Удивительная физика

Янтарь против стекла?

С древних пор существовало одно непонятное заблуждение – люди отождествляли янтарь и магнит. Казалось бы, что общего между куском окаменевшей смолы доисторических деревьев, горючей и прозрачной, материалом для украшений, и совершенно не похожим на него магнитом?

Причиной этого служила их общая способность притягивать предметы. Свойство янтаря притягивать мелкие и легкие предметы впервые было описано знаменитым греческим философом Фалесом из города Милета. Дочь философа заметила, что к ее янтарному веретенцу так и липнут всякие мелкие ниточки и легкие частички мусора. Причем, если их, счищая, отбрасывать, то они снова стремительно летят к янтарю.

Вероятно, каждый из нас тоже наблюдал, как морозной зимой в хорошо отапливаемой квартире, когда воздух особенно сух, волоски, нитки и другой легкий мусор просто невозможно очистить от одежды. Но стоит выйти на улицу – и прилипшие частички тут же отпадают сами. Сейчас все знают, что это притяжение вызвано статическим электричеством, тем самым, которое накапливается и в янтаре, натертом шерстью. Поэтому принято считать, что первые наблюдения электрических явлений стали достоянием человечества с появлением трудов Фалеса Милетского.

Но и до работ Фалеса многим народам было известно свойство натертого янтаря притягивать к себе предметы. Это следует хотя бы из названия янтаря: ведь «электрон» – «янтарь» по-гречески – означает «притягивающий к себе, увлекающий»; «кавуба» – то же по-персидски и т. д. Справедливости ради заметим, что греческое «электрон» означает также «блестящий металл», например, золото, которое, конечно же, и притягивает к себе, и увлекает… Сейчас выпускают даже сплав с названием «электрон» на основе металла магния, и не надо его путать ни с янтарем, ни с электроном-частицей. Из греческого названия янтаря и происходит слово «электричество». Английский ученый Вильям Гильберт (1544—1603), отец магнетизма, как его называли, был тем человеком, который впервые установил электрическую природу притяжения янтарем. Он же ввел в науку и само слово «электрика».

В. Гильберт всеми силами боролся с теми, кто считал янтарь и магнит близкими друг к другу; он решительно утверждал, что притяжение магнита и натертого янтаря – совершенно разные явления. Ученый ставил множество опытов, натирая самые различные материалы и испытывая их свойство притягивать.

Прежде всего было установлено, что одни вещества обладают этим свойством, другие нет. Первые из них Гильберт назвал электриками. К ним он отнес: янтарь, гагат (плотный и блестящий каменный уголь), алмаз, сапфир, карбункул, разновидности кварца, аметист, опал, берилл, камедь, стекло, серу, сургуч и несколько других веществ, действие которых слабее. А ко вторым, названия которым он не дал, причислил: жемчуг, агат, яшму, халцедон, коралл и, главное, все металлы.

При этом было обнаружено, что натертые электрики притягивают все без исключения предметы, как твердые, так и жидкие, – металлы, дерево, камни, землю, воду и растительное масло, а не только сухую мякину и соломинки (как это считалось раньше). А ведь считалось, что янтарь, например, совершенно не притягивает листьев растения базилика, и это Гильберт сурово осудил как «лживые и постыдные россказни».

Кроме того, совершенно не вязалось с магнетизмом, что янтарь не только притягивает предметы, но в некоторых случаях и отталкивает их по непонятным причинам.

Особенно ценно то, что Гильберт отнес к электрикам и стекло. Этот практичный и дешевый материал был в дальнейшем широко использован для постройки электростатических машин, которые сейчас имеются в каждой школе.

Автор часто проделывал в детстве увлекательнейший опыт по электризации стекла, который вычитал из старого, дореволюционного учебника по физике Ф. Цингера 1905 г. издания. На книги толщиной 3 – 4 см кладут стекло, а под него на стол насыпают мелкие кусочки бумаги. Иной раз эти кусочки вырезают в форме прыгунов, балерин, зверей. Стекло энергично растирают сухим кулаком или куском замши, и, если воздух в комнате достаточно сух, через пару минут бумажки-прыгуны под стеклом начинают подлетать вверх, прилипать к стеклу, падать, снова подскакивать и так до тех пор, пока натирают стекло (рис. 300). Тот, кто проведет этот опыт самостоятельно, получит большое удовольствие!

Но тут выяснилось, что «противоречия» имеются не только между янтарем и магнитом, но и между электриками тоже.

Французский ботаник Шарль Дюфе, как и древние ученые, заметил, что некоторые предметы притягивались к натертому янтарю, но одновременно отталкивались от натертой, т. е. наэлектризованной, стеклянной палочки. Самое удивительное было то, что одни и те же тела могли отталкиваться от янтаря и притягиваться к стеклу! Не в состоянии никак объяснить это явление, Дюфе предположил, что существуют два вида электричества. Один из них, возникающий при натирании янтаря (застывшей смолы) Дюфе назвал «смоляным», а другой, связанный с натиранием стекла, – «стеклянным». Ученые повторили опыты Дюфе и вынуждены были согласиться с ним, хотя и не поняли, как это одни и те же явления вызываются разными видами электричества.

И вот знаменитый американский физик (он же известный политический деятель США – его портрет вы можете видеть на 100-долларовой банкноте) Бенджамин Франклин (1706—1790) ставит свой опыт, позволивший решить этот запутанный вопрос. Опыт состоял в следующем.

Два человека, находящиеся друг напротив друга, изолировались от пола не проводящими ток восковыми пластинками. Затем один из них получал заряд электричества, натирая стеклянную трубку, а потом эту трубку брал другой человек и снимал с нее заряд на себя. При этом оказывалось, что оба участника опыта наэлектризовались разными видами электричества, хотя стекло могло производить лишь один его вид. При прикосновении друг к другу участников между ними пробегала искра, и заряд исчезал совсем.

Франклин объяснил это явление так. Тело, содержащее «стеклянное» электричество, заряжено избытком некоторой материи (или, по определению Б. Франклина, флюида), а телу, содержащему «смоляное» электричество, этого флюида не хватает. Человек, натирая стеклянную трубку, отдавал свой флюид, а снимавший заряд – получал его. Поэтому при соприкосновении тел флюид перетекает в виде искры от одного тела к другому, выравнивая количество флюида в них.

Объяснение это было в принципе верным, только «флюид» сейчас называют электронами, избыток которых, кстати, оказался в «смоляном» электричестве, а недостаток – в «стеклянном». Перетекания электрического заряда с одного тела на другое – это переход электронов от одного тела к другому. Когда их переходит мало – это маленькая искорка, когда много – грозная молния. Недаром электричество в старину называли грозовой материей.

Смерть пришла с облаков

Предположив, что электрическая искра и молния – одно и то же, американский физик Б. Франклин подробно описал, как провести опыт, доказывающий это.

Надо было поднять повыше к грозовым облакам металлический стержень, приближенный к другому стержню, заглубленному в землю. Так и поступил, по описанию Франклина, француз Далибар. На горе города Марли он установил длинный стержень и во время грозы 10 мая 1752 г. «извлек» из грозового облака довольно большую электрическую искру. И синий цвет искры, и запах озона были такими же, что в экспериментах с электрическими искрами.

Интерес к опыту был настолько велик, что спустя лишь неделю его смотрел не кто иной, как король Франции.

Сам Франклин произвел свой опыт, доказывающий электрическое происхождение молнии, месяцем позже – в июне 1752 г. Описание этого классического опыта, чтобы избежать неточностей и искажений, приводим, цитируя знаменитого французского астронома Камилла Фламмариона по его книге «Атмосфера», изданной в 1900 г. [49].

