еретический вопрос: о зарядке аккумуляторов

[jayrandom]

Обычно считается, что электрический заряд переносится физическими носителями - электронами, протонами, и даже более тяжёлыми мобильными ионами. Значит, при зарядке/разрядке аккумулятора должно происходить если не общее изменение массы (если как-то полностью исключить обмен со средой), то по крайней мере перераспределение массы внутри этой батареи в статистических масштабах.

Вопрос: проводился ли соответствующий эксперимент? Например, если можно построить аккумулятор, чтобы (условно) при зарядке у него положительные заряды скапливались слева, а отрицательные - справа, установить обе стороны на очень точные весы, и замерить перекос. Опять же, метод должен избегать электромагнитного взаимодействия со взвешиваемым аккумулятором.

Comments

[chip33.livejournal.com]

В обычном аккумуляторе даже капитальнее - не электроны и протоны, а вполне-таки конкретные химические соединения.

Например, в обычном ледяном свинцовом аккумуляторе, идет следующая реакция:

PbO₂+Pb+2 H₂SO₄=2 PbSO₄+2 H₂O

Направо, когда он разряжается, и налево - когда заряжается. Т.е. совершенно конкретно, когда он заряжается, на одном электроде сульфат свинца будет отпускать сульфат в раствор, оставляя свинец на электроде, а на другом - то же самое, только еще подгребая два кислорода из раствора.

Т.е. перераспределение массы будет даже интереснее - оба электрода будут терять в весе, один больше, другой меньше, а тяжелеть будет электролит, который в середине.

И даже известно, каково будет соотношение переноса массы с выданной/запасенной мощностью (ну, естественно с некоторой погрешностью, ввиду неидеальности работы аккумулятора).

[jayrandom.livejournal.com]

О, замечательно. А как электролит можно было бы взвесить отдельно от твёрдых компонент аккумулятора?

[chip33.livejournal.com]

Слить и взвесить. Он же жидкий. Или вытащить электроды и взвесить оставшееся.

[jayrandom.livejournal.com]

Недеструктивный способ позволил бы провернуть несколько циклов, наблюдать в реальном времени относительное изменение масс...

[golger-i.livejournal.com]

Так ведь есть такие пипетки с шариками разной плотности, которыми как раз меряют, на сколько заряжен аккумулятор (свинцово-кислотный). Электролит набирают в пипетку, и по тому, сколько шариков всплывает, а сколько тонет, определяется плотность электролита, а из нее - и заряд на батарее.

[golger-i.livejournal.com]

http://www.amazon.co.uk/BATTERY-HYDROMETER-TESTER-AUTOMOTIVE-ELECTROLYTE/dp/B00C1EKXEQ

[jayrandom.livejournal.com]

Спасибо, не знал.

И уже понял, что неправильно сформулировал изначальный вопрос. Хотелось именно эксперимент по взвешиванию носителей электрического заряда, а в неподключенном аккумуляторе происходит перераспределение веществ. Для заряда по-видимому нужно как-то тонко (бесконтактно и неэлектрически) взвешивать пластины и изолятор конденсатора.

[golger-i.livejournal.com]

Честно говоря, я не очень понимаю разницу между носителем заряда и веществом: ведь ионы, которые выходят в раствор, и являются носителями заряда. Или Вы имеете в виду, что хочется выделить именно элементарный носитель заряда, электрон в чистом виде? Боюсь, это в домашних условиях сделать непросто, потому что электростатические эффекты от скопления электронов на порядки сильнее гравитационных (вон как волосы дыбом встают, а ведь они гораздо тяжелее электронов), и непонятно, как их отделить. А в свинцовом аккумуляторе как раз получается очень удобно: ион как-бы является усилителем эффекта массы.

[jayrandom.livejournal.com]

Считается, что при зарядке-разрядке конденсатора на его обкладках собираются разнонаправленные заряды, и что это происходит не просто так (приписыванием новых зарядов), а именно в результате механического переноса носителей заряда, неких частиц. Хочется убедиться в том, что частицы действительно переместились, и кажется, что при помощи взвешивания это было бы сделать статистически проще всего.

Но с конденсатором, как я понял, сложность в том, что "перебегают" только электроны, а электроны настолько мало весят, что сколько бы (в разумных пределах) мы ни собрали заряда, ощутимую разницу массы замерить не удастся - так?

Со свинцовым аккумулятором же засада в том, что ионы там существуют, видимо, только пока течёт ток. В статическом отсоединённом аккумуляторе есть только нейтральные вещества, часть из которых в растворе, но массы ионов (отдельно положительных и отдельно отрицательных) померить не получится (как в любом электролите).

