Примеры освещенности в типичных случаях

,

Характер освещения	Освещенность, лк
Под прямыми солнечными лучами в полдень	100 000
На открытом месте в пасмурный день	10 000
В светлой комнате недалеко от окна	1 000
Необходимая для чтения	30–50
От полной луны	0,2
От ночного неба в безлунную ночь	0,0003

Существуют отражатели-катафоты, которые всегда направляют отраженный свет в сторону осветившего их внешнего источника (рис. 6.5).

Рис. 6.4. Принцип работы рассеивателя

Освещенность уменьшается с увеличением расстояния. Зависимость освещенности от расстояния до освещаемого объекта определяется формулой Е = I/R², где R – расстояние до объекта. Иными словами, при неизменной силе света I освещенность убывает обратно пропорционально квадрату расстояния.

Рис. 6.5. Принцип работы катафота

6.2.4. В качестве источников тока в фонарях используются специальные химические генераторы э.д.с.: батарейки или аккумуляторы.

Первым генератором э.д.с., в котором электрический ток вырабатывался за счет химических реакций, был гальванический элемент, созданный итальянским физиком Алессандро Вольта (17451827). Он установил, что при соприкосновении различных проводников происходит разделение электрических зарядов (возникает э.д.с.), в результате чего на одном из металлов скапливаются отрицательные заряды (избыток электронов), а на другом положительные (недостаток электронов).

Гальванический элемент получил свое название по фамилии итальянского врача и анатома Луиджи Гальвани (17371798), опыты которого послужили толчком к исследованиям Вольта. Гальвани обратил внимание на сокращение лягушечьей лапки, подвешенной на медном крючке, при его касании крючком железной перекладины. Он ошибочно предположил, что это следствие электрического разряда, вырабатываемого в лапке лягушки. Однако Вольта установил, что появление электрического заряда связано с наличием двух разных металлов (медь крючка и железо перекладины), соприкасающихся с электролитами (жидкостью в лапке и слоем влаги на металлических предметах).

Гальванический элемент Вольта представлял собой медную и цинковую пластины, погруженные в раствор серной кислоты. При погружении металла в электролит (в элементе Вольта это была серная кислота) начинается процесс растворения металла, при котором положительные ионы переходят в раствор и металл заряжается отрицательно. Хотя цинковый и медный электроды оба получают отрицательный потенциал, но они разные по величине (эта разность равна примерно 1,1 вольта). Поэтому, если соединить проводником оба электрода, по нему потечет ток (электроны начнут перемещаться от цинкового электрода, где их больше, к медному). Источником энергии электрического тока является энергия, выделяемая при растворении цинка (Zn) и превращении его в ZnSO₄. Так, при растворении одного моля цинка выделяется количество энергии, равное 4,4∙10⁵ дж. Разность потенциалов зависит от природы электродов и электролита. Заметим, что это свойство используется в электрохимических приборах для определения вида и пробы драгоценных металлов (см. раздел 4 настоящего практикума).

В батарейке растворение электродов происходит, когда от нее берут ток, хотя незначительное растворение имеет место и при разомкнутой цепи тока из-за наличия в электродах посторонних включений (из-за этого при хранении происходит медленный разряд батарейки).

Ток, создаваемый элементом Вольта, быстро прекращается. Это, в первую очередь, связано с явлением поляризации электродов. Дело в том, что при протекании тока по электролиту он разлагается с выделением водорода и кислорода. Водород покрывает один из электродов, а кислород – второй. В результате создается э.д.с., противоположная по знаку исходной, и повышается сопротивление между электродами.

Современные батарейки используют иные по составу, чем в элементе Вольта, электроды и электролиты. Так, один из вариантов батарейки имеет один электрод в виде цинкового стакана, а второй – в виде угольного стержня, устанавливаемого в центр стакана (рис. 6.6).

Рис. 6.6. Конструкция гальванического элемента

На стержень надевается металлический колпачок. Пространство между электродами заполняется электролитом в консистенции густого клейстера на основе нашатыря (NH₄Cl). Сверху элемент заливается смолой, чтобы предотвратить выливание и высыхание электролита. Для предотвращения поляризации около угольного электрода помещают специальное деполяризующее вещество. Электрическая цепь, в которой надо создать ток, подключается к корпусу батарейки и металлическому колпачку на угольном электроде.

Кроме батареек, для питания фонарей и других приборов часто используют аккумуляторы. С точки зрения потребителя, разница обычной батарейки и аккумулятора в том, что батарейка после разряда уже не может использоваться, а аккумулятор можно использовать неоднократно, заряжая его после очередного разряда.

