М. Боголепов.
Наступивший 1928 год составляет 4 годовщину развития радиолюбительства в СССР.
За истекшие 3 года успехи радиолюбительства и радиопромышленности во многих случаях достигли столь значительных результатов, что в дальнейшем уже намечается стандартизация как отдельных частей радиоприборов, так и целых устройств приемных радиостанций. Лишь вопросы питания ламповых приемников во многих местах нашего необъятного Союза попрежнему остаются трудноразрешимой задачей, препятствующей полному развитию радиолюбительства.
Нет ничего обиднее, как иметь хорошо оборудованную приемную станцию, но не иметь достаточной уверенности в постоянной возможности ее питания и полагаться в этом случае лишь на случай или на «авось».
Задаваясь целью изжить указанную ненормальность, мы втечение 1928 года постараемся дать подробные и вполне конкретные указания относительно методов питания во всех случаях, в зависимости от местных условий и технических средств радиолюбителей, и если в довершение всего некоторые более опытные радиолюбители придут на помощь своими советами и поделятся достижениями, строго проверенными втечение более или менее продолжительного времени на практике, то общими усилиями вопрос о питании ламповых приемников будет окончательно разрешен, и новичкам радиолюбителям уже не придется зря тратить время и деньги на опыты, отвлекаясь от прямых задач, связанных с радио.
Все источники питания, как известно, можно разбить на 3 совершенно обособленные группы, а именно: гальванические элементы (сухие и наливные), аккумуляторы и осветительные сети, причем каждая группа имеет одинаково важное значение в каждом определенном случае радиолюбительства.
Есть еще одна новая для нас и мало нам известная группа источников питания, а именно, термоэлектрические элементы, по своей простоте, компактности и дешевизне эксплоатации могущие заинтересовать массу радиолюбителей.
Считая необходимым дать подробные описания устройства приборов по каждой группе в отдельности с указанием характерных особенностей их действия, мы в то же время находим полезным указать хотя бы в самой сжатой форме основные условия работы элементов и аккумуляторов, с которых мы и начнем цикл своих бесед.
Действие гальванических элементов всегда основано на химическом воздействии раствора каких-либо солей или кислот на металл.
Так, например, если в раствор серной кислоты иди в раствор нашатыря, обыкновенной поваренной соли, едкого калия и т. п. опустить пластинку из цинка, то тотчас же начнется химическое воздействие раствора на цинк, — последний будет как бы разъедаться или растворяться, и в результате этого воздействия электроны раствора, представляющие собою ничтожнейшие отрицательные заряды (1), будут стремиться сосредоточиться на цинке, в силу чего цинк окажется заряженным отрицательно, тогда как раствор, лишившись части электронов, будет уже обнаруживать положительный заряд (см. рис. 1).
Если теперь в тот же раствор опустить вторую пластинку, но уже из какого-либо иного металла, например из меди, то раствор на нее будет также воздействовать, но уже в меньшей степени, и из него на медной пластинке также будут сосредоточиваться электроны, но в значительно меньшем количестве, и в результате медная пластинка хотя и зарядится отрицательно, но более слабо.
Таким образом, каждая из пластинок окажется заряженной отрицательно, но до разных степеней или, как говорят, они будут иметь разные потенциалы зарядов (т.. е. разные напряжения или давления), и если обе пластинки соединить между собой проводником, то благодаря разности потенциалов на пластинках электроны с цинка потекут по направлению к меди и в проводнике, таким образом, мы будем иметь электрический ток (см. рис. 2); а так как химическое воздействие раствора на пластины будет продолжаться то в результате притекающие к меди в избытке электроны будут снова передаваться раствору, а от него — к цинку и, следовательно, электрический ток будет существовать не только в проводнике от цинка к меди, но и внутри элемента — от меди к цинку, как то и указано на рисунке стрелками.
Разность потенциалов зарядов, под давлением коей получается электрический ток, в общежитии носит название напряжения и измеряется в особых единицах, называемых вольтами.
Для того чтобы наивозможно увеличить разность потенциалов, т. е. напряжение, вся забота при устройстве элементов клонится к тому, чтобы, с одной стороны, найти такой металл и такой раствор, при которых химическое их взаимодействие заставляло бы выделяться наибольшее количество электронов, т. е. давало бы наибольший потенциал, и, с другой стороны, для второй пластины или электрода элемента, применить такой материал, который, будучи хорошим проводником, не подвергался бы действию раствора и чтобы, таким образом, его потенциал был нулевым.
Для первого электрода в применении почти со всяким раствором наилучшие результаты дает цинк, тогда как для второго — обычно применяется прессованный из особой массы уголь (в некоторых элементах — медь, свинец, платина и пр.), что мы и можем видеть у всех существующих элементов.
