Гальванический ток

Снова об электричестве. После нескольких опытов с магнитами вернемся опять к электрическим явлениям.

До сих пор мы получали электричество, натирая стекло или сургуч. Проявление электричества сопровождалось искрами.

Эти искры можно сравнить со струями воды из шприца. Чем сильнее давление поршня, то есть чем больше напряжение воды в шприце, тем дальше бьет струя. И про электричество говорят, что чем больше напряжение его, тем длиннее становятся искры. Но чем больше напряжение, тем труднее его сосредоточить и проводить по проводам.

Вы, вероятно, видели фонтан и замечали, что от сильного давления вода пробивается везде, где труба хоть немного повреждена, и тонкими струйками растекается во все стороны. Нечто подобное происходит и при сильном напряжении электричества в электрических машинах: все острые углы машины со всех сторон испускают электричество.

С помощью трения мы добывали до сих пор мало электричества. Алессандро Вольта, профессор физики в Павии, живший более ста лет назад, нашел способ получения электричества в большом количестве другим способом. До него итальянский физиолог Луиджи Гальвани из Болоньи сделал важное наблюдение, но только неправильно истолковал его.

Он заметил, что тело мертвой лягушки вздрагивало вблизи электрической машины, как только из машины извлекались искры. Такое же явление он заметил, когда повесил препарированные ножки лягушки на медную проволоку на балконной решетке и когда от ветра ножки лягушки прикасались к железу решетки.

Гальвани верно приписал вздрагивание ножек действию электричества, но думал, что явление это вызвано электричеством, имеющимся в теле лягушки.

Вольта повторил опыт Гальвани, но провел его с большей научной точностью. Он заметил, что лягушка не вздрагивала, если висела на железном крючке у железной решетки. Всегда оказывались нужными два различных металла, чтобы заставить вздрагивать препарат. Вольта заключил, что проявление электричества объясняется соприкосновением двух различных металлов.

Основываясь на этих опытах, он построил в 1800 году столб из пластинок цинка, меди и войлока, смоченного раствором серной кислоты. Цинк, медь и войлок он накладывал друг на друга в таком порядке, что внизу находилась медная пластинка, на ней войлок, затем цинк, опять медь, войлок, цинк, медь, войлок и т. д. Этот столб оказывался заряженным на нижнем конце положительным, а на верхнем — отрицательным электричеством.

Все электрические явления, которые Вольта наблюдал с помощью построенного им электрофора и электрической машины, повторились и здесь. Только длина искр, которые давал столб, была несравненно меньше длины искр электрической машины.

В честь Гальвани Вольта назвал этот способ получения электричества гальваническим.

При таком получении электричества кислота, соприкасаясь с металлами, разъедает их. Значит, здесь мы также видим, что для получения электричества нужно израсходовать «что-то», как мы затрачивали работу, получая электричество трением.

Гальванические элементы в чайных стаканах. Мы можем воспроизвести опыты Вольты, только вместо пластинок цинка и меди, переложенных войлоком, воспользуемся несколькими стаканами, наполненными подкисленной водой, и несколькими полосками меди и цинка.

Наполните водой чайный стакан и прибавьте к нему, размешивая стеклянной палочкой, серную кислоту так, чтобы кислота составляла приблизительно У₃₀ часть воды. Не забудьте, что всегда надо кислоту вливать по каплям в воду, а не воду в кислоту, потому что быстрое образование водяных паров может разбрызгать кислоту. Если нет серной кислоты, можно всыпать в стакан 5–6 чайных ложек обыкновенной поваренной соли.

В подкисленную воду опустите две полоски различных металлов (рис. 122). Самые подходящие металлы — это медь и цинк. Толщина пластинок не имеет значения, а ширину их лучше взять не меньше 4 сантиметров. Полоски эти можно изогнуть и подвесить на противоположные стороны стакана; только следите, чтобы они не коснулись одна другой. Прибор готов. Он называется гальваническим элементом. Здесь кислота работает, разъедая металл, и в результате этой химической работы в меди возникает положительное электричество, а в цинке — отрицательное.

Если вы теперь соедините проволоками полоски элемента, вы увидите, что в момент соприкосновения между ними проскочит маленькая искорка.

Если соединить медную и цинковую пластинки проволокой, то по ней потекут электрические заряды. Принято в этом случае говорить, что по проволоке течет электрический ток. Так как электрических зарядов не видно, то принято считать, что ток в проволоке течет от положительной пластинки элемента к отрицательной, значит, у нас — от меди к цинку.

