Физика 8 класс Учебник Шахмаев Бунчук

Н. М. Шахмаев, А. В. Бунчук ФИЗИКА т ■ ■■ ^ '-^1 'V O ^ ^ :> --’ ■^J-. .. :.'^>.r ■■ .':--v- !' '-••■ ‘ ir ' 7'^^-'. i . iiir " Н. М. ШАХМАЕВ, А. В. БУНЧУК if Ш Ш класс УЧЕБНИК для общеобразовательных учреждений Допущено Министерством образования и науки Российской Федерации Москва 2007 УДК 373.167.1:53 ББК 22.3я721 Ш31 Шахмаев Н. М. Ш31 Физика. 8 класс : учеб, для общеобразоват. учреждений / Н. М. Шахмаев, А. В. Бунчук. — М. : Мнемозина, 2007. — 240 с. : ил. ISBN 5-346-00698-2 Учебник написан в соответствии с авторской программой академика Н. М. Шахмаева и предназначен для изучения школьниками электрических, магнитных и электромагнитных явлений, состава атомных ядер. Дополнительный материал, отмеченный звездочкой (*), восьмиклассники могут использовать для расширения знаний, а учителя — для внеклассных занятий. В рубрике «Это интересно* учащиеся найдут сведения исторического характера и описание различных технических устройств. Приложения включают информацию о простейших физических измерениях и инструкции по проведению лабораторных работ. УДК 373.167.1:53 ББК 22.3я721 Учебное издание Шахмаев Николай Михайлович Бунчук Алексей Васильевич ФИЗИКА 8 класс УЧЕБНИК ДЛЯ общеобразовательных учреждений Генеральный директор издательства М. И. Безвиконная Главный редактор К. И. Куровский Редактор В. А. Обменина. Художник Э. В. Ленчевская Оформление и художественное редактирование: Т. С. Богданова Технический редактор Г. 3. Кузнецова. Корректоры Л. А. Буданцева, А. П. Пенская Компьютерная верстка: А. А. Горкин Санитарно-эпидемиологическое заключение № 77.99.02.953.Д.000389.01.06 от 25.01.06. Формат 70x90 '/le- Бумага офсетная № 1. Гарнитура «Школьная». Печать офсетная. Уел. печ. л. 17,55. Тираж 5000 экз. Заказ №4659 ИОЦ «Мнемозина*. 105043, Москва, ул. 6-я Парковая, 29 6. Тел.: (495) 367-54-18, 367-56-27, 367-67-81; факс: (495) 165-92-18. E-mail: [email protected] Торговый дом «Мнемозина*. Тел./факс: (495) 783-82-84, 783-82-85, 783-82-86. E-mail: tid(5>mnemozina.ru Отпечатано в ОАО «ИПК “Ульяновский Дом печати”*. 432980, г. Ульяновск, ул. Гончарова, 14. ISBN 5-.346-00698-2 «Мнемозина*, 2007 Оформление. «Мнемозина*, 2007 Все права защищены Предисловие Электромагнитные явления, окружающие нас в повседневной жизни, мы коротко называем электричество. Электричество прочно вошло в нашу жизнь вместе с розетками на стенах квартир, электроприборами, компьютерами и мобильными телефонами. Кроме того, электромагнитные явления постоянно происходят в окружающей нас природе и даже в нас самих. Вся жизнедеятельность человеческого организма, организмов животных и растений основана на электромагнитных явлениях. Научные представления о природе электричества стали появляться только в начале XVIII века, а к концу XIX века после значительных научных открытий многочисленные практические применения электромагнитных явлений буквально преобразили жизнь людей на Земле. Задумывались ли вы над вопросом, что такое электричество? Если и задумывались, то ответа не находили. И это неслучайно: электрические явления весьма сложно наблюдать, и для их изучения необходима предварительная подготовка. После знакомства со световыми, звуковыми и тепловыми явлениями вы такую подготовку получили и теперь можете приступить к изучению электрических явлений, а также явлений, происходящих внутри атомов. Эти явления очень интересны, и знаниями о них должен обладать каждый современный человек. Для того чтобы ваши занятия были успешными, необходимо: ♦ внимательно наблюдать опыты, которые вам показывает учитель, и вдумываться в его объяснения; ♦ если что-либо в объяснении вы не поймете, обязательно задайте вопрос; народная пословица гласит: «Кто много спрашивает — тот много знает»; ♦ некоторые опыты вы сможете повторить дома; не отказывайте себе в этом удовольствии; ♦ для того чтобы закрепить знания, полученные на уроке, прочитайте соответствующий материал в учебнике и ответьте на вопросы, поставленные в конце каждого параграфа. В добрый час! ГЛАВА Ш. Ш: Электрические заряды. Электрическое поле Мы, не задумываясь, поворачиваем выключатель, и комнату заливают потоки света; для нас нет ничего проще, как набрать телефонный номер и поговорить с собеседником на другом конце страны; включив радиоприемник, телевизор или компьютер, мы слышим музыку, видим телерепортажи и получаем информацию со всего мира. Мы пользуемся электричеством повседневно, но для многих оно все еще окружено не меньшей таинственностью, чем для древних греков. Впрочем, оснований для удивления у нас гораздо больше: то, что звук и свет, тепло и холод, изображения на экранах и движения механизмов могут быть созданы с помощью одного и того же средства — электричества, действительно, кажется почти невероятным. Связать все эти на первый взгляд не имеющие ничего общего явления можно только с помощью теории, которая не только объясняет их, но и позволяет управлять этими явлениями, а также предсказывать их. § 1. Электризация тел Электрические явления были известны в глубокой древности. Есть сведения о том, что их обнаружил древнегреческий философ Фалес Милетский (624—547 гг. до н. э.). Он установил, что янтарь, потертый о мех, притягивает к себе легкие предметы. Само слово «электричество» происходит от греческого слова elehtron — янтарь. Значительно позже было установлено, что аналогичной способностью обладают не только натертый янтарь, но и алмаз, стекло и некоторые другие материалы. Научные исследования электрических явлений начались только в XVIII веке. Электризация тел. Поднесем поочередно к легкому предмету, подвешенному на нити, пластмассовую палочку и сухой мех. Предмет останется неподвижным. Потерев палочку о мех, вновь поднесем их к предмету. Мы заметим, что теперь предмет притягивается и к палочке (рис. 1, а), и к меху (рис. 1, б). Мы можем взять палочку из другого материала (стекла, эбонита', дерева, пенопласта), а также заменить мех куском бумаги, резины. Эбонит — твердый материал, получаемый из каучука путем добавления серы. шелка или полиэтилена. Результат всегда будет тем же: после трения друг о друга оба тела — и палочка, и второй предмет — приобретают новое для них свойство притягивать легкие тела. Тело, которое после натирания приобретает свойство притягивать к себе другие тела, называют наэлектризованным или имеющим электрический заряд. Процесс сообщения телу электрического заряда называют электризацией. Если вы потрете надутый воздушный шарик о нейлоновую материю, то он может прилепиться к стене или к потолку. Зеркала и стекла, протертые сухой тканью, притягивают пыль. Поднеся ладонь к экрану работающего телевизора, вы можете услышать потрескивание. Такое же потрескивание вы услышите (а в темноте даже увидите искры), когда снимаете через голову одежду. При этом ваши волосы могут вздыбиться (рис. 2). С этих бытовых явлений мы и начнем изучение электричества. Свойства наэлектризованных тел. Наэлектризованные тела притягивают все предметы, а не только легкие. Чтобы убедиться в этом, укрепим на острие тяжелую водопроводную трубу. (Посредине этой трубы просверлено несквозное отверстие для острия.) Поднеся к трубе наэлектризованную палочку, увидим, что труба медленно поворачивается к палочке (рис. 3). Наэлектризованная палочка притягивает не только твердые тела, но и жидкости. Это можно заметить по искривлению струйки воды, к которой поднесена палочка (рис. 4). Наэлектризованные тела притягивают и газы. Зажжем свечу или газовую горелку. Поднеся к пламени наэлектризованную палочку, заметим, что оно отклоняется (рис. 5). Рассмотрим свойства заряженных тел более подробно. Возьмем две одинаковые палочки (обе — пластмассовые, деревянные, эбонитовые и т. п.) и посредине одной из них просверлим С Рис. 1 Рис. 2 Рис. 3 Рис. 4 Рис. 5 глубокое, но не сквозное отверстие. Потерев эту палочку о мех, установим ее на острие. Потрем о мех вторую такую же палочку и поднесем ее к первой. Мы заметим, что палочка, установленная на острие, отталкивается от той, которую мы держим в руке (рис. 6). Поскольку палочки одинаковые и наэлектризованы об один и тот же мех, этот и подобные ему опыты заставляют предположить, что на палочках были заряды одного вида. В данном случае результат опыта можно сформулировать так: тела, имеющие заряды одного вида, отталкиваются друг от друга. Возникает вопрос, одинаков ли вид заряда, приобретаемого палочками и мехом путем трения? Для получения ответа приблизим кусочек меха к наэлектризованной им палочке, укрепленной на острие. Мы увидим, что палочка притягивается к меху (рис. 7, а). Если поднести наэлектризованную палочку к подвешенному на нити кусочку меха, то мех притянется Рис. 6 Рис. 7 + Шелк Стекло Эбонит Мех Рис. 8 Рис. 9 К палочке (рис. 7, б). Значит, заряды, образовавшиеся на палочке и на кусочке меха, разных видов. Этот и подобные ему опыты позволяют предположить, что существуют два различных вида электрических зарядов и сделать вывод о том, что тела, имеющие заряды разного вида, притягиваются друг к другу. Электрический заряд наэлектризованной стеклянной палочки, потертой о шелк, назвали положительным, а заряд янтарной или эбонитовой палочки, потертой о мех, — отрицательным, т. е. приписали зарядам знаки «+» и «-» (рис. 8). Заряды одного знака (оба положительные или оба отрицательные) называют одноименными, а заряды разных знаков — разноименными. С учетом этого два правила взаимодействия заряженных тел можно объединить в одно: одноименно заряженные тела отталкиваются, а разноименно заряженные — притягиваются. Наэлектризовать тело можно не только трением, но и с помощью соприкосновения его с другим, предварительно наэлектризованным телом. Так, гильза из фольги, подвешенная на шелковой нити, после соприкосновения с заряженной палочкой начинает отталкиваться от последней (рис. 9). Логично предположить, что при соприкосновении часть электрического заряда палочки перешла на гильзу и перешедший на гильзу заряд принадлежит к тому же виду, что и заряд на палочке, чем и объясняется отталкивание. К настоящему времени не было зафиксировано ни одного опыта или явления, для объяснения которых гипотезы о существовании двух видов Кулон Шарль (1736-1806) зарядов было бы недостаточно, и нужно было бы думать о существовании зарядов еще каких-то видов. Отсюда следует вывод о том, что в природе существуют только два вида электрических зарядов. Чтобы продвинуться дальше в изучении электрических явлений, необходимо ввести физическую величину, позволяющую количественно охарактеризовать электризацию тела. Эту величину называют электрическим зарядом и обозначают буквой q. Считается, что любое наэлектризованное тело имеет отличный от нуля заряд, а тело, не имеющее электрического заряда, называют электрически нейтральным или незаряженным. Таким образом, словосочетание «электрический заряд» имеет двоякое значение. Им обозначают как свойство натертого тела притягивать к себе другие тела, так и физическую величину, количественно характеризующую это свойство. Единица электрического заряда в Международной системе единиц (СИ) называется кулоном (обозначается: Кл) в честь французского физика и инженера Шарля Кулона, который установил закон взаимодействия электрических зарядов. С ее определением вы познакомитесь позже. Отметим, однако, что 1 Кл — очень большой заряд. Заряды, возникающие на телах в результате трения, обычно в миллионы и даже миллиарды раз меньше кулона. ЭТО ИНТЕРЕСНО! • Первым предположение о существовании двух видов электричества на основании опытов высказал в 1733 году член Парижской академии наук Шарль Дюфе (1698—1739). Он также установил, что тела, заряженные одноименно, отталкиваются, а разноименно — притягиваются, и впервые высказал мысль об электрической природе молнии. • Многочисленными опытами установлено, что все тела можно расположить в определенной последовательности в зависимости от того, заряд какого знака появляется на них в результате трения друг о друга. Вот одна из таких последовательностей: мех кролика — оргстекло — стекло — шелк — кожа человека — алюминий — хлопок — дерево — янтарь — медь и латунь — эбонит — пенопласт — резина — полиэтилен. В результате трения двух тел из этой последовательности положительный заряд приобретет то тело, которое стоит левее. Например, кусок оргстекла, потертый о резину, всегда получает положительный заряд, а резина — отрицательный. Проверьте себя 1. При соприкосновении пластмассовой палочки и меха электризуется только палочка или палочка и мех? 2. Возьмите любой пластмассовый предмет и сухую газету и проделайте опыты, описанные в этом параграфе. 3. Повторите дома опыт с притяжением струи воды к наэлектризованному телу. ^ 4. Назовите известные вам свойства наэлектризованных тел. 5. Почему считается, что в природе существуют только два вида электрических зарядов? 6. Бумажные шарики, подвешенные на нитях, заряжены (рис. 10). Каковы знаки их зарядов? 7. Почему при расчесывании сухих волос они прилипают к пластмассовой расческе? 8. Кусочек дерева потерли о резину. Какие по знаку заряды появились на дереве и резине? Какие заряды получат потертые друг о друга стекло и кожа человека? янтарь и резина? 4^9. Телом из какого вещества нужно потереть стеклянную (эбонитовую) палочку, чтобы она зарядилась положительно? отрицательно? Рис. 10 § 2. Проводники и непроводники электричества Проводники электричества. Поставим на стол два металлических шара, укрепленных на пластмассовых штативах. Около левого шара на подставке укрепим легкую бумажную полоску. Коснемся правого шара наэлектризованной палочкой. Это никак не повлияет на бумажную полоску (рис. 11, а). Соединим шары металлической проволокой и повторим опыт. Как только мы коснемся наэлектризованной палочкой правого шара, бумажная полоска притянется к левому шару (рис. 11, б). Опыт свидетельствует о том, что левый шар получил заряд от правого. Таким образом, металлическая проволока проводит электрические заряды. Вещества, проводящие электрические заряды, называют проводниками. Проводниками электричества являются: металлы, растворы солей и кислот в воде, сырая древесина, почва, графит, тело человека, мокрая одежда и др. f Рис. 11 Непроводники электричества. Соединим шары леской и повторим опыт. Бумажная полоска около левого шара остается неподвижной. Следовательно, леска не проводит электрические заряды. Вещества, не проводящие электрические заряды, называются диэлектриками. Диэлектриками являются почти все пластмассы, стекло, резина, каучук, воздух, многие керамики, химически чистая вода и др. Детали и тела, изготовленные из диэлектриков, называют изоляторами. Изолятор — любое тело, не пропускающее через себя электрические заряды. 10 Особенности электризации проводников и изоляторов. Электрические заряды по изоляторам перемещаться не могут. Это означает, что заряды, возникающие при трении или соприкосновении изоляторов, остаются в местах контакта, т. е. в месте своего возникновения. Можно, например, зарядить одну часть стеклянной палочки положительно, а другую — отрицательно. Заряды же, возникающие при электризации проводников, всегда распределяются по всей их поверхности. По этой причине трудно наэлектризовать трением о мех металлический стержень, держа стержень в руке, так как заряды, образующиеся на нем, переходят на тело человека, являющееся, как и стержень, проводником. Чтобы зарядить стержень, его надо держать за изолирующую ручку. Часто из-за трения электрические заряды образуются на нашей одежде, когда она выполнена из синтетического материала. В результате части одежды могут прилипать к телу или слипаться, между одеждой и телом человека иногда проскакивают искры, которые хорошо заметны в темноте. Для предотвращения этих явлений одежду покрывают антистатиком — жидкостью, проводящей электрические заряды. После этого заряды не скапливаются в отдельных местах, а уходят в землю по нашему телу, и неприятные эффекты исчезают. Из-за трения электрические заряды могут возникать при заливке бензобака автомашины через пластмассовую воронку. Ее лучше заменить металлической, держа которую мы даем возможность стекать образующимся зарядам по нашему телу и по корпусу автомашины. Большие электрические заряды скапливаются на шинах автомобилей при их длительном движении по асфальту. Из-за этого в воздухе могут проскакивать искры, что особенно опасно для бензовозов. Поэтому сзади цистерн прикрепляют металлическую цепь, волочащуюся по дороге за машиной. Иногда даже к корпусам легковых машин прикрепляют полоски специальной проводящей резины. Электроскоп. На отталкивании одноименно заряженных тел основано устройство электроскопов* — приборов для обнаружения электрических зарядов и определения их знаков. На рисунке 12 показан школьный электроскоп. На проводящем стержне 1 на оси 2 укреплена легкая металлическая стрелка 3. Стрелка защищена от посторонних влияний кожухом 4, передняя и задняя части которого прозрачны. Стержень хорошо изолирован от кожуха электроскопа пластмассовой пробкой 5, а к нижней части стержня прикреплена шкала. Если стержня электроскопа коснуться наэлектризованным телом, то стрелка и стержень получат одноименные заряды и стрелка оттолкнется * От электро и греческого слова skopeu — смотреть, обнаруживать. 11 Рис. 12 Рис. 13 ОТ стержня (рис. 13). По углу отклонения стрелки можно судить о заряде электроскопа: чем больше угол отклонения, тем больший заряд получили стержень и стрелка. С помощью электроскопа нетрудно установить важную особенность взаимодействия заряженных тел: с увеличением расстояния между телами это взаимодействие ослабевает. Чтобы убедиться в этом, достаточно к стержню предварительно заряженного электроскопа поднести заряженную палочку. Когда палочка находится далеко, стрелка электроскопа не реагирует на ее присутствие. При приближении палочки угол отклонения стрелки увеличивается. Проверьте себя 'J1. Какие вещества называются проводниками? \/ 2. Какие вещества называются диэлектриками? ч/З. Что такое изолятор? 4. В чем заключаются особенности электризации изоляторов? 5. Вы знаете два способа электризации тел. Какой из них можно использовать , при наличии двух проводников? двух изоляторов? изолятора и проводника? V 6. Как устроен электроскоп и для чего он применяется? 7. Учитель коснулся рукой стержня заряженного электроскопа, и стрелка электроскопа вернулась в первоначальное положение. Почему это про- V изошло? 8. Какая опасность для бензовоза может возникнуть при его длительном движении? Как ее предотвратить? 12 § 3. Свойства электрических зарядов Сложение электрических зарядов. Потрем эбонитовую палочку о мех, сообщив ей отрицательный заряд, и коснемся стержня электроскопа. Стрелка электроскопа отклонится на некоторый угол (рис. 14, а). Еще раз наэлектризуем палочку и вновь коснемся стержня электроскопа. Угол отклонения стрелки стал больше (рис. 14, б); это говорит о том, что заряды, сообщенные электроскопу, суммировались. Заряд тела можно и уменьшить. Возьмем два электроскопа, один из которых заряжен, а другой нет (рис. 15, а). Коснемся заряженного электроскопа металлическим шариком, укрепленным на изолирующей ручке (рис. 15, б). При этом часть заряда электроскопа может перейти на шарик. Для того чтобы убедиться, что часть заряда электроскопа действительно перешла на шарик, коснемся шариком незаряженного электроскопа — его стрелка немного отклонится (рис. 15, в). Покажем теперь, что разноименные заряды могут частично или полностью нейтрализовать друг друга, т. е. они складываются алгебраически. Рис. 14 Рис. 15 13 / 1 /\ ; \ Ч!11- li II ♦ ♦ \ \ ,iv f: jк:? с учетом знака. Для этого наэлектризуем две одинаковые металлические гильзы разноименными зарядами, сдвинем штативы и дадим возможность гильзам соприкоснуться (рис. 16, а). После соприкосновения притяжение между гильзами либо полностью исчезнет (рис. 16, б), либо гильзы оттолкнутся друг от друга (рис. 16, в). В первом случае (см. рис. 16, б) заряды гильз нейтрализовались. Естественно считать, что положительных и отрицательных зарядов на гильзах содержалось поровну, поэтому в результате соприкосновения произошла полная нейтрализация зарядов гильз. Во втором случае (см. рис. 16, в) абсолютные значения зарядов гильз были различны. При соприкосновении гильз произошла нейтрализация противоположных по знаку зарядов, а оставшийся заряд одного знака распределился между гильзами, в результате чего они оттолкнулись друг от друга. Из этих и подобных им опытов следует вывод: электрические заряды, сообщенные телу, складываются с учетом знака, и общий заряд тела равен алгебраической сумме электрических зарядов, находящихся в теле. Данный вывод можно сформулировать и иначе: заряд тела — это избыток находящихся в нем электрических зарядов одного знака. Делимость электрических зарядов. Тот факт, что заряд перераспределяется между телами, уже был продемонстрирован с помощью опыта (см. рис. 15), в котором заряд одного из электроскопов сначала частично передавался шарику (т. е. делился между электроскопом и шариком), а затем заряд шарика передавался второму электроскопу. При этом выполняется правило: при соприкосновении одинаковых проводников их суммарный заряд перераспределяется (делится) между ними поровну. Если же размеры проводников не равны, то в результате соприкосновения большая часть суммарного заряда всегда передается большему телу. 14 На этом правиле перераспределения зарядов основано так называемое заземление, металлических предметов — соединение этих предметов с землей с помощью проводов. Поскольку земной шар огромен, все заземляемые предметы теряют свои электрические заряды. На рисунке 17 показан опыт, в ходе которого наэлектризованный шар первого электроскопа соединяется с ненаэлектризованным шаром второго такого же электроскопа проводником, укрепленным в изолирующей ручке. Мы видим, что при этом показание первого электроскопа уменьшается, а второй электроскоп показывает наличие заряда. Когда стрелки приборов остановятся, окажется, что показания электроскопов одинаковы; заряд первого шара разделился пополам. Если соединяющий проводник убрать, то показания электроскопов не изменятся. Продолжим опыт. Разрядим второй шар, соединив его с землей или просто прикоснувшись к нему рукой. Снова соединим его с первым шаром, на котором осталась половина первоначального заряда. Опыт покажет, что эта половина заряда опять поделится на две равные части и на первом шаре останется четвертая часть первоначального заряда. Можно ли этот опыт продолжать сколь угодно долго, последовательно уменьшая и уменьшая заряд шара? Школьный электроскоп непригоден для ответа на этот вопрос, так как очень скоро оставшийся на нем заряд окажется столь малым, что стрелка электроскопа отклоняться не будет. Более точные и тщательные опыты позволили установить удивительный факт: электрический заряд любого тела нельзя уменьшать бесконечно, существует предел делимости заряда. Абсолютное значение наименьшего заряда обозначают буквой е и называют элементарным зарядом. Рис. 17 15 Опыты, о которых вы узнаете при дальнейшем изучении физики, позволили определить, что е = 1,6 • 10 Кл. * Элементарный заряд в миллиарды раз меньше тех, которые обычно получают электризацией тел трением. Однако значения и этих, и любых других зарядов тел независимо от их происхождения отличаются от элементарного заряда в целое число раз: q = ±пе, где л = 1, 2, 3, ... . ПРИМЕР РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ Заряд одного металлического шарика равен 7е, заряд другого такого же шарика равен -Не. Шарики привели в соприкосновение и раздвинули. Какой заряд будет у каждого из шариков после этого? Решение. Так как шарики являются проводниками, то после соприкосновения их можно рассматривать как одно тело с общим зарядом q = 7е + (-Не) = -4е. Шарики одинаковые, поэтому после их раздвигания этот заряд разделится между ними поровну Q и заряд каждого шарика станет равным — = -2е. Ответ-. -2е. Проверьте себя 1. Опишите опыты, с помощью которых можно продемонстрировать свой- ство электрических зарядов суммироваться, а также нейтрализовать друг друга. ^ 2. Как показать, что заряд тела можно уменьшить? 