14
Раз картошка, два картошка
АРТУР (ПРОФЕССОР ПРОТОН): Я ВКЛЮЧАЮ ЧАСЫ ПРИ ПОМОЩИ КАРТОФЕЛЯ.ПЕННИ: …А ЭТО НЕ РЕШАЕТ ПРОБЛЕМУ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КРИЗИСА?«ВОЗВРАЩЕНИЕ ПРОТОНА» (СЕЗОН 6, ЭПИЗОД 22)
Если бы. Печально, но скромная картошка не вырабатывает достаточно энергии на меру веса, чтобы решить мировую проблему с энергией. Вам бы понадобилось несколько тысяч тонн, чтобы выработать достаточно энергии для одной маленькой электрической машины (не килограммов, а тонн!), а караван прицепов для их перевозки вызовет проблемы со скоростью, я уже не говорю о парковке. Проблема не в том, что «картофельное электричество» как-то отличается от «батареечного», или «розеточного», или «электричества от молнии», или «электричества от трения воздушного шарика о волосы» – оно и не отличается. Просто обыкновенная картошка не в состоянии хранить или передавать достаточное ее количество.
Все электричество сводится к позиции и движению электрических зарядов. Из чего эти заряды сделаны, мы не знаем, знаем только, что они бывают двух видов и ведут себя в полной противоположности друг к другу. Бенджамин Франклин условно назвал эти виды «положительным» и «отрицательным», и мы продолжаем их так называть, потому что их поведение можно представить с помощью расчетов из положительных и отрицательных чисел и потому что мы так и не придумали названий получше.
В электричестве, как и в жизни (и уж точно как в «Теории Большого взрыва»), противоположности притягиваются. Положительно заряженный объект и отрицательно заряженный объект почувствуют взаимное притяжение. Не важно, что вмешается, чтобы развести их в стороны, эта сила снова сводит их вместе. Объекты, чьи электрические заряды имеют тот же знак (оба положительных или оба отрицательных), почувствуют взаимное отталкивание. Если что-нибудь вмешивается, чтобы свести их вместе, эта сила снова их отталкивает. Мощность этой двунаправленной силы подпадает под пропорцию 1/r2, квадрат расстояния между объектами, точно так же как и сила тяжести (см. главу 6).
Как оказалось, все протоны имеют заряд +1, а у всех электронов заряд –1. Положение каждой частицы молекулы имеет важное значение, но на больших расстояниях эффект накладывается, как будто все заряды были сложены вместе. Суммарный заряд объекта, будь это атом или воздушный носитель, равняется сумме всех его зарядов. Так что атом с одинаковым количеством протонов и электронов (исходное состояние) не имеет суммарного заряда, тогда как атом с неравным количеством электронов и протонов (называемый ион) всегда имеет ненулевой суммарный заряд.
Суммарный заряд практически всех повседневных предметов остается близким к нулю, поскольку избыток любого из видов заряда обычно вызывает обмен свободными электронами (электронами, не привязанными ни к какому атому) между предметами и их окружением, приводя к дисбалансу. Можно увидеть драматичную демонстрацию этого эффекта в так называемой зарнице, при которой сильные порывы ветра внутри грозовой тучи разбивают электрически нейтральные капельки воды на потоки отрицательно и положительно заряженных ионов. Лишние электроны в отрицательных потоках отталкиваются друг от друга и притягиваются к положительным потокам. Когда потоки растут, собирается все больше ионов, пока вся эта драма не достигает своей кульминации.
Свободный электрон – электрон, который – по крайней мере временно – не привязан к атому.
Электроны – это бродяги субатомного мира; в отличие от атомов и ионов, они могут свободно проходить сквозь многие материалы, перепрыгивая от соседнего атома к атому. Приборы, работающие от электричества, работают путем улавливания энергии от движения электрических зарядов, как правило, свободных электронов, бегущих по металлам и полупроводникам. А откуда берутся все эти свободные электроны? Очень часто из генераторов и батарей – приборов для отделения заряженных частиц. Генераторы работают по механическим принципам, а батареи – по химическим.
Генератор – прибор, который разделяет заряженные частицы механическим способом, например, используя двигающийся магнит, чтобы тянуть их вдоль провода или откладывать их на движущуюся ленту и снимать их в другом месте.
Батарея – прибор, который разделяет заряженные частицы химическим путем, например ионизацией некоторых собственных атомов и продвижением полученных ионов и свободных электронов.