[golger-i.livejournal.com]

> электроны настолько мало весят, что сколько бы (в разумных пределах) мы ни собрали заряда, ощутимую разницу массы замерить не удастся
Ну если бы у них была только масса, то можно было бы измерить. Но дело в том, что у них ведь еще и заряд, и, грубо говоря, электростатические эффекты от заряда на 22 порядка сильнее эффектов, связанных с массой. А 22 порядка - это слишком много, чтобы "очистить" эксперимент от электростатики. Конденсатор будет притягиваться электростатикой к весам, даже если весы удалены от него на 22 порядка дальше, чем расстояние между пластинами. Если взять расстояние между пластинами 1 Ангстрем, то весы придется поставить на Сатурн.

[jayrandom.livejournal.com]

Понятно. А существуют ли материалы, на которые не влияет электростатика?

[golger-i.livejournal.com]

Кроме того, что по ссылке, не встречал :)
http://powerlisting.wikia.com/wiki/Electrical_Immunity

[jayrandom.livejournal.com]

Вот уж всепроникающая прана!

[golger-i.livejournal.com]

На самом деле, наверное, есть варианты.
На электростатику слабее реагируют материалы, в которых на микроскопическом уровне заряд симметрично распределен. Неполярные молекулы маленького размера, а лучше атомы. И при этом - изоляторы. Например, тот же монокристаллический силикон или германий. Или алмаз :)
Но ведь невозможно заменить весь объем отсюда до Сатурна алмазами

[b-my.livejournal.com]

А почему тебя не устраивает измерить отдельно заряд, отдельно отношение заряда к массе и получить массы косвенным путём из двух экспериментов?

[b-my.livejournal.com]

Эээ... обычная гальванопластика, электрохимическая обработка, электродиализ, электрорафинирование чем не канают?

Тот же закон Фарадея, только его в чистом, рафинированном (каламбур-с) виде.

[jayrandom.livejournal.com]

Не получается уловить фазу, где заряд переносится одновременно с массой. Засечь перенос заряда И перенос массы одновременно.

В результате гальванопластики можно показать: да, вот один материал покрылся другим в результате прохождения электрического тока. Но как показать именно дрейф заряженной частицы через раствор/расплав? Как доказать, что частица, будучи в растворе и в электрическом поле, была заряжена сама?

[b-my.livejournal.com]

1. Берём пластинку из нержи, пластинку из меди, кунаем в чистую серную кислоту, включаем ток, смотрим, как на нерже появляется медь. Её не было в нерже, её не было в растворе. Значит, она продрейфовала от медной пластинки.
Ток измерИм. Перенос массы измерИм. ЧТД.

2. Те же начальные, включаем ток небольшого напряжения в обратном направлении. Медь не переносится, железо - тоже.
Ток измерИм, а переноса массы нет, в полном соотвествии с предсказаниями. ЧТД.

Опять же: электродиализ. Вполне домашний опыт.
Ванночка с солёной водой, два электрода по сторонам, две мембраны (из промокашки, допустим) делят ванночку на 3 части - по одной у каждого электрода и одну в середине. Включаем ток. Хлор (соляная кислота) скапливается у одного электрода, щелочь - у другого, в середине - обессоленная вода.
Кстати, промышленная технология обессаливания. Многомегаваттные установки делались (пока обратный осмос не появился).

[b-my.livejournal.com]

А, да, и кстати, это (с солью) - тоже аккумулятор. Только ёмкость ну очень мала и саморазряд очень большой. Но зарегистрировать "полезный" ток при его разряде можно.

[jayrandom.livejournal.com]

Видимо, я как-то плохо объясняю.

Ток идёт, без сомнения (во внешней цепи). Масса движется, это тоже очевидно (выпадает осадок на электроде). Однако то, что я хотел бы получить в результате демонстрации - это совершенно третий эффект. Я хотел бы, чтобы опыт продемонстрировал движение заряженных частиц через среду. Чтобы можно было показать: вот эта частица, вот она была здесь, вот она переместилась на 10см, И НА ЭТОЙ ЧАСТИЦЕ НА ПУТИ ВСЕГО СЛЕДОВАНИЯ БЫЛ ЗАРЯД.

[b-my.livejournal.com]

Я тебя понял. Но поскольку ты не можешь своими глазами увидеть ту частицу в силу её размеров, а с чувством заряда у тебя ещё хуже, :) тебе придётся принимать на веру какие-то предположения об устройстве мира и работе приборов.