3. Как распределяются заряды между телами, если тела одинаковы? если одно тело больше другого? 4. Что происходит при заземлении заряженного тела? Для чего заземляют тела? 5. Можно ли уменьшать электрический заряд бесконечно? 6. Как называется абсолютное значение наименьшего заряда? 7. Может ли заряд тела не быть кратным элементарному заряду? 8. Заряд одного металлического шарика равен -9е, заряд другого такого же шарика равен -Не. Шарики привели в соприкосновение и раздвинули. Какой заряд будет у каждого из шариков после этого? § 4. Строение атома *Из чего состоит вещество? Что такое атом и как он устроен? Ответы на эти вопросы чрезвычайно важны и для физиков, и для химиков. Химикам понятие атома понадобилось раньше, чем физикам. Им надо было объяснить химические свойства веществ и в первую очередь установ- 16 ленные в опытах особенности протекания химических реакций с образованием новых веществ. Понятия «атом» и «молекула» были узаконены химиками в 1858 году. Согласно современным представлениям, атом — наименьшая частица вещества, не деляш,аяся в химических реакциях. Из атомов одного и того же вида состоят самые простые вещества — химические элементы. Различных элементов, а значит и различных атомов, в настоящее время известно более ста. Молекула — наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами. Молекулы состоят из одного или нескольких атомов. Если сложную молекулу разделить на составляющие атомы, она лишится своих химических свойств. Для физиков введенные химиками понятия не были обязательными. Их представления об атоме объясняли совсем другое: существование веществ в разных состояниях и формах, теплообмен между нагретыми и холодными участками тела, излучение света и, конечно, электрические явления. Неудивительно, что физики признали существование атомов и молекул на полвека позже химиков. Но признание атомов как таковых не решило всех проблем. Возникли новые вопросы: каково внутреннее строение атомов, где в них содержатся электрически заряженные частицы и что они собой представляют, какая частица атома обладает наименьшим из возможных зарядов — элементарным зарядом? Ответить на эти вопросы физикам помогли новые опытные данные*. Строение атомов. Тело может иметь или не иметь электрический заряд, но невозможно говорить об электрическом заряде в отсутствие тела. Первая частица, имеющая отрицательный элементарный заряд, была открыта в 1897 году английским физиком Джозефом Томсоном. Она получила название — электрон. Оказалось, что заряд электрона при любых условиях имеет одно и то же значение. В отличие от обычных тел электрон невозможно разрядить или зарядить. Было также установлено, что электроны входят в состав атомов. Однако атомы в обычном состоянии нейтральны, и, значит, в них должно входить еще «что-то», имеющее заряд, равный абсолютному значению суммарного заряда электронов. Первая, хотя и далекая от совершенства, но основанная на опытах модель атома была предложена анг- Томсон Джозеф лийским физиком Эрнестом Резерфордом в 1911 году. (1856—1940) 17 в центр своей модели атома Резерфорд поместил положительно заряженную частицу — ядро. Но сразу же возник вопрос: почему атомные электроны, притягиваясь к ядру, не падают на него? Если электроны неподвижны, такое падение неизбежно, и это означало бы прекращение атомом своего существования. Однако атомы продолжают «жить», и, значит, электроны должны двигаться. Но как? Сделать раззпчное предположение Резерфорду помогла аналогия с планетами Солнечной системы, которые, притягиваясь к Солнцу, не падают на него вследствие непрерьгеного движения по круговым орбитам (рис. 18). Допустив, что электроны обращаются вокруг ядра атома, Резерфорд создал модель атома, которую стали называть планетарной моделью. Самое простое ядро — у атома водорода. Оно состоит из одной частицы, которая называется протоном. Вокруг ядра атома водорода обращается единственный электрон. Положительный заряд протона должен быть равен абсолютному значению заряда электрона и противоположен ему по знаку: Яп = -д. = е = 1,6 ■ 10-1® Кл. Заряд протона, как и заряд электрона, нельзя ни увеличить, ни уменьшить. Планетарная модель атома водорода показана на рисунке 19. У атома водорода радиус электронной орбиты примерно в Ю 000 раз больше радиуса протона. Если мысленно увеличить протон до шарика диаметром 1 мм, то - ;Г ' " Пояс астероидой- - - ^ ^ ^ Плутонг > ^ ^ - Ох ^ / ; ) X -ч. ___________________- ^ . Рис. 18 18 X *ч , \ — Л N < / \ ''а- / \ t V у / ; лл ' ыА у / ; лл ; ч ^ \ ' \ •ч Ч б' ч ^ а б - " Рис. 19 Рис. 20 атом водорода возрастет'до размеров футбольного поля (100 м). Нетрудно понять, как велика часть атома, не занятая веществом. В то же время масса протона больше массы электрона примерно в 2000 раз. Таким образом, практически вся масса атома водорода сосредоточена в его ядре. Число протонов в ядре равно номеру N химического элемента в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева, поэтому положительный заряд q„ ядра любого атома можно представить в виде произведения номера N на элементарный заряд: 9я = В нейтральном атоме число обращающихся вокруг электронов также равно N. Планетарная модель (условная схема строения) атома лития представлена на рисунке 20, а, а атома бериллия — на рисунке 20, б. Эти атомы имеют соответственно три и четыре электрона, обращающихся вокруг ядра (см. также табл. 1). Таблица 1 Элемент Номер в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева Число протонов в ядре Число электронов в атоме Водород 1 1 1 Литий 3 3 3 Бериллий 4 4 4 Алюминий 13 Железо Медь 19 Проверьте себя *1. Почему понятия «атом» и «молекула» физики окончательно приняли только в начале XX века, т. е. на полвека позже химиков? 2. Какая частица обладает наименьшим отрицательным зарядом? наименьшим положительным зарядом? 3. Почему модель атома Резерфорда называется планетарной? 4. Какие частицы входят в состав атомов? 5. Опишите планетарные модели атомов водорода, лития, бериллия. 6. Пользуясь Периодической системой элементов Д. И. Менделеева, заполните пустые клетки в таблице 1. § 5. Модель свободных электронов. Закон сохранения электрического заряда Что такое ион? Число протонов в атомном ядре элемента изменить очень трудно, и если это сделать, то получится атом совсем другого элемента. Электроны же сравнительно легко могут быть отделены от атома. Особенно часто электроны отрываются от атомов металлов. Электроны, покинувшие атомы металла, очень подвижны. Они начинают хаотично блуждать среди других атомов, поэтому их называют свободными электронами. Атом, потерявший один электрон, приобретает элементарный положительный заряд, поскольку заряд одного из протонов его ядра оказывается нескомпенсированным. Такой атом называете^ положительным ионом. Заряд положительного иона может быть записан в виде q = пе, где п = 1, 2, 3, ... . Условные модели положительных ионов лития и бериллия показаны соответственно на рисунках 21, а и 21, б. В процессе блужданий свободные электроны могут присоединяться к положительным ионам, уменьшая их заряд (если атомом было потеряно несколько электронов) или превращая их в нейтральные атомы (если заряд иона был равен е). Электроны могут присоединиться и к нейтральным атомам, которые, получив за-^ ряд, становятся отрицатель- ными ионами. Заряд отрицательного иона равен q = -пе, где га = 1, 2, 3, ... . В металлах свободных электронов много — примерно по одному на каждый атом, т. е. все или почти все атомы металла представляют собой ионы. Однако образование ионов и 4- \ \ J б Рис. 21 20 свободных электронов в металле не приводит к его электризации. В целом металл остается нейтральным, поскольку электроны не покидают его границ, и общее число электронов все время равно общему числу протонов, содержащихся в атомных ядрах. В отличие от металлов в диэлектриках электроны прочно удерживаются атомами. Свободных электронов в них нет. Модель свободных электронов. Чем заряженное металлическое тело отличается от незаряженного? Что происходит при его электризации? Узнав о строении атома и о существовании в металлах массивных ионов и очень легких отрицательно заряженных свободных электронов, мы можем дать ответ на эти вопросы. Начнем с того, что никакие, даже самые чувствительные весы не позволяют обнаружить изменение массы тела, вызванное сообщением ему электрического заряда. Значит, изменение заряда тела можно объяснить только изменением числа находящихся в нем свободных электронов, масса которых почти в 2000 раз меньше массы протонов и, следовательно, заведомо меньше массы ионов. Мы приходим к выводу, что металлические тела могут приобретать заряд только за счет уменьшения или увеличения числа содержащихся в них свободных электронов. Можно также сказать, что общее число свободных электронов в отрицательно заряженном теле больше, а в положительно заряженном — соответственно меньше, чем число протонов. Предположение о существовании свободных электронов и их перемещениях стало первой научно обоснованной моделью электричества. Ниже мы убедимся, что с ее помощью удается объяснить результаты очень большого числа опытов. Закон сохранения заряда. Изменяется ли общий заряд тел при электризации? Проделаем следующий опыт. Возьмем две пластмассовые пластинки с длинными изолирующими ручками. Одна из пластинок оклеена мехом. Потрем пластинки друг о друга и внесем их в полый шар одного из электроскопов. Стрелка электроскопа стоит на нуле (рис. 22, а), значит, заряда у пластинок нет. Вынув одну пластинку из шара, мы заметим, что стрелка электроскопа отойдет от нулевого деления (рис. 22, б). Следовательно, у оставшейся пластинки электрический заряд есть. Внесем вынутую пластинку в полость шара, установленного на втором электроскопе. Стрелка второго электроскопа отойдет от нулевого деления на такой же угол (рис. 22, в). Соединим электроскопы проводником с изолирующей ручкой (держа проводник за ручку!). Стрелки обоих электроскопов вернутся к нулевому делению (рис. 22, г). Это означает, что заряды электроскопов равны по абсолютному значению, но имеют разные знаки. 21 . ...Я: t.i ад/^ц'ЗвдйЯЩ^; v.\4>^lk№®fc^-jV^>-!'.vr rfp;{':-r'i.;:l;vtf;;;-'i' ' ' /■'4^^'i№( ■* ' -л.- .'■ ■■■■^, ф ф: Рис. 22 Этот и другие опыты показывают, что в процессе электризации общий (суммарный) заряд тел сохраняется: если он был равен нулю до электризации, то таким он останется и после нее. Этому же правилу подчиняются и результаты опытов, в ходе которых происходит сложение и разделение зарядов. В случае соприкосновения проводников, ^'дe подобные электрические явления объясняются переходом свободных электронов с одного тела на другое, сохранение суммарного заряда тел есть не что иное, как сохранение числа электронов. Свойством сохранять заряд обладают не только проводники. Оно является фундаментальным законом природы: Сумма электрических зарядов тел, образующих замкнутую систему, всегда остается неизменной и не зависит от взаимного расположения и движения этих тел. Одно или несколько тел образуют замкнутую систему, если к ним не добавляются и из них не изымаются заряженные частицы. Закон сохранения заряда установлен экспериментально английским физиком Майклом Фарадеем в 1843 году. С тех пор отклонений или исключений из этого закона не обнаружено. Проверьте себя 1. Что такое ион? 2. Чем положительный ион газа отличается от молекулы газа? 22 *3. На рисунке 23, а, б приведены модели атома лития, воспроизведенные из учебников химии. Сравните их с моделью атома лития, приведенной на рисунке 20, а. Какая из моделей более «правильная», т. е. точнее изображает расположение электронов? Правомерно ли использовать упрощенные модели атомов? 4. Что можно сказать о соотношении числа электронов и протонов в отрицательно заряженном проводнике? в положительно заряженном проводнике? 5. Изменяется ли масса тела при его электризации? 6. В чем состоит закон сохранения электрического заряда? 7. С помощью какого опыта можно проиллюстрировать закон сохранения заряда? *§ 6. Способы электризации тел и их объяснение Посмотрим, как с помощью модели свободных электронов, а также закона сохранения зарядов можно объяснить явления, происходящие в опытах по электризации проводников. Электризация незаряженного проводника при соприкосновении с заряженным. Допустим, что один проводник не имеет заряда, т. е. общее число электронов в нем равно общему числу протонов, а второй — заряжен отрицательно и, следовательно, имеет больше электронов, чем протонов. При соприкосновении этих проводников часть избыточных электронов заряженного проводника переходит в незаряженный. В результате заряд второго тела уменьшается, а первое тело приобретает отрицательный заряд, равный общему заряду перешедших электронов. Пусть теперь заряд второго проводника положителен, т. е. в проводнике имеется меньше электронов, чем протонов. При соприкосновении с ним незаряженный проводник получит положительный заряд, однако и в этом случае электризация происходит из-за перехода свободных электронов, а не протонов. Свободные электроны из первого, незаряженного проводника переходят в положительно заряженный вследствие притяжения к его избыточным протонам. В итоге первое тело, потерявшее электроны, заряжается положительно, а во втором теле перешедшие электроны компенсируют часть его положительного заряда, уменьшая его общий заряд. 23 Рис. 24 Рис. 25 Нейтрализация зарядов проводящих тел при их заземлении также успешно объясняется с помощью модели свободных электронов. Если тело заряжено отрицательно, то все его избыточные электроны, отталкиваясь друг от друга, уходят в Землю вследствие ее огромных размеров. Если же заряд проводника положителен, свободные электроны Земли приходят в него, притягиваясь к протонам, заряд которых не скомпенсирован собственными электронами проводника. Электризация наведением зарядов. Кроме электризации путем контакта с заряженным телом, существует еще один способ электризации тел. Для его демонстрации поставим рядом два электроскопа, металлические шары которых соединим перемычкой — проводником с изолирующей ручкой (рис. 24). Поднося к одному из шаров заряженную палочку, можно заметить, что отклонение стрелок электроскопов начнется еще до того, как палочка коснется шара (рис. 25). Чем ближе поднесена палочка, тем сильнее будут отклоняться стрелки обоих электроскопов, обнаруживая наличие на шарах электрических зарядов. Поскольку изначально шары электроскопов не были заряжены, это должно означать, что свободные электроны в шарах под влиянием палочки переместились. Если палочка заряжена отрицательно, то можно предположить, что электроны по перемычке перешли на дальний от палочки шар, зарядив его отрицательно, а ближний шар из-за ухода электронов получил положительный заряд (рис. 26). Если же палочка заряжена положительно, то электроны, притянувшись к ней, могли по перемычке перейти на ближний шар и зарядить его отрицательно, а дальний шар при этом зарядился положительно. В любом случае в соответствии с законом сохранения заряда суммарный заряд шаров должен остаться равным нулю, поскольку палочка их не касалась. 24 Рис. 26 Рис. 27 Проверим наше предположение. Для этого, во-первых, можно удалить палочку от шаров и убедиться, что стрелки обоих электроскопов покажут отсутствие зарядов — электроны по перемычке вернулись в исходное состояние, и заряды шаров исчезли (т. е. мы вернулись к началу опыта, см. рис. 24). Снова поднесем палочку к одному из шаров (см. рис. 25). Если теперь, не отводя палочку, снять с шаров перемычку, то стрелки электроскопов останутся в отклоненных положениях (рис. 27). Теперь палочка не нужна, и ее можно убрать. Шары останутся заряженными разноименно, поскольку электроны не могут вернуться в исходное состояние из-за отсутствия перемычки. Соединив шары перемычкой, мы увидим, что стрелки электроскопов вернулись в первоначальное положение — суммарный заряд шаров в конечном состоянии действительно равен нулю. Рассмотренным способом можно наэлектризовать проводящие тела, не прикасаясь к ним заряженным телом. Этот способ электризации называется индукцией} электрических зарядов, а сами заряды называются индуцированными. Электризация трением. Общепринятой теории электризации твердых незаряженных тел, возникающей при их трении друг о друга, до сих пор не существует. Рассмотрим одну из гипотез, предложенную российским физиком М. И. Корнфельдом, но сначала расскажем о присутствующих в воздухе ионах, играющих в этой гипотезе весьма существенную роль. Известно, что небольшая часть атомов воздуха всегда ионизована. Например, положительные ионы образуются при столкновениях быстро движущихся атомов или молекул друг с другом, когда в результате соударения От латинского слова inductio — наведение, возбуждение. 25 Рис. 28 ОДИН или несколько атомных электронов «выбиваются» со своих орбит и становятся свободными.* воздухе встречаются и отрицательные ионы, которые возникают в случае присоединения нейтраль-■ ными атомами свободных электронов. Ионы обо- их знаков часто оседают на пылинках, имеющихся в воздухе, и тогда пылинки также становятся переносчиками зарядов. Ионы, присутствующие в воздухе, являются главной причиной постепенной нейтрализации заряженных тел. Такие тела притягивают к себе и ионы, и пылинки с зарядом противоположного знака, которые, постепенно оседая на поверхности тел, окружают их своеобразной «ионной шубой». В результате на открытом воздухе заряд любого тела за сутки спадает практически до нуля. Но если наэлектризованное тело поместить в небольшую герметичную камеру, то его заряд сохраняется в течение нескольких дней и даже недель. Вернемся к электризации трением и будем считать трущиеся твердые тела изоляторами. Согласно гипотезе Корнфельда,. часть атомов каждого изолятора являются ионами, в результате чего полный собственный заряд каждого изолятора не равен нулю. В воздухе этрт заряд не проявляет себя, поскольку нейтрализуется зарядом «ионной шубы», которой тело сразу же обрастает. При трении изоляторов друг о друга происходит обдирание «ионных шуб», и изоляторы вновь оказываются заряженными. Опыты, поставленные Корнфельдом для проверки выдвинутой гипотезы, подтвердили ее справедливость и показали, что при трении абсолютные значения зарядов, возникающих на трущихся телах, всегда одинаковы, а их знаки противоположны. Изложенная гипотеза объясняет и электризацию, возникающую при трении тел из одного и того же материала (деревянных, стеклянных, пластмассовых). Согласно Корнфельду, даже одинаковые изоляторы обладают разным собственным зарядом, а значит, различны и окружающие их «ионные шубы». При трении одинаковых изоляторов друг о друга обдирание и перемешивание их «ионных шуб» приводит к электризации обоих тел. Частичной потерей «ионных шуб» можно объяснить электризацию тел, возникающую при их соударениях. Например, железную гирю, висящую на шпагате, можно зарядить, два-три раза ударив по ней сложенной в трубку газетой (рис. 28). 26 Проверьте себя 1. Как с помощью модели свободных электронов объясняется электризация незаряженного проводника при его соприкосновении с проводником, заряженным отрицательно? положительно? 2. На рисунке 29 показан незаряженный металлический стержень, одного конца которого касается металлический шарик. Если к другому концу прикоснуться положительно заряженной палочкой, то шарик отклонится (см. рис. 29). Почему? 3. Как объясняется нейтрализация зарядов проводящих тел при их заземлении? 4. Как можно зарядить два одинаковых изолированных металлических шара одинаковыми по абсолютному значению и по знаку зарядами? одинаковыми по абсолютному значению и разными по знаку зарядами? 5. Электроскоп заряжается способом индукции с помощью положительно заряженной стеклянной палочки. Как при этом перемещаются свободные электроны в электроскопе? 6. Можно ли, пользуясь способом индукции, зарядить изолятор? 7. Каким образом образуются ионы в воздухе? 8. Почему находящиеся вокруг нас заряженные тела с течением времени всегда самопроизвольно разряжаются? 9. Как объясняется электризация тел трением? 10. На рисунке 30 показан самодельный «электрический маятник». Он состоит из двух 1,5-литровых пластиковых бутылок, обклеенных снаружи металлической фольгой. На горлышки бутылок положен карандаш, к которому на нитке подвешен легкий шарик из фольги. Если к одной из бутылок поднести, не касаясь ее, заряженную палочку, шарик начнет колебаться, поочередно касаясь бутылок. Когда колебания шарика прекратятся, их можно возобновить, удалив палочку от цилиндров. Сделайте такой маятник и объясните его действие. Рис. 29 Рис. 30 27 § 7. Устройства для накопления и получения электрических зарядов Конденсатор. Конденсаторами называют приборы, с помощью которых можно накапливать и сохранять электрические заряды. Это своеобразные копилки электрических зарядов. Простейший конденсатор состоит из двух одинаковых, близко расположенных проводящих пластин, разделенных слоем диэлектрика (рис. 31). Пластины конденсатора называют также его обкладками. Конденсатор заряжают, сообщая его обкладкам равные по абсолютному значению и противоположные по знаку заряды. После этого заряды самостоятельно удерживаются на обкладках за счет взаимного притяжения друг к другу. Способность конденсатора накапливать заряды характеризуют физической величиной, называемой электрической емкостью конденсатора. Чем больше емкость конденсатора, тем большие заряды он может накапливать на своих обкладках. На рисунке 32 изображен первый конденсатор — лейденская банка*. Это стеклянная банка 1, оклеенная металлической фольгой 2 изнутри и снаружи (рис. 33). Соединение с внутренней обкладкой производится металлическим стержнем 3, укрепленным внутри банки с помощью упругих металлических контактов 4. I I Рис. 31 Рис. 32 Рис. 33 * Это название связано с городом Лейденом, где конденсатор этого типа был впервые создан в 1716 году физиком П. Мушенбруком. 28 Парафинированная бумага Рис. 34 Рис. 35 Чтобы зарядить конденсатор, не обязательно наэлектризовывать каждую из его обкладок в отдельности. Достаточно сообщить заряд одной из них и кратковременно заземлить другую. На заземленной обкладке при этом образуется равный по абсолютному значению и противоположный по знаку индуцированный заряд. Разряжают конденсатор, соединив его обкладки проводником. Можно также подсоединить к обкладкам небольшую неоновую или люминесцентную электрическую лампу, которая вспыхнет при разрядке конденсатора. В зависимости от вида диэлектрика конденсаторы бывают воздушными, бумажными, керамическими, слюдяными и т. д. Например, в бумажных конденсаторах в качестве пластин используется алюминиевая фольга, а в качестве диэлектрика — тонкая бумага, пропитанная парафином. Две ленты фольги, проложенные бумагой, сворачивают в рулон и помещают в защитный корпус. На рисунке 34, а показан вынутый из корпуса и частично развернутый бумажный конденсатор, а на рисунке 34, б — его внешний вид. Конденсаторы широко используются в современной радиотехнике и электронике. Например, без конденсатора не обходится ни один фотоаппарат с лампой-вспышкой. Чтобы вспышка бьша короткой и яркой, через лампу надо очень быстро пропустить большой электрический заряд. Это можно сделать только с помощью конденсатора, обладающего большой электрической емкостью. О некоторых других применениях конденсаторов вы узнаете в § 40. Электрофорная' машина, изображенная на рисунке 35, служит для получения электрических зарядов. Она состоит из двух разделенных зазором пластмассовых дисков 2, которые приводятся во вращение в противоположные стороны с помощью ручки (она на рисунке не видна). В процессе ‘ От электро и греческого слова pharos — несущий. 29 вращения вследствие трения о воздух, находящийся в зазоре, диски электризуются, и возникающие противоположные по знаку заряды накапливаются в двух конденсаторах — лейденских банках 2 и передаются шаровым кондукторам (собирателям) 3. В результате на одном из кондукторов появляются положительные заряды, а на другом — отрицательные. Во время действия машины между кондукторами с треском проскакивают искры, что свидетельствует о том, что в конденсаторах были накоплены большие электрические заряды. Проверьте себя 1. Что такое конденсатор? 