Текст книги "Пионер-электротехник"
Автор книги: Петр Стрелков
сообщить о нарушении
Текущая страница: 1 (всего у книги 14 страниц)
Петр Стрелков
ПИОНЕР-ЭЛЕКТРОТЕХНИК
…Недостаточно понимать, что такое электричество, надо знать, как технически приложить его и к промышленности, и к земледелию, и к отдельным отраслям промышленности и земледелия… надо научить этому все подрастающее трудящееся поколение.
В. И. Ленин
Введение
Мы живем в замечательный век электричества. Человек, вооруженный наукой, знаниями, сделал электричество своим верным, послушным и очень сильным помощником в труде и в быту.
Электрическая энергия весьма глубоко проникла во все отрасли народного хозяйства. Сейчас почти невозможно назвать такую машину, прибор или станок, где бы не применялось электричество. Без электричества немыслимы удобные бытовые приборы, комфортабельные автомобили, сложнейшие станки и заводы-автоматы, удивительные счетные машины, замечательные реактивные самолеты, непревзойденные советские искусственные спутники Земли и Солнца, надежное автоматическое управление механизмами и проч.
Без электричества невозможно внедрение новых, передовых методов изготовления приборов, станков и различных машин. Иначе говоря, без электричества нельзя осуществить передовую технологию любого производства.
Вот почему еще в начале создания Советского государства В. И. Ленин призывал настойчиво изучать электротехнику и выдвинул лозунг об электрификации всей страны.
Теперь мы видим, что современная передовая техника основана целиком на электричестве; это уже не просто техника, а электротехника.
Первая Всесоюзная выставка творчества пионеров и школьников показала, что многочисленная армия юных пионеров-электротехников оказывает большую помощь своей школе, детскому дому и детскому саду. Они конструируют и строят самые разнообразные электрические приборы и модели, ставят занимательные опыты по электричеству, организуют и оборудуют удобные электрические мастерские и лаборатории, проводят ценные эксперименты и проч.
Запомните, мои юные друзья, что вы можете успешно проделать большую и очень полезную работу только в том случае, если правильно ее спланируете и будете трудиться коллективно, в кружке.
Прежде всего необходимо решить, где и как следует проводить свою работу. Нужно подобрать помещение или уголок, где будут сосредоточены инструменты и материалы. Затем следует приобрести требуемый комплект монтажных, слесарных, столярных инструментов и приспособлений.
Начинать работу следует с изготовления самых простых приборов и только после того, как вы научитесь выполнять простейшие столярные и слесарные работы, склеивать бумажные изделия, соединять деревянные и металлические детали, производить пайку подогревным или электрическим паяльником.
Перед тем как приступить к практическому изготовлению какого-либо прибора или модели, необходимо четко уяснить принцип его работы, ясно представлять конструкцию не только прибора в целом, но и каждой его детали, составить чертежи на все детали и точно проставить их размеры, установить порядок изготовления деталей и сборки прибора.
Очень важное значение имеет в работе юного электротехника правильное оборудование рабочего места. На рабочем месте должны быть только те инструменты, которыми необходимо постоянно пользоваться, при этом нельзя складывать их в кучу. Поделочные материалы следует хранить в специальных ящиках.
На время работы надевайте фартук с нарукавниками или халат, чтобы не испачкать костюм. Когда закончите работу, соберите инструменты и сложите их в ящики или в шкаф. Уберите рабочее место, очистив его от опилок и стружек. Если работа проходит в кружке, то для уборки рабочих мест назначаются дежурные, которые выделяются старостой кружка на каждое занятие. В этом случае каждый член кружка должен вычистить и аккуратно сложить в ящик инструменты, детали и материалы. Если же юный электротехник работает в домашней мастерской, то он тоже должен соблюдать чистоту и порядок на своем рабочем месте.
Для организации и оборудования электротехнической мастерской в школе или у себя дома мы рекомендуем изготовить некоторые электрифицированные инструменты и простейшие приспособления. Ниже мы подробно рассказываем, как их изготовить.
ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
Вам, конечно, известно, что в каждой электрической цепи должен быть источник постоянного или переменного тока.
