Много лет назад еще до возможности совершения «путешествий» по сайтам в Интернете, обмена файлами или изобретения сотовых телефонов детей строго наказывали, поскольку тогда многие из них часто развлекались, устраивая эксперименты на кухонном столе, например, такие, как изготовление примитивной батарейки путем помещения гвоздя и медной проволоки или монетки в лимон. В это трудно поверить, но наверное, это правда!
Это достаточно старый опыт — но я в любом случае хочу проверить его, поскольку каждый, кто хочет ощутить природу электричества, должен знать, насколько легко получить его из предметов, которые нас постоянно окружают в жизни. Кроме того, если вы будете использовать достаточное количество лимонов, то сможете получить такое напряжение, которое даже позволит зажечь светодиод.
Основными компонентами батарейки являются два металлических электрода, погруженных в электролит. Здесь я не буду давать определения используемым терминам (они будут объяснены в следующих статьях). Сейчас вам нужно уяснить, что лимонный сок у нас будет электролитом, а медь и цинк будут электродами. Надо понимать, что желтая монета не изготовлена целиком из меди, она имеет только лишь медное покрытие, что в нашем случае вполне достаточно.
Чтобы найти металлический цинк, вам надо посетить хозяйственный магазин, где нужно спросить кровельные гвозди. Эти гвозди имеют цинковое покрытие, что защищает их от коррозии. Кроме того, можно воспользоваться небольшими металлическими кронштейнами или крепежными пластинами, которые также обычно покрыты цинком. Они должны иметь несколько приглушенный (матовый) серебряный оттенок. Если они имеют светлое покрытие, близкое к зеркальному, то скорее всего, что это никелевое покрытие.
Разрежьте лимон пополам и выберите на вашем мультиметре такой режим и предел, чтобы он мог измерять постоянное напряжение величиной до 2 В. Затем приложите один измерительный щуп к монете, а второй к кровельному гвоздю (или же какой-либо другой детали, покрытой цинком). Теперь вставьте монету и гвоздь в мякоть лимона так, чтобы они находились на максимально близком расстоянии друг от друга, но все же не касались. Вы должны обнаружить, что ваш тестер покажет напряжение примерно от 0,8 до 1 В.
Вы можете повторить эксперимент с другими предметами и жидкостями, чтобы определить какие из них дают лучший результат. Погружение гвоздя и монеты в лимонный сок, который вы отжали в стеклянный стакан или подставку для яйца, может улучшить эффективность вашей батарейки, хотя вам придется достаточно тяжело при удерживании всех этих предметов в нужном положении. В качестве замены лимонного сока могут использоваться сок грейпфрута и винограда.
Чтобы заставить светиться стандартный светодиод, вам нужно будет получить напряжение величиной около 1 В. Как добиться большего значения электрического напряжения? Конечно же, последовательным подключением батареек. Другими словами, за счет использования большего количества лимонов! (Или же большего количества стаканов). Вам также могут пригодиться небольшие куски проводов, чтобы соединить несколько электродов. На Abb. 1 показана схема данного эксперимента.
Abb. 1. Батарейка, сделанная из трех лимонов. Не очень огорчайтесь, если светодиод вдруг перестал светиться. Лимоны имеют достаточно высокое электрическое сопротивление, поэтому мы не можем подать достаточно существенный ток, особенно через относительно малую площадь поверхности гвоздя и монетки. Тем не менее батарейка из лимона в состоянии генерировать напряжение, которое вы можете измерить с помощью вашего мультиметра.
Рис. 2. Лимонный сок из бутылок будет «работать» так же хорошо, как и свежевыжатый. Я отрезал нижние части трех бумажных стаканчиков, вставил в них оцинкованные кронштейны и использовал куски толстого медного многожильного провода для изготовления положительных электродов.
Если все элементы схемы вы соберете правильно, и убедитесь, что электроды не касаются друг друга, то вы сможете заставить светиться светодиод с помощью двух или трех «лимонных батареек», соединенных последовательно. (Некоторые типы светодиодов отличаются от большинства, обладая достаточно большой чувствительностью к низким значениям тока. Позднее пойдет речь о светодиодах, работающих при очень низких значениях тока. Поэтому, если вы хотите улучшить шансы вашей батарейки зажечь светодиод, то вам нужно поискать и купить парочку именно таких светодиодов).
Насколько же большой ток может быть создан вашей лимонной батарейкой? Установите на вашем мультиметре режим для измерения тока в миллиамперах и подключите его к гвоздю и монете. Я измерил ток величиной порядка 2 мА. Однако я смог получить ток 10 мА, когда вместо монет использовал толстый медный 10-жильный провод, а вместо кровельного гвоздя — большую оцинкованную пластинку для соединения деревянных элементов каркасного дома, которые были опущены в грейпфрутовый сок (см. рис. 2). Таким образом, при увеличении поверхности металлического электрода, лучше контактирующего с электролитом, можно получить соответственно и больший ток.