Получаемое в элементах напряжение всецело зависит от рода и от доброкачественности примененных в них материалов, но оно ни в коей мере не зависит ни от величины, ни от формы самых элементов или их электродов.
Наоборот, сила тока (т. е. количество электронов, протекающих по проводнику в единицу времени), измеряемая в амперах, зависит от того напряжения или напора, под влиянием коего электроны текут по проводнику, от сопротивления наружной цепи и сопротивления раствора; но наружное сопротивление всецело зависит от сопротивлений включенных приборов, для уменьшения же внутреннего сопротивления элементов следует по возможности для электронов сократить путь, т. е. разместить электроды элементов возможно ближе друг к другу.
Время действия элементов всецело зависит от количества содержащихся в элементах химических веществ и от силы расходуемого тока. Запас энергии в элементах, или, как принято называть их электрическая емкость, измеряется в ампер-часах.
Если, например, говорится, что элемент имеет емкость 10 ампер-часов, то это означает, что он может давать ток силою в 1 ампер втечение 10 часов или ток в 2 ампера втечение 5 часов, ток в 0,5 ампер — втечение 20 часов и т. д.
Главным недостатком простейших гальванических элементов является поляризация их электродов. Дело в том, что во время работы элементов раствор в них разлагается и из него выделяются два газа: кислород и водород, причем кислород воздействует на отрицательный элeктрoд элeментов, т.е. на цинк, окисляя и разъедая его, тогда как водород выделяется на поверхности положительного электрода, сначала в виде мельчайших пузырьков, а затем уже и совершенно заволакивает эту поверхность сплошной пеленой, а так как водород представляет весьма дурной проводник электричества, то действие элемента быстро ослабевает, а затем и совсем прекращается, несмотря на достаточное в нем количество химических веществ.
На этом основании при устройстве элементов главное внимание и приходится уделять на предотвращение поляризации, что может быть выполнено как механическим путем, например посредством взбалтывания и приведения раствора в постоянное движение, чтобы смыть пузырьки водорода, так, главным образом, химическим путем, окружая положительный электрод веществами, богатыми кислородом, а именно различными окисями и перекисями металлов.
Водород, выделяющийся на поверхности таких деполяризующих веществ, химически соединяется с их кислородом, образуя воду, и поверхность положительного электрода остается чистой, а следовательно работоспособность элемента уже не понижается.
Не следует забывать, что под названием электрического тока мы подразумеваем движение электронов, т. е. отрицательных зарядов, которые, как мы видели, текут по проводнику от цинка к углю или, например, в электронной лампе от катода к аноду. В общей электротехнике благодаря прежним воззрениям на электричество принято считать направление тока обратное движению электронов, а именно направление воображаемого положительного электричества, текущего навстречу отрицательному, т. е. электронам (см. рис. 2).
Таким образом, если говорится, что ток идет по такому-то направлению, то надо помнить, что это есть направление воображаемого положительного тока.
Аккумуляторы представляют собою те же элементы, — в них также имеются два электрода, опущенных в сосуд с раствором, и разница лишь в том, что в элементах ток возникает самостоятельно, достаточно лишь применить в них те или иные химические вещества, тогда как аккумуляторы сами по себе тока не дают и их предварительно необходимо зарядить от какого-либо постороннего источника постоянного тока.
А так как зарядка от постороннего источника, обычно от осветительной сети, несравненно проще и во много раз дешевле, нежели перезарядка элементов путем перемены в них раствора, деполяризующих веществ и пр., то, несомненно аккумуляторы в этом отношении имеют громадные преимущества перед последними, каковые усугубляются еще более высоким их напряжением, весьма малым внутренним сопротивлением и почти полным отсутствием поляризации.
Наиболее применимы большинству известные аккумуляторы со свинцовыми пластинами, погруженными в раствор серной кислоты.
В обычном состоянии две свинцовые пластины, погруженные в раствор, имеют одинаковый потенциал, а потому и тока быть не может. Но если через аккумулятор (см. рис. 3) пропустить постоянный электрический ток от постороннего источника, то по истечении некоторого времени та пластинка, которая была соединена о плюсом (т. е. с положительным полюсом) источника тока, покрывается тонкой пленкой окиси свинца, другая же пластинка, соединенная с минусом (с отрицательным полюсом) источника тока, остается чистой, и если даже на ней была окись, то она превращается в металлический свинец.
Если теперь, выключив аккумулятор, соединить его пластинки проводником, то между ними получается разность потенциалов: раствор серной кислоты начинает воздействовать на чистую (отрицательную) пластинку, окисляя ее поверхность, и она получает отрицательный заряд, причем электроны текут ко второй пластинке (положительной) покрытой окисью, и от нее — в раствор, причем, как и в элементах, из раствора выделяются: кислород, который собственно и воздействует на отрицательную пластинку, и водород, оседающий на поверхности положительной пластины, где он химически соединяется с кислородом окиси, образуя воду, что и предотвращает поляризацию.