Источники постоянного тока, включенные в электрическую цепь, дают ток постоянного направления. К ним относятся сухие и мокрые гальванические элементы и батареи, различные аккумуляторы и аккумуляторные батареи, электрические машины постоянного тока, а также разработанные в последнее время термоэлектрические, солнечные и атомные батареи.
Источники переменного тока, включенные в электрическую цепь, дают ток, величина и направление которого периодически меняются. Переменный ток в промышленных и осветительных сетях (технический переменный ток) меняет свою величину и направление 100 раз в секунду, при-этом он течет 50 раз в одном направлении и 50 раз – в противоположном.
Технический переменный ток называют периодическим. Он характеризуется числом периодов (колебаний) в 1 секунду, или частотой. За единицу измерения частоты периодического тока принят 1 герц, то есть 1 период изменения тока в 1 секунду. Промышленный ток имеет частоту 50 герц. Периодический ток изображается на схемах (рис. 1) кривой линией, называемой синусоидой. Из рисунка видно, что переменный ток дважды достигает максимального (амплитудного) значения за один период колебания.
Рис. 1. Графическое изображение переменного тока.
Весьма важным достоинством переменного тока является возможность его преобразования из высокого напряжения в низкое, и наоборот, почти при одной и той же мощности. Такое преобразование тока называют трансформацией, а приборы, при помощи которых она осуществляется, – трансформаторами. Трансформаторы бывают повышающими и понижающими. В повышающих трансформаторах происходит преобразование переменного тока низкого напряжения в переменный ток высокого напряжения (до 200, 400 и 500 тысяч вольт). С помощью понижающих трансформаторов преобразуют переменный ток высокого напряжения в переменный ток низкого напряжения (до 120, 220 и даже до 1 вольта и меньше). Более подробно мы рассмотрим трансформаторы ниже, в главе «Домашняя электромастерская пионера».
Электрическая энергия может быть получена за счет преобразования химической энергии (в гальванических элементах и аккумуляторах), преобразования тепловой энергии угля (тепловые электростанции), преобразования механической энергии рек и энергии ветра (гидро– и ветроэлектростанции), преобразования тепловой энергии, выделяющейся при распаде ядер урана (атомные электростанции), за счет непосредственного превращения атомной энергии в электрическую (атомные батареи), за счет непосредственного превращения солнечной энергии в электрическую (солнечные батареи) и, наконец, за счет непосредственного превращения тепловой энергии в электрическую (термоэлектробатареи, термоэлектрогенераторы).
Самодельные гальванические элементы
Самыми простыми источниками постоянного электрического тока являются гальванические элементы. Они могут быть весьма широко использованы там, где нет электрического освещения, а также при проведении различных экспериментов и испытаний в вашей домашней мастерской или электролаборатории.
Существует очень большое количество различных гальванических элементов. Многие из них вы можете изготовить сами и применить в дело.
Изготовление простейшего гальванического элемента
Возьмите стакан кипяченой воды и растворите в нем две столовые ложки поваренной соли. Вы получили электролит. Опустите в него медную и цинковую пластинки так, чтобы они не касались друг друга, а концы их выходили из электролита, как показано на рисунке 2.
Рис. 2. Простейший источник электрического тока.
Вы получили источник тока, который называется гальваническим элементом. Цинковая пластинка в элементе является отрицательным полюсом, или отрицательным электродом, так как она в растворе заряжается отрицательным электричеством. Медная пластинка служит положительным полюсом, или положительным электродом.
Присоедините проводами лампочку от карманного фонаря к электродам вашего элемента. Она даст слабый, быстро угасающий свет. Этот источник имеет напряжение около 1 вольта. Если соединить проводами четыре или пять таких элементов последовательно, то получится батарея элементов.
Последовательное соединение элементов производится так: положительный электрод первого элемента соединяют проводником с отрицательным электродом второго элемента, а положительный электрод второго элемента соединяют с отрицательным электродом третьего элемента, и т. д.
Таким образом, у полученной батареи будет два свободных электрода, один из них – отрицательный (от первого элемента) и положительный (от четвертого или пятого элемента). К этим электродам (полюсам батареи) следует подключать какой-либо потребитель электрического тока, например лампочку от карманного фонаря. Она даст яркий свет, который постепенно будет становиться все слабее и слабее и, наконец, совсем померкнет. Как объяснить причину этого явления?