«Франклин, действительно, возымел дерзкую мысль искать молнии в облаках, так как убедился еще предварительно, что остроконечный металлический шест, поднятый на большую высоту, привлекает электричество из грозовой тучи. Он с большим нетерпением ждал постройки высокой колокольни в Филадельфии; но, наконец, это ему надоело, и он решил попробовать другое средство, более подручное и не менее действенное. Так как дело было только в том, чтобы поднять металлическое острие на большую высоту, к самым грозовым облакам, то Франклину пришло в голову, что простой бумажный змей, которым играют дети, вполне и с выгодой может заменить собою колокольню. Взяв с собой поэтому шелковый платок, две крестообразно связанные палочки и длинную веревку, он вместе с сыном отправился за город попытать счастья. Из опасения быть осмеянным, как это всегда случается при неудачах, он хранил свое предприятие в строгой тайне. Пустили змея. Многообещавшие облака, которые в это время проходили, не произвели никакого эффекта. Все было покойно – ни искры, никаких проявлений электричества. После долговременного ожидания, однако же, волокна веревки стали то подниматься, то опускаться, как бы притягиваемые и отталкиваемые. Ободренный этим, Франклин подставил палец к концу веревки и получил искру, за которою последовали другие. Таким образом, в первый раз гений человека поймал молнию».

Мысли Франклина об электрическом происхождении молнии настолько увлекли современников, что опыты по извлечению молнии с облаков стали проводиться повсеместно.

Французский чиновник де Рома в том же июне 1752 г., ничего не зная об опыте Франклина, повторил его, причем поступил еще правильнее (но и опаснее!). Он проложил в веревку своего воздушного змея тонкую железную проволоку длиной 260 м и получил очень большие искры. Во время грозы эти искры были настоящими молниями. «Представьте себе, – писал он, – языки пламени в 9 – 10 футов длины в 1 дюйм ширины, сопровождаемые звуком, похожим на пистолетный выстрел!»

Как тут никого не убило – просто диву даешься! А ведь при опытах было много зевак. Один раз де Рома был даже опрокинут сильным разрядом, но жив остался.

А вот российскому ученому, члену Петербургской академии наук, другу Ломоносова Г. В. Рихману не повезло – он был убит разрядом, пришедшим с облаков. Он провел в свой кабинет с крыши дома изолированный железный шест, конец которого упирался в пол, будучи вставленным в стеклянный сосуд. Рихман ежедневно измерял напряжение на этом шесте. 6 августа 1753 г. во время сильнейшей грозы он стоял неподалеку от места, избегая крупных искр и проводя измерения. Вдруг в комнату вошел его знакомый; желая оградить его от приближения к смертоносному шесту, Рихман сам приблизился к нему на недозволенное расстояние. По описанию знакомого, из шеста вырвался огненный шар синеватого цвета, который ударил ученого в лоб и убил его. Заряд вышел через ногу Рихмана, пробив туфлю. Эта ужасная сцена изображена на старинной гравюре (рис. 301). Еще в древности люди пытались отвести от себя удары молний. Жрецы Древнего Египта ставили возле храмов обитые медью высокие шесты. Храм Мединет-Абу, например, еще при Рамзесе Третьем имел громоотвод из золотого стержня на высоком шесте. Знаменитый храм в Иерусалиме еще 1 500 лет назад снабдили для той же цели кольями в крыше. Но неграмотно выполненные громоотводы только увеличивали опасность удара молнии. Металлический стержень громоотвода должен быть очень хорошо заземлен, чего древние не могли знать.

Однако к XVIII в. и эти старинные, не всегда надежные методы спасения от молнии были забыты, и Франклину пришлось изобретать громоотвод собственной конструкции, один из вариантов которого изображен на рис. 302, а.

«Благодарное» человечество без восторга приняло изобретение, которое спасало жизни и имущество людей. Если отбросить чисто суеверные страхи, то люди, не особенно доверяя новому устройству, боялись, что оно будет притягивать молнии.

И тут случилась трагедия, когда молния показала всю свою разрушительную силу и коварство. Утром 18 августа 1769 г. молния ударила в башню святого Назария в итальянском городе Брешиа. Под основанием этой башни находился погреб, где хранилось свыше 1 000 т (!) пороха. Порох, естественно, взорвался, уничтожив не только башню, которая была подброшена в воздух и каменным дождем упала на головы людей, но и шестую часть города. Три тысячи человек погибло.

Эта трагедия заставила людей обратиться к изобретению Франклина.

Таинственные проявления атмосферного электричества

Проделки молний настолько разнообразны и противоречивы, что поневоле начинаешь думать о каком-то особом их происхождении. Вот что писал о молнии Фламмарион в своей знаменитой книге «Атмосфера».

«Она кажется каким-то особым существом, чем-то средним между бессознательными силами природы и сознательной душою человека, это – какой-то дух, тонкий, причудливый, хитрый и тупой в то же время, ясновидящий или слепой, обладающий волей или подневольный, переходящий из одной крайности в другую, страшный и непонятный. С ним не сговоришься, его не поймаешь. Он действует – и только. Действия его, без сомнения, так же, как и наши, только кажутся капризными, а на самом деле подчинены каким-либо неизменным законам. Но до сих пор мы не могли уловить этих законов. Здесь он наповал убивает и сжигает человека, не только пощадив, но даже не коснувшись его одежды, которая остается нетронутой. Там он раздевает человека догола, не причинив ему ни малейшего вреда, ни одной царапины. В другом месте он ворует монеты, не повредив ни кошелька, ни кармана. То он срывает позолоту с люстры и переносит ее на штукатурку стены; то разувает путника и отбрасывает его обувь на десять метров расстояния; то, наконец, в одном селении пробуравливает в центре стопу тарелок и притом попеременно, через две штуки… Какой тут можно установить порядок?»

Приведем некоторые особо красноречивые факты.

27 июля 1691 г. молния убила жнецов, мирно завтракавших под дубом. Это произошло так быстро, что несчастные даже не изменили своих поз, выражений лиц. Окаменелые жнецы как бы продолжали завтракать. К ним подходили люди и заговаривали… (рис. 303). Таких случаев было немало. При попытке притронуться к убитым они обычно рассыпались в прах.

29 июня 1869 г. в городе Ариеж молния ударяет в местного мэра, которого не убивает, но раздевает донага и разбрасывает всю его изорванную одежду вокруг.

Одну женщину молния ударила тогда, когда она почему-то переодевалась в мужской костюм. Одежда была разорвана на ленточки и разбросана далеко вокруг.

Были случаи и противоположные, когда после удара молнии руки были сожжены до костей, а перчатки оставались целы. Иногда молния сбривала или уничтожала волосы пострадавших. По данным Фламмариона, у доктора Готье Клобри молния не только сбрила бороду, но и уничтожила ее навсегда, а голова пострадавшего (который все-таки остался жив!) была «раздута» до 1,5 м!

8 июля 1839 г. молния, убив стоящих под дубом каменщиков, отбросила одного из них на 23 м в сторону! В дубы молнии ударяют особенно часто. Не стойте во время грозы под деревьями, особенно под дубами!

Иногда молнии оставляют на теле жертвы отпечатки находящихся вблизи предметов. В марте 1867 г. молния ударила в дерево, под которым спрятались трое детей. Дети остались живы, но на теле одного из них появилось точное, до мельчайших подробностей изображение дерева!

А вот вообще курьезный случай. Летом 1865 г. в окрестностях Вены у доктора Дрендингера украли кошелек, причем кошелек был с вензелем доктора – DD. Так молния не только настигла вора и ударила в него, но и выгравировала вензель доктора на его бедре. Помочь пострадавшему позвали этого же доктора, который и опознал свой вензель!

