Основы электричества
Древние греки наблюдали электрические явления задолго до начала изучения электричества. Достаточно потереть шерстью или мехом полудрагоценный камень янтарь, как он начинает притягивать кусочки сухой соломы, бумаги или пух и перья.
В современных школьных опытах используются стеклянные и эбонитовые стержни натертые шелком или шерстью. При этом считается, что на стеклянном стержне сохраняется положительный заряд, а на эбонитовом отрицательный. Эти стержни также могут притягивать к себе мелкие кусочки бумаги и т.п. мелкие предметы. Именно это притяжение и есть воздействие электрического поля, которое изучал Шарль Кулон.
По-гречески янтарь называется электрон, поэтому для описания такой силы притяжения Уильям Гильберт (1540 – 1603 гг.) предложил термин «электрический» .
В 1891 году английский ученый Стоней Джордж Джонстон выдвинул гипотезу о существовании в веществах электрических частиц, которые и назвал электронами. Такое утверждение существенно облегчило понимание электрических процессов в проводниках .
Электроны в металлах достаточно свободны и легко отрываются от своих атомов, а под действием электрического поля, точнее разности потенциалов перемещаются между атомами металла, создавая электрический ток. Таким образом, электрический ток в медном проводе представляет собой поток электронов, протекающий вдоль провода, от одного конца к другому.
Электрический ток способны проводить не только металлы. При определенных условиях электропроводны жидкости, газы и полупроводники. В этих средах носителями зарядов являются ионы, электроны и дырки. Но пока речь только о металлах, ведь даже и в них все не так просто.
Пока что речь идет о постоянном токе, направление и величина которого не меняется. Поэтому на электрических схемах возможно стрелками указать, куда же течет ток. Считается, что ток течет от положительного полюса к отрицательному, к такому выводу пришли на ранней стадии изучения электричества.
Позднее выяснилось, что на самом деле электроны движутся как раз в обратном направлении – от минуса к плюсу. Но, тем не менее, от «ошибочного» направления не отказались, более того именно оно называется техническим направлением тока. Какая разница, если лампочка все равно горит. Направление движения электронов получило название истинного и применяется чаще всего в научных исследованиях.
Сказанное иллюстрирует рисунок 1.
Если переключатель на некоторое время «перебросить» в сторону батарейки, то зарядится электролитический конденсатор C, на нем накопится некоторый заряд. После того, как конденсатор зарядился, переключатель повернули в сторону лампочки. Лампа вспыхнула и погасла – конденсатор разрядился. Совершенно очевидно, что длительность вспышки зависит от величины электрического заряда, запасенного в конденсаторе.
Гальваническая батарея тоже хранит электрический заряд, но намного больший, нежели конденсатор. Поэтому время вспышки достаточно велико, — лампочка может гореть до нескольких часов.
Электрический заряд, ток, сопротивление и напряжение
Изучением электрических зарядов занимался французский ученый Ш. Кулон, который в 1785 году открыл закон, названный его именем.
В формулах электрический заряд обозначается как Q или q. Физический смысл этой величины — способность заряженных тел вступать в электромагнитные взаимодействия: одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются. Сила взаимодействия между зарядами прямо пропорциональна величине зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Если в виде формулы, то это выглядит вот так:
Электрический заряд электрона очень мал, поэтому на практике пользуются величиной заряда под названием Кулон . Именно эта величина используется в международной системе СИ (Кл). В одном кулоне содержится ни много ни мало 6,24151*10 18 (десять в восемнадцатой степени) электронов. Если из этого заряда выпускать по 1 млн. электронов в секунду, то этот процесс продлится целых 200 тысяч лет!
За единицу измерения тока в системе СИ принят Ампер (А) , по имени французского ученого Андре Мари Ампера (1775 — 1836). При силе тока в 1А через поперечное сечение проводника за 1 секунду протекает заряд ровно в 1 Кл. Математическая формула в этом случае получается вот такая: I = Q/t.
В этой формуле ток в Амперах, заряд в Кулонах, время в секундах. Все единицы должны соответствовать системе СИ.
Другими словами получается один кулон в секунду. Очень напоминает скорость автомобиля в километрах в час. Поэтому сила электрического тока есть не что иное, как скорость протекания электрического заряда.
Чаще в быту используется внесистемная единица Ампер*час. Достаточно вспомнить автомобильные аккумуляторы, емкость которых указывается как раз в ампер часах. И это всем известно и понятно, хотя про какие-то кулоны в магазинах авто запчастей никто и не вспоминает. Но при этом все-таки существует соотношение: 1 Кл = 1*/3600 ампер*часа. Возможно, что такое количество можно было бы назвать ампер * секундой.
По-другому определению ток в 1 А протекает в проводнике сопротивлением 1 Ом при разности потенциалов (напряжении) на концах проводника 1 В. Соотношение между этими величинами определяется по закону Ома. Это, пожалуй, самый главный электрический закон, недаром народная мудрость гласит: «Не знаешь закон Ома – сиди дома!».
