Weird Science

Prostownik elektrolityczny - zapomniana technika

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Che­mia w Szkole (2/2017):

Ilustracja

Ples M., Pro­stow­nik elek­tro­li­tyczny - zapom­niana tech­nika, Che­mia w Szkole, 2 (2017), Agen­cja AS Józef Szew­czyk, str. 6-12

Myślę, że na wstępie powi­nie­nem Sza­now­nym Czy­tel­ni­kom wyja­śnić cel jaki przy­świe­cał mi przy pisa­niu tego arty­kułu, ponie­waż może on przez niek­tórych z nich zostać uznany za nieco nie­ty­powy. Sądzę tak dla­tego, że poza wia­do­mo­ściami z zakresu che­mii zawiera on także wiele infor­ma­cji z dzie­dzin takich jak elek­tro­tech­nika i elek­tro­nika.

Moim zda­niem podział nauk przy­rod­ni­czych na che­mię, fizykę i bio­lo­gię jest w grun­cie rze­czy umowny. Ma on rację bytu jako spo­sób sys­te­ma­ty­zo­wa­nia wie­dzy, ale z tego samego powodu rodzi też pewne pro­blemy natury poznaw­czej. Ileż to razy nawet po głęb­szym zasta­no­wie­niu trudno nam było stwier­dzić, czy dane zja­wi­sko powinno być przed­mio­tem zain­te­re­so­wa­nia wła­śnie aku­rat jed­nej ze wspom­nia­nych nauk? W grun­cie rze­czy więk­szość sytu­a­cji, z jakimi się spo­ty­kamy w rze­czy­wi­stym świe­cie powinna być dla uzy­ska­nia cało­ś­cio­wego obraz opi­sy­wana z punktu widze­nia wielu dzie­dzin. Nie jest więc dziwne, że ist­nieją nauki łączące w pewien spo­sób przed­mioty zain­te­re­so­wa­nia poj­mo­wa­nych kla­sycz­nie dzie­dzin che­mii, fizyki i bio­lo­gii. Można tu wymie­nić choćby bio­che­mię, bio­fi­zykę czy też będącą dziś przed­mio­tem naszego szcze­gól­nego zain­te­re­so­wa­nia elek­tro­che­mię.

Elek­tro­che­mia jest dzia­łem che­mii fizycz­nej, czyli nauki zaj­mu­jącej się bada­niem zja­wisk makro­sko­po­wych, ato­mo­wych, sub­a­to­mo­wych i między­cząstecz­ko­wych w ukła­dach che­micz­nych, przy uwzględ­nie­niu praw i pojęć fizycz­nych. Che­mia fizyczna, w odróżn­ie­niu od fizyki che­micz­nej, jest prze­ważnie nauką makro­sko­pową - więk­szość zasad che­mii fizycz­nej ope­ruje na zało­że­niach związa­nych z masą, nie zaś ze struk­turą sub­stan­cji.

Elek­tro­che­mia zaj­muje się bada­niem elek­trycz­nych aspek­tów reak­cji che­micz­nych oraz elek­trycz­nych wła­ści­wo­ści związ­ków che­micz­nych. Jed­nym z przed­mio­tów zain­te­re­so­wa­nia tej dzie­dziny są pro­cesy che­miczne towa­rzy­szące prze­pły­wowi prądu elek­trycz­nego przez elek­tro­lity.

Tema­tyka elek­tro­che­miczna jest trak­to­wana w edu­ka­cji szkol­nej w dużym stop­niu po maco­szemu. Uwa­żam to za nie­spra­wie­dliwe, czy wręcz szko­dliwe, ponie­waż ma ona olbrzy­mie zasto­so­wa­nie prak­tyczne. Wystar­czy wspom­nieć tu o ogni­wach elek­trycz­nych zasi­la­jących prze­no­śne urządze­nia elek­tryczne, ale też o pow­ło­kach gal­wa­nicz­nych nakła­da­nych na przed­mioty wyko­nane z metalu w celach zarówno deko­ra­cyj­nych, jak i użyt­ko­wych. Dla­tego uwa­żam za sto­sowne przy­bli­że­nie pew­nego inte­re­su­jącego zagad­nie­nia związa­nego z tą tema­tyką, które dodat­kowo wiąże elek­tro­che­mię z innymi dzie­dzi­nami wie­dzy.

Dla­czego zaw­sze prąd stały?