Установлено, что между цинковой пластинкой и раствором происходит химическая реакция. Под действием этой реакции на цинковой пластинке скапливаются отрицательные заряды, и она заряжается отрицательно. При химической реакции, происходящей в элементе, цинк растворяется, а цинковая пластинка постепенно становится все тоньше и тоньше.
На медной пластинке выделяются пузырьки газа водорода, которые постепенно покрывают ее. Покрытие пластинки водородом и является причиной ослабления действия элемента. Это явление называется поляризацией элемента.
Чтобы не происходило поляризации элемента, надо не допускать покрытия положительного электрода водородом. С этой целью в элемент вводят вещества, которые, химически соединяясь с водородом, поглощают его. Такие вещества называются деполяризаторами.
Элементы, в которых не происходит поляризации, называются неполяризующимися.
Изготовление мокрого элемента Лекланше
Элементы Лекланше бывают мокрые, если электролит у них жидкий, и сухие, если электролит сгущен в виде пасты.
Элемент Лекланше относится к неполяризующимся элементам. Он состоит из стеклянного сосуда, наполненного электролитом, и двух электродов. Отрицательным электродом в нем служит цинковая пластинка, изогнутая в виде цилиндра, а положительным – угольная палочка. Электролитом в элементе служит насыщенный раствор нашатыря в воде. В качестве деполяризатора применяется перекись (двуокись) марганца, смешанная с тонко измельченным углем и порошком графита. Эта смесь запрессовывается вокруг угольного электрода в мешочке, сшитом из бязи или холста. Такие элементы получили название мешочных. Общий вид и детали элемента показаны на рисунке 3.
Рис. 3. Гальванический элемент и его части: 1 – стеклянный сосуд; 2 – электролит; 3 – угольный электрод; 4 – цинковый электрод; 5 – агломерат; 6 – изоляционные прокладки; 7 – крышка; 8 и 9 – провода.
Смесь, запрессованную в мешочке, называют агломератом. Агломерат не должен соприкасаться с цинковым электродом, так как в этом случае произойдет замыкание электродов внутри электролита и элемент не будет давать ток во внешнюю цепь. Чтобы предотвратить случайное замыкание внутри элемента, мешочек с агломератом со всех сторон обвязывают бечевкой, на которую нанизаны стеклянные бусинки на небольшом расстоянии друг от друга. Эти бусинки являются изоляторами и предохраняют электроды от замыкания. Иногда вместо бусинок по бокам мешочка привязывают деревянные палочки, пропитанные смолой или парафином.
Электродвижущая сила (э. д. с.) одного элемента Лекланше равна 1,5 вольта. Следует иметь в виду, что э. д. с. элемента не зависит ни от величины элемента, ни от размеров его электродов.
Каждый гальванический элемент характеризуется емкостью, которая измеряется в ампер-часах. Емкость гальванического элемента зависит от его величины, размеров электродов и количества деполяризатора.
В продаже можно встретить элементы различной емкости, начиная от 0,35 ампер-часа и до 500 ампер-часов и более. Если элемент обладает емкостью в 20 ампер-часов, это значит, что в течение 20 часов от элемента можно брать ток величиной в 1 ампер или в течение 10 часов – ток величиной 2 ампера.
Казалось бы, что от элемента в 20 ампер-часов можно в течение 1 часа получить ток величиной 20 ампер. Однако на практике никогда этого не бывает. От элемента нельзя получить большой разрядный ток. Этому препятствуют сопротивление элемента и бурная реакция, вызывающая ускоренную поляризацию положительного электрода. Поэтому на гальванических элементах и батареях, выпускаемых промышленностью, указывается допустимая разрядная сила тока, то есть та величина тока, выше которой не рекомендуется разряжать элемент.
Мокрый элемент Лекланше можно изготовить так.