В каждой из двух частей батареи находится химикат (электролит), который реагирует на материал (электрод) таким образом, что отделяет положительные заряды от отрицательных, забирая на один больше от одного, чем от другого, оставляя электрод с суммарным зарядом. (Например, кислотный электролит может постепенно эродировать металлический электрод, срывая с него целые атомы и оставляя некоторые электроны. Положительно заряженные ионы металла попадают в кислоту, и остаток электронов дает электроду, или тому, что от него осталось, отрицательный заряд.) Чтобы заряды двух электродов были разными, в каждой части батареи используется разный химический процесс. (Отметки + и − на каждом полюсе батареи не обязательно символизируют их суммарный заряд; они только обозначают их «отношение друг к другу».)
Кто съел мою фольгу?Когда лазанья (или другое подобное блюдо) хранится на стальном противне и накрыто алюминевой фольгой, она может неожиданно превратиться в «лазаньевый аккумулятор». Противень и фольга выступают в качестве электродов этой (не очень эффективной) батареи, а кислотный томатный соус является электролитом. Если химическая реакция будет продолжаться, она может проделать дыры в фольге и отложить черные пятна оксидированного алюминия на еде. Вкуснятина!
Представьте, что вы свободный электрон и химический или механический процесс направил вас в отрицательный полюс батареи или генератора. Вы окружены остальными свободными электронами и, возможно, некоторыми отрицательными ионами, каждый из них отталкивает вас своей отрицательностью. Тем временем в положительном полюсе толпа положительно заряженных ионов манит вас к себе, при этом отталкивая друг друга. Больше всего на свете вам хочется ринуться через всю батарею или генератор в объятия милого положительного иона. Но увы, те же процессы, которые вначале создали и разделили вас, теперь держат вас на расстоянии. И как же быть, о мой субатомный Ромео?
При условии, что два полюса находятся в электрической цепи (скажем, двумя проводами, ведущими к мотору, или лампочке, или стереосистеме), вы можете пройти кружным путем, следуя по пути (в прямом смысле) меньшего сопротивления. Вы выйдете из батареи или из генератора по проводу, пройдете сквозь внутренности прибора (отдавая немного кинетической энергии по дороге) и вернетесь по второму проводу в положительный полюс, где вас ожидает возлюбленная (-ые). Более того, вам вовсе не придется бежать в одиночку; электрон в дальнем проводе с радостью прыгнет в положительный полюс, чтобы уступить место электрону, идущему за ним, который в свою очередь уступает место электрону за ним и так далее, дойдя до вашего края, где электрон на самом кончике провода продвинется немного глубже, уступая вам место для прыжка. Энергия, которая создает весь этот процесс, происходит от толчков отрицательных соседей и притяжений от положительных воздыхателей. И именно так движется электрический ток.
Картошка не в состоянии произвести достаточно электрических толчков и притягиваний, чтобы включить большой тяжелый механизм традиционных стрелочных часов, но она в состоянии справиться с небольшими требованиями маленьких электронных или наручных часов (со светодиодными или жидкокристаллическими цифрами). Электроэнергия – это комбинация силы тока и напряжения: сила тока измеряет, сколько электронов проходит сквозь внутренности прибора за секунду, а напряжение измеряет, сколько энергии используется для продвижения каждого электрона. Электронные часы требуют гораздо меньше энергии, чем механизм стрелочных часов, поэтому они могут работать с источником энергии, поставляющим меньшее количество электронов в секунду (сила тока) с меньшей энергией на каждый электрон (напряжение), таким источником и может быть картошка.
Сила тока – мера электрического тока.Напряжение – мера электрической силы.
Максимальное напряжение и сила тока батареи определяются скоростью и интенсивностью химических процессов, с помощью которых происходит разделение и распределение зарядов по полюсам. Пока у батареи нет нагрузки, у иона или свободного электрона нет желания толпиться в замкнутом пространстве, полном ионов и свободных электронов, отталкивающих друг друга. В какой-то момент отталкивание пересиливает химический процесс, и заряды больше не могут собираться. В случае если кислота отсоединяет положительные ионы от металла, суммарный отрицательный заряд электрода растет, пока он не начинает притягивать ионы обратно с той же скоростью, с какой они отсоединяются.