Проверка закона Ома
Этот закон сейчас известен всем: «Ток в цепи прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению». Казалось бы всего три буквы, — I = U/R, любой школьник скажет: «Ну и что?». А на самом деле путь к этой короткой формуле был достаточно тернист и долог.
Для проверки закона Ома можно собрать простейшую схему, показанную на рисунке 2.
Исследование достаточно простое, — увеличивая напряжение источника питания по точкам на бумаге построить график, показанный на рисунке 3.
Казалось бы, что график должен получиться идеально прямой линией, поскольку зависимость I = U/R можно представить в виде U = I*R, а в математике это прямая линия. На самом же деле в правой части линия загибается вниз. Может не очень сильно, но загибается и почему-то весьма разнообразно. При этом загиб будет зависеть от того, как будет нагреваться исследуемое сопротивление. Не зря оно сделано из длинной медной проволоки: можно намотать плотно виток к витку, можно закрыть слоем асбеста, может температура в помещении сегодня одна, а вчера была другая или в помещении гуляет сквозняк.
Это к тому, что температура влияет на сопротивление так же, как на линейные размеры физических тел при нагревании. Каждый металл имеет свой температурный коэффициент сопротивления (ТКС). Вот только про расширение знают и помнят практически все, а про изменение электрических свойств (сопротивление, емкость, индуктивность) забывают. А ведь именно температура в этих опытах является самым стабильным источником нестабильности.
С литературной точки зрения получилась достаточно красивая тавтология, но именно она в данном случае очень точно выражает суть проблемы.
Многие ученые в середине девятнадцатого века пытались открыть эту зависимость, но мешала нестабильность опытов, вызывала сомнения в истинности полученных результатов. Удалось это сделать только Георгу Симону Ому (1787-1854), который сумел отбросить все побочные эффекты или, как говорится, увидеть за деревьями лес. Единица измерения сопротивления 1Ом до сих пор носит имя этого гениального ученого.
Из закона Ома можно выразить любую составляющую: I=U/R, U=I*R, R=U/I.
Для того, чтобы эти соотношения не забывать существует так называемый треугольник Ома , или что-то в этом роде, показанный на рисунке 4.
Рисунок 4. Треугольник Ома
Пользоваться им очень просто: достаточно закрыть пальцем искомую величину и две оставшиеся буквы покажут, что с ними надо делать.
Еще осталось вспомнить, какую роль играет во всех этих формулах напряжение, каков его физический смысл. Обычно под напряжением понимается разность потенциалов в двух точках электрического поля. Чтобы это было легче понять, пользуются аналогиями, как правило, с баком, водой и трубами.
В этой «водопроводной» схеме расход воды в трубе (литры/сек) это как раз есть ток (кулон/сек), а разность между верхним уровнем в баке и открытым краном разность потенциалов (напряжение). При этом если кран открыт, то давление на выходе равно атмосферному, которое можно принять за условный нулевой уровень.
В электрических схемах такая условность позволяет принять какую-то точку за общий провод («землю»), относительно которого производятся все измерения и настройки. Чаще всего за этот провод принимают минусовой вывод источника питания, хотя это и не всегда так.
Разность потенциалов измеряется в вольтах (В) по имени итальянского физика Алессандро Вольта (1745-1827). По современному определению при разности потенциалов в 1 В на перемещение заряда в 1 Кл расходуется энергия в 1 Дж. Пополнение израсходованной энергии производится от источника питания, по аналогии с «водопроводной» схемой это будет насос, поддерживающий уровень воды в баке.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
История опыта Кулона и его значение
Около 600 года до н. э. греческий философ Фалес Милетский писал, что когда он натирает шерстью янтарь, тот начинает притягивать кусочки соломы и другие мелкие предметы. Ученые, начавшие изучать данное явление, уже имели слово для его обозначения, благодаря Фалесу. Ведь «электричество», образовано от греческого слова «электрон», означающего «янтарь». Изучая его, ученые заметили, что заряженные объекты иногда притягиваются друг к другу, а иногда отталкиваются.
Флюидные теории электричества
К 18 веку наблюдаемые электрические явления (притягивание и отталкивание заряженных тел) объяснялись двухфлюидной теорией, созданной французским ученым Шарлем Франсуа де Систерне дю Феем. Согласно его теории электричество состоит из двух жидкостей, способных протекать через твердые тела. Одна жидкость являлась носителем положительного заряда, а другая — отрицательного. При вступлении этих двух жидкостей в контакт они нейтрализовали друг друга.
Более простую, унитарную (однофлюидную) теорию создал американский ученый Бенджамин Франклин. Избыток этой жидкости создавал положительный заряд, недостаток — отрицательный. Теории двух и одной жидкости некоторое время сосуществовали и конкурировали, но ясно было одно: необходимо установить закон электрического взаимодействия.
