5. Электролитический выпрямитель.
Электролитический выпрямитель является одним из излюбленных среди строителей вследствие его необыкновенной простоты и дешевизны, так как его можно изготовить с очень незначительными затратами и в весьма короткое время. Основные присущие ему недостатки не особенно дают себя знать при надлежащем обслуживании, и их можно учесть заранее.
Способ действия электролитического выпрямителя основан на свойстве алюминиевой пластинки, погруженной вместе с пластинкой из железа в раствор фосфорнокислого натрия, проводить электрический ток только в одном направлении, именно, когда она является катодом (т.-е. соединена с отрицательным полюсом сети). Если сделать ее анодом, то поверхность ее вследствие выделения на ней кислорода чрезвычайно быстро окисляется, и пластинка обволакивается тонким непроводящим слоем окиси алюминия, который прекращает прохождение тока. Однако этот слой тотчас же растворяется, как только ток изменит свое направление, т.-е. когда алюминиевая пластинка снова сделается катодом. Если включить такой элемент в цепь переменного тока, то по указанной выше причине цепь будет размыкаться через каждые две перемены направления, и переменный ток превратится в пульсирующий постоянный ток, который можно использовать для зарядки аккумуляторных батарей.
Чтобы иметь возможность нагружать алюминиевый выпрямитель током силою до 2 ампер, алюминиевой пластинке следует придать размеры 60 х 100 мм. Алюминий должен быть по возможности чистым и ни в коем случае не содержать примесей, так как иначе он быстро разъедается. Толщина пластинки — 2 мм. Железный электрод состоит из куска железного листа таких же размеров, толщиною также в 2 мм.
Рис. 181. Алюминиевый (электролитический) выпрямитель.
Оба электрода подвешиваются, по рис. 181, в довольно большом стеклянном сосуде. С этой целью их верхние края снабжаются отверстиями, чтобы их можно было привинтить, согласно рис. 182, к парафинированному бруску из твердого дерева, который опирается на стеклянные стенки элемента, наполненного раствором фосфорнокислого натрия (50 г соли на один литр воды).
Рис. 182. Как лучше всего укрепить электроды.
Рис. 183 показывает схему небольшого устройства с двумя электролитическими выпрямителями. Железная пластинка одного выпрямителя соединяется с отрицательным полюсом заряжаемой аккумуляторной батареи, положительный полюс которой соединен с алюминиевой пластинкой другого выпрямителя. Переменный ток от сети подводится через трансформатор к клеммам К1 и К2. Более целесообразно вместо этой схемы из 2 элементов применять включение Гретца с 4 элементами, изображенное на рис. 184. Преимущество этой схемы заключается в том, что она дает возможность выпрямлять обе половины переменного тока, тогда как включение по рис. 183 совершенно прерывает ток в одном из 2 направлений. Таким образом при включении по рис. 184 переменный ток утилизируется полностью, в другом же случае половина тока не используется.
Рис. 183. Схема включения для зарядки с 2 алюминиевыми выпрямителями.
На рис. 184 четыре выпрямляющие элемента обозначены через ZI, ZII, ZIII и ZIV. В каждом элементе Al означает алюминиевый электрод, Fe — железный электрод, который, впрочем, может быть также заменен угольной или свинцовой пластинкой. Переменный ток для удобства ответвлений подводится с помощью двух собирательных шин a и b (голая проволока красной или желтой меди), от которых ведут провода к элементам. Остающиеся свободными электроды соединяются с клеммами d и c, от которых отводится постоянный ток. Аппарат работает следующим образом: те половины волн переменного тока, для которых a является положительной шиной, могут свободно проникать сквозь элемент ZIV, так как в нем алюминиевая пластинка служит катодом. Напротив, через элемент ZIII путь закрыт, так как являющаяся здесь анодом алюминиевая пластинка окисляется и не пропускает тока.
Рис. 184. Схема Гретца со включением 4 элементов для преобразования переменного тока в постоянный, посредством электролитических выпрямителей.