2. Что называют электрической емкостью конденсатора? 3. Как зарядить и разрядить конденсатор? 4. Для чего предназначена электрофорная машина? 5. Будет ли работать электрофорная машина без конденсаторов? § 8. Электрическое поле Передача действия заряженных тел. Вы уже знаете, что одноименно заряженные тела отталкиваются, а разноименно заряженные — притягиваются. Их взаимодействие происходит на расстоянии. При этом, чем ближе друг к другу находятся заряженные тела, тем взаимодействие между ними сильнее, а чем дальше — тем слабее. Как эти тела «узнают» об изменении расстояния между ними? Каким образом действие одного заряженного тела передается другому, изменяясь при изменении расстояния? При телефонной связи информация о далеких событиях передается по проводам, а для передачи звуковых сигналов обязательно нужна материальная среда (например, воздух, вода или земля). В иных случаях среда для передачи сигналов не обязательна. Например, свет от Солнца приходит к Земле через безвоздушное пространство. Может быть, передача действия одного заряженного тела другому осуществляется посредством воздуха? Проверим это предположение с помощью опыта. Поместим две небольшие одноименно заряженные гильзы, подвешенные на нитях, под колокол воздушного насоса (рис. 36) и выкачаем из-под него воздух. Мы увидим, что отсутствие воздуха никак не сказывается на взаимном отталкивании гильз. Каков же механизм передачи электрического взаимодействия? Ответ на этот вопрос дали английские ученые Майкл Фарадей и Джеймс Максвелл во второй половине XIX века. По их теории вокруг каждого заряженного тела существует электрическое поле. Электрическое поле, окружающее одно из заряженных тел, действует с некоторой силой на другое 30 Рис. 36 заряженное тело, помещенное в поле первого тела. И наоборот, электрическое поле второго тела действует на первое тело. Свойства электрического поля. Человек не видит электрическое поле, и о его существовании может судить только по его проявлениям. Сила, с которой поле действует на заряженное тело, называется электрической силой Рэл. Как показали многочисленные опыты, модуль электрической силы прямо пропорционален абсолютному значению заряда тела, на которое оно действует (Р,„ ~ |<7|). Из двух тел, находящихся в электрическом поле, большая сила действует на тело с большим зарядом (рис. 37). Чтобы обнаружить электрическое поле в той или иной точке пространства, нужно поместить в эту точку заряженное тело и проверить, действует ли на него электрическая сила. Если такая сила есть, то есть и электрическое поле. Когда мы подносили заряженную палочку к заряженной гильзе, то наблюдали притяжение или отталкивание гильзы. Тем самым мы обнаруживали электрическое поле палочки и его действие на гильзу. Но и гильза своим полем действовала на заряженную палочку. Электрическое поле действует и на незаряженные тела, точнее — на находящиеся внутри них заряженные частицы. Об этом свидетельствуют следующие опыты. Поместим на чисто вымытое и хорошо просушенное стекло металлический шарик, соединенный проводником с одним из кондукторов элект-рофорной машины. Насыплем на стекло мелко стриженные волосы. Зарядим шарик, приведя машину в действие, и слегка постучим карандашом по стеклу. Волосы расположатся так, как показано на рисунке 38, а. Видоизменим опыт и поместим на стекло два шарика, соединенных с кондуктором электрофорной машины. Зарядив шарики одноименно, увидим, что расположение волос изменилось (рис. 38, б). Еще раз видоизменим опыт: соединим шарики с разными кондукторами машины. Если теперь зарядить шарики разноименно, то те же волосы расположатся так, как показано на рисунке 38, в. Рис. 37 31 Рис. 38 Эти опыты подтверждают, что электрическое поле вокруг заряженных тел существует реально. В частности, поле, создаваемое заряженными шариками, действует на внесенные в него мелкие тела с определенной электрической силой. В результате этого действия тела выстраиваются в своеобразные картины — «автографы» полей. Энергия электрического поля. Невидимому и не ощущаемому человеком электрическому полю, введенному вначале лишь умозрительно для обоснования возможности передачи действия заряженных тел друг на друга, можно приписать еще одно свойство — свойство обладать энергией. Подвесим на нити маленький пластмассовый шарик и поместим его в электрическое поле, создаваемое заряженным металлическим диском (рис. 39). Пока шарик не имеет заряда, действие поля на него незаметно, и нить остается вертикальной. Сообщив шарику заряд, одноименный с зарядом диска, мы увидим, что нить с шариком отклонилась и шарик поднялся на высоту Л. Но каждое поднятое над Землей тело обладает потенциальной энергией. Откуда у шарика появилась эта энергия? Ответ на этот вопрос вытекает из всеобъемлющего закона сохранения энергии, открытого физиками в XIX веке: при взаимодействии тел энергия каждого тела может увеличиваться, уменьшаться или переходить из одной формы в другую, однако сумма энергий всех взаимодействующих тел всегда остается постоянной. Из этого закона следует, что если, например, увеличилась кинетическая энергия одного из взаимодействующих тел, то обязательно на столько же должна уменьшиться какая-либо другая энергия этих Рис. 39 тел, например, их потенциальная энергия. 32 Закон сохранения энергии выдержал столь многочисленные проверки и уточнения, что физики не сомневаются в его применимости к любым явлениям природы. В нашем опыте произошло увеличение потенциальной энергии заряженного шарика, переместившегося в электрическом поле диска. Работу при перемещении шарика совершило электрическое поле. Чтобы закон сохранения энергии не был нарушен, необходимо допустить, что электрическое поле обладает энергией и увеличение потенциальной энергии шарика произошло за счет такого же уменьшения энергии этого невидимого поля. Для проведения второго опыта воспользуемся заряженным конденсатором. Присоединим к конденсатору электрическую лампочку. Лампочка ярко вспыхнет, а конденсатор потеряет свой заряд, и поле между его пластинами исчезнет. В соответствии с законом сохранения энергии появление света и нагревание нити лампочки объясняется только тем, что электрическое поле обладает энергией, выделяющейся при исчезновении этого поля. Энергию электрического поля можно измерить. В СИ энергия выражается в джоулях. В дальнейшем мы еще не раз встретимся с понятием энергии электрического поля. ЭТО ИНТЕРЕСНО! Земной шар заряжен отрицательно. По абсолютному значению его электрический заряд равен примерно 300 тыс. Кл. Однако в целом наша планета нейтральна, поскольку заряд земного шара компенсируется таким же по абсолютному значению положительным зарядом, которым обладают слои ионизованного атмосферного воздуха, находящиеся над Землей (ионосфера). Электрическое поле земного шара было открыто в 1752 году французским физиком Л. Лемонье. Он запускал в ясную, безоблачную погоду воздушного змея, снабженного металлическими штырьками. От веревки змея проскакивала искра. Это означало, что змей заряжался в электрическом поле Земли. С удалением от поверхности электрическое поле земного шара продолжает существовать, только постепенно становится слабее. На высоте 10—20 км его действие уже еле заметно. Проверьте себя 1. Передается ли действие заряженных тел друг на друга в безвоздушном пространстве? 2. Чем отличается пространство, окружающее заряженное тело, от пространства, окружающего незаряженное тело? 3. Как можно обнаружить электрическое поле? 4. Электрическое поле заряженного шара действует на заряженную пылинку, находящуюся вблизи него. Действует ли поле пылинки на шар? 33 5. Поднимающиеся вверх пылинки при трении о воздух обычно заряжаются положительно. В каком направлении действуют на них силы со стороны электрического поля Земли? 6. Какими опытами можно подтвердить, что электрическое поле обладает энергией? САМОЕ ВАЖНОЕ В ГЛАВЕ 1 1. Существуют электрические заряды двух видов. Один из них называют положительным зарядом, другой — отрицательным. 2. При соприкосновении двух разнородных тел оба тела электризуются равными по абсолютному значению электрическими зарядами противоположного знака. 3. Тела, имеющие одноименные электрические заряды, отталкиваются друг от друга, а тела, имеющие разноименные электрические заряды, притягиваются друг к другу. 4. Наэлектризованные тела не взаимодействуют друг с другом непосредственно. Каждое из них создает вокруг себя электрическое поле, и это поле действует на другие наэлектризованные тела с некоторой силой, называемой электрической. 5. Электрический заряд делим. Существует предел делимости заряда. Наи- меньшим отрицательным зарядом обладает электрон, а наименьшим положительным — протон. Абсолютные значения зарядов протона и электрона равны. * 6. Атом (наименьшая химически неделимая частица вещества) состоит из положительно заряженного массивного ядра и обращающихся вокруг него электронов. В целом атом электрически нейтрален. 7. Заряд атомного ядра определяется числом входящих в него протонов, которое равно номеру химического элемента в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева. 8. Электроны, находящиеся в веществе и не связанные с атомами, называются свободными. В металлах свободных электронов очень много — примерно по одному на каждый атом. Этим и объясняется их хорошая проводимость. В диэлектриках все электроны связаны с атомами и перемещение зарядов отсутствует. 9. Наличие или отсутствие у тела электрического заряда объясняется уменьшением или увеличением числа содержащихся в нем электронов. 10. Во всех явлениях природы выполняется фундаментальный закон сохранения электрического заряда: сумма электрических зарядов тел, образующих замкнутую систему, всегда остается неизменной и не зависит от взаимного расположения и движения этих тел. 34 ГЛАВА Г:".. ■ ■ Электрический ток и его законы Для работы многих бытовых приборов необходима электрическая энергия. Некоторые устройства, например фонарики, используют электрическую энергию, вырабатываемую батарейками. Другие, например лампы и телевизоры, работают от бытовой электрической сети. Они получают электрическую энергию (или, как говорят, «питание») по проводам, идущим от электростанции. Нервы в нашем теле также проводят электрические заряды. Сигналы из мозга заставляют сокращаться мышцы тела, а информация, воспринимаемая нашими органами чувств, в виде электрических сигналов по нервам направляется в мозг. Электрические явления, с которыми вы познакомились в первой главе учебника, позволяют понять и изучить такое сложное явление, как электрический ток. § 9. Электрический ток Что такое электрический ток? Возьмем два одинаковых электроскопа с прикрепленными большими металлическими шарами. Соединив электроскопы проводниками с кондукторами электрофорной машины, сообщим шарам равные по абсолютному значению и противоположные по знаку заряды (рис. 40), после чего отсоединим электрофорную машину. Соединим заряженные шары проводником, в середину которого впаяна неоновая лампочка. Лампочка на мгновение вспыхнет, а шары потеряют свои заряды, что видно по опавшим стрелкам электроскопов (рис. 41). Подумаем над тем, что произошло в опыте. Шары потеряли свои заряды, значит, эти заряды перемещались по проводнику, которым мы соединили шары. Прохождение зарядов через лампочку сопровождалось ее свечением. Упорядоченное движение носителей электрических зарядов назвали электрическим током. Условия существования тока в цепи. Для существования электрического тока в веществе необходимо выполнение трех условий: ♦ в веществе должны присутствовать заряженные частицы, которые могут перемещаться по всему телу; 35 Рис. 40 Рис. 41 ♦ на эти частицы должна действовать сила, заставляющая их двигаться в определенном направлении; ♦ цепь, по которой протекает ток, должна быть замкнута, т. е. состоять из проводников. Первое из этих условий выполняется в проводниках, содержащих ионы или свободные электроны, о чем мы говорили в главе 1. К веществам с ионной проводимостью в основном относятся жидкости, а к веществам с электронной проводимостью — металлы. При этом металлические проводники могут быть не только твердыми, но и жидкими (примером является ртуть). Именно из металлов (чаще всего vii меди и алюминия) изготовляются многочисленные соединительные провода. Для выполнения второго условия в проводнике создают электрическое поле, которое действует на свободные заряды с определенной силой. В проделанном нами опыте электрическое поле существовало вокруг первоначально заряженных шаров. Когда шары соединили проводником, электрическое поле возникло и в проводнике. На свободные заряженные частицы — электроны, имеющиеся в проводнике, со стороны поля начали действовать электрические силы, и электроны пришли в упорядоченное движение от отрицательно заряженного шара к шару, заряженному положительно. По проводнику и неоновой лампочке пошел электрический ток. Однако этот ток был кратковременным: лампочка вспыхнула и погасла. Электрическое поле в проводнике после нейтрализации зарядов шаров исчезло, а вместе с полем исчезли и силы, действовавшие на свободные электроны. Упорядоченное движение электронов (электрический ток) прекратилось. А как получить ток, который существовал бы длительное время? Очевидно, для этого на шарах (или, что одно и то же, на концах проводника) 36 необходимо непрерывно пополнять уходящие заряды. Для этого были придуманы специальные приборы, получившие название источников тока. Любой источник тока, т. е. устройство, создающее ток в замкнутой цепи, имеет два электрода, называемых также полюсами источника, один из которых заряжен положительно, а другой — отрицательно. Когда полюса соединяются проводником, внутри проводника создается электрическое поле, под действием которого имеющиеся в проводнике свободные заряды приходят в упорядоченное движение, стремясь нейтрализовать заряды полюсов. Пока источник продолжает работать, он непрерывно пополняет заряды полюсов, поэтому нейтрализации не происходит. Все это время в проводнике существует электрическое поле и по нему продолжают перемещаться электрические заряды. Соединив неоновую лампочку с кондукторами электрофорной машины, будем вращать ее диски (рис. 42). Лампочка светится все время, пока происходит вращение. Таким образом, электрофорная машина является источником тока. По-видимому, вы знакомы и с другими, более распространенными источниками тока — батарейками (рис. 43) для фонариков, переносных радиоприемников, магнитофонов, фотоаппаратов. Направление электрического тока. Поскольку ток представляет собой упорядоченное движение частиц, возникает вопрос о направлении тока. Ответ неочевиден, потому что ток может создаваться движением частиц как одного и того же знака (как, например, электронами), которые под Рис. 42 Рис. 43 37 Направление тока ■=> Рис. 44 действием электрического поля движутся в одну и ту же сторону, так и встречным движением частиц противоположных знаков (например, положительными и отрицательными ионами). Ответ на поставленный вопрос был сформулирован в то время, когда об электронах и ионах епде ничего не знали. За направление тока было принято направление движения положительно заряженных частиц. Таким образом, какими бы частицами ни создавался ток, за его направление всегда принимают направление от положительного к отрицательному полюсу источника тока. Если ток создается движением отрицательно заряженных частиц, считают, что направление тока противоположно направлению их движения (рис. 44). Условные обозначения элементов электрической цепи. Источник тока, соединительные проводники, ключ^ и какой-либо прибор, например лампочка, образуют простейшую электрическую цепь (рис. 45, а). Схема этой цепи показана на рисунке 45, б. На схеме элементы электрической цепи изображены с помощью условных обозначений. Некоторые из них приведены в таблице 2. ^Преобразование энергии в электрической цепи. В каждой замкнутой цепи есть два участка: внешний, состоящий из соединительных проводов и потребителя электрической энергии, например лампочки, и внутренний, находящийся внутри источника тока. Когда цепь замкнута, то по внешнему участку идет ток, в результате чего заряды полюсов источника должны нейтрализоваться. Чтобы этого - .1 + Рис. 45 I ‘ Ключ — устройство, позволяющее создавать разрыв в замкнутой цепи. 38 не происходило, на внутреннем участке цепи электрические заряды непрерывно разделяются и пополняют заряды полюсов. Разделение зарядов возможно только при совершении работы. Например, в электрофорной машине электрические заряды разделяются за счет механической работы, которую совершают, вращая диски машины. Правильно также сказать, что кинетическая энергия вращения дисков преобразуется в энергию электрического поля, действующего во внешней цепи источника тока. Подобным же образом в любом источнике тока непрерывно совершается работа по разделению зарядов и тем самым происходит превращение 39 Рис. 46 какой-либо неэлектрической энергии в энергию электрического поля, существующего во внешней цепи. В батарейках для карманного фонаря в энергию электрического поля превращается энергия, высвобождаемая при химических реакциях. В солнечных батареях (фотоэлементах), имеющихся в некоторых калькуляторах (рис. 46) или установленных на космических кораблях (рис. 47), энергия электрического поля создается за счет энергии солнечного света. Во внешней цепи энергия электрического поля, которую также называют электрической энергией источника тока, расходуется на то, чтобы горела лампочка или работали другие потребители электрической энергии — электрические звонки, электродвигатели, электронагреватели. Иначе говоря, во внешней цепи происходит превращение электрической энергии источника тока в другие виды энергии. Например, в лампочке электрическая энергия источника преобразуется в энергию светового и теплового излучения нити накала лампочки. Если во внешнюю цепь включен электродвигатель, то электрическая энергия источника преобразуется в кинетическую энергию его вращения*. ЭТО ИНТЕРЕСНО! Заряды, находящиеся на полюсах источника тока, обычно очень малы. И хотя небольшие круглые батарейки, которые вы используете в радиоприемниках, плеерах Рис. 48 и фотоаппаратах, притягиваются друг к другу своими разноименными полюсами и отталкиваются одноименными, обнаружить силы взаимодействия батареек в обычных условиях очень трудно. Они «маскируются» действием гораздо бйльших сил тяжести. Но на космических станциях «плавающие» рядом друг с другом невесомые батарейки всегда располагаются так, как показано на рисунке 48. Рис. 47 Проверьте себя 1. При каких условиях существует ток в замкнутой электрической цепи? 2. Что называют источником тока? 3. Направление движения каких частиц принимают за направление тока? 40 4. Ток на некотором участке цепи создается упорядоченным движением электронов. Какое направление имеет ток на этом участке? 5. Изобразите в своей тетради условные обозначения произвольного источника тока, батарейки, лампочки, разомкнутого ключа. 6. Перерисуйте в тетрадь схему электрической цепи, показанную на рисунке 45, б, и назовите элементы, из которой эта цепь состоит. *7. В больнице в комнате дежурной медсестры находится электрический звонок. Начертите схему цепи, которая позволяет включать звонок: а) больному, лежанцему в удаленной от сестры палате; б) больным, лежащим в трех разных палатах. 8. Лампочку, присоединенную к источнику тока, нужно включать и выключать в разных концах длинного коридора. Нарисуйте схему этой электрической цепи. 9. На трамвайных путях в некоторых местах установлены сигналы «Берегись трамвая!». Сигнал автоматически включается, когда трамвай подходит к опасному месту, и выключается, когда трамвай его проходит. Предложите схему включения такого сигнала. § 10. Действия электрического тока Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц. Но из-за их микроскопической малости ни сами эти частицы, ни их перемещения мы увидеть не можем. Каким же образом можно узнать, что в проводнике есть ток? Об этом судят по тем проявлениям или действиям, которые сопровождают прохождение тока по проводнику. Действий тока несколько, они хорошо известны и вполне определенны, хотя в явном виде одновременно проявляются не всегда. Более того, в одних ситуациях те или иные действия тока на проводник вредны, и тогда их стараются уменьшить, другие же действия не только полезны, но ради их достижения ток, собственно, и создают в проводнике. Назовем и проиллюстрируем действия тока. Электрический ток нагревает проводник, и об этом говорят как о тепловом действии тока. В наших домах это действие тока используется во всех электронагревательных приборах — электрических чайниках, плитках и грелках, кипятильниках, а также в электрических лампочках. Прохождение тока может сопровождаться нагреванием не только металлических, но и других проводников, например жидкостей и газов. Молния — это свечение разогретого столба воздуха, по которому прошел ток. 41 Рис. 49 Тепловое действие тока легко продемонстрировать.' Для этого достаточно пропустить ток по проволоке, протянутой между изолирующими штативами. Проволока быстро нагревается до красного каления, и подвешенные на ней кусочки бумаги загораются (рис. 49). Химические реакции — второе, химическое действие тока — легко наблюдать при прохождении тока через водные растворы различных веществ, а также через водопроводную воду. В этом случае вблизи электродов, опущенных в раствор и соединенных с источником тока, образуются новые вещества. При этом твердые вещества скапливаются на электродах или выпадают в осадок, а газы всплывают в виде пузырьков. Подтвердить химическое действие тока можно с помощью следующих опытов. На рисунке 50 показаны графитовые электроды*, опущенные в стаканы с голубым раствором дихлорида меди и с водопроводной водой. В обоих случаях цепь разомкнута, стрелка амперметра, включенного между электродом и источником тока, стоит на нуле, и никаких видимых изменений в стаканах не происходит. Замкнув цепь, мы увидим, что стрелка амперметра отклонилась, — значит, в цепи появился ток. При этом в стакане с дихлоридом меди Рис. 50 * Графитовые электроды выбраны потому, что сами они не вступают в химическую рюакцию с растворами. 42 Рис. 51 Рис. 52 электрод, подключенный к отрицательному полюсу источника тока, покрывается налетом меди и приобретает оранжевый цвет, а на положительном электроде выделяются газовые пузырьки с характерным запахом хлора (рис. 51). Следовательно, при пропускании тока происходит химическая реакция, и из раствора появляются вещества, которых не было изначально. Во втором стакане (рис. 52) ток пропускается через воду. При этом на электродах выделяются пузырьки водорода и кислорода. Тепловое и химическое действия тока наблюдаются не всегда: например, прохождение тока через металлические проводники не сопровождается превращениями химических веществ. Однако существует еще одно действие тока — магнитное, его можно обнаружить в любом случае. Торцы катушки с проводом, по которому протекает ток, как и обычный магнит, притягивают компасные стрелки (рис. 53, а) и обрастают «бородой» железных опилок (рис. 53, б). На рисунке 54 показан опыт, из которого следует, что провод с током взаимодействует с постоянным магнитом. Если цепь разомкнута, то дугообразный магнит, между полюсами которого свободно висит провод, никакого влияния на него не оказывает (см. рис. 54, а). Если же цепь замкнуть, то в зависимости от направления тока в проводнике он либо притягивается к магниту (см. рис. 54, б), либо отталкивается от него (см. рис. 54, в). б Рис. 53 43 Прохождение электрического тока через организм жи- ‘ вотного вызывает сокращение мышц {физиологическое действие тока), которое впервые обнаружил итальянский физиолог Л. Гальвани в 1780 году. Продолжительное физиологическое действие тока может оказаться смертельно опасным для человека (см. § 22). Одним из первых, кто ощутил на себе сильное кратковременное действие тока, был изобретатель лейденской банки П. Мушенбрук. Получив удар током при разряде банки, он заявил, что «не согласился бы подвергнуться еще раз такому испытанию даже за королевский трон Франции». В 1753 году во время проведения опытов по исследованию грозовых электрических разрядов погиб известный российский ученый Г. Рихман. Кислый привкус, который мы ощущаем, прикасаясь языком к электродам батарейки для карманного фонарика, также связан с физиологическим действием тока. Рис. 54 Проверьте себя 1. Каким образом можно узнать, что по проводнику протекает ток? 2. Какие действия оказывает ток, протекающий по проводнику? 