Батареи

На протяжении первой половины XIX века главным источником электрического тока был химический элемент питания, и, хотя по КПД он уже давно уступил пальму первенства другим источникам питания, он остается популярным и практически незаменимым при выполнении множества особых задач.

Наиболее известный тип гальванического элемента, используемого в наши дни, имеет в качестве отрицательного полюса сосуд из металлического цинка, а в качестве положительного полюса — угольный электрод в оболочке из двуокиси марганца[105]. Между ними находится водный раствор нашатырного спирта и хлористого цинка. В раствор добавляется крахмал в количестве, достаточном для формирования вязкой массы, чтобы раствор не вытекал из батарейки. Из-за того что батарейка не протекает, ее назвали «сухим элементом». Ее также называют батарейкой для фонарика, поскольку она часто используется в ручных фонариках. Существует и третье название — «элемент Лекланше»: сочетание цинк-углерод было получено впервые в 1868 г. французским химиком Жоржем Лекланше (1839–1882), правда, лишь 20 лет спустя была получена «сухая» форма этого сочетания.

Разность потенциалов между положительным и отрицательным полюсами химического элемента зависит от природы имеющих место химических реакций, то есть от того, насколько сильно вещества, составляющие полюсы, склонны присоединять или терять электроны. В случае с сухим элементом разность потенциалов должна в идеале равняться 1,5 В.

Разность потенциалов может увеличиться, если две батарейки или более будут соединены последовательно, то есть если положительный полюс одной батарейки будет подсоединен к отрицательному полюсу другой. В таком случае ток, вытекающий из первой батарейки, под действием разности потенциалов в 1,5 В входит во вторую батарейку и дает толчок производимому в ней току. Напряжение на выходе второй батарейки, таким образом, будет составлять 3,0 В — собственная разность потенциалов 1,5 В плюс разность потенциалов батарейки, к которой она подсоединена, — тоже 1,5 В. Когда элементы соединены последовательно, так что ток проходит через каждый из них, общая разность потенциалов равна сумме разностей потенциалов каждой отдельной батарейки.

Элементы можно соединить и параллельно, то есть положительный полюс — к положительному, отрицательный — к отрицательному. Общий ток не идет через все батарейки; наоборот, каждая батарейка отдает свою часть тока и получает обратно свою часть, так что разность потенциалов одной из них не влияет на разность потенциалов другой. Однако преимущество обеспечения напряжения в 1,5 В десятью элементами вместо одного заключается в том, что общее количество цинка в 10 гальванических элементах в 10 раз больше, чем в одном, и, таким образом, комбинация из 10 батареек будет давать ток в 10 раз дольше, чем одна.

К тому же есть такое понятие, как внутреннее сопротивление батарейки. Ведь ток идет не только через провода и приборы, которые составляют цепь, соединяющую положительный полюс с отрицательным; он идет также от полюса к полюсу внутри батарейки посредством химических реакций, происходящих в ней. Внутреннее сопротивление — это сопротивление этому электрическому току внутри батарейки. Чем выше сила тока, забираемого из батарейки, тем выше должна быть сила тока, проходящего через нее. Разность потенциалов, необходимая для того, чтобы пропустить этот ток через батарейку, зависит от силы тока: по закону Ома, Е = IR. R в данном случае — внутреннее сопротивление элемента, а E — разность потенциалов, приводящая ток в движение от отрицательного полюса к положительному (по представлениям электриков). Эта разность потенциалов имеет направление, противоположное тому, по которому идет ток от положительного полюса к отрицательному во внешней цепи вне элемента, так что внутреннюю разность потенциалов нужно вычесть из внешней. Итак, чем большую силу тока извлекать из батарейки, тем меньше становится даваемая ей разность потенциалов, и происходит это из-за внутреннего сопротивления.

Когда элементы соединены последовательно, внутреннее сопротивление последовательной цепи равно сумме внутренних сопротивлений отдельных батареек. Разность потенциалов может увеличиться, но десять последовательно соединенных элементов будут так же чувствительны к высоким силам тока, как и один элемент. А вот когда элементы соединены параллельно, общее внутреннее сопротивление элементов цепи будет меньше, чем внутреннее сопротивление любой отдельной батарейки, как и в случае с обычными сопротивлениями. Параллельное соединение, таким образом, может обеспечивать большую силу тока без потери в разности потенциалов, чем один элемент, хотя максимальная разность потенциалов будет такой же.

