1 Вольт, как эталон: как, когда, каким образом

Изображение вольтовой батареи — работы Алессандро Вольты

Вся наша жизнь в настоящее время проходит в рамках массы разнообразных эталонов отсчёта — систем координат, мер весов, длин, силы, скорости, времени… 

Где среди ряда подобных особняком стоит ещё один эталон — напряжения! 

Задавались ли вы когда-нибудь вопросом, а что выступило эталоном электродвижущей силы источника тока, принятым за начало отсчёта? 

Вопрос, на самом деле, довольно интересный, так как произошло это достаточно давно и выступило одним из кирпичиков в основании «здания» современной электрики и электроники. 

Кроме этого, если задуматься, то становится очевидной и нетривиальность самой задачи — если, например, в отличие от мер длин или веса, где достаточно всего лишь договориться некоторому количеству людей о том, что «вот эту величину принимаем за длину и вес», то как быть с электричеством?!  

Ведь мы знаем, что напряжение — весьма нестабильная величина и может изменяться под влиянием множества факторов, например, проседать под нагрузкой, изменяться в зависимости от состояния источника и целого ряда других. 

Тем не менее, и этому вопросу также было найдено решение — а какое именно, мы узнаем ниже…

>>

Промышленная революция подстегнула развитие множества наук и направлений техники, благодаря чему, XIX век отличился множеством открытий фундаментального рода и изобретений практических устройств, — где одним из таких направлений явились достижения в области электричества: появления множества и смена друг другом разнообразных электродвигателей, открытие радиоволн и первые радиоприёмники, появление трёхфазных генераторов электрического тока, трансформаторов…

Я не устаю каждый раз это повторять, что, по большому счёту, мы все пользуемся изобретениями XIX века в области электротехники и радиодела — где изменения носят всего лишь эволюционную природу, с увеличением КПД, а не с качественным изменением принципа действия (по большому счёту; понятно, что в нюансах произошли сильные изменения, но в общем… «воз и ныне там»). 

Поэтому, как минимум электротехнику, можно называть весьма консервативной областью — в связи с чем, неоднократно приходилось видеть мнения в сети, что эта область ещё ждёт своих изобретений, так как мы «слишком засиделись» на старых разработках и принципах…

Понятно, что такое бурное развитие этой области не могло не поднять в какой-то момент вопроса и о необходимости стандартизации — например, что же считать за 1 В? 

Можно было бы подумать, что логичным выходом из ситуации было бы взять за основу напряжение стандартной ячейки Вольтова Столба: 

 

Или, появившихся несколько позднее элементов Лекланше: 

Однако эти элементы никогда не планировались в качестве эталона, в виду изменения напряжения под нагрузкой и по ходу работы.

То есть, эти элементы были довольно мощными источниками только, однако, в качестве эталона, с высокой повторяемостью результатов их брать было рановато.

Таким образом, изначально вопрос не был решён, и началась работа в этом направлении… 

В виду нестабильности результатов предыдущих типов элементов, был разработан (1836 г.) новый химический элемент электрического тока — элемент (или ячейка), разработки Джона Фредерика Даниэля:

Как видно по картинке выше, конструкция представляет собой стеклянную банку, внутрь которой была налита серная кислота, а затем была опущена цинковая пластина, свёрнутая в трубку вокруг глиняного горшка (можно сказать, цилиндра)), который в виду естественной пористости не обожженной глины обладал свойствами мембраны, где уже внутрь горшка был опущен медный электрод, а сам горшок был залит внутри медным купоросом*.

*Причём, что любопытно, насколько мне удалось понять, существовали две версии устройства! 

И, вот эта версия, приведённая на картинке выше, — это мощный вариант, с большим запасом «топлива» в виде металлического цинка, для питания аппаратов телеграфных линий, где цинк активно расходовался, тогда как существовала ещё и вторая версия — «лабораторная», скажем так, которая требовала в ходе своей работы минимального обслуживания — там было всё устроено с точностью до наоборот: был медный стакан ( выступавший одним из электродов), внутрь которого наливался медный купорос, затем вставлялся глиняный горшок, внутрь горшка наливалась серная кислота и вставлялся цинковый электрод. 

Плюс такого второго варианта был в том, что он требовал минимального обслуживания из-за нарастания в процессе работы металлической меди на самом медном стакане! 

То есть, попросту, несколько утолщается в стенках стакан, — но по большому счёту, ничего страшного, на функционал это не влияет… 

Обычно в литературе об этом не говорят, однако, вроде как, мне удалось в этом разобраться … 🙂

Принципиальная схема действия обоих типов устройств показана на картинке ниже:

 

Несколько позже, в 1860-х годах, была разработана модификация элемента Даниэля, где глиняный горшок, применявшийся в качестве мембраны, отсутствовал:

Как можно видеть по картинке выше, конструкция представляла собой стеклянную банку, на дне которой располагался медный электрод, залитый водным раствором сульфата меди*, поверх которого был налит ещё один водный раствор — сульфата цинка, в толще которого, в свою очередь, располагался цинковый электрод.