Вот смотри, с диализом. У тебя вначале определённо есть соль. Состоящая из отрицательного хлора и положительного натрия (предположительно, да?).
Если ты помещаешь этот электролит в электрическое поле и начинаешь растаскивать им заряды, то у тебя получается ток. Ты вправе ожидать этого.
И как мне кажется, _прямым_ доказательством, которое ты хочешь, является то, что хлор окажется по одну сторону, а натрий - по другую. Потому что иначе, не привлекая гипотезу о том, что они в электролите в виде ионов с зарядом, и эти ионы движутся, создавая ток, нельзя объяснить, почему они расползлись в разные стороны из середины. В разные стороны - это важно.
Электрическое поле тащит частицы в разные стороны, частицы либо обладают зарядом сами (по гипотезе выше), либо нечто, обладающее зарядами двух сортов выборочно прицеплено к хлору или натрию.

Ты можешь увидеть и обратный процесс: как эти ионы сползаются в центр, выравнивая концентрацию (саморазряд аккумулятора).
А если ты сделаешь мембраны проводящими (или просто сунешь два одинаковых электрода по сторонам), то при выключении тока увидишь, как концентрация разных ионов создаёт ЭДС, и как с выравниванием концентрации ЭДС падает.
Наконец, если ёмкость большая и электроды с большой площадью (почему и говорю о проводящих мембранах), то можно замкнуть цепь на электродах, и получить ток во внешней цепи, с быстрым выравниванием падает и ЭДС (получить ток разряда больше тока саморазряда для красивой демонстрации сложно).

Ты можешь брать моментальные пробы (макроскопические, просто пипеткой) из кюветы при включенном токе в любой точке пространства-времени и смотреть, как частицы перемещаются по кювете под током.
Ты можешь взвешивать эти пробы. Всё, как пожелаешь (за свои деньги :))

Более того.
Если ты возьмёшь ХОРОШИЙ магнит, ты можешь завернуть частицы хлора налево, а частицы натрия направо (хлоп-хлоп, берём пробы, фиксируем момент) и доказать, что именно их траектории изогнулись. Ты можешь посчитать величину эффекта и увидеть (технически ожидаю некоторые сложности, конечно, но преодолимые), что изменение концентрации в точности соотвествует МГД-эффекту для иона хлора.

...
З.Ы.
С медным купоросом это наверняка будет красивее.
Ион меди 2+ - окрашен.

[jayrandom.livejournal.com]

Я хотел бы убедиться, что понятие "ион в жидкости" существует реально, а не просто является попыткой что-то визуализировать. Что он перемещается именно как ЗАРЯЖЕННЫЙ ион, а не просто как атом. Все методы, которые ты предлагаешь, без проблем демонстрируют перенос вещества. С этим вопросов нет, я согласен. Вещества переходят в раствор, разделяются на атомы, эти атомы могут расползаться под действием электрического поля в разные стороны. Мало того - есть ряд электропотенциалов, который говорит, кто куда поползёт. Проблема именно уловить и замерить заряд в жидкости непосредственно, пока он там есть.

Ну вот тупо: потёрли волосами воздушный шарик - волосы встали дыбом, шарик прилип к потолку. Налицо две заряженные поверхности. Их можно разнести, и они этот заряд на себе сохранят на некое макроскопическое время. Можно ли разнести натрий и хлор из раствора с сохранением на них заряда?

[b-my.livejournal.com]

А вот тут я уже не понимаю.
Понятие "электрический заряд" означает "количественная характеристика, показывающая степень возможного участия тела в электромагнитных взаимодействиях".
Если частицу можно тащить электрическим полем - значит, она заряжена. Если её траектория закручивается в магнитном поле - значит, она заряжена.
Это просто-таки определение "заряда".

Ты видишь, что частица под действием электрического поля приобретает ускорение и ползёт, а под действием магнитного - начинает крутиться. Что ещё тебе надо?
Допустим, ты вытащил эту частицу, вот она у тебя не в растворе, а лежит штучно на столе. Как ещё ты измеришь её заряд?

[jayrandom.livejournal.com]

А и не надо штучно. Пускай некоторое макроскопическое их количество проявит вне раствора свою заряженную природу. Скажем, даст обычную электростатическую искру при прикосновении с другим сухим телом, заряженным с противоположным знаком.

[b-my.livejournal.com]

Прости, но это уже каша какая-то... Ты пытаешься подгонять реальность под какие-то свои модели или толковать в своих терминах, а я их не знаю и не понимаю.

Что такое "другое сухое тело"? И как "вне раствора", если мы говорим о сольватных комплексах в растворе в принципе существующих только в растворе?
почему в качестве "доказательства" именно искра (для которой требуются сотни В, очевидно, недостижимых)?!