Wiemy, że prąd elek­tryczny defi­niuje się jako upo­rząd­ko­wany ruch nośni­ków ładunku elek­trycz­nego. Nośni­kami mogą być wszel­kie cząstki obda­rzone ładun­kiem elek­trycz­nym, np. elek­trony (w meta­lach) lub jony (w elek­tro­li­tach). Kie­ru­nek prze­pływu prądu defi­niu­jemy jako kie­ru­nek, w jakim poru­sza­łaby się cząstka obda­rzona ładun­kiem dodat­nim, tj. od dodat­niego bie­guna źródła zasi­la­nia do ujem­nego. Pamiętajmy o tym szcze­gól­nie w przy­padku metali, w których rze­czy­wi­stymi nośni­kami są obda­rzone ładun­kiem ujem­nym elek­trony poru­sza­jące się w prze­ciwną stronę niż zde­fi­nio­wany uprzed­nio kie­ru­nek prądu, tj. od bie­guna ujem­nego do dodat­niego.

Prąd elek­tryczny ze względu na spo­sób zmiany war­to­ści jego natęże­nia w cza­sie możemy podzie­lić na:

Prąd prze­mienny, a w szcze­gól­no­ści prąd o prze­biegu sinu­so­i­dal­nym ma wiel­kie zna­cze­nie prak­tyczne, ponie­waż umożl­i­wia sto­so­wa­nie trans­for­ma­to­rów. Trans­for­ma­tor dzięki wyko­rzy­sta­niu zja­wi­ska induk­cji elek­tro­ma­gne­tycz­nej umożl­i­wia m.in. zmianę napięcia panu­jącego w sieci wyso­kiego napięcia, które jest odpo­wied­nie do prze­sy­ła­nia ener­gii elek­trycz­nej na duże odle­gło­ści, na niskie napięcie, do którego dosto­so­wane są posz­cze­gólne odbior­niki, np. występu­jące w naszych domach [1]. Nie byłoby to możl­iwe przy wyko­rzy­sta­niu prądu sta­łego.

Z dru­giej strony, pra­wie wszyst­kie urządze­nia elek­tro­niczne mogą dzia­łać jedy­nie przy wyko­rzy­sta­niu prądu sta­łego. Ist­nieje więc tutaj oczy­wi­sty pro­blem, który trzeba było roz­wiązać już w począt­kach ery elek­trycz­no­ści. Jak prze­ksz­tałcić prąd pły­nący naprze­mien­nie w obu kie­run­kach na prąd stały lub przy­najm­niej pły­nący tylko w jed­nym kie­runku (tzw. pro­sto­wa­nie prądu)?

W takim celu wyko­rzy­stuje się tak zwane pro­stow­niki, naj­czę­ściej w postaci ele­men­tów elek­tro­nicz­nych jakimi są diody. Posia­dają one dwie elek­trody i prze­wo­dzą nie­sy­me­trycz­nie prąd elek­tryczny, tj. łatwiej w jed­nym kie­runku niż w prze­ciw­nym [2].

Od kilku dekad do pro­sto­wa­nia prądu elek­trycz­nego naj­czę­ściej wyko­rzy­stuje się diody półp­rze­wod­ni­kowe. Są one zbu­do­wane z dwóch odmien­nie domiesz­ko­wa­nych warstw półp­rze­wod­nika (typu n i p), two­rzących razem złącze p-n. Innym rodza­jem diody półp­rze­wod­ni­ko­wej są diody Schotky'ego, skła­da­jące się z połącze­nia półp­rze­wod­nika z odpo­wied­nim meta­lem. Sym­bol elek­tro­niczny diody przed­sta­wia Rys.1.

Ilustracja
Rys.1 – Sym­bol diody półp­rze­wod­ni­ko­wej

Dioda półp­rze­wod­ni­kowa prze­wo­dzi prąd elek­tryczny jedy­nie w kie­runku od anody do katody (pola­ry­za­cja w kie­runku prze­wo­dze­nia). Jeśli zosta­nie spo­la­ry­zo­wana prze­ciw­nie (zapo­rowo - wyższy poten­cjał elek­tryczny na kato­dzie), to prąd elek­tryczny prak­tycz­nie nie będzie pły­nął przez diodę, tzn. war­tość jego natęże­nia będzie pomi­jal­nie mała w sto­sunku do natęże­nia przy pola­ry­za­cji w kie­runku prze­wo­dze­nia.

