Огромная батарея Василия Петрова — невероятная история возникновения

Гальвани́ческий элеме́нт (электрохимическая цепь) — химический источник электрического тока, основанный на взаимодействии двух металлов и/или их оксидов в электролите, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока. Назван в честь Луиджи Гальвани. Переход химической энергии в электрическую энергию происходит в гальванических элементах.

Таким образом, гальванический элемент — это устройство, в котором энергия окислительно-восстановительной химической реакции превращается в электрическую.

История изучения гальванических процессов

Явление возникновения электрического тока при контакте разных металлов было открыто итальянским физиологом, профессором медицины Болонского университета (г. Болонья, Италия) — Луиджи Гальвани в 1786 году: Гальвани описал процесс сокращения мышц задних лапок свежепрепарированной лягушки, закреплённых на медных крючках, при прикосновении стального скальпеля. Наблюдения были истолкованы первооткрывателем как проявление «животного электричества».

Итальянский физик и химик Алессандро Вольта, заинтересовавшись опытами Гальвани, увидел совершенно новое явление — создание потока электрических зарядов. Проверяя точку зрения Гальвани, А. Вольта проделал серию опытов и пришёл к выводу, что причиной сокращения мышц служит не «животное электричество», а наличие цепи из разных проводников в жидкости. В подтверждение — А. Вольта заменил лапку лягушки изобретённым им электрометром и повторил все действия.
В 1800 году А. Вольта впервые публично заявляет о своих открытиях на заседании Лондонского королевского общества. В его эксперименте проводник второго класса (жидкий) находится в середине и соприкасается с двумя проводниками первого класса из двух различных металлов. Вследствие этого возникает электрический ток того или иного направления.

В состав гальванического элемента входят электроды.

Ионоселективные мембранные электроды

Гальванические элементы характеризуются электродвижущей силой (ЭДС), ёмкостью; энергией, которую он может отдать во внешнюю цепь; сохраняемостью.

Классификация гальванических элементов

Использованные источники питания различных типов и размеров

Гальванические первичные элементы — это устройства для прямого преобразования химической энергии, заключенных в них реагентов (окислителя и восстановителя), в электрическую. Реагенты, входящие в состав источника, расходуются в процессе его работы, и действие прекращается после расхода реагентов. Примером гальванического элемента является элемент Даниэля—Якоби.

Широкое распространение получили марганцево-цинковые элементы, не содержащие жидкого раствора электролита (сухие элементы, батарейки). Так, в солевых элементах Лекланше цинковый электрод служит анодом, электрод из смеси диоксида марганца с графитом служит катодом, графит служит токоотводом. Электролитом является паста из раствора хлорида аммония с добавкой муки или крахмала в качестве загустителя.

Щелочные марганцево-цинковые элементы, в которых в качестве электролита используется паста на основе гидроксида калия, обладают целым рядом преимуществ (в частности, существенно большей ёмкостью, лучшей работой при низких температурах и при больших токах нагрузки).

Солевые и щелочные элементы широко применяются для питания радиоаппаратуры и различных электронных устройств.

Литий-ионный аккумулятор сотового телефона

Вторичные источники тока (аккумуляторы) — это устройства, в которых электрическая энергия внешнего источника тока превращается в химическую энергию и накапливается, а химическая — снова превращается в электрическую.

Одним из наиболее распространённых аккумуляторов является свинцовый (или кислотный). Напряжение одного элемента свинцового аккумулятора — около 2 Вольт. Электролитом является 25—30 % раствор серной кислоты. Электродами кислотного аккумулятора являются свинцовые решётки, заполненные оксидом свинца, который при взаимодействии с электролитом превращается в сульфат свинца (II) — PbSO4.

Также существуют щелочные аккумуляторы: наибольшее применение получили никель-кадмиевые и никель-металлгидридные аккумуляторы, в которых электролитом служит гидроксид калия (K-OH).

В различных электронных устройствах (мобильные телефоны, планшеты, ноутбуки), в основном, применяются литий-ионные и литий-полимерные аккумуляторы, характеризующиеся высокой ёмкостью и отсутствием эффекта памяти.

Электрохимические генераторы (топливные элементы) — это элементы, в которых происходит превращение химической энергии в электрическую. Окислитель и восстановитель хранятся вне элемента, в процессе работы непрерывно и раздельно подаются к электродам. В процессе работы топливного элемента электроды не расходуются. Восстановителем является водород (H2), метанол (CH3OH), метан (CH4); в жидком или газообразном состоянии. Окислителем обычно является кислород — из воздуха или чистый.
В кислородно-водородном топливном элементе с щелочным электролитом, происходит превращение химической энергии в электрическую.
Энергоустановки применяются на космических кораблях: они обеспечивают энергией космический корабль и космонавтов.

Часто химические источники тока применяются в составе батарей (батареек).

Петров, Василий Владимирович

Василий Петров родился в семье приходского священника. Учился в Харьковском коллегиуме, затем в Санкт-Петербургской учительской семинарии.

В 1788 году был назначен учителем математики и физики в Барнаульское горное училище.

В 1791 году переведён в Санкт-Петербург на должность преподавателя математики и русского стиля в инженерном училище при Измайловском полку.

В 1793 году был приглашён Санкт-Петербургской медицинской коллегией преподавать математику и физику в Санкт-Петербургском медико-хирургическом училище при военно-сухопутном госпитале.

В 1801 году появился первый печатный труд В. В. Петрова «Собрание физико-химических новых опытов и наблюдений». Немалый научный исторический интерес представляют его статьи «о свечении фосфоров животного и минерального царств». За первый учёный труд он был удостоен звания ординарного профессора.

