Топырақ және теңіздегі әртүрлі электродтар

Кіріспе

Жер батареясы – топыраққа көмілген немесе теңізге батырылған, темір мен мыс сияқты екі түрлі металдан жасалған екі электродтан тұрады. Жер батареялары сумен қоздырылатын батареялар ретінде жұмыс істейді. Егер электродтар бір-бірінен жеткілікті қашықтықта болса, олар жер бетінен ағатын тоқтарды пайдалана алады. Жер батареялары кейде жер бетінен ағатын тоқ қуатының көзі және жер бетінен ағатын тоқ генераторлары деп те аталады.

Жұмыс істеу және пайдалану

Ең қарапайым жер батареялары – электрпотенциал қатарындағы әртүрлі металдардан жасалған, топыраққа көмілген өткізгіш пластиналардан тұрады, сонда топырақ вольталық элементте электролит рөлін атқарады. Осылайша, құрылғы бастапқы элемент ретінде жұмыс істейді. Құрылғы тек электролиттік құрылғы ретінде жұмыс істегенде, құрғақшылық жағдайларға байланысты сенімділігі төмен болар еді. Бұл құрылғыларды алғашқы тәжірибешілер телеграф үшін энергия көзі ретінде пайдаланған. Бірақ, ұзын телеграф сымдарын орнату кезінде инженерлер көптеген телеграф станциялары арасында электр потенциалының айырмашылығы бар екенін анықтады, бұл жер астында ағатын табиғи электр тогынан (теллурикалық тоқтар деп аталады) туындады. Кейбір ертегі тәжірибешілер осы тоқтардың жер батареяларының жоғары өнімділігі мен ұзақ қызмет ету мерзімін ұзартуға жартылай жауапты екенін мойындады. Кейін тәжірибешілер осы тоқтарды ғана пайдаланды, ал мұндай жүйелерде пластиналар поляризацияланды. Жердің қатты және сұйық бөліктері арқылы үздіксіз электр тогы ағып жатқаны бұрыннан мәлім болды, ал электрохимиялық өзгерістердің болмауында (және термоэлектрлік қосылыстың болмауында) электр өткізгіш ортадан ток жинауды Лорд Кельвин анықтады. Лорд Кельвиннің «теңіз батареясы» химиялық батарея емес еді, соның ішінде (бірақ олармен шектелмейтін) магнетогидродинамикалық генераторлар арқылы белгілі әдістерді қамтиды. Лорд Кельвиннің түрлі тәжірибелерінде металл пластиналар ортаның ағысы бағытына симметриялы түрде перпендикуляр орналастырылды және ағып жатқан ағыннан электрондарды дифференциалды бұратын магнит өрісіне қатысты мұқият орналастырылды. Электродтар энергия көзіне қатысты асимметриялық бағытта орналасуы мүмкін. Табиғи электр энергиясын алу үшін тәжірибешілер екі металл пластинаны магниттік немесе астрономиялық меридиан бағытында бір-бірінен белгілі бір қашықтықта жерге енгізетін. Күшті токтар оңтүстіктен солтүстікке қарай ағады. Бұл құбылыс ток күші мен кернеуінің айтарлықтай біркелкілігімен сипатталады. Жер тогы оңтүстіктен солтүстікке қарай ағып жатқандықтан, электродтар кернеуді мүмкіндігінше үлкен қашықтықта арттыру үшін оңтүстіктен басталып, солтүстікке дейін орналастырылады. Көптеген алғашқы жүзеге асыруларда электродтар арасындағы тым үлкен арақашықтыққа байланысты шығындар тым жоғары болды. Барлық жалпы металдардың мінез-құлқы салыстырмалы түрде ұқсас екені анықталды. Сыртқы тізбекте жүктеме қосылған екі аралас электрод электрлік ортаға орналастырылады және энергия ортаға ортадағы «бос электрондарды» қоздыру арқылы беріледі. Бос электрондар содан кейін бір электродқа екіншісіне қарағанда көбірек ағып, осылайша жүктеме арқылы сыртқы тізбекте электр тогының ағып кетуіне себеп болады. Ток электрпотенциал қатарындағы орны теріс соңына жақын (мысалы, палладий) пластинадан ағып шығады. Екі металлдың арасындағы арақашықтық электропотенциал қатарында ең үлкен болғанда және оң жаққа жақын материал солтүстікке, ал теріс жаққа жақын материал оңтүстікке қарағанда өндірілетін ток ең жоғары болады. Бір пластинасы мыс, екіншісі темір немесе көміртек болатын пластиналар жер бетінде мүмкіндігінше аз кедергі келтіретін сыммен байланысады. Мұндай жағдайда электродтар, тіпті суға толы топырақта болған жағдайда да, химиялық коррозияға ұшырамайды және ұзақ уақыт бойы сыммен байланысады. Токты күшейту үшін солтүстік электропозитивтік электроды оңтүстік электродынан ортаға тереңірек кіргізудің пайдалы екені анықталды. Ең үлкен ток пен кернеу екі электродты қосатын сызық магниттік батырма немесе магниттік еңіс бағытында болған кезде алынды. Бұрынғы әдістерді біріктіргенде, ток кез келген белгілі тәсілмен пайдаланылды. Кейбір жағдайларда әртүрлі электрлік қасиеттері бар және тиісті қорғаныш жабындары бар екі пластина жерге көмілді. Әрбір пластинаның бүкіл бетін қорғаныш немесе басқа жабын жапты. Мыс пластиналарды көміртекті материалдан жасалған көміртек кокс ұнтағымен жабуға болады. Цинк пластинасына қаптаманың қабатын жағуға болады. Табиғи электр энергиясын пайдалану үшін жер батареялары электрмагниттерді, жүктемені, мотор механизмінің бөлігін қуаттандырды.