Ist­nieją różne kon­struk­cje diod półp­rze­wod­ni­ko­wych – dziś naj­czę­ściej sto­suje się diody krze­mowe o zróżn­i­co­wa­nych para­me­trach. Przy­kłady przed­sta­wia Fot.1. Szary pasek na obu­do­wie stan­dar­dowo ozna­cza poło­że­nie katody.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.1 – Przy­kłady krze­mo­wych diod półp­rze­wod­ni­ko­wych; po lewej – 1N4007, po pra­wej - 1N5822

Przed upow­szech­nie­niem się półp­rze­wod­ni­ko­wych diod krze­mo­wych (wcze­śniej także ger­ma­no­wych), były wyko­rzy­sty­wane diody zbu­do­wane w opar­ciu o tech­nikę lam­pową. Pierw­szą próżn­iową diodę tego typu skon­stru­o­wał w 1904 roku John Ambrose Flem­ming. Diody próżn­iowe dzia­łają przy wyko­rzy­sta­niu zja­wi­ska emi­sji ter­mo­e­lek­tro­no­wej z powierzchni metalu ogrza­nego do odpo­wied­nio wyso­kiej tem­pe­ra­tury [3]. Budo­wano bar­dzo wiele typów diod próżn­io­wych o różn­o­rod­nym zasto­so­wa­niu. Były one wyko­rzy­sty­wane m.in. jako detek­tory w odbior­ni­kach radio­wych, ale też w zasi­la­czach. Spe­cjalne diody wyko­rzy­sty­wano do pro­sto­wa­nia wyso­kich napięć – przy­kła­dem może być tu DY86 (Fot.2).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.2 – Wyso­ko­na­pięciowa dioda próżn­iowa DY86

Poza dio­dami próżn­io­wymi i półp­rze­wod­ni­ko­wymi sto­so­wano też inne wyna­le­zione w między­cza­sie roz­wiąza­nia, m.in. pro­stow­niki elek­tro­me­cha­niczne, rtęciowe czy pro­stow­nik kupry­towe oraz sele­nowe [4].

Oka­zuje się jed­nak, że w cza­sach, w których diody lub inne pro­stow­niki o sto­sun­kowo dużej wydaj­no­ści prądo­wej były jesz­cze dosyć dro­gie wyko­rzy­sty­wano urządze­nia dzia­ła­jące na zasa­dzie elek­tro­che­micz­nej. Mimo pew­nych wad miały one kilka ważn­ych z punktu widze­nia ówcze­snych kon­struk­to­rów (szcze­gól­nie w cza­sach nie­do­bo­rów surow­co­wych) zalet. Mate­riały do ich kon­struk­cji są sto­sun­kowo tanie, a samo urządze­nie jest łatwe do zbu­do­wa­nia w domo­wych warun­kach. Dodat­kowo pozwala to na zade­mon­stro­wa­nie cie­ka­wych pro­ce­sów elek­tro­che­micz­nych. Dla­tego w dal­szej czę­ści arty­kułu posta­ram się zapre­zen­to­wać budowę tego rodzaju pro­stow­nika.

Pro­stow­nik elek­tro­che­miczny – budowa

Do budowy pro­stow­nika elek­tro­li­tycz­nego potrzebne są następu­jące sub­stan­cje che­miczne:

Trzeba pamiętać, że ołów jest szko­dliwy dla zdro­wia i należy uni­kać kon­taktu z tym meta­lem - zarówno w postaci wol­nej, jak i związa­nej.

Metale posłużą do wyko­na­nia elek­trod, zaś wodo­ro­węglan sodu w postaci 10% roz­tworu będzie sta­no­wił elek­tro­lit. Budowę urządze­nia przed­sta­wia Rys.2 [5].

Ilustracja
Rys.2 – Sche­mat pro­stow­nika elek­tro­li­tycz­nego; a – elek­troda oło­wiana, b – elek­troda gli­nowa, c – pokrywka, d – naczy­nie szklane (np. zlewka), e – elek­tro­lit

Mate­riały na elek­trody w przy­padku mojej kon­struk­cji przed­sta­wia Fot.3.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.3 – Mate­riały na elek­trody; po lewej – ołów, po pra­wej – glin

Jako elek­trodę oło­wianą jest wygod­nie wyko­rzy­stać pro­sto­kąt gru­bej bla­chy wyko­na­nej z tego metalu (w moim przy­padku o wymia­rach ok. 11cm na 8cm). Jako drugą elek­trodę można wyko­rzy­stać odci­nek rury alu­mi­nio­wej o dłu­go­ści ok. 10cm i śred­nicy zew­nętrz­nej np. 1,5cm. Powierzch­nie obu elek­trod powinny być dokład­nie oczysz­czone z war­stwy tlen­ków i innych zanie­czysz­czeń, np. za pomocą drob­no­ziar­ni­stego papieru ścier­nego.