Прообразом современного аккумулятора является элемент, изобретенный в 1895 г. ученым Планте. Он содержал два свинцовых электрода, погруженных в раствор серной кислоты. Первоначально элемент не создает напряжения. Однако если на его электроды некоторое время подавать напряжение (ток) от внешнего источника, то, аккумулировав энергию, он сам становится источником напряжения (тока). Несмотря на ряд недостатков, аккумуляторы со свинцовыми электродами применяются до сих пор. Химические процессы, протекающие в таком аккумуляторе при заряде и разряде, можно пояснить следующим образом.

В незаряженном состоянии оба электрода покрыты слоем сернокислого свинца (PbSO₄). При зарядке ионы SO₄^2- перемещаются к одному электроду и превращают его в перекись свинца по уравнению

PbSO₄+SO₄+2H₂O = PbO₂+2H₂SO₄ ,

а ионы Н⁺ восстанавливают второй электрод в металлический свинец по уравнению

PbSO₄+2H = Pb+H₂SO₄.

Соединение PbO₂ становится анодом, а Pb – катодом заряженного аккумулятора. При разрядке ток по внешней цепи идет от анода к катоду, а внутри аккумулятора ионы SO₄^2- и Н⁺ движутся в направлениях, обратных их движению при зарядке. Поэтому реакции на электродах протекают в обратном направлении. В полностью разряженном аккумуляторе электроды вновь состоят из PbSO₄.

Довольно широко применяются железоникеливые аккумуляторы. У них электродами являются железо и никель, а электролитом 20%-ный раствор едкой щелочи (KOH или NaOH). В заряженном состоянии никелевые пластины покрыты слоем окиси никеля (Ni₂O₃) и служат анодом, а железо  катодом.

6.2.5. Батарейки и аккумуляторы имеют разные размеры и энергетическую емкость (последняя измеряется в а/час).

Существует несколько стандартов кодовых обозначений характеристик батареек, которые обычно наносятся на этикетку батарейки (часто даются коды сразу из нескольких стандартов). Один из них пришел из США, где принято классифицировать батарейки по физическим размерам и обозначать буквами, не указывая химический состав элемента: D, C, AA, AAA (в порядке уменьшения размеров). С недавних пор для обозначения размеров батареек стали использовать также систему обозначений: S (ААА), M (AA), L (C), XL (D), 9V (элемент типа «Крона»). На некоторых батарейках можно увидеть также обозначения UM-4 (AAA), UM-3 (AA), UM-2 (C), UM-1 (D). Дополнительно может указываться энергетическая емкость (GUALITY) батарей: Special Power, Ultra Power или PowerMax.

Батарейки могут различаться по химическому составу компонент, от чего в значительной мере зависит их безопасность и эксплуатационные характеристики. По этим параметрам выделяют солевые, щелочные, воздушно-цинковые, ртутно-цинковые, серебряно-цинковые, литиевые батарейки.

Химический состав учитывает международный стандарт, в соответствии с которым первая буква в коде обозначения содержит информацию о химическом строении элемента: L  щелочная бата-рейка, S  серебряно-цинковая, С  литиевая, нет буквы  солевая. Следующая буква указывает на форму батарейки: R  цилинд-рическая, F  плоская. Если перед буквенным обозначением стоит цифра, то она указывает на количество параллельно соединенных элементов в батарее. Число в конце кода обозначает размеры элемента по определенной таблице соответствия: R14 соответствует размеру С, R20 – размеру D и т.д. На батарейках, которые чаще всего используются в фонарях и приборах ТСТК, могут проставляться обозначения LR20, LR14, LR6, LR03, 6F22. Так, код 6F22 обозначает солевую батарейку типа «крона», состоящую из шести 1,5-вольтовых элементов. Если на этикетке написано RX – значит, в ваших руках не одноразовая батарейка, а аккумулятор.

Ртутные элементы питания (ртуть добавлялась, чтобы уменьшить самроразряд батарейки) уже почти не встречаются: производители решили от них отказаться из-за высокой токсичности ртути и стали заменять ее специальными органическими добавками. Мало выпускается угольно-цинковых батареек. Они недорогие, но имеют небольшой срок хранения, маленькую мощность. Щелочные, или алкалиновые (от англ. alkaline – щелочь), батарейки обладают более высокими эксплуатационными характеристиками. Самые долговечные, надежные и дорогие из вышеназванных элементов питания – литиевые. В них один электрод – литиевый, другой – из смеси графита и оксида марганца. Они имеют большой срок хранения, маленькую массу и крайне нетребовательны к условиям эксплуатации: в состоянии работать от –30° до +70°С.

Некоторые виды батареек могут быть взрывоопасны или подлежат специальной утилизации, что отражается на их этикетках.

Размеры и обозначения наиболее ходовых цилиндрических элементов, используемые в современных бытовых фонарях и многих приборах, в том числе применяемых в таможенных целях, показаны на рис. 6.7.

Рис. 6.7. Размеры и обозначения батареек