Возьмите стеклянную банку из-под кабачков, баклажанной икры или другую стеклянную банку такой же емкости. Из листового цинка вырежьте пластинку прямоугольной формы шириной 10 и длиной 20 сантиметров. Вдоль ее короткой стороны, отступив от края на 1 сантиметр, сделайте прорезь. Изогните пластинку в виде цилиндра, как показано на рисунке 3. Извлеките угольные электроды из старых накальных гальванических батарей. Прокипятите их минут пятнадцать в воде, добавив в нее немного соляной кислоты. Сшейте круглый мешочек из неплотного материала (мешочек удобнее всего шить на бутылке или деревянной болванке диаметром 6–7 сантиметров и длиной 15–20 сантиметров).
Теперь надо приготовить деполяризирующую смесь в следующей по весу пропорции: 10 частей перекиси марганца в порошке, 6 частей кокса в порошке (можно взять угольный порошок в той же дозе), 2 части графита в порошке, 1 часть нашатыря в порошке.
Чтобы заполнить мешочек указанных размеров, потребуется приблизительно следующее количество составных частей массы (в граммах): перекиси марганца – около 500, кокса – 300, графита – 100 и нашатыря – 50. Приготовление смеси надо производить в следующем порядке: сначала возьмите перекись марганца и графит и тщательно перемешайте их между собой в глубокой тарелке или миске до получения однообразной массы, затем прибавьте кокс и нашатырь и все хорошенько перемешайте, слегка спрыскивая смесь водой.
После приготовления однородной смеси надо произвести набивку мешочка. Для этого устанавливают угольный электрод в центре мешочка и насыпают смесь небольшими порциями, спрыскивая ее раствором нашатыря и утрамбовывая вокруг электрода деревянной палочкой.
По окончании набивки края мешочка загните к электроду и завяжите бечевкой. Для уплотнения смеси перетяните мешочек в нескольких направлениях прочными нитками, на которые нанижите круглые стеклянные бусинки. Если бусинок под руками не окажется, привяжите к агломерату три-четыре пластмассовые или деревянные палочки, пропитанные в парафине, выпустив их ниже дна мешочка на 5–6 миллиметров, чтобы он не касался дна сосуда, где могут оказаться проводящие ток осадки.
Пропитайте выступающий конец угольного электрода в расплавленном парафине, для чего опустите конец электрода в расплавленный парафин и подержите его 10–15 минут. За это время парафин заполнит поры в угле и не допустит впоследствии проникновения электролита из элемента вверх, через поры угля, как в ламповом фитиле. Если электролит дойдет до медного контакта, то последний окислится и разрушится. После пропитки угля плотно прикрепите к его концу проволочное контактное кольцо и соберите элемент.
В стеклянную банку вставьте цинковый электрод. В центр этого электрода поместите угольный электрод с агломератом. Приготовьте и залейте электролит, и ваш элемент готов к работе.
Электролит приготовляется так. Возьмите 500 граммов кипяченой остуженной воды и растворите в ней около 200 граммов нашатыря в порошке, добавьте в раствор 2–3 столовые ложки толченого сахара, 1 ложку глицерина и капель 20–30 крепкой уксусной эссенции. Эти добавления к нашатырю введены для того, чтобы препятствовать образованию вредных кристаллов внутри элемента.
Хорошие результаты дает электролит, составленный по следующему рецепту:
500 граммов кипяченой и остуженной воды, 100 граммов нашатыря, 50 граммов хлористого цинка, 25 граммов поваренной соли, 10–15 капель соляной кислоты.
Если под руками не окажется нужных веществ для электролита, можно взять один насыщенный раствор поваренной соли с добавлением по 4–5 чайных ложек крепкого уксуса на каждые 500 граммов воды.
Элемент надо заполнить электролитом так, чтобы цинковый электрод погрузился в него полностью.
Э. д. с. элемента равна примерно 1,5 вольта, а емкость составляет 20–30 ампер-часов. Чтобы в электролит элемента не попадала пыль и грязь, закройте сверху сосуд деревянной крышкой, пропитанной в парафине. В крышке сделайте отверстия для выводов. Крышка позволяет более прочно закрепить электроды внутри элемента. Таким способом можно изготовить любое количество элементов.
Уход за элементами мешочного типа весьма прост. Он заключается лишь в надзоре за чистотой всех частей, надежностью контактов и своевременным добавлением раствора. В процессе работы элемента из раствора выделяются кристаллы солей, которые осаждаются по краям банок и на поверхности угля, вызывая нарушение контакта. Для предотвращения этого смажьте края банок вазелином, а уголь в местах контакта залейте парафином.
