Volta... i popłynął prąd
Anna Okoniewska, Grzegorz Karwasz
Dwusetna rocznica wynalezienia przez Aleksandra Voltę ogniwa ("woltaicznego", zwanego też stosem Volty) skłoniła nas do zaproponowania kilku doświadczeń, które niejako odtwarzają historyczne etapy odkryć w dziedzinie sposobów wytwarzania "elektryczności". Jest to propozycja dla nauczyciela fizyki w gimnazjum lub szkole średniej, jak w prosty sposób, bez większych wkładów pieniężnych, wzbogacić pracownię o nowe pokazy ilustrujące zjawiska z elektrostatyki, zasady działania ogniw galwanicznych i fotowoltaicznych. Niektóre z tych doświadczeń zostały zaprezentowane w trakcie XXXVI Zjazdu Fizyków Polskich w Toruniu.
Skarpety Symmera, czyli ładunki elektryczne
Słowo elektron wywodzi się z greckiego "bursztyn". Pocieranie przedmiotów: metalicznych - jak w szkolnej maszynie elektrostatycznej, czy izolatorów, jak bursztyn, lub siarkowa kula w XVII-wiecznych maszynach elektrostatycznych, jest najstarszym sposobem sztucznego wytwarzania prądu.
Robert Symmer, urzędnik na dworze królewskim w Anglii, w 1759 roku zaobserwował, że dwie skarpety z tego samego materiału (zdjęte z nogi) odpychają się, a skarpety z różnych materiałów przyciągają się. Ta banalna obserwacja była pierwszym dowodem na istnienie ładunków elektrycznych różnych znaków, w odróżnieniu od oddziaływania grawitacyjnego.
Foto 1 Chustka zdjęta z płaszcza jest naelektryzowana i przyciąga materiały z tworzyw sztucznych.
Różnego rodzaju maszyny "elektrostatyczne" - od pierwszej Otto von Guericke'ego w 1651 r (kula z siarki pocierana ręką), do generatora Van der Graffa (jedwabny pas przenoszący ładunki między metalowymi szczotkami) - są oparte na poodobnej zasadzie jak w "zjawisku Symmera".
W dobie tworzyw sztucznych bez trudu można znaleźć odpowiednią kombinacjię szalik - sweter - kurtka, które się przyciągają lub odpychają (foto 1). Powstające napięcia elektrostatyczne, np. po zdjęciu kurtki z tworzywa sztucznego, są tak wysokie, że bez trudu zniszczą komputer, o ile przed jego dotknięciem nie zadbamy o ich neutralizację (wystarczy dotknąć kaloryfera).
Ogniwo galwaniczne lub stos Volty
W 1791 roku, Luigi Galvani, lekarz z zawodu, zauważył, że mięśnie martwej żaby kurczą się, jeśli znajdują się między dwoma różnymi metalami, np. cynowym talerzem i srebrnym nożem. Galvani wykonał szereg doświadczeń na spreparowanych mięśniach żab pozostając w mniemaniu, że natura "elektryczności jest biologiczna, nie fizyczna". Eksperymenty doktora pobudziły ciekawość jego rodaka Aleksandra Volty, który w konsekwencji zbudował "stos".
Foto 2 Stos
Volty: po prawej - replika oryginalnego (foto G. K.), po lewej - z monet, np. 20 i 5 gr.,
przekładanych bibułą nawilżoną w słonej wodzie (20gr - 5gr - bibuła - 20gr
- 5gr itd.). Świeże monety, dobre kontakty i duży opór wewnętrzny użytego
miernika pozwalają na odczyt napięcia 4,5 V z 20 par monet.
Oryginalne ogniwo Volty - to pionowa kolumna monet dwóch rodzajów, ułożonych na przemian i oddzielonych (co druga) papierem nawilżonym w słonej wodzie, aż do stu takich par. Na wystawie w Paryżu w 1800 roku Volta pokazał zarówno stos, jak i ciąg ogniw z dwoma płytkami zanurzonymi w kwasie (foto 2). Volta pisał "W przypadku dwóch różnych metali możliwe jest, że jeden z nich absorbuje płyn elektryczny z ciała mokrego a drugi oddaje, powodując w ten sposób stan nierównowagi, czyli przepływ prądu".