Каково же внутреннее сопротивление вашего лимона? Извлеките медный и цинковый электроды и вставьте измерительные щупы с никелевым покрытием в сок. При измерении сопротивления я получал результат порядка 30 кОм, когда оба щупа находились в тех же местах в лимоне, что и вынутые электроды. Если же измерительные щупы были вставлены в другие места (на большее расстояние друг от друга), то сопротивление было 40 кОм или даже больше. Меньше ли будет сопротивление, если вы будете проверять сопротивление жидкости в чашке?
Здесь осталось еще два вопроса, которые вы можете исследовать. Насколько долго ваша лимонная батарейка будет в состоянии генерировать электричество? И как вы думаете, почему покрытые цинком электроды становятся бесцветными после некоторого времени их использования? Электричество генерируется батареей за счет обмена ионами или свободными электронами между металлами.
Природа электричества
Чтобы понять природу электричества, вы должны начать с таких основ, как изучение строения атомов. Каждый атом состоит из ядра, в центре которого содержатся протоны, имеющие положительный заряд. Каждое ядро окружено электронами, которые имеют отрицательный заряд.
Деление ядра атома требует использования большого количества энергии, но при этом может высвободиться большое количество энергии — как это случается при атомном взрыве. Но для того, чтобы заставить пару электронов покинуть атом (или присоединиться к другому атому), требуется сравнительно небольшое количество энергии. Например, когда цинк вступает в химическую реакцию с кислотой, он освобождает электроны. Это то, что случается с цинковым электродом в химической батарейке при выполнении эксперимента 5.
Реакция вскоре останавливается, поскольку электроны накапливаются на цинковом электроде. Они отталкивают друг друга, если им некуда двигаться. Вы можете представить их в виде толпы враждебных друг к другу людей, каждый из которых хочет выкинуть другого и отказывается допустить еще кого-нибудь присоединиться к ним, как это показано на Abbildung. 3.
Рис. 3. Электроны, расположенныена электроде, плохо относятся друг к другу, что заставляет их отталкивать друг друга.
Теперь рассмотрим, что происходит, когда провод соединяет цинковый электрод, на котором находится избыток электронов с другим электродом, изготовленным из другого материала, в котором, наоборот, ощущается недостаток электронов. Электроны могут проходить по проводу очень легко, переходя от одного атома к другому, поэтому они покидают цинковый электрод и перемещаются по проводу, движимые сильнейшим желанием оторваться друг от друга (Abbildung. 4). Эта совместная движущая сила и создает то, что называется электрическим током.
Рис. 4. Как только мы открываем для переполненного электронами цинкового электрода путь к медному электроду, который содержит «дырки» для электронов, совместное отталкивание электронов заставляет их пытаться отделиться друг от друга и добраться до своего нового «дома» как можно быстрее.
Теперь популяция электронов на цинковом электроде уменьшается, но реакция цинка с кислотой может продолжаться, заменяя ушедшие электроны новыми, которые мгновенно начинают повторять поведение своих предшественников, отталкивая друг друга при перемещении по проводу. Процесс продолжается до тех пор, пока реакция цинка с кислотой не прекратится. Обычно это происходит из- за того, что создается слой некоторого соединения, как правило это оксид цинка, который не реагирует с кислотой и предотвращает реакцию с цинком, находящимся внутри электрода (Именно поэтому цинковый электрод при извлечении из кислотного электролита выглядит так, как будто он покрыт сажей.)
Это описание применимо к «первичной батарее», и означает, что она готова к генерированию электрического тока, как только соединение ее выводов дает возможность перемещаться электронам от одного электрода к другому. То количество электричества, которое может генерировать первичная батарея, определяется скоростью, с которой в результате химической реакции освобождаются электроды. Когда металл электродов полностью прореагирует, батарея не может больше продолжать генерировать электричество и выходит из строя. Ее невозможно будет легко перезарядить, поскольку химические реакции не так-то легко заставить идти в обратном направлении, а сами электроды могут покрыться слоем окисла.
В аккумуляторных батареях, которые также известны как батареи с возможностью подзарядки, электроды и электролит подобраны более разумно, что позволяет проводить реакцию в обратном направлении.
Наведение порядка и повторное использование компонентов
Металлические детали, которые вы поместили в лимон или лимонный сок, могут потерять свой цвет, но оставаться пригодными для повторного использования. Захотите ли вы съесть этот лимон после, зависит только от вас.
|
Basisinformationen |
| Положительный и отрицательныйЕсли электричество это поток электронов, которые имеют отрицательный заряд, то почему люди говорят, что электрический ток течет от положительного вывода батарейки к отрицательному?