И наряду с этими «ювелирными» работами молнии совершают поистине чудовищные разрушения – превращают в развалины дома, вырывают с корнем деревья, раскалывают надвое корабли. На рис. 304 изображен корабль «Моисей», расколотый надвое ударом молнии 3 августа 1852 г. близ Мальты. Погибли все пассажиры, кроме капитана, который спасся, проплавав 17 часов на доске. Что же такое молния? В грозовом облаке вода находится в виде кристаллов льда. Эти кристаллики трутся друг о друга, генерируя статическое электричество. При этом потенциал возникшего электрического заряда оценивается в среднем примерно в 5 · 10⁷ В, а сила тока – около 200 000 А. Эту силу тока, кстати, определяют по степени намагниченности стальных стержней громоотводов при ударе молний. Известно, что мощность в ваттах есть произведение потенциала в вольтах на силу тока в амперах, причем средняя мощность вдвое меньше максимальной. Получаем 5 · 10⁹ кВт. Если принимать во внимание максимальные показатели – длина молнии свыше 50 км, напряжение в 1 · 10⁹ В, а силу тока в 500 000 А, то мощность уже будет 2,5 · 10¹¹ кВт. Эта мощность соизмерима с мощностью мировой энергетики. Но много ли энергии содержится в молнии?

Чтобы ответить, нужно знать время жизни молнии. Вы заметили, что во время вспышки молнии все движущиеся предметы – и автомобили, и пешеходы кажутся неподвижными? Это потому, что искровой разряд, которым является молния, протекает крайне быстро, в среднем около 0,001 секунды. Помножим на это время мощность молнии и получим ее энергию. Она будет для средней молнии равна 1 400 кВт·ч. Это примерно годовой расход электроэнергии для средней квартиры. Ну а молния-рекордсмен потянет на 70 000 кВт·ч. Много это или мало, решайте сами.

Наряду с таким грозным проявлением атмосферного электричества, как молния, существует и более «мирный» и спокойный способ электрического атмосферного разряда – огни святого Эльма. Эти огни были так названы потому, что в Средние века их часто видели на шпиле церкви святого Эльма в одном из городов Франции.

Эти огни – медленный, коронный электрический разряд на высоко поднятых металлических остриях – громоотводах, шпилях, мачтах и т. д. Чаще всего такой разряд происходит во время гроз, когда эти предметы оказываются под высоким электрическим потенциалом.

В древности считалось, что огни святого Эльма нисходят с неба и садятся на мачты кораблей, если за участь моряков вступаются божества Кастор и Поллукс. Так в Древнем Риме и назывались эти огни, если появлялись парами, – огни Кастора и Поллукса. Если же огонь появлялся в единственном числе, то он предвещал несчастье и тогда назывался Елениным огнем. Позже, с ликвидацией язычества, этот огонь, уже святого Эльма, стал считаться благоприятным признаком, даже если был и один.

Огни святого Эльма можно получить в домашней обстановке, если наэлектризовать, например, лист оргстекла (плексигласа), натерев его сухой шерстяной тряпкой, и приблизить к нему полураскрытые ножницы остриями вперед. Если проводить этот опыт в темноте, то на остриях ножниц появятся дрожащие лиловые пучки светящихся нитей. Нити эти будут издавать легкое шипение. Если сделать вертушку из заостренной проволоки и наэлектризовать ее, то она завертится, а на остриях вертушки появятся миниатюрные огни святого Эльма. Для возникновения этих огней нужен потенциал не ниже 30 000 В.

Огни святого Эльма посещали в путешествиях и Колумба, и Магеллана, не говоря уже о Юлии Цезаре. «В одну из ночей, – писал Цезарь, – железные острия копий пятого легиона казались огненными». Римский философ Луций Анней Сенека 2 тысячи лет назад описал, как во время грозы «сошедшие с неба звезды, словно птицы, садились на мачты кораблей», к радости моряков.

Во Франции особенно часто огни святого Эльма «любят» посещать шпиль собора Парижской Богоматери (рис. 305). Иногда эти огни могут и «пошутить». Например, в 1769 г. во время грозы, когда на кресте колокольни показались огоньки, два соседа прибежали на колокольню, чтобы потушить, как они считали, пожар. Но огни святого Эльма перекинулись на головы добровольных пожарных и прогнали их домой. Хорошо, что эти огни совершенно холодные, они не могут даже поджечь спички.

Иногда огонь святого Эльма охватывает все тело человека, тогда ощущается сильное жжение. Один из туристов, который 22 июня 1867 г. поднялся на высоту 3 200 м в Альпах, вдруг ощутил такое жжение, «как будто пчелы забрались под одежду». Он последовательно сбросил плащ, сюртук, рубашку. Все тело, особенно концы пальцев, уши и другие отстоящие от его тела части излучали сияние, туристические палки в руках вибрировали и тоже светились. Турист бросился бежать вниз и огни святого Эльма постепенно покинули его.

Иногда огни святого Эльма путают с блуждающими огнями, которые возникают на «страшных» местах – кладбищах, болотах, бойнях и т. д. Природа этих блуждающих огней совершенно другая – это фосфористый водород, выделяющийся при гниении органических веществ, самопроизвольно загорается и горит «холодным» светом.

Когда утонувшая в крови Парижская коммуна зарыла в одну общую яму тысячи расстрелянных трупов, то весь запад Парижа превратился в огромное кладбище. И по ночам над оврагами блуждали и горели огоньки, словно души загубленных людей. «Вот все, что осталось от дела, по самому существу своему зловредного», – так заключает рассказ о блуждающих огнях Фламмарион.

Шаровая молния – что это?

Шаровая молния (рис. 306) – это таинственное и непонятное явление, природа которого неясна до сих пор. Редкое явление, с которым человечество знакомо тысячи лет, до сих пор не разгадано наукой. Но шаровая молния – именно такое явление. Ведет она себя совершенно непредсказуемо. То она свободно проходит сквозь стекла, то гуляет по воздуху, как по ветру, так и против него, то «вдувается» в комнату через штепсельную розетку.

Иногда шаровая молния ведет себя шаловливо. Вот что пишет об этом Фламмарион. 29 августа 1791 г. недалеко от города Павии к молодой крестьянской девушке подкатил огненный шар, величиной с «два кулака», проскочил к ней, простите, под юбку, покрутился там немного и вышел из-под корсажа, не теряя круглой формы. В момент нахождения шара под юбкой последняя расширилась как открытый зонтик. Девушка осталась цела и невредима, но нижняя рубашка ее была изорвана в клочья.

Рассказывать о всех проделках шаровых молний не хватит ни времени, ни места. В общей сложности учеными собрано несколько тысяч описаний шаровой молнии, отличающихся друг от друга. Часто эта молния залетала в дома (рис. 307). Однако особенно примечателен «опыт с бочонком», описанный английским профессором Б. Гудлетом. Никто не планировал этот эксперимент, просто обстоятельства сложились столь удачно, что профессор даже смог достаточно точно подсчитать внутреннюю энергию (энергоемкость) шаровой молнии.

Шаровая молния размером с большой апельсин (диаметром 10—15 см) залетела в дом через окно на кухне и оказалась в бочонке с водой. Хозяин дома, присутствовавший при этом и со страхом ожидавший развязки, заметил, что вода в бочонке, недавно принесенная из колодца, кипит. Вскоре вода перестала кипеть, но и 20 минут спустя в нее нельзя было опустить руку. Шаровая молния, израсходовав свою энергию на кипячение воды, исчезла без взрыва. Похоже, она в течение нескольких минут находилась под водой, поскольку ее не было видно.

В бочонке помещалось около 16 л воды, значит, энергия, необходимая для ее кипячения, должна составлять от 1 до 3,5 кВт·ч.

В действительности энергия молнии наверняка была еще больше, так как по пути к бочонку пережгла телеграфные провода и опалила оконную раму.

Профессор Гудлет определил также плотность энергии молнии. Зная примерный объем шаровой молнии – около 1 л и взяв средний показатель плотности 0,01 г/см³, он получил массу 10 г. Это типичная для шаровой молнии масса, в пределах 0,5 – 50 г. Плотность энергии молнии оказалась соответственно 100 кВт·ч, или 360 МДж/кг на 1 кг массы! То есть плотность энергии шаровой молнии в сотни и тысячи раз выше, чем у лучших электрохимических аккумуляторов!