Открытие закона Кулона
При кратком рассмотрении вопроса обычно указывается, что закон был установлен французским военным инженером и ученым Шарлем Кулоном. Но все не так просто. Еще до открытия численного выражения зависимости, известной теперь как закон Кулона, Франклин проводил эксперименты с т. н. «колодцем Беккариа» — полым металлическим сосудом на непроводящей подставке.
Для объяснения опытов по передаче «колодцу» заряда от небольшого заряженного шарика на изолирующей ручке российский и немецкий физик, действительный член Петербургской Академии наук, Франц Ульрих Теодор Эпинус высказал предположение, что маленькие частицы «электрической жидкости» (мы бы сказали сейчас электрические заряды) взаимодействуют с силой, пропорциональной величине каждого из зарядов, т. е. их произведению. Можно сказать, что в будущей формуле Кулона был предсказан «числитель».
Оставалось установить «знаменатель». Английский химик Джозеф Пристли первым предположил, что закон для электрических сил аналогичен закону для сил тяготения Ньютона (открыт в 1666 году, опубликован в 1687 году), и в 1767 году высказал предположение, что сила обратно пропорциональна расстоянию в квадрате.
Английский ученый Генри Кавендиш свое интуитивное предположение, что эта сила обратно пропорциональна степени расстояния (при этом степень могла быть 1, 2, 3 и т. д.), уточнил теоретическими расчетами, из которых следовало, что степень близка к 2 (если точнее, может находиться в пределах 1,97-2,03). Таким образом, формула Кулона была выведена Кавендишем теоретически в 1772 году. Это произошло за 13 лет до экспериментального подтверждения Кулоном. Но результаты Кавендиша были опубликованы лишь через 100 лет, Кулон о них знать не мог.
Опыты Кулона с крутильными весами и открытие закона
До вывода закона, носящего его имя, Кулон занимался изучением крутильных деформаций нитей. Точное знание связанных с этим закономерностей позволило ему построить крутильные (или торсионные) весы для измерения очень малых сил (весы реагировали на силу в одну миллиардную ньютона). В 1784 году Кулон приступил к экспериментам по изучению электрических и магнитных сил. Закон был выведен им на основе силы отталкивания двух одноименных зарядов, а затем выяснилось, что закон справедлив и для силы притяжения двух разноименных зарядов.
В своих весах Кулон использовал тонкое волокно из серебра, меди или шелка, к которому подвешивал иглу. На одном ее конце находился маленький, электрически заряженный шарик, а на другом — противовес, сбалансированный таким образом, чтобы игла могла вращаться в горизонтальной плоскости. Откалиброванные торсионные весы измеряли силу, необходимую для поворота иглы на заданный угол.
Поднося заряженный шарик из смолы к шарику на игле, ученый определял силу, с которой отталкивались заряды. Опыт Кулона позволил сделать вывод: «Сила отталкивания двух маленьких шаров с одинаковой природой электричества обратно пропорциональна второй степени расстояния между центрами шаров».
Распространение результата опыта на шарики с зарядами противоположного знака давалось с трудом, поскольку, когда шарики подходили слишком близко один к другому, они слипались, и эксперимент завершался неудачей. Но в итоге Кулону удалось-таки распространить результат на заряды противоположных знаков, и окончательное выражение закона Кулона таково: «Сила электростатического взаимодействия между двумя точечными зарядами прямо пропорциональна произведению величин зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними».
В честь ученого в настоящее время единица электрического заряда в повсеместно принятой системе единиц СИ названа кулоном.
Из ранней предыстории радио
В. Меркулов В статье кратко рассказано о важнейших научно-технических событиях, предшествовавших открытию высокочастотных электромагнитных колебаний.
