Гальванические элементы — Попаданцев.нет

Железный гальванический элемент

4eshirkot — Sat, 03 Oct 2020 10:54:36 +0000

Вольтов столб позволил совершить множество открытий, но для практического применения он абсолютно не пригоден. Первым практически значимым гальваническим элементом стал элемент Даниэля-Якоби и его многочисленные модификации, дающие стабильное напряжение около 1.1В. Позже был разработан цинково-марганцевый элемент Лекланше, сначала в жидкостном, а затем и в сухом варианте, доживший до наших дней как солевые и щелочные батарейки. Подобные элементы хорошо подходят для питания телеграфов, звонков и осуществления электрохимических процессов типа гальваностегии или гальванопластики.

В тех же областях, где были необходимы более серьезные токи, почти повсеместно использовались элементы Грове или Бунзена (цинк-азотнокислотные), или Поггендорфа (цинк-хромовый). Использование сильных окислителей – азотной или хромовой кислоты — как деполяризатора позволяло получать высокую разность потенциала (1,9-2,1В), а низкое внутреннее сопротивление – высокие токи разряда.

Попаданцу, скорей всего, цинк окажется недоступным (хотя, если удастся найти цинковые руды, сам процесс выплавки осуществить достаточно просто), поэтому придется ориентироваться на более распространенные материалы. Основная проблема, с которой столкнется попаданец при попытке соорудить гальванические элементы на железе – это получение самого железа в подходящей форме. Кричное железо, а тем более чугун малоприменимы из-за своей неоднородности – шлаковые включения сильно повышают сопротивление и мешают контакту металла с электролитом, а участки с разным содержанием углерода (тем более вкрапления угля или графита) будут создавать локальные гальванические пары, поэтому значительная часть железа будет расходоваться на саморазряд, а не на совершение полезной работы во внешней цепи. Лучше всего использовать губчатое железо, получаемое восстановлением оксидов железа генераторным газом (CO), однако над конструкцией печи нужно будет хорошо подумать.

Если заменить цинк в элементе Даниэля на железо, меньший восстановительный потенциал пары Fe(0)/Fe(2+) приведет к снижению ЭДС до 0,7 В, при этом все недостатки останутся, в первую очередь необходимость эффективного разделения анодного и катодного электролитов и увеличение из-за этого внутреннего сопротивления. А вот в щелочном варианте медь-железный элемент выглядит гораздо привлекательней. В таком элементе железный анод будет окисляться до Fe(OH)₂(как в железо-никелевом аккумуляторе), а на катоде будет происходить восстановление оксида меди CuO до металлической меди (аналогичный анод использовался в медь-цинковом элементе Эдисона-Лаланда). ЭДС такого элемента будет несколько ниже, около 0.6В, но низкое сопротивление ячейки, в которой нет диафрагмы, и высокая проводимость катода, в ходе разряда превращающегосяся в металлическую медь, позволят получать высокие значения силы тока. После разряда медный катод легко регенерировать обжигом на воздухе, при котором пористая медь окислится до оксида.

Еще более интересный для попаданца вариант — это железо-железный элемент, в котором на аноде протекает окисление металлического железа до ионов железа (II), а на катоде — восстановление железа (III) в железо (II), т.е., деполяризатором является трехвалентное железо. ЭДС такого элемента — около 1.2 В, а использование растворимого деполяризатора позволяет получать приличную силу тока (в последние годы железо-железный элемент рассматривается как дешевая система для буферного хранения энергии, однако полной обратимости железного анода пока достичь не удается).

Конструктивно такой элемент тоже очень прост — железо можно поместить в пористый керамический сосуд и добавлять по мере расходования, а сам керамический сосуд — в емкость большего размера с раствором соли железа (III) и кусками графита или кокса. Диффузия катодного раствора в область анода не приведет к нарушению работы элемента (как случается в элементе Даниэля, когда на цинковом электроде осаждается медь, вызывая постоянный саморазряд), а лишь вызовет расход небольшой части железа для восстановления ионов железа (III), поэтому пористый сосуд можно сделать очень тонким, что существенно снизит внутреннее сопротивление.
Пространство между внешним и внутренним сосудом останется заполнить кусками графита или кокса в качестве инертного электрода. В качестве соли трехвалентного железа можно использовать или хлорид, или сульфат. Последний очень доступен — он получается при выветривании железного колчедана, при обжиге пирита с солью, при растворении оксида железа (III) (например, гематита) в серной кислоте, или просто при окислении раствора железного купороса кислородом воздуха. В этом случае цикл вообще можно замкнуть, поскольку купорос и получается в ходе работы элемента.