«Опыт с бочонком» не был уникальным. Во все последующие времена всегда попадание шаровых молний в баки, канистры и ведра с водой вызывало вскипание их содержимого. Просто «опыт с бочонком» профессора Б. Гудлета наиболее подробно и достоверно разобран ученым, а не простым обывателем.

Американский исследователь Гарольд У. Льюис высказал мнение, что если бы объем шаровой молнии был заполнен напалмом или желеобразным бензином, то энергия напалмового шара равнялась бы энергии шаровой молнии таких же размеров. Правда, плотность энергии в этом случае будет в несколько раз меньше – около 50 МДж/кг, так как плотность напалма больше, чем шаровой молнии, но и это чрезвычайно много!

Из множества попыток объяснить природу шаровой молнии пока ни одна не увенчалась успехом. Внимание привлекают две противоположные гипотезы. Согласно первой из них, выдвинутой в XIX в. знаменитым французским ученым Домиником Араго, шаровая молния – особое соединение азота с кислородом, энергия взаимодействия которых и расходуется на существование шаровой молнии. Этой же точки зрения придерживался французский астроном и физик Матиас, который полагал, что энергия шаровой молнии вчетверо больше, чем энергия такого же шара, наполненного нитроглицерином.

К сожалению, подобных соединений химикам создать пока не удалось, хотя, как можно судить по некоторым сообщениям, надежд на это они все-таки не теряют. Уверяют, что горение этих соединений по своему эффекту будет мало чем отличаться от взрыва шаровой молнии.

Известный физик Я. И. Френкель, сторонник первой гипотезы, считал шаровую молнию сфероидным вихрем смеси частиц пыли или дыма с химически активными (из-за электрического разряда) газами. Такой шар-вихрь, подчеркивал ученый, способен на длительное независимое существование. Действительно, согласно наблюдениям, шаровая молния появляется в основном при электрическом разряде в запыленном воздухе и оставляет после себя дымку с острым запахом.

Недавно открытое учеными явление хемилюминесценции вновь вызвало интерес к первой гипотезе возникновения шаровой молнии. Ряд исследователей утверждает, что шаровая молния не что иное, как хемилюминесцентное образование (ХЛО), которое тоже наблюдается в запыленном воздухе.

Так или иначе, но эта первая гипотеза, по которой вся энергия шаровой молнии находится внутри ее самой, кажется реальнее остальных. Она позволяет считать шаровую молнию накопителем энергии.

Противоположную точку зрения на происхождение шаровой молнии высказал академик П. Л. Капица. Прежде всего, он считает неприемлемой первую гипотезу, так как она якобы противоречит закону сохранения энергии. «Если в природе, – пишет П. Л. Капица, – не существует источников энергии, еще нам не известных, то на основании закона сохранения энергии приходится принять, что во время свечения шаровой молнии непрерывно подводится энергия, и мы вынуждены искать этот источник энергии вне объема шаровой молнии».

При этом П. Л. Капица ссылается на высвечивание сияния шаровой молнии. Время высвечивания сияющего шара прямо пропорционально его диаметру. Экспериментальные ядерные взрывы показали, что огненное облако диаметром в 150 м высвечивается примерно за 10 секунд. Стало быть, шаровая молния диаметром 10 см (наиболее вероятный ее размер) высветится всего за 0,01 секунды!

Исходя из этого, П. Л. Капица полагает, что шаровую молнию, существующую в тысячи раз дольше расчетного времени, питают приходящие извне радиоволны, преимущественно длиной 35—70 см. Взрыв шаровой молнии объясняется внезапным прекращением подвода энергии (например, если резко меняется частота электромагнитных колебаний) и представляет собой простое «схлопывание» разреженного воздуха.

Хотя эта теория нашла горячих приверженцев, многое в ней не соответствует наблюдениям. Во-первых, радиоволны в диапазоне 35—70 см, появляющиеся в результате атмосферных разрядов, современными радиоустановками пока не зафиксированы. Во-вторых, эта теория не соответствует «опыту с бочонком». Вода является практически непреодолимой преградой для радиоволн. Если бы даже их энергия передалась воде мгновенно, это не вызвало бы сколько-нибудь заметного ее нагрева.

Неувязка получается и со взрывом шаровой молнии. Хорошо известно, что этот взрыв способен вызвать большие разрушения. Шаровая молния легко переламывает толстенные бревна, волочит по земле тяжелые предметы, переворачивает трактора, совершает другие силовые трюки. Взрыв молнии, нередко оглушительный, способен разнести в куски прочнейшие предметы. Был даже случай, когда шаровая молния нырнула в реку и взорвалась там, подняв огромный фонтан воды. «Схлопывание» же разреженного воздуха по своему эффекту напоминало бы скорее лопающийся резиновый воздушный шарик.

Что касается высвечивания, которое приводят в качестве основного аргумента критики гипотезы внутренней энергии шаровой молнии, то длительность его вовсе не противоречит закону сохранения энергии при допущении, что энергия переходит в свечение не сразу, а постепенно. Если внутренняя энергия шаровой молнии как накопителя выделяется медленно, то свечение может продолжаться достаточно долго. Так, например, 1 л легкого газа ацетилена, медленно сгорая в воздухе, обеспечивает яркое свечение, соизмеримое с силой света шаровой молнии, в течение нескольких десятков секунд. А ведь вещество шаровой молнии может таить энергию и в сотни раз большую.

Загадка шаровой молнии останется неразгаданной, пока не удастся получить шаровую молнию искусственно. Возможно, что, добившись этого, человек будет иметь едва ли не самый емкий аккумулятор энергии!

Как накопить электроны?

Знаменитый физик и политический деятель США Бенджамин Франклин считал, что при электризации некая жидкость – «флюид» перетекает из одного тела в другое. Потом уже, в конце XIX в., ученые, главным образом английский физик Дж. Дж. Томсон (1856—1940), обнаружили, что никакой жидкости тут нет, а есть частички, заряженные электрическим зарядом, и мельчайшая из них была названа в честь янтаря электроном. Заряда меньше, чем у электрона, оказывается, быть не может, а почему – этого пока точно никто не знает; может быть, это установит и подарит свое открытие человечеству один из читателей этой книги.

Считается, что электрон – носитель отрицательного заряда электричества. Если у атома вещества отнять электроны, то атом этот зарядится положительно; если передать лишние – то отрицательно. При трении янтаря о шерсть, например, электроны переходят от шерсти на янтарь, он заряжается отрицательно, а шерсть – положительно; при натирании шелком стекла происходит обратное: стекло заряжается положительно, а шелк – отрицательно. Мало-помалу процесс натирания механизировался, и ученые создали электрические машины. Сейчас почти в каждой школе есть такая электрическая, или, правильнее, электрофорная, машина со стеклянным диском (рис. 308, а), а раньше предпочитали натирать диски из более экзотических материалов. Английский физик Ф. Хоксби (1666—1713) построил электрофорную машину в виде стеклянного вакуумированного шара, который начинал светиться, если его натирать (рис. 308, б).

Известный своими опытами с магдебургскими полушариями бургомистр немецкого города Магдебурга Отто фон Герике строил электрические машины из больших вращающихся серных шаров, придерживаемых для натирания руками или специальными подушечками, шелковыми или кожаными. Между наэлектризованными шарами удавалось получить достаточно крупные, но пока еще безобидные искры.

Но когда в лаборатории голландского города Лейдена попробовали электризовать воду в стеклянной колбе, получив таким образом первый в истории конденсатор, то искра оказалась такой мощной, что экспериментатор – студент по имени Канеус – чуть не был убит ею. Впоследствии ученые фон Клейст и Мушенбрук придали современный вид конденсатору, выполнив колбу с обкладками из фольги изнутри и снаружи. Так была открыта знаменитая лейденская банка (рис. 309), таинственные опыты с которой быстро завоевали популярность в научных и даже аристократических кругах.