По прохождении через ZIV ток достигает клеммы c и оттуда идет в положительный провод постоянного тока, так как путь к шине b через элемент ZII, содержащий алюминиевый анод с его большим сопротивлением, блокирован. Поэтому ток должен обойти сначала сеть постоянного тока, после чего он возвратится к клемме d. Отсюда он пройдет к шине b через выпрямитель ZI. То же самое произойдет с другой половиной волны, которая будет притекать на шину b. Она может пройти лишь через элемент ZII и далее в сеть постоянного тока через клемму c, так как путь через ZI и возвращение через XIV будут невозможны благодаря большому сопротивлению алюминиевых анодов в обоих элементах. Обойдя сеть постоянного тока, полуволна достигнет клеммы d и через элемент ZIII — собирательной шины a. Совокупность этих процессов доставляет в сеть постоянного тока непрерывно протекающий пульсирующий постоянный ток, который, помимо зарядки батареи накала, может быть с удобством применен и для опытов.
При употреблении электролитических выпрямителей нужно обратить внимание на следующее: лучше всего применять выпрямители в связи с зарядным трансформатором (см. стр. 121 и след.), в низкое напряжение которого включаются элементы; непосредственное включение в осветительную сеть хотя и возможно, но не рекомендуется хотя бы уже из хозяйственных соображений; один электролитический выпрямитель не в состоянии продолжительное время задерживать более 35 вольт, так как при прохождении тока происходит медленное разложение электролита, вследствие чего начальные условия быстро изменяются. Обычно напряжение переменного тока осветительных сетей — 110—220 вольт. Следовательно уже при простейшей схеме включения, утилизирующей ток лишь в одном направлении, потребовалось бы включить последовательно 3—6 выпрямителей, чтобы достигнуть цели. При включении по схеме Гретца потребуется четверное количество элементов (т.-е. 12—24), так как каждая их группа должна поглотить полное напряжение. Кроме того с подобным непосредственным выпрямлением связаны все опасности, имеющие место при работах с сильным током, и это обстоятельство также заставляет рекомендовать включение зарядного трансформатора. Так как в этом случае лишь редко работают со вторичным напряжением более 20—30 вольт, то можно обойтись при включении по схеме Гретца четырьмя элементами.
Сосуды — лучше всего аккумуляторные банки — выберем довольно большие, так как при работе элементы нагреваются. Чем больше количество жидкости, тем позже нагревание достигнет допустимого предела. Предел этот — около 50° С, когда эта температура достигнута, надо выключить ток, если нельзя охлаждать элементы, поместив их в чан с проточной водой.
Изготовленные таким образом элементы сначала не оказывают выпрямляющего действия; оно появляется лишь после того, как первоначально чистые алюминиевые пластинки покроются слоем окиси, обусловливающим большое сопротивление. Часто рекомендуют для скорейшего образования слоя окиси перед употреблением включать элементы в цепь сильного постоянного тока (напр. от батареи накала), а именно так, чтобы алюминиевые пластинки служили анодом. При этом для контроля включают в цепь звонок или лампу. Сначала звонок действует сильно или лампа горит ярко. Однако уже через несколько минут действие будет слабее и наконец совершенно прекратится, — знак, что слой окиси уже образовался и, благодаря его большому сопротивлению, цепь тока разомкнута1).
Однако безусловной необходимости такого формирования постоянным током нет, так как защищающий слой окиси образуется также и при непосредственном включении в цепь переменного тока, лишь несколько медленнее. Еще надо заметить, что вентильное действие теряется, если элементы долго стоят без употребления. После такого перерыва алюминиевые пластинки каждый раз нуждаются в новом формировании, после которого лишь можно получить постоянный ток. Уход за элементами состоит главным образом в том, что время-от-времени постепенно разлагающийся раствор заменяют свежим. При этом одновременно очищают пластинки и сосуды от приставших к ним кристаллов. При неумелом обращении с выпрямителями (загрязнение электролита, недостаточное наполнение, продолжительная перегрузка чересчур сильным током и т. д.) может случиться, что алюминиевые электроды будут разъедаться или даже разрушаться. Такие электроды надо сменить как можно скорее.
Весьма важно позаботиться о надлежащем отводе газов, образующихся при зарядке как в выпрямителях, так и в батарее накала, потому что эти газы в смеси с воздухом помещения образуют вблизи элементов гремучий газ, чрезвычайно взрывчатый. Однако опасность взрыва возникает лишь в том случае, когда к работающим выпрямителям или к заряжаемой батарее накала приближаются с открытым огнем. Пользование электрической лампой как источником искусственного освещения не представляет никакой опасности взрыва.
1) Этот опыт является одновременно прекрасным доказательством того, что вентильное действие на самом деле существует.