В виду того, что продолжительность действия, т. е., вернее, электрическая емкость аккумулятора, всецело зависит от количества образующейся на поверхности положительной пластины окиси свинца, то при изготовлении и зарядке аккумуляторов вся забота и заключается в том, чтобы получить наивозможно большее ее количество.
Однако, так как даже путем весьма продолжительной зарядки более или менее толстый слой окиси получить не удается, то на практике, вопервых, по возможности стараются увеличить поверхности пластин, делая их ребристыми, а вовторых, производят процесс формования, заключающийся в том, что аккумуляторы много десятков раз заряжают то в одном, то в другом направлении, разряжая каждый раз через достаточное сопротивление (отнюдь нельзя разряжать, соединяя пластины накоротко).
Хотя при такой формовке окись и образуется уже на большую глубину, но все же емкость аккумулятора получается сравнительно небольшая, а потому-то для получения более значительной емкости при тех же размерах пластин последние отливаются в виде решеток, ячейки которых заполняются уже готовыми окисями свинца (активной массой).
Подобные аккумуляторы в формовании почти не нуждаются, емкость же их во много раз превосходит емкость аккумуляторов с простыми пластинами, даже после продолжительного их формования.
При изготовлении решетчатых пластин, с заполнениями их активной массой, т. е. окисями свинца, следует иметь в виду, что свинцовые решетки служат лишь каркасом и проводником, а так как окиси синица плохие проводники электричества, и, кроме того, они легко отпадают и выкрашиваются, то между ними и каркасом должен быть обеспечен хороший контакт.
Последнее достигается путем применения пластин с возможно мелкими ячейками, уширенными внутрь или наружу, как то и будет указано в описаниях изготовления аккумуляторов.
Как было сказано, электроны при разряде вытекают из той пластины, которая при заряде была соединена с отрицательным полюсом источника тока, а следовательно, она и будет отрицательным полюсом или электродом аккумулятора, вторая же пластинаположительным. Ясно, что при зарядке плюс аккумулятора следует всегда соединять с плюсом источника тока, минус же — с минусом.
Напряжение аккумулятора с свинцовыми пластинами любого типа составляет в среднем около 2 вольт, сила же тока, как мы знаем, зависит от размеров пластин, но ввиду малого внутреннего сопротивления даже крошечный аккумулятор может дать ток весьма большой силы, почему его пластины и нельзя замыкать накоротко.
Все существующие элементы имеют напряжение обычно в пределах не свыше 1,5 вольт, аккумуляторы же в среднем около 2 вольт, но так как на практике для проталкивания электронов при том или ином сопротивлении включенных приборов требуется в большинстве случаев напряжение уже значительно большее, то это достигается путем последовательного соединения элементов в батарею, для чего плюс одного элемента или аккумулятора соединяют с минусом второго элемента, плюс второго — с минусом третьего и т. д. (рис. 4).
При таком соединении электроны одного элемента как бы подталкивают электроны другого, и в результате общее напряжение батареи получается как раз равное сумме напряжений всех ее элементов, емкость же батареи остается той же, как и у одного элемента.
В том же случае, если необходимо увеличить емкость, элементы соединяют между собою уже параллельно, для чего соединяют отдельно все положительные полюса и отдельно — отрицательные (см. рис. 5).
Напряжение в этом случае остается таким же, как и у одного элемента, но так как каждый элемент самостоятельно вливает в магистральный провод свои электроны, то обшая емкость такой бaтаpeи получается как раз равная сумме емкостей всех входящих в нее элементов.
При применении небольших элементов обычно бывает необходимо увеличивать как напряжение, так и емкость одновременно. Для этого уже составляют несколько батарей в последовательном соединении, чтобы каждая батарея имела требуемое напряжение, а затем уже все эти батареи соединяют между собою параллельно (см. рис. 6).
При такой комбинированной батарее напряжение ее будет равно сумме напряжений элементов одной последовательно соединенной батареи, емкость же будет равна сумме емкостей всех параллельно соединенных батарей.
Так, например, если все элементы имеют напряжение по 1,5 вольт, а емкость по 1 ампер-часу, то при трех параллельно соединенных группах по 4 элемента в каждой, напряжение комбинированной будет, 1,5 х 4 = 6 вольт, емкость же получится 1 х 3 = 3 ампер-часа.
1) Каждое вещество, как известно, состоит из неисчислимого количества мельчайших частиц — атомов, причем каждый атом, в свою очередь, состоит из центрального неподвижного ядра, заряженного положительно, вокруг которого носятся ничтожнейшие заряды отрицательного электричества, называемые электронами. В обычном состоянии заряды эти как бы связаны между собою и ничем себя не обнаруживают, но если из тела часть элекронов удалить, то в нем обнаруживается положительный заряд, тогда как при избытке электронов — отрицательный.