Ogniwo Volty (czy też Galvaniego) jest bardziej urządzeniem chemicznym niż fizycznym: transport ładunku elektrycznego odbywa się za pośrednictwem reakcji chemicznych: redukcji (w terminologii fizycznej "przyłączanie elektronów") lub utleniania ("oddawania elektronów"). Na przykład w trakcie pracy ogniwa Zn/Cu atomy cynku z elektrody ujemnej przechodzą do roztworu a jony miedzi wytrącają się na elektrodzie dodatniej. Tzw. potencjały elektrochemiczne są cechą charakterystyczną metalu - a właściwie jonu w określonym roztworze. Dla przykładu, redukcja jednowartościowej miedzi Cu+ + e - Cu ma potencjał elektrochemiczny +0,521 V a miedzi dwuwartościowej Cu2+ + 2e - Cu ma potencjał +0,342 V. Potencjał tej samej reakcji, ale w roztworze rtęci (amalganacie) jest nieco inny, +0,345 V. Potencjał zależy też np. od typu fazy krystalicznej, np. potencjał reakcji tworzenia się gazu zwanego fosfiną (trującego, powstającego m.in. w trakcie gnicia śmieci) : P + 3H+ + 3e - PH3 wynosi -0,11V dla fosforu czerwonego, natomiast -0,06V dla fosforu białego.Do ilustracji zasady działania ogniwa Volty wystarczy stosik 20 i 5 groszowych monet oraz bibuła nasączona słoną wodą (foto 2), dwie jakiekolwiek płytki z różnych metali połączone przez ciało człowieka (foto 3), przez ziemię w doniczce z kwiatami, pomidor lub ziemniak (foto 4). Napięcie "voltaiczne" jest też przyczyną "kwaśnego" smaku metalowej temperówki: napięcie między aluminiowym korpusem a stalowym ostrzem, używając np. śliny jako elektrolitu, wynosi aż 1,08 V (foto 5).
Foto 3 Zestaw do badania "potencjału intelektualnego" uczniów: dwie kolumny płytek z różnych metali (stal, aluminium, miedz, blacha ocynkowana) i woltomierz. Płytki z obu kolumn są podłączone (przewodami pod deską) do dwóch biegunów miernika. Układ pozwala na ciekawe doświadczenia interakcyjne: jak mierzone napięcie zależy od rodzaju płytek, stanu ich powierzchni, czy wreszcie od stopnia przygotowania ucznia do odpowiedzi (wilgotności dłoni ?).
Foto 4 Zegar na warzywa. Zamiast cebuli i ziemniaka można użyć doniczki z kwiatami, cytryny, pomidora, ogórka lub jakiegokolwiek innego elektrolitu organicznego lub nieorganicznego - foto PAP Słupsk. Elektrody wykonane są z miedzi i aluminium.
Foto 5 Kwaśna temperówka - korpus z duraluminium a ostrze ze stali nierdzewnej, oddzielone bibułą nawilżoną śliną daje napięcie 1.08 V
Prądnica Faradaya
Andre Ampere, od którego nazwiska pochodzi jednostka natężenia prądu, pisał w 1802 roku:" Pomysł, że zjawiska elektryczne i magnetyczne mają tę samą naturę jest wręcz absurdalny". Zdanie to zamieścił w komentarzu do doświadczenia Romagnosiego, adwokata z Trento. Doświadczenie zostało zgłoszone na konkurs wynalazców rozpisany przez cesarza Napoleona. Romagnosi, ułożył stosik monet według recepty Volty, połączył końce ogniwa drutem, a w pobliżu drutu położył kompas. Zauważył "wpływ prądu na igłę". Zgłoszenie Romagnosiego w Paryżu nie wzbudziło zainteresowania i dopiero młody Oersted, obecny wówczas na konkursie, 15 lat później przeprowadził swoje słynne doświadczenie.
Kolejne 14 lat minęło jednak, zanim genialny chłopski syn z Anglii, Michael Faraday, nie odwrócił doświadczenia: nie tylko prąd wpływa na pole magnetyczne, ale i pole magnetyczne (zmienne) może generować prąd elektryczny. Zasadę zamienności prąd - pole magnetyczne ilustruje proste doświadczenie na rys.6, wykorzystujące cewkę Helmholtza.
Foto 6. Jeden i ten sam przyrząd, ramka z nawiniętym drutem, ilustruje zarówno prawo Faraday-Lenza (siłę elektomotoryczną indukcji E=-ndF/dt, gdzie n jest ilością zwojów) jak i siłę działającą na przewodnik z prądem w polu magnetycznym (siłę Faradaya, lub siłę Lorenza w przypadku swobodnych ładunków). Na ramkę o wymiarach 1m x 1m nawinięto około 100 zwojów miedzianego drutu o średnicy 1 mm (typowy drut transformatorowy).
Foto 6A. Zwojnica, zasilana prądem około 3-5 A (np. z akumulatora samochodowego) obraca się w polu magnetycznym Ziemi (jest przykładem silnika elektrycznego). Ponieważ w polu magnetycznym Ziemi (około 300 mGa =3.10-8T) moment siły jest rzędu 10-5 N.m, ramka obraca się bardzo powoli - z tego powodu wymaga zawieszenia na nici pod sufitem a przewody doprowadzające prąd muszą być odpowiednio giętkie.
