Трактат об электричестве и магнетизме

Максвелл Джеймс Клерк

Для того чтобы жидкость вблизи от медного электрода постоянно была насыщена медным купоросом, нужно поместить кристаллы этого вещества в жидкость по соседству с электродом, так, чтобы при ослаблении раствора из-за осаждения меди могло растворяться больше кристаллов.

Мы уже убедились в необходимости того, чтобы жидкость вблизи от меди была насыщена сульфатом меди. Ещё более необходимо, чтобы та жидкость, в которую погружён цинк, была свободна от сульфата меди. Если сколько-нибудь этой соли доберётся до поверхности цинка, то соль восстановится и медь осядет на цинк. В этом случае цинк, медь и жидкость составляют небольшую цепь, и в этой цепи идёт быстрый электролитический процесс: цинк выедается за счёт процесса, который не вносит никакого вклада в полезное действие батареи.

Чтобы

этого не случилось, цинк погружают либо в разведённую серную кислоту, либо в раствор сульфата цинка, а для того чтобы раствор сульфата меди не мог смешаться с этой жидкостью, обе жидкости отделяются друг от друга перегородкой либо из пузыря (плёнки), либо из пористой глины. Эти перегородки не препятствуют электролизу, но в то же время эффективно предотвращают видимые течения, ведущие к смешиванию жидкости.

В некоторых батареях для предотвращения течений используются опилки. Однако эксперименты Грэхэма (Graham) показали, что если две жидкости разделены перегородкой такого типа, то процесс диффузии идёт столь же быстро, как и в случае непосредственного соприкосновения жидкостей, при условии, что видимые течения отсутствуют. По-видимому, если использовать плёнку животного происхождения, которая уменьшает диффузию, то она точно в том же отношении увеличит сопротивление элемента, потому что электролитическая проводимость представляет собой процесс, математические законы которого имеют ту же форму, что и законы диффузии, и то, что мешает одному процессу, должно в равной мере мешать другому. Единственное различие заключается в том, что диффузия имеет место всегда, в то время как ток идёт только тогда, когда батарея находится в действии.

Во всех вариантах батареи Даниэля сульфат меди в конце концов находит дорогу к цинку и портит батарею. Для того чтобы отсрочить этот исход на неопределённое время, сэр У. Томсон ⁸ осуществил следующую конструкцию батареи Даниэля [рис. 22].

⁸Proc. R. S., Jan. 19, 1871.

Рис. 22

В каждом элементе медная пластина положена горизонтально на дно. Сверху наливается насыщенный раствор сульфата цинка. Цинковый электрод имеет форму решётки и расположен горизонтально вблизи от поверхности раствора. Стеклянная трубка погружена в раствор вертикально, так что её нижний конец находится чуть выше медной пластины. В эту трубку насыпаются кристаллы медного купороса. Растворяясь в жидкости, они образуют раствор большей плотности, чем раствор только сульфата цинка, так что этот раствор большей плотности может дойти до цинкового электрода лишь путём диффузии. Эта диффузия замедляется с помощью сифона, состоящего из стеклянной трубки, заполненной хлопчатобумажным фитилём. Один конец трубки находится на полпути между цинком и медью, а другой конец опущен в сосуд, находящийся вне элемента, так что жидкость очень медленно вытягивается из элемента примерно с середины его глубины. Для поддержания уровня сверху при необходимости доливается вода или слабый раствор сульфата цинка.

Таким образом, большая часть медного купороса, который в процессе диффузии движется вверх через жидкость до цинка, вытягивается сифоном, не успев дойти до цинка, и цинковый электрод окружён жидкостью, почти свободной от медного купороса и, вдобавок, очень медленно движущейся вниз, что ещё больше замедляет подъём медного купороса. Во время работы батареи медь оседает на медной пластине, а ионы медленно движутся через жидкость к цинку, с которым и вступают в соединение, образуя сульфат цинка. При этом плотность жидкости у дна падает из-за отложения меди, а плотность жидкости сверху растёт за счёт добавления цинка.

Чтобы эти процессы не изменили соотношение плотности в слоях и не вызвали тем самым появление видимых течений в сосуде, нужно следить за тем, чтобы в трубку подавалось достаточное количество кристаллов сульфата меди и пополнять элемент сверху достаточно слабым раствором сульфата цинка, чтобы этот раствор был легче любого другого слоя жидкости, заполняющей элемент.

Батарея Даниэля далеко не является самой мощной из ныне используемых. Электродвижущая сила элемента Гроува равна ⁹ 192.000.000, Даниэля - 107.900.000 и элемента Бунзена - 188.000.000.

⁹ Все ЭДС в ед. CGSM, см. п. 358.- Примеч.ред.

Сопротивление элемента Даниэля, вообще говоря, превышает сопротивление элементов Гроува или Бунзена, имеющих те же размеры.

Эти недостатки, однако, более чем перекрываются во всех случаях, когда нужны точные измерения, потому что элемент Даниэля превосходит любое другое известное устройство в стабильности электродвижущей силы. Ещё одним преимуществом является способность работать в течение долгого времени, а также то обстоятельство, что элемент Даниэля при работе не выделяет никаких газов.

ГЛАВА VI

ЛИНЕЙНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТОКИ

О системах линейных проводников

273. Любой проводник может рассматриваться как линейный, если он устроен так, что ток всегда должен проходить одинаковым образом между двумя участками поверхности этого проводника, которые называются электродами. Например, массивный кусок металла любой формы, поверхность которого целиком покрыта изолирующим материалом, за исключением двух мест, где обнажённая поверхность находится в металлическом контакте с электродами, сделанными из хорошо проводящего вещества, можно считать линейным проводником. Действительно, если сделать так, что ток входит через один из электродов и выходит через другой, то линии тока определены и соотношение между электродвижущей силой, током и сопротивлением будет выражаться законом Ома, поскольку ток в любой части проводника будет линейной функцией E. Но если число электродов больше, чем два, то через проводник может проходить больше одного независимого тока и эти токи могут быть и не сопряжены друг с другом (см. п. 282а и 282б),

Закон Ома

274. Пусть E - электродвижущая сила в линейном проводнике, действующая от электрода A₁ к электроду A₂ (см. п. 69). Пусть далее C - сила электрического тока в проводнике, иначе говоря, пусть за единицу времени через любое поперечное сечение проводника проходит C единиц электричества в направлении A₁A₂, и пусть сопротивление проводника равно R, тогда Закон Ома выражается следующим образом:

E

=

CR

.

(1)

Линейные проводники, соединённые последовательно

275. Пусть A₁ и A₂– электроды первого проводника, и пусть один из электродов второго проводника находится в контакте с A₂ так что второй проводник имеет в качестве электродов A₂, A₃. Электроды третьего проводника можно обозначить через A₃ и A₄.

Обозначим электродвижущие силы, действующие вдоль этих проводников, через E₁₂, E₂₃, E₃₄ и т. д. для следующих проводников.

Пусть сопротивления соответствующих проводников равны R₁₂, R₂₃, R₃₄ и т.д. Тогда, поскольку проводники соединены последовательно, так что через каждый из них протекает один и тот же ток C, мы имеем по закону Ома

E

₁₂

=

CR

₁₂

,

E

₂₃

=

CR

₂₃

,

E

₃₄

=

CR

₃₄