Электрические батареи различных типов сослужили хорошую службу техническому прогрессу и остаются весьма полезными. На батарейках работают не только карманные фонарики, но и множество других устройств — от детских игрушек до радиоприемников. Химики вроде Дэви использовали их даже для совершения научных открытий, для которых требовались весьма солидные количества электроэнергии. Однако по-настоящему глобальное использование электричества, например для обеспечения электропитания огромных заводов или освещения целых городов, не может быть осуществлено простым соединением миллионов гальванических элементов — это было бы слишком дорого.

Сухой элемент, к примеру, получает свою энергию путем превращения металлического цинка в ионы цинка. С химической точки зрения это равносильно сжиганию цинка — его использованию в качестве топлива. Когда сухая батарея дает ток в 1 А, она потребляет 1,2 г цинка в час. В течение этого часа батарея будет давать мощность 1,5 В x 1 А, то есть 1,5 Вт. Таким образом, 1,5 Вт-ч эквивалентно расходу 1,2 г цинка, а 1 кВт-ч (1000 Вт-ч) равен расходу 800 г цинка. Если бы типичная современная американская семья использовала в качестве источников питания сухие батареи, то при среднем уровне потребления электроэнергии она легко бы «съедала» 8 т цинка в день, не говоря уж о других материалах. Это было бы не просто баснословно дорого, но даже весь цинк, производимый в мире, не мог бы поддерживать экономику, в которой каждая семья потребляла бы цинк в таких количествах. На самом деле наш современный электрифицированный мир просто не смог бы существовать на основе обычных гальванических элементов[106].

Одним из способов уменьшить расходы может стать обращение химических реакций в батарее, чтобы вещества, служащие полюсами, могли быть использованы вновь и вновь. Для сухой батареи это непрактично, однако существуют ведь заряжаемые батареи (аккумуляторы). Наиболее распространенные из них — это элементы, в которых отрицательным полюсом является металлический свинец, а положительным — пероксид свинца. Полюса разделяются достаточно концентрированным раствором серной кислоты.

Когда такая батарея разряжается и из нее извлекается электрический ток (при разнице потенциалов около 2 В на каждую батарею), протекающие при этом внутри элемента химические реакции превращают как свинец, так и его пероксид в сульфат свинца. Во время этого процесса также расходуется серная кислота. Если электричество запускают обратно в батарею (то есть если отрицательный полюс источника питания, работающий при разности потенциалов более 2 В, подсоединяют к отрицательному полюсу батареи, а положительный полюс источника — к положительному полюсу, так что она начинает работать «вспять» вследствие импульса, который сильнее, чем ее собственный), то химическая реакция начинает развиваться в обратном порядке. Вновь формируются свинец и пероксид свинца, а раствор серной кислоты становится более концентрированным. Батарейка снова заряжается. Подобный элемент был впервые создан в 1859 году французским физиком Гастоном Планте (1834–1889).

Грубо говоря, кажется, что когда батарея перезаряжается, то электричество в нее поступает и там хранится. В действительности это не так. Электричество в ней не хранится: попросту происходит химическая реакция, в результате которой появляются химические элементы, которые, в свою очередь, производят электричество. Таким образом, в них хранится химическая энергия и подобные батареи называются аккумуляторными батареями. Именно такие батареи (обычно они состоят из 3–6 последовательно соединенных батарей из свинца и его пероксида) располагаются под капотами автомобилей.

Аккумуляторные батареи тяжелы (из-за содержащегося в них свинца), опасны в обращении (из-за содержащейся в них серной кислоты) и дороги. Тем не менее, из-за того что эти батареи можно часто перезаряжать, ими пользуются на протяжении многих лет без замены и их пользу нельзя недооценивать.

Однако откуда берется электричество для перезарядки аккумуляторных батарей? Если электричество поступает из обычных неперезаряжающихся батарей, то мы опять возвращаемся к самому началу. Вполне очевидно, что, для того чтобы аккумуляторные батареи пользовались массовым спросом, источник электричества для их подзарядки должен быть дешевым и легкодоступным. Например, в автомобилях аккумуляторные батареи постоянно заряжаются от энергии сжигаемого бензина, что намного дешевле и доступнее, чем энергия сжигаемого цинка.

Для того чтобы объяснить, как сжигаемый бензин способствует электроэнергии, мы обратимся к одному простому, но очень важному опыту, проведенному в 1819 году.