Трактат об электричестве и магнетизме

Наиболее удобный способ получить постоянный ток даёт Вольтова батарея.

Для определённости мы опишем Элемент Даниэля.

Раствор сульфата цинка наливается в ячейку из пористой глины, а эта ячейка помещается в сосуд, в котором содержится насыщенный раствор сульфата меди. Кусок цинка погружается в сульфат цинка, а кусок меди - в сульфат меди. К цинку и меди над поверхностями жидкостей припаиваются проводники. Это устройство называется ячейкой, или элементом батареи Даниэля (см. п. 272).

233. Если изолировать элемент, поместив его на непроводящую подставку, и если проволоку, соединённую с медным электродом, привести в соприкосновение с каким-нибудь проводником A, а проволоку, соединённую с цинковым электродом, привести в соприкосновение с другим каким-нибудь проводником B, сделанным из того же металла, что и проводник A, то с помощью чувствительного электрометра можно показать, что потенциал проводника A будет превышать потенциал B на определённую величину. Эта разность потенциалов называется Электродвижущей Силой Элемента Даниэля.

Если теперь отъединить проводники A и B от элемента и соединить их между собой с помощью проволоки, то через неё пройдёт переходный ток в направлении от A к B и потенциалы проводников A и B уравняются. Проводники A и B можно затем снова зарядить от гальванического элемента и повторять описанную процедуру до тех пор, пока элемент будет действовать. Но если проводники A и B соединены проволокой C и в то же время связаны с батареей, как описано выше, то элемент будет поддерживать постоянный ток в проволоке C и также постоянную разность потенциалов между проводниками A и B. Эта разность потенциалов, как мы увидим, не будет равна полной электродвижущей силе элемента, потому что часть этой силы расходуется на поддержание тока через сам элемент.

Несколько элементов, расположенных последовательно, так что цинк первого элемента соединён металлом с медью второго и т. д., называется Вольтовой батареей. Электродвижущая сила такой батареи равна сумме электродвижущих сил составляющих её элементов. Если батарею изолировать и сообщить ей как целому электрический заряд, то при этом потенциал медного конца всегда будет превышать потенциал цинкового конца на величину, равную электродвижущей силе батареи, каково бы ни было абсолютное значение этих потенциалов. Элементы, входящие в батарею, могут очень сильно различаться по устройству, содержать различные химические вещества и различные металлы при условии, что химические реакции не идут, пока нет тока.

234. Рассмотрим теперь вольтову батарею, у которой концы изолированы друг от друга. Медный конец будет заряжен положительно или стеклообразно, а цинковый конец будет заряжен отрицательно или смолообразно.

Соединим теперь два конца батареи проволокой. Возникнет электрический ток, который очень скоро достигнет постоянной величины. Его и называют Постоянным Током.

Свойства тока

235. Ток образует замкнутую цепь, протекая по проводам в направлении от меди к цинку, а через растворы внутри элемента - в направлении от цинка к меди.

Если разорвать цепь, разрезав проволоку, соединяющую медь одного из элементов с цинком следующего элемента, ток прекратится, а потенциал того конца проволоки, который соединён с медью, будет превышать на постоянную величину потенциал того конца проволоки, который связан с цинком. Эта постоянная величина равна полной электродвижущей силе в цепи.

Электролитическое действие тока

236. Пока цепь разомкнута, в элементах, составляющих батарею, не происходит никаких химических реакций. Но если цепь замкнута, то в каждом элементе Даниэля цинк уходит в раствор с цинка, а медь из раствора осаждается на меди.

Количество сернокислого цинка увеличивается, а количество медного купороса уменьшается, если его непрерывно не добавлять.

Количество растворённого цинка в каждом из элементов Даниэля, составляющих цепь, одинаково, как и количество осаждённой меди, независимо от размера пластин в элементах. Если какой-нибудь из элементов отличается своим устройством, химическое действие в этом элементе находится в постоянном соотношении с химическим действием в элементе Даниэля. Пусть, например, один из элементов состоит из двух платиновых пластин, погружённых в водный раствор серной кислоты. Тогда на поверхности той пластины, через которую ток входит в жидкость (а именно пластины, соединённой с медью элемента Даниэля), будет выделяться кислород, а на поверхности той пластины, через которую ток покидает жидкость (именно пластины, соединённой с цинком элемента Даниэля), будет выделяться водород.