Elek­trodę oło­wianą naj­czę­ściej for­muje się w ksz­tałt walca, ale do celów poka­zo­wych korzyst­nie jest wyko­na­nie jej jako półw­al­co­wa­tej, co umożl­iwi obser­wa­cję budowy urządze­nia także pod­czas pracy (Fot.4).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.4 – Pro­po­no­wany ksz­tałt elek­trody oło­wia­nej, strzałka wska­zuje miej­sce i spo­sób umo­co­wa­nia prze­wodu

Elek­troda gli­nowa powinna zostać umiesz­czona pośrodku naczy­nia i zamo­co­wana do pokrywki z mate­riału izo­la­cyj­nego, np. two­rzywa sztucz­nego.

Do obu elek­trod powinny zostać przy­mo­co­wane prze­wody mie­dziane. Konieczne jest zapew­nie­nie dobrego styku elek­trycz­nego – prze­wody naj­le­piej przy­kręcić do elek­trod nie­wiel­kimi śrub­kami.

Elek­troda gli­nowa musi być wyko­nana z dosyć gru­bej war­stwy metalu, ponie­waż zużywa się ona pod­czas pracy.

Tak przy­go­to­wane naczy­nie wraz z elek­tro­dami wypełnia się elek­tro­li­tem w postaci wod­nego roz­tworu wodo­ro­węglanu sodu. Naj­le­piej użyć wody desty­lo­wa­nej. Elek­tro­lit powi­nien sięgać nieco poni­żej miej­sca zamo­co­wa­nia prze­wo­dów do elek­trod.

Gotowy pro­stow­nik elek­tro­li­tyczny przed­sta­wia Fot.5.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.5 – Gotowy pro­stow­nik elek­tro­li­tyczny; a – elek­troda gli­nowa, b – elek­troda oło­wiana; strzałki wska­zują prze­wody pod­łączone do obu elek­trod

Ważne jest, aby pokrywka nie była ide­al­nie szczelna, ponie­waż w trak­cie pracy ogniwa pow­stają duże ilo­ści gazów.

Czy to działa?

Aby móc spraw­dzić czy tak zbu­do­wane urządze­nie rze­czy­wi­ście działa potrze­bu­jemy źródła prądu zmien­nego. Nie pole­cam oczy­wi­ście do tego typu doświad­czeń wyko­rzy­sty­wa­nia pełn­ego napięcia sieci (230V), ponie­waż mogłoby to być bar­dzo nie­bez­pieczne – pora­że­nia prądem sie­cio­wym nie­rzadko bywają śmier­telne, a w razie prze­ży­cia kończą się często bole­snymi i szpe­cącymi opa­rze­niami. W takim przy­padku lecze­nie i reha­bi­li­ta­cja może trwać mie­siącami, a nawet latami.

Z tego powodu zale­cam wyko­rzy­sta­nie ukła­dów trans­for­ma­to­ro­wych obni­ża­jących napięcie do bez­piecz­nego poziomu. Odpo­wiedni będzie każdy zasi­lacz prądu prze­mien­nego o napięciu z prze­działu 3 – 20V. We wła­snych doświad­cze­niach wyko­rzy­sta­łem zasi­lacz mikro­sko­powy TVO 6/20 wypro­du­ko­wany w Pol­sce w roku 1973 (Fot.6). Mimo iż zasi­lacz jest już wie­kowy, to muszę przy­znać, że zbu­do­wano go dosyć solid­nie – w dal­szym ciągu zapew­nia natęże­nie prądu ponad 3A przy napięciu regu­lo­wa­nym w zakre­sie ok. 0 – 6V.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.6 – Zasi­lacz wyko­rzy­stany w doświad­cze­niu

Aby prze­ko­nać się o pro­stu­jących wła­ści­wo­ściach zbu­do­wa­nego układu elek­tro­che­micz­nego musimy zasta­no­wić się w jaki spo­sób roz­różnić, czy w ukła­dzie pły­nie prąd prze­mienny, czy jed­no­kie­run­kowy.

Można w tym celu wyko­rzy­stać nie­wielki mikro­sil­nik prądu sta­łego na napięcie 3-12V. Sil­nik elek­tryczny tego rodzaju pra­cuje jedy­nie przy zasi­la­niu prądem sta­łym – jego wał obraca się wtedy w kie­runku zależnym od kie­runku prze­pływu prądu. Przy zasi­la­niu prądem prze­mien­nym wał drga z często­tli­wo­ścią równą często­tli­wo­ści prądu zasi­la­jącego – nie obser­wuje się wtedy jego obrotu. Do stwier­dze­nia samego faktu prze­pływu prądu, nie­za­leżnie od jego rodzaju, może posłu­żyć minia­tu­rowa żarówka przy­sto­so­wana do napięcia 3,5V i natęże­nia prądu 0,2A.