3. Приведите примеры теплового и химического действия тока. 4. Как проявляется магнитное действие тока? 5. В чем состоит физиологическое действие тока? 44 §11. Электрический ток в металлических проводниках Проводниками могут быть и жидкости, и твердые тела, а при определенных условиях и газы. В этом параграфе мы рассмотрим особенности движения заряженных частиц в металлах — наиболее распространенных в природе химических элементах. Модель свободных электронов и электрический ток в металлах. В § 5 и 6 мы уже говорили о внутреннем строении металлических проводников и о модели свободных электронов, а также применяли эту модель для объяснения электрических явлений. Одним из авторов гипотезы о существовании свободных электронов в металлах является немецкий физик Карл Рикке (1845—1915). В этой гипотезе, усовершенствованной затем другими физиками, предполагается, что при прохождении тока через металлические проводники их атомы и ионы не перемещаются. Они всегда остаются на своих местах, ток же создается движением свободных электронов. Для проверки своей гипотезы Рикке в 1901 году поставил следующий опыт. На трамвайной электрической станции он включил в разрыв провода, питающего трамвайные линии, три тесно прижатых друг к другу цилиндра. Два крайних цилиндра были медными, а средний — алюминиевым (рис. 55). Через эти цилиндры электрический ток проходил более года. Произведя тщательный анализ мест соприкосновения алюминиевого и медных цилиндров, Рикке не обнаружил в меди алюминия, а в алюминии меди. Таким образом, ученый экспериментально доказал, что при прохождении по металлическому проводнику электрического тока перемещаются электроны, а не ионы металлов. Электрический ток в металлах создается упорядоченным движением свободных электронов и не сопровождается переносом вещества. Как движутся электроны в металлических проводниках? Выясним теперь, как движутся свободные электроны. Если в проводнике нет электрического поля, электроны между атомами и ионами металла движутся хаотически, подобно молекулам газа. На рисунке 56 показана ломаная линия, соединяющая положения одного из электронов через равные промежутки времени. В каждый момент времени различные электроны имеют скорости, отличающиеся и по модулю, и по направлению. Хаотичность движения объясняется их бесчисленными столкновениями с атомами, в результате каждого из которых скорость электронов меняется. В металлах электрон сталкивается в среднем с каждым сотым атомом, находящимся по ходу его движения. Рис. 55 45 (i) _______________|=C> +- +. -к + 0 _ 0, V ©/ ^© — t- -t +-' Рис. 57 Множество хаотически движущихся в металле свободных электронов называют электронным газом. Если в проводнике создано электрическое поле, то под его действием движение электронов, оставаясь хаотическим, приобретает отчасти упорядоченный характер: весь электронный газ начинает медленно смещаться (дрейфовать) по проводнику от отрицательного электрода источника тока к положительному. Скорость дрейфа электронного газа (скорость смещения вдоль проводника) зависит от действующего на него электрического поля, а также от числа столкновений с атомами, которое, в свою очередь, зависит от их расположения в проводнике. Эта скорость очень мала — не более 0,5 мм/с, что почти в миллиард раз меньше скорости хаотического движения электронов. На рисунке 57 схематично показана ломаная линия, в узлах которой через определенные промежутки времени оказывается один из свободных электронов, постепенно смещающийся в проводнике под действием электрического поля. Медленный дрейф хаотически движущихся электронов по проводнику под действием электрического поля можно отчасти уподобить смещению сносимого ветром роя комаров, которые непрерывно снуют внутри роя, не вылетая за его невидимые границы. Рассмотренные представления о свободных электронах и особенностях их движения в проводнике под действием электрического поля носят название электронной теории проводимости металлов. Почему ток при замыкании цепи возникает одновременно во всех проводниках? Скорость упорядоченного движения свободных электронов под действием электрического поля в проводнике очень мала — для преодоления пути в 1 м электронам требуется не менее 30 с. В то же время вы, конечно, обращали внимание на то, что при включении света в комнате 46 все лампочки зажигаются сразу, без какой-либо задержки. Аналогично почти мгновенно включаются лампы, освещающие улицы городов. Разрешение кажущегося противоречия состоит в том, что возникшее при замыкании цепи электрическое поле распространяется в проводнике со скоростью, близкой к скорости света (3 • 10® м/с). Именно из-за этой огромной скорости распространения поля мы и не замечаем задержки в зажигании лампочек: все электроны по всему проводнику начинают движение практически одновременно. *Как течет ток по изогнутым проводникам? Если проводник согнуть или даже завязать в узел, то упорядоченно дрейфующие электроны каким-то образом «узнают» о предстоящих поворотах и преодолевают их. Что указывает им правильный путь? Оказывается, это делает электрическое поле. Силы, действующие со стороны поля на электроны, всегда направлены вдоль оси провода и отслеживают все его искривления. Вылететь же за пределы провода электронам не позволяет притяжение к положительным ионам металла. Так что им остается только следовать вдоль проводника*. Проверьте себя 1. Как было доказано, что ток в металлах не сопровождается переносом вещества? 2. Что называют электронным газом? 3. Как движутся свободные электроны в металлическом проводнике, в котором создано электрическое поле? 4. Сохраняется ли хаотическое движение свободных электронов в проводнике при наличии электрического поля? 5. Почему ток при замьпсании цепи начинает течь сразу по всем проводникам? 6. С какой скоростью распространяется в проводнике электрическое поле? 7. С какой скоростью под действием электрического поля движутся в проводнике свободные электроны? 8. Предположим, что Братская ГЭС, расположенная на реке Ангаре, начала давать ток городу Москве. Какова задержка в подаче тока, связанная со временем распространения электрического поля? Расстояние от Москвы до Братска принять равным 4000 км. § 12. Сила тока Разобравшись с тем, что представляет собой электрический ток, введем теперь характеризующие его физические величины и их единицы. Для начала вспомним, что в наших домах разные лампочки, подключенные к одному и тому же источнику — бытовой электрической сети, — 47 Рис. 58 светятся с разной яркостью. Это подтверждает демонстрационный опыт (рис. 58, а), в котором две разные лампочки подключены к одному и тому же источнику тока (электрическая схема этой установки показана на рис. 58, б). Одна из лампочек светит ярко, другая — тускло. Значит, в разных лампах ток оказывает разное действие. Причина этого, как можно предположить, состоит в том, что от источника через лампочки протекают разные электрические заряды. Сила тока. Для оценки и сопоставления электрических зарядов, протекающих через проводник, была введена специальная физическая величина — сила электрического тока. Силой тока называют физическую величину, равную отношению заряда, прошедшего через поперечное сеченир проводника за некоторый промежуток времени, к этому промежутку. Если за одно и то же время через поперечное сечение проводника проходит большой заряд — сила тока большая, а если малый — малая. Силу тока принято обозначать буквой I. Формулу для определения силы тока можно записать так: Ампер Андре (1775-1836) где q — электрический заряд, прошедший через поперечное сечение проводника за время t. За единицу силы тока принята специальная единица — ампер (обозначается: А). Название этой единице дано в честь французского физика и математика Андре Ампера, добившегося больших успехов в изучении электромагнитных явлений. Ампер — одна из основных единиц СИ. Ее определяют, используя магнитное действие тока. С определением ампера вы познакомитесь в старших классах. 48 Чтобы иметь представление о силе тока в один ампер, познакомьтесь с таблицей 3. Таблица 3 Прибор Сила тока для нормальной работы прибора, А (приблизительно) Лампочка для карманного фонаря 0,1 Лампочка в доме 0,5 Телевизор 1,5 Электрический утюг 3—6 На практике используют дольную единицу ампера — миллиампер (1 мА = 10-* А). Если электрическое поле в проводнике не меняется, сила тока в нем постоянна. Электрический ток называют постоянным, если сила тока и направление тока с течением времени не меняются. Прибор для измерения силы тока. Силу тока измеряют специальными приборами — амперметрами. У каждого из них есть две клеммы, с помощью которых амперметр включается в электрическую цепь. У одной из клемм стоит знак «-Ь», у другой — знак «-» (рис. 59). Для измерения силы тока амперметр включают в разрыв цепи так, чтобы к клемме со знаком «-1-» был подключен проводник, идущий от положительного полюса источника тока. При правильном подключении стрелка амперметра отклоняется в сторону, предусмотренную его конструкцией. По шкале амперметра видно, на какую наибольшую силу тока он рассчитан. Превышать эту силу тока нельзя, иначе прибор может испортиться так же, как и при неправильном включении в цепь. Запомните: амперметр запрещается подключать непосредственно к клеммам источника тока. На рисунке 60 показана схема замкнутой электрической цепи, в которую включены две лампочки и амперметр А, измеряющий силу тока. Обратите внимание на направление тока в цепи (оно показано стрелкой) и соответствующее ему включение амперметра. Измерение электрического заряда, прошедшего через элемент цепи. Приборов, позволяющих непосредственно измерять протекающий по проводнику заряд, нет. Однако с помощью амперметра не составляет труда измерить силу тока I в цепи, а с помощью часов — время t прохождения заряда. Если сила тока постоянна, то заряд, прошедший через поперечное сечение проводника, можно найти по формуле: q = 11. 49 -а. Я*- V Рис. 59 Рис. 60 Этим способом был измерен заряд, прошедший за год через цилиндры, которые использовал в своем опыте К. Рикке. Формула q = 11 позволяет установить единицу заряда. Если / = 1 А, а f = 1 с, то заряд, прошедший через поперечное сечение проводника, получается равным 1 А ■ с. Этот заряд принимают в СИ за единицу заряда и называют кулоном (обозначается: Кл): 1 Кл = 1 А • с. Кулон — это заряд, который проходит через поперечное сечение проводника за 1 с при силе тока 1 А. Именно эта единица была введена нами без определения при изучении электрических явлений (см. § 1). Последовательное соединение элементов цепи. Соединение элементов в цепь по схеме, изображенной на рисунке 60, называется последовательным. В этом случае элементы включены поочередно друг за другом без ответвлений из точек соединений элементов. Последовательное соединение обладает очень важным свойством: через любое сечение проводника за одинаковое время проходит один и тот же электрический заряд. Можно сказать и иначе: во всех элементах последовательной цепи сила тока одинакова. Это свойство нетрудно проверить экспериментально, включая амперметр в отмеченные крестиками участки последовательной цепи (см. рис. 60). Его показания будут одинаковыми. Закон постоянства силы тока в разных участках последовательной цепи справедлив при любом количестве включенных элементов. Источник тока является частью замкнутой цепи. Поэтому сила тока внутри источника будет такой же, как и во внешней цепи. На рисунке 61 показана схема замкнутой цепи, состоящей из источника тока и четырех лампочек. Последовательно соединены друг с другом 50 ших через первые две лампочки. Поэтому можно утверждать, что сила тока в нитях накала лампочек 1 и 2 одинакова (Jj = I2 = I), тогда как в нити лампочки 3 сила тока меньше, чем I (7д < I). Это утверждение нетрудно проверить на опыте с помощью амперметра. 7 Проверьте себя 1. Какую физическую величину называют силой тока? Что она характеризует? В каких единицах выражается? 2. Какой ток называется постоянным? 3. Каким прибором измеряют силу тока и как этот прибор включают в цепь? 4. Как можно измерить заряд, прошедший по проводнику? 5. Как определяют в СИ единицу заряда — кулон? 6. Какой заряд прошел по спирали утюга, если им гладили 1,5 ч? Недостающие данные возьмите из таблицы 3. 7. Сравните заряд, прошедший за год через цилиндры, которые использовал в своем опыте К. Рикке, с зарядом земного шара (300 000 Кл). Сила тока в трамвайном проводе была равна 0,3 А. 8. Какое соединениё элементов цепи называют последовательным? 9. Каким свойством обладает цепь из элементов, соединенных последовательно? Как можно проверить правильность показаний амперметра с помощью другого амперметра, точность показаний которого проверена? 11. На рисунке 62 показана электрическая схема цепи, состоящей из источника тока, трех лампочек и амперметра. Является ли эта цепь замкнутой? Соединены ли лампочки 1 и 2 последовательно? Какие лампочки 10 51 соединены последовательно? Какая стрелка — верхняя или нижняя (см. рис. 62) — правильно обозначает направление тока в цепи? Пра-* ВИЛЬНО ли включен в цепь амперметр? Назовите участки цепи, в которых сила тока одинакова. § 13. Электрическое напряжение Работа электрического поля. Из § 11 вы узнали, что электрический ток в металлических проводниках — это упорядоченное движение свободных электронов, возникающее под действием электрического поля. Совершая хаотическое движение, электроны одновременно перемещаются от отрицательного полюса источника тока к положительному. Осуществляя эти движения, электроны теряют кинетическую энергию при столкновениях с атомами проводника, и эта энергия переходит во внутреннюю энергию проводника — проводник нагревается. Для поддержания скорости упорядоченного движения электронов и восполнения потерь их кинетической энергии должна совершаться работа. Эту работу совершают силы электрического поля. Работу сил электрического поля, совершаемую во внешней цепи, называют также работой электрического тока. Работу электрического поля обозначают буквой Айв СИ выражают в джоулях (Дж). Рассмотрим опыты, которые помогут нам выяснить, от чего зависит работа электрического поля во внешней цепи. Оценку этой работы будем производить визуально по яркости свечения электрических лампочек (т. е. по тепловому действию тока), считая, что работа поля тем больше, чем сильнее нагреваются нити накала. Электрическое напряжение. Подключим к источнику тока две одинаковые лампочки и амперметр, соединенные последовательно. Замкнув цепь с помощью ключа, мы увидим, что нити накала в лампочках светятся одинаково ярко (рис. 63). При последовательном соединении сила тока, а значит, и заряды, протекающие по нитям лампочек, одинаковы. Поскольку сами лампочки также одинаковы, мы вправе ожидать, что должна быть одинаковой и работа, совершаемая электрическим полем в нитях накала. Заменим источник тока другим — таким, чтобы сила тока в нашей цепи стала больше, что можно заметить по показанию амперметра. При этом обе лампочки стали светить ярче. Значит, работа, совершаемая полем, увеличилась. При большей силе тока по цепи проходит больший заряд. Следовательно, работа поля на участке цепи зависит от силы тока и тем самым — от электрического заряда, прошедшего через этот участок. 52 Рис. 63 Как показывают опыты, работа, совершенная полем по перемещению заряда, прямо пропорциональна прошедшему заряду: A~q. (1) Однако только ли числовым значением прошедшего заряда определяется работа поля? Чтобы выяснить это, поставим еще один опыт. Заменим в установке (см. рис. 63) одинаковые лампочки разными. Замкнув ключ, увидим, что теперь одна из лампочек светит тускло, а другая — ярко (рис. 64). Если судить по яркости свечения лампочек, то полем совершается меньшая работа в тускло светящей лампочке, чем в ярко светящей. Этот вывод удивляет, поскольку лампочки по-прежнему соединены последовательно, и поэтому проходящие через них заряды одинаковы. Значит, работа А электрического поля (работа тока) на конкретном участке цепи зависит не только от значения прошедшего через участок заряда. По-видимому, работа поля зависит также от каких-то других величин, например от сил, действующих на заряды со стороны электрического поля, которые заставляют перемещаться заряды по данному участку цепи. Чем больше силы, действующие на заряды со стороны поля, тем большую работу совершает поле. Сделаем предположение, что в опыте (см. рис. 64) работа поля в ярко светящей лампочке больше потому, что в ней при перемещении зарядов поле действует на них с большей силой, чем в лампочке, светящей тускло. Характеристику действия электрического поля на участке цепи обозначим буквой и. В соответствии с нашим предположением о том, что, чем большая действует сила, тем большая работа А совершается полем, вместо соотношения (1) запишем: А = qU. (2) Отсюда для определения самой величины U получаем формулу: и = А. <7 (3) 53 Физическую величину U, равную отношению работы А, которую совершает электрическое поле при перемещении заряда д по участку цепи^, к перемещаемому заряду, называют электрическим напряжением на участке цепи. За единицу напряжения в СИ принят вольт (обозначается: В). Вольт — это такое напряжение, при котором поле совершает работу 1 Дж при перемещении по участку цепи заряда 1 Кл: = ^ = 1 Дж/Кл. Свое название единица напряжения получила в честь итальянского ученого Алессандро Вольты, который в 1799 году сконструировал первый длительно работающий источник тока. О значениях электрического напряжения, встречающихся на практике, можно судить по данным, приведенным в таблице 4. Таблица 4 Устройство Напряжение, В Круглая батарейка для фотоаппарата Плоская батарейка для карманного фонаря Аккумулятор автомобиля Осветительная сеть Двигатель троллейбуса Двигатель электровоза Кинескоп телевизора 1.5 4.5 12 220 500 X 15 000 16 000 Кроме основной единицы — вольт — применяются дольные и кратные ему единицы: милливольт (1мВ = 10"® В) и киловольт(1 кВ= 10® В). С помощью формулы (2) можно определить работу, совершаемую полем при перемещении заряда. Например, если напряжение на некотором участке равно 220 В, а перемещенный по участку заряд равен 2 Кл, то поле совершило работу А = 2 Кл • 220 В = = 440 Дж. Прибор для измерения электрического напряжения. Прибор, измеряющий напряжение на участке цепи, называется вольтметром. Внешне он очень похож на амперметр, и у него также есть две клеммы со знаками «-Ь» и «-» (рис. 65). Если к клемме со знаком ♦ + » подключен проводник, идущий от Вольта Алессандро положительного полюса источника тока, стрелка (1745—1827) прибора отклоняется в правильном направлении. 54 ^ \vO‘'‘'W - ч - ,*,< ' I- • Рис. 65 Рис. 66 Однако для измерения напряжения вольтметр подключается не в разрыв цепи (как амперметр), а к тому ее участку, напряжение на котором надо измерить. В схеме на рисунке 66 вольтметр V измеряет напряжение на лампочке 1, т. е. на участке цепи между точками А и В. Вольтметр в отличие от амперметра можно подключать непосредственно к клеммам источника тока. Показания вольтметров, подключенных к каждой из одинаковых лампочек (рис. 67, а), как следует из опыта, одинаковы, и, значит, напряжения на лампочках равны. Поскольку через лампочки проходит один и тот же заряд (лампочки соединены последовательно), в соответствии с равенством (3) одинакова и работа, совершаемая полем. Заменив одинаковые лампочки разными, мы увидим, что одна лампочка горит ярче другой. Разными окажутся и напряжения на лампочках: большее напряжение покажет вольтметр, подключенный к более яркой лампочке (рис. 67, б). *Познакомьтесь с употреблением термина «напряжение». Начало и конец внешнего участка любой замкнутой цепи находятся на полюсах 55 Норма 1—3 мВ источника тока. По этой причине говорят о напряжении, создаваемом источником тока (оно равно напряжению на внешнем участке цепи). Принято также употреблять словосочетания: в цепь или на ее участок подано напряжение; к участку цепи приложено напряжение; провода находятся под напряжением. Существуют источники тока с регулируемым напряжением. Так называют источники, у которых можно изменять (регулировать) электрические свойства внутреннего участка цепи. При этом изменяется (регулируется) напряжение, создаваемое источником на внешнем участке цепи*. 1—3 мВ б Аритмия Рис. 68 ЭТО ИНТЕРЕСНО! При сокращении сердечных мышц в них возникает электрическое напряжение, равное примерно 100 мВ. С появлением чувствительных электроизмерительных приборов и благодаря электропроводности тканей организма это напряжение стали обнаруживать, прикладывая электроды не к сердечным мышцам, а к коже. Здесь его значение достигает 1—3 мВ. Запись изменяющегося во времени электрического напряжения, возникающего при работе сердца, называется электрокардиограммой (ЭКГ). По записям напряжений можно рассчитать, как протекающий по мышечным волокнам электрический ток возбуждает различные участки сердца. На рисунке 68, а изображена ЭКГ здорового человека, а на рисунке 68, б — человека, сердце которого работает с нарушением ритма. За заслуги в изучении отличий ЭКГ здорового сердца и сердца при различных заболеваниях нидерландский физиолог В. Эйнтховен получил Нобелевскую премию (1924), а российский физиолог А. Ф. Самойлов — Государственную премию (1930). Проверьте себя 1. Что понимают под работой поля или работой электрического тока? 2. Зависит ли работа электрического поля от силы тока в цепи? от прошедшего по цепи заряда? 3. С помощью какого опыта можно показать, что работа электрического поля зависит не только от силы тока? 4. Какую физическую величину называют электрическим напряжением? 56 5. Какое напряжение принимают за один вольт? 6. Каковы правила применения вольтметра? 7. Какое из устройств, перечисленных в таблице 4, было включено в цепь, если при перемещении по нему заряда 3 Кл электрическим током совершена работа 36 Дж? 8. При движении троллейбуса и электровоза в течение одинакового времени сила тока в их двигателях была одинакова. Пользуясь таблицей 4, определите, в каком случае ток совершил большую работу. 