М. Боголепов.
Как известно, многие из существующих более или менее мощных гальванических элементов обладают существенными недостатками, заключающимися в падении их напряжения во время работы и в увеличении внутреннего сопротивления, благодаря чему, при всех одинаковых условиях, сила тока уменьшается и, таким образом, действие их становится непостоянным.
Происходит это вследствие того, что во время работы раствор в элементах разлагается и из него выделяется водород, который, покрывая поверхности положительных электродов сначала мельчайшими пузырьками, а затем уже как бы сплошной пленкой, не только препятствует прохождению тока, но даже служит причиной возникновения обратной электровозбудительной силы, соответственно понижающей основную электровозбудительную силу.
В этом случае элементы, как говорят, поляризуются, и вот, для предотвращения поляризации, в элементах применяют такие химические вещества, которые в той или иной мере способствуют уничтожению или поглощению выделяющегося водорода, т. е. служат деполяризаторами.
Все подобные вещества содержат в себе большое количество кислорода, который, химически соединяясь с водородом, образует воду, поверхности же положительных пластин остаются чистыми.
К числу хороших деполяризующих веществ относится черная окись меди, которая и применяется в элементах типа Лаланда, причем эти элементы обладают тем громадным преимуществом перед всякими иными, что во время работы окись меди, теряя свой кислород, постепенно превращается в чистую металлическую медь, и, благодаря этому, внутреннее сопротивление не только не увеличивается, но, наоборот, понижается, в результате чего элементы дают ровный и сильный ток до полного их истощения.
Кроме того эти элементы вообще имеют небольшое внутреннее сопротивление, почему их действие весьма сходно с действием аккумуляторов и лишь по своему напряжению, которое во время работы составляет всего лишь около 0,65—0,7 вольт, они уступают последним.
Но, конечно, это обстоятельство при устройстве батарей накала, где требуется лишь небольшое напряжение, особого значения не имеет.
Изготовление элементов типа Лаланда, т. е. с черной окисью меди, может быть осуществлено различными способами, причем во всех случаях отрицательным полюсом служит цинк, положительным же — окись меди, а так как последняя представляет собою довольно плохой проводник электричества, то ее заключают в медные или железные сетки, подводят к ней сеть проводников из медных полосок или проволок, прессуют ее в медных решетчатых пластинах и т. п.
Раствором для элементов служит раствор едкого калия или едкого натра в воде.
Что касается цинка, то таковой обязательно должен быть амальгамирован, т. е. покрыт ртутью.
Простейшего вида элементы с окисью меди можно осуществить следующим порядком: берут железную или жестяную банку (например, из-под кофе) и с наружной стороны к ней припаивают проводник из медной проволоки.
К банке пригоняют крышку из какого-либо изолирующего материала, например, из эбонита, целлулоида, пропарафинированного дерева и т. п. и сквозь нее пропускают цинк в виде палочки или пластинки, подвешивая его примерно на половину высоты банки, как то указано на рис. 1, причем к цинку припаивают или прикрепляют зажимом второй выводной проводник.
Когда это исполнено, на дно банки насыпают окись меди в порошке или, что несравненно лучше, мелкими крупинками или кусочками на высоту хотя бы 1/4 высоты банки, так, чтобы между цинком и окисью меди оставался небольшой промежуток, например, в 2—3 см, и весь сосуд наполняют раствором едкого натра в пропорции 25 г едкого натра на 100 см3 дистиллированной или хотя бы прокипяченной и остуженной воды.
Вместо едкого натра с тем же успехом можно применить и едкий калий, составляя из него раствор в той же пропорции.
Ввиду того, что раствор едкого натра, равно как и едкого калия, под действием воздуха легко разлагается, на поверхность раствора наливают тонкий слой какого-либо масла или парафина; кроме того, цинковую палочку или пластинку, в том месте, где она входит в раствор, необходимо покрыть асфальтовым лаком или надеть на нее резиновую трубку и т. п., так как раствор в этом месте особенно сильно разъедает цинк.
На этом основании рациональнее всего применять цинки, имеющие постепенное уширение кверху.
Этим и заканчивается изготовление и зарядка элемента, напряжение коего около 0,95 вольт, в условиях же работы, как было сказано, — около 0,65 вольт. Следовательно, для получения потребного для накала ламп напряжения около 4 вольт, необходимо будет составить батарею из 6—7 элементов, а так как одним из электродов каждого элемента служат наружные железные или жестяные сосуды, то, при сборке батареи, их следует возможно тщательнее изолировать друг от друга.
Сила тока элемента всецело зависит от поверхностей электродов и расстояния между ними, а потому в тех случаях, когда одновременно приходится питать большое число ламп, цинковые электроды следует брать уже с большей поверхностью.
К числу недостатков элемента с наружной жестяной банкой следует отнести то обстоятельство, что по мере разъедания цинка раствором кусочки его могут отваливаться и ложиться на поверхность окиси меди, благодаря чему получится как бы короткое замыкание и элемент будет до некоторой степени работать на себя, т. е. саморазряжаться; поэтому-то несравненно лучше строить элементы несколько иного типа, а именно, с наружными стеклянными банками.
К числу таковых относятся элементы Нунгессера, а равно, похожие на них, элементы Гордона.