Foto 6B W ramce obracanej nawet z umiarkowaną prędkością obrotową pojawia się siła elektromotoryczna rzędu kilku mV (ramka + pole magnetyczne Ziemi stają się prądnicą). Oczywiście, im szybszy obrót, tym większe napięcie generowane, ale trudniejszy odczyt na woltomierzu.
Ogniwa fizyczne
Przykładem ogniwa
"fizycznego", tzn. takiego w
którym polaryzacja elektrod jest zamienna (zgodnie z klasyczną definicją zjawiska fizycznego - jako "odwracalnego" a chemicznego jako "nieodwracalnego"), jest zjawisko termoelektryczne, odkryte przez Thomasa
Seebecka prawie równocześnie z
doświadczeniem Oersteda - w 1820 roku. Emisja termoelektryczna jest łatwiejsza do wytłumaczenia w przypadku emisji elektronów z metali do próżni - jak w katodzie kineskopu telewizyjnego. Elektrony w tym przypadku muszą pokonywać tzw. "pracę wyjścia" - rzędu kilku elektronowolt (2,7 eV dla Ba, około 4,7 eV dla Cu). Temperatura katody w kineskopie (pokrytej tlenkami baru) wynosi około 1000 K, temperatura katody tzw. "żarzenia bezpośredniego" (jak w starej lampie elektronowej) - 3000 K. Odpowiadają one średniej energii kinetycznej rzędu 0,1 - 0,3 eV, "arytmetycznie" zbyt małej do pokonania pracy wyjścia. Temperatura jest jednak pojęciem fizyki statystycznej - energia elektronów jest opisana funkcją rozkładu; energia elektronów w "ogonie" tej funkcji jest wystarczająca do pokonania przy wyjścia.
W zjawisku Seebecka (termoelektrycznym "wewnętrznym") zasada fizyczna jest podobna, z tym że "termoemisja" zachodzi w obu kierunkach (z metalu A do B i na odwrót) a praca wyjścia "netto" - różnica prac wyjścia z metalu A do B i z B do A w określonej temperaturze jest rzędu ułamków eV.
Foto 7. Do realizacji ogniwa termoeletrycznego są potrzebne trzy kawałki drutu - np. miedź / konstantan (lub żelazo) / miedź i dość dobry miernik (mierzone napięcia są rzędu mV). Ogrzanie jednago ze złącz np. płomieniem zapalniczki powoduje pojawienie się siły elektromotorycznej. Ogrzanie drugiego złącza zmienia znak powstającej siły elektromotorycznej.
Układ do badania efektu fotoelektrycznego w próżni
(np. firmy Leybold) jest kosztowny natomiast układ do badania efektu w
powietrzu wymaga zasilacza wysokiego napięcia, przez co jest
w warunkach szkolnych niebezpieczny. Istnieje inny, bardzo prosty i tani
sposób obserwacji efektu fotoelektrycznego - wewnętrznego (podobnego do zjawiska Seebecka) - za pomocą diody fotoluminescencyjnej.
Zasada tego doświadczenia korzysta z opisanej już wyżej odwracalności zjawisk: przepływ prądu powoduje elektrolizę roztworu (rozdzielenie elementów chemicznych); dyfuzja elementów chemicznych w przeciwnych kierunkach (w ogniwie Volty) powoduje powstanie napięcia. Dioda fotoluminescencyjna świeci wskutek rekombinacji nośników dodatnich (dziur) i elektronów w złączu dwóch półprzewodników; oświetlenie złącza światłem odpowiedniej energii powoduje generację par elektron-dziura, przemieszczających się w przeciwnych kierunkach (powstanie napięcia), foto 8. Foto 8 Wykorzystanie diody fotoluminescencyjnej jako źródła napięcia. Oświetlenie diody światłem o "odpowiedniej" długości fali (nie dłuższej niż emitowana przez diodę) powoduje powstanie napięcia na złączu półprzewodnikowym. W "idealnych" warunkach - małego oporu wewnętrznego diody i dużego oporu miernika, doświadczenie jest analogiem zjawiska fotoeletrycznego "zewnętrznego" - powstające napięcie nie zależy od natężenia światła a jedynie od rodzaju (koloru) diody. Mierzone napięcie odpowiada energii fotonów (w elektronowoltach) pomniejszonej o spadek napięcia na złączu p-n diody, około 0,8 V
Innym "fizycznym" sposobem generowania "elektryczności" jest efekt piezoelektryczny odkryty w 1880 r. przez Piotra i Jakuba Curie. Obserwowany jest on w izolatorach, których kryształy nie posiadają środka symetrii, np. w kwarcu. Ściskanie kryształu powoduje przesunięcie się środka ciężkości między ładunkami dodatnimi i ujemnymi - powstanie napięcia na przeciwległych ściankach kryształu. W odwróconym efekcie piezoelektrycznym, kryształ ulega deformacji pod wpływem przyłożonego napięcia. Częstotliwość rezonansowa drgań własnych kryształu zależy od jego rozmiarów - kwarc jest stosowany w układach elektronicznych (np. zegarków, komputerów, telefonów komórkowych) jako wzorzec częstotliwości. (zob. foto 9).