Француз Жан Нолле в присутствии короля Людовика XV продемонстрировал забавный эксперимент. Двести придворных короля согласились пропустить через себя заряд лейденской банки. И длинная цепь из взявшися за руки блестящих кавалеров и дам с визгом подскочила вверх. Когда же смех и восторги по поводу опыта затихли, Нолле продемонстрировал и убийственную силу электричества. Тот же электрический заряд был пущен через тело воробья, а затем мыши – они были мгновенно убиты искрой!

Опыты эти по праву считались опасными для жизни (рис. 310). «Это страшные опыты, и я никому не рекомендую их повторять», – писал один из первых экспериментаторов с лейденской банкой. Заметим, что эти слова не мешало бы помнить и нам, людям XXI в., часто пренебрегающим опасностью электрического тока, ставшего таким привычным.

Даже монахи, и те проводили опыты с лейденской банкой. Известен грандиозный опыт, когда 700 монахов из Парижа, взявшись цепочкой за руки, провели эксперимент Канеуса, пропустив через себя ток от лейденской банки. Электрический разряд был настолько силен, что все 700 человек, сведенные судорогой, разом вскрикнули.

Сейчас мало кто пользуется лейденскими банками, они сохранились разве только на школьных электрофорных машинах. Современные емкие конденсаторы, способные накопить большое количество электронов, делают из алюминиевой фольги, покрытой очень тонкой пленкой оксида алюминия. Эта пленка, как стекло в лейденской банке, разделяет электроды – алюминиевую пленку и специальный электролит (жидкость). Чем тоньше пленка, тем емче конденсатор, но тем скорее она может быть пробита искрой.

Вот такие электролитические конденсаторы (рис. 311), настоящие «банки» для электронов, находятся во многих электронных приборах, например телевизорах. Иногда они пробиваются искрой, и тогда весь их заряд мгновенно переходит в тепло. Конденсатор со страшным грохотом взрывается; кто слышал такой взрыв конденсатора в телевизоре во время передач типа «Байки из склепа» и не стал после этого заикой, тот настоящий герой!

Бывают и конденсаторы-гиганты, как, например, изображенный на рис. 312. Но в современных молекулярных конденсаторах повышают не размер, а электрическую емкость, что выгоднее. На таких конденсаторах, как накопители энергии, электромобиль может проехать сотни метров. Но все равно конденсатор принципиально не может накопить больших количеств энергии. Лучшие конденсаторы в сотни раз менее энергоемки, чем, например, маховики или электрические аккумуляторы.

Бывает ли электричество «живое»?

С древних пор люди знают, что существуют «электрические» рыбы, например угорь или скат, которые создают разряд, подобный разряду конденсатора. И вот профессор анатомии университета в городе Болонье Луиджи Гальвани (1737—1798) решил выяснить, не обладают ли такой способностью другие животные. В 1780 г. он препарировал мертвую лягушку и вывесил на балкон для просушки лапку этой лягушки на медной проволоке. Ветер раскачивал лапку, и Гальвани заметил, что, прикасаясь к железным перилам, она сокращается, совсем как у живого существа. Из этого Гальвани сделал ошибочный (как потом выяснили) вывод, что мышцы и нервы животных вырабатывают электричество.

Вывод этот был неправилен в случае лягушки. Между тем рыбы, вырабатывающие электричество, причем в немалом количестве, существуют и достаточно распространены. Вот что пишет об этом ученый, специалист в этой области Н. И. Тарасов.

В теплых и тропических морях, в реках Африки и Южной Америки живут несколько десятков видов рыб, способных временами или постоянно испускать электрические разряды разной силы. Своим электрическим током эти рыбы пользуются не только для защиты и нападения, но и для того, чтобы сигнализировать друг другу и обнаруживать заблаговременно препятствия (локации). Электрические органы встречаются только у рыб. Если бы они были у других животных, ученым давно бы это стало известно.

Электрические рыбы существуют на Земле уже миллионы лет. Их останки найдены в очень древних слоях земной коры. На древнегреческих вазах встречаются изображения электрического морского ската – торпедо.

В сочинениях древнегреческих и древнеримских писателей и натуралистов немало упоминаний о чудесной, непонятной силе, которой наделен торпедо. Врачи Древнего Рима держали этих скатов у себя дома в больших аквариумах. Они пытались использовать торпедо для лечения болезней: пациентов заставляли прикасаться к скату, и от ударов электрического тока больные будто бы выздоравливали.

Даже в наше время на побережье Средиземного моря и Атлантическом берегу Пиренейского полуострова пожилые люди бродят иногда по мелководью – надеются излечиться от ревматизма или подагры «целительным» электрическим торпедо.

Очертания тела торпедо напоминают гитару длиной от 30 см до 1,5 и даже до 2 м (рис. 313). Его кожа принимает цвет, сходный с окружающей средой (такая способность присуща также осьминогу, камбале, некоторым креветкам). Различные виды торпедо живут в прибрежных водах Средиземного и Красного морей, Индийского и Тихого океанов, у берегов Англии. В некоторых бухтах Португалии и Италии торпедо буквально кишат на песчаном дне.

Электрические разряды торпедо очень сильны. Если этот скат попадет в рыбачью сеть, его ток может пройти по влажным нитям сети и ударить рыбака. Электрические разряды защищают торпедо от хищников – акул и осьминогов – и помогают ему охотиться за мелкой рыбой.

Электричество у торпедо вырабатывается в особых органах – «электрических батареях». Они находятся между головой и грудными плавниками и состоят из сотен шестигранных столбиков студенистого вещества (рис. 314). Столбики отделены друг от друга плотными перегородочками, к которым подходят нервы. Верхушки и основания столбиков соприкасаются с кожей спины и брюха. Нервы, подходящие к электрическим органам, сильно развиты и имеют внутри «батарей» около полумиллиона окончаний.

За несколько десятков секунд торпедо испускает сотни и тысячи коротких разрядов, идущих потоком от брюха к спине. Напряжение тока у разных видов скатов колеблется от 80 до 300 В при силе тока 7 – 8 А.

В водах наших морей живут некоторые виды колючих скатов – райя, или, как их у нас называют, морские лисицы (рис. 315). Действие электрических органов у этих скатов гораздо слабее, чем у торпедо. Можно предполагать, что слабые, но хорошо развитые электрические органы райя служат им для связи друг с другом и играют роль беспроволочного телеграфа.

Недавно ученые установили, что африканская пресноводная рыбка гимнархус всю жизнь непрерывно испускает слабые, но частые электрические сигналы. Ими гимнархус как бы прощупывает пространство вокруг себя. Он уверенно плавает в мутной воде, среди водорослей и камней, не задевая телом ни за какие препятствия. Такой же способностью наделены и «слаботочные» родственники электрического угря – южноамериканские гимноты и африканская рыбка мормиропс.

В восточной части тихоокеанских тропических вод живет скат дископиге глазчатый (рис. 316). Он занимает как бы промежуточное положение между торпедо и колючими скатами. Питается скат мелкими рачками и легко их добывает, не применяя электрического тока. Его электрические разряды никого не могут убить и, вероятно, служат ему лишь для того, чтобы отгонять от себя хищников.

Электрические органы есть не только у скатов. Тело африканского речного сома – малаптеруруса, обернуто, как шубой, студенистым слоем, в котором образуется электрический ток. На долю электрических органов приходится около четверти веса всего сома. Напряжение разрядов этой рыбы достигает 360 В; оно небезопасно для человека и, конечно, гибельно для рыб.

В Индийском, Тихом и Атлантическом океанах, в Средиземном и Черном морях живут небольшие рыбки, похожие на бычков, – звездочеты (рис. 317). Обычно они лежат на прибрежном дне, подкарауливая проплывающую сверху добычу. Поэтому их глаза, расположенные на верхней стороне головы, смотрят вверх. Отсюда и происходит их название. Некоторые виды звездочетов имеют электрические органы, которые находятся в глазной впадине и служат, вероятно, лишь для сигнализации.