Для изготовления элемента берут любой формы стеклянную банку, к которой пригоняют крышку из изолирующего вещества, а к последней подвешивают железную или жестяную банку, сплошь продырявленную в виде сетки, или, еще лучше, круглую коробку, сделанную из медной или железной густой сетки (см. рис. 2).
В сетчатую банку или коробку насыпают окись меди в порошке или крупинками и от нее делают отвод из проволоки; что же касается цинка, то его берут уже в виде широких пласстин или же в виде цилиндра, огибающего банку с окисью меди, чем достигается, вопервых, более равномерная работа окиси меди по всей окружности, а вовторых, в значительной мере понижается внутреннее сопротивление элемента, а следовательно увеличивается сила тока.
Цинк также подвешивают к крышке элемента или устанавливают его на подставках из изолирующих материалов, как то и показано на рисунке, причем провод, идущий от цинка в растворе, тщательно изолируют при помощи асфальтового лака или смолы или же заключают его в резиновую трубку.
Количество окиси меди должно быть таково, чтобы уровень ее был примерно на 1—2 см ниже уровня раствора, причем последний составляется в той же пропорции, как и для элементов Лаланда, т. е. 25 г едкого натра или едкого калия на 100 г воды.
Для предотвращения действия воздуха поверх раствора наливают какое-либо масло или парафин.
Этим и заканчивается устройство элемента, действие которого ничем не отличается от действия первого элемента и лишь сила даваемого им тока, благодаря увеличенной поверхности цинка, уже значительно более.
Вместо того, чтобы подвешивать положительный электрод к крышке, его можно также установить на дне стеклянной банки, но в этом случае его следует опереть на какие-либо изолирующие подставки на тот случай, чтобы отпадающие от цинка кусочки не могли касаться его поверхности.
Как было сказано вначале, окись меди постепенно отдает раствору свой кислород и превращается в металлическую медь, действие же элемента в этом случае прекращается.
Для восстановления элемента необходимо насыпать свежей окиси меди и одновременно переменить раствор, причем, для экономии, полученную металлическую медь можно снова превратить в черную окись меди, для чего ее после промывки водой насыпают тонким слоем на железный лист и сильно прокаливают на угольях или на керосинке «примус», пока медные крупинки не получат совершенно черную окраску.
Таким же путем изготовляют окись меди и вновь, для чего можно применить обыкновенные мелкие медные опилки, а так как окись меди получается лишь на поверхности медных крупинок, то чем мельче будут опилки, тем больший будет получаться в них запас кислорода при одном и том же весе.
В промышленных элементах типа Лаланда окись меди прессуется в виде пластин подобно аккумуляторным, причем каркасом обычно служит медная или железная решетка.
Проще всего пластины из окиси меди изготовлять так: берут кусок медной или железной проволочной сетки и из нее, загибая края, делают плоскую коробочку (см. рис. 3).
Положив коробочку на стекло, ее плотно заполняют массой, состоящей из 6 г магнезии, 6 г хлористого магния и 100 г черной окиси меди, замешанных водой в виде густого теста.
Указанную массу укладывают сначала до половины высоты коробки, на ее поверхность кладут (для лучшей проводимости) проволочную спираль, у которой должен быть оставлен выводной конец, и затем заполняют коробочку до краев, плотно утрамбовывая деревяжкой.
Готовую пластинку ставят в теплое место для просушки, после чего ее уже можно применить в дело, причем в этом случае в каждом элементе к крышке подвешивают уже две цинковых пластинки, соединенных между собою, и между ними помещают пластинку из окиси меди.
Коль скоро пластинка из окиси меди растратила свой кислород, ее можно в некоторой, хотя сравнительно небольшой степени, восстановить, для чего ее промывают водой и вешают на сквозном ветру или около теплой печи, где она и насыщается до некоторой степени кислородом.
При формовании пластин приходится применять окись меди уже в мельчайшем порошке, стоимость которого довольно высока.
Тов. Е. Порошин (г. Ленинград) предлагает следующий способ приготовления черной окиси меди собственными средствами: в каменной или стеклянной посуде, но отнюдь не в металлической, в возможно меньшем количестве воды растворяют 150 г едкого натра (количество воды должно быть лишь таково, чтобы едкий натр растворился без остатка).
В этот раствор насыпают 200 г медного купороса в истолченном виде и подогревают на самом легком огне, причем раствор начинает пениться и в нем появляется хлоповидный осадок голубого цвета.
Когда весь медный купорос перейдет в осадок, раствор следует прокипятить, что производится до тех пор, пока голубой осадок не превратится в черный.
После кипячения раствору дают отстояться, а затем жидкость сливают, черный же осадок высушивают, — он и будет представлять собою не что иное, как окись меди, причем, при указанных количествах взятых веществ, окиси меди получится около 100 грамм.
В заключение я укажу еще на элементы Беннета, которые устраиваются во всем согласно данным для элементов Лаланда или Нунгессера, т. е. по типам, указанным на рисунках 1 и 2; разница заключается лишь в том, что, вместо окиси меди в железные или жестяные сосуды помещаются железные опилки и стружки, покрытые окисью, т. е. ржавчиной.
Напряжение элементов с окисью железа почти такое же, как и у элементов с окисью меди, но внутреннее сопротивление их уже значительно выше, а вместе с тем электрическая емкость их, при всех одинаковых данных, значительно меньше.