Электрическая машина преобразует механическую энергию в энергию электрического заряда, а он накапливается в конденсаторе или лейденской банке.
Лейденская банка - это обыкновенный тонкостенный стеклянный цилиндр, оклеенный изнутри и снаружи фольгой. Внутренняя обкладка соединена с металлическим стержнем, оканчивающимся шариком.
Если при зарядке лейденской банки подключить 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 - на обкладках конденсатора окажутся равные по величине, но противоположные по знаку заряды.
Чем обширнее площадь обкладок и чем меньше зазор между ними, тем больше емкость конденсатора. Однако делать зазор слишком малым нельзя - при высоком напряжении его может пробить. В лучшем случае конденсатор потеряет заряд, в худшем - разрушится, возможно со взрывом.
Сантиметровый слой воздуха например, пробивается при напряжении 30 000 В. Понижать же напряжение невыгодно. Выход один - увеличивать площадь обкладок.
Если помещать между обкладками конденсатора различные непроводящие материалы, емкость его может резко меняться. Если идти в сторону увеличения диэлектрической проницаемости, то ее значение для:
- Парафина - 2;
- Фарфора и стекла - до 7;
- Воды - 81.
За единицу емкости конденсаторов принята фарада. Это очень крупная единица, такую емкость мог бы иметь, например шар, диаметром 18 000 000 км - в 1500 раз больше Земли!
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).
В Японии был изготовлен конденсатор из активированного угля!
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.
Именно поверхность активированного угля и заинтересовала японских ученых. Уголь пропитывают раствором солей щелочных металлов - натрия, калия, лития в органическом растворителе, и - емкость 1 см³ такого конденсатора возрастает до десяти и более фарад! Но конденсатор из активированного угля выдерживает лишь очень низкое напряжение.
Самая высокая в природе диэлектрическая проницаемость - 130 000 единиц - у ДНК (что несет генетическую информацию).
Электричество можно накопить не только в виде неподвижного, статического заряда. При движении электронов по проводу обмотки электромагнита оно тоже накапливается.
В школьных опытах мы подключали к аккумулятору лампочку параллельно с электромагнитом. Лампочка загоралась не сразу - медленно раскалялся ее волосок - но при отключении аккумулятора лампочка, вместо того, чтобы погаснуть, вспыхивала еще ярче. Энергия накапливалась в магнитном поле в то время, когда лампочка горела тускло. Ей явно не хватало мощности аккумулятора - львиная доля которой шла на насыщение энергией электромагнита.
Держится накопленная энергия в электромагните (катушке) доли секунды. Из-за сопротивления в проволоке, намотанной на сердечник электромагнита, вся накопленная в его магнитном поле энергия быстро переходит в тепло.
Я попробовал подпитывать электромагнит током от аккумуляторов, постепенно увеличивая их число. Соответственно повышалось напряжение на клеммах электромагнита, увеличивалась сила тока, а следовательно росла и подъемная сила электромагнита. В его магнитном поле накапливалось все больше энергии. Так, наверное, продолжалось бы и дальше, но… от электромагнита вдруг пошел дым - он перегрелся от чрезмерного тока.
Свинцовый аккумулятор. При пропускании тока через его электролит, из серной кислоты на свинцовой пластине, соединенной с отрицательным полюсом (катодом), выделяется водород, который восстанавливает окись свинца в чистый свинец.
На электроде, соединенном с положительным полюсом (анодом), выделяется кислород, который окисляет окись свинца до перекиси.
Аккумулятор зарядится в тот момент, когда катод целиком станет чистым свинцом, а анод - перекисью свинца. Тогда между электродами окажется наибольшее напряжение.
Соединяя пластины-электроды с потребителем, расходуя энергию, мы разряжаем аккумулятор. Направление тока при разрядке противоположно тому, что было при зарядке. Положительно заряженная пластина будет восстанавливаться водородом, а отрицательная - окисляться кислородом.
Как только пластины станут одинаковыми, аккумулятор прекратит давать ток.
Энергия в аккумуляторе накапливается не в виде электрического или магнитного поля, а в виде вещества (свинца), переходящего с выделением энергии в другое вещество (перекись свинца). Сам процесс накопления и выделения энергии здесь происходит иначе, нежели в чисто электрических аккумуляторах - конденсаторах и электромагнитах.
Свинцово-кислотный аккумулятор.
Пластины аккумулятора изготавливают в форме свинцовых решеток, уже покрытых перекисью свинца (положительный электрод) и губчатым свинцом (отрицательный). Электролитом служит 25 - 35%-ный водный раствор серной кислоты.
Заряженный автомобильный аккумулятор имеет напряжение 2 - 2,2 В. При разрядке это напряжение падает, и когда оно достигает 1,8 В, разрядку обычно прекращают, иначе решетка из свинца может слишком истончиться в ходе реакции, и пластины рассыплются.
Если в автомобиле включить стартер, питаемый как известно от аккумулятора, при не включенном двигателе - двигатель не заведется, а секунд через 15 - 20 стартер начнет сбавлять обороты. Еще через некоторое время он вообще остановится.
Спустя пару минут, можно снова включить его. Стартер заработает.
При включении аккумулятора на большую мощность, серная кислота, которая находится в порах пластин, быстро израсходуется - превратится в воду, и выделение тока прекратится.
Поэтому разряжают и заряжают аккумуляторы обычно с малой нагрузкой, небольшими токами и продолжительное время - несколько часов.
В своей конструкции электромобиля я использовал раму от маленького спортивного автомобиля - карта. Задние колеса взял побольше - от мопеда, а передние - от детского самоката. На раму позади сиденья поставил аккумулятор от автомобиля МАЗ. Масса этого аккумулятора - около 40 кг.
В качестве тягового двигателя применил стартерный двигатель от легкового автомобиля. Двигатель пришлось разобрать и заменить в нем шестерню таким же по размеру стальным цилиндром, с накаткой (как у напильников) для большей шероховатости - такие цилиндры или кольца, передающие движение трением, в технике называются фрикционами.
Мой микроэлектромобиль.
Стартерный двигатель я установил у одного из задних колес, на качающемся рычаге. Вместе с цилиндром двигатель прижимался к колесу пружиной. С аккумулятором он был соединен толстыми проводами так, чтобы к нему можно было подключать разное напряжение: 6, 8, 10 и 12 В.
Один провод - общий, а другие подключались к клеммам стартера через соответствующие переключатели - каждому напряжению соответствовал отдельный переключатель.
Тормоза я взял от мопеда. Задние колеса посадил на ось с помощью подшипников - привод был только на одно колесо. Это давало возможность автомобилю свободно поворачивать вправо и влево.
Единовременный пробег на этом автомобиле, в разных дорожных условиях составлял около 10 км. Дальше разряжать аккумулятор было ни к чему - он мог испортиться.
Электромобиль прекрасно идет по ровным дорогам с постоянной скоростью. Разгоняется очень вяло, медленно набирая скорость. В гору либо не едет вообще, либо едет очень медленно и недолго - аккумуляторы мгновенно садятся - десяток торможений и разгонов до предельной скорости поглощает всю энергию аккумулятора.
Электроаккумуляторы, даже с большой плотностью энергии, обеспечивающей долгий пробег, имеют очень небольшую плотность мощности. Этот показатель у электроаккумуляторов во много раз ниже, чем у автомобильных двигателей.
Хороший двигатель массой 100 кг развивает мощность до 100 кВт. А аккумулятор той же массы - не более 8! И то при этом он быстро разряжается.