9. Какую работу совершает электрическое поле в кинескопе телевизора (см. табл. 4) при перемещении одного электрона? Модуль заряда электрона равен 1,6 • 10"'® Кл. § 14. Электрическое сопротивление Что такое электрическое сопротивление? Свободные электроны, упорядоченно движущиеся по металлическому проводнику, время от времени сталкиваются с атомами проводника и уменьшают свою скорость. В зависимости от расположения атомов электрический ток в одних проводниках проходит лучше, в других — хуже. Иными словами, проводник оказывает определенное сопротивление прохождению зарядов. Физическую величину, характеризующую способность проводника влиять на силу тока в цепи, называют его электрическим сопротивлением. Электрическое сопротивление проводника обозначают буквой R. За единицу сопротивления в СИ принят о м (обозначается: Ом). Название единицы дано в честь немецкого физика Георга Ома, который впервые ввел в физику понятие сопротивления и установил основной закон электрических цепей (с ним вы познакомитесь в следующем параграфе). Там же вы узнаете, как определяется единица сопротивления. От чего зависит сопротивление проводников? Соберем установку, состоящую из источника тока, лампочки, амперметра и ключа. При замыкании ключа лампочка ярко горит, а амперметр показывает, что по цепи проходит ток (рис. 69). Разомкнув ключ, подключим последовательно с лампочкой константановую проволоку. Замкнув цепь, заметим, что лампочка стала светить более тускло, а сила тока в цепи уменьшилась (рис. 70). Заменим константановую проволоку нихромовой той же длины и сечения. При этом лампочка светит совсем тускло, Георг а сила тока стала еще меньше. (1787—1854) 57 I Рис. 69 Рис. 70 Эти опыты свидетельствуют, что проводники оказывают сопротивление прохождению тока и что их сопротивление зависит от материала, из которого они изготовлены. С помощью той же установки нетрудно исследовать зависимость сопротивления проводников, выполненных из определенного материала, от их длины I и площади поперечного сечения S. Опыты показывают, что каким бы ни был материал проводника, его сопротивление возрастает с увеличением длины (R ~ I) и уменьшается с увеличением площади поперечного сечения Таким обра- зом, короткие толстые проводники имеют меньшее сопротивление, чем длинные и тонкие. Если температура проводника поддерживается постоянной, то общая формула для расчета сопротивления проводника такова: / (1) где р — коэффициент пропорциональности, называемый удельным сопротивлением вещества. Удельное сопротивление вещества — это физическая величина, характеризующая зависимость сопротивления проводника от материала, из которого он изготовлен. Итак, сопротивление проводника прямо пропорционально его длине, обратно пропорционально площади его поперечного сечения и зависит от материала, из которого он изготовлен. Удельное сопротивление. Физическая величина, названная удельным сопротивлением вещества, показывает, каким сопротивлением обладает сделанный из этого вещества проводник длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м^. Из формулы (1) для сопротивления проводника следует, что I • Р = (2) 58 Поэтому единицей удельного сопротивления в СИ является 1 Ом 1 м^ 1 м = 1 Ом • м. Диаметр металлических проводов обычно невелик. На практике площадь их поперечного сечения выражают не в квадратных метрах, а в квадратных миллиметрах. Соответственно практически используемой единицей удельного сопротивления является не 1 Ом ■ м, а 1 Ом ■ мм^/м. Найдем связь между двумя единицами удельного сопротивления: 1 Ом м — ^ ^ 1 м^ _ 1 Ом 1000000 мм^ _ jqg Ом мм^ 1м 1м м ' .. • Значения удельных сопротивлений некоторых веществ при комнатной температуре (20 °С) приведены в таблице 5. Таблица 5 Вещество р. Ом • mmVm Вещество р. Ом • mmVm Серебро 0,016 Сталь 0,12 Медь 0,017 Свинец 0,21 Алюминий 0,028 Нихром (80% Ni, 20% Сг) 1,1 Из приведенных в таблице веществ малыми удельными сопротивлениями обладают серебро, медь и алюминий. Поэтому из меди, а также из более дешевого алюминия делают соединительные провода в наших домах и квартирах. Вещества с большим удельным сопротивлением — никелин, нихром и другие требуются в тех случаях, когда провода должны обладать большим сопротивлением при минимальной длине. Например, из нихрома, удельное сопротивление которого в 65 раз больше удельного сопротивления меди, изготавливают спирали электронагревательных приборов (электроплиток, кипятильников, паяльников и т. п.). Резисторы. В современной технике широко используются компактные устройства, ограничивающие силу электрического тока. Наиболее распространены резисторы. В простейшем случае резистор состоит из каркаса 1 (рис. 71) из жаропрочного диэлектрика, намотанной на каркас проволоки 2 из металла с большим удельным сопротивлением и выводов для включения в цепь. Часто вместо проволоки используются другие материалы с большим удельным сопротивлением. В этом случае нанесенная на каркас пленка 1 (рис. 72) из этого материала сверху покрывается защитной эмалью 2. На схемах резистор изображается так, как показано в таблице 2. Около условного изображения обычно ставится номер, например R1, R2 и т. д. 59 Рис. 71 Рис. 72 Существуют также приборы, служащие для регулирования силы тока в электрической цепи. Они называются резисторами с переменным сопротивлением или реостатами. Условное обозначение реостата и схема его включения показаны на рисунке 73. * На рисунке 74 показан внешний вид реостата со снятым кожухом. На каркас I намотана проволока 2 из материала с большим удельным сопротивлением; концы проволоки закреплены под зажимами 3 и 4. С помощью пружинистого проводящего контакта 5 проволочная обмотка соединяется с металлической направляющей 6, имеющей зажим 7. Контакт 5 и прикрепленная к нему пластмассовая ручка 8 образуют ползунок, который можно перемещать по направляющей 6 вдоль обмотки реостата. Для регулирования силы тока реостаты включают в цепь последовательно (см. рис. 73), используя для этого два" зажима: зажим 7 направляющей и один из зажимов 3 или 4. Ток через реостат течет от зажима 3 до контакта 5, который через металлическую направляющую 6 соединен с зажимом 7. Если ползунок удаляется от зажима 3, то сопротивление реостата растет. Тем самым увеличивается общее сопротивление цепи, в которую включен реостат, и сила тока в ней убывает. Рис. 73 Рис. 74 60 Во время работы проволока реостата может нагреваться, поэтому в целях безопасности сверху его обычно накрывают кожухом*. ПРИМЕР РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ Найдите длину нихромового провода для нагревателя электроплитки. Диаметр провода 0,5 мм, а его сопротивление при комнатной температуре должно составлять 48 Ом. Решение. Площадь поперечного сечения провода S = = 0,2 мм^, а удельное сопротивление нихрома р = 1,1 Ом ■ мм^/м (см. табл. 5). Выражение для длины провода получим из формулы (1); RS I = Подставим числовые данные: I = 48 Ом ■ 0,2 мм^ 1,1 Ом ■ мм 8,7 м. м Ответ: 8,7 м. Примечание. Длина провода (8,7 м) все же достаточно велика. Чтобы разместить такой провод в электроплитке, его сворачивают в спираль. Длина медного провода того же диаметра, что и нихромового, составила бы около 560 м. Поместить его в нагревателе невозможно. Проверьте себя 1. 2. 3. 4. 5. 6. 8. Какую физическую величину называют электрическим сопротивлением? От чего и как зависит сопротивление металлических проводников? Какую физическую величину называют удельным сопротивлением? Удельное сопротивление вольфрама равно 0,055 Ом • мм^/м, а графита — 13 Ом • мм^/м. Что это значит? В каких случаях и где используют проводники с малым (большим) удельным сопротивлением? Выразите удельное сопротивление стали и свинца (см. табл. 5) в единицах СИ. Найдите электрическое сопротивление грифеля диаметром 2 мм в карандаше стандартной длины 17,5 см. Удельное сопротивление графита равно 13 Ом ■ мм^/м. На рисунке 75 с увеличением в 100 раз показана спиральная нить лампы накаливания, выполненная из вольфрама. Чему равна ее длина, если сопротивление нити 150 Ом, а диаметр 0,03 мм? Рис. 75 61 *9. Медный провод длиной 5 км имеет сопротивление 12 Ом. Определите массу меди, потребовавшейся для его изготовления. Плотность меди • 8900 кг/м^. 10. Что называют резистором? *11. Опишите конструкцию реостата. Для чего он предназначен? § 15. Закон Ома Для характеристики явлений, происходящих в электрических цепях, были введены понятия напряжения, силы тока и сопротивления. При наблюдении за опытами вы, очевидно, заметили, что эти величины взаимосвязаны. Впервые эту связь удалось установить Ому в 1826 году. Закон Ома. Чтобы понять содержание закона, установленного Омом, проделаем ряд опытов. Соберем электрическую цепь из источника тока, металлического проводника в виде спирали, амперметра и ключа (рис. 76). В качестве источника тока используем устройство, которое позволяет регулировать напряжение на концах проводника. Для контроля за напряжением используем вольтметр. Схема установки приведена на рисунке 77. Замкнув ключ, отметим показания амперметра и вольтметра. Увеличив напряжение на концах проводника в 2 раза, заметим, что показания амперметра также увеличились в 2 раза. При увеличении напряжения в 3 раза сила тока в проводнике также увеличивается в 3 раза. Таким образом, наши опыты свидетельствуют, что сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на его концах: I ~ U. Отметим, что сопротивление проводника при этом оставалось постоянным (R = const). Для установления зависимости силы тока от сопротивления проводника спираль в нашей установке будем заменять другими спиралями, обладающими разными сопротивлениями. Напряжение, создаваемое источником тока на концах спирали, будем поддерживать постоянным (U = const). Рис. 76 62 Включив спираль сопротивлением 1 Ом, отметим показания амперметра и вольтметра. Обозначим их через I и11. Заменим спираль сопротивлением 1 Ом спиралью сопротивлением 2 Ом. Добившись на спирали прежнего напряжения U, измерим силу тока в ней. Она оказалась в 2 раза меньше, т. е. Подключив спираль сопротивлением 5 Ом и установив прежнее напряжение U, заметим, что сила тока стала в 5 раз меньше 5 Во сколько бы раз мы ни увеличивали сопротивление, во столько же раз уменьшается сила тока. Таким образом, опыты свидетельствуют о том, что при постоянном напряжении на проводнике сила тока в нем обратно г 1 пропорциональна его сопротивлению: 1 ~ Объединив результаты опытов, можно записать: / ~ Для того чтобы перейти к знаку равенства, введем коэффициент пропорциональности к: 1 йд. Значение этого коэффициента зависит только от выбора единиц входящих в формулу величин. В СИ, которой мы пользуемся, единицы силы тока (1 А) и напряжения (1 В) уже определены. Поэтому единицу электрического сопротивления в СИ определяют так, чтобы значение коэффициента пропорциональности к было равно единице. Тогда I = и R' (1) Эта формула, выражающая закон Ома, читается так: Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на этом участке и обратно пропорциональна сопротивлению участка. В таблице 6 приведены результаты измерений напряжения на концах двух нихромовых проводов и силы тока в них. Провода имели сопротивление 2 Ом и 4 Ом. Таблица 6 Напряжение U, В 0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 Сила тока I, А при R=2 Ом 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Сила тока I, А при Д = 4 Ом 0 0,25 0,5 0,75 1,0 1,25 63 Построим графики выявленных зависимостей. У нас получатся две» прямые, проходящие через начало координат (рис. 78), что и должно быть в случае прямо пропорциональной зависимости силы тока от напряжения. График, выражающий зависимость силы тока от напряжения, называется вольт амперной характеристикой проводника. Вольт-ам-перной характеристикой металлического проводника является прямая линия, выходящая из начала координат. Справедливо и обратное заключение: если вольт-амперная характеристика некоторого проводника является прямой, проходящей через начало координат, то для этого проводника справедлив закон Ома. Обратите внимание, что прямая 1 (см. рис. 78) для провода сопротивлением 2 Ом проходит выше прямой 2 для провода сопротивлением 4 Ом: чем меньше сопротивление проводника, тем круче проходит его вольт-амперная характеристика. Закон Ома часто используют для ответа на йопрос, как изменится сила тока в участке цепи, если изменить его сопротивление. Ответ легко дать, если при изменении сопротивления напряжение на участке не изменяется. В этом случае при увеличении (уменьшении) сопротивления сила тока уменьшается (увеличивается). Единица электрического сопротивления. Из закона Ома (1) следует, что (2) Формула (2) позволяет установить единицу сопротивления, которую мы ввели в предыдущем параграфе без определения. За единицу электрического сопротивления в СИ принято сопротивление такого проводника, в котором при напряжении на его концах 1 В сила тока равна 1 А. Эта единица и была названа омом (Ом): 1 Ом = = 1 В/А. 1 А Применяются и другие единицы сопротивления: килоом (1 кОм = = 10® Ом), мега ом (1 МОм = 10® Ом). 64 Электронагревательные приборы имеют сопротивления порядка десятков ом, сопротивления нитей накала различных электроламп — от десятков до тысяч ом. Сопротивлением 1 Ом обладает медная проволока длиной 1 м и диаметром 0,15 мм или подвесной трамвайный провод длиной 5 км. ЭТО ИНТЕРЕСНО! Тщательные измерения удельного электрического сопротивления различных веществ проводил английский физик Генри Кавендиш (1776). В то время амперметр и вольтметр еще не были изобретены. Для проведения измерений Кавендиш брал проволоки из разных материалов одинаковой длины и площади поперечного сечения и разряжал через них одинаково заряженные лейденские банки, которые он использовал в качестве источников тока. В ходе эксперимента Кавендиш постепенно увеличивал заряд банок до тех пор, пока одна из проволок не расплавлялась. Считая, что нерасплавившаяся проволока обладает меньшим электрическим сопротивлением, ученый за 50 лет до открытия закона Ома составил ряд металлов, расположив их в порядке возрастания удельных сопротивлений. Проверьте себя 1. Как формулируется закон Ома? 2. Как определяется единица сопротивления? 3. Что называется вольт-амперной характеристикой проводника? 4. Как выглядит вольт-амперная характеристика проводника, для которого справедлив закон Ома? *5. От чего зависит угол наклона прямолинейной вольт-амперной характеристики проводника? § 16. Следствия из закона Ома Из формулы 1 = ^ R’ выражающей закон Ома, можно получить формулы: п = Я (1) (2) и и = IR. (3) Пользуясь формулами (1), (2) и (3), можно находить любой из трех параметров, относящихся к участку электрической цепи, если известны два 65 других (рис. 79). В частности, если сопротивление R участка цепи известно, формула (I) дает возможность измерять силу тока с помощью вольтметра (без амперметра), а формула (3) — напряжение на участке цепи с помощью амперметра (без вольтметра). В свою очередь, формула (2) является основой для измерения сопротивлений различных элементов — проводов, лампочек, электрических нагревателей и т. п. Например, чтобы измерить сопротивление нити накала лампочки, необходимо, подключив ее к источнику тока, измерить напряжение на лампе, силу тока в ней и результаты измерений подставить в правую часть формулы Я = у. Иногда нужно найти длину I провода в большой бухте, не разматывая ее. Это можно сделать, если измерить электрическое сопротивление R провода Я = yj. После этого, определив диаметр провода и по внешнему виду материал, из которого он изготовлен (медь, алюминий, сталь, нихром и т. д.), RS искомую длину можно вычислить по известной вам формуле I = Сопротивление можно также определить по вольт-амперной характеристике проводника. На рисунке 80 приведен начальный участок вольт-амперной характеристики бытовой электрической лампочки, предназначенной для использования в сети с напряжением 220 В. Видно, что при малых напряжениях этот участок прямолинеен, т. е. нить накала лампочки подчиняется закону Ома, поэтому ее сопротивление можно вычислить, используя формулу (2): о _ C/i _ 8,0 В 8,0 В <}ол ^ - 7Г - 2^ - 00^ - ^ Рис. 79 66 Обратите еще раз внимание на формулу (2). Было бы грубой ошибкой считать, что, судя по ее виду, сопротивление проводника прямо пропорционально напряжению на его концах и обратно пропорционально силе тока в нем. Дело в том, что напряжение U и силу тока I невозможно изменять независимо друг от друга. Если напряжение на проводнике изменится, то при выполнении закона Ома во столько же раз изменится и сила тока, и так что отношение у остается при этом тем же самым. Содержание формулы ^ = у заключается в том, что сопротивление проводника может быть найдено как отношение у. *Всегда ли справедлив закон Ома? Г. Ом вывел закон о прямой пропорциональной зависимости между силой тока и напряжением для металлических проводников. Позже выяснилось, что он правильно описывает зависимость между силой тока и напряжением и для проводников из других материалов. Однако даже для чистых металлов этот закон справедлив не всегда. Приведем пример. Для расчета сопротивления нити накала электролампы, предназначенной для использования в бытовой электрической сети с напряжением 220 В, на рисунке 80 был приведен начальный участок вольт-амперной характеристики этой лампы при напряжении не выше 8 В. А как выглядит эта характеристика при большем напряжении? Вольт-амперная характеристика нити накала этой лампы при напряжениях до 60 В показана на рисунке 81. Видно, что график сильно искривляется, поэтому при напряжениях выше 10 В говорить о применимости Таблица 7 Сопротивление, Ом ХОЛОДНОЙ нити раскаленной нити 1.6 16 2,6 27 1,4 16 20 250 150 1900 67 закона Ома нельзя. Тем не менее чисто формально принято называть сопротивлением нити накала при напряжении С/г = 60 В отношение * R =Ча = 60 В h 57 мА = 1050 Ом. Величина /?2 в 3,3 раза больше сопротивления нити, измеренного ранее (/?1 = 320 Ом). В «рабочем режиме» при напряжении 220 В, когда нить лампы раскалена, ее сопротивление окажется еще больше: Л, » 3200 Ом. В целом по сравнению с холодным состоянием сопротивление нити накала лампы возрастает в 10 раз. Эта лампа не исключение. В таблице 7 приведены сопротивления нитей накала различных электроламп в холодном и в раскаленном состояниях («в рабочем режиме»). У всех этих ламп при нагреве сопротивление возрастает не менее чем в 10 раз. Закон Ома для проводника выполняется только в том случае, когда при прохождении тока его температура заметно не меняется. Отклонения от закона Ома вызываются изменением сопротивления проводников при их нагревании: удельное сопротивление всех металлов растет с повышением температуры*. ПРИМЕР РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ В лабораторных работах используются медные соединительные провода, площадь сечения которых равна 1 мм^. Сила тока в них достигает 2 А. Каково напряжение на таком проводе, если его длина равна 10 см? Удельное сопротивление меди равно 0,017 Ом ■ mmVm. * Решение. Сопротивление каждого соединительного провода найдем по формуле: I /? = р- Подставляя данные задачи, получим: R = 0,017 Ом ■ мм^ 0,1 м м 1 мм^ = 0,0017 Ом = 1,7 10^ Ом. Напряжение на этом проводе вычислим при помощи закона Ома U = IR-. 1/ = 2А • 1,7 • 10 “ Ом = 3,4 • 10 " В = 3,4 мВ. Ответ: U = 3,4 мВ. Примечание. Поскольку это напряжение очень мало, то сопротивление соединительных проводов учитывать не нужно. Проверьте себя 1. На рисунке 82 приведены два опытных графика зависимости силы тока в участке цепи от его сопротивления. При снятии каждой зависимости напряжение на этом участке не менялось. Что больше: C/j или [/2? Какой 68 из формул (1)—(3) можно воспользоваться для нахождения ответа? Во сколько раз отличаются напряжения С/, и С/з? 2. Можно ли по виду графика (см. рис. 80) сделать заключение о том, что нить накала лампы подчиняется (или не подчиняется) закону Ома? 3. Почему формулу (2) нельзя читать так: сопротивление проводника прямо пропорционально напряжению на его концах и обратно^ пропорционально силе тока в нем? ^ 4. Можно ли говорить, что проводник обладает электрическим сопротивлением, если в цепь он не включен и ток через него не протекает? 5. Назовите три способа нахождения электрического сопротивления проводника. Ф -0 0- - + *6. Сопротивление проволочной спирали 12 Ом. Ее подключают к источнику тока так, как показано на рисунке 83 а, б, в. Каковы показания амперметров, если напряжение, создаваемое источником тока, всегда равно 3 В? § 17. Последовательное соединение проводников На рисунке 84 изображена простая электрическая цепь, состоящая из источника тока, амперметра, реостата, лампы и ключа. Электрртческий ток проходит от источника через ключ, реостат, лампу и амперметр. Как вы уже знаете, такое соединение приборов получило название последовательного. Изучим свойства последовательного соединения. Сила тока при последовательном соединении проводников в любых ее участках одна и та же. Еще раз убедимся в этом на опыте (рис. 85). 69 Рис. 84 аВ(^ •' -т- Рис. 85 # f ■"'ri-s.-* i • • i:n I ’^аГ ' I Tnrfffmrffii / /♦ rtiT \ If- / 70 Рис. 86 Если пронумеровать участки в цепи, состояп^ей из последовательно соединенных проводников, то первое свойство этой цепи можно записать в виде: I, = !, = !, = ... = (1) Напряжение при последовательном соединении проводников. Соберем цепь из четырех разных приборов, соединенных последовательно. Замкнув цепь, мы увидим, что показания вольтметров на каждом из приборов различны (рис. 86). Однако, сложив напряжения U^, U^, и U^, заметим, что их сумма равна общему напряжению U, которое показывает вольтметр, подключенный ко всем.приборам: Ui + U2 + = U. Если бы у нас было не 4, а га проводников, то напряжение на всей цепи было бы также равно сумме напряжений на отдельных участках: и = и^ + U2 + U3 + ... + и„. (2) Напряжение на концах последовательно соединенных проводников равно сумме напряжений на отдельных проводниках. Каков физический смысл этой закономерности? Обозначим буквой q заряд, проходящий по последовательному соединению за некоторое время. Как вы знаете, этот заряд одинаков для любых участков этой цепи (см. § 12). Умножив на заряд q левую и правую части равенства (2), получим: qU = qUi + qUi + qU^ + ... + qll„. (3) Ho произведение qU — это работа электрического тока во всей цепи, а qU„ — работа тока на участке с номером га (см. § 13). Таким образом, смысл равенства (3) очевиден: работа тока во всей цепи равна сумме работ тока на всех последовательно соединенных участках этой цепи. Сопротивление при последовательном соединении. Из опытов мы узнали, что при последовательном соединении проводников сила тока во всех участках цепи одинакова и что напряжение в такой цепи равно сумме напряжений на отдельных ее участках. Чтобы найти общее сопротивление цепи, применим ко всей цепи и к каждому ее участку закон Ома: и = IR, и 1= /ii?i, 1/2“ 1з^31 •••» Подставим найденные значения напряжений в формулу (2): IR = IiRi + I2R2 + h^3 + ••• + Сократив на I, получим: R = Ri + i?2 "Ь R3 -Ь ... -Ь R„ (4) 71 Сопротивление участка цепи, состоящего из последовательно соединенных проводников (общее сопротивление), равно сумме сопротивлений отдельных проводников. Обратите внимание: если в цепь, состоящую из последовательно соединенных проводников, добавить еще один, то ее общее сопротивление увеличится. Отсюда, в частности, следует, что сопротивление амперметра должно быть мало по сравнению с сопротивлением цепи, в которую он включается для измерения силы тока. Сопротивление хороших амперметров обычно составляет десятые доли ома. Еще одно очевидное свойство последовательного соединения состоит в том, что при разрыве цепи в одном участке ток прекращается во всей цепи. Если, например, в елочной гирлянде (цепочке последовательно соединенных лампочек) перегорает одна из лампочек, то гаснут и все остальные (лампы уличного освещения никогда не соединяют последовательно). По этой причине выключатель всегда соединяется последовательно с тем прибором, который он должен приводить в действие: звонок звенит лишь тогда, когда кнопка нажата и его цепь замкнута. * Нетрудно доказать, что напряжение на каждом участке последовательного соединения тем больше, чем больше его сопротивление, т. е. напряжение между участками такого соединения распределяется пропорционально их сопротивлениям. Действительно, напряжение на любом участке определяется произведением силы тока на сопротивление этого участка (С/ = IR), а при последовательном соединении сила тока во всех участках одинакова. Например, если в каждом из трех /=2А 1 Ом 2 Ом Рис. 87 220 В 3 Ом последовательно соединенных резисторов сила тока равна 2 А (рис. 87), то напряжение на втором резисторе (Пг = 4 В) в два раза больше, а на третьем (Пд = 6 В) — в три раза больше напряжения на первом резисторе (f/i = 2 В). В справедливости этого результата нетрудно убедиться на опыте*. ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ 1. К электрической сети, напряжение в которой и = 220 В, подключены два резистора сопротивлениями Я, = 15 Ом и Яг = 40 Ом, соединенные последовательно. Найдите общее сопротивление цепи Я, силу тока / и напряжения (У, и L/j на резисторах (рис. 88). 72 Решение. Общее сопротивление цепи равно сумме сопротивлений резисторов: Д = 15 Ом + 40 Ом = 55 Ом. В соответствии с законом Ома силу тока в цепи найдем, разделив напряжение в сети на общее сопротивление: 220 В 55 Ом = 4 А. Умножая силу тока на сопротивления отдельных резисторов, т. е. применив закон Ома в форме U = IR, определим напряжения на каждом из них: [/, = /Л, = 4 А 15 Ом = 60 В; 1/2 = /Дг = 4 А ■ 40 Ом = 160 В. Сумма этих напряжений равна полному напряжению в сети (60 В + 160 В = 220 В). Поэтому, найдя напряжение на первом резисторе (Ui = 60 В), напряжение на втором можно было бы найти вычитанием напряжения 1/, из напряжения в сети (l/j = (7 - [/, = = 220 В - 60 В = 160 В). 