Г. Г. Морозов
НЕСМОТРЯ на то, что гальванические элементы являются старейшим по времени открытия генератором электрического тока, они до сих пор не имеют достаточно четко выявленной классификации и не всегда достаточно ясна сфера применения каждого из них.
Не пытаясь устанавливать здесь классификацию элементов, так как это не может входить в программу радиолюбительского журнала, — мы в этой заметке дадим краткую характеристику наиболее употребительных элементов с целью облегчить любителям и пользовавие литературой и практическую работу.
Как известно, всякий гальванический элемент состоит из положительного и отрицательного электродов, электролита и деполяризатора. От свойств этих составных частей будут зависеть основные свойства элемента, а именно — его электродвижущая сила и постоянство его действия1). Прочие эксплоатационные свойства элемента, а именно: емкость, внутреннее сопротивление и рабочая разрядная сила тока будут зависеть также и от его размеров, и от особенностей конструкции.
Само собою разумеется, что давая характеристику целой группы однородных предметов, будь то катодные лампы, трансформаторы, элементы и проч., надо, если не классифицировать их полностью, то, во всяком случае привести в известную систему. Признаков, по которым можно систематизировать, всегда бывает много, — в частности элементы могут быть систематизированы по материалу электродов, по количеству жидкостей, по емкости, по электродвижущей силе, по роду службы и т. д.
Мы в этой заметке разделим элементы на группы по роду применяемого в них деполяризатора, исходя из тех соображений, что едва ли не самое существенное требование, пред'являемое радиолюбителями, есть постоянство действия элемента, а оно в очень большой мере и зависит именно от свойств деполяризатора.
В настоящее время в элементах применяются твердые, жидкие и газообразные деполяризаторы.
К элементам с твердым деполяризатором относятся в первую очередь всем известные и всеми употребляемые угольно-цинковые элементы с перекисью марганца, более распространенные под названием «элементов Лекланше». Заметим попутно, что общепринятое наименование элементов по имени их первого конструктора, имеющее, правда, известный исторический интерес, представляет значительные неудобства на практике, так как, с одной стороны, замаскировывает сущность дела, а с другой — вносит большую путаницу в понятиях. В самом деле, например, элементами Лекланше называют по преимуществу мокрые мешковые и брикетные элементы рассматриваемого состава, в то время, как изготовляемые точно так же сухие и наливные элементы уже не носят по большой части этого названия. Поэтому мы в дальнейшем будем называть элементы по составляющим их веществам, указывая другие наименования лишь попутно, для сведения.
Мы не будем останавливаться здесь на угольно-цинковых элементах с перекисью марганца, так как об их фабричных конструкциях достаточно подробно говорилось уже на страницах «РЛ» как в применении к батареям анода, так и накала, а предложениям любителей в этой области будет посвящена специальная статья. Напомним только основные данные этих элементов — электродвижущая сила около 1,5 вольта, сравнительно малое постоянство действия, но хорошая восстанавливаемость после даже непродолжительного отдыха и невозможность нагрузки элементов токами большой силы. Пределом силы тока, даже для элементов большого размера, можно считать 0,5 ампера. Брикетные элементы работают удовлетворительно при токе порядка не свыше 60 мА.
Далее, к числу элементов с твердым деполяризатором, имеющих большое практическое значение, следует отнести медно-цинковые элементы с окисью меди (элементы Лаланда-Шаперона и Лаланда-Эдисона, называемые также элементами «Купрон»). В этих элементах медный положительный полюс, окруженный черной окисью меди, служащей деполяризатором, и отрицательный цинковый полюс, помещены в сосуд с раствором едкого натрия или едкого калия. Элемент действует по следующим реакциям:
| } | |
Таким образом, при работе элемента окись меди постепенно переходит в металлическую медь, вследствие чего внутреннее сопротивление этого элемента с течением времени не увеличивается, а, напротив, уменьшается. Вообще внутреннее сопротивление этих элементов ничтожно — порядка сотых долей ома. Электродвижущая сила их лежит в пределах 0,8—0,9 вольта, при чем в начале работы она бывает даже ниже нормальной, зато эти элементы отличаются очень большим постоянством действия и допускают нагрузку достаточно сильными токами (в зависимости от конструкции), почему могут быть рекомендованы для питания накала, для каковой цели имеют большое распространение за границей. Самым же ценным свойством этих элементов является возможность легкого восстановления деполяризатора после его истощения. Для этого необходимо только нагреть истощившийся деполяризатор при хорошем притоке воздуха. При этом получившаяся в процессе работы элемента, согласно вышесказанного, металлическая медь (в виде аморфной массы) соединяется с кислородом воздуха и снова переходит в окись меди, т.-е. деполяризатор возвращается в свое первоначальное состояние. Цинковые полюса и электролит приходится время от времени возобновлять. Так как растворы едких щелочей под влиянием содержащейся в воздухе углекислоты с течением времени разлагаются, образуя поташ или соду 2NаОН + CO2 = NaCO3 + H2O, то рекомендуется поверх электролита налить немного керосина или минерального масла.