Если раствор принимает мутно-молочный цвет, то это означает, что в нем недостает нашатыря, который необходимо добавить и размешать до тех пор, пока раствор не будет совершенно прозрачным. При этом полезно насыпать на дно элемента небольшое количество измельченного нашатыря, чтобы раствор был всегда им достаточно насыщен. Это уменьшает выделение кристаллов.
При весьма значительном образовании кристаллов внутри элемента необходимо оба электрода тщательно промыть в горячей воде и просушить.
Если напряжение элемента значительно упало, а электролит и электроды чистые, то это означает, что в марганце деполяризатора ощущается недостаток кислорода. В этом случае надо заменить деполяризатор или восстановить его.
Хорошие результаты по восстановлению перекиси марганца дает пропускание постоянного тока через элемент, подобно зарядке аккумуляторов. Для этого положительный электрод элемента надо соединить с плюсом постороннего источника, а отрицательный электрод – с минусом и пропускать ток в течение 15–20 минут. Чтобы не замкнуть посторонний источник, необходимо включить реостат в цепь элемента. Напряжение внешнего источника должно быть больше в 3–5 раз напряжения элемента. Зарядный ток должен быть меньше нормальной разрядной величины тока элемента. По мере испарения электролита в элементы следует доливать свежий раствор нашатыря.
Если соблюдать указанный уход, элементы будут работать надежно.
Изготовление элемента Попова
Элементы Лекланше работают устойчиво, но сравнительно непродолжительное время (при работе их э. д. с. заметно падает). Поэтому элементы Лекланше выгодно применять, когда цепь замыкается на короткое время, то есть при постановке опытов, испытании самодельных электрических приборов и моделей.
Указанного недостатка не имеют элементы, разработанные русским саперным инженером Поповым для военно-телеграфной связи. Хотя элементы Попова и принадлежат к категории слабых, но этот недостаток окупается весьма устойчивой работой при постоянном напряжении и величине тока. При правильном уходе элементы Попова могут непрерывно работать многие месяцы и даже годы.
Внешний вид и конструкция элемента Попова показаны на рисунке 4.
Рис. 4. Элемент Попова.
Он состоит из стеклянного сосуда 1, наполненного электролитом, состоящим из двух не смешивающихся между собой жидкостей, разных по удельному весу. Нижнюю часть сосуда занимает медный купорос 9 (с большим удельным весом), а верхнюю – цинковый купорос 2 (с меньшим удельным весом).
Отрицательным полюсом элемента служит укороченный цинковый цилиндрический электрод 3. Он прочно прикреплен к верхней крышке 4 и погружается только в слой цинкового купороса, не доходя до уровня медного купороса на 25–30 миллиметров.
Положительным электродом элемента служит тонкостенная медная или свинцовая трубка 5, покрытая лаком до некоторой высоты. Трубка туго вставлена в центральное отверстие крышки и проходит по центру сосуда сквозь электролит почти до дна. В нижний конец трубки вставлено деревянное дно 7 с мелкими отверстиями 6. На дно кладут кусочки кристаллов медного купороса 8, раствор которого стекает через отверстия в дне электрода.
Электрический ток в элементе Попова возникает благодаря химическим реакциям, при которых растворяется цинк и выделяются пузырьки водорода. Нам известно, что пузырьки водорода вызывают поляризацию элемента.
Попов в своем элементе остроумно разрешил задачу устранения поляризации. При работе элемента водородные пузырьки движутся к положительному электроду. Не доходя до него, водородные пузырьки попадают в раствор медного купороса, где возникает химическая реакция между водородом и медным купоросом. В результате реакции образуется серная кислота и выделяется чистая медь, которая отлагается на положительном электроде, то есть на непокрытой лаком части трубки. Отложение меди не оказывает вредного влияния, а, наоборот, увеличивает поверхность положительного электрода, повышая емкость элемента. Образовавшаяся серная кислота способствует растворению цинка.
В элементе Попова деполяризатором служит раствор медного купороса. Э. д. с. элемента равна примерно 1 вольту.