Ответ лежит в фундаментальном заблуждении, которое сформировалось в процессе изучения электричества. По различным причинам Бенджамин Франклин пытался понять природу электрического тока, изучая такое явление, как молния во время грозы. Он считал, что наблюдает «поток электрической жидкости», которая течет от положительного полюса к отрицательному. Франклин предложил эту концепцию в 1747 году. Фактически Франклин сделал неудачную попытку объяснения, которое оставалось неисправленным до тех пор, пока физик Дж. Дж. Томсон не объявил о своем открытии электрона в 1897 году, т. е. на 150 лет позже. Электрический ток на самом деле течет из области с большим количеством отрицательного заряда в некоторую другую область, которая «менее отрицательна» — что означает, что она «более положительна». Другими словами, электрический ток это поток отрицательно заряженных частиц. В батарее этот поток начинается на отрицательном выводе и течет к положительному. Вы можете подумать, что когда этот факт был установлен, то все стали опровергать идею Франклина, что поток электрических зарядов течет от положительного вывода к отрицательному. Но когда электрон двигается по проволоке, вы можете продолжать думать, что эквивалентный положительный заряд перемещается в противоположном направлении. Когда же электроны покидают свое «место жительства», они забирают с собой небольшой отрицательный заряд; поэтому оставшееся место становится более положительным. Когда же электрон достигает своего места назначения, его отрицательный заряд делает его несколько менее положительным. Должно случиться что- то очень существенное, чтобы предположение о движении положительных частиц в обратном направлении изменилось. Более того, все математическое описание поведения электрических зарядов справедливо, если его применять, используя представление о потоке положительных частиц. Отдавая дань традиции и удобствам, мы все еще оставляем действующей ошибочную концепцию Бена Франклина о потоке положительных частиц к отрицательному полюсу, поскольку на самом деле никакой разницы нет. В графических условных обозначениях, которые используются для обозначения диодов и транзисторов, вы все еще найдете стрелки, которые показывают каким образом эти компоненты должны быть установлены — и все эти стрелки указывают направление от положительного к отрицательному полюсу, даже если это и не соответствует тому, как на самом деле функционируют эти устройства! Бен Франклин возможно был бы удивлен, если бы узнал, что хотя молнии представляют собой потоки отрицательного заряда в облаках, которые разряжаются для нейтрализации на положительном заряде земли, некоторые виды молний на самом деле представляют собой потоки электронов от отрицательно заряженной поверхности земли к положительно заряженным облакам. Это действительно так: и те кого «ударяет молнией» могут пострадать именно от испускания электронов |
Основные измерения
Электрический потенциал измеряется за счет сложения зарядов отдельных электронов. Основной единицей измерения заряда является кулон , который равен заряду примерно 6 250 000 000 000 000 000 электронов. Если вы знаете, как много электронов проходит через кусок провода каждую секунду, то вы можете определить поток электрических зарядов, который выражается в амперах. Фактически один ампер может быть определен, как один кулон в секунду. Таким образом:
1 ампер = 1 кулон/сек =
= примерно 6,25 квинтильонов электронов/сек =
= 6,25 × 1018 электронов/сек.
Не существует такой возможности непосредственно «увидеть» то количество электронов, которое протекает по проводнику (Abbildung. 5), но имеются косвенные методы получения этой информации. Например, когда электрон перемещается по проводу, он создает электромагнитное поле вокруг себя. Это поле может быть измерено, и мы можем рассчитать число ампер на основе этого измерения. Счетчик, установленный в вашем доме электросбытовой компанией, может функционировать именно по этому принципу.
Рис. 5. Если вы посмотрите внутрь электрического провода с помощью достаточно мощного увеличительного устройства, а по проводу будет протекать поток электронов силой в 1 А в единицу времени, то вы сможете увидеть примерно 6,25 квинтильона электронов, проходящих мимо вас каждую секунду.
Если электроны двигаются свободно, то они не совершают работы. Если у вас имеется замкнутая цепь из провода с нулевым сопротивлением, и вы каким- либо образом создадите в нем поток электронов (электрический ток), то он может перемещаться по проводу бесконечно долго. (Это то, что происходит внутри сверхпроводников — картина почти аналогична.) В обычных условиях провод имеет то или иное значение сопротивления. Сила, которая нужна, чтобы «проталкивать» электроны по проводу, известна как «Spannung», она создает ток, который может выделять тепло, наблюдаемое вами при закорачивании батареи питания. (Если используемый вами провод имеет нулевое сопротивление, то поток электронов, который по нему движется, не будет создавать какую- либо теплоту). Мы можем использовать тепло напрямую, как это делается при эксплуатации электропечи, или же мы можем использовать электрическую энергию другими способами — для запуска двигателя, например. Тем или иным способом мы отбираем энергию электронов для того, чтобы выполнять какую- либо работу. Один вольт может быть представлен, как единица напряжения, которая нужна для создания тока величиной 1 А, совершающего работу величиной 1 Вт. Как уже было определено ранее: 1 Вт = 1 В × 1 А. Однако эта формула может быть переписана и по-другому:
1 в = 1 вт/1 а.
