Электрическая «капсула»

Автор еще раз убеждается во всесилии электричества, равно как и в том, что от воплощения своей мечты он пока еще очень далек…

Как накопить электроны?

Да, тепловые накопители если и не завели меня в дебри, то уж точно направили по ложному пути. Чуть было даже не забрел в гости к «демону Максвелла», а уйти от него, говорят, гораздо труднее, чем познакомиться с ним. Но с этим уже все. Торжественно пообещав себе больше не отвлекаться на яркие пустышки, я принялся за изучение других накопителей из моего списка. Теперь очередь дошла до устройств, накапливающих электрическую энергию. И в начале перечня у меня значился конденсатор.

Я уже говорил, что электрическая машина преобразует механическую энергию в энергию электрического заряда, а он накапливается в конденсаторе – лейденской банке. Это один из самых первых типов конденсаторов, получивший свое название от голландского города Лейдена, в котором в середине XVIII века был создан.

Лейденскую банку можно увидеть в любом школьном физическом кабинете. Она представляет собой обыкновенный тонкостенный стеклянный цилиндр, оклеенный изнутри и снаружи фольгой. Внутренняя обкладка соединена с металлическим стержнем, оканчивающимся шариком. Если при зарядке лейденской банки мы подключим шарик к отрицательному полюсу электрической машины, на внутреннюю обкладку добавится некоторое количество избыточных электронов; тогда с наружной обкладки, подключенной к положительному полюсу машины, или к «земле», соответствующее количество электронов будет удалено. Таким образом на обкладках конденсатора окажутся равные по величине, но противоположные по знаку заряды, – прибор заряжен.

Разряжать лейденскую банку можно только с помощью специального разрядника, изолированного от рукоятки, за которую его держат. Попытки разрядить лейденскую банку руками нередко заканчивались гибелью экспериментаторов. Правда, это было давно, когда люди еще не знали об опасности такого опыта.

Но если лейденская банка столь опасна, значит, в ней заключено много энергии! Не та ли это «капсула», что я ищу?

Поскольку лейденской банки под рукой не оказалось, я взял первый попавшийся конденсатор, из тех, которые остались после ремонта телевизора, и сунул его выводы в штепсель. Пробежала искра. Я отнял прибор от штепселя, но тут вдруг припомнил чьи-то слова: «Переменным током конденсатор не зарядишь». Разочарованный, я прикоснулся пальцами к выводам конденсатора, дабы убедиться в справедливости этих слов, и… По искрам, которые посыпались у меня из глаз, я понял, что мой конденсатор не хуже лейденской банки. Стал вспоминать, кто же это меня обманул, однако так и не вспомнил. Решил все же не испытывать больше судьбу и сначала почитать что-нибудь о конденсаторах, а уж потом заниматься экспериментами.

Раньше, в XVII—XVIII веках, электричество представляли себе как некую невесомую «электрическую жидкость», которая может «вливаться» в проводник. Отсюда по величине заряда – количеству этой «электрической жидкости» – стали определять емкость конденсатора как какой-нибудь фляги или бутыли. Ученые давно заметили, что чем обширнее площадь обкладок и чем меньше зазор между ними, тем больше емкость конденсатора. Однако делать зазор слишком малым нельзя – при высоком напряжении, приложенном к конденсатору, может наступить «пробой» зазора искрой. В лучшем случае конденсатор потеряет заряд, а в худшем – разрушится, причем, что не исключено, со взрывом. Сантиметровый слой воздуха, например, пробивается при напряжении 30 000 В. Понижать же напряжение невыгодно. Ведь в конечном счете нас интересует не просто емкость конденсатора, а его энергоемкость, равная произведению заряда на напряжение. Поэтому уменьшение зазора между обкладками – это не путь к повышению энергоемкости. Выход один – увеличивать площадь обкладок.

И еще одно очень интересное свойство конденсатора открылось ученым. Если помещать между его обкладками различные непроводящие материалы – диэлектрики, емкость конденсатора может резко меняться. Эту способность диэлектриков изменять емкость конденсатора назвали диэлектрической проницаемостью. Было установлено: чем больше величина диэлектрической проницаемости, тем больше при прочих равных условиях емкость конденсатора.

Диэлектрическая проницаемость равна в вакууме единице. Очень близка к этому значению диэлектрическая проницаемость воздуха, поэтому воздушные конденсаторы имеют очень малую емкость. Если идти в сторону увеличения диэлектрической проницаемости, то ее значение для парафина – 2, для фарфора и стекла – до 7, а для воды – 81. То есть водный конденсатор обладает в 81 раз большей емкостью, чем воздушный.

