§ 2. ВОЛЬТАИЧЕСКОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И ЭЛЕКТРОЛИЗ

Открытие так называемого контактного электричества, принадлежащее Гальвани (1780 г.) и Вольта (1792 г.), настолько хорошо известно, что мы можем здесь не останавливаться на нем. Как ни интересны опыты Гальвани с лапками лягушек и последующая дискуссия о происхождении электрических зарядов, в этой книге мы более заинтересованы в формулировании понятий и законов. Поэтому мы лишь перескажем факты.

Фиг. 81. Гальванический элемент.

Если две пластинки из различных металлов погрузить в раствор (фиг. 81) (например, медную и цинковую пластинки в раствор серной кислоты), металл обнаруживает электрические заряды, которые имеют в точности те же свойства, что и заряды, полученные трением. Согласно фундаментальному закону электричества, заряды обоих знаков возникают в металлах (полюсах) в одинаковых количествах. Система, состоящая из раствора и металлических пластинок и называемая гальваническим элементом, или элементом Вольта, обладает свойством разделять два вида электричества. Но замечательно то, что эта способность, очевидно, неисчерпаема, ибо если полюса соединить проводником так, чтобы заряды, перемещаясь по нему,

могли нейтрализовать друг друга, то на полюсах вновь появятся заряды сразу, как только проводник будет устранен. Такой элемент сохраняет свою способность служить источником электричества все время, пока проволочное соединение остается замкнутым. Таким образом, в этом случае должен иметь место постоянный поток электричества. Как построить детальную картину этого процесса, зависит от того, какая из двух (одно-жидкостная или двухжидкостная) теорий берется за основу. В первом случае существует один ток, во втором — два противоположно направленных тока, каждый из которых состоит из жидкости одного рода.

Далее, электрический ток проявляет свое существование в форме весьма определенных эффектов. Прежде Есего он нагревает соединяющую проволоку. Каждый из нас знает это по металлическим нитям в электрических лампах. Итак, электрический ток непрерывно создает тепловую энергию. Откуда гальванический элемент черпает свою способность непрерывно создавать электричество и тем самым косвенно создавать тепло? Согласно закону сохранения энергии, где бы ни выделялась энергия одного вида в течение какого-либо процесса, энергия другого вида должна поглощаться в соответствующем количестве.

Источником энергии служит химический процесс, происходящий в элементе. При протекании тока один из металлических электродов непрерывно растворяется; в то же время один из компонентов раствора выделяется на другом электроде. В самом растворе могут происходить сложные химические процессы. Нам незачем останавливаться - на них; удовлетворимся фактом, что гальванические элементы позволяют создавать электричество в неограниченных количествах и производить большие электрические токи.

Мы должны, однако, рассмотреть теперь обратный процесс, при котором электрический ток вызывает химическое разложение. Например, если при помощи двух не поддающихся химическому разрушению проволок (электродов), сделанных, скажем, из платины, пропускать электрический ток через слегка подкисленную воду, то последняя разделяется на составляющие ее элементы: водород и кислород, причем водород выделяется на отрицательном электроде (катоде), а кислород — на положительном электроде (аноде). Количественные законы этого процесса — «электролиза», — открытого Никольсоном и Карлейлем (1800 г.), были установлены Фарадеем (1832 г.). Далеко идущие последствия изысканий Фарадея для наших знаний о строении вещества хорошо известны. Однако обсудить его исследования нас вынуждают не эти последствия сами по себе, а тот факт, что законы Фарадея дали средство для точных

измерений электрического тока и, таким образом, позволили завершить построение электромагнитной теории.

Описанный нами сейчас эксперимент по электролитической диссоциации можно осуществить не только с помощью тока, полученного от гальванического элемента, но с тем же успехом с помощью тока, происходящего при разряде, имеющем место, когда два противоположно заряженных металлических тела соединяются проводником. Необходимо позаботиться, чтобы количества электричества, используемого при разрядах, были достаточно велики. Имеются устройства для накапливания электричества — так называемые конденсаторы, — действие которых основано на принципе индукции. Они позволяют получать столь мощные разряды, что в электролитическом элементе образуются измеримые количества разложенных веществ. Количество заряда, протекающего через элемент, можно измерить электростатическими методами, описанными выше. Фарадей установил закон, согласно которому вдвое больший заряд производит вдвое больше продуктов диссоциации, втрое больший заряд — втрое большее количество их, короче — закон, согласно которому количество диссоциировавшего вещества (или одного из продуктов диссоциации) пропорционально количеству электричества прошедшего через элемент:

Постоянная С зависит от природы веществ и характера химической реакции. Эта зависимость определяется вторым законом Фарадея. Известно, что при образовании сложных веществ химические элементы соединяются в совершенно точных пропорциях. Количество элемента, которое соединяется с самого легкого элемента — водорода, называют эквивалентным весом. Например, в воде кислорода соединены с водорода (; следовательно, эквивалентный вес кислорода составляет 8 г. Так вот, закон Фарадея утверждает, что то же самое количество электричества, которое позволяет выделить водорода, выделяет эквивалентный вес и любого другого элемента, например кислорода.

Поэтому постоянную С необходимо знать только для водорода, а ее значение для любого другого вещества мы получаем делением ее на эквивалентный вес вещества. Для водорода, эквивалентный вес которого имеем

для любого другого вещества с эквивалентным весом

Деля эти уравнения одно на другое, мы получаем

Таким образом, составляет точное количество электричества, позволяющее выделить водорода. Численное значение постоянной Со было установлено точными измерениями; в системе оно составляет

Теперь мы можем скомбинировать два закона Фарадея в одной формуле

Итак, электролитическая диссоциация предоставляет нам чрезвычайно удобный способ измерения количества электричества прошедшего через элемент при разряде. Нужно лишь определить массу продукта разложения, имеющего эквивалентный вес и мы сразу получаем искомое количество электричества из формулы (48). При этом, разумеется, никакой роли не играет вопрос, получено ли это электричество от разряда заряженных проводников (конденсаторов) или от гальванического элемента. В последнем случае электрический ток течет непрерывно с постоянной силой; это значит, что за время через любое сечение проводящей цепи и, следовательно, через элемент, в котором происходит разложение, протекает заряд Входящая в это выражение величина

называется интенсивностью тока, или силой тока, ибо она определяет меру того, сколько электрического заряда протекает через поперечное сечение проводника в единицу времени. Ее размерность

а ее единица —