Пока на мой слух твой вопрос звучит как-то так: "я хочу видеть, как хвост помогает рыбе двигаться: чтоб прям вытащить рыбьи хвосты, сложить их кучей в телегу, и пусть телега едет". :)

[jayrandom.livejournal.com]

Может и каша, но для наглядности нужно как-то выделить эти заряды, чтобы с ними можно было провзаимодействовать очевидным образом.

Уж очень модель заряжающихся от растворения в воде частиц замкнута сама в себе. Она так построена, что её саму нельзя проверить никакими средствами. Детектируемое взаимодействие с получившимися ионами возможно только на уровне электромагнитного же поля, а больше никак. Я понимаю, что этот непорядок многих не смущает, но он от этого же не становится порядком :)

[b-my.livejournal.com]

>Детектируемое взаимодействие с получившимися ионами возможно только на уровне электромагнитного же поля, а больше никак.
Если ты хочешь детектировать их заряд, то ты это можешь сделать "только на уровне электромагнитного же поля, а больше никак"

Это физическое тождество. Тавтология.
Потому что электрический заряд - это то, что взаимодействует с электромагнитным полем, и ТОЛЬКО с ним. И ТОЛЬКО это. :)
Примирись с этим термином (в конце-то концов, это лишь наша договорённость, что какими словами называть), и скажи, что ещё ты хочешь увидеть/доказать? :)

...что эти заряды - определенные атомы, такого-то вида такой-то массы?
Ну вот же, есть куча методов...

[b-my.livejournal.com]

Изначально ты нечто типа этого хотел (вполне разумнного и достижимого):
"Например, если можно построить аккумулятор, чтобы (условно) при зарядке у него положительные заряды скапливались слева, а отрицательные - справа, установить обе стороны на очень точные весы, и замерить перекос. "

Построить можно: электродиализная установка. И да, соль из центра разъедется по своим краям, и да, по краям будут растворы разных составов разной массы.

[jayrandom.livejournal.com]

Изначально хотел, но Игорь мне выше объяснил, почему не удастся - не получится замерить массу независимо от заряда, пока есть заряд (это ключевое условие). Поэтому пришлось искать компромисс.

[b-my.livejournal.com]

Игорь тебе про другое говорит: что гравитация по сравнению с электричеством - фигня. И это правда.

[b-my.livejournal.com]

У тебя с другим принципиальная проблема: ты не веришь слишком многому в построениях одновременно, чтобы простой опыт наглядно и убедительно решал вопрос в какую-то сторону.
Тебе нужно разбить недоверие на отдельные куски, и решать вопросы последовательно.

Но почему тебя не устраивает логическая цепочка "частицы движутся в электрическом поле и их разнесение создаёт электричесткое поле = частицы заряжены?"
В конце-то концов, искры (как макроскопического последствия движения электронов) от самодельного аккума добиться сложно, но чем не устраивает микроамперметр?
Почему тебя не устраивает хотя бы этот компромисс? :)

[jayrandom.livejournal.com]

Именно потому, что далеко неочевидно, что все эти процессы происходят и друг дружку поддерживают (и как, если вообще). Значит, нужно всё размотать по шагам.

Поле порождает дрейф частиц, или наоборот? Если сигнал по металлическому проводнику идёт с околосветовыми скоростями, а электроны в этом проводнике предположительно дрейфуют со вполне земными скоростями, то не может первое быть порождено вторым. Соответственно, не может того же самого происходить и в банке с солёной водой. И не происходит: есть эксперименты, где в электролите что-нибудь подкрашенное плывёт (типа марганцовки) и происходит это чрезвычайно медленно. При этом цепь замыкается почти мгновенно. То есть, поле тем временем передаётся какими-то своими, никому не известными способами, немножко увлекая частицы.

Микроамперметр покажет наличие тока во внешней цепи. То, что этот ток порождён движением заряженных частиц в растворе - нет, не покажет.

[b-my.livejournal.com]

Заряды порождают поле. Поле порождает дрейф зарядов. Система стремится к минимуму энергии.
Причём тут соотношение скоростей зарядов и поля?
Или объясни эту же логику на примере Земли (большой массы, источника поля) и гравитации (собссно, поля). Очевидно, что Земля летит медленнее, чем распространяются изменения гравитации. Но почему из-за этого (sic!) Земля не может притягивать?!