Простейшая конструкция такого элемента указана на рис. 1, где А — медный положительный полюс в виде цилиндрического сосуда с медным же дном2) (дно — для увеличения поверхности соприкосновения электрода и деполяризатора). В сосуд А насыпана черная окись меди В. С — выводной проводник, Д — цинковый электрод, в виде спирально согнутого стержня или же в виде пластинки, Е — выводной проводник цинкового полюса.
Недостатком этих элементов является дороговизна черной окиси меди (
Приготовить черную окись меди можно и домашними средствами. Приведем два рецепта, предложенные радиолюбителями.
Тов. Ключарев (г. Сергиев, Моск. г.) смешивает для этого насыщенный раствор соды с насыщенным раствором медного купороса3). Раствор медного купороса вливают понемногу в раствор соды, постоянно помешивая и ждут, пока не прекратится выделение зеленого осадка (углекислая медь). После этого процеживают жидкость через тряпку, собирают оставшийся на ней осадок, прополаскивают водой, отжимают его, просушивают и нагревают в печи до почернения. При этом углекислая медь превращается в нужную нам черную окись меди4).
Тов. Пасячник (Киев) вливает в насыщенный раствор медного купороса при постоянном перемешивании нашатырный спирт. При этом выделяется ярко-голубой осадок (гидроокись меди). Нашатырный спирт приливают только до тех пор, пока жидкость не начнет окрашиваться в темно-синий цвет. После этого, убедившись, что выделение осадка окончилось, собирают осадок и поступают с ним как и в предыдущем случае. При нагревании в печи, лучше распределять высушенный осадок ровным, не очень толстым слоем.5)
Далее, необходимо упомянуть об элементах с перекисью свинца (Гаррисона). В этих элементах положительным полюсом служит свинцовый или угольный стержень, вокруг которого прессуется перекись свинца. В любительских условиях деполяризатор из перекиси свинца, смешанный для лучшей проводимости с графитом (2:1 или 3:1) может быть спрессован вокруг угольного стержня в холщевых мешках, как это делается с перекисью марганца в элементах типа Лекланше.6) Отрицательным полюсом служит хорошо амальгамированный цинк, а электролитом — подкисленная серной кислотой вода. Электродвижущая сила такого элемента около 2,5 вольт при достаточном постоянстве действия. По истощении эти элементы могут быть заряжаемы постоянным током, как аккумуляторы.
Мы опускаем описание серебряноцинковых элементов с хлористым серебром в качестве деполяризатора и электролитом из слабого раствора нашатыря (элементы Де-Ля-Рю), так как хотя эти элементы вследствие очень большого постоянства действия и отсутствия расхода энергии на себя работают очень экономично, однако, в виду дороговизны исходных материалов, они вряд ли найдут себе применение в радиолюбительской практике.
Перейдем теперь к рассмотрению элементов с жидким деполяризатором.
Наиболее известным и наиболее распространенным на практике, в том числе и среди радиолюбителей из элементов с жидким деполяризатором является медно-цинковый элемент, в котором деполяризатором служит раствор медного купороса, а электролитом — раствор цинкового купороса.
Этот тип имеет много конструктивных видоизменений, при чем надо отличать два принципа конструкции, а именно: разделение жидкостей при помощи пористой перегородки (тип Даниэля) и разделение их, основанное на разнице их удельных весов типы Мейдингера, Калло и многие другие).
Мы не будем здесь подробно останавливаться на медно-цинковых элементах, так как этот вопрос освещался уже в «РЛ» (№ 6 за 1927 г.) и, кроме того, в № 2 «РЛ» за этот год была помещена статья, дающая сводку предложений самих радиолюбителей в этой области. Электродвижущая сила медно-цинковых элементов около 1 вольта.
Далее должны быть упомянуты элементы, где в качестве деполяризатора применена азотная кислота (Грове, Бунзена и др.).
Наиболее известной является конструкция Бунзена. Здесь в стеклянном сосуде помещается согнутый в виде цилиндра достаточно толстый и хорошо амальгамированный цинковый лист, служащий отрицательным полюсом элемента. Внутри цинкового цилиндра находится пористый сосуд из слабо обожженной глины, в котором помещается угольный стержень, представляющий положительный полюс.
В стеклянный сосуд наливается раствор серной кислоты (1 часть кислоты на 10 частей воды)7), а в пористый сосуд — азотная кислота.
Этот элемент имеет электродвижущую силу около 2 вольт и обладает большим постоянством действия при сравнительно небольшом внутреннем сопротивлении. Такие элементы можно было бы очень рекомендовать для питания накала, если бы они не обладали одним крупным недостатком. А именно, при работе этого элемента происходит выделение газообразных окислов азота, очень вредных для дыхания. Поэтому держать эти элементы (равно как и все описываемые ниже элементы с азотной кислотой) в жилом помещении нельзя никоим образом.
Известны видоизменения этих элементов. Наиболее интересные из них заключаются в том, что пористый сосуд удален, а цинковая и угольная пластинки помещаются вместе в стеклянный сосуд, куда наливается смесь из 2 частей (по весу) азотной кислоты и 5 частей серной кислоты.