2. Рассчитайте число лампочек в гирлянде, если для нормального свечения каждой из них необходимо напряжение 20 В. Можно ли в гирлянде использовать лампочки для карманного фонаря с рабочим напряжением 3,5 В? Решение. Лампочки одинаковы и соединены последовательно, поэтому напряжение в сети (220 В) распределяется между лампочками поровну соответственно их числу п. Чтобы лампочки горели нормально, в первом случае их число должно составлять 220 В _ „ - on р = II- Гирлянда может состоять и из любых других лампочек, например из лампочек для карманного фонаря, рассчитанных на напряжение 3,5 В. В этом случае их число в гирлянде должно быть не меньше щ = 220 В 3,5 В = 63. Проверьте себя 1. Какое соединение проводников называют последовательным? 2. Перечислите основные свойства последовательного соединения проводников. 3. Нарисуйте схему цепи, состоящей из источника тока, лампы, реостата, ключа и амперметра, соединенных последовательно. 4. Является ли последовательным соединение резисторов R1 и R2 (рис. 89, а, б)? *5. Можно ли лампочку от карманного фонаря, рассчитанную на напряжение 4 В и силу тока 0,3 А, включить в городскую сеть напряжением 220 В, соединив ее последовательно с лампой, рассчитанной на напряжение 220 В и имеющей сопротивление 1100 Ом? R1 -С R2 т D- R3 R1 R2 Рис. 89 73 R1 Рис. 91 6. В елочной гирлянде, состоящей из одинаковых лампочек с рабочим на- j пряжением 20 В, одна из лампочек перегорела, и ее заменили короткой проволочной перемычкой, сопротивление которой близко к нулю. Каким станет напряжение на каждой из оставшихся лампочек, если напряжение в сети равно 220 В? 7. В цепи, схема которой изображена на рисунке 90, амперметр показывает 2 А, напряжение на резисторе R1 равно 6 В, а сопротивления резисторов R2 и R3 равны соответственно 2 и 4 Ом. Определите сопротивление первого резистора, общее сопротивление цепи и показание вольтметра V. 8. К двум последовательно соединенным лампам подключены вольтметры так, как изображено на рисунке 91. Вольтметр VI показывает 10 В, вольтметр V2 — 20 В. Сопротивление первого вольтметра равно 3 кОм. Каково сопротивление второго вольтметд)а? § 18. Параллельное соединение проводников Параллельное соединение. Если электрические приборы необходимо подключать к одному и тому же источнику тока и при этом иметь возможность включать и выключать каждый из них независимо друг от друга, то последовательное соединение приборов непригодно. В этом случае электрические приборы соединяют параллельно. Параллельным называют такое соединение проводников в цепи, при котором все они подключены к одной и той же паре точек. На практике каждый из проводников подключается к двум параллельным проводам. На рисунке 92 показаны электронагреватель, пылесос и люстра, включенные в розетки бытовой электрической сети. На рисунке 93 приведена монтажная схема этого соединения и видны два параллельных провода, к которым подключены и розетки, и приборы. Схема на рисунке 94 называется электрической принципиальной схемой. На ней два параллельных провода заменены парой точек Aw. В, к которым подключены все элементы параллельного соединения. 74 Рис. 92 Рис. 93 Рассмотрим свойства параллельного соединения. Они в определенном смысле противоположны свойствам последовательного соединения. Напряжение на проводниках, соединенных параллельно. Электрические заряды, проходя через общую точку параллельного соединения проводников, разделяются. Например, заряды, дойдя до точки А (рис. 95), разделяются на три неравные части: одна из них проходит через лампочку 1, другая — через лампочку 2, третья — через вольтметр. Однако напряжение источника приложено одновременно к каждой из ветвей параллельной цепи. Вольтметр, подключенный к точкам А и В (см. рис. 95), показывает напряжение и на лампочке i, и на лампочке 2: напряжение на всех участках цепи, соединенных параллельно, одинаково. Это свойство параллельного соединения проводников записывается так: и, = и, = и, =... = и„. (1) Именно по этой причине напряжение в розетках наших домов одинаково, и бытовые электроприборы, предназначенные для работы от сети, рассчитаны на одно и то же напряжение (220 В). Рис. 94 75 Рис. 96 Сила тока в проводниках, соединенных параллельно. Соберем электрическую цепь (рис. 96). Наблюдая за показаниями амперметров, нельзя не заметить, что сила тока до разветвления равна сумме сил токов в отдельных его ветвях: I = Ir+l2- Если бы у нас было не два проводника, а п, то сила тока до разветвления была бы равна сумме сил токов в п проводниках: I = h + h + h + - + In- (2) R\ h Сдпротивление параллельного разветвления. Каждая из ветвей параллельного разветвления обладает сопротивлением. Обозначим эти сопротивления через R^, i?2> Дч> •••> Д. (рис. 97), силу тока в каждой из ветвей — соответственно 1.^, 1^, ..., а общее напряжение на разветвлении — и. Чтобы найти общее сопротивление R параллельного разветвления, применим закон Ома ко всему разветвлению: и R' I = а также к каждой из ветвей: и /. = _ т =IL яг ^ Яг’ I - ^ ^3 I " ЯГ 76 Подставим значения силы тока в формулу (2): R Л, Лг Rz Rn Разделив правую и левую части этого равенства на U, получим: Л Л] Лг Лз R„ (3) С помощью этой формулы можно найти сопротивление R всего параллельного соединения, если известны сопротивления его ветвей. Общую формулу (3) чаще всего используют для цепи из двух параллельно соединенных проводников. В этом случае она принимает вид: 1 = ± + ± R Л] Лз ’ откуда R = _ Л1Л2 Ri + Лз‘ (4) Например, если параллельно соединены два резистора, сопротивления которых равны соответственно 4 и 12 Ом (рис. 98), то их общее сопротивление составит: 4 Ом • 12 Ом 48 Ом^ R = 3 Ом. 4 Ом + 12 Ом 16 Ом Обратите внимание: общее сопротивление (3 Ом) меньше наименьшего сопротивления, которым обладает первый из включенных резисторов (4 Ом). Это общее правило: добавление любого нового проводника в цепь параллельно соединенных проводников всегда уменьшает ее общее сопротивление. Формулу (3) очень удобно применять, если сопротивления проводников одинаковы (1?1 = i?2 = = ... = R„). В этом случае общее сопротивление цепи оказывается в п раз меньше сопротивления каждого из проводников: Например, если параллельно соединены два одинаковых проводника сопротивлением R каждый, то их общее сопротивление равно -j, если таких проводников три, то их общее R сопротивление равно и т. д. 4 Ом 12 0м 3 Ом Рис. 98 77 R Каким должно быть сопротивление вольтметра, чтобы его подключение'не вызывало заметного изменения силы тока в цепи? Пусть R — сопротивление участка, к которому нужно подключить вольтметр сопротивлением (рис. 99). После подключения вольтметра общее сопротивление участка окажется равным Ri = ДДв R + Ra (5) Чтобы сила тока в цепи не изменилась, отличие Д, от R должно быть небольшим. Условие Д, = Д будет выполнено тем точнее, чем больше будет Дд по сравнению с Д. Для примера допустим, что Д = 14 Ом (таково сопротивление нити накала горящей лампочки карманного фонаря). Если Дд = 10 Ом, то расчет по формуле (5) дает Д1 = 6 Ом, если же Дд = 1700 Ом (таково сопротивление школьного лабораторного вольтметра), то Д, « 14 Ом. Таким образом, сопротивление вольтметра должно быть значительно больше сопротивления того участка цепи, к которому подключается вольтметр. Сопротивление хороших вольтметров достигает десятков миллионов ом. ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ 1. Найдите общее сопротивление резисторов, включенных в цепь между точками М и N (рис. 100, а). Сопротивления резисторов равны соответственно Я, = 2 Ом, Яг= 4 Ом, Яз= 4 Ом, Я4= 3 Ом, Яз= 6 Ом. R1 R2 R\, 2 78 Решение. Резисторы RI и R2 соединены последовательно, их общее сопротивление равно + Ri = 2 Ом -t- 4 Ом = 6 Ом. Резисторы R4 к R5 соединены параллель- ^ „ Л4Л6 3 Ом 6 Ом „ ^ но, их общее сопротивление равно = 3 Qm + 6 Ом ” ^ С учетом этого схему, представленную на рисунке 100, а, можно заменить эквивалентной схемой (рис. 100, б). В этой схеме резисторы сопротивлениями R^n R^^, соединенные последовательно, можно заменить резистором сопротивлением Дз .,.5 = 4 Ом + + 2 Ом = 6 Ом (рис. 100, в). Общее сопротивление резисторов сопротивлениями Д, j = 6 Ом и Д34.5 = 6 Ом, соединенных параллельно, равно искомому сопротивлению между точ- 6 Ом —я:— = 3 Ом. Ш нами М ¥1 N, т. е. R^n = Ответ: 3 Ом. 2. Два резистора R1 и R2 соединены параллельно и подключены к источнику тока (рис. 101). Сила тока в цепи равна / = 2 А. Сопротивления резисторов равны соответственно Я, = 40 Ом и Яг = 60 Ом. Определите силу тока в каждом резисторе. Решение. Общее сопротивление резисторов составляет „ ^ Д1Д2 ^ 40 Ом 60 Ом ^ Ri + R2 40 Ом 60 Ом В соответствии с законом Ома напряжение U между точками М я N равно: I/ = /Д = 2 А • 24 Ом = 48 В. Применяя закон Ома к каждому из резисторов, получим, что сила тока в первом резисторе равна , и 48 В , „ * h = ~Б- = = 1-2 А, Ri 40 Ом а сила тока во втором резисторе — I2 = ^ ^ 48 В Дг 60 Ом = 0,8 А. Силу тока /г можно также найти, пользуясь свойством параллельного соединения проводников: /2 = /-/, = 2А - 1,2 А = 0,8 А. Ответ: 1,2 А; 0,8 А. Проверьте себя 1. Какое соединение элементов называют параллельным? 2. Почему все осветительные приборы в наших домах подключены к сети параллельно? 79 а г RI R3 R2 Рис. 102 Рис. 103 3. Как связана сила тока в отдельных ветвях параллельного соединения с общей силой тока? 4. Как соединены лампочки (рис. 102)? 5. Можно ли назвать соединение резисторов (рис. 103) последовательным? параллельным? 6. Как найти общее сопротивление двух резисторов, соединенных параллельно? 7. Чему равно общее сопротивление двух резисторов, имеющих одинаковые сопротивления и соединенных параллельно? 8. В каком из двух параллельно соединенных резисторов сила тока больше: в резисторе большего или в резисторе меньшего сопротивления? 9. Кусок проволоки сопротивлением 12 Ом разрезали пополам и полученные половины соединили параллельно. Каково сопротивление этого соединения? 10. Подсчитайте общее сопротивление резисторов (рис. 104, а, б\ сопротивления резисторов указаны в омах). Постарайтесь решить задачу устно. R1 R2 R1 R2 R3 Rl = 3 Ом Рис. 105 Рис. 106 11. Подсчитайте общее сопротивление резисторов, общую силу тока и силу тока в каждом резисторе (рис. 105). Постарайтесь решить задачу устно. 12. В схеме (рис. 106) необходимо с помощью амперметра измерить силу тока в каждом из резисторов R1, R2, R3 и с помощью вольтметра — напряжение на каждом из них. Опишите действия, необходимые для проведения этих измерений, и способ подключения приборов. 13. На рисунке 107 приведены вольт-амперные характеристики каждого из двух параллельно соединенных участков цепи. Чему равна сила тока в каждом участке при напряжении 4 и 5 В? Какой из участков имеет большее сопротивление и во сколько раз? 14. На рисунке 108 а, (1 изображены две схемы смешанного соединения резисторов, сопротивления которых равны соответственно: 7?, = 1 Ом; Яг = = 2 Ом; Я, = 6 Ом; Я., = 1 Ом. Амперметр (см. рис. 108, а) показывает силу тока 1 А, а вольтметр (см. рис. 108, б) — напряжение 12 В. Определите для обеих схем силу тока во всех резисторах, а также напряжение на резисторе R2 и между точками А и D. Рис. 108 81 § 19. Работа электрического тока Вам уже известно, что в электрической цепи есть два участка: внутренний, в источнике тока, и внешний, в который включены приборы (потребители). На внутреннем участке электрической цепи происходит преобразование неэлектрической энергии (механической, химической, энергии излучения и др.) в энергию электрического поля. А на внешнем участке цепи электрический ток совершает работу, в результате чего энергия электрического поля превращается в другие виды энергии. Например, в электродвигателях энергия электрического поля превращается в механическую энергию, в электрической лампе — во внутреннюю энергию и в энергию излучения, в утюге — во внутреннюю энергию. Выясним, как можно подсчитать работу электрического тока. Что надо измерить для вычисления работы электрического тока? В § 13 мы установили, что работа тока зависит не только от силы тока или от значения прошедшего по цепи электрического заряда, но и от характеристик поля, приводящего заряды в движение. Одной из таких характеристик является напряжение на участке цепи. Оказывается, знание двух физических величин — силы тока и напряжения достаточно, чтобы выявить те участки цепи, в которых ток совершает одинаковую работу, и те, где эта работа различна. Для последовательного соединения лампочек мы в этом убедились на опытах (см. рис. 67, а, б). Убедимся, что и в случае параллельного соединения лампочек показания амперметров и вольтметров также позволяют отличить те участки цепи, в которых ток совершает одинаковую работу, от тех участков, где эта работа различна. Напомним, что оценку работы электрического тока мы производим визуально по яркости свечения лампочек, считая эту работу большей в той лампочке, в которой нить накала нагревается сильнее. Если лампочки одинаковы, то светят они одинаково (рис. 109, а), и, значит, ток производит в них одинаковую работу. При этом включенные амперметры показывают одинаковую силу тока, одинаково и напряжение на лампочках, поскольку они соединены параллельно (см. рис. 109, а). Схема этой установки изображена на рисунке 109, б. Возьмем теперь разные лампочки. Их накал различен (рис. ПО, а). Так как лампочки соединены параллельно, вольтметр опять показывает на них одинаковое напряжение. Однако более яркую из них (1) (см. рис. ПО, а, б), в которой ток производит большую работу, выявляет теперь амперметр А1 показывающий большую силу тока, чем амперметр А2. Работой электрического тока (см. § 13) мы назвали работу, которую совершает электрическое поле при перемещении заряда во внешней цепи. Для нее мы получили формулу: A = Uq, 82 где и — напряжение на участке цепи, q — прошедший по участку заряд. Но, как вы знаете, электрический заряд можно выразить через силу тока: q - It. Подставив в формулу работы значение заряда q, получим: - + А = ип. (1) Работа электрического тока на участке цепи равна произведению напряжения на этом участке на силу тока в нем и на время Рис. 109 протекания тока. Поскольку напряжение и силу тока на участке цепи можно измерить вольтметром и амперметром, формула (1) удобна для нахождения работы тока. Электрический ток, проходя по проводнику, может производить разные действия: механическое, тепловое, химическое, магнитное, физиологическое. Для осуществления любого из этих действий и совершается током определенная работа. По формуле (1) работу тока можно вычислять независимо от того, в какой вид энергии на рассматриваемом участке цепи превращается электрическая энергия. Если прохождение тока сопровождается одновременно несколькими действиями, то с помощью формулы (1) подсчитывается полная работа тока на участке цепи. Из формулы (1) следует, что 1 Дж = 1 В • 1 А • 1 с. Другие формулы для расчета работы электрического тока. Кроме основной формулы (1) для расчета работы электрического тока, используя закон Ома для участка цепи, можно получить еще две формулы. 83 Допустим, что сила тока в участке цепи неизвестна, но известны напряжение U на этом участке и его сопротивление R. В этом случае, пользуясь законом Ома / = -^, полу- н чим формулу: А - Rt. (2) Рис.110 Этой формулой удобно пользоваться при расчете работы тока в проводниках, соединенных параллельно, поскольку в нее входит напряжение U, которое в этом случае одинаково на всех проводниках. Из формулы (2) следует, что при параллельном соединении наибольшую работу за одно и то же время ток производит на участке цепи с наименьшим сопротивлением (если Л, < то Ai > Аг). Если неизвестно напряжение на участке цепи, но известны его сопротивление и сила тока в нем, то, заменив в формуле (1) напряжение U на произведение IR, получим: А = PRt. (3) Формула (3) удобна для вычисления работы тока в проводниках, соединенных последовательно, поскольку сила тока I в этих проводниках одинакова. Из этой формулы следует, что при последовательном соединении проводников наибольшую работу за одно и то же время ток производит в проводнике, обладающем наибольшим сопротивлением (если Л, > Лг, то Aj > Аг). При расчетах имейте в виду, что работа тока во внешней цепи при любом соединении проводников равна сумме работ на отдельных проводниках цепи. 84 ПРИМЕР РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ Резисторы, сопротивления которых равны Я, = 40 Ом и Яг = 60 Ом, соединены параллельно. Сила тока в цепи равна / = 2 А. Какую работу совершает электрический ток в каждом резисторе за 1 мин? Решение. Резисторы соединены параллельно, и их общее сопротивление равно „ ^ RiR-г ^ 40 Ом 60 Ом ^ Я, + Да 40 Ом + 60 Ом Пользуясь законом Ома, находим общее напряжение на резисторах: )7 = /Я = 2 А • 24 Ом = 48 В. Теперь по формуле (2) находим работу тока А, в первом резисторе: _ (48 В)^ А, - —t = И во втором резисторе: г2 40 Ом ^ Яг 60 Ом 60 с = 3456 Дж •» 3,5 кДж 60 с = 2304 Дж =» 2,3 кДж. Поскольку Я, < Яг, работа А, больще работы А^. Ответ: А, = 3,5 кДж, Ag = 2,3 кДж. Проверьте себя 1. Что понимается под работой электрического тока? 2. Как доказать, что для оценки работы тока недостаточно измерения только силы тока? только напряжения на участке цепи? 3. Выведите основную формулу для расчета работы электрического тока. 4. Напишите три формулы, по которым можно рассчитать работу электрического тока. Когда удобно использовать каждую из них? 5. К источнику тока параллельно подключены две лампочки. Одна из лампочек светит слабее, а другая — ярче (рис. 111). В какой из них ток производит большую работу? Сопротивление какой из лампочек больше? 6. К источнику тока последовательно подключены две лампочки. Одна из лампочек светит слабее, а другая — ярче (рис. 112). В какой из них ток производит большую работу? Сопротивление какой из лампочек больше? Рис. 111 85 7. Для вращения электрического двигателя его подключили к сети с напряжением 220 В. Сила тока в двигателе равна 3 А. Какую работу со-* вершит ток за 5 мин вращения двигателя? § 20. Электрическая мощность Мощность электрического тока. Нас часто интересует: какую электрическую лампочку надо приобрести, чтобы она создавала лучшее освещение комнаты, какой из двигателей за одно и то же время совершит большую работу или в каком электрическом чайнике быстрее закипит вода. Ответить на подобные вопросы помогает важная характеристика электрического тока — его мощность. Мощность электрического тока — физическая величина, которая характеризует скорость передачи электрической энергии или скорость преобразования электрической энергии в другие виды энергии. Мощность тока равна отношению работы тока к промежутку времени, за который эта работа совершена: р.А где Р — мощность тока. Так как А = Ult, то для электрической мощности получается выражение: Р = UI. (1) В СИ мощность тока выражают в ваттах (обозначается: Вт): 1 Вт = = 1 Дж/с. Кроме формулы (1) для расчета электрической мощности пользуются также формулами и Р=^ R Р = PR. (2) (3) Мощность тока во всей внешней цепи при любом соединении элементов равна сумме мощностей на отдельных участках цепи. Мощность тока в подводящих проводах часто называют потерями мощности. Например, если сопротивление подводящих проводов равно 2 Ом, то при силе тока 2 А потери мощности составляют Р = PR = (2 А)^ • 2 Ом = 8 Вт. 86 Электрическая мощность прибора. Мощность Р, потребляемую прибором от источника тока, т. е. мощность тока, необходимую для нормальной работы прибора, называют электрической мощностью прибора. Значение мощности Р указывают в паспортах электронагревательных приборов (кипятильников, электрочайников, грелок, паяльников, телевизоров, холодильников и т. п.), а также на электрических лампочках. Зная эту мощность, легко рассчитать работу А, которую должен совершить ток, чтобы прибор действовал в течение заданного времени t: А = Pt. Эта работа равна также электрической энергии Е, потребляемой прибором от источника тока. Например, холодильник мощностью Р = 50 Вт за месяц круглосуточной работы потребляет от электрической сети энергию, равную £ = Pf = 50 Вт 3600 с • 24 30 = 130 000 000 Дж = 1,3 • 10" кДж. Часто при расчетах электрическую энергию выражают не в джоулях, а в киловатт-часах. Киловатт-час (кВт • ч) равен работе, которую совершает ток за 1 ч при мощности 1 кВт: 1 кВт • ч = 1000 Вт • 3600 с = 3 600 000 Дж = 3600 кДж. Таким образом, холодильником за месяц расходуется электрическая энергия, приблизительно равная 36 кВт ■ ч. Электрический счетчик. Израсходованную электрическую энергию измеряют специальными приборами — счетчиками (рис. 113), которые имеются почти во всех домах и квартирах. Электрический счетчик включается последовательно в общую цепь жилищной проводки. Если в помещении включен свет или работает какой-либо прибор, то в общей цепи, и в том числе через счетчик, идет ток. При прохождении тока в счетчике вращается горизонтально расположенный диск. Вращение происходит заметно быстрее, если в помещении включен прибор, потребляющий большую мощность, например электрическая плита или стиральная машина. Число оборотов диска пропорционально электрической энергии, потребляемой приборами. Поэтому, зная, сколько оборотов сделал диск, например, за день или за месяц, можно найти израсходованную электроэнергию. Рис. 113 87 На рисунке 114, а приведены показания счетчика в начале месяца, а на рисунке 114, б — в конце месяца. Расход энергии равен: 827 кВт ч - 415 кВт • ч = 412 кВт ■ ч. ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ 1. Определите сопротивление раскаленной нити электрической лампы мощностью 100 Вт, если она работает при напряжении 220 В. Решение. Воспользуемся формулой Р = и найдем сопротивление лампы: н R- ^ R р ■ Подставив данные задачи, получим: R = _ (220 Bf = 480 Ом. Р 100 Вт Ответ: R = 480 Ом. 2. Диск квартирного электросчетчика совершил за месяц 382 500 оборотов. Известно, что каждому киловатт-часу израсходованной электрической энергии соответствует 1250 оборотов диска. Мощность и время работы электроприборов в квартире приведены в таблице 8. Какова мощность телевизора? Таблица 8 Электроприбор Мощность, Вт Время работы за сутки, ч Электролампы 600 6 Холодильник 50 24 Электроплита 1200 4 Музыкальный центр 100 2 Телевизор 6 88 Решение. Судя по показаниям счетчика за месяц в квартире была израсходо-382500 вана энергия, равная ГИЯ, равная Е = 306 1250 кВт ч = 306 (кВт ■ ч). При этом за сутки расходовалась энер- 30 = 10,2 кВт ■ ч. По данным таблицы энергия, необходимая для ежедневной работы всех потребителей, кроме телевизора, составляет £, = 0,6 кВт • 6 ч -t- 0,05 кВт • 24 ч -I-+ 1,2 кВт • 4 ч И- 0,1 кВт ■ 2 ч = 9,8 кВт ■ ч. Таким образом, телевизор потребляет за день энергию, равную = £-£,= о 4 кВт • ч = 0,4 кВт • ч. Мощность телевизора Р = ——^---- = 0,067 кВт = 67 Вт. о ч Ответ: 67 Вт. ЭТО ИНТЕРЕСНО! Для производства электроэнергии, равной 1 кВт • ч, на тепловых электростанциях расходуется примерно 600 г каменного угля или 300 г мазута. За счет этой электроэнергии можно произвести 2,7 кг газетной или 1,5 кг писчей бумаги; 39 кг сахарного песка или 1 м^ хлопчатобумажной ткани; добыть 30 кг нефти или 15 кг железной руды; выплавить 0,5 кг стали или получить 0,2 кг алюминия. Проверьте себя 1. Что называется мощностью электрического тока? 2. Что характеризует мощность электрического тока? 3. Что называют электрической мощностью прибора? 4. Для чего служит электрический счетчик и как он включается в общую цепь жилищной проводки? 5. Какая единица используется в счетчике для учета израсходованной электрической энергии? Выразите ее в единицах СИ. 6. Когда в помещении включается прибор, потребляющий большую мощность, накал включенных ламп становится слабее. Почему? *7. Когда два прибора подключили в сеть параллельно, то один из них потреблял мощность Р,, а другой — Pj- Когда те же приборы соединили последовательно, потребляемые ими мощности составили соответственно Рз и Р^. Какова общая мощность, потреблявшаяся приборами в каждом случае? 