Źródła elektryczności

Źródła elektrostatyczne

Pierwszą maszyną elektrostatyczną była siarkowa kula pocierana ręką (Otto von Guericke w 1651). Do wytwarzania napięć elektrostatycznych rzędu miliona woltów służą generatory Van de Graaffa, nietrudne do zbudowania nawet w szkolnym warsztacie. Dla wykazania istnienia ładunków elektrostatycznych różnych znaków można użyć lekkiego szalika z nylonu, zdjętego np. z wełnianego płaszcza - dwa końce szalika odpychają się, natomiast są przyciągane przez obiekty zewnętrzne (wskutek polaryzacji). Plewy ziaren noszone w plastikowych siatkach "przyklejają" się do ścianek, kawałki styropianu do wnętrza plastikowej butelki itp. ([2]).

Napięcia elektrostatyczne rzędu dziesiątek tysięcy woltów wytwarza również piezoelektryczny zapalacz do gazu. Za jego pomocą (i dwóch szklanych bombek choinkowych) można zademonstrować prawo Coulomba - odpychanie i przyciąganie się ładunków oraz jak siła oddziaływania zmienia się z odległością, fot. 1. Inny przykład doświadczenia z zapalaczem do gazu to "fale Hertza" ([3]).

Fot. 1. Prawo Coulomba: dwie szklane bombki choinkowe, umieszczone w odległości kilku centymetrów od siebie, są zawieszone na cienkich miedzianych drutach, odizolowanych na obu końcach. Bombki, podłączone do dwóch różnych elektrod zapalacza do gazu, przyciągają się. Ponieważ siła oddziaływania rośnie wraz z malejącą odległością, zbliżają się one do siebie "szybciej" niż ruchem jednostajnie przyspieszonym, zderzając się w końcu ( zdjęcie jest kadrem z filmu).

Ogniwa galwaniczne

Ogniwo Volty w pierwotnej wersji to stos monet z dwóch różnych metali, z których co druga para jest przełożona bibułą nasączoną elektrolitem, np. roztworem soli kuchennej, fot. 2.

Fot. 2. Stos Volty 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 około 4,5 V z 20 par monet (najlepsze są jednak stare polskie monety aluminiowe lub włoskie liry - jedna para przekładana bibułą nasączoną octem daje napięcie około 0,5 V; 0,20 i 0,05 Euro dają napięcie 0,1 V z pary, czyli są praktycznie bezużyteczne). Podstawka z karty telefonicznej, prowadnice z patyczków od lizaka.

Inna oryginalna konstrukcja Volty to ogniwo składające się z szeregu naczyń szklanych z kwasem, połączonych za pomocą miedzianych i cynkowych blaszek (fot.3).

Proste ogniwo, wystarczające np. do zasilania zegarka ręcznego, można zbudować, używając blaszek z dwóch różnych metali, np. miedzi i aluminium, i używając jako elektrolitu np. ziemniaka lub cebuli, fot. 4.

Fot. 4. Zegar na warzywa. Można użyć cebuli, ziemniaka, pomidora, ogórka lub jakiegokolwiek innego elektrolitu organicznego lub nieorganicznego. Elektrody są z miedzi i aluminium.

Umieszczając różne metale w dwóch kolumnach i podłączając te kolumny do dwóch biegunów miernika napięcia, można zbudować zabawny "miernik inteligencji" - tylko dotknięcie dłońmi ściśle określonych kombinacji elektrod daje dodatni odczyt napięcia, fot. 5.

Fot. 5. 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).

Powstawanie potencjału galwanicznego jest również powodem "kwaśnego" smaku metalowej temperówki, w której korpus jest z aluminium a ostrze ze stali, fot. 6.

Fot. 6. "Kwaśna" temperówka - korpus z duraluminium, a ostrze ze stali nierdzewnej, oddzielone bibułą nawilżoną śliną, daje napięcie 1,08 V.

Źródła elektromagnetyczne

Wpływ prądu elektrycznego na igłę magnetyczną został zaobserwowany po raz pierwszy w 1802 roku przez adwokata z Trento, Romagnosiego [4] (powtórnie w 1817 roku przez Oersteda); generacja prądu za pomocą pola magnetycznego została natomiast odkryta dopiero w 1831 przez Faradaya. Oba zjawiska można efektownie pokazać za pomocą tzw. cewki Helmholtza.