Напряжение тока такого элемента очень невелико. Оно примерно в 10 ООО раз меньше напряжения небольшой электрической машины. Зато сила тока нашего гальванического элемента гораздо больше силы тока электрической машины. Но напряжение тока можно увеличить, соединив несколько гальванических элементов вместе так, чтобы цинк одного соприкасался с медью другого (рис. 122). Напряжение увеличится во столько раз, сколько элементов вы возьмете.

Кстати, такое соединение гальванических элементов называется последовательным. Соединение элементов носит название батареи элементов.

В нашей батарее на одном ее конце будет свободной медная пластинка, на другом — цинковая. Медная будет заряжена положительно. Говорят также, что она имеет положительный потенциал; цинковая же пластинка имеет отрицательный потенциал, то есть заряжена отрицательно.

Рис. 122

Если бы вы соединили в батарею несколько тысяч гальванических элементов, вы увидели бы те же явления, что и при опытах с электрической машиной. Оба конца батареи, ее «полюсы», светились бы в темноте, проволоки при сближении давали бы огромные искры. Эта батарея могла бы заряжать лейденские банки. Все подтвердило бы, что вы имеете дело с электричеством очень большого напряжения.

Если концы проволок от полюсов гальванической батареи, составленной из 3–4 элементов, присоединить к маленькой лампочке карманного фонаря, нить лампочки ярко засветится.

Для других опытов, которые мы опишем, достаточно иметь батарею, составленную из четырех элементов. Только помните, что, когда кончите опыты, нужно вынуть полоски из раствора и промыть их под краном. Это делается потому, что даже тогда, когда элемент не работает, раствор кислоты или соли разъедает металлы.

Для различных опытов с электрическим током вы можете купить готовые элементы. Есть наливные элементы системы Лекланше. Для очень многих опытов лучше всего пользоваться готовыми, так называемыми «сухими» элементами. В них вместо раствора помещена похожая на вазелин, невыливающаяся масса.

У нас на рисунках всюду показаны простейшие элементы в стаканах, но это изображено условно. На самом деле для опытов нужно брать хорошие, долго действующие элементы, а наши элементы — стаканы — быстро ослабевают.

Проволока. Для различных соединений элементов вам нужно иметь немного проволоки. Лучше всего достать так называемую звонковую проволоку диаметром 0,8 миллиметра. Она изготовлена из меди и обмотана двумя слоями хлопчатобумажной изоляции. Конечно, когда вы будете присоединять проволоку к элементам или к батарее элементов, в местах соединений она должна быть очищена от изоляции. Если вы захотите удлинить проволоку, можно зачистить концы и хорошенько скрутить их.

Разложение воды электрическим током. Когда ток проходит через металлы, они не изменяются, кроме тех случаев, когда по тонкой проволоке пропускается ток большой силы. Тогда проволока раскаляется и может даже расплавиться.

Жидкости проводят электрический ток не так, как металл. Жидкости разлагаются электрическим током, и вы можете легко произвести опыт разложения воды.

Достаньте два обрезка тонкой платиновой проволоки. Расплющите их немного и припаяйте к концам медных проволок. Платиновые проволоки воткните в пробку на небольшом расстоянии друг от друга так, чтобы места спаек с медными проволоками оказались в пробке. Этой пробкой заткните стеклянную воронку, как показано на рис. 123, и залейте еще сверху сургучом или стеарином, чтобы не просачивалась вода.

Воронку укрепите на подставке, налейте в нее воды и прибавьте немного серной кислоты. Теперь соедините медные проволоки с батареей из 2–4 элементов, и вы увидите, что платиновые проволоки покроются пузырьками, которые начнут отрываться и всплывать на поверхность. Вместо оторвавшихся пузырьков появятся новые, и наконец вода как будто «закипит». Это ток разлагает воду на составные части.

Рис. 123

Вода состоит из двух газов: водорода и кислорода. Образующиеся вокруг проволок пузырьки газа — это и есть водород и кислород. Газы эти легко собрать и, исследуя их, убедиться, что мы получили действительно водород и кислород.

Налейте в две пробирки воды, подкисленной серной кислотой, заткните одну из пробирок пальцем и опустите ее в воронку отверстием вниз. Когда отверстие пробирки будет в воде, отнимите палец. Вода из пробирки не потечет, — вы, наверное, помните, каким физическим законом объясняется это явление. Наденьте теперь пробирку на одну из платиновых проволок; маленькие пузырьки газа, поднимаясь кверху, будут скопляться у дна и постепенно вытеснят воздух из пробирки. Когда пробирка наполнится газом, снимите ее и быстро заткните пальцем, чтобы не выпустить газ. Таким же образом можно собрать газ с другой проволоки.