1600
Многие отечественные и зарубежные исследователи усматривают начало отсчета долгого пути к становлению феномена, названного «радио», в работах английского физика и врача королевской семьи У. Гильберта (1544-1603), занимавшегося планомерным изучением магнитных и электрических возмущений. За примерно 18 лет проведенных за свой счет исследований он выявил два полюса у магнитов, отталкивающие одноименные концы других намагниченных предметов и, наоборот, притягивающие разноименные, способность намагничивать железные предметы, вошедшие с ними в соприкосновение или близко расположенные, обнаружил увеличение силы притяжения при тщательном выравнивании их поверхности. Он наблюдал изменения показаний стрелки компаса в различных точках сферы действия подвешенного намагниченногошара из цельного железняка, после чего заявил об идентичном поведении прибора при передвижениях его по поверхности Земли. Отсюда он сделал вывод о подобии земного шара помещенному в пустоту гигантскому магниту с полюсами, ориентировочно совпадающими с географическими. Отметим, что в настоящее время географическому Северному полюсу планеты соответствует смещенный на 2000 км Южный магнитный полюс с местонахождением на острове Батерст Арктического архипелага Канады. И наоборот, в окрестностях Южного полюса Земли в море д`Юрвиля у берегов Восточной Антарктиды (со стороны Австралии) находится аналогично смещенный Северный магнитный полюс. Издавна была известна способность предварительно натертого янтаря притягивать малые предметы. Подобную склонность Гильберт обнаружил также у алмаза, кварца, сапфира, серы, стекла (хрусталя) и др. Сконструированным им индикатором-версором он научился более наглядно демонстрировать эту их способность. Такие специфичные материалы он стал называть «электрическими» (от лат. electricus — янтарный), введя в обращение, как показало будущее, очень важный термин. В дополнение к исходящему еще от Аристотеля (384- 322 гг. до н. э.) и культивируемому его последователями созерцательному взгляду на природу Гильберт провозгласил метод познания истины через опыт (эксперимент). Свои научные работы он обобщил в фундаментальном трактате «О магните», изданном в 1600 г. На рис. 1,а показана обложка второго издания фолианта (1628), на рис. 1,б — современного (на английском языке).
Рис. 1
1663
О. фон Герике (1602-1686), обер-бургомистр из Магдебурга (Германия), изготовил первый электростатический генератор — вращающееся от ручного колесного привода шаровое тело из серы, натираемое руками (рис. 2,а). Он обнаружил исходящие от заряженного шара потрескивающие искры, светящиеся в темноте. В 1705 г. британский ученый Ф. Хуксби (1666-1713) повысил «мощность» генератора Герике, установив в нем стеклянный шар (рис. 2,б).
Рис. 2
1745
Родившийся вДании П. ван Мушенбрук (1692-1761) получил медицинское образование в университете г. Лейдена (Королевство Нидерланды), после чего там же работал преподавателем. Вместе со своим студентом голландцем А. Кюнеусом он увлекся электростатикой. Применив генераторы Герике и Хуксби при изучении электрических свойств веществ, в частности воды, частично заполнявшей стеклянную колбу, в начале 1745 г. они обнаружили способность сосуда сохранять заряды. Устройство назвали «Лейденской банкой». В конце 1745 г. в Германии на заседании Берлинской Королевской академии наук немецкий юрист и физик Е. С. фон Клейст (1700-1748) доложил об изобретении иманалогичной по возможностям «Клейстовой колбы». Позднее английские ученые В. Ватсон (1715-1787) и Дж. Бевис (1695-1771) предложили поместить оловянную фольгу на внутренней и наружной поверхностях «банки» (рис. 3).
Рис. 3
1760
Французский физик и директор Ботанического сада в Париже Ш. Дюфе (1698-1739) первый высказал суждение об электрическом происхождении молнии (и грома). В своих исследованиях он пользовался уже электрометром, измеряющим «электрическую силу». Великий английский физик, математик и астроном И. Ньютон (1642-1727) также полагал, что излучаемые натертым янтарем искры схожи с молниями. Американский исследователь атмосферного электричества Б. Франклин (1706-1790) экспериментально доказал, что молнии, возникающие в небе, идентичны искрам, видимым от разряда Лейденской банки и от соприкосновения металлической иголки с потертым о шелк янтарем или стеклом. Франклин, возможно, был первым человеком, не раз управлявшим перемещением электрического разряда на заметное расстояние. Так, например, на пикниках в долине реки Скулкилл, вблизи г. Филадельфии (штат Пенсильвания), он изумлял присутствующих одновременным поджиганием спиртовок от переносимых посредством воды разрядов Лейденских банок, располагавшихся на разных берегах речного потока, от которых затем разжигал огонь в вертелах для зажаривания индеек [1]. Франклин первым предложил понятия положительного и отрицательного электричества, использовал в обращении термины «батарея», «заряд», «разряд», «конденсатор», «обмотка», «проводник». Эксперименты с установкой первых молниеотводов (громоотводов) Франклин проводил в 1760 г. Через 20 лет в Филадельфии ими были защищены около 400 высоких зданий. Заметим, что в Европе в отдельных странах уже было известно о возможности нейтрализации грозовых разрядов поставленными на крышах домов выступающими металлическими штырями. В России «падающую» Невьянскую башню (вблизи г. Екатеринбурга) оснастили заземленным шпилем примерно за 25 лет до первых молниеотводов Франклина. Однако Парижская Академия наук во Франции их не признавала. И только в 1872 г. научных авторитетов переубедил удар молнии в оставшееся без грозозащиты здание гостиницы французского посольства в Филадельфии, разрушивший постройки и погубивший людей. РодилсяФранклин в семье эмигрировавшего из Англиимелкого переработчика жира домашнихживотных.Он был пятнадцатым по отцу из 17 детей и восьмым (из 10) от второго брака, младшим из сыновей. Ему удалось проучиться в школе всего два года. С десятилетнего возраста он начал работать. Несмотря на отсутствие систематического образования в дальнейшем он выучил несколько языков, организовал собственную типографию (1727), почти 20 лет издавал «Пенсильванскую газету» (1729-1748), впервые в Америке приступил к созданию публичной библиотеки (1731), учредил Американское философское общество (1743) и стал его первым президентом, выступил одним из отцов-основателей американской Конституции (1787). Его портрет помещен на бумажной купюре 100 долл. США. Интерес к физике и электричеству Франклин начал проявлять в 40 лет, после того как разбогател. Великий русский ученый М. В. Ломоносов (1711-1765) высоко оценивал открытия и изобретения Франклина. За его работами внимательно следил другой известный российский физик Г. В. Рихман (1711-1753). Отметим, что Ломоносов связывал возникновение молнии с накоплением зарядов в грозовом облаке (атмосфере). Рихман ранее многих других ученых пришел к выводу о взаимосвязи электрических и магнитных возмущений.