Растворы не перемешивались между собой, из-за разной плотности, сохраняя слоёную структуру. Дополнительно, чтобы избежать испарения растворов, сверху на поверхность наливали слой масла. 

Подобная модификация была хороша тем, что снижала сопротивление системы, и, такая система могла выдать больший ток. Конструкция получила название «гравитационной ячейки Даниэля».

*Водный раствор сульфата меди образовывался за счёт растворения кристаллов этой соли, насыпанных в дистиллированную воду и частично растворяющихся в процессе (насыпанные кристаллы можно видеть на картинке выше). 

Кстати говоря, подобная система с кристаллами, присутствующими в не до конца растворившемся виде, будет применена и далее, для ещё более совершенной системы — так что пока просто отметим это для себя! 😉 

Пока только заметим, что в данной конструкции, сульфат меди в виде кристаллов был нужен для постоянного текущего восполнения концентрации раствора, по мере его выработки, за счёт отложения металлической меди, на медном электроде. 

И, попутно, если кто ещё не догадался: сульфат меди — это обычный медный купорос, а сульфат цинка — цинковый купорос! 😉

Основной причиной появления элемента Даниэля было то, что автор пытался убрать основную проблему предыдущих источников тока — Вольтова Столба и последующего элемента Лекланше: увеличение сопротивления из-за поляризации (попросту говоря, один из электродов покрывался газообразным водородом, сопротивление стремительно росло, а напряжение падало).

Справедливости ради, нужно отметить, что в элементе Лекланше была сделана попытка устранить проблему с покрытием водородом — там в состав элемента был добавлен диоксид марганца, который поглощал выделяющийся водород. 

Однако, проблема была в том, что он не мог это делать в непрерывном режиме и показывал хорошие результаты только при периодической работе — то есть, ему нужно было давать промежутки в работе, для восстановления состояния… 

Все эти проблемы были в элементе Даниэля устранены и вместо водорода на медном электроде начала осаждаться медь!

Казалось бы, решение проблемы? Да, но частичное — для работы эти элементы были вполне пригодны, однако в качестве метрологического эталона — уже не совсем: напряжение у такого элемента тоже плавало и зависело от плотности тока нагрузки и концентрации растворов.

Тем не менее, на тот момент ничего лучшего не было, поэтому Международная Конференция Электриков 1881 года приняла выдаваемое этой ячейкой напряжение за эталон единицы в 1 Вольт.*

*Отдельно это не оговаривается и мне не удалось найти, однако, по всей логике, насколько я понимаю, там был принят за эталон не просто показатель напряжения, но, и, стандартизированы физические размеры эталонной ячейки, а также, как минимум, составы электролитов и их концентрация.

Впрочем, повторюсь, что информации об этом нет, так что это мои догадки…

Однако, как уже было выше сказано, по вынужденности и чтобы иметь хоть какую-то систему отсчёта, напряжение ячейки Даниэля было принято за эталон.  

Любопытность ситуации добавляет то, что на тот момент, уже существовал и гораздо более совершенный химический источник тока — элемент (ячейка) Кларка, к тому же, появившийся гораздо позднее, в 1873 году:

 

Как видим по картинке выше, конструкция элемента Кларка была очень сильно похожа на гравитационную модификацию элемента Даниэля: та же самая стеклянная банка, на дне которой была налита лужица ртути (вместо медного электрода), поверх которой была помещёна паста сульфата ртути, сверху залитая слоем сульфата цинка.

Один электрод погружался в ртуть, проведённый сквозь стеклянную трубочку (чтобы не происходило его касание других слоёв), а в слое сульфата цинка, соответственно, находился цинковый электрод, и вся конструкция сверху была загерметизирована клеем. 

Тем не менее, мы видим здесь основную проблему, схожую, с той, которая была присуща и гравитационной ячейке Даниэля — малейшая тряска приводила к некоторому перемешиванию элементов, и, соответственно, «плаванию» параметров тока.

Таким образом, логически рассуждая (в литературе в явном виде этого нет), мы можем понять, почему, этот новый вид элемента питания, не стал эталоном, заменив ячейку Даниэля — по сути, в этой своей итерации, элемент Кларка был просто модификацией устройства, выполненной другим человеком! 

И именно поэтому, в виду отсутствия явных преимуществ, несмотря на относительно поздний срок появления (1873 г.) — практически перед самой Международной Конференцией Электриков (1881 г.), это элемент даже не рассматривался в качестве возможной альтернативы.

Но всё изменилось буквально через 3 года — уже в 1884 году, Лорд Релей со товарищи «переизобретает» ячейку Кларка, создав её Н-образную модификацию: 

Как можно видеть по схеме, в модификации Лорда Релея были пространственно разнесены оба электрода, которые, теперь находились в донышке каждой ножки, где один электрод был представлен амальгамой цинка (раствор цинка в ртути)*, а второй — чистой ртутью, покрытой сверху пастой из сульфата ртути; сам сосуд при этом был залит практически доверху водным раствором цинкового купороса.