Połączmy więc sil­ni­czek (na którego wale osa­dzono wir­nik dla uwi­docz­nie­nia jego obrotu) rów­no­le­gle ze wspom­nianą żarówką, po czym spróbujmy zasi­lić ten układ prądem prze­mien­nym. W takim przy­padku na zasi­la­czu należy oczy­wi­ście usta­wić napięcie około 3,5V. Efekt przed­sta­wia Fot.7.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.7 – Sil­nik elek­tryczny prądu sta­łego i minia­tu­rowa żarówka pod­łączone do źródła prądu prze­mien­nego

Jak widać, w takim przy­padku żarówka świeci, co potwier­dza fakt prze­pływu przez układ prądu elek­trycz­nego. Nato­miast wał sil­niczka się nie obraca. Upew­nia nas to, że przez układ pły­nie prąd prze­mienny.

Spróbujmy jed­nak zapro­po­no­wany układ pod­łączyć sze­re­gowo z wła­śnie zbu­do­wa­nym pro­stow­ni­kiem elek­tro­li­tycz­nym.

W pierw­szym momen­cie po włącze­niu zasi­la­nia może się wyda­wać, że spot­kał nas zawód, ponie­waż sytu­a­cja mimo zasto­so­wa­nia pro­stow­nika się nie zmie­niła: świeci jedy­nie żarówka, a wał sil­niczka się nie obraca, co wska­zuje na występo­wa­nie w obwo­dzie prądu prze­mien­nego (Fot.8).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.8 – Sil­nik elek­tryczny prądu sta­łego i minia­tu­rowa żarówka pod­łączone do źródła prądu prze­mien­nego poprzez pro­stow­nik elek­tro­li­tyczny; pierw­sze sekundy pracy, brak zdol­no­ści pro­sto­wa­nia prądu prze­mien­nego

W przy­padku tego urządze­nia występuje jed­nak zja­wi­sko nazy­wane for­mo­wa­niem, tzn. nabywa ono swo­ich wła­ści­wo­ści dopiero w cza­sie pierw­szego włącze­nia w obwód z prądem. Rze­czy­wi­ście, już po kilku sekun­dach żarówka nieco przy­gasa, zaś wał sil­niczka zaczyna się obra­cać (Fot.9).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.9 – Sil­nik elek­tryczny prądu sta­łego i minia­tu­rowa żarówka pod­łączone do źródła prądu prze­mien­nego poprzez pro­stow­nik elek­tro­li­tyczny pod­dany pro­ce­sowi for­mo­wa­nia; widoczna zdol­ność pro­sto­wa­nia prądu prze­mien­nego

Włącza­jąc odw­rot­nie pro­stow­nik w obwód możemy spra­wić, że wir­nik będzie się obra­cał w prze­ciw­nym kie­runku. Upew­nia nas to, że sto­su­jąc zbu­do­wane w tak pro­sty spo­sób urządze­nie udało się nam spra­wić, że mimo zasi­la­nia prądem prze­mien­nym w obwo­dzie prąd pły­nie tylko w jed­nym kie­runku.

Inną metodą zade­mon­stro­wa­nia tego zja­wi­ska i wyka­za­nia, w którym kie­runku pły­nie prąd przez pro­stow­nik elek­tro­li­tyczny jest zbu­do­wa­nie pro­stego przy­rządu według sche­matu zamiesz­czo­nego na Rys.3.

Ilustracja
Rys.3 – Sche­mat wskaźn­ika kie­runku prze­pływu prądu elek­trycz­nego; Ż1i Ż2 – minia­tu­rowe żarówki 3,5V/0,2A, D1 i D2 – półp­rze­wod­ni­kowe diody pro­stow­ni­cze, np. typu 1N4007, 1 i 2 – miej­sca pod­łącze­nia wskaźn­ika do bada­nego obwodu

Zbu­do­wany w ten spo­sób wskaźnik powi­nien wyglądać mniej więcej jak na Fot.10.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.10 – Wskaźnik kie­runku prze­pływu prądu elek­trycz­nego

Dzia­ła­nie wskaźn­ika naj­le­piej prze­śle­dzić na przy­kła­dzie. W przy­padku, jeśli wskaźnik jest zasi­lany prądem prze­mien­nym świecą obie żarówki (Fot.11A), nato­miast jeśli prądem jed­no­kie­run­ko­wym świeci tylko jedna żarówka w zależn­o­ści od kie­runku prze­pływu (Fot.11B i Fot.11C).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.11 – Dzia­ła­nie wskaźn­ika kie­runku prze­pływu prądu elek­trycz­nego; A – prąd prze­mienny, B – prąd pły­nie od zaci­sku 2 (+) do zaci­sku 1 (-), C – prąd pły­nie od zaci­sku 1 (+) do zaci­sku 2 (-)