С целью уменьшить выделение вредных газов к указанной смеси прибавляют 30% (по весу) железного купороса.
Дальнейшим видоизменением является применение в качестве отрицательного полюса свинца вместо цинка (Печковский, Беллини). В этом случае электродвижущая сила элемента будет уже только 1,10—1,25 вольт, но зато избегается появление осадка цинка на угле, как это бывает в процессе работы элементов, описанных выше (что заставляет довольно часто производить их чистку) и, кроме того, эксплоатация элементов обходится дешевле. Свинец должен быть хорошо амальгамирован, а еще лучше применить сплав из 9 частей свинца и 1 части ртути. Электролитом и деполяризатором служит смесь 2 об'емов серной кислоты, 2 об'емов азотной кислоты и 25 об'емов воды.
Наконец, имеют практическое распространение элементы с раствором хромовой кислоты или хромовых солей в качестве деполяризатора.
Из этих элементов наиболее часто применяются следующие: конструкция, предложенная Поггендорфом и во всем аналогичная описанной выше конструкции Бунзена с той лишь разницей, что в пористый сосуд вместо азотной кислоты наливается смесь из 1 весовой части двухромовокислого калия, 2 весовых частей серной кислоты и 12 весовых частей воды. Употребительна также конструкция Грене, где удален пористый сосуд. Две угольных пластинки и расположенная между ними амальгамированная цинковая пластинка погружаются в сосуд, куда наливается упомянутая выше смесь. Когда элемент не работает, цинковую пластинку вынимают из жидкости, так как иначе она очень быстро раз'едается. При установке батареи из нескольких элементов, для удобного под'ема цинков, их укрепляют обычно на общей доске. Имеются указания о полезности добавления к хромовой смеси серно-кислого натрия и железного купороса. Двухромовокислый калий может быть во всех случаях изменен двухромовым натрием, однако, этого последнего надо брать больше раза в 1½—2.
Элементы с хромовой жидкостью имеют электродвижущую силу около 2 вольт. Внутреннее сопротивление их невелико, поэтому они дают достаточно большую силу тока, однако, действие их довольно непостоянно, таким образом, жидкость приходится сравнительно часто менять. Это обстоятельство, в связи с необходимостью устраивать приспособления для под'ема цинков, представляет довольно большие неудобства на практике, поэтому применение этих элементов ограничено. В радиолюбительской практике их можно попробовать применить для батареи накала в многоламповых схемах.
Все сказанное выше дает общую характеристику наиболее применимых практически элементов с твердыми и жидкими деполяризаторами.
Что касается элементов с газообразными деполяризаторами, то в виду того, что здесь потребуется более детальное описание сущности дела, с одной стороны, а с другой — эти элементы имеют за собой целый ряд весьма существенных преимуществ, и за границей в настоящее время находят себе очень широкое применение, то мы считаем необходимым остановиться на этом вопросе более подробно и посвятим ему отдельную статью в одном из следующих номеров нашего журнала.
Мы ожидаем, что радиолюбители поделятся своим опытом в отношении эксплоатации и наилучших конструктивых форм описанных элементов или дадут свои заметки о возможности применения для питания радиоустановок от элементов каких-либо других типов, не попавших в этот обзор.
1) Под постоянством действия подразумевается способность элемента работать в определенных условиях, не поляризуясь, т.-е. не уменьшая значительно своего рабочего напряжения. Численно постоянство действия может быть охарактеризовано, как падение напряжения на зажимах элемента в единицу времени, при данном разрядном режиме.
2) Для дешевизны положительный полюс может быть сделан и из железа.
3) Для получения насыщенного раствора удобнее растворять медный купорос в горячей воде.
4) Химическая реакция, происходящая при этом, будет такова: 2СuSO4 + 2Na2СО3 + Н2O = CuСО3 * Cu(ОH)2 + 2Na2SO4 + СО2. Осадок CuCO3 * Сu(ОH)2 при прокаливании образует окись меди CuO и выделяющийся углекислый газ СО2.
5) Реакция этого способа 2CuSO4 + 2NH4OH = Cu2(OH)2SO4 + (NH4)2SO4. Осадок Cu2(ОH)2SO4 при прокаливании дает окись меди CuO.
6)Тов. Александрев (Ленинград) предлагает применять смесь кокса со свинцовым суриком, которую предварительно обрабатывают в стеклянном сосуде азотной кислотой. По остывании смеси ее несколько раз промывают путем взбалтывания в чистой воде, затем, когда смесь осядет на дне сосуда, воду сливают и порошок высушивают. При этой операции сурик превращается в перекись свинца, по уравнению Pb3O4 + 2H2O = 3PbO2 + N2O3 + H2O. Обработку сурика азотной кислотой лучше производить на открытом воздухе, так как выделяющиеся при этом газы вредны.
7) При смешивании серной кислоты с водой надо обязательно вливать кислоту в воду. Если лить, наоборот, воду в кислоту, то кислота разбрызгивается и капли кислоты могут, попадая на лицо и руки, причинять ожоги.