Свинцово-кислотный аккумулятор

kraz — Sun, 12 Mar 2017 23:32:54 +0000

Наш человек жизнь без электричества представляет плохо. А создать гальваническую батарею особой сложности не составляет (хотя и очень дорого по тем временам).

Но в то же время — создать простейший генератор тоже задача не космической сложности, вопрос только в открытии электромагнитной индукции, а эта задача чисто теоретическая. Но как только появится генератор, сразу возникает вопрос — а можно ли хранить электричество впрок?..

Устройство свинцово-кислотного аккумулятора примитивно. Есть две свинцовые пластины — электроды. На аноде чистый свинец, на катоде — диоксид свинца. И серная кислота (25—34% раствор) как электролит. При работе аккумулятора металлический свинец превращается в сульфат свинца, а при зарядке он восстанавливается. На этом, фактически, все. Хотя на самом деле внутри происходят десятки побочных химических реакций. Например, необратимое накопление сернокислого свинца в массе электродов, что со временем «убивает» аккумулятор.

На самом деле, конечно, не все. Современный свинцовый аккумулятор, как правило, намазный. У него остов электродов из свинца с кальцием (чтобы снизить вес) и сурьмой, а в пустотах каркаса — свинец в виде пасты. Для одного электрода чистый губчатый свинец, а для второго оксид свинца. Пасту изготавливают из порошка свинца (или оксида свинца), замешанного на серной кислоте. Причем эта технология была предложена в 1880-м году и с тех пор эти аккумуляторы изготавливаются промышленно.

На картинке — первый изобретенный аккум, автор Гастон Планте, 1859-й год.
Он был очень примитивен, скрученные пластины из свинца, разделенные полотняным сепаратором опускались в слабый раствор серной кислоты (не более 10%). Плохо представляю сколько выдерживало это полотно. При этом оксида свинца там не было, поэтому аккум приходилось много раз «тренировать», пока оксид свинца не отложится. Емкость такого аккума была просто слезной.

Сейчас много чего для этих аккумуляторов придумали — гели вместо кислоты, да и современные автомобильные аккумуляторы, в большинстве случаев необслуживаемые. Сейчас в них используется серебро и куча всяких нанотехнологических покрытый. Но сути это не меняет, аккумуляторы в сути своей не изменились с 1880-го года, просто за зарядом и разрядом их следят микроконтроллеры, которые не позволяют так просто убить аккум.
Вообще, контроллеры, которые следят за зарядом-разрядом это бешеное благо. При перезаряде свинцово-кислотного аккумулятора начинает идти электролиз воды и он выделяет даже не водород, а гремучий газ. На подводных лодках Первой Мировой были несчастные случаи из-за этого, взрыв в подводном положении это страшно.

А теперь смотрим на даты.
Аккумуляторы потоком производятся с 1880-го, изобретены 1859-м. А электромагнитная индукция найдена очень недавно — в 1831-м. При этом более-менее мощные генераторы появились с 1851-го, когда постоянные магниты заменили на электромагниты (при этом для питания этих электромагнитов использовался маленький генератор на постоянных магнитах). То есть по факту имеем: как только появился запрос на накопление электрической энергии, то тут же появилось и решение. Единственно — задержка на подбор самой эффективной технологии с намазными аккумуляторами, именно это и есть смысл патентовать попаданцу.

Если же он будет строить генератор в древности, то постройка аккумуляторов обязательна. Но помним про перезаряд, по крайней мере зарядную станцию нужно хорошо проветривать.

Опыты Гальвани

kraz — Fri, 30 Aug 2013 23:27:05 +0000

Если мы оказались в «доэлектрические» времена и хотим продвинуть использование электроэнергии, одним из направлений деятельности будет продвигание знаний среди научной интеллигенции того времени. Ну, или среди тех, кто считался за научную интеллигенцию в отсутствии науки.

