Prostownik elektrolityczny - zapomniana technika
Poniższy artykuł został opublikowany pierwotnie w czasopiśmie dla nauczycieli Chemia w Szkole (2/2017):
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 stały - charakteryzuje się stałą wartością natężenia oraz kierunkiem przepływu w czasie,
- Prąd zmienny - wartość natężenia tego prądu zmienia się w czasie,
- Prąd przemienny - szczególny przypadek prądu elektrycznego zmiennego, w którym wartości chwilowe natężenia podlegają zmianom w powtarzalny, okresowy sposób, z określoną częstotliwością. Wartości chwilowe natężenia prądu przemiennego przyjmują naprzemiennie wartości dodatnie i ujemne, tak więc kierunek przepływu tego prądu zmienia się okresowo.
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.
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.
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).
Poza diodami próżniowymi i półprzewodnikowymi stosowano też inne wynalezione w międzyczasie rozwiązania, m.in. prostowniki elektromechaniczne, rtęciowe czy prostowniki 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:
- ołów Pb
- glin Al
- wodorowęglan sodu NaHCO3
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].
Materiały na elektrody w przypadku mojej konstrukcji przedstawia Fot.3.
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).
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.
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.
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.
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).
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).
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.
Zbudowany w ten sposób wskaźnik powinien wyglądać mniej więcej jak na Fot.10.
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).
Podłączając opisany wskaźnik do prostownika możemy się ponownie przekonać, że przewodzi on prąd tylko w jednym kierunku (Fot.12).
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:
Jon wodorowęglanowy HCO3− istnieje w stanie równowagi chemicznej z jonami węglanowymi CO32−:
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:
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:
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).
Mostek Graetza ma tę ciekawą właściwość, że kierunek prądu wypływającego z mostka jest zawsze taki sam, niezależnie od kierunku prądu wpływającego 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).
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.
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:
- [1] Latek W., Transformatory, w: Zarys maszyn elektrycznych - część I, Wydawnictwa Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 1974, str. 26 – 29 powrót
- [2] Mendygrał Z., 1000 słów o radiu i elektronice, Wydawnictwo Ministerstwa Obrony Narodowej, Warszawa, 1985 powrót
- [3] Richardson O. W., Thermionic Emission from Hot Bodies, Wexford College Press, 2003, str. 196 powrót
- [4] Lewiński K., Lewińska A., Prostowniki, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa, 1971 powrót
- [5] Sękowski S., Galwanotechnika domowa, Państwowe Zakłady Wydawnictw Szkolnych, 1963 powrót
- [6] Piekara A., Elektryczność, materia i promieniowanie, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa, 1986, str. 89 powrót
- [7] Both J., Electrolytic capacitors, 1890 to 1925: early history and basic principle, Electrical Insulation Magazine, vol:31, iss: 1, 2015 powrót
Wszystkie fotografie wykonane przez autora
Marek Ples