Нурбей Гулиа - В поисках «энергетической капсулы»
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 конденсатора 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 мои конденсатор далеко от лейденской банки не ушел. 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 расстояние, 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 свой заряд, а в худшем – разрушится, причем не исключено, что со взрывом. Сантиметровый слой воздуха, например, пробивается при напряжении 30 000 вольт. Понижать же напряжение невыгодно. Ведь в конечном итоге 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 очень интересное свойство конденсатора открылось ученым. Если помещать между его обкладками различные непроводящие материалы – диэлектрики, емкость конденсатора может резко изменяться. Эту способность диэлектриков изменять емкость конденсатора назвали диэлектрической проницаемостью. Было установлено: чем больше величина диэлектрической проницаемости, тем больше при прочих равных условиях емкость конденсатора, обкладки которого разделены диэлектриком.
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, стекла – до 7, а для воды необычно много – 81. То есть с помощью воды можно получить конденсатор, в 81 раз более емкий, чем воздушный.
Однако при подсчете плотности энергии обычных конденсаторов, например, электролитических, которые так широко распространены в радиотехнике, выясняется, что она очень низка, не выше, чем у обычных стальных пружин.
За единицу емкости конденсаторов принята фарада. Это очень крупная единица, такую емкость мог бы иметь, например, шар, диаметр которого равен 18 миллионам километров, то есть в полторы тысячи раз более крупный, нежели наша Земля! Разумеется, емкость существующих конденсаторов значительно меньше, и поэтому ее измеряют в миллионных долях фарады – микрофарадах или в единицах, еще в миллион раз меньших, – пикофарадах.
Если взвесить самый заурядный электролитический конденсатор емкостью 10 микрофарад при напряжении 300 вольт, то масса его окажется несколько десятков граммов. А энергии в этом конденсаторе будет менее половины джоуля. Стало быть, плотность энергии составит около 10 джоулей на килограмм массы. Хорошие конденсаторы могут накопить энергии раз в десять 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, несколько лет назад был изготовлен конденсатор из... активного угля!
Известно, что активный уголь, приготовляемый кипячением Древесного угля в воде, имеет огромную поверхность в единице объема. Такую поверхность образуют поры, из которых водой были вымыты соли. Благодаря этому активный уголь отлично поглощает запахи, яды, различные газы. Им заполняют противогазы, его принимают при отравлениях, используют во многих других случаях. Именно поверхность активного угля и заинтересовала японских ученых.
Уголь пропитывают раствором солей щелочных металлов – натрия, калия, лития – в органическом растворителе, и происходит чудо – емкость одного кубического сантиметра такого конденсатора возрастает до десяти и более фарад! Иначе говоря, до емкости шара в пустоте, имеющего диаметр в 15 тысяч раз больше диаметра Земли, больше чем расстояние от Земли до Солнца! Но в отношении энергии это почти ничего не дало – конденсатор из активного угля выдерживает лишь очень низкое напряжение. Плотность энергии этого конденсатора составила примерно 1 килоджоуль на килограмм, что гораздо выше, чем у обычных конденсаторов, но все-таки крайне мало.
Венгерские ученые пошли по другому пути. Они создали особые пластмассы, обладающие необычайно высокими диэлектрической проницаемостью и пробойным напряжением. Кроме того, они выяснили, что самая высокая в природе диэлектрическая проницаемость – 130000 единиц! – у дезоксирибонуклеиновой кислоты, той самой ДНК, которая несет генетическую информацию. Если обычный конденсатор емкостью 10 микрофарад заполнить в качестве электролита ДНК, то при напряжении 300 вольт плотность его энергии будет порядка 20...200 килоджоулей на килограмм. Этот показатель лучше, чем таковой у газовых аккумуляторов.
Тут мне пришло в голову, что если объединить открытия японских и венгерских ученых, то есть пропитать активный уголь дезоксирибонуклеиновой кислотой, удельная энергия конденсатора, судя по всему, выросла бы еще раз в сто. Тогда масса «энергетической капсулы», необходимой автомобилю для прохождения ста километров, могла бы быть не более одного-двух килограммов!
Да, заманчиво, конечно, все это осуществить, но... Где достать столько ДНК? Как пропитать ДНК активный уголь? Насколько дорог будет такой конденсатор, если его все же удастся получить? Какова будет сила взрыва, если произойдет внезапный пробой?
Я затруднялся найти ответ на первые вопросы, однако ответ на последний отчетливо представлял себе. Дело в том, что однажды я был страшно перепуган оглушительным взрывом телевизионного конденсатора, энергия которого была в десятки тысяч раз меньше...
И еще меня огорчало одно обстоятельство. «Перестраховщики» ученые, зная почти все про конденсаторы, определили теоретический предел плотности его энергии в 3,6 килоджоуля на килограмм. А это в тысячи раз ниже плотности энергии, вычисленной мной. Кто-то из нас очень ошибался в своих прогнозах, и я, кажется, догадывался, кто...
«Капсулу» – в жидкий гелий
Нет, не получилось из конденсатора «энергетической капсулы». Ну ничего, ведь электричество можно накопить не только в виде неподвижного, статического заряда – при движении электронов по проводу обмотки электромагнита оно тоже накапливается.
Мне очень хорошо запомнился школьный опыт по физике, где мы подключали к батарее лампочку параллельно с электромагнитом. Лампочка загоралась не сразу, медленно раскалялся ее волосок, но при отключении батареи лампочка, вместо того чтобы погаснуть, вспыхивала еще ярче. Какая же энергия, если не накопленная в электромагните, раскаляла волосок лампочки в то время, как питание от батареи больше не поступало? И накапливалась эта энергия в магнитном поле тогда, когда, несмотря на то, что энергия отбиралась от батареи, лампочка горела тускло. Ей явно не хватало мощности батареи – львиная доля мощности шла на насыщение энергией электромагнита.
Итак, очередной аккумулятор, может быть, даже кандидат на «энергетическую капсулу». Проверим, на что способен электромагнит как накопитель.
Я попробовал «подпитывать» электромагнит током от аккумуляторных батарей, постепенно увеличивая их число. Соответственно повышалось напряжение на клеммах электромагнита, увеличивался ток, а следовательно, росла и подъемная сила электромагнита. В его магнитном поле накапливалась все большая и большая энергия. Так, наверное, продолжалось бы и дальше, но... от электромагнита вдруг пошел дым – он перегрелся от чрезмерного тока. Опыт пришлось прекратить. Вот, значит, где предел энергоемкости электромагнита!
Оказалось, что и со сроком хранения энергии плоховато – держится накопленная энергия в электромагните, или, как говорят, в катушке индуктивности, доли секунды. Из-за сопротивления в проводнике – проволоке, намотанной на сердечник электромагнита, вся накопленная в его магнитном поле энергия быстро переходит в тепло. А нельзя ли устранить это сопротивление?