Раствор медного купороса в элементе не должен достигать цинкового электрода: в этом случае частички меди будут отлагаться уже не на положительном, а на отрицательном электроде, то есть на поверхности цинкового цилиндра. Медное покрытие будет затруднять растворение цинка, и элемент прекратит работу. Поэтому электролит в элементе Попова нельзя взбалтывать, а элементы не следует без надобности переносить с места на место и подвергать каким-либо сотрясениям.
Чтобы изготовить нужное количество элементов Попова, подберите необходимое количество одинаковых (пол-литровых) банок. Из цинкового листа толщиной 1,5–2 миллиметра нарежьте пластинки, изогните их по форме, показанной на рисунке 4. Деревянные крышки сделайте из тонкой фанеры. Для этого выпилите два кружочка: один по внутреннему диаметру горловины банки, а другой– диаметром больше на 10–15 миллиметров. Сложите кружочки так, чтобы их центры совпали, и скрепите мелкими сапожными гвоздями. В крышке сделайте нужные отверстия под электроды, а затем прокипятите ее в парафине.
Для положительных электродов подберите длинную медную, латунную или свинцовую трубку диаметром 10–20 миллиметров. Нарежьте из нее нужное количество трубок одинаковых размеров так, чтобы свободный конец каждой из них выступал из банки на 10–12 миллиметров. Покройте трубки на 3/4 их длины влагостойким лаком или краской и хорошо просушите.
Возьмите кусок плотного картона, положите его на дощечку и вырубите из него нужное количество кружочков. Для этого поставьте трубку на картон непокрашенным концом, а по другому концу ударяйте молотком до тех пор, пока стенки трубки не прорубят картон. Вырубленный кружочек будет прочно держаться в полости трубки, являясь ее дном. В дне проколите шилом одно или два небольших отверстия. К противоположному концу трубки припаяйте конец гибкого изолированного провода для соединения элемента в цепь. После этого приступайте к сборке элемента.
Прикрепите цинковый электрод к крышке. В центральное отверстие туго вставьте приготовленную трубку дном вниз так, чтобы ее конец не доходил до дна банки на 5—10 миллиметров. Заполните сосуд прокипяченной и остуженной водой с примесью 5—10 % глауберовой соли. Погрузите электроды в воду, закрывая элемент крышкой. Через верхнее отверстие трубки заполните всю ее полость мелкими кристалликами медного купороса. Для нормальной работы элемента потребуется около 200 граммов кристаллического медного купороса.
Спустя некоторое время кристаллы медного купороса, растворившись в воде, окрасят нижнюю часть жидкости в темно-синий цвет, тогда как верхняя ее часть останется светлой, прозрачной. Граница между двумя жидкостями обозначится весьма резко. Она должна всегда находиться не ближе 25–30 миллиметров от нижнего края цинка; поэтому сразу нельзя накладывать в трубку слишком много медного купороса.
Перед тем как использовать элемент, замкните его накоротко на два-три часа, то есть соедините между собой провода, идущие от положительного и отрицательного электродов. После этого элемент готов к действию.
Если элемент не работает, то уровень медного купороса повышается до тех пор, пока не растворятся все кристаллы медного купороса, находящегося на дне электрода. Когда элемент работает, то раствор медного купороса расходуется и его уровень в сосуде понижается. Можно практически так подобрать диаметр отверстий в дне положительного электрода, что через них будет вытекать столько растворившегося медного купороса, сколько потребуется на время работы элемента. В этом случае уровень медного купороса в сосуде будет постоянным.
Верхний раствор в элементе постепенно становится гуще, в результате чего из него начинают выделяться кристаллы. Чтобы не допустить этого, нужно время от времени вычерпывать или отсасывать резиновой «грушей» часть раствора, заменяя его 10-процентным раствором поваренной соли. Стенки сосуда надо смазывать вазелином, чтобы на них не оседали кристаллы соли.
Недостатком элемента Попова является значительный расход цинка, так как он все время должен быть включен в цепь или замкнут накоротко, когда не работает.