Z jednej strony, cewka zasilana stałym prądem obraca się polu magnetycznym Ziemi (fot. 7). Z drugiej strony, obrót wymuszony siłą zewnętrzną generuje prąd w cewce (fot. 8).

Fot. 7. Cewka Helmholtza. Na ramkę o wymiarach metr na metr nawinięto około 100 zwojów miedzianego drutu o średnicy 1 mm (typowy drut transformatorowy). Cewka, zasilana prądem około 3-5 A (np. z akumulatora samochodowego), obraca się w polu magnetycznym Ziemi (jest przykładem silnika elektrycznego). W polu magnetycznym Ziemi (około 300 mGs = 3.10-5T) moment siły jest rzędu 10-5 Nm, ramka obraca się więc bardzo powoli - wymaga zawieszenia na cienkiej nici pod sufitem, a przewody doprowadzające prąd muszą być odpowiednio giętkie.

Fot. 8. W ramce obracanej nawet z umiarkowaną prędkością 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. Napięcie nie generuje się w ramce przesuwanej ruchem translacyjnym (nie zmienia się strumień magnetyczny, "zamknięty" przez ramkę).

Źródła termo- i fotoelektryczne

O ile działanie ogniwa Volty jest oparte o zjawiska elektrochemiczne (przechodzenie jonów do i z roztworu), to zjawisko termoelektryczne i fotoelektryczne należałoby zdefiniować jako ogniwa "fazy stałej".

Zjawisko fotoelektryczne polega na emisji elektronów z ciała stałego do próżni pod wpływem światła. Gotowe zestawy do badania zjawiska fotoelektrycznego są drogie. Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne polega na przechodzeniu elektronów z metalu nie do próżni, ale z jednego przewodnika do drugiego, podobnie jak w termoparze. Zadziwiająco przekonującą ilustrację zjawiska fotoelektrycznego wewnętrznego można pokazać za pomocą zwykłej fotodiody - fot. 9 (nie każda dioda daje odpowiednio duże napięcia - zależy to od jej konstrukcji).

Fot. 9. Wykorzystanie diody fotoluminescencyjnej jako źródła napięcia - na lewo dioda zielona, na prawo czerwona. 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 analogią zjawiska fotoelektrycznego 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 (fot. Marica Perini).

Ogniwa przyszłości

Pomimo upływu 200 lat od wynalazku Volty, ogniwa galwaniczne pozostają nadal źródłami prądu we wszystkich telefonach komórkowych i komputerach przenośnych. Wiele problemów technologicznych, jak np. bezpieczeństwo baterii litowych, jest nadal nierozwiązanych (zob. [5]).

Modne obecnie ogniwa paliwowe są "odwróceniem" elektrolizy wody. Działają one poniekąd analogicznie do akumulatora ołowiowego, gdzie dwie elektrody dostarczają do roztworu odpowiednie jony, które następnie rekombinują. W ogniwie paliwowym z dwóch elektrod dostarczane są do roztworu jony wodoru i tlenu, które rekombinując dają cząsteczkę H₂O.

Praktyczną trudnością realizacji ogniw paliwowych jest konieczność separacji dwóch części ogniwa - z jonami H⁺ i O^- - używane są różnego rodzaju półprzepuszczalne bariery (zob. [6]).

Ogniwa paliwowe stanowią przyszłość napędu samochodów: już obecnie prototypy pojazdów takich firm, jak Ford i Chrysler, przystosowane do napędu wodorem i korzystające z ogniw paliwowych, osiągają parametry mocy i zasięgu takie, jak samochody benzynowe.

Literatura:

1. 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, Universit? d Pavia
2. A. K. Wróblewski, "Pończochy Symmera", Wiedza i Życie, nr 9/99,
3. A. Krzysztofowicz, G. Karwasz, Doświadczenie Hertza - doświadczenie na deser, Foton, Nr 80, zima 2003,
4. S. Stringari, R.R. Wilson, Romagnosi and the discovery of electromagnetism, Rend. Fis. Accademia Nazionale dei Lincei, Roma, s. 9, v.11:115-136 (2000)
5. J.-M. Tarascon, M.Armand, Issues and challenges facing rechargable lithium batteries, Nature, Vol. 414, Listopad 2001, str. 359,
6. B.C.H. Steele I A. Heinzel, Material for fuel-cell technologies, Nature, Vol. 414, Listopad 2001, str. 345,
7. A. Okoniewska, G. Karwasz 204 lata ogniwa Volty, Pomorska Akademia Pedagogiczna, Słupsk,