1791
В ноябре 1780 г. в итальянском г. Болонья профессор-физиолог Л. Гальвани (1737- 1798) в своей лаборатории руководил тривиальной работой по препарированию лягушек. Интересующаяся наукой и любопытная его молодая жена Л. Галеацци зашла в помещение и обратила внимание мужа на подергивания лапки одной из лягушек в те моменты, когда ассистент дотрагивался до нее скальпелем. В это же время другой помощник вращал рукоятку электростатической (электрофорной) машины. Случайное наблюдение дало начало более чемдесятилетнему исследованию поведения лап лягушек вблизи источников искровых разрядов. Многие историки физики в прошлом и настоящем относят эти работы к первым наглядным демонстрациям беспроводной электросвязи. В череде опытов были замечены многие случаи подергиваний лапок и в отсутствие искрового разряда. Происходили они, например, когда лягушку располагали на железной основе и прикасались к нерву прутком или спицей из другого металла. Или если земноводное клали на изолированную дощечку, а нерв избранной мышцы соединяли с кожным покровом дугой из разнородных металлов. Свои теории и эксперименты Гальвани изложил в «Трактате о силах электричества при мышечном движении», вышедшем в 1791 г. Научные труды Гальвани имели широкий резонанс в Европе. Во многих странах физиологи, поверившие в его доказательства «животного электричества», повторяли опыты на других земноводных, пресмыкающихся и млекопитающих. Некоторые патологоанатомы проводили схожие эксперименты на казненных преступниках.
1800
Электрофорную машину, которую применял Гальвани, в 30-летнемвозрасте изобрел другой итальянский физиолог и физик А. Вольта (1745-1827), благодаря помощи, как он сам говорил, оказанной ему российским академиком Ф. Эпинусом (1724-1802). «Вкус» электричества во рту ему был хорошо знаком по «ощущениям» при замыкании собственным языком проводников от контактов придуманного им прибора и машины Герике. При изучении «Трактата» Гальвани более всего Вольта заинтересовался эффектом «оживления» конечностей лягушек от одновременного прикосновения к ним двух разнородных металлов. Для проверки возникшего, как показало будущее, гениального предположения Вольта клал в рот две монеты из разнородных металлов, одну сверху языка, другую снизу, замыкал их проволокой и ощущал знакомый «вкус» электричества. Вольта повторил опыты Гальвани, провел множество исследований особых рыб — электрических скатов, сомов, угрей. По аналогии с вырабатывающими электричество их внутренними органами он предложил два типа электрических источников. Во-первых, это — разнородные (например, медь и цинк, серебро и цинк) металлические пластины или штыри (рис. 4,а), разделенные раствором соли или кислоты (электролитом). Во-вторых, это — кружки или квадратные пластины из тех же металлов, с прослойкой из бумаги или сукна, пропитанные электролитом (рис. 4,б), составляющие из нескольких таких элементов, положенных друг на друга, пакет, названный автором «электрическим органом». Однако повсеместно он признан как «Вольтов столб», а позднее как гальваническая батарея [2].