Самым простым опытом для демонстрации будет один из тех, что проводил Луиджи Гальвани.
Однако, простой опрос говорит, что современный человек плохо понимает, что делал Гальвани, и ему почему-то кажется, что итальянец подключал лягушек к электрической батарее…

Во первых, Гальвани не изобретал гальванический элемент. И гальванометр тоже. И гальваническое покрытие в том числе. Первый гальванический элемент (вольтов столб) придумал, соответственно, Вольта.

Во-вторых, в интерпретации своих опытов Гальвани ошибался — и это в полушаге он верного решения!
Он придумал интересные эксперименты, но при этом умудрился ошибиться во многом, за что был нещадно критикован Вольтой.
Тут дело в том, что Гальвани был очень верующим человеком и искал в своих опытах подтверждение именно религиозных взглядов. Но природа очень хорошо умеет показать, что реальность не имеет ничего общего с придуманными богами. В общем — все как всегда.

Собственно, у Гальвани есть два основных опыта. Первый опыт больше связан с электричеством, а второй — с физиологией. Нас больше интересует первый.

Итак, в те времена уже знали, что электрический разряд с лейденской банки, поданный на препарированную лягушку, дает сокращение мышц лапки. Вообще, лейденская банка для попаданца вещь нужная, конденсатор придется строить в любом случае. Недостаток один — штука для древности дорогая, а нам еще нужно ее чем-то зарядить.
Поэтому нам нужен эксперимент, который «проймет» инвестора на расставание с крупной суммой.
Главный недостаток этого опыта — очень похоже на колдовство (а что в технологиях на колдовство не похоже?).

Итак, разбираем лягушку на части. Берем в руку биметаллический пинцет, состоящий из двух концов — медного и железного. Одним концом касаемся нерва в позвоночном столбе лягушки, а вторым концом касаемся лапки. Все. Лапка дергается.
Как это делается хорошо показано в советском учебном фильме:

В оригинале Гальвани подвешивал лягушку на медном крючке на балконную решетку, надеясь поймать «разлитое в воздухе животное электричество». Когда лапка касалась железной решетки, она дергалась.

Итак, что происходит?
Опыт распадается на две независимые части.
Во-первых — два конца биметаллического пинцета образуют гальваническую пару, для нее жидкость внутри лягушки — электролит. Они начинают вырабатывать свои треть вольта, а так как цепь замкнута, то через лягушку начинает течь ток.
Во-вторых — ток течет не просто через лягушку, а через ее нервы и дальше срабатывает стандартная физиологическая схема сокращения мышц.

Во втором опыте Гальвани забрасывает нерв на поврежденную часть мышцы и та сокращается. Это чистая физиология, для технаря-попаданца малоприменима.

Итак, для опыта Гальвани номер один нужна лягушка (бесплатно), железный гвоздь и медная монета.
Ничего технически сложного строить не надо — это прекрасный первый шаг.
И есть большой шанс, что деньги на полноценный гальванический элемент выделят, а то и на целую электрическую лабораторию, в которой можно много чего делать — например, брать серебро и покрывать его золотом с помощью гальваники…

Гальванический элемент, ячейка Джона Дэниэля

kraz — Tue, 09 Oct 2012 20:45:31 +0000

Если вы решили двигать вперед электротехнику в древнем мире, то багдадская батарея вас скоро перестанет удовлетворять.

При ее работе на медном электроде образуются пузырьки газа, которые сильно снижают ток. Вольтов столб имеет бОльшее напряжения из-за других металлов, но все равно от запузыривания не защищен. Остается одно — усовершенствовать вольтов столб и создать ячейку Джона Дэниэля…

Для ее создания, кроме того же цинка и меди, используемых в вольтовом столбе, необходима серная кислота, и поконцентрированней. Растворяя в ней цинк, получаем сульфат цинка, а растворяя медь — получаем сульфат меди. Оба вещества нам пригодятся.

Конструктивно ячейки Джона Дэниэля очень похожа на багдадскую батарею, только нам потребуются два глиняных горшка, вложеных один во второй. Особое внимание нужно уделить внутреннему горшку. Он должен быть тонкостенный и неглазурованный. Из такой глины в теплых странах делали горшки, которые охлаждали воду — через их пористые стенки испарялась вода и охлаждала содержимое. В нашем случае через эти пористые стенки будут проходить ионы, а сами сульфаты меди и цинка нет. Так мы разделяем один электролит на два — во внешнем горшке и во внутреннем.