Электроды были изготовлены платиновыми и выведены прямо сквозь стекло.

*Почему не чистый цинк: чтобы он не разъедался сам по себе, (а особенно, во время простоев) кислотным раствором цинкового купороса.

Подобная модификация элемента питания от Лорда Релея отличалась очень высокой стабильностью генерируемого напряжения, в силу:

• Пространственного разнесения электродов (находящихся в жидкой форме!) — случайное их перемешивание в результате какой-либо тряски было исключено;

• Поверхности ртутных электродов были идеально гладкими (жидкий металл как-никак) что исключало вызов скачков напряжения не идеальной формой электродов.

Благодаря этому, уже в 1893 году, очередной международный (теперь уже) Электротехнический Конгресс принимает за новый эталон элемент Кларка, модификации Лорда Релея.

Как можно видеть по ссылке выше, в качестве эталона была принята величина в 1/1,434 от напряжения, выдаваемого элементом Кларка. Причиной этого было то, что сам элемент выдавал не ровно 1 В, а 1,434 В.

Казалось бы, наконец-то, вот он, идеал? А вот и нет: как выяснилось, этот элемент обладает очень большой чувствительностью к температуре, и напряжение плывёт примерно на 0,00115 В — в расчёте на каждый градус (в °C) изменения температуры.

Работы снова продолжились, и, в результате, свет увидел новый элемент, с потенциальной перспективой также стать эталоном — элемент Вестона:

Где: (1) — раствор кадмия в ртути (амальгама), (2) — ртуть, (3) — гидрат сульфата ртути, (4) — гидрат сульфата кадмия, (5) — электролит в виде водного раствора сульфата кадмия. 

Как можно видеть, он очень сильно похож на элемент Кларка, модификации Лорда Релея, однако, есть и очень интересное различие: состав жидких сред этого элемента — поддерживается постоянным, вне зависимости от температуры! Это принципиальный момент и там работает своего рода «химический автомат»!

Суть здесь в том, что, если вы не знали, — растворимость многих химических элементов сильно меняется в зависимости от температуры — и именно поэтому, например, когда варят варенье, плавят смесь сахара с водой, которая, при понижении температуры, начинает активно кристаллизоваться и существенно изменять свою вязкость (вплоть до полного «засахаривания» — то есть полной кристаллизации).

Нечто подобное наблюдается и в этих жидких элементах — только у элемента Кларка было гораздо более выражено, так как там был использован цинк в жидком виде, в электролите, и, в виде частично выпавших на дно кристаллов. 

Любые изменения температуры приводили либо к активному растворению кристаллов цинка (при повышении её), либо к активному выпадению их (при понижении температуры) — в результате, концентрация раствора сильно плавала, а, соответственно, плавало и выходное напряжение… 

С этим в элементе Вестона удалось справиться, заменив цинк на кадмий (в растворе электролита), растворимость которого практически не изменяется в диапазоне температур от 0°С до 40°С; точно такой же фокус наблюдается и с растворенным в ртути кадмием — он весьма мало подвержен колебаниям температуры. 

Таким образом, мы здесь видим очень интересную систему: она весьма стабильна сама по себе, но, если вдруг и будут какие-либо малейшие колебания температуры, то её буферизирует сама структура системы — растворённый в ртути кадмий выпадает в осадок внутри самой же ртути либо растворяется в ней же снова; то же самое происходит и с водным раствором — в нём растворяется соль на дне трубок, либо снова выпадает в осадок!

Подобного рода элементы выпускались:

• В «насыщенном» варианте (постоянно присутствовал некоторый избыток кристаллов, а также некоторая, очень малая зависимость от температуры) — но были весьма долговечны и могли работать десятилетиями, выдавая стабильное напряжение (1,0186 В);

• В ненасыщенном варианте (1,0192 В) — избыток кристаллов был при 4°C, но полностью растворялся при комнатной температуре, результатом чего являлась практически нулевая зависимость от температуры, расплатой за что была несколько меньшая долговечность по сравнению с первым вариантом — поэтому первый вариант (насыщенный) использовался как лабораторный источник, а ненасыщенный — как полевой, переносной вариант.

Подобные старинные источники эталонного напряжения (как класс) дожили до рубежа 1980-1990-х годов, окончательно устарев только с появлением квантовых эталонов, на основе эффекта Джозефсона, однако, несмотря на это, в ряде мест они продолжали использоваться и далее (больше по вынужденности)…

P.S. Да, чуть не забыл —  название меры единицы напряжения «Вольт» было закреплено за Алессандро Вольта, в знак уважения его заслугам как первопроходца в этом направлении,  как человека, создавшего первый в мире источник постоянного напряжения — Вольтов Столб. Несмотря на то, что этот источник не годился в качестве эталона, он заслужил большую службу в свой исторический период, что и было отмечено.

Вот теперь всё! 🙂

Источник: habr.com

Если захотите узнать как начать Бизнес на оцифровке семейных архивов: как зарабатывать на старых фото и документах, то жмите на  эту ссылку