Рис. 4
Вольта была неизвестна теория строения веществ, поэтому «металлические пары», например, цинк-медь и другие, были подобраны им опытным путем. С описанием практического изделия в одном из научных журналов Вольта выступил в 1800 г. Значимость события состояла в том, что новый более надежный прибор заменял собой в опытах слаботочные электростатические машины, применявшиеся почти 150 лет. Отметим, что еще один, для того времени более дешевый источник стабильного постоянного тока — термоэлектрический — был разработан в 1823 г. благодаря трудам немецкого физика эстонского происхождения Т. Зеебека (1770- 1831) ифранцузского ученогоЖ. Пельтье (1785-1845). Перезаряжаемую свинцово-кислотную батарею (аккумулятор) молодой французский физик Г. Плантэ (1834-1889) предложил только в 1859 г. Возможности открытого Вольта способа электроснабжения быстро оценили. В Англии ученые-практики начали на его основе исследовать электролиз воды, изучать химическое действие тока. Новый источник побудил в 1801 г. профессора физики и математики Санкт-Петербургской медико-хирургической академии В. В. Петрова (1761-1834) проделатьфизико-химические опыты с мощной гальванической батареей. Под его руководством изготовили «вольтов столб», состоящий из 2100 элементов тока и обеспечивающий напряжение около 2000 В. С таким устройством в мае 1802 г. Петров получал «электрический огонь», которым зажигал свечи, бумагу, горючие жидкости. Впоследствии много раздемонстрируемое им явление электрического разряда «толщиною с палец», возникавшее между двумя «угольями», получило наименование «дуги Петрова». Термин «вольтова дуга», не зная об опытах Петрова, ввел в обращение английский физик Г. Дэви (1778-1829), через шесть лет проведший аналогичные эксперименты. Сам Петров прикладное значение изученного явления видел в применении его для нужд электроосвещения. По прошествии десятилетий в начале 1900-х годов на основе этого открытия начали создавать высокочастотные дуговые генераторы для радиопередающих устройств [3].
1820
В феврале 1820 г. в одной из лабораторий Копенгагенского университета (Дания) профессор физики Г. Х. Эрстед (1777- 1851) показывал студентам эффект нагрева проволоки, замыкающей «вольтов столб». Один из студентов обратил внимание преподавателя на легкие колебания стрелки случайно лежащего неподалеку компаса в моменты присоединений и отключений проволоки от источника тока. Далее, проводя эксперименты, Эрстед убедился, что стрелка компаса поворачивается на больший угол, если возрастает ток в проводе, подключенном к более мощной гальванической батарее. Публично свое открытие Эрстед продемонстрировал 21 июля 1820 г. Одновременно он утверждал, что вокруг проводника с током есть «круговое магнитное вращение». Известие о сенсационных опытах Эрстеда во Францию доставил член Парижской Академии наук Д. Ф. Араго (1786-1853). На собрании ученых в Академии 4 сентября 1820 г. Араго сделал об этом устное сообщение, а через неделю показал эффект Эрстеда и собственное доказательство наличия электромагнетизма вокруг пропускающего ток провода — притяжение железных опилок к электрическому соединителю. На заседаниях присутствовал сумевший путем самообразования продвинуться в теоретическом изучении физики и химии академик А. М. Ампер (1775-1836). В понедельник 18 сентября 1820 г. на очередном заседании Академии Ампер сделал важное заявление о возможном влиянии друг на друга находящихся под током проводников — притяжении и отталкивании их. Через неделю 25 сентября на следующем заседании Ампер демонстрировал уже практический опыт взаимодействия двух спиралей проводов, питающихся током от разных «вольтовых столбов». По разработаннойметодике до конца 1820 г. собирающимся на заседания академикам Ампер сумел показать еще несколько конфигураций из проводов, воздействующих друг на друга при соединении их с источниками тока. Тогда же Ампер сформулировал базовое положение: «два параллельных проводника притягиваются друг к другу, если протекающие в них токи следуют в одном направлении и, наоборот, отталкиваются при встречном протекании токов». За исполненные теоретические и лабораторные работы потомки возвели Ампера в сан «основоположника (отца) электродинамики».Ампер ввел в обращение понятие «силы тока», «электродвижущей силы». В его честь единицу измерения силы тока назвали «Ампером». Она входит в число семи основных единиц (килограмм, метр, секунда, Ампер, Кельвин, кандела, моль) современной «Международной системы единиц (СИ)». Ампер высказывал идею передачи по электрическим цепям на небольшие расстояния каких-нибудь сообщений путем использования совокупности из медных спиралей и стрелочных индикаторов. Он также предположил, что помещенная в поле постоянного магнита проволока с пропущенным по ней током должна бесконечно поворачиваться вокруг собственной длинной оси. Он пробовал проводить эксперименты по наблюдению тока в проволочной катушке при вдвигании в нее магнитопровода. Однако не заметил отклонений у подключенного к ней стрелочного прибора.
1830
Великий английский физик М. Фарадей (1791-1867) с двенадцати лет начал трудиться переплетчиком и помощником в книжной лавке. Здесь он на протяжении 10 лет самостоятельно изучал физику и химию. В дальнейшем ему повезло: он стал работать лаборантом у именитого профессора Лондонского королевского института сэра Г. Дэви (1778-1829, с 1820 г. — президент Лондонского королевского общества, в то время аналога Императорской Академии наук). Совместно с учителем Фарадей повторил опыты Эрстеда и Ампера. Летом 1821 г. Фарадей уже сам наблюдал в чаше с ртутью конусообразное вращение вертикального проводника под током над стоящим также вертикально магнитом (рис. 5,а). В другом случае у него вращался магнит вокруг жестко закрепленного провода (рис. 5,б).
