Эйнштейн в 1905 г. опубликовал «Специальную теорию относительности». В рамках этого научного труда он вывел формулу для энергии: Е= тс2, где Е — энергия тела, т — его масса, с — скорость света в вакууме, округленно равная 300 млн м/с. Расчеты показывают, что даже 1 г вещества обладает в пересчете на электрическую энергию 25 млн кВт.ч, а в пересчете на тепловую — 21,5 млрд ккал. Человеку остается только научиться добывать ее.