При лабораторных опытах для градуировки измерительных приборов и во многих других случаях бывает необходимо иметь под руками источник постоянного тока, который на ряду с постоянством действия, хотя бы на короткое время, т. е. при начале работы, давал бы всегда более или менее постоянное и известное напряжение.
Для этих целей в лабораторной практике обычно применяются так называемые нормальные элементы, которые, будучи разработаны и изучены во всех деталях до мельчайших подробностей, служат эталонами по отношению ко всевозможным иным гальваническим элементам или аккумуляторам.
Однако такие нормальные элементы обычно довольно сложны по своему устройству и содержат в себе или весьма редкие, или дорогие продукты, почему они в большинстве и недоступны для рядовых радиолюбителей. К тому же в обычной практике они не могут иметь широкого практического применения, так как имеют громадное внутреннее сопротивление, и сила тока, даваемая ими, в лучшем случае не превосходит нескольких миллиампер.
Не гонясь за весьма большим постоянством и чрезвычайной точностью, для более грубых и не очень ответственных опытов, каждый радиолюбитель в качестве образцовых или эталонных элементов вполне может применить элементы с медным купоросом, некоторые типы которых уже описывались в «Р. В.» за прошлый год.
Элементы эти обычно обладают довольно значительным внутренним сопротивлением: при средних их размерах — 3—5 ом и более, при малых же размерах, например, в анодных батареях, — 10—15 ом и более, но зато, при надлежащем уходе, они могут работать непрерывно по нескольку недель и месяцев.
Главное же их достоинство заключается в постоянстве напряжения, которое перед началом работы (конечно, при доброкачественных продуктах) всегда составляет около 1 вольта.
Во время работы, в зависимости от силы тока, напряжение, как и у всех существующих элементов, понижается на ту или иную величину вследствие внутреннего падения напряжения.
Конечно, падение напряжения в заметной степени происходит лишь при более или менее сильном токе, но если элемент имеет достаточные размеры, а сила тока в нем невелика, то и падение напряжения будет так мало, что практически им можно пренебречь.
Простейшим элементом с медным купоросом является элемент типа Калло.
Устраивают его так: на дно стеклянной банки (см. рис. 1) опускают тонкий медный или свинцовый электрод, имеющий возможно большую поверхность. Для этой цели в элементах более или менее значительных размеров обычно применяют узкую длинную медную ленту, свернутую в виде спирали или в виде гармоники, в элементах же малых размеров спираль свивают из голой медной проволоки (рис. 2 и 3).
От медного электрода наружу выводят проводник, который тщательно изолируют от электролита при помощи плотно надетой резиновой трубки или слоя смолы.
В верхней части сосуда подвешивают цинк, вырезанный из возможно более толстого листа. Для получения большей поверхности цинк сгибают хотя бы в виде неполного цилиндра, в элементах же весьма малых размеров его берут в виде небольшой пластинки или палочки (рис. 4).
Цинк обязательно должен быть амальгамирован (покрыт ртутью), особенно если он не отличается достаточной чистотой.
Всего лучше цинк применять литой и в этом случае его можно отлить с ребрами и любой толщины (см. рис. 5). Амальгамирование всего лучше произвести во время отливки, прибавляя к расплавленному цинку 3—5% ртути и тщательно перемешивая железным прутом.
Перед вливанием ртути в расплавленный цинк не мешает всыпать около 1% канифоли в порошке и размешать.
После сборки элемента весь сосуд заполняют 10%-м раствором сернокислого натрия или обыкновенной поваренной соли, на дно же сосуда осторожно, отнюдь не взбалтывая, опускают несколько кристаллов медного купороса. При этом нижняя часть жидкости, по растворении медного купороса, приобретает темносинюю окраску, верхняя же часть остается белой, прозрачной.
Граница между ними обрисовывается очень резко, и в этом случае следят, чтобы она находилась примерно в середине между цинком и медью. Если граница между растворами находится слишком низко, в элемент добавляют несколько кристаллов медного купороса, если же, наоборот, раствор медного купороса, благодаря избытку кристаллов, подходит к краю цинка, элемент следует сильно нагрузить, замкнув хотя бы накоротко.
Вновь изготовленный и заряжекный элемент следует хотя бы на полчаса или час замкнуть на себя и после этого его уже можно пустить в дело. Но если бы потребовалось немедленно его пустить в работу, то к верхнему, прозрачному раствору следует прибавить несколько капель серной кислоты.
Для предотвращения кристаллизации солей на краях банки, цинка и проводов их следует залить парафином или смазать салом, вазелином и т. п.
По мере убыли в элементе раствора медного купороса, из которого выделяется чистая медь, осаждающаяся на медном электроде, в элемент следует прибавлять кристаллы медного купороса, если же будет замечено, что верхний прозрачный раствор загустел и в нем происходит сильная кристаллизация, часть прозрачного раствора следует осторожно вычерпать, заменив его свежим раствором поваренной соли или сернокислого натрия.
Положительный полюс в элементе составляет медный электрод, отрицательный же, как и во всех элементах — цинк.
Элемент Мейдингера по своему характеру почти не отличается от элемента Калло, но в нем имеется баллон, опрокинутый горлышком вниз (см. рис. 6).
Баллон пополняется кристаллами медного купороса, отверстие же его закрывается пробкой, имеющей лишь крошечное отверстие для выхода раствора.
Таким образом баллон служит как бы запасным магазином для кристаллов медного купороса и, вместе с тем, заменяет собою крышку элемента.
Вместо баллона можно применить простую стеклянную воронку, но в этом случае ее сверху следует плотно обвязать пергаментом или куском резины.
Главным недостатком элементов Калло и Мейдингера является неудобство их переноски и даже простого передвигания с одного места на другое, так как верхний и нижний растворы легко при этом могут перемешаться, а это поведет к порче элементов и их загрязнению.
Дело в том, что в этом случае медь из раствора медного купороса будет выделяться не только на медном электроде, но также в виде бурых хлопьев и на цинке, причем хлопья эти, отпадая, будут ложиться поверх медного электрода.
Чтобы сделать возможной переноску элемента без вреда для него, в прежнее время обычно применялись пористые сосуды (в элем. Даниэля), в которых и помещался цинк. Но по мере действия поры сосуда заростают медью и в конце концов сосуд трескается.
На этом основании многие изобретатели заменили пористый сосуд иными материалами.
Например, в элементе Миното поверх медного электрода и кристаллов медного купороса кладется кружок сукна или картона, асбеста и т. п. и сверху засыпается толстым слоем песку (см. рис. 7).
Напряжение элемента остается тем же, но внутреннее сопротивление уже увеличивается в несколько раз.
В других подобных же элементах разделение растворов производится с помощью толстого войлока, слоя стеклянной ваты и, наконец, слоя желатина.
Во всех случаях разница заключается лишь в величине внутреннего сопротивления, а следовательно и в силе тока, который может дать элемент.
Вполне понятно что, если требуется получить ток более или менее значительной силы, например, для накала ламп, элементы с медным купоросом следует строить возможно больших размеров и уже без всяких предохранительных перегородок и т. п.