Pod­łącza­jąc opi­sany wskaźnik do pro­stow­nika możemy się ponow­nie prze­ko­nać, że prze­wo­dzi on prąd tylko w jed­nym kie­runku (Fot.12).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.12 – Wskaźnik kie­runku prze­pływu prądu włączony w obwód pro­stow­nika; przy dio­dach zazna­czono sym­bo­licz­nie ich pola­ry­za­cję

Wskaźnik pozwala nam stwier­dzić, że przez zbu­do­wany układ elek­tro­che­miczny prąd może pły­nąć jedy­nie wtedy, kiedy dodat­nio spo­la­ry­zo­wana jest elek­troda wyko­nana z oło­wiu, zaś ujem­nie elek­troda gli­nowa. Kiedy pola­ry­za­cja zosta­nie odw­rócona, prąd prze­staje pły­nąć.

W cza­sie pracy pro­stow­nika można dodat­kowo zaob­ser­wo­wać wywiązy­wa­nie się spo­rej ilo­ści gazów i wzrost tem­pe­ra­tury elek­tro­litu (szcze­gól­nie przy dużych war­to­ściach natężeń prądu). Pro­stow­nik pra­cuje pra­wi­dłowo do tem­pe­ra­tury rzędu 60°C. W razie koniecz­no­ści można zasto­so­wać chło­dze­nie.

Wyja­śnie­nie

By wyja­śnić jakie pro­cesy zacho­dzą w opi­sa­nym ukła­dzie elek­tro­che­micz­nym należy przy­wo­łać mecha­nizm prze­wo­dze­nia prądu elek­trycz­nego w elek­tro­li­tach.

W elek­tro­li­tach, zarówno cie­kłych, jak i rza­dziej spo­ty­ka­nych sta­łych, nośni­kami ładunku są ruch­liwe jony – obda­rzone ładun­kiem ujem­nym aniony i dodat­nim kationy. Jeśli bie­rzemy pod uwagę roz­twory to jony pow­stają na dro­dze dyso­cja­cji elek­tro­li­tycz­nej. Jest to pro­ces roz­padu krysz­ta­łów lub cząste­czek związ­ków che­micz­nych, w których występują wiąza­nia jonowe lub bar­dzo sil­nie spo­la­ry­zo­wane wiąza­nia kowa­len­cyjne na jony pod wpły­wem roz­pusz­czal­nika. Przy­kła­dem może być tutaj dyso­cja­cja wyko­rzy­sta­nego w doświad­cze­niu wodo­ro­węglanu sodu:

NaHCO3 → Na+ + HCO3

Jon wodo­ro­węgla­nowy HCO3 ist­nieje w sta­nie rów­no­wagi che­micz­nej z jonami węgla­no­wymi CO32−:

HCO3 + H2O ⇌ CO32− + H3O+

W warun­kach rów­no­wagi ilość jonów węgla­no­wych jest nie­wielka w porów­na­niu z ilo­ścią jonów wodo­ro­węgla­no­wych. Pow­stały w wyniku tego pro­cesu jon hydro­niowy H3O+ nadaje roz­two­rom wielu wodo­ro­węgla­nów kwa­śny odczyn.

Zasta­nówmy się, jak będą prze­bie­gały pro­cesy wokół elek­trod wyko­na­nych z glinu i oło­wiu zanu­rzo­nych we wspom­nia­nym elek­tro­li­cie.

Jeśli elek­tro­dzie oło­wia­nej zosta­nie nadany poten­cjał ujemny względem gli­no­wej, to będzie na niej zacho­dziła reduk­cja. Nie ule­gną jej jed­nak kationy sodu Na+, ponie­waż poten­cjał stan­dar­dowy tego metalu jest dużo niższy niż wodoru. Z tego powodu na elek­tro­dzie zaj­dzie pro­ces reduk­cji wody:

2H2O + 2e → H2 + 2OH

Jed­nym z pro­duk­tów tej reak­cji jest gazowy wodór, który ucho­dzi z układu.