Эта форма записи более правильная, поскольку «ватт» в принципе может быть определен, как неэлектрическая единица измерения. Только для расширения ваших знаний мы можем вернуться назад к метрической системе единиц:
1 ватт = 1 джоуль/сек.
1 джоуль — это единица работы (энергии), равная работе силы величиной в 1 ньютон при перемещении тела на расстояние в 1 метр в направлении действия силы; 1 ньютон — это сила, которая необходима, чтобы придать телу массой 1 кг скорость 1 м/сек в течение 1 секунды.
На этой основе электрические единицы могут быть связаны с измерениями массы, времени и заряда электронов.
Рассуждая с практической точки зрения
Для практических задач интуитивное понимание того, что такое электричество, может быть более полезным, чем теория. Лично я предпочитаю аналогии с водой, которые использовались десятилетиями для объяснения электричества. На Abbildung. 6 показан высокий наполовину заполненный водой бак, в котором почти у дна сделано отверстие. Представим, что этот бак электрическая батарейка. Высоту воды можно сравнить с напряжением. Объем воды, который проходит через отверстие в секунду, можно сравнить с силой тока в амперах. Малая величина отверстия сравнима с большим сопротивлением.
Рис. 6. Если вы хотите получить больше работы от системы …
А где же прячется мощность на этой картинке? Предположим, что рядом с баком расположено небольшое водяное колесо, которое будет крутиться потоком воды из отверстия. Мы можем подключить какой- либо механизм к этому водяному колесу. Теперь поток будет совершать некоторую работу. Имейте в виду, что мощность это мера работы, иначе говоря, мощность равна отношению работы к промежутку времени, в течение которого она совершается.
Может быть, это выглядит, как будто мы получаем что- то даром, извлекая работу из водяного колеса, не возвращая какую – либо энергию обратно в систему. Но помните, уровень воды в баке падает. Но как только я добавлю несколько помощников, которые будут перетаскивать воду обратно в сосуд (рис. 7), вы сможете увидеть, что мы обязательно должны совершить работу, чтобы получить ее обратно.
Рис. 7. …тем или иным способом, вы должны вернуть «работу» (энергию) обратно в бак.
Аналогичным образом батарея отдает энергию не получая ничего, лишь только химические реакции внутри батареи будут преобразовывать чистые металлы в металлические соединения, а мощность, которую мы извлекаем из батарейки, не дает возможности изменить это состояние. Если же это аккумуляторная батарея (аккумулятор), то мы можем «помещать» энергию обратно в нее, направляя химическую реакцию в обратном направлении.
Возвращаясь обратно к сосуду с водой, предположим, что мы не можем извлечь достаточно мощности из него, чтобы крутить колесо. Одним способом решения проблемы будет добавление воды. Больший уровень воды приведет к более высокому давлению и соответственно большему напору воды (Abbildung. 8). Это будет то же самое, что и удвоение напряжения при последовательном соединении двух батареек, когда отрицательный вывод одной батарейки подключается к положительному выводу другой (рис. 9). В течение всего времени пока сопротивление в цепи будет оставаться неизменным, увеличение напряжения будет приводить к соответствующему увеличению тока, поскольку ток равен напряжению, деленному на сопротивление.
Рис. 8. Больший уровень воды создает более мощный поток, пока сопротивление ему остается таким же.
Рис. 9. Когда вы подключаете две одинаковых батарейки последовательно, то вы тем самым увеличиваете их общее напряжение.
А что если нам надо крутить два колеса вместо одного? Мы можем пробить второе отверстие в баке, и давление при этом будет одинаковым для каждого из отверстий. Однако уровень воды в сосуде будет понижаться в два раза быстрее. На самом деле нам лучше бы взять точно такой же второй сосуд. По аналогии с батарейками, если вы соедините две одинаковые батарейки параллельно, то в результате получите точно такое же общее напряжение, но которое будет поддерживаться в два раза более продолжительного времени (рис. 10). Кроме того, две такие батарейки будут в состоянии выдавать соответственно больший ток, чем в том случае, когда вы используете только одну батарейку.
Рис. 10. Две одинаковые батарейки, соединенные параллельно, будут выдавать одно и то же напряжение в два раза дольше, чем одна.
Итак, подведем итоги.
- Две одинаковые батарейки, соединенные последовательно,
увеличивают общее напряжение в два раза.
- Две одинаковые батарейки, соединенные параллельно, при одном и том же значении напряжения могут в два раза увеличить ток.