Foto 9. Zapalacz do gazu wykorzystujący efekt piezoelektryczny wytwarza napięcie kilku tysięcy V. Jeżeli do elektrod zapalacza podłączy się dwa długie druty, to taki układ staje się nadajnikiem (Morse'a). Jest to proste powtórzenie słynnego eksperymentu Hertza - doświadczalnego potwierdzenia istnienia fal elektromagnetycznych.
Ostatnim krokiem od ogniwa Volty do ery telewizji było odkrycie fal elektromagnetycznych, przewidzianych w latach sześćdziesiątych XIX wieku przez Jamesa Clerka Maxwella i potwierdzonych w doświadczeniu Hertza w 1888 roku (foto 10). Pierwsza transmisja radiowa została przeprowadzona przez Marconiego w 1899 roku. Do ilustracji rozchodzenia się fal posłużyć mogą dwa eksperymenty. Jeden z zapalniczką piezoelektryczną do gazu (foto 9), drugi z kulą plazmową ( foto 10).
Foto 10. Energia fal elektromagnetycznych generowanych przez kulą plazmową zapala lampę neonową. Przesłonięcie kuli przewodnikiem elektrycznym (folią aluminiową lub ręką) ekranuje fale; przez papier natomiast fale przenikają.
Baterie przyszłości
"Ogniwo Volty stało się fundamentem wszystkich współczesnych wynalazków" - mówił Albert Einstein z okazji uroczystości ku czci 100 rocznicy śmierci Volty w 1927 roku. Po dwustu latach - wszystkie, przenośne źródła energii nadal przypominają wynalazek Volty. Co więcej, niedoskonałość ogniw jest jednym z hamulców rozwoju samochodów z napędem elektrycznym, podręcznych komputerów i telefonii komórkowej.
Ogniwa odwracalne (akumulatory) wynalezione już w 1856 przez Gastona Plante, różnią się od stosu Volty tym, że zachodzące w nich reakcje elektrochemiczne są odwracalne. Najlepsze z nich, przewyższające akumulatory ołowiowe o czynnik 5 (stosunek pojemności do masy lub pojemności do objętości) wykorzystują lit - metal najbardziej elektroujemny ( -3.04 V w stosunku do elektrody wodorowej) i jednocześnie najlżejszy (gęstość właściwa 0,53g/cm3). W ładowalnych bateriach litowych elektrodą dodatnią jest tlenek litu i (najczęściej) manganu LiMnO2 a ujemną grafit. Nośnikami ładunku są jony litu.
Inną odmianą ogniwa Volty są jeszcze tzw. ogniwa paliwowe, wynalezione w 1839 roku przez Anglika Williama Grove'a. Ogniwa paliwowe są urządzeniami elektrochemicznymi, które przekształcają energię paliwa bezpośrednio w energię elektryczną i ciepło. Ich działanie polega na "odwróceniu" elektrolizy wody: do dwóch części ogniwa doprowadzany jest tlen i wodór gazowy. Są więc jak gdyby klasycznymi bateriami, w których w sposób ciągły jest dostarczane paliwo do anody (elektrody ujemnej) oraz utleniacz (najczęściej powietrze) do katody (elektrody dodatniej). Paliwem może być bezpośrednio wodór lub też związek zawierający duże ilości tego pierwiastka (gaz ziemny, metanol). Główna trudność konstrukcyjna polega na odseparowaniu obszarów utleniania i redukcji. Stosuje się w tym celu specjalne półprzepuszczalne membrany polimerowe.
Praktyczne problemy największych firm przemysłu elektronicznego, uczestniczących w wyścigu do zbudowania baterii przyszłości udowadniają jak skomplikowanym zagadnieniem naukowym są zjawiska elektrochemiczne.
* tytuł zapożyczony z wystawy "Volta, e la corrente fu" przygotowanej w 1999 roku na Uniwersytecie w Mediolanie [1,2]. Skrócony opis tej wystawy jest przedstawiony jest na serwerze internetowym PAP w Słupsku [3].
Literatura
- G. Bonera, M. Di Bias, M. Gargantini, P. Guaschi, E. Lunati, P. Mascherati, E. Sindoni, 1799:E la corrente fu., Meeting per l'amicizia fra i popoli, Rimini, 1999, Katalog wystawy, Universita'di Pavia.