The simplest earth batteries consist of conductive plates from different metals of the electropotential series, buried in the ground so that the soil acts as the electrolyte in a voltaic cell. As such, the device acts as a primary cell. When operated only as electrolytic devices, the devices were not continuously reliable, owing to drought condition. These devices were used by early experimenters as energy sources for telegraphy. However, in the process of installing long telegraph wires, engineers discovered that there were electrical potential differences between most pairs of telegraph stations, resulting from natural electrical currents (called telluric currents) flowing through the ground. Some early experimenters did recognize that these currents were, in fact, partly responsible for extending the earth batteries' high outputs and long lifetimes. Later, experimenters would utilize these currents alone and, in these systems, the plates became polarized. It had been long known that continuous electric currents flowed through the solid and liquid portions of the Earth, and the collection of current from an electrically conductive medium in the absence of electrochemical changes (and in the absence of a thermoelectric junction) was established by Lord Kelvin. Lord Kelvin's "sea battery" was not a chemical battery. including (but not limited to) methods known via magneto hydrodynamic generators. In the various experiments by Lord Kelvin, metal plates were symmetrically perpendicular to the direction of the medium's flow and were carefully placed with respect to a magnetic field, which differentially deflected electrons from the flowing stream. The electrodes can be asymmetrically oriented with respect to the source of energy, though. To obtain the natural electricity, experimenters would thrust two metal plates into the ground at a certain distance from each other in the direction of a magnetic meridian, or astronomical meridian. The stronger currents flow from south to north. This phenomenon possesses a considerable uniformity of current strength and voltage. As the Earth currents flow from south to north, electrodes are positioned, beginning in the south and ending in the north, to increase the voltage at as large a distance as possible. In many early implementations, the cost was prohibitive because of an over reliance on extreme spacing between electrodes. It has been found that all the common metals behave relatively similarly. The two spaced electrodes, having a load in an external circuit connected between them, are disposed in an electrical medium, and energy is imparted to the medium in such manner that "free electrons" in the medium are excited. The free electrons then flow into one electrode to a greater degree than in the other electrode, thereby causing electric current to flow in the external circuit through the load. The current flows from that plate whose position in the electropotential series is near the negative end (such as palladium). The current produced is highest when the two metals are most widely separated from each other in the electropotential series, and when the material nearer the positive end is to the north, while that at the negative end is towards the south. The plates, one copper and another iron or carbon, are connected above ground by means of a wire with as little resistance as possible. In such an arrangement, the electrodes are not appreciably chemically corroded, even when they are in earth saturated with water, and are connected together by a wire for a long time. It had been found that to strengthen the current, it was most advantageous to drive the northerly electropositive electrode deeper into the medium than the southerly electrode. The greatest currents and voltages were obtained when the difference in depth was such that a line joining the two electrodes was in the direction of the magnetic dip, or magnetic inclination. When the previous methods were combined, the current was tapped and utilized in any well known manner. In some cases, a pair of plates with differing electrical properties, and with suitable protective coatings, were buried below the ground. A protective or other coating covered each entire plate. A copper plate could be coated with powdered coke, a processed carbonaceous material. To a zinc plate, a layer of felt could be applied. To use the natural electricity, earth batteries fed electromagnets, the load, that were part of a motor mechanism.