Объём водорода в точности равен удвоенному объёму кислорода, выделившегося за то же время, а вес кислорода точно в восемь раз превышает вес водорода.

Вес каждого вещества, растворённого, осаждённого или разложенного в любом элементе цепи, равен определённой величине, называемой электрохимическим эквивалентом данного вещества, умноженной на силу тока и на время, в течение которого шёл ток.

Эксперименты, в которых был установлен этот принцип, изложены в седьмой и восьмой сериях «Экспериментальных исследований» Фарадея. Исследование кажущихся исключений из этого правила см. в книгах Миллера «Химическая физика» (Miller’s «Chemical Physics») и Видеманна «Гальванизм» (Wiedemann’s «Galvanismus»).

237. Вещества, разлагаемые таким путём, называются Электролитами. Самый процесс называется Электролизом. Места, где ток входит в электролит и выходит из него, называются Электродами. Тот из них, через который ток входит, называется Анодом, а тот, через который ток покидает электролит, называется Катодом. Составляющие, на которые разлагается электролит, называются Ионами: ион, приходящий к аноду, называется Анион, а тот, который приходит к катоду, называется Катион.

Из этих названий, которые, как я полагаю, придумал Фарадей с помощью д-ра Уивелла (Whewell), первые три, а именно электрод, электролиз и электролит, являются уже общепринятыми, а тот вид проводимости тока, в котором имеет место описанное разложение и перенос компонент, называется Электролитической Проводимостью.

Если однородный электролит помещён в трубку переменного сечения, а электроды размещены на её концах, то обнаружено, что при прохождении тока анионы появляются у анода, а катионы - у катода, причём количества этих ионов электрохимически эквивалентны и таковы, что они в сумме эквивалентны определённому количеству электролита. В других частях трубки состав электролита остаётся неизменным независимо от того, велико или мало сечение трубки, остаётся оно постоянным или меняется. Таким образом, количество электролиза в любом сечении трубки одинаково. Там, где сечение мало, процесс поэтому должен быть более интенсивным, чем там, где сечение велико; но полное количество ионов каждого сорта, которые проходят через любое поперечное сечение трубки в данный промежуток времени, есть величина неизменная для всех сечений.

Поэтому сила тока может быть измерена по количеству электролиза в данное время. Прибор, с помощью которого определяется количество продуктов электролиза, называется Вольтаметром.

Измеренная таким способом сила тока имеет одно и то же значение для каждой части цепи, а полное количество продуктов электролиза, выделившихся в вольтметре за любой данный промежуток времени, пропорционально количеству электричества, прошедшему за то же самое время через любое сечение цепи.

238. Если ввести вольтаметр в какую-нибудь часть цепи, содержащей вольтову батарею, и разорвать цепь на каком-нибудь другом участке, то мы можем предположить, что процесс измерения тока происходит следующим образом. Концы разорванной цепи обозначим через A и B, и пусть A будет анод, а B - катод. Возьмём теперь изолированный шар и будем попеременно приводить его в соприкосновение то с A, то с B. За каждый переход шар будет переносить от A к B определённое измеримое количество электричества. Это количество электричества может быть измерено электрометром, или оно может быть вычислено как произведение электродвижущей силы в цепи на электростатическую ёмкость шара. Электричество, таким образом, доставляется от A к B на изолированном шаре с помощью процесса, который можно назвать Переносом. При этом как в вольтаметре, так и в элементах батареи идёт электролиз, и количество продуктов электролиза в каждом элементе можно сравнить с количеством электричества, перенесённым с помощью изолированного шара. Количество вещества, выделившегося в электролизе при прохождении единицы количества электричества, называется Электрохимическим эквивалентом этого вещества.