Однако при подсчете плотности энергии обычных конденсаторов, например электролитических, которые широко распространены в радиотехнике, выяснилось, что она очень низкая, не выше, чем у обычных стальных пружин. Даже у конденсаторов-гигантов плотность энергии не выше, хотя общее количество энергии может быть достаточно велико.

За единицу емкости конденсаторов принята фарада (Ф). Это очень крупная единица, такую емкость мог бы иметь, например шар, диаметр которого равен 18 млн км, то есть в 1500 раз больше нашей Земли! Разумеется, емкость большинства существующих конденсаторов значительно меньше, поэтому ее измеряют в миллионных долях фарады – микрофарадах (мкФ), или в единицах, еще в миллион раз меньших, – пикофарадах (пФ).

Геометрическое представление единицы электроемкости – фарады

Если взвесить самый заурядный электролитический конденсатор емкостью 10 мкФ при напряжении 300 В, то масса его составит несколько десятков граммов. А энергии в этом конденсаторе будет менее 0,5 Дж. Стало быть, плотность энергии достигнет около 10 Дж/кг. Хорошие конденсаторы могут накопить энергии раз в 10 больше, но и это очень немного.

Чтобы резко повысить емкость конденсаторов, приходится прибегать ко всяким ухищрениям. И надо сказать, в последнее время ученые здесь преуспели. В Японии, например, впервые был изготовлен конденсатор из активированного угля!

Электролитический конденсатор

Известно, что активированный уголь, приготовленный путем кипячения древесного угля в воде, имеет огромную поверхность на единицу объема. Такую поверхность образуют поры, из которых водой были вымыты соли. Благодаря этому активированный уголь отлично поглощает запахи, яды, различные газы. Им заполняют противогазы, его принимают при отравлениях, используют во многих других случаях. Именно поверхность активированного угля и заинтересовала японских ученых. Уголь пропитывают раствором солей щелочных металлов – натрия, калия, лития в органическом растворителе, и происходит чудо – емкость 1 см такого конденсатора возрастает до десяти и более фарад! Иначе говоря, до емкости размещенного в пустоте шара, чей диаметр в 15 тыс. раз больше, чем диаметр Земли, больше, чем расстояние от Земли до Солнца! Но в отношении энергии это мало что дает – конденсатор из активированного угля выдерживает лишь очень низкое напряжение. Плотность энергии такого конденсатора составляет примерно 1 кДж/кг, что гораздо выше, чем у обычных конденсаторов, но все-таки крайне мала.

Венгерские ученые пошли по другому пути. Они создали особые пластмассы, обладающие необычайно высокой диэлектрической проницаемостью и пробойным напряжением. Кроме того, они выяснили, что самая высокая в природе диэлектрическая проницаемость – 130 тыс. единиц! – у дезоксирибонуклеиновой кислоты, той самой ДНК, которая несет генетическую информацию. Если обычный конденсатор емкостью 10 мкФ заполнить в качестве электролита ДНК, то при напряжении 300 В плотность его энергии составит 20 кДж/кг, что превышает тот же показатель для резиновых аккумуляторов.

Тут мне пришло в голову: что, если объединить открытия японских и венгерских ученых, то есть пропитать активированный уголь дезоксирибонуклеиновой кислотой. Удельная энергия конденсатора, судя по всему, вырастет еще раз в 100. Тогда масса «энергетической капсулы», необходимой автомобилю для прохождения 100 км, была бы не более 1-2 кг!

Да, заманчиво, конечно, все это осуществить, но где достать столько ДНК? Как пропитать ДНК-активированный уголь? Насколько дорог будет такой конденсатор, если его все же удастся получить? Какова будет сила взрыва, если произойдет случайный пробой?

Мне было трудно ответить на поставленные вопросы, кроме последнего. Дело в том, что однажды я чуть не стал заикой от оглушительного взрыва телевизионного конденсатора, энергия которого была в десятки тысяч раз меньше…

И еще одно обстоятельство меня огорчало. «Перестраховщики» ученые, зная почти все про конденсаторы, определили теоретический предел плотности их энергии, который оказался в тысячи раз ниже по сравнению с вычисленным мной. Кто-то из нас очень ошибался в своих расчетах, и я, кажется, догадывался, кто… По крайней мере на ближайшее будущее с помощью так называемых «ультраконденсаторов» в США планируют накапливать энергию в количестве всего около 30 кДж/кг.

Конденсатор-гигант

Между тем современные, так называемые «молекулярные» конденсаторы, несмотря на небольшую плотность энергии, в десятки раз уступающую плотности современных электроаккумуляторов, успешно применяются для запуска двигателей внутреннего сгорания и даже для перемещения транспортных средств на небольшие расстояния. Например, для некоторых типов инвалидных колясок.