W tym samym cza­sie na elek­tro­dzie zbu­do­wa­nej z glinu metal ten będzie prze­cho­dził z postaci pier­wiast­ko­wej w jony gli­nowe według:

Al → Al3+ + 3e-

Glin ulega więc utle­nie­niu i wokół elek­trody wyko­na­nej z tego metalu rośnie kon­cen­tra­cja odpo­wied­nich katio­nów, w przy­padku glinu głów­nie trój­war­to­ścio­wych. W warun­kach alka­licz­nych ule­gają one z łatwo­ścią prze­ksz­tałc­e­niu do tlen­ków i wodo­ro­tlen­ków glinu, które for­mują gąb­cza­stą (w skali mole­ku­lar­nej) war­stwę na powierzchni elek­trody. Pow­łoka ta ma wła­ści­wo­ści izo­la­cyjne, więc prze­pływ prądu elek­trycz­nego przez układ zostaje unie­możl­i­wiony, czy raczej bar­dzo mocno ogra­ni­czony [6].

Jeśli odw­rócimy pola­ry­za­cję elek­trod, to sytu­a­cja się wyraźnie zmieni. Teraz utle­nia­nie będzie zacho­dziło na powierzchni elek­trody oło­wia­nej, ale w tym przy­padku nie docho­dzi do pow­sta­nia izo­lu­jącej war­stwy tlen­ków. Tak więc jony mogą się bez więk­szych przesz­kód prze­miesz­czać w elek­tro­li­cie między elek­tro­dami tran­s­por­tu­jąc elek­trony – prze­pływ prąd elek­trycz­nego, nawet o sto­sun­kowo dużym natęże­niu jest więc możl­iwy.

Wyja­śnie­nie to całk­o­wi­cie zga­dza się z poczy­nio­nymi wcze­śniej obser­wa­cjami, tj. pro­stow­nik elek­tro­li­tyczny prze­wo­dzi prąd jedy­nie wtedy, gdy elek­troda gli­nowa spo­la­ry­zo­wana jest ujem­nie względem oło­wia­nej (vide Fot.12).

Tego rodzaju urządze­nie, skła­da­jące się jedy­nie z jed­nego ele­mentu pro­stu­jącego nazy­wamy pro­stow­ni­kiem póło­kre­so­wym i jest ono wyko­rzy­sty­wane dosyć rzadko. Powo­dem jest fakt, że prąd elek­tryczny dociera do źródła tylko w cza­sie połowy okresu z jakim zmie­nia się kie­ru­nek prze­pływu prądu co dra­stycz­nie zmniej­sza spraw­ność. Dużo czę­ściej wyko­rzy­stuje się dziś pro­stow­niki pełn­o­o­kre­sowe, np. w postaci most­ków Gra­etza. Są to układy skła­da­jące się z czte­rech złącz pro­stu­jących, zbu­do­wane w opar­ciu o np. diody półp­rze­wod­ni­kowe (Rys.4).

Ilustracja
Rys.4 – Mostek Gra­etza

Mostek Gra­etza ma tę cie­kawą wła­ści­wość, że kie­ru­nek prądu wypły­wa­jącego z mostka jest zaw­sze taki sam, nie­za­leżnie od kie­runku prądu wpły­wa­jącego do do niego. Układy elek­tro­niczne tego typu buduje się w opar­ciu o poje­dyn­cze diody, ale są pro­du­ko­wane także mostki w postaci sca­lo­nej, tj. wszyst­kie ele­menty są zamk­nięte w jed­nej obu­do­wie z two­rzywa sztucz­nego (Fot.13).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.13 – Sca­lone mostki Gra­etza o różnej mocy

Pro­stow­niki elek­tro­li­tyczne także można połączyć w mostek Gra­etza, co robiono daw­niej w celu ich prak­tycz­nego zasto­so­wa­nia.