Уже в самом начале разложения воды можно заметить, что вокруг одной платиновой проволоки образуется вдвое больше пузырьков, чем вокруг другой. Зная, что вода состоит из двух частей водорода и одной части кислорода, вы легко догадаетесь, что в той пробирке, где пузырьков вдвое больше, выделяется водород, а в другой, следовательно, кислород. Заметим, что водород выделяется проволокой, соединенной с цинком батареи, значит, с отрицательным полюсом ее. Если вы поднесете зажженную спичку к пробирке, снятой с этой проволоки, послышится слабый взрыв, и газ загорится голубоватым пламенем. Значит, это действительно водород.

Кислород не горит, но зато прекрасно поддерживает горение. Дерево гораздо сильнее разгорается в кислороде, чем в воздухе. Вы можете это сейчас же проверить. Опустите в пробирку, наполненную кислородом, тлеющую спичку, и она вспыхнет ярким пламенем.

В конце книги вы прочтете о том, как получить водород и кислород химическим способом и произвести с ними много интересных опытов.

Гальванопластика. С помощью электрического тока можно покрывать одни металлы другими или снимать точные копии предметов. Для опытов нужно очень немного материалов и приспособлений. Нужен медный купорос. Он в виде красивых сине-зеленых кристаллов продается во всех аптекарских магазинах.

Возьмите стеклянную банку, наполните ее водой и разводите в ней медный купорос до тех пор, пока на дне не останутся нерастворяющиеся большие кристаллы. Такой раствор называется насыщенным. Затем положите на банку на некотором расстоянии друг от друга две медные хорошо вычищенные проволоки и соедините с полюсами батареи из двух элементов. Одну проволоку соедините с положительным, другую с отрицательным полюсом (рис. 124). К положительной проволоке, то есть к проволоке, соединенной с медной полоской батареи, подвесьте кусок листовой меди, а к другой проволоке тот предмет, который вы хотите покрыть медью, например железный ключ.

Рис. 124

Полоска меди и ключ должны быть опущены в раствор купороса, но не соприкасаться между собою. Ток будет разлагать медный купорос. Выделяющаяся из него чистая медь будет оседать на отрицательном проводе — на ключе. А в это же время взамен меди, извлеченной таким способом из раствора, на положительном проводе идет разрушительная работа: медная пластинка разъедается и пополняет медью раствор.

Для того чтобы этот опыт прошел удачно, нужно, чтобы покрываемый предмет был хорошим проводником электричества и чтобы он был совершенно чистым, без всяких следов жира на поверхности. Медная пластинка тоже должна быть до опыта тщательно вычищена наждачной бумагой и обезжирена. Отложения меди появятся на отрицательном проводе уже через несколько секунд после включения батареи, а через полчаса он уже весь покроется толстым слоем меди. Только надо поворачивать в сторону медной пластинки покрываемый предмет постепенно всеми сторонами, иначе он покроется неравномерно.

Очень красивыми получаются покрытые медью цветы и листья, только трудно сделать их хорошими проводниками электрического тока. Для этого их покрывают самым тщательным образом очень мелким порошком графита, хорошо проводящего электрический ток. Покрытая порошком графита поверхность цветов и листьев становится хорошим проводником электричества, и тогда осаждение меди идет успешно. Понятно, обработанные таким образом предметы опускают в ванну на медной проволоке отрицательного провода.

Можно также никелировать, серебрить, золотить разные вещи, только для этого, конечно, нужны другие жидкости, способные выделять эти металлы. Большая отрасль промышленности основана на этом действии электрического тока, и тысячи рабочих занимаются этим делом.

Но с помощью электричества можно не только покрывать разные вещи металлическим слоем; можно делать копии предметов, которые так сходны с оригиналом, как две капли воды похожи друг на друга. Попробуйте, например, сделать с помощью электрического тока медную копию какой-нибудь медали. Никаких новых приборов для этого не нужно. Можно, конечно, получить осадок меди непосредственно на самой медали и потом отделить его, но тогда все выпуклости на медали будут на копии углублениями. Если бы на этой копии стал вторично оседать слой меди, получилась бы уже точная копия. Но это двойная работа и двойная трата купороса. Можно сделать вот как.