89 §21. Тепловое действие тока Закон Джоуля—Ленца. Закон, количественно описывающий тепловое действие тока, опытным путем установили английский физик Джеймс Джоуль в 1841 году и независимо от него российский ученый Эмилий Христианович Ленц в 1842 году. Он называется законом Джоуля—Ленца и читается так: Количество теплоты, вьщеляемое проводником с током, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения по нему тока. Математически закон Джоуля—Ленца выражается формулой: Q = PRt. (1) Как вы видите, правая часть этой формулы совпадает с правой частью формулы (3) для полной работы тока А (см. § 19). Это может быть только тогда, когда работа тока на участке цепи затрачивается целиком на нагревание проводников (А = Q). Во всех остальных случаях А > Q, т. е. за счет работы тока происходит не только нагревание проводника, но и совершается механическая работа. Таким образом, для вычисления количества теплоты, выделенного током, формула (1), выражающая закон Джоуля—Ленца, пригодна во всех случаях. Применение же с этой целью выражений А = PRt, А = Ult или А = —г возможно только в тех случаях, когда рассматриваемый участок н нагревается, но не работают двигатели и не происходят иные процессы, сопровождающиеся совершением работы. При этом условии для подсчета количества теплоты, выделяемого в проводниках, кроме формулы (1) можно также пользоваться и формулами: и Q = lUt. (2) (3) Джоуль Джеймс (1818-1889) Количество теплоты, выделяемое в проводнике в единицу времени, т. е. мощность Р = у> легко подсчитать по формулам: Р = PR; Р = Ш. 90 Ленц Эмилий Христианович (1804-1865) Явления, связанные с тепловым действием тока. Приборы, использующие тепловое действие тока, очень разнообразны. Трудно представить современную жизнь без электроплиток, электрочайников, утюгов, фенов для сушки волос, паяльников и т. д. Эти приборы работают потому, что при прохождении тока по проводнику он нагревается. Во всех подобных приборах нагревательные элементы устроены одинаково и состоят из собственно нагревательного элемента 1 и соединенных с ним подводящих проводов 2 (рис. 115). Условное обозначение нагревательного элемента приведено в таблице 2. Подводящие провода и нагревательные элементы соединены последовательно, и сила тока в них одинакова. Почему же при холодных подводящих проводах нагревательный элемент может быть раскаленным? Дело в том, что сопротивление нагревательного элемента намного больше сопротивления проводов, а при последовательном соединении наибольшее количество теплоты выделяется в участке с наибольшим сопротивлением (вспомните закон Джоуля—Ленца). Чтобы обеспечить нужное соотношение сопротивлений, подводящие провода делают из меди и увеличивают их диаметр, а проводник в нагревательном элементе выполняют из материала с большим удельным сопротивлением (например, из нихрома) и его диаметр уменьшают. Нагревательные элементы электрического утюга, чайника и фена показаны на рисунке 116. Знакомые вам бытовые электрические лампы фактически тоже являются нагревательными приборами. Их нагревательный элемент — тонкая Рис. 115 Рис. 116 91 Рис. 117 вольфрамовая спираль 1 (рис. 117) с помощью специальных держателей 2 укрепляется внутри стеклянного баллона, который заполнен инертным газом (аргоном или криптоном), предотвращающим окисление вольфрама. Баллон укреплен в цоколе 3, к которому выведены токоведущие проводники от вольфрамовой спирали. Лампа с помощью цоколя ввинчивается в патрон (рис. 118), конструкцию которого еще в XIX веке предложил американский изобретатель Т. Эдисон*. На баллоне лампы указываются ее рабочее напряжение и электрическая мощность (например, 220 В; 60 Вт). Лампы накаливания являются удобными, простыми и надежными источниками света, но, к сожалению, они экономически малоэффективны. Так, в лампе мощностью 100 Вт только 4% потребляемой электроэнергии преобразуется в энергию светового излучения, т. е. по прямому назначению, остальные же 96% тратятся на нагревание нити накаливания и окружающего воздуха. Тепловое действие тока используется и в плавких предохранителях, в каждом из которых также есть нагревательный элемент. Предохранитель всегда включается в цепь последовательно с защищаемым электроприбором. На предохранителе указывают максимальную силу тока, на которую он рассчитан, например: 0,5 А, 1 А, 10 А и т. д. На рисунке 119, а показана так называемая пробка — плавкий предохранитель электрической сети жилых помещений. Пробка имеет винтовую нарезку 1 (рис. 119, б) и центральный контакт 2 и ввинчивается в патрон, к которому подходят подводящие ток провода. Ток проходит через пробку и поступает в квартирную электропроводку. Если сила тока в проводнике превышает максимальное значение, на которое рассчитана пробка, то нагревательный элемент — тонкая свинцовая проволочка 3 внутри ее корпуса (см. рис. 119, б) — сильно разогревается и плавится, разрывая цепь и устраняя опасность пожара. Условное обозначение предохранителя приведено в таблице 2. С тепловым действием тока связано явление, которое называется коротким замыканием. Короткое замыкание возникает, когда провода. ' Т. Эдисон (1847—1931) — американский электротехник-изобретатель, получивший патенты более чем на 1000 изобретений. 92 находящиеся под напряжением, соединяются между собой, например при попытке отремонтировать электрические приборы (рис. 120), что делать ни в коем случае нельзя. При этом провода, подводящие ток, сильно нагреваются, изоляционная оболочка, в которой они находятся, загорается, и начинается пожар «из-за неисправности электропроводки». Допустим, например, что сопротивление подводящих'проводов составляет 0,1 Ом. В цепи с напряжением 220 В при ее коротком замыкании сила тока составит: 220 В = 2200 А1 R 0,1 Ом В соответствии с законом Джоуля—Ленца в проводах всего за 0,1 с выделится количество теплоты, равное Q = PRt = (2200 А)2 0,1 Ом 0,1 с = 48 400 Дж, которого достаточно, чтобы не только нагреть, но и расплавить 80 г меди. Возгорание не произойдет, если в цепи имеется плавкий предохранитель. * Электрическая дуга. Эффективным преобразователем электрической энергии во внутреннюю энергию является электрическая дуга, которую используют и в качестве источника света, и — особенно широко — для сварки и плавления металлов. Температура дуги может превышать 20 000 °С. Для получения электрической дуги надо взять два угольных стержня и, присоединив к ним провода, закрепить в хорошо изолирующих держателях (рис. 121). Провода подключают к специальному источнику тока. Рис. 120 Рис. 121 93 создающему большую силу тока (до 20 А) при невысоком напряжении (от 10 до 50 В). • При соприкосновении концы стержней сильно раскаляются. Если в этот момент стержни раздвинуть, между ними возникнет яркая дуга светящегося газа. Как источник света пламя дуги используется в прожекторах, причем дуга по сравнению с другими источниками света обладает наибольшим КПД преобразования электрической энергии в энергию светового излучения*. ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ 1. Электрический кипятильник мощностью Р = 1 кВт рассчитан на напряжение и = 220 В. Сопротивление его подводящих проводов Я„р = 2 Ом. Сравните мощность, выделяющуюся в кипятильнике, с потерями мощности в подводящих проводах. \2 Решение. Кипятильник имеет сопротивление R = U‘‘ _ (220 В)“ ■ 48 Ом. Пред- Р 1000 Вт ставим себе кипятильник и подводящие провода как два последовательно соединенных проводника (рис. 122) с общим сопротивлением = R + Д„р “ 48 Ом -Ь 2 Ом = 50 Ом. Сила тока в проводниках равна и 220 В 1 = R, общ 50 Ом = 4,4 А. Q в соответствии с законом Джоуля—Ленца, записанным в форме Р = ~^ = PR, мощ- ность, выделяющаяся в кипятильнике, составит Р„ = (4,4 АУ 48 Ом = 930 Вт, тогда как потери мощности в прюводах будут составлять всего Р„ = PR,,,, 930 (4,4 АУ 2 Ом = 39 Вт, т. е. в 39 = 24 раза меньше. Ответ: Р„ = 930 Вт, Р„ = 39 Вт. 2. В электрическом чайнике мощностью 1,8 кВт находится 1,5 л воды при температуре 40 °С. Для нагрева воды до 50 °С при закрытой крышке чайника потребовалось 37 с, а при открытой — 50 с. Каков КПД чайника в этих двух случаях? Удельная теплоемкость воды с, = 4200 Дж/(кг ■ °С), плотность воды р, = 1000 кг/м^. Решение. Коэффициентом полезного действия (КПД) называется отношение П = ^ ■ 100%, где А — работа, которую приходится совершать для приведения в действие используемого механизма или устройства; — часть совершенной работы, которая используется для достижения полезного 220 В Г L_ гг пр R Рис. 122 94 эффекта. Чайник — это устройство, в котором работа электрического тока используется для нагревания не только воды, но и самого чайника, а также окружающего воздуха. Полезным же эффектом является только нагревание воды. Работу электрического тока подсчитываем по формуле А = РТ, где Т — время нагревания. При закрытой крышке чайника: А, = PTi - 1800 Вт ■ 37 с = 66 600 Дж «= 67 кДж, при открытой крышке: А-2 = РТ^ = 1800 Вт • 50 с = 90 000 Дж - 90 кДж. Полезная работа тока, за счет совершения которой происходит нагревание воды, в обоих случаях одинакова: Л.ОЛ “ Q = (fj - «,) = c,p,F, (<2 - f,) = = 4200 0,0015 • 10 °С = 63 000 Дж = 63 кДж. кг • °С Поэтому КПД чайника при закрытой крышке: а при открытой крышке: П2 Ответ: г|, « 94%, = 70%. _ -^пид 100У« = S ^ д 67 кДж _ Дюл •100%- д 90 кДж ЭТО ИНТЕРЕСНО! • Лампа накаливания была изобретена в 1872 году российским электротехником Александром Николаевичем Лодыгиным (1847—1923). Нагревательным элементом первой лампы был тонкий угольный стерженек 1, светившийся в результате разогрева электрическим током (рис. 123). Срок службы такой лампы составлял всего 30—40 мин. • В 1877 году о работах Лодыгина узнал Т. Эдисон. Для усовершенствования нагревательного элемента лампы он перепробовал более шести тысяч материалов, собранных со всего света, и в конце концов остановился на тонких бамбуковых волокнах, обработанных специальным химическим составом. Продолжительность работы такой лампы достигла 800 ч. • В настоящее время мировое производство ламп накаливания составляет свыше 10 млрд штук в год, а количество разновидностей ламп превышает 2000. Проверьте себя 1. Сформулируйте закон, открытый Дж. Джоулем и Э. X. Ленцем. 2. При каких условиях работа тока в проводнике равна количеству теплоты, выделяющемуся при этом в проводнике? 95 3. Приведите три формулы, по которым можно рассчитывать количество теплоты, выделяющееся в проводнике с током. < *4. Согласно закону Джоуля—Ленца (Q = PRt) количество теплоты Q, выделяющееся в проводнике с током, прямо пропорционально сопротивле- 7у2 нию проводника R. Согласно же формуле Q = —t количество теплоты R обратно пропорционально R, а по формуле Q = lUt количество теплоты вообще не зависит от сопротивления. Разрешите это кажущееся противоречие. 5. Вы включили в розетку электрический чайник. Почему вода в нем нагревается, а подводящие ток провода не нагреваются? 6. Почему нельзя включать в сеть пустой электрический чайник? 7. Почему ненадежное соединение проводников в электропроводке пожароопасно? 8. Сила тока, необходимая для работы электрического прибора, равна 0,9 А. Имеются три плавких предохранителя, рассчитанных на максимальную силу тока 0,5А, 1Аи1,5А. Какой из них необходимо использовать для защиты прибора от перегрева? 9. Если предохранитель перегорает, его нужно заменить новым с проволочкой того же диаметра. Почему новая проволочка ни в коем случае не должна быть толще перегоревщей? 10. Каков (примерно) КПД электрической лампы накаливания? *11. Электрическая дуга возникла между электродами, подключенными к источнику напряжением 10 В, сила тока при этом составляет 20 А. Определите сопротивление дуги и потребляемою ею электрическую мощность. *12. Электрический чайник закипает за 15 мин. В нагревательном элементе чайника использован нихромовый провод длиной 6 м. Какую длину должен иметь этот провод, чтобы чайник закипал за 7 мин? Нагревом корпуса чайника и окружающего воздуха пренебречь. *13. В электрическом чайнике нагревают холодную воду. Когда КПД чайника больше: в течение первых 10 с нагревания или в течение 10 с перед закипанием воды? i *§ 22. Электричество в быту Действие электрического тока на человека. Тело человека является проводником. Действие, которое оказывает на него электрический ток, зависит от силы тока. Поэтому в зависимости от электрического сопротивления участка тела одно и то же напряжение может вызвать разные последствия и разные повреждения органов человека. Кроме того, степень воздействия зависит от характера тока, т. е. от того, является ли ток постоянным или сила тока и его направление изменяются с течением 96 времени, а также от длительности прохождения тока. Обычно человек не ощущает воздействия постоянного тока, если сила тока менее 1^ = 2—6 мА (см. табл. 9). Таблица 9 Действие постоянного тока на человека Сила тока, мА Порог чувствительности 2—6 Зуд, ощущение нагрева 5—20 Нагрев, болезненные ощущения 10—25 Мышечные судороги, затруднение дыхания 50—80 Паралич дыхания, остановка сердца 90—100 Сопротивление человеческого тела может меняться в довольно широких пределах. На его значении сказывается состояние человека, наличие на его поверхности влаги. Обычно ток сначала проходит через кожный покров человека. Сопротивление сухой огрубевщей кожи велико, а влажной, тонкой и нежной — мало. Различные повреждения (порезы, царапины, ссадины) также снижают сопротивление кожи. При сухой неповрежденной коже сопротивление тела человека от пальцев одной руки до пальцев другой составляет i? = 100 кОм и более. В этом случае безопасным для человека будет напряжение Uq = IqR = 200—600 В. Если же руки влажные, сопротивление между пальцами рук уменьшается до 1500 Ом и более, и смертельно опасным оказывается напряжение = 0,1 А • 1500 Ом = 150 В. В сухих помещениях с чистым воздухом безопасным для здорового человека считается напряжение 50 В. Однако на теле человека есть особые точки, расположенные на шее и мочках ушей (акупунктурные точки), сопротивление между которыми очень мало. При прохождении тока между ними смертельным может оказаться напряжение 10—15 В. Следует также иметь в виду, что физиологическое воздействие переменного тока, используемого в бытовой электрической сети, в несколько раз превышает воздействие постоянного тока. Слабые токи могут оказывать и полезное действие, которое используется в медицине для диагностики (распознавания) и лечения некоторых заболеваний. Так, недостаточная реакция мышечных тканей или нервных окончаний на электрическое раздражение свидетельствует об определенных травмах. Пропускание постоянного тока может вызывать лечебное воздействие; влиять на функции тканей, уменьшать боль, вызывать улучшение кровоснабжения, стимулировать деятельность нервной системы. 97 Рис. 124 Электрическая сеть жилого дома. Проводка во всех квартирах выполнена примерно так, как показано на рисунке 124. Вводимые в квартиру провода обязательно проходят через счетчик электроэнергии Сч, на котором установлены предохранители Пр. От предохранителей провода идут к потребителям: электрическому звонку Зв, который включается кнопкой Кн, розеткам для бытовых приборов, осветительным лампам (через выключатель), люстре в гостиной и другим приборам. В ванной комнате лампа устанавливается в специальном водонепроницаемом колпаке. Установка розеток в ванной комнате запрещена, чтобы исключить возможность одновременного прикосновения к токонесущим проводам и к трубам, соединенным с землей. Какими должны быть провода и предохранители в сетевой проводке? Тепловое действие тока проявляет себя не только в специальных нагревательных элементах, но и в обычной проводке. Если ток по проводнику идет непрерывно, проводник нагревается, но его температура, достигнув определенного значения, перестает повышаться и остается постоянной. Например, провода в наших домах имеют температуру не выше комнатной; температура нагревателя в электрическом чайнике с водой составляет 300— 350 °С, а вольфрамовые нити накала электрических ламп после их включения нагреваются до 2000—2300 °С. Прекращение роста температуры проводника с током означает, что вся энергия, получаемая проводником в результате работы тока, путем теплообмена полностью передается окружающей среде. Чем больше площадь сопри- 98 косновения проводника со средой (воздухом), тем быстрее происходит теплообмен. Поэтому для предотвращения сильного нагрева проводника площадь его поверхности, а значит, и его толщину необходимо увеличивать, а для увеличения нагрева — уменьшать. По этой причине на электростанциях и в линиях электропередачи используют толстые провода, а проводники нитей накаливания электроламп и нагревательных элементов делают тонкими. Из-за опасности перегрева существуют ограничения на силу тока в проводах заданной толщины. Например, в медном проводе диаметром 1 мм максимальная сила тока составляет 10 А. При большей силе тока рабочая температура провода будет высокой и возникнет опасность пожара вследствие возгорания его изолирующей оболочки. Проводка в старых домах не рассчитана на одновременную работу мощных современных электроприборов. Поскольку напряжение U в квартирных розетках известно, то по формуле I = ^ всегда можно определить, какое значение имеет сила тока в проводах квартиры при той или иной суммарной мощности Р одновременно работающих приборов и устройств. Сопоставив найденное значение I с «пропускной способностью» квартирной проводки, нетрудно сделать вывод о степени пожарной опасности. Например, при одновременной работе холодильника мощностью 50 Вт, телевизора мощностью 70 Вт и кухонной электроплиты мощностью 1000 Вт сила тока в сетевой проводке с напряжением U = 220 В будет равна 1120 Вт 220 в “ 5 А. Если проводка выполнена из медных проводов диаметром 1 мм, эта ситуация безопасна, поскольку сила тока меньше максимально допустимого значения 1^^ = 10 А для этих проводов. Но если дополнительно включить в сеть стиральную машину мощностью 800 Вт и шесть лампочек электрического освещения мощностью 100 Вт каждая, сила тока возрастет до 11,4 А и возникнет опасность пожара. Из сказанного становится ясно, что для эффективной работы сетевых предохранителей указанное на них значение силы тока не должно превышать максимальной силы тока, при которой квартирная проводка перегревается. Опасные ситуации при работе с электрическими приборами. При работе с электрическими приборами необходимо строго и неуклонно соблюдать меры предосторожности. Вот некоторые из них: ♦ нельзя использовать неисправные электроприборы; ♦ перед заменой перегоревших электроламп необходимо вывернуть сетевые предохранители (пробки), т. е,, как говорят, обесточить квартиру; ♦ нельзя прикасаться одновременно к проводам сети, а также к массивным металлическим предметам и водопроводным трубам; 99 ♦ запрещается работать мокрыми руками и пользоваться влажными металлическими инструментами, а также инструментами без изоЛи рующих ручек. Если вы не следуете этим правилам, ваша жизнь будет подвергаться опасности. Чтобы ее избежать, необходимо знать очаги электроопасности и ситуации, в которых они возникают. Главное, нужно помнить, что тело человека — проводник. Если человек случайно «включит» свое тело в сеть, то не избежит тяжелейшей травмы, а возможно, и смерти. ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ 1. Напряжение между проводами на выходе из электростанции U = 228 В. Сопротивление проводов между электростанцией и потребителем Д„р= 0,1 Ом. Каким будет напряжение в розетках потребителя, если приборы в розетки не включены? если приборы включены и их суммарная мощность Р, = 15 кВт? Рг = 50 кВт? Мощность приборов не зависит от напряжения в розетке. Решение. Если приборы в розетки не включены, то внешняя цепь разомкнута, ток по проводам не течет, и работа тока отсутствует. Поэтому напряжение в розетках будет равно напряжению на выходе электростанции (228 В). При включении приборов по проводам и через приборы потечет ток. Приборы и подводящие провода подключены к электростанции последовательно. В соответствии с законом Ома сила тока будет равна и 1 = Дпр + R (1) где и = 228 В — напряжение на выходе из электростанции, R — сопротивление приборов. Силу тока и сопротивление приборов можно также найти по формулам 41 р' где 1/р — искомое напряжение в розетках, Р — мощность приборов. Подставив значения I и R в формулу (1), для нахождения напряжения в розетках получаем уравнение р и t/o R Аф + р Решая уравнение, найдем - ии, + R„J> = 0. и. ■ 2 + V 4 ДфГ. 100 Подставив числовые значения, получим, что при Р, = 15 кВт = 221 В, а при г= 50 кВт £/р *= 203 В. Ответ: при мощности 15 кВт напряжение в розетках составит приблизительно 221 В, а при мощности 50 кВт — приблизительно 203 В. 2. Осветительная сеть в помещении проложена медными проводами диаметром 1 мм, а плавкий предохранитель, установленный у входа, рассчитан на силу тока не более 16 А. Напряжение в сети 220 В. Могут ли в помещении одновременно работать электрические приборы суммарной мощностью Р = 2,5 кВт? Если нет, то какой может быть суммарная мощность приборов? Решение. При заданном напряжении в сети суммарная мощность приборов ограничивается максимальной силой тока в предохранителе, а также опасностью перегрева проводов. Для проверки выполнения первого ограничения вспомним, что все приборы включаются в сеть параллельно, и на каждый из них подается напряжение и = 220 В. Чтобы не перегорел предохранитель, общая сила тока в этих приборах не должна превышать = 16 А. При включении приборов суммарной мощностью Р = 2,5 кВт сила тока в цепи не превысит значения / = Р и 2,5 10® Вт 220 В 11 А, поэтому предохранитель не перегорит. Чтобы сетевые провода диаметром 1 мм не перегревались, сила тока в них не должна превышать = 10 А. Поскольку сила тока в цепи составляет 11 А, провода могут загореться, несмотря на наличие предохранителя. Исходя из этого, суммарная мощность приборов при данной проводке в помещении не может быть больше 220 В ■ 10 А = = 2,2 10" Вт. Ответ: не могут; не более 2,2 кВт. Примечание. Плавкий предохранитель в помещении установлен с нарушением правил безопасности. Для предотвращения перегрева имеющихся проводов его нужно заменить другим, рассчитанным на максимальную силу тока 10 А. Проверьте себя 1. Какое напряжение считается безопасным для человека? При каких условиях? 2. Сила тока 5 мА не ощущается человеком. Сопротивление от пальцев одной руки до пальцев другой составляет R = 100 кОм. Будет ли для него опасным напряжение 50 В? 100 В? Каково значение минимального напряжения, опасного для человека? 3. Может ли напряжение 10 В оказаться смертельно опасным для человека? 4. Чему равно смертельное значение силы постоянного тока? 101 Рис. 125 Рис. 126 Рис. 127 5. Какое положительное действие может оказать электрический ток на человека? 6. Какие два прибора во всех квартирах включаются в электрическую сеть последовательно? 7. Почему запрещена установка розеток в ванной комнате? 8. Плавкий предохранитель должен быть рассчитан на большую силу тока или провода сети, в которую он включен? 9. Почему при продолжительном прохождении тока по проводнику его температура, достигнув некоторого значения, не возрастает? 10. Космонавт вынес электроплитку в открц.тый космос и подключил к бортовой сети корабля. Какой будет температура нагретой спирали электроплитки по сравнению с ее температурой в корабле? 11. В чем опасность ситуаций, показанных на рисунках 125—127? САМОЕ ВАЖНОЕ В ГЛАВЕ 2 1. Электрическим током называют упорядоченное движение носителей электрических зарядов. За направление тока принимают направление упорядоченного движения положительно заряженных частиц. 2. Для существования электрического тока в замкнутой цепи необходимо наличие свободных заряженных частиц и действие на них электрического поля. 3. Прохождение тока сопровождается тепловым, химическим, магнитным и физиологическим действиями, а также преобразованием энергии электрического тока в другие виды энергии. 