В южноамериканских тропических реках живет электрический угорь. Это серо-синяя змееобразная рыба длиной до 3 м. На долю головы и грудобрюшной части приходится всего 1/5 ее тела, а вдоль 4/5 тела с обеих сторон расположены сложные электрические органы. Они состоят из 6 000 – 7 000 пластинок, отделенных друг от друга тонкой оболочкой и изолированных прокладками из студенистого вещества. Пластинки образуют своего рода батарею, дающую разряд по направлению от хвоста к голове. Ток угря достаточен, чтобы убить в воде рыбу или лягушку. Плохо приходится и людям, купающимся в реке: электрический орган угря дает напряжение в несколько сот вольт. Особенно сильное напряжение тока дает угорь, когда он изгибается дугой так, что жертва находится между его хвостом и головой: получается замкнутое электрическое кольцо.

Электрический разряд угря привлекает других угрей, находящихся поблизости. Этим свойством угрей можно пользоваться и искусственно. Разряжая в воду любой источник электричества, удавалось привлекать целое стадо угрей, надо было только подобрать соответствующее напряжение тока и частоту разрядов.

Подсчитано, что 10 000 угрей могли бы дать энергию для движения электропоезда в течение нескольких минут. Но после этого поезд стоял бы несколько суток, пока угри не восстановили бы свою электрическую энергию.

Сколько вольт в вольтовом столбе?

В XVIII в. с подачи профессора Л. Гальвани считали, что мышцы животных вырабатывают электричество. Лапка лягушки, подвешенная на медном проводе, как мы уже знаем, дергается, когда прикасается к железным перилам. Дескать, цепь замыкается и «животное» электричество делает свое дело.

Итальянский ученый Аллесандро Вольта (1745—1827) не согласился с этим и доказал, что электричество здесь получается из-за контакта двух разных металлов. Лапка лягушки служит лишь чувствительным прибором для обнаружения этого электричества.

В 1799 г. Вольта изготовил первую электрическую батарею, названную Вольтовым столбом. Столб этот (рис. 318) состоял из серебряных (позже замененных на дешевую медь) и цинковых пластинок, нанизанных на непроводящий стержень; между пластинками были прокладки, смоченные слабой серной кислотой. Первую и последнюю пластинку соединили с проводами – и первая в мире батарейка готова!

Каждая пара пластинок давала 1,1 В. Если, к примеру, в батарее таких пар было 100, то напряжение составляло 110 В, и от него вполне можно было получить вольтову дугу, если замкнуть батарею на два угольных электрода (рис. 319).

Дело было сделано: Вольта доказал, что различные металлы, соединенные через проводящий электролит (прокладки в кислоте), дают электрический ток.

В честь Вольта единица напряжения тока и названа вольтом. А в честь Гальвани, хоть он и ошибался, все источники электричества, подобные описанному, стали называть гальваническими элементами. При этом к созданию гальванических элементов Гальвани не имел никакого отношения!

В действительности оказалось, что Гальвани не так уж и ошибался – живые ткани все-таки вырабатывают электричество, но чрезвычайно малой мощности. Возьмитесь руками за контакты точного прибора (гальванометра), и он покажет наличие у вас «животного» электричества.

Несложно самому соорудить что-то вроде вольтова столба: собрать медные и «белые» монеты в столбик, проложив их кусочками бумаги, затем залить все «рассолом» из обычной соли и закатать герметично в полиэтилен. И от такого вольтова столба длиной около 10 см стенные часы могут идти несколько лет.

После открытия вольтова столба Вольта стал знаменит во всем мире. В Париже его принял Наполеон Бонапарт, вручил орден, пожаловал звание графа и должность сенатора.

А между тем новое – это хорошо забытое старое, так как гальванические элементы, подобные элементу Вольты, существовали несколько тысяч лет назад, и найдены они были при раскопках близ Багдада немецким археологом В. Кенигом еще до второй мировой войны. В своей книге «Затерянный рай» он отметил, что найденный им глиняный глазурованный сосуд с находившимися внутри него медным цилиндром и железным стержнем есть не что иное, как гальванический элемент (рис. 320). В дальнейшем такие сосуды находили в большом количестве. Определили, что заливались они уксусом, а герметизировались битумом. Реставрировали батарейку, залили уксусом – получили ток! Использовали такие батарейки в древности, по-видимому, для гальванического золочения мелких серебряных украшений.

Но Вольта не мог знать об этих гораздо более поздних находках и, как это уже часто бывало в науке и технике, сделал открытие заново, чем дал толчок к целой лавине изысканий в области гальванических элементов, которые активно продолжаются и сейчас.

Почти все гальванические элементы должны содержать жидкий электролит: раствор серной кислоты, как в элементе Вольта, или уксус, как в древней батарейке. Это очень неудобно: представьте себе, что мы в наручных часах или в мобильном телефоне носим банку с кислотой, которая при неудачном ударе бьется. Уж куда удобнее иметь небьющуюся емкость с непроливающимся содержимым. Вольта в своем столбе добился этого лишь временно – прокладки между пластинами высыхали, их приходилось смачивать снова.

И был еще один недостаток у элемента Вольта – он очень быстро «уставал» – начинал давать токи все более низких величин. Причина крылась в том, что медные пластины покрывались пузырьками водорода, который выделялся при работе элемента, и активная поверхность металла сильно уменьшалась.

Чтобы устранить это явление, француз Лекланше придумал элемент, который служит нам до сих пор. В цинковую гильзу помещается электролит – раствор нашатыря (хлористого аммония, который используют для пайки), туда же опущен угольный стержень, обмотанный марлей с перекисью марганца в ней. Таким образом, угольный стержень хоть и находится в электролите, но последний проникает к нему только через слой перекиси марганца, который и поглощает водород, выделяющийся на угольном электроде. В результате элемент Лекланше почти «не устает» до самого конца срока действия.

Остается добавить, что электролит в современных элементах Лекланше не жидкий, а в виде пасты или густого киселя. Тогда даже при повреждении корпуса (что, кстати, часто бывает при истощении элемента и сильном утончении цинковой гильзы) жидкость не вытекает. Такие «сухие» батарейки (рис. 321) продаются и сегодня, хотя есть гораздо более емкие, но и более дорогие элементы.

Эти емкие и дорогие элементы бывают двух видов. Первый – это миниатюрные «кнопки» для часов и приборов, где больше всего ценится срок службы и герметичность, такие сегодня в большом количестве можно видеть в магазинах. А второй вид, который в магазинах так просто не встретишь, – металл-воздушные системы.

Это в основном мощные батареи, которые могут быть использованы даже для движения автомобиля. В них металл – цинк или алюминий – окисляется кислородом воздуха, который продувается через батарею. За счет окисления металла вырабатывается энергия. Израсходованные металлические части заменяют новыми, и батарея снова работает. Металл, таким образом, является в них топливом. Поэтому элементы, сжигающие, или, правильнее, окисляющие, металлы, да и не только металлы, но и топливо, и за счет этого вырабатывающие электроэнергию, называются топливными элементами. За ними – большое будущее!

Как накопить электроэнергию?

Можно ли «оживить» истощенную батарейку? Некоторые умельцы знают, как сделать это: через разряженную сухую батарейку особыми импульсами пропускают ток. Эту операцию порой проделывают по нескольку раз. Однако она ненадолго восстанавливает элемент.

Постойте, постойте! Как бы там ни было, получается, что гальванический элемент – тот же аккумулятор! Заряжая его электрическим током, восстанавливая, мы накапливаем в нем электроэнергию, которую затем расходуем. Так ли это?

Оказывается, и так и нет. Прежде всего, не каждый элемент можно подзарядить. Нельзя это сделать, например, с элементом, в котором присутствуют два жидких электролита. Таков, например, элемент Даниэля, где две разные жидкости разделены пористым стаканчиком. Постепенно просачиваясь через стаканчик, электролиты смешиваются, реагируют друг с другом и выделяют ток. Этот элемент, если он уже отработал свой срок, не восстановить.