Смажьте медаль маслом и оберните ее по краям полоской бумаги в палец шириной. Получится коробка круглой формы. В нее налейте раствор гипса. Когда гипс застынет, его можно легко отделить от формы. Получится «негатив» из гипса, на котором все выпуклости будут соответствовать вогнутым местам медали, а вогнутые места — ее выпуклостям. На эту «матрицу» будет осаждаться медь. Но для этого нужно сделать матрицу проводником электричества. Натрите ее хорошенько с лицевой стороны (где мы получили «оттиск» медали) и по краям очень мелким графитом, оберните еще по краям медной проволокой без изоляции и повесьте в ванну с купоросом на отрицательный провод, лицевой стороной к медной пластинке. На соединение матрицы с проводом обратите особое внимание. Для лучшего соединения обмотайте ее по краям несколько раз тонкой проволокой или оберните гипсовую форму оловянной фольгой, конечно не закрывая при этом оттиска медали. Затем присоедините батарею и, когда заметите, что процесс разложения и осаждения меди пойдет правильно, предоставьте действовать электрическому току.

На графитные пылинки ложится мельчайшими частицами медь и образует сначала первый слой. На него затем все время отлагается медь и постепенно покрывает всю форму. Получается прекрасный «проводник» электричества. Дальнейшая работа идет уже скорее.

Примерно через сутки вы можете получить такой толстый слой, который можно без повреждения снять с формы.

Ускорять работу электричества, увеличивая напряжение батареи, не нужно: слепок получится грубым и непрочным.

Таким же образом сделайте и вторую сторону медали, наклейте обе части с двух сторон на медный кружок, обровняйте края напильником — и копия медали готова.

Очень просто делать гальваническим способом медные листья, потому что обратная сторона настоящих древесных листьев с выпуклыми жилками представляет собой готовую уже матрицу. Натрите графитом обратную сторону листа и повесьте его на отрицательном проводе, повернув лист натертой стороной к медной пластине. Чтобы осаждение меди на листе — особенно если он большой — происходило более равномерно, протяните к разным местам листа несколько тонких проволочек от провода, подводящего ток к листу. По краям медь обычно осаждается с излишком и даже переходит на другую сторону листа. Поэтому края медного слепка приходится опиливать напильником, придавая ему очертания оригинала.

Беседка и деревья из свинцовых кристаллов. Толстую свинцовую проволоку повесьте дугой в банку с раствором свинцового сахара. С этим раствором не шутите: он ядовит. Сделайте на стакан крышку из картона и сквозь нее пропустите еще один кусочек свинцовой проволоки так, чтобы он немного не доходил до дуги. Прямую проволоку соедините с отрицательным проводом батареи, а дугу — с положительным.

Чудное зрелище будет перед вашими глазами, особенно если вы будете смотреть в лупу. Вы увидите, как свинцовая проволока на отрицательном проводе постепенно утрачивает свою гладкую поверхность. Из свинцового сахара, так же как и в прежних опытах из медного купороса, выделяются маленькие блестящие кристаллики свинца. Они садятся на проволоку в середине стакана (рис. 125, слева), образуют причудливые разветвления, и наконец вырастает перевернутое вершиной книзу дерево.

Если вы измените направление тока, переставив провода, вы увидите, как «дерево» уменьшается и кристаллы отрываются от него. В то же время на дуге, которая соединена уже с отрицательным полюсом, начнут вырастать кристаллы, и наконец вместо дерева образуется беседка, правда тоже перевернутая верхушкой вниз (рис. 125, справа). После опыта слейте раствор в бутылку, а стакан хорошенько вымойте под краном.

Рис. 125

Вода, кипящая без огня. Вы читали уже о том, что, если по тонким проводам проходит ток большой силы, он нагревает их. Вы видите это каждый день у себя дома в электрических лампочках.

Если у вас есть батарея в 8—10 элементов, вы можете раскалить добела тоненькую железную проволоку. Еще легче раскалить проволоку, специально изготовляемую для электронагревательных приборов — для чайников или утюгов, — так называемую никелиновую, реотановую или нихромовую проволоку.

Сверните из тонкой никелиновой проволоки спираль длиной 1–2 сантиметра и концы ее присоедините к проводам батареи. Проволока сейчас же нагреется. Окуните спираль в пробирку с холодной водой (рис. 126). Вода забурлит, заклокочет и закипит.

Рис. 126

Если батарея невелика, возьмите проволоку покороче и потоньше.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.