Всё о науке за 60 минут - Марти Джопсон
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
Батарейка устроена умно. Электрохимическая реакция происходит в ней только тогда, когда она подключена к электрической цепи. Если батарейку от нее отключают, реакция тут же прекращается, поскольку без непрерывного тока электроны остаются на своей стороне в электроде. В результате реакция не идет и на другой стороне. Химическая энергия, накопленная в батарее, остается там до тех пор, пока вы не присоедините последнюю к замкнутой электрической цепи. После этого электроны вновь могут перемещаться по цепи, питающей все, что к ней подключено. Так, когда на светофоре загорается зеленый свет, автомобили продолжают свое движение.
Следствием этого расхода электронов является то, что исходные материалы электрода также расходуются. Вот когда один из электродов растворяется, батарея и умирает. Запас электричества, которое она содержала, был отдан и потрачен.
Наиболее распространенным типом одноразовой батарейки в наши дни является щелочная батарея. Вместо цинка, меди и серной кислоты в ней содержится цинковый порошок, двуокись марганца и гидроксид калия. Именно из-за этой, выбранной в качестве электролита сильной щелочи, гидроксида калия, батарейка так называется. По мере прохождения электрохимической реакции в щелочной батарее цинковый порошок превращается в оксид цинка, а диоксид марганца – в триоксид димарганца. Когда бóльшая часть цинка и диоксида марганца претерпевает эти изменения, внутренние ресурсы батарейки истощаются, и она умирает. Но это не означает, что нет пути назад.
Если вы хотите перезарядить батарею, можно попытаться отменить те изменения, которые произошли, и вернуть химические вещества в исходное состояние, восстановив их энергетические ресурсы. Теория, стоящая за этим, до смешного проста. Поскольку все химические реакции обратимы, вам нужно всего лишь прогонять электрический ток через батарею в противоположном направлении, и таким образом все вернется на круги своя. И все же, хотя обычные щелочные батарейки можно заряжать, делать этого не рекомендуется по нескольким причинам. Поскольку оксид цинка превращается обратно в цинк, он может образовывать не порошок, а кристаллы, причем в неправильных местах. Острые кристаллы цинка способны разорвать прокладку между цинком и диоксидом марганца. А если это произойдет, могут иметь место всевозможные новые реакции, и в ходе некоторых из них будет выделяться газообразный водород. Поскольку емкость, в которую заключена батарейка, газонепроницаема, накопление водорода может привести к взрыву, в результате чего содержимое батарейки, включая сильную щелочь гидроксид калия, распылится. Вот почему мы не заряжаем обычные щелочные батарейки.
В перезаряжаемых аккумуляторных батареях нужно использовать более сложную электрохимию, поскольку у них более сложное внутреннее устройство. Их конструкция призвана гарантировать, что при обращении всех прошедших химических реакций вспять все вещества вернутся туда, где они были изначально, чтобы батарейка не повредилась. Но обратный процесс все же не может идти настолько точно. Так что, хотя обратные химические процессы в аккумуляторных батареях не вызывают повреждения последних, они не являются на 100 % эффективными. А значит, и эти источники энергии имеют ограниченный ресурс в виде определенного количества перезарядок.
Интересно, что слово battery («батарея») применительно к новому электрическому устройству было придумано за полвека до изобретения вольтового столба, в 1748 году, Бенджамином Франклином, великим ученым и одним из отцов-основателей США. До этого времени батареей называли установленные в ряд артиллерийские орудия, но Франклин использовал это слово, чтобы описать кульминацию вечеринок, которые он периодически устраивал у себя дома в Филадельфии. Эти вечеринки включали в себя демонстрации разнообразных экспериментов, связанных с электричеством: поджаривание индейки электрическим током, электризацию кубков вина и бокалов с пылающими спиртными напитками, зажженными искрами. И все это завершалось разрядом орудий электрической батареи. Электрическая батарея тогда представляла собой несколько лейденских банок, заряженных статическим электричеством. Это была предтеча вольтового столба. Как только 1800 год прогремел новыми открытиями и Вольта вышел на авансцену науки, это слово быстро закрепилось в качестве названия для его изобретения.
Долгоживущие мыльные пузыри
Поистине жесток тот, кто уничтожает мыльные пузыри, не говоря уже о мыльных пузырях, пускаемых ребенком. Но малейшее прикосновение пальцем – и они лопаются, так что мыльные пузыри стали воплощением хрупкости. Они настолько тонкие, что лопаются и сами, без видимого внешнего воздействия. Но все же и мыльные пузыри бывают невероятно долгоживущими, что может подтвердить любой, кто видел, как они плывут по воздуху, движимые легким ветерком. Вы поймете, что это не противоречивые наблюдения, как только углубитесь в науку о пузырях.
Любой ребенок знает: чтобы выдуть мыльный пузырь, нужно залить в банку побольше моющей жидкости. Важным ингредиентом тут являются молекулы моющего средства, обладающие тем особым свойством, что один их конец притягивает воду, а другой – отталкивает. При смешивании с водой эти молекулы могут образовывать так называемые мыльные пленки. Они состоят из двух слоев моющего средства и воды, зажатой между ними. Каждый из слоев, как правило, толщиной всего в одну молекулу, но эти молекулы плотно «упакованы» и ориентированы в одном направлении. Они располагаются так, что все гидрофильные их части обращены внутрь «сэндвича», к воде, а гидрофобные – торчат наружу, врезаясь в воздух вокруг мыльной пленки.
Также стоит отметить, что именно этот своеобразный сэндвич «моющее средство – вода – моющее средство» и создает радугу цветов, которую вы видите в пузырьках. Кроме того, он может быть невероятно тонким – намного тоньше 100 нм (это десятитысячная доля миллиметра). И это даже меньше длины волны видимого света. Когда свет попадает на мыльный пузырь, бóльшая его часть проходит насквозь без преломления, но часть света отражается от передней поверхности мыльной пленки, а другая – от второго слоя моющего средства. Это создает два отраженных луча света, один из которых слегка смещен по фазе относительно другого. Поскольку свет ведет себя как волна, две световые волны могут местами гасить друг друга. Именно это и происходит в мыльных пленках. При определенных толщинах мыльной пленки некоторые длины волн и, соответственно, цветá света сами себя подавляют. Тогда, вместо того чтобы видеть отраженный белый свет, мы видим белый свет минус подавленные цвета. Например, если у вас есть мыльная пленка толщиной около 430 нм, что как раз подходит для подавления желтого света, то отраженный свет, видимый на поверхности мыльного пузыря, выглядит синим.
Причина того, что цвета в мыльных пузырях постоянно