Другие элементы с твердыми электродами в принципе подзаряжаются, накапливают энергию, но процесс накопления так неэкономичен и неэффективен, что многие считают его излишним. Накапливается только ничтожная часть поданной на элемент электроэнергии, а сам элемент после нескольких таких зарядок разрушается. Чтобы стать хорошим накопителем, гальванический элемент должен достаточно хорошо переносить процесс зарядки. Этого наконец удалось добиться в середине XIX в.

В 1859 г. французский ученый и инженер Гастон Плантэ провел любопытный опыт, внешне очень похожий на опыт Вольты. Как и Вольта, Плантэ построил гальванический элемент, однако в качестве электродов он взял две свинцовые пластины, в обычных условиях покрытые пленкой окиси свинца. Электролит был все тот же – разбавленная серная кислота. Плантэ подключил к электродам источник постоянного тока и некоторое время пропускал ток через свой элемент, совсем как при подзарядке сухих элементов. Потом он отключил ток и подключил к электродам гальванометр. Прибор показал, что элемент Плантэ стал сам вырабатывать электроток и при этом выделял почти всю энергию, затраченную на зарядку. Зарядку можно было повторять большое число раз – элемент неизменно работал исправно, не разрушался, подобно сухим батарейкам.

Этот гальванический элемент назвали элементом второго рода, или аккумулятором. Как же происходит накопление энергии в аккумуляторе Плантэ? При пропускании тока через электролит из серной кислоты на свинцовой пластине, соединенной с отрицательным полюсом источника тока – катодом, выделяется водород, который восстанавливает окись свинца в чистый свинец. На электроде, соединенном с положительным полюсом – анодом, выделяется кислород, который окисляет окись свинца до перекиси. Аккумулятор зарядится, когда катод целиком станет чистым свинцом, а анод – перекисью свинца. Тогда между электродами окажется наибольшее напряжение.

Соединяя пластины-электроды проводником с потребителем, расходуя энергию, мы разряжаем аккумулятор. Направление тока при разрядке противоположно тому, что было при зарядке. Положительно заряженная пластина будет восстанавливаться водородом, а отрицательная – окисляться кислородом. Как только пластины станут одинаковыми, аккумулятор прекратит давать ток. Надо повторить зарядку.

Ясно, что энергия в этом аккумуляторе накапливается в виде вполне осязаемого вещества – свинца, переходящего с выделением энергии в перекись свинца. Сам процесс накопления и выделения энергии здесь происходит иначе, чем в чисто электрических аккумуляторах – конденсаторах. Поэтому такой аккумулятор принято называть электрохимическим.

В конструкциях автомобильных свинцово-кислотных аккумуляторов (рис. 322) ученые постарались как можно больше увеличить поверхность электродов, не нарушая при этом их прочности. Ведь именно от величины поверхности зависит мощность аккумулятора. Сейчас пластины аккумулятора изготовляются в форме свинцовых решеток, покрытых перекисью свинца (положительный электрод) и губчатым свинцом (отрицательный электрод). Электролитом служит 25—35%-й водный раствор серной кислоты. Заряженный автомобильный аккумулятор имеет напряжение (точнее – электродвижущую силу) на клеммах 2 – 2,2 В. При разрядке это напряжение падает, и когда оно достигает 1,8 В, разрядку обычно прекращают, иначе решетка из свинца может слишком истончиться в ходе реакции, и пластины, потеряв прочность, рассыплются.

Вы хотите узнать, что будет с аккумулятором, если попробовать хотя бы кратковременно получить от него ток большой мощности? Тогда включите стартер, питаемый от аккумулятора, но без подачи топлива в двигатель. Двигатель, естественно, не заведется, а через 15—20 секунд стартер начнет сбавлять обороты. Еще через некоторое время он вообще остановится. Будет полное впечатление, что аккумулятор разрядился и больше из него «выжать» ничего нельзя. Но потом, спустя несколько минут, стартер снова заработает! Откуда берутся силы у аккумулятора? Не может же он, как живое существо, отдыхать?

В самом деле, поведение аккумулятора и живого организма здесь поразительно похожи. При усталости мышц от интенсивной работы их сила резко снижается, и нужно время, чтобы она восстановилась. Человек сделает гораздо больше, если он будет работать равномерно, с постоянной, но небольшой по мощности нагрузкой. Например, если попытаться взбежать на 20-й этаж дома, с одного раза это вряд ли получится, потребуется отдых. Да и усталость после этого будет ощущаться немалая. А если идти спокойно, то 20 этажей можно преодолеть без особой усталости.

Так и в аккумуляторе: при включении его на большую мощность серная кислота, которая была в порах пластин, быстро израсходуется, в результате реакции она превратится в воду, и выделение тока прекратится. Только через некоторое время, когда серная кислота постепенно вновь заполнит поры, можно опять разряжать аккумулятор.

Поэтому разряжают и заряжают аккумуляторы (это касается практически всех видов электрохимических аккумуляторов) обычно с достаточно малой нагрузкой, небольшими токами и продолжительное время – несколько часов. Здесь и кроется один из главнейших недостатков электрохимических аккумуляторов – их малая мощность, приходящаяся на 1 кг массы аккумулятора, так называемая удельная мощность, или плотность мощности.

Свинцово-кислотные аккумуляторы весьма экономичны, однако они и капризны, часто портятся, недолговечны. К тому же свинец – сравнительно редкий и дорогой металл, а кислота опасна в обращении. Естественно, что ученые стали искать новые материалы и новые принципы работы аккумуляторов. Так возник второй основной тип электрохимических аккумуляторов – щелочные аккумуляторы. Создание их тесно связано с именем знаменитого американского ученого и изобретателя Томаса Эдисона (1847—1931).

В аккумуляторах электролитом служит уже не кислота, а щелочь – 20 %-й раствор едкого кали. Пластины изготовлены из стальных решеток с карманами в них. У положительных пластин карманы заполнены смесью, содержащей окись никеля, а у отрицательных – губчатым кадмием. Корпус щелочного аккумулятора стальной, что придает устройству большую прочность.

Щелочные аккумуляторы дороже кислотных и менее экономичны. Но, несмотря на это, положительные их качества преобладают – они неприхотливы, прочны, долговечны. Поэтому они все больше входят в технику. Например, на троллейбусах применяются именно такие накопители. Их можно видеть в транзисторных приемниках, телефонных и слуховых аппаратах, карманных фонариках и других устройствах. Во многих радиоприборах присутствуют миниатюрные аккумуляторы, тоже щелочные, называемые кнопочными, так как они внешне напоминают кнопку. Ценность их в том, что они герметично закрыты, совершенно нечувствительны к перезаряду, не требуют ухода. Обычные крупные аккумуляторы этим похвастать не могут.

На некоторых спутниках связи и космических станциях применяются очень дорогие, но зато великолепные по своим характеристикам серебряно-цинковые щелочные аккумуляторы. Им нипочем ни большие токи, ни низкие (до – 60 °C) температуры. Плотность энергии, накапливаемой в них, в 5 раз выше, чем у кислотных аккумуляторов, а плотность мощности – вдвое выше.

Но серебро нынче дорого, а будет еще дороже. Много серебра идет на технические нужды, вот оно и кончается. Так что ставку на эти аккумуляторы делать не стоит, особенно если речь идет о массовом и мощном потребителе, как, например, электромобили.

Чем кормить электрическую лошадку?

Электромобиль сегодня – притча во языцех. Вот автомобили, дескать, весь кислород съели и всю атмосферу задымили, только электромобиль и может спасти мир от экологической катастрофы.

Мало кто знает, что электромобиль появился задолго до первого автомобиля с двигателем внутреннего сгорания. Как только в 30-х гг. XIX в. появился первый электродвигатель, его сразу поставили на экипаж. Питался этот двигатель от батареи гальванических элементов.