Do zobra­zo­wa­nia pracy pro­stow­nika wygod­nie jest posłu­żyć się oscy­lo­sko­pem. Wyraźnie można wtedy zau­wa­żyć, że prąd prze­mienny istot­nie zmie­nia kie­ru­nek prze­pływu – frag­menty sinu­so­idy nad osią (o war­to­ściach dodat­nich) repre­zen­tują prze­pływ prądu w jed­nym kie­runku, zaś pod osią (o war­to­ściach ujem­nych) w dru­gim. Można to zoba­czyć na Fot.14A. Skoro poje­dyn­czy pro­stow­nik, np. dioda prze­wo­dzi prąd prak­tycz­nie tylko w jed­nym kie­runku, to obja­wia się to obcięciem np. ujem­nych frag­men­tów sinu­so­idy (Fot.14B). Uzy­sku­jemy wtedy prąd jed­no­kie­run­kowy. Podobny efekt daje wyko­rzy­sta­nie zbu­do­wa­nego przez nas pro­stow­nika elek­tro­li­tycz­nego, z tym, że jest on mniej efek­tywny. Z uzy­ska­nego w jego przy­padku oscy­lo­gramu (Fot.14C) możemy wyw­nio­sko­wać, że wła­ści­wie prze­wo­dzi on prąd w obu kie­run­kach, ale w jed­nym z nich dużo sła­biej. Uzy­skany w ten spo­sób prąd można uznać z pew­nym przy­bli­że­niem za jed­no­kie­run­kowy – trzeba mieć jed­nak na uwa­dze, że wiele odbior­ni­ków może ulec usz­ko­dze­niu po wysta­wie­niu na okre­sowe występo­wa­nie nawet nie­wiel­kiego prądu o prze­ciw­nej niż wyma­gana pola­ry­za­cji. Ostatni oscy­lo­gram (Fot.14D) przed­sta­wia prąd jed­no­kie­run­kowy wypro­sto­wany przy wyko­rzy­sta­niu dio­do­wego mostka Gra­etza. Widać, że ujemne frag­menty sinu­so­idy zostały tu nie­jako wygięte ku górze, nie zaś obcięte jak w przy­padku z Fot.14B – możemy się więc domy­ślać, że spraw­ność takiego roz­wiąza­nia jest rze­czy­wi­ście dużo więk­sza.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.14 – Oscy­lo­gramy obra­zu­jące zależn­ość napięcia od czasu: A – prąd prze­mienny, B – prąd wypro­sto­wany przy wyko­rzy­sta­niu poje­dyn­czej diody półp­rze­wod­ni­ko­wej, C – prąd wypro­sto­wany przy wyko­rzy­sta­niu pro­stow­nika elek­tro­li­tycz­nego, D – prąd wypro­sto­wany przy wyko­rzy­sta­niu mostka Gra­etza zbu­do­wa­nego z diod półp­rze­wod­ni­ko­wych; oś pozioma – czas (10ms/działkę skali), oś pio­nowa – napięcie (2V/działkę skali)

Przy oka­zji można zau­wa­żyć, że okres drgań w pierw­szych trzech przy­pad­kach wynosi około 20ms, co odpo­wiada często­tli­wo­ści prąd prze­mien­nego w sieci ener­ge­tycz­nej (f=50Hz).W ostat­nim przy­padku okres ten wynosi 10ms (f=100hz) – myślę, że przy­czyna tego faktu jest jasno widoczna na wykre­sie.

Zau­ważmy, że w przy­padku uży­cia każd­ego z wymie­nio­nych urządzeń pro­stow­ni­czych uzy­ska­li­śmy co naj­wy­żej prąd jed­no­kie­run­kowy. Może on zostać prze­ksz­tałc­ony w prąd stały o okre­ślo­nej war­to­ści napięcia np. przy wyko­rzy­sta­niu kon­den­sa­to­rów.

Jak widzimy, bar­dziej nowo­cze­sne roz­wiąza­nia są dużo bar­dziej efek­tywne i mniej kło­po­tliwe – pro­stow­nik elek­tro­li­tyczny w porów­na­niu do nich ma m.in. duże wymiary, sil­nie się nagrzewa pod­czas pracy, jego spraw­ność wyraźnie zależy od tem­pe­ra­tury, działa spraw­nie jedy­nie przy nie­zbyt wyso­kich często­tli­wo­ściach zmian kie­runku prze­pływu prądu. Myliłby się jed­nak ten, kto by twier­dził, że pro­stow­niki elek­tro­li­tyczne były jedy­nie śle­pym zaułk­iem wyna­laz­czo­ści. Otóż oka­zuje się, że pow­szech­nie dziś sto­so­wane w elek­tro­nice tzw. kon­den­sa­tory elek­tro­li­tyczne są w pew­nym sen­sie roz­wi­nięciem pre­zen­to­wa­nej idei [7].

Uwa­żam, że mimo swo­ich wad tego typu urządze­nie ma wyraźne zalety edu­ka­cyjne, szcze­gól­nie jeśli cho­dzi o inte­re­su­jące metody przed­sta­wie­nia zagad­nień związa­nych z elek­tro­che­mią, ale także pew­nymi aspek­tami innych dzie­dzin.

Lite­ra­tura:

Wszyst­kie foto­gra­fie wyko­nane przez autora

W powyższym tek­ście doko­nano nie­wiel­kich zmian edy­tor­skich w sto­sunku do wer­sji opu­bli­ko­wa­nej w  cza­so­pi­śmie, w celu uzu­pełn­ie­nia i lep­szego przy­sto­so­wa­nia do pre­zen­ta­cji na stro­nie inter­ne­to­wej.

Marek Ples

Aa