Когда у батареи появляется нагрузка и электроны начинают перетекать из отрицательного полюса в положительный, суммарный заряд в обоих полюсах приближается к нулю, освобождая место для сбора новых электронов и ионов. Если батарея не может восполнять заряды по мере их оттока, напряжение падает, сила тока падает, батарея рушится (на колени, в переносном смысле), и все приходит к концу. Силу тока можно уступить в пользу напряжения, как происходит, когда катушка зажигания в машине превращает интенсивную силу тока, исходящую от батареи с низким напряжением, в слабый ток с гораздо более высоким напряжением. Тогда как батарейка в фонарике производит низкую силу тока с низким напряжением, поэтому несколько батареек для фонарика не могут заменить аккумулятор в машине. Их химические процессы не могут предоставить достаточно электронов с высокой энергией в секунду, чтобы удовлетворить огромные потребности мотора в электричестве. Слабый ручеек электричества из картошки будет еще более слабым; он почти может достичь напряжения хиленького фонарика (где-то около одного вольта), но силы тока в ней будет не больше одного процента от процента. Бедолага-картошка совсем не жарит. Как же нам выжать больше из нашего корнеплода? Давайте копать поглубже.
Обычная комбинация электролита и электрода называется полуэлементом. Если расположить два полуэлемента вместе таким образом, что ионы и/или электроны могут перемещаться в электролитах, получится двухэлектродная структура, называемая аккумуляторным элементом, аккумулятор состоит из одного или более таких элементов. Например, двенадцативольтный аккумулятор состоит из шести двувольтовых аккумуляторных элементов, тогда как девятивольтовая батарейка, которой мы пользуемся в хозяйстве (кстати, не помешало бы ее заменить в вашем детекторе дыма) состоит из шести крошечных цилиндрических элементов на 1,5 вольта, выстроенных в два ряда по три.
Полуэлемент – один электрод с электролитом.Аккумуляторный элемент – два полуэлемента со связанными электролитами.Аккумулятор – один или более связанных электрически аккумуляторных элемента.
Два полуэлемента, связанные в один элемент, могут содержать или два разных электродных материала, или два разных электролита, или и то и другое; главное, чтобы электроды оставались с разным напряжением. В случае с картофельной батареей у нас два разных электродных материала купаются в общем электролите – в собственном соку картофельной фосфорной кислоты. Но эта кислота очень слабая, и у нее есть доступ лишь к небольшому количеству металла, поэтому она и не производит огромную силу тока или напряжение. Что нам нужно, так это больше… картофеля.
Как замесить батарейную смесь
Технология производства батарей существует уже несколько веков, но неисследованные границы химии настолько огромны, что новые электролиты и электроды продолжают появляться. Недавние прорывы в компромиссе между весом и мощностью аккумуляторных батарей сделали электрические машины более популярными. Бо́льшая часть этого развития перенаправляется или тормозится автомобильными производителями (сестра Раджа Прия даже помогает создать «финансовые инструменты, которые позволят заграничным автомобильным компаниям застраховать свои вложения на случай новых разработок в технологии изготовления аккумуляторных батарей» ).
Самые распространенные электролиты включают в себя щелочную пасту в батарейках, серную кислоту в аккумуляторах и литиевую соль в некоторых батареях для мобильных телефонов. Есть даже батарея, которая работает на урине человека. Главное, чтобы электролиты создавали положительные и отрицательные заряды через химическую реакцию с электродами, а электроды достигали разного напряжения. (Вы не ослышались, урина.)
По этой причине, если аккумуляторный элемент содержит только один электролит (как в случае с картофельной батареей и ей подобных лимонной и кислокапустной батарей), то два электрода должны быть сделаны из разных металлов. Любые непохожие металлы обычно работают хорошо, например проволока и гвоздь или монетка и скрепка для бумаг, два современных (медноцинковых) пенса, с одного из которых нужно соскрести немного меди.
(Да, урина. Проехали уже.)
Важно, как аккумуляторные элементы соединяются в батарее. Соединив несколько из них последовательно (отрицательный полюс присоединяется к положительному другого элемента), можно получить гораздо более высокое напряжение, чем используя только один элемент, но максимальная сила тока останется такой же. Установив их параллельно (отрицательные к отрицательным и положительные к положительным), мы получим такое же напряжение, что и в единственном элементе, но с бо́льшей максимальной силой тока. Соединив обе эти схемы, мы получим два в одном. Мы сможем увеличить напряжение, соединив несколько картошек в цепочку; затем мы сможем увеличить силу тока, смастерив несколько сотен таких наборов и соединив их параллельно, затем сделав несколько таких конструкций и соединив их в цепочку. Или это же можно сделать по-другому: соединить несколько сотен картошек параллельно, затем сделать несколько таких конструкций и соединить их в цепочку.