Автором первого в мире электромобиля был англичанин Роберт Дэвидсон. Его машина, построенная в 1837 г. еще в правление королевы Виктории, представляла собой четырехколесную коляску длиной 4,8 и шириной 1,8 м, с метровыми колесами, т. е. была достаточно крупным сооружением. Большую часть коляски занимали батарея гальванических элементов и пока еще примитивный, внушительных размеров электродвигатель. О ходовых качествах этого электромобиля достоверных сведений не осталось.

Но чтобы электромобиль мог заменить автомобили, ему нужен достойный аккумулятор, обычным стартерным тут не обойдешься. Сейчас ученые связывают свои надежды с необычным на первый взгляд аккумулятором, в котором используются гальванические пары сера-натрий (рис. 323) и хлор-литий (рис. 324). Металлы – натрий или литий – там расплавлены, их температура достигает нескольких сот градусов. Расплавленный натрий соединяется в аккумуляторе с горячей жидкой серой, а литий взаимодействует с раскаленным газом – хлором. Из-за того, что содержимое таких аккумуляторов при работе нагрето до 300—800 °C, они получили название горячих.

1 – хлорный электрод; 2 – канал ввода хлора; 3 – литиевый электрод; 4 – сепаратор

Происходящее внутри горячих аккумуляторов напоминает мифологический ад. Достаточно представить расплавленную серу, в которой варится расплавленный же натрий, тот самый натрий, что и от воды-то загорается и даже взрывается! О хлоре и говорить нечего – это один из наиболее ядовитых газов, чрезвычайно активный даже при комнатной температуре, а что будет при 800 °C! Недаром ученые который уж год бьются над созданием корпуса к этому адскому накопителю – мало какой материал выдерживает такую начинку.

Однако, к чести горячих аккумуляторов, они при низкой своей стоимости развивают плотность энергии примерно в 10 раз большую, чем свинцово-кислотные аккумуляторы, и плотность мощности у них значительно выше. Если свинцово-кислотные аккумуляторы накапливают в 1 кг своей массы 60—80 кДж энергии, а щелочные – 110, то горячие серно-натриевые – 400—700 кДж!

Автомобилю для пробега в 100 км хватило бы всего 50 кг серно-натриевого аккумулятора. 150 кг на 300 км пробега – это неплохие результаты. Но горячие аккумуляторы перед началом работы надо разогревать, их оболочка долго не выдерживает адское содержимое. Да и при аварии машины с таким аккумулятором присутствовать даже зрителем никому не пожелаешь.

Более спокойный характер у новых, медно-литиевых аккумуляторов. Они имеют катод из медного сплава и анод из пористого лития. Электролит органический, с высокой электропроводностью. Плотность энергии в опытных образцах этих аккумуляторов в 1,5 раза выше, чем у серебряно-цинковых, но, что самое важное, у них возможно получение высоких удельных мощностей. Если же вместо меди взять фтористое соединение никеля, то и процесс зарядки аккумулятора можно сильно сократить, всего до нескольких минут, что также очень существенно.

Интересны аккумуляторы на основе цинка и… обыкновенного воздуха. Цинковый анод здесь просто окисляется кислородом воздуха, поэтому весь запас энергии в батарее обусловлен только количеством цинка. Катод изготовлен из пористого никеля и почти не расходуется, а анод по мере износа заменяется новым или восстанавливается пропусканием зарядного тока (рис. 325).

1 – электролитный насос; 2 – компрессор; 3 – цинковые элементы

Своеобразие этих батарей заключается в том, что они могут работать как в режиме аккумуляторов, так и в режиме обычных гальванических элементов, попросту «сжигая» – окисляя цинк в кислороде воздуха. Именно в этом случае цинковые аноды приходится заменять, но плотность энергии элемента при этом получается почти вдвое большей, чем у аккумулятора.

Но главнейшей проблемой электромобиля являются не сами аккумуляторы, а то, что для зарядки этих аккумуляторов просто не хватит мощности электростанций всего мира, ибо мощность двигателей всех автомобилей значительно превышает мощность всех электростанций. На электромобили можно перевести лишь незначительную долю автотранспорта, преимущественно в городах. Поэтому надо научиться вырабатывать электричество из топлива прямо на автомобиле (теперь уж его с полным основанием можно называть электромобилем). И эту задачу с успехом выполняют топливные элементы. Они бесшумно и экологически безвредно преобразуют химическую энергию топлива в электроэнергию с КПД, превышающим КПД электростанций.

Еще в XIX в. было замечено, что если в горячий раствор едкого кали опустить платиновые электроды и к одному из них медленно подавать водород, а к другому кислород, то на электродах появляется разность потенциалов. Платина играла роль катализатора реакции окисления-восстановления водорода и кислорода. Соединив электроды, ученые получали электрический ток (рис. 326). Ток вначале был невелик, и вся последующая работа над прямым преобразованием энергии топлива в электричество заключалась как раз в увеличении мощности этого процесса.

Ныне существует множество типов установок для преобразования энергии, называемых топливными элементами, электрохимическими генераторами, или, если они работают на водороде, водородными генераторами. Есть высокотемпературные (как горячие аккумуляторы) топливные элементы, а есть работающие и при комнатной температуре. Применяются также элементы с промежуточными температурами: 100—200 °C. Электролитами могут служить и щелочь, и кислота, причем в твердом и жидком виде.

Разнообразно и топливо, которым питаются такие элементы. Это газы (например, водород); жидкости – спирт, гидразин; твердые вещества – уголь, металлы. В качестве окислителя используют кислород, воздух, перекись водорода. КПД топливных элементов очень высок, он достигает 70 %, что, по меньшей мере, вдвое выше, чем у двигателей.

Как же все-таки работает современный топливный элемент? В во-дородно-кислородном элементе водород поступает на поверхность отрицательного электрода, а кислород – на поверхность положительного электрода. Газы эти доставляются к электродам по трубкам. Ионы водорода в процессе реакции окисления-восстановления соединяются с ионами кислорода, образуя обычную воду. Энергия химической реакции передается электродам в виде электрической энергии. Получаемая в топливном элементе вода удаляется оттуда через особый фитиль (рис. 327). Она настолько чиста, что ее можно использовать для питья и приготовления пищи. Так поступают, например, космонавты в длительном полете – на космических станциях тоже установлены топливные элементы. Это еще одно достоинство прямого преобразования топлива в ток.

Водородно-кислородные топливные элементы, если брать в расчет только массу топлива-водорода и кислорода, имеют громадную плотность энергии – около МДж/кг. Но ведь надо учитывать и массу самого устройства – топливного элемента со вспомогательным оборудованием. А это уже снижает плотность энергии до уровня обычных электроаккумуляторов – топливные элементы очень тяжелы. Лишь после многочасовой работы, когда будет израсходовано значительное количество водорода и кислорода, топливные элементы окажутся легче электрохимических аккумуляторов с тем же запасом накопленной энергии.

Плотность мощности у топливных элементов совсем мала, около 60 Вт на 1 кг массы, или втрое меньше, чем у горячих аккумуляторов. Для автомобилей это явно недостаточно.

Но если эту мощность накапливать, например, в маховиках (или супермаховиках), разгоняя их легким скоростным электромотором, то топливные элементы, развивая свою незначительную удельную мощность, смогут обеспечивать ею любой режим движения автомобиля. Ведь непосредственно к ведущим колесам мощность будет подаваться от маховика, который может развивать ее в неограниченных количествах. Трансмиссией в этом случае может служить механический вариатор, легкий и экономичный.

Конечно же, хотя бы в первое время заправка таких электромобилей на топливных элементах будет производиться обычным топливом – сжиженным газом, бензином или соляркой. Уже на самой машине это топливо будет проходить через конвертор, вырабатывающий из него водород, питающий топливные элементы. Кислород будет забираться из воздуха.

На наш взгляд, будущее энергетического агрегата автомобилей именно в использовании гибрида топливных элементов с накопителями энергии.

И работа над этим ведется уже сегодня.