Конечно, ионы в электролите очень медленные, как и электроны в металле. А сигнал (волна возмущения) передаётся быстро, со скоростью распространения поля, а не заряда. И там, и тут (немного непонятно, почему ты именно до ионов докопался, а на электроны согласен, ну да фиг с ним).
Поле передаётся, конечно, своими (всем в какой-то степени известными) способами - квантами поля, фотонами, которые заряда своего не имеют, да и массы тоже (из-за чего летают со скоростью света и в расстоянии действия ЭМ-поле не ограничено, в отличие от других).

В этом смысле нет никакой разницы с искрой, а искра как индикатор тебя, вроде, устраивала?
Я всё не могу понять логику и правила этой игры. :)
Просто так не покажет. А если ты действуешь с настойчивым желанием посмотреть - покажет.
Ты можешь манипулируя током во внешней цепи управлять скоростью движения ионов в растворе. Их собственным током. То есть, просто замыкая-размыкая внешнюю цепь без внешнего источника тока.

Ты можешь извлечь ионы из раствора или добавить их в раствор и наблюдать прямую зависимость тока от концентрации ионов. Можно даже забить на внешнюю цепь и смотреть исключительно напрямую на ток в _растворе_ (через порождаемое им магнитное поле, например) - чай, не 18-й век.
Тоже не то?

[jayrandom.livejournal.com]

> Ты можешь извлечь ионы из раствора или добавить их в раствор ...

Дак ведь не можешь же! Как только ты что-то из раствора извлечёшь, ты потеряешь заряд. Я об этом-то и говорю! Извлечь можно носители, запросто, но они сразу потеряют то, что (предположительно) носили.

Не уверен, что аналогия с гравитацией уместна. Ведь если у тебя в жидкости тела гравитируют (допустим), то будучи извлечёнными из жидкости, они продолжат гравитировать. Ну, может, как-нибудь параметры взаимодействия изменятся, но не качество. А тут проблема именно в том, что заряды приписываются частицам в растворе по косвенным признакам (по отклонению в магнитном поле, например), однако получить кусок натрия, заряженный положительно, при этом никак нельзя. Даже если ты выделишь натрий на электроде, про его заряд можно будет только сказать, что он БЫЛ, но не что он ПРОДОЛЖАЕТ БЫТЬ.

Кажется, у меня появилась идея. Возможен ли вообще электролиз "идеально" дистиллированной воды? Или что-то там должно быть растворено, чтобы хоть какую-то проводимость обеспечить?

[b-my.livejournal.com]

Чистая вода - диэлектрик. Но как и в любом другом диэлектрике ты можешь нагенерить там ионов из самой же воды ионизирующим излучением (прошу прощения за тавтологию :))

Жестким УФ, например. Или рентгеном. Или быстрыми электронами. Или ещё как. Подходит?

[jayrandom.livejournal.com]

Не, я как раз обратный эффект думал запользовать. Если в процессе электролиза ионы из раствора постепенно изымаются, то его проводимость постепенно должна упасть до нуля.

Ещё смежный вопрос: практикуется ли электролиз в растворах не на основе воды?

[b-my.livejournal.com]

Так и упадёт. Кроме того, тебе никто не мешает вести процесс в обратную сторону - сыпать соль в дистиллят. Вот не было ионов, а вот они есть.

Опять же, чем УФ-то плох? Генерим ионы - есть проводимость. Они сами в воде потом нейтрализуются - проводимость исчезает. Долбанули УФ-вспышкой, смотрим на отклик проводимости по времени (только УФ должен быть жёстким; может, на практике с рентгеном даже проще будет).
Получаем соотвествие расчётных времён релаксации с реально наблюдаемыми - вот тебе прямой пруф.

Ещё как.
Это ж всё мировое производство алюминия, как минимум. :)
Из более экзотичного - пирохимическая переработка ОЯТ и электрорафинирование актинидов из расплава соли.

[jayrandom.livejournal.com]

Про расплавы я знаю, меня интересовали растворы в неводяном непроводящем растворителе.

[b-my.livejournal.com]

Промышленно - не знаю. Вряд ли вообще есть где, уж слишком вода удобна: сильнейший полярный растворитель, при этом дешевый, доступный, устойчивый, нетоксичный и т.п.
А диссоциирующие "сильноионные" растворители (кислоты, щелочи, соли) тебя не устроят.

Но в быту, думаю, можно организовать электролиз NaCl в спирте. Надо только подумать, как его высушить: от азеотропной смеси с водой до 100.0%.
Спирт тебя ведь устроит?

О. Придумал. Нужно устроить электролиз в перенасыщенном спиртовом растворе соли (обычный спирт, с водой) при повышенном напряжении. Когда вода элементарно закончится, в "традиционной" модели на отрицательном электроде повалит хлор. Если же считать, что ионы хлора тут не при чем, то ток остановится.
Верно? :)