Важными результатами этих опытов представляются описания электролиза окислов металлов (ртути, свинца, олова), растительных масел, алкоголя и воды. Изучая электропроводимость различных веществ, Петров впервые употребил термин сопротивление как физической величины, характеризующей свойства вещества препятствовать прохождению электрического тока. В опытах по электролизу он первым обратил внимание на различные свойства полюсов батареи, поставив вопрос: «определить направление движения гальвани-вольтовской жидкости».

Электрическая дуга в воздухе

Если на стеклянную плитку или на скамеечку со стеклянными ножками будут положены два или три древесных угля, способные для произведения светоносных явлений посредством гальвани-вольтовской жидкости, и если потом металлическими изолированными направителями (directores), сообщёнными с обоими полюсами огромной баттереи, приближать оные один к другому на расстояние от одной до трёх линий, то является между ними весьма яркий белого цвета свет или пламя, от которого оные угли скорее или медленнее загораются и от которого тёмный покой довольно ясно освещён быть может.

В 1804 году издал свой третий труд «Новые электрические опыты», посвящённый исследованию электричества от трения. Все указанные работы поставили Петрова в ряд выдающихся русских учёных XIX века.

В 1803 году был избран корреспондентом Академии Наук, а в 1807 году, по предложению академика Л. Ю. Крафта, избран членом академии (его преемником в 1834 году был назначен Э. Х. Ленц). Многочисленные физические, химические и метеорологические исследования Петрова опубликованы в изданиях Петербургской Академии Наук. Под редакцией Петрова в 1807 году издан перевод учебника физики Шрадера («Начальные основания физики для употребления в гимназиях»). Этим учебником пользовались до начала 1830-х годов. По отзывам современников, Петров был прекрасным лектором и одарённым руководителем.

После смерти учёного Конференция Академии, памятуя его многолетнюю преподавательскую деятельность и учёные заслуги, выразила желание почтить его память установкой надгробного памятника. Однако это решение было забыто.

Только в 1892 году, при обустройстве Императорской военно-медицинской академией центрального электромашинного здания для электрического освещения, Конференция с Высочайшего соизволения посвятила всё сооружение электрического устройства памяти Петрова и установила по этому случаю в машинном зале особую мраморную доску с соответственной надписью.

Центральная площадь города Обояни, родины В. В. Петрова, носит его имя.

Батарея Василия Петрова

Профессор Василий Петров сосредоточил свои усилия на создании прибора, способного дать высокое напряжение. Ему удалось создать большую батарею, состоящую из тысяч медных и цинковых элементов. Батарея была способна давать электрический ток напряжением до 1700 Вольт. С помощью  батареи удалось получить мощный электрический разряд, электрическую дугу. Изобретения Василия Петрова дали начало развитию многих направлений в науке и технике.

Конструкция батареи Василия Петрова

Профессор Петербургской медицинской академии Василий Владимирович Петров занимался изучением теории электричества. Он глубоко изучил труды Вольта и сделал перевод их на русский язык. Петров изучал различные приборы, построенные по принципу Вольтова столба. Он проводил многочисленные опыты с различными материалами пластин и вариантами электролитов. Он решил создать очень мощный источник электричества. В 1802 году на деньги медицинской академии  Петров начал создание самой большой гальванической батареи. Батарея Василия Петрова имела большие размеры. Основными элементами батареи стали 4200 медных и цинковых дисков размером 35 миллиметров. В качестве электролита использовался нашатырный спирт.

Конструктивно батарея состояла из  деревянного ящика, изготовленного из твердой древесины красного дерева. Ящик был покрыт изолирующим слоем из различных смол. Гальванические элементы  состояли из металлических дисков и бумажных  кружков, пропитанных нашатырным  спиртом. Элементы располагались горизонтально в несколько рядов.

Батарея имела надежную жесткую конструкцию и могла использоваться многократно.

Батарея создавала очень мощное напряжение, по различным оценкам от 1500 до 1700 Вольт. Петров фактически был первым, кто провел широкие исследования по теории электролиза как процесса выделения на электродах частей электролита под воздействием электрического тока. Ему удалось выяснить, что различные химические вещества и соединения ведут себя различным образом под действием электричества. Он провел электролиз некоторых веществ. Он установил, что для разных веществ требуется разное напряжение для осуществления процесса электролиза. Так для разложения воды требуется низкое напряжение в несколько вольт, а для электролиза масла необходимо около 1000 Вольт.  Василий Петров установил связь между эффективностью электролиза и температурой окружающей среды.

При более высокой температуре электролиз шел активнее. А аккумуляторная батарея давала больше тока.

Электрическая дуга Василия Петрова

Мощный источник электрического тока дал возможность ученному проводить  многочисленные исследования. Василий Петров использовал батарею для создания большой электрической дуги. Он провел опыты с различными материалами электродов. Петров изучал свойства материалов, помещенных между электродами. Он заложил основы теории электрической сварки металлов.

Практическое использование электрической дуги Петрова началось в 80-х годах 19 века. Павел Яблочков использовал дугу Петрова в конструкции «электрической свечи».  Он расположил между электродами угли и изолирующий слой, способный испаряться, это изобретение получило название  «Русский свет». Мощные электрические фонари, построенные по принципу электрической дуги, получили распространение в Европе.

Википедия о батарее Василия Петрова

Вот, что пишет народная энциклопедия об изобретениях Василия Петрова.

Цитата: Изучая электропроводимость различных веществ, Петров впервые употребил термин сопротивление как физической величины, характеризующей свойства вещества препятствовать прохождению электрического тока. В опытах по электролизу он первым обратил внимание на различные свойства полюсов батареи. Конец цитаты