В наружный горшок помещаем медный электрод и заливаем раствор сульфатом меди, это будет (+). Во внутренний горшок помещаем цинковый электрод и заливаем раствор сульфатом цинка, это будет (-). Можно просто вставить электроды и залить их серной кислотой — сульфаты металлов возникнут сами собой, но это уменьшит размеры электродов и свойства ячейки будут менее предсказуемы.

Все остальное делаем как в багдадской батарейке, да и применение такое же. Только здесь ток будет больше и много стабильнее, что важно для промышленного использования. Ячейка Джона Дэниэля была изобретена в 1836-м году, поэтому отрезок времени для ее внедрения очень большой, гальваническое покрытие в древнем мире может очень неплохо прокормить попадаца.

Гальванический элемент. Вольтов столб.

kraz — Sat, 21 Jul 2012 20:28:26 +0000

Если вы смогли получить цинк — то можно сделать гальванический элемент не на разности металлов «железо-медь», а на «цинк-медь». Так как в электрохимическом ряду элементов цинк стоит левее железа, то напряжение эта батарея будет давать больше — порядка 1.1 вольта.

Проще всего сделать именно вольтов столб, который состоит из медных и цинковых кружков, между которыми попарно проложено сукно, пропитанное кислотой. Несмотря на свою простоту, это более мощный источник тока, чем багдадская батарея.

В 1803 году, соединив 4200 медных и цинковых кругов, удалось получить 2500 вольт и зажечь электрическую дугу. Если повторить это ночью в полутемном храме — то можно организовывать секту, что сулит попаданцу много полезного.

Гальванический элемент. Багдадская батарея.

kraz — Sat, 21 Jul 2012 20:24:35 +0000

Простейший гальванический элемент несложно построить уже с началом железного века.
То есть во время Гомера или в Египте времен построения пирамид — это было бы почти невозможно, потому что железо было крайне дорогое (ну, если, конечно, не развить там металлургию железа). Но уже во времена Римской Империи это более чем возможно.

Более того, в Багдаде был найден сосуд, фактически являющийся гальваническим элементом и датируемый первым тысячелетием до нашей эры.
Есть предположения, что он применялся для электролитического покрытия серебряных предметов золотом.
Возьмем его за основу.

Итак, нам во-первых нужен обожженный глиняный горшок 10-15 см в высоту. К нему прилагаются железный стержень и мендный цилиндр — они будут электродами. Необходимо закрепить железный стержень внутри медного цилиндра так, чтобы они не касались друг друга и соеднинение не проводило электричество. В оригинале как диэлекрик для удержания электродов использовался природный асфальт, но в условиях средневековековой Европы подойдет древесная смола. Для удержания электродов придется сделать крышку с отверстиями под них. Съемная крышка необходима для доступа к электролиту. Электролитом может быть или соленая вода или кислота. В случае с соленой водой подойдет морская, ее желательно немного выпарить для повышения концентрации соли (ну или брать воду из Красного Моря, как одного из самых соленых). В случае с кислотой подойдет лимонный сок, даже возможен кислый яблочный. Также подойдет винный уксус. Эти электролиты относятся к слабым, поэтому особым качеством элементы блистать не будут. Электролит наливается непосредственно перед использованием и после работы его желательно слить, иначе коррозия быстро сожрет медь.

Такой элемент теоретически может дать напряжение в районе 0.7 вольта, но из-за внутреннего напряжения и слабого электролита не стоит ожидать более чем 0.3 вольта.
Кроме того, в электролите происходит поляризация и медный цилиндр покрывается пузырьками водорода, что снижает напряжение. Поэтому необходимо время от времени или трясти гальваническую батарею, или вынуть и вставить крышку с электродами.

Медный электрод — это будет «плюс», а железный электрод — это «минус».

Емкость элементов небольшая, как и напряжение. Да и ток не как у современного аккумулятора.
Поэтому будет необходимо соединять элементы в батареи — от десяти горшков единовременно. Если их соединить последовательно, можно получить в районе 5B. Десять горшков достаточно для покрытия золотом в течении 8 — 12 часов небольшого серебряного предмета.
Если совсем сорвет крышу и сделать батарею из порядка 5 тысяч горшков, то теоретически можно получить электрическую дугу. Использование дуги в древнем мире может дать поразительный психологический эффект. Также полезно разрешать верующим прикасаться к элементам под током, хотя тут психологический эффект будет слабее.