Жалпы ақпарат

Парк Бенджамин мен Мелвин Л. Севери, Вольталық жасуша: оның құрылысы және сыйымдылығы. Уайли, 1893 жыл. 562 бет. 317–319 беттер. Джордж Милтон Хопкинс, Эксперименталды ғылым: Элементарлық, практикалық және эксперименталды физика. Мунн & Co., 1902. 437–451 беттер. Фредерик Коллиер Бэйкуэлл, Электр ғылымы, оның тарихы, құбылыстары және қолданылуы. 1853. 182–184 беттер. Джеймс Нейпир, Электрометаллургия жөніндегі нұсқаулық. 1876. 48–49 беттер. Уильям Эдвард Армейдж Аксон, Механикке көмекші. Трюбнер, 1875 жыл. 339 бет. 303–304 беттер. Адольф А. Фesquet, Оливер Byrne және Джон Перси, "Практикалық металл жұмысшысының көмекшісі". H. C. Baird & Co., 1878. 683 бет. 529–530 беттер. Евгений Кац, "Александр Бэйн". Электрохимия, электр және электроника тарихы; Биосенсорлар және Биоэлектроника. Вассилатос, Джерри, "Жердегі радионың құпияларына кіріспе". Бернс, Р. В., "Александр Бэйн, өте тапқыр және еңбегімен көзге түскен өнертапқыш". Инженерлік ғылым және білім беру журналы, 2-том, 2-шырақ, 1993 жыл. ISSN 0963 7346. R. J. Edwards G4FGQ, Топырақ кедергісін өлшеу және Жер электродының кедергісін есептеу. 15 ақпан 1998 жыл. The Gentleman's magazine. (1731). Лондон: [s. n.]. 587 бет. Спенсер У. Ричардсон, "Диэлектриктер арқылы электр ағыны". Лондон Корольдік қоғамының еңбектері. А сериясы, математикалық және физикалық сипаттағы мақалалар, 92-том, 635-шырақ (1915 жылдың 1 қарашасы), 101–107 беттер. Джон Паттерсон Абернети, Коммерциялық және теміржол телеграфының қазіргі қызметі. 1887 жыл. 423 бет. 72 бет. Уильям Дуайт, Уитни сөздігі: Ағылшын тілінің энциклопедиялық сөздігі. 1405 бет. Томас Диксон Локвуд, Электр, магнетизм және электр телеграфы. D. Van Nostrand Co., 1883 жыл. 375 бет. 42 бет. Эдвин Джеймс Хьюстон, Электрлік сөздер, терминдер және тіркестер сөздігі. P. F. Collier & Son, 1903 жыл. 756 бет. Генри Минчин, Студенттерге арналған Электр оқулығы. Локвуд, 1867 жыл. 519 бет. 477–485 беттер. (Балама көшірме). Вассилатос, Г. (2000). Жоғалған ғылым. Кемптон, Иллинойс: Adventures Unlimited. "Жердегі токтар: Табиғи орта және адам жасаған жүйелермен өзара әрекеттесу". Жердің электрлік ортасы (1986), Физикалық ғылымдар, математика және қолданбалар жөніндегі комиссия. Прескотт, Г. Б. (1860). Электр телеграммасының тарихы, теориясы және практикасы. Бостон: Ticknor and Fields. 468 бет.