Рис. 5
В понедельник 29 августа 1831 г. Фарадей с ассистентом собрали электрическую цепь, состоящую из двух отдельных одинаково намотанных изолированным проводом катушек, помещенных на железное кольцо диаметром 15 см, толщиной 2,2 см. Когда подключили одну из обмоток к батарее питания, то заметили отклонение стрелки индикатора, подсоединенного к выводам другой катушки. При отключении питания стрелка гальванометра качнулась в обратную сторону. 17 октября того же года[1] Фарадей наблюдал прямые и обратные отклонения стрелки прибора при быстром введении внутрь и выведении магнита из одиночной катушки, намотанной медным проводом на цилиндрическом каркасе. Из этого он сделал вывод, что электрический ток возникает лишь при перемещении магнита внутри катушки. 28 октября между полюсами U-образного магнита установил медный диск, с которого при его вращении в магнитном поле снимал электрический ток (рис. 6). Фарадей стал именовать открытие как «явление электромагнитной индукции (ЯЭМИ)».
Рис. 6
В США на роль соавтора в открытии ЯЭМИ прочат физика и математика Дж. Генри, который в 1820-е годы также много занимался электромагнетизмом. В частности, он усовершенствовал изобретенный в 1825 г. английским инженером В. Стерженом (1783-1850) подковообразный электромагнит (ЭМ), способный удерживать груз (3 кг), превышающий собственный вес. Созданный Генри в 1831 г. ЭМ удерживал почти тонну (935 кг) при собственной массе в 27 кг. Используя возможности ЭМ по притяжению к себе и отталкиванию металлических предметов, он разработал конструкцию первого электродвигателя с возвратнопоступательными качающимися движениями с частотой около 75 с -1 . Он выдвинул проект телеграфной передачи сообщений по проводам и реализовал его в лабораторных условиях: через протянутые на стенах помещения провода (несколько сотен метров) он соединял ЭМ с источником постоянного тока, ЭМ притягивал небольшой постоянный магнит, ударявший, в свою очередь, по чашке звонка. В 1830-х — 1840-х гг. он консультировал профессора начертательных искусств и изобретателя электрических отправлений в виде точек и тире по проводам американца С. Морзе (1791-1872), содействовал ему в развитии инфраструктуры телеграфа в США. Установлено, что ЯЭМИ открыто Генри в июне 1832 г. [4]. Он провел практический опыт демонстрации ЯЭМИ на примере двух изготовленных из проволоки катушек, разнесенных на расстояние 10 м (рис. 7). Ему же приписывают открытие в том же 1832 г. явления самоиндукции. В 1868 г. Генри избрали президентом американской Национальной Академии наук.
Рис. 7
Ирландский священник, ученый и изобретатель Н. Каллан (1799- 1864), изучив работы Фарадея, Генри и Стержена, выступил с идеей передачи энергии беспроводным путем. Для ее реализации он предложил на общий металлический (железный) магнитопровод поместить обмотки, намотанные медным проводом: первичную — из толстого провода с малым числом витков, отдельно от нее вторичную — из тонкого провода с большим числом витков. Первичную обмотку он соединил с батареей, состоящей из большого числа элементов Вольта. В моменты подключения/отключения батареи он индицировал передачу энергии стрелочным прибором, «на искру», а также путем физиологического «ощущения» ее своими руками и обучаемых студентов. Внешний вид такой установки с тремя катушками представлен на рис. 8.
Рис. 8.
В России исследованиями ЯЭМИ с 1831 г. по 1836 г. занимался физик и географ Э. Х. Ленц (1804-1865), которому были знакомы работы Фарадея. Ленц известен как автор закона, определяющего направление наведенного тока в проводнике при перемещении его в поле магнита. Меньше обращают внимание на более важное научное достижение Ленца — гениальную формулу расчета ЭДС самоиндукции, определяемой скоростью изменения тока, протекающего в катушке индуктивности с известными параметрами: E=-L?di/dt. В XIX веке формула Ленца послужила основой для изобретения большого числа устройств, генерирующих искровые разряды. Среди них, например,-высоковольтная катушка (1851) немецкого электромеханика Г. Румкорфа (1803-1877), система электрического поджига топлива в автомобиле (1884) германского механика Н. А. Отто (1832-1891), высокочастотные трансформаторы без магнитопровода (1891) сербского электроинженера Н. Тесла (1856-1943) и др.
1832
- Карцев В. Приключения великих уравнений. — М.: Знание, 1986.
- Ольшанский В. Алессандро Вольта и Луиджи Гальвани: неоконченный спор. — Наука и жизнь, 2004, № 12.
- Пестриков В. От электрической дуги Петрова — к радиопередаче речи.
- Шнейберг Я. Великий физик Америки
Статья опубликована в журнале «Радио» № 11 2008 г.
Перепечатывается с разрешения автора.