4. В металлах электрический ток создается упорядоченным движением свободных электронов и не сопровождается переносом вещества. Множество хаотически движущихся в металлах свободных электронов называют электронным газом. 102 5. 6. 7. 9. 10. 11. Силой тока I называют физическую величину, равную отношению заряда q, прошедшего через поперечное сечение проводника за некоторый промежуток времени t, к этому промежутку: 1 = В СИ за единицу силы тока принимается ампер (А). Если сила тока и направление тока с течением времени не меняются, то ток называется постоянным. Работу сил электрического поля, совершаемую во внешнем участке цепи, называют работой поля или работой электрического тока. В СИ работа тока выражается в джоулях (Дж). Электрическим напряжением U на участке цепи называют физическую величину, равную отношению работы А, которую совершает электрическое поле при перемещении заряда q по этому участку, к перемещаемому заряду: А За единицу напряжения в СИ принят вольт (В). Электрическим сопротивлением называют физическую величину, характеризующую способность проводника влиять на силу тока в цепи. Сопротивление проводника зависит от его материала и геометрических размеров. За единицу электрического сопротивления в СИ принят ом (Ом). Закон Ома для участка цепи: сила тока / на участке цепи прямо пропорциональна напряжению U на этом участке и обратно пропорциональна его сопротивлению R: 1 = и R' При последовательном соединении проводников сила тока во всех участках цепи одинакова. Общее напряжение при последовательном соединении проводников равно сумме напряжений на каждом из них, а общее сопротивление — сумме сопротивлений всех ее участков. Добавление любого проводника в цепь из последовательно соединенных проводников увеличивает ее общее сопротивление. Параллельным называют такое соединение проводников в цепи, при котором все они подключены к одной и той же паре точек. Напряжение на всех участках цепи, соединенных параллельно, одинаково, а сила тока до разветвления равна сумме сил токов в отдельных его ветвях. Добавление любого нового проводника в цепь параллельно соединенных проводников всегда уменьшает ее общее сопротивление. 103 12. 13. 14. 15. Работа А электрического тока на участке цепи равна произведению напряжения U на этом участке на силу тока I в нем и на время t протекания тока: А = ип. В СИ единицей работы тока является джоуль (Дж). Мощность тока Р равна отношению работы тока А к промежутку времени t, за который эта работа совершена: А t' Р = В СИ единицей мощности тока является ватт (Вт). При любом виде соединений полная работа (и мощность) тока в цепи равна сумме работ (мощностей) тока на отдельных участках цепи. Закон Джоуля—Ленца: количество теплоты Q, выделяемое в проводнике с током, прямо пропорционально квадрату силы тока Р, сопротивлению проводника R и времени t прохождения тока: Q = PRt. ГЛАВА Электрический ток в средах § 23. Электрический ток в полупроводниках Что такое полупроводники? Вы уже знаете, что по электрическим свойствам вещества делятся на проводники и диэлектрики. Но в природе много таких веществ, которые при одних условиях являются диэлектриками, а при других — проводниками. Так, кремний в темноте не проводит электрический ток, а при освещении проводит. Дальнейшее изучение электропроводности веществ привело к открытию интересных свойств у твердых кристаллических веществ, удельное электрическое сопротивление которых при комнатной температуре много больше, чем у проводников, но меньше, чем у диэлектриков. Эти вещества назвали полупроводниками. К полупроводникам относятся многие химические элементы (бор, кремний, германий, фосфор, мышьяк, селен, теллур и др.), огромное количество минералов, сплавов и химических соединений (оксидов, сульфидов и т. д.). Почти все неорганические вещества окружающего нас мира — полупроводники. На рисунке 128 показана часть Периодической системы Г Р V г п п ы э л Е М Е Н Т 0 в 1 II III IV V VI VII VIII 3 4 5 6 7 8 9 10 Li Be в С N 0 F Ne литий БЕРИЛЛИЙ БОР УГЛЕРОД АЗОТ КИСЛОРОД ФТОР НЕОН 11 12 13 14 15 16 17 18 Na Mg А1 Si Р S С1 Аг НАТРИЙ МАГНИЙ АЛЮМИНИЙ КРЕМНИЙ ФОСФОР СЕРА ХЛОР АРГОН 19 20 31 32 33 34 35 36 К Са Ga Ge As Se Вг Кг КАЛИЙ КАЛЬЦИЙ ГАЛЛИЙ ГЕРМАНИЙ МЫШЬЯК СЕЛЕН БРОМ КРИПТОН 37 38 49 50 51 52 53 54 Rb Sr In Sn Sb Те I Хе РУБИДИЙ СТРОНЦИЙ ИНДИЙ ОЛОВО СУРЬМА ТЕЛЛУР иод КСЕНОН Рис. 128 105 Рис. 130 Рис. 131 элементов Д. И. Менделеева, левая часть которой — металлы, центральная — полупроводники, а правая — диэлектрики. Полупроводники оказались не просто «плохими проводниками», а особым видом кристаллических веществ со многими замечательными свойствами. Более того, полупроводниками могут быть не только кристаллические, но и органические вещества и даже жидкости. С середины прошлого века как сами полупроводники, так и изготовленные из них устройства и приборы широко используются в технике и в быту. Односторонняя проводимость полупроводников. При прохождении тока через полупроводники возникает ряд необычных явлений. Самое интересное из них было открыто немецким физиком Карлом Брауном (1850—1918) еще в 1906 году. Оказалось, что если в электрическую цепь, состоящую из металлических проводников, включить полупроводниковые кристаллы, то сила тока в цепи будет больше, когда ток течет в одном направлении (рис. 129, а), и значительно меньше, когда ток имеет противоположное направление (рис. 129, б). Это явление называется односторонней проводимостью полупроводников. Свойство полупроводников хорошо пропускать электрический ток в одном направлении и плохо в другом используется в приборах, называемых полупроводниковыми диодами. Устройство полупроводникового диода показано на рисунке 130. На пластине 1 кремния наплавлена капля 2 индия. К пластине и капле прикреплены металлические электроды 3. На рисунке 131 показано условное обозначение полупроводникового диода. 106 Рис. 132 Рис. 133 Треугольник подобно стрелке показывает направление, в котором диод пропускает электрический ток. Включение диода в цепь, при котором он пропускает ток, называется прямым включением или включением в прямом направлении. Можно сказать, что сопротивление диода при прямом включении в цепь мало, а при обратном — велико. Убедимся в односторонней проводимости диода. Соберем электрическую цепь из источника тока, полупроводникового диода, реостата, амперметра и ключа. Если диод включен в цепь в прямом направлении, то, замкнув цепь, мы обнаружим, что по цепи проходит электрический ток (рис. 132). Не изменяя цепь, поменяем местами провода, идущие от полюсов источника тока. Замкнув цепь, обнаружим, что тока в цепи нет (рис. 133): диод теперь включен в цепь в обратном направлении. На рисунке 134, а показаны широко применяемые полупроводниковые диоды. При включении некоторых полупроводниковых диодов в прямом направлении в них возникает еще одно явление — излучение света. Диоды, 107 Рис. 134 обладающие таким свойством, называются светодиодами. В настоящее время созданы светодиоды, испускающие свет самых разных цветов — красного, синего, желтого, зеленого, белого. Обладая сравнительно большой яркостью свечения, они по сравнению с лампочками потребляют мало электроэнергии. В качестве миниатюрных источников света светодиоды широко используются в устройствах сигнализации и даже в карманных фонариках. Их внешний вид — на рисунке 134, б, а условное обозначение — в таблице 2. Другие особенности электрических свойств полупроводников. У металлов с ростом температуры удельное сопротивление увеличивается, а у полупроводников уменьшается (рис. 135). По характеру этой зависимости металлы и полупроводники легко отличить друг от друга. Кроме того, сопротивление полупроводников зависит от их освещения: чем лучше освещение, тем меньше сопротивление. Для опытной проверки зависимости сопротивления полупроводников от их освещения используем полупроводниковую пластинку 1, к концам которой припаяны клеммы 2 (рис. 136). Пластинку поместим в футляр 3, закрытый непро-Рис. 136 зрачной крышкой 4. Соберем установку. 108 Рис. 137 состоящую из источника тока, гальванометра (чувствительного амперметра), полупроводниковой пластинки и ключа. Замкнув цепь, заметим, что стрелка гальванометра едва отходит от нулевого деления (рис. 137, о). Это означает, что сопротивление пластинки, а следовательно, и удельное сопротивление вещества, из которого она изготовлена, велики. Снимем крышку с футляра. Стрелка гальванометра немного отойдет от нулевого деления. Но если направить на пластинку свет от осветителя, стрелка резко отклонится к краю шкалы (рис. 137, б). Зависимость удельного сопротивления полупроводников от освещения используется в устройстве специальных приборов — фоторезисторов. Пластинка с выводами, использованная нами в опыте, и была одним из фоторезисторов. Ту же установку можно использовать и для проверки зависимости сопротивления полупроводников от их температуры, но вместо полупроводниковой пластинки возьмем цилиндрик. Замкнув ключ, обнаружим, что стрелка гальванометра едва отошла от нулевого деления (рис. 138, а), т. е. сопротивление полупроводника велико. При нагревании полупроводника пламенем спиртовки стрелка гальванометра отклоняется почти до конца шкалы (рис. 138, б). Значит, его сопротивление, а следовательно, и удельное сопротивление вещества полупроводника уменьшаются с ростом температуры. Рис. 138 109 Из полупроводников, на сопротивление которых температура влияет особенно сильно, изготовляют приборы, которые называются терморвзгЛ сторами. Реальные терморезисторы представляют собой трубочки, диски и бусинки размером до нескольких микрометров (1 мкм = 10 ® м). Фото- и терморезисторы чаще всего используют как составную часть сигнальных и контролирующих устройств. Цепь, содержащая фоторезистор, срабатывает в том случае, когда освещение фоторезистора резко увеличивается или уменьшается. Она применяется в турникетах на входе в метро; для подсчета деталей, перемещаемых лентой транспортера, и в других подобных случаях. Терморезисторы входят в состав электрических термометров, контролирующих тепловые режимы машин и механизмов, температуру больных в реанимационных палатах, а также в состав автоматических устройств, реагирующих на изменение температуры. *Модель прохождения тока через полупроводники. Как и в металлах, прохождение электрического тока через полупроводники не сопровождается переносом вещества. Здесь носителями заряда также являются электроны. Однако модель свободных электронов, успешно объясняющая прохождение тока в металлах, неприменима к полупроводникам. Вспомним хотя бы про их одностороннюю проводимость. Поскольку ионы в полупроводниках не участвуют в создании тока, остается допустить, что наряду со свободными электронами в переносе заряда должны участвовать и электроны, связанные с атомами. Связанные электроны в полупроводниках действительно совершают перемещения от одного атома к другому. В отсутствие электрического поля межатомные переходы электронов происходят хаотически и поэтому не создают электрического тока. Однако при наличии поля такие переходы становятся частично упорядоченными. При этом они происходят в том же направлении, в котором дрейфуют свободные электроны: от отрицательного полюса источника тока к положительному. В металлах свободных электронов так много, что небольшой заряд, переносимый связанными электронами, можно не учитывать. В полупроводниках же ток, обусловленный переходами связанных электронов, сопоставим с током, создаваемым движением немногочисленных свободных электронов. Таким образом, в полупроводниках в создании электрического тока участвуют не только свободные электроны, но и электроны, связанные с атомами. Подробнее о природе электрического тока в полупроводниках вы узнаете при изучении физики в старших классах*. 110 в Рис. 139 ПРИМЕР РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ Какая из двух одинаковых лампочек (рис. 139, а, б) горит ярко, а какая — тускло (или совсем не горит)? Решение. На рисунке 139, а диод включен в прямом направлении, и его сопротивление невелико (много меньше, чем у лампочки). Поэтому от точки А к точке В ток протекает в основном через диод, и лампочка 1 горит тускло или не горит совсем. На рисунке 139, б ток через диод не идет, так как он включен в обратном направлении, и его сопротивление очень велико. Таким образом, сила тока в лампочках 1 к 2 одинакова (последовательное соединение), и они горят одинаково ярко. Примечание. Правильность решения вы можете проверить экспериментально. Проверьте себя 1. Какие вещества называют полупроводниками? 2. Приведите примеры веществ, являющихся полупроводниками. 3. Одновременное упорядоченное движение каких заряженных частиц создает ток в полупроводниках? 4. По каким электрическим свойствам можно отличить металл от полупроводника и полупроводник от диэлектрика? 5. На каком свойстве полупроводников основано устройство полупроводниковых диодов? 6. С помощью какого опыта можно убедиться в односторонней проводимости полупроводникового диода? 7. Что такое светодиод? 8. Нарисуйте схему замкнутой электрической цепи, состоящей из источника тока и лампочки. Как включить в эту цепь диод, чтобы ток, проходящий через лампочку, не изменился? 111 Рис. 140 9. Как изменится в схемах (см. рис. 139, а, б) яркость горения лампочек, если переключить концы проводов, подсоединенные к полюсам источника тока? 10. Какая из лампочек в схемах, изображенных на рисунке 140, о, б, будет гореть? § 24. Электрический ток в жидкостях Модели строения вещества. Все вещества состоят из атомов. Строение атомов мы описываем с помощью nnaneTapHoif модели Резерфорда: в центре каждого атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого движутся электроны. Если нас интересуют механические и электрические свойства вещества, причина электризации тел и природа заряженных частиц, создающих электрический ток, то такого представления об атомах вполне достаточно. В частности, в соответствии с этим представлением частицами, упорядоченное движение которых создает электрический ток, могут быть только электроны и ионы. В металлах и полупроводниках, атомы которых наиболее сильно взаимодействуют друг с другом и в которых движение ионов невозможно, электрический ток может создаваться только электронами. Исходя из этого, для объяснения электрических явлений, происходящих в металлах, наряду с планетарной моделью атома мы использовали модель свободных электронов. Например, с их помощью удалось понять, почему металлы являются хорошими проводниками, почему проводники оказывают сопротивление упорядоченному движению электронов и почему проводники нагреваются при прохождении тока. 112 Особенности прохождения тока в полупроводниках мы объяснили с помощью еще одной модели, согласно которой в переносе зарядов наряду со свободными электронами участвуют также электроны, связанные с атомами. Вы знаете, что кроме электронов имеются и другие заряженные частицы, например положительные и отрицательные ионы. Какие же из перечисленных носителей электрических зарядов необходимы для объяснения прохождения тока через жидкости? Прежде чем говорить о новых моделях, обратимся к опытам, выявляющим основные электрические свойства жидкостей. Из множества жидкостей мы рассмотрим водные растворы веществ, состоящих из ионов. Основа всех водных растворов — химически чистая вода — практически не проводит ток, в чем легко убедиться с помощью простого опыта. Соединим последовательно с лампой накаливания ванну с дистиллированной водой, в которую опущены графитовые электроды. Если подключить лампу и ванну к источнику тока, то лампа не загорится — ток в цепи не идет (рис. 141). Это означает, что носителей зарядов, способных перемещаться под действием сил электрического поля, в воде нет. Добавив в ванну с водой спирт (можно сахарный песок или кусочки мыла), увидим, что тока в цепи по-прежнему нет. Значит, само по себе растворение веществ в воде не обязательно приводит к образованию носителей зарядов, способных создавать ток под действием электрического поля. С другой стороны, ток не всегда проходит и через твердые или жидкие вещества, молекулы которых состоят из ионов. (Такие вещества называют электролитами.) Насыплем на сухое дно ванны кристаллики дихлорида меди (CuCla), которые, как известно, состоят из ионов меди и хлора СГ. Поставив в кристаллы графитовые электроды (рис. 142), мы обнаружим, что лампа также не горит, т. е. тока в цепи нет. Нетрудно догадаться, почему кристаллы являются диэлектриками: ионы в них настолько сильно связаны друг с другом, а электроны — с ядрами атомов. Рис. 141 113 что под действием электрического поля упорядоченно перемещаться не могут. * Продолжим опыт с водой (см. рис. 141) и будем добавлять в нее голубые кристаллы дихлорида меди. Мы увидим, что по мере растворения кристаллов лампа будет гореть все ярче и ярче, свидетельствуя о появлении и возрастании тока (рис. 143). Значит, в растворе дихлорида меди носители зарядов появляются. Кроме того, при прохождении тока на графитовых электродах выделяются медь и хлор, что мы уже видели ранее (см. рис. 51). Можно предположить, что в результате взаимодействия с молекулами воды связи между ионами меди и хлора в кристаллах ослабляются и частично разрываются. Поскольку в растворе существует электрическое поле, то на появившиеся ионы и СГ действуют силы, заставляющие ионы упорядоченно перемещаться к графитовым электродам. При этом ионы меди должны осаждаться на отрицательном электроде, а ионы хлора СГ — выделяться на положительном электроде. Именно это и наблюдается в опыте (см. рис. 143), что свидетельствует в пользу нашего предположения. Аналогичный опыт можно выполнить с водным раствором медного купороса (CUSO4). В этом случае при пропускании тока на электроде, соединенном с положительным полюсом источника, выделяются пузырьки газа, I а второй электрод постепенно покрывается оранжевым осадком (рис. 144). Нетрудно установить, что газ представляет собой кислород, а оранжевый I осадок — медь. Как и для объяснения предыдущего опыта, можно допустить, что и в этом случае часть молекул CuSO,, в воде распадается на ионы и S04~, и упорядоченное движение ионов под действием электриче- ' ского поля создает ток в растворе. Однако теперь на положительном электроде выделяются не ионы SO^', а молекулы кислорода Og, что свидетельствует о химической реакции, возникающей при соприкосновении ионов с электродом. i 114 Обобщая результаты этих и других подобных им опытов, ученые пришли к выводу о том, что ток в растворах электролитов создается встречным упорядоченным движением положительных и отрицательных ионов. Процесс распада молекул электролитов на ионы под действием молекул растворителя называется электролитической диссоциацией. Если в растворе нет электрического поля, появившиеся ионы движутся хаотически, подобно нейтральным атомам и молекулам. При создании поля на хаотическое движение ионов накладывается их упорядоченное движение, и возникает электрический ток. Распад молекул электролитов на отдельные положительные и отрицательные ионы происходит не только в растворах, но и в расплавах электролитов. Например, проводят ток расплавы поваренной соли и дихлорида меди, а также расплав нерастворимого в воде оксида меди (СиО). Пропуская электрический ток через расплавы, английский физик и химик Гемфри Дэви (1778—1829) открыл металлические калий, натрий и литий. Положительные и отрицательные ионы, движущиеся под действием электрического поля, и есть модель, объясняющая прохождение тока через жидкости. Ток в жидкостях сопровождается тепловыми и магнитными явлениями. Нетрудно убедиться, что в опытах (см. рис. 143, 144) растворы постепенно нагреваются, а магнитная стрелка, если ее поместить вблизи ванны, при включении тока изменяет свою ориентацию. ЭТО ИНТЕРЕСНО! Явление переноса вещества при прохождении тока через электролиты используется в одном из методов физиотерапии — электрофорезе'. На больной орган помещают два электрода с прокладками, смоченными раствором лекарственного вещества, и подключают их к источнику постоянного тока. Под действием электрического поля ионы лекарства, участвующие в создании тока, проникают через кожу или слизистые оболочки непосредственно в орган, подлежащий лечению. Электрофорез позволяет также применять одновременно несколько лекарственных препаратов. Проверьте себя 1. Какие свойства газов и жидкостей мы должны или, наоборот, не должны учитывать, чтобы объяснить их электропроводность? 2. Какие вещества называются электролитами? ‘ От электро и греческого слова phoresis — несение, перенесение. 115 3. Какими действиями сопровождается прохождение тока через электролиты? , 4. Почему растворение электролитов в воде сопровождается образованием ионов? 5. Приведите примеры веществ, молекулы которых не распадаются на ионы при растворении в воде. 6. Прохождение электрического тока через раствор сопровождается химическими реакциями и переносом вещества. С помощью каких опытов это можно продемонстрировать? 7. Движением каких заряженных частиц создается ток в жидкостях? § 25. Электрический ток в газах в естественном состоянии газы и их смеси (в том числе воздух) не проводят электрический ток. В этом легко убедиться с помощью следующего опыта. Укрепим две металлические пластины параллельно друг другу и соединим одну из них со стержнем электроскопа, а другую — с его корпусом. Сообщим пластинам разноименные заряды и будем следить за стрелкой электроскопа (рис. 145). Мы увидим, что положение стрелки не меняется, и, следовательно, воздух между пластинами не проводит электрический ток, т. е. является диэлектриком. Это свойство газов широко используется. Без него было бы невозможно создавать «воздушные» высоковольтные линии передачи электрической энергии. На свойстве воздуха быть изолятором основана работа обыкновенного выключателя электрического тока, применяемого в наших квартирах. Нажимая на клавишу выключателя, мы создаем воздушный промежуток (разрыв) между двумя концами провода электрической цепи. Нетрудно догадаться, что, как и в опыте с водой, изолирующие свойства газов (воздуха) объясняются отсутствием в них свободных заряженных частиц. И все же небольшое число заряженных частиц в воздухе присутствует: пройдет несколько часов, и стрелка электроскопа вернется в первоначальное положение. В том, что пластины разрядились, притянув к себе заряженные пылинки или ионы, содержащиеся в воздухе, можно убедиться, если повторить опыт с теми же заряженными пластинами, накрытыми картонной коробкой, предотвращающей приток свежего воздуха. Под коробкой даже через сутки пластины не разрядятся, и стрелка электроскопа останется в отклоненном положении. Не будь в воздухе заряженных частиц, по утрам наша одежда сохраняла бы заряд, который мы ей сообщили трением о наши тела, когда раздевались перед сном (см. рис. 2). 116 Видоизменим опыт, показанный на рисунке 145. Поставим между пластинами горящую спиртовку (рис. 146). При этом угол отклонения стрелки электроскопа быстро уменьшится, а это значит, что в воздухе появились заряженные частицы, которые под действием электрического поля начали перемещаться к пластинам и разряжать их. Какие же заряженные частицы появились в воздухе в присутствии пламени? Исследования показали, что этими частицами являются положительно и отрицательно заряженные части молекул (ионы) спирта, кислорода и углекислого газа, частички сажи, на которые осели эти ионы, а также электроны. В газах отрицательные ионы могут образовываться не только при распаде молекул, но и в результате присоединения электронов к нейтральным атомам или молекулам. Чем выше температура пламени или чем выше температура, до которой нагрет газ, тем больше образуется заряженных частиц. Образование из молекул газа положительных и отрицательных ионов и электронов называется ионизацией газа. Ионизация газа может происходить также под действием сильного электрического поля. Во всех случаях в ионизованном газе имеются носители зарядов трех сортов: электроны, положительные ионы и отрицательные ионы. Механизм проводимости газов похож на механизм проводимости электролитов. Если в газе нет электрического поля, существующие в нем заряженные частицы