Park Benjamin and Melvin L. Severy, The Voltaic Cell: Its Construction and Its Capacity. Wiley, 1893. 562 pages. pp. 317–319. George Milton Hopkins, Experimental Science: Elementary, Practical and Experimental Physics. Munn & Co., 1902. pp. 437–451. Frederick Collier Bakewell, Electric science, its history, phenomena and applications. 1853. pp. 182–184. James Napier, A manual of electro metallurgy. 1876. pp. 48–49. William Edward Armytage Axon, The Mechanic's Friend. Trübner, 1875. 339 pages. pp. 303–304. Adolph A. Fesquet, Oliver Byrne, and John Percy, The Practical Metal worker's Assistant. H. C. Baird & Co., 1878. 683 pages. pp. 529–530. Eugenii Katz, "Alexander Bain". The history of electrochemistry, electricity and electronics; Biosensors & Bioelectronics. Vassilatos, Gerry, "An Introduction to the Mysteries of Ground Radio". Burns, R. W., "Alexander Bain, a most ingenious and meritorious inventor". Engineering Science and Education Journal, Volume 2, Issue 2, Apr 1993. pp. 85–93. ISSN 0963 7346
R. J. Edwards G4FGQ, Measurement of Soil Resistivity & Calculation of Earth Electrode Resistance 15 February 1998
The Gentleman's magazine. (1731). London: [s. n.]. p. 587. Spencer W. Richardson, "The Flow of Electricity through Dielectrics". Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical and Physical Character, Vol. 92, No. 635 (Nov. 1, 1915), pp. 101–107. John Patterson Abernethy, The Modern Service of Commercial and Railway Telegraphy. 1887. 423 pages. p. 72. William Dwight, Whitney Dictionary: An Encyclopedic Lexicon of the English Language. p. 1405. Thomas Dixon Lockwood, Electricity, Magnetism, and Electric Telegraphy. D. Van Nostrand Co., 1883. 375 pages. p. 42. Edwin James Houston, A Dictionary of Electrical Words, Terms and Phrases. P. F. Collier & Son, 1903. p. 756. Henry Minchin, Student's Text book of Electricity. Lockwood, 1867. 519 pages. pp. 477–485. (Alternative copy)
Vassilatos, G. (2000). Lost science. Kempton, Ill: Adventures Unlimited. "Telluric Currents: The Natural Environment and Interactions with Man made Systems". The Earth's Electrical Environment (1986), Commission on Physical Sciences, Mathematics, and Applications. Prescott, G. B. (1860). History, theory, and practice of the electric telegram. Boston: Ticknor and Fields. 468 pages.

Патенттер

А. Бейн, "Электрмен беттерді көшіру". А. Бейн, "Электрлік телеграфтарды жетілдіру". W. P. Piggot, "Телеграф кабелі". В. Д. Сноу, "Электр энергиясын өндіруге арналған жер батареялары". Дж. Серпо, "Электрлік қабаттар". Дэниел Дроубоу, "Электрлік сағаттарға арналған жер батареясы". М. Эмме, "Жердегі электр генераторы". М. Эмме, "Аккумуляторлық батарея". Эмиль Яр, "Жердегі электр тоқтарын пайдалану әдісі". Джеймс С. Брайан, "Найзағайдан қорғағыштарды жетілдіру". Джеймс С. Брайан, "Жер батареясы". 1875 жылдың 23 ақпаны. Джеймс С. Брайан, "Найзағайдан қорғағыштарды жетілдіру". Джеймс М. Дикс, "Суға батырылатын типтегі батарея". Джордж Ф. Дикман, "Электрлік жер батареясы". 1885 жылдың 3 қарашасы. Нейтан Стаплфилд, "Электр батареясы". 1898 жылдың 8 мамыры. Уильям Т. Кларк, "Электр энергиясын өндіру әдісі және аппараты". Рячек, "Жер батареясы". 1984 жылдың 3 шілдесі.