Огромным достоинством элемента Попова является его непрерывная и безотказная работа весьма продолжительное время. Поэтому такие элементы выгодно применять в телефонной и телеграфной связи, – для питания накала ламп батарейных радиоприемников, в сетях дежурного и аварийного освещения, в цепях сигнализации.
Элемент прекращает работу только тогда, когда цинк полностью растворится.
Соединение элементов в батареи
Имеются три способа соединения элементов в батареи: последовательное, параллельное (рис. 5) и смешанное.
По первому способу элементы соединяются между собой так, что цинковый электрод первого элемента присоединяется к угольному электроду второго. Иначе говоря, «минус» первого элемента соединяется о «плюсом» второго элемента, «плюс» второго соединяется с «минусом» третьего, и т. д. Такое соединение называют последовательным. При последовательном соединении элементов в батарею ее напряжение увеличивается во столько раз, сколько взято одинаковых по напряжению элементов. Это объясняется тем, что напряжение одного элемента как бы складывается с напряжением соседнего и общее суммарное напряжение батареи возрастает. Если, например, каждый элемент имеет напряжение 1,5 вольта, то батарея из 10 последовательно соединенных элементов будет иметь напряжение, равное 1,5х10=15 вольтам.
Рис. 5. Схемы соединения источников тока: а – последовательное; б – параллельное.
При последовательном соединении элементов емкость всей батареи будет равна емкости одного элемента. Внутреннее сопротивление батареи при последовательном соединении равно внутреннему сопротивлению одного элемента, умноженному на число элементов. Величина тока при последовательном соединении элементов определяется по формуле:
I = nE/(R+nr).
В этой формуле I – величина тока в цепи, n – число элементов, Е – напряжение одного элемента, r – внутреннее сопротивление одного элемента, R – сопротивление внешней части цепи.
Нередко элементы соединяют между собой в батареи параллельно. При таком соединении все угольные электроды соединяются между собой, образуя общий положительный электрод, а все цинковые – между собой, образуя общий отрицательный электрод.
Электрическая емкость такой батареи будет во столько раз больше емкости одного элемента, во сколько раз большее число элементов соединено в батарею. Например. если батарея составлена из 10 параллельно соединенных элементов и емкость каждого из них равна 0,35 ампер-часа, то емкость всей батареи будет равна 3,5 ампер-часа. При параллельном соединении элементов величина тока определяется по следующей формуле:
I = E/R+(r/n).
Внутреннее сопротивление батареи, составленной параллельно из n одинаковых элементов, будет в n раз меньше, чем у одного элемента. В работе этого большого «элемента» – батареи – принимает участие и большее количество деполяризатора, равное сумме деполяризатора всех элементов, из которых составлена батарея.
Мы уже говорили о том, что чем больше поверхность электродов и количество деполяризатора в элементе, тем больше его электрическая емкость. Но напряжение элемента, его электродвижущая сила не зависит от величины электродов, а зависит только от материалов, из которых они изготовлены. Поэтому при параллельном соединении элементов в батарею э. д. с. ее останется такой же, как у одного элемента.
На практике параллельное соединение элементов в батареи применяется при составлении батарей накала.
В продаже встречаются сухие батареи БНС-100, БНС-500 и другие. Буквенные обозначения читаются так: «батарея накала сухая, 100 ампер-часов».
В работе вам могут встретиться случаи, при которых придется применять смешанное соединение элементов, то есть несколько одинаковых последовательно соединенных групп элементов соединяется параллельно.
При таком соединении от батареи можно получить и большую величину тока и большее напряжение – в зависимости от числа элементов в соответствующих группах.
Соединяя элементы в батареи, вы должны помнить, что для последовательного соединения по возможности надо подбирать элементы с одинаковым внутренним сопротивлением. Если это условие не будет соблюдено, то среди элементов может оказаться такой, у которого внутреннее сопротивление будет большим, чем у всех остальных. Тогда на преодоление этого сопротивления будут расходовать свою энергию все другие элементы. При параллельном соединении необходимо, чтобы все элементы, входящие в него, имели одинаковое напряжение на своих полюсах. В противном случае среди элементов может оказаться такой, у которого напряжение больше, чем у остальных; тогда его энергия быстрее израсходуется и он раньше других выйдет из строя, ухудшая работу батареи.