Статья помещена в музей 19.12.2008
Планетарная модель атома, закон Кулона
Основной характеристикой электромагнитного взаимодействия является электрический заряд. Электрический заряд q — это физическая величина, количественно характеризует электромагнитное взаимодействие.
Первое предположение о строении атома было представлено Дж. Томсоном. Этот ученый длительное время занимался изучением атомов. Более того, именно ему принадлежит открытие электрона — за что он и получил Нобелевскую премию. Модель, что предложил Томсон, не имела ничего общего с действительностью, однако послужила достаточно сильным стимулом в изучении строения атома Резерфордом. Модель, предложенная Томсоном, называлась «пудингом с изюмом».
Бывают частицы без электрического заряда, но не существует электрического заряда без частицы. В 1911 г. была создана планетарная модель атома. Ее автор — английский физик Эрнест Резерфорд — показал, что в центре атома расположено ядро, вокруг которого вращаются электроны.
Дальнейшие исследования показали, что атомное ядро состоит из положительно заряженных протонов и электронейтральных нейтронов. Электрический заряд протона по величине равен заряду электрона, но противоположный ему по знаку. В целом атом электронейтральный, поскольку количество протонов в ядре равно числу электронов в атоме. Количество протонов в ядре определяет химические свойства атома и его место в периодической системе химических элементов.
Электрический заряд дискретный: существует элементарный электрический заряд, равный по абсолютной величине заряда электрона е = 1,6 · 10 -19 Кл.
Единица электрического заряда — кулон, 1 кл.
Четкое определение единицы электрического заряда будет установлено позже. Сейчас отметим, что числовое значение электрического заряда 1 Кл равна сумме зарядов 6,25 · 10 18 электронов.
Наличие электрического заряда q в макротелах объясняется неравномерным перераспределением положительных и отрицательных дискретных элементарных зарядов. Электрический заряд q = ne, где n — количество элементарных нескомпенсированная электрических зарядов.
Как известно, одноименно заряженные тела отталкиваются, разноименно заряженные — притягиваются. Наэлектризовать тело можно трением или прикосновением к электрически заряженного тела.
Явление неравномерного перераспределения положительных и отрицательных электрических зарядов в макротелах называется электризацией (электростатической индукции).
Существуют и другие способы электризации тел. Например, металл можно сделать положительно заряженным, если его осветить соответствующим световым потоком. В результате взаимодействия света с металлом происходит вырывание электронов с поверхности металла. Теряя электроны, металл становится положительно заряженным. Но в любом способе электризации тел электрические заряды не возникают и не исчезают, а лишь перераспределяются между всеми телами, которые принимают участие в том или этом процессе. Это утверждение называют законом сохранения электрического заряда. Математически он формулируется так.
Алгебраическая сумма электрических зарядов тел, образующих замкнутую систему при любых взаимодействий, остается постоянной:
Формулировка закона Кулона
В электростатике, как и в любом разделе физики, используют определенные модели. Одной из моделей электростатики является точечный электрический заряд.
Закон Кулона: cила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
Эту силу называют кулоновской.
Закон Кулона в данной формулировке справедлив только для точечных заряженных тел, т.к. только для них понятие расстояния между зарядами имеет определенный смысл. Точечных заряженных тел в природе нет. Но если расстояние между телами во много раз больше их размеров, то ни форма, ни размеры заряженных тел существенно, как показывает опыт, не влияют на взаимодействие между ними. В этом случае тела можно рассматривать как точечные.
Точечные электрические заряды — это заряженные тела, размеры которых малы по сравнению с расстоянием между ними.
Иногда для упрощения используют только термин «заряд». Стоит помнить, что этим термином могут называть как точечное электрически заряженное тело, так и значение электрического заряда на нем.
Количественно взаимодействие точечных электрических зарядов описывает закон, экспериментально установленный Шарлем Кулоном в 1785
Закон Кулона формулируется так: сила взаимодействия F двух точечных зарядов q 1 и q 2 прямо пропорциональна произведению абсолютных величин их зарядов, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними, направлена вдоль прямой, соединяющей заряды, и соответствует притяжению для разноименных зарядов и отталкиванию — для одноименных.
Относительная диэлектрическая проницаемость среды ε показывает, во сколько раз сила взаимодействия электрических зарядов в этой среде меньше, чем в вакууме. Ее числовое значение для многих веществ определено опытным путем и занесены в таблицы. Итак, для вакуума ε = 1.
Установлено, что два точечных заряда по 1 Кл на расстоянии 1 м друг от друга в вакууме взаимодействуют с силой 9 · 10 9 Н. Из закона Кулона можно определить электрическую постоянную:
В физике, как вы знаете, нужно учитывать пределы выполнения законов. Правильность закона Кулона подтверждено многочисленными проверками. Подтверждено, что он действует между заряженными частицами, расстояние между которыми может составлять от 10 -15 м до десятков километров.