И теперь мы наконец сможем зажечь фонарик, или запустить небольшой моторчик, или включить какую-нибудь ужасную музыку.
Между прочим, картошка – не единственная среди самодельных батарей, хотя ей бы наверняка хотелось заставить нас думать обратное . На самом деле, она просто выступает твердой подставкой для двух металлических электродов в химической ванне. Мы можем с тем же успехом использовать апельсин или черствый пончик с вареньем. Или губку, смоченную в уксусе, антациде или средстве для чистки духовых шкафов.
Или да, в урине.
Три картошки, соединенные двумя способами. Слева: соединение их последовательно утраивает их напряжение. Справа: соединение их параллельно утраивает их максимальную силу тока
эврика! @ caltech.edu
Горючая смесь
Топливные элементы – это еще один тип твердотельного устройства для передачи электрической энергии. Как и батареи, они работают, временно отделяя электроны от их атомов, чтобы они могли принести пользу в сумасшедшей спешке воссоединения. Но если «топливо» батареи полностью автономно в своей форме твердого металла, эродируемого химическим путем, то топливо для топливного элемента должно закачиваться извне.
Когда атомы топлива поступают в элемент, они проходят через материал, который срывает с них электроны. В результате положительно заряженные ионы проходят сквозь материал, который непроницаем для свободных электронов; в конце концов, электроны вынуждены идти кружным путем по электрической цепи. В противоположной стороне материала вновь появившиеся ионы встречают вернувшиеся электроны в присутствии еще одной субстанции извне, как правило, кислорода, содержащегося в атмосфере. Все три ингредиента соединяются, и полученные молекулы выбрасываются из элемента как отходы.
Калтеховка Соссина Хейл исследует твердотелые ионные материалы с целью их использования в производстве термохимического топлива. Она изобрела особый тип твердотелого кислотного топливного элемента, в котором ионизированное топливо проходит процесс, называемый суперпротонный фазовый переход . Как и многие топливные элементы, ее создания могут работать на простом и доступном водороде, и в этом случае то, что выходит из выхлопной трубы элемента, оказывается обыкновенной водой. Чтобы доказать это, Хейл однажды выпила то, что вытекло из топливного элемента. Рискните проделать то же самое с аккумулятором вашей машины! (Хотя лучше не надо.)
Концепция топливного элемента существует уже почти два столетия, но только недавно улучшенные производственные технологии и более низкие затраты превратили ее в привлекательную альтернативу производства энергии. А почему бы и нет? Водород дешев, легок в обращении и имеется в избытке; более того, это один из двух наиболее распространенных элементов во Вселенной. (Второй, по мнению писателя Харлана Эллисона и музыканта Фрэнка Заппы, это глупость.)
Бескрайние просторы
«Я ощущаю некое родство души с любым, кто безрассудно тратит свое техническое образование на… создание искусства».
Роберт Лэнг (выпускник Калтеха 1982 года, защитил докторскую в 1986-м) изучал электрическую инженерию и прикладную физику и написал самостоятельно и в соавторстве более 80 научных работ. Но он не мог избавиться от своей детской страсти: оригами – древнее японское искусство складывания бумаги.
С помощью своего глаза, заточенного на инженерию и искусство, он разработал компьютерную программу, чтобы создавать трехмерные модели для оригами различной сложности. В то же самое время он начал использовать принципы оригами для решения инженерных проблем. В настоящее время он занимается искусством оригами и работает консультантом по складывающимся конструкциям, от суперкомпактных подушек безопасности в машинах до линзы космического телескопа, которая помещается в ракету, а потом разворачивается до размеров футбольного поля.
Будучи автором нескольких книг по оригами, Лэнг создал более 500 оригинальных дизайнов. Среди них есть динозавры, скорпионы и часы с кукушкой («Они работают! Они показывают правильное время дважды в день!»), и каждый из них – как и требует этикет оригами – складывается из отдельного листа бумаги, без клея, без разрезов и без надрывов.
Назад: 13 Будь проще
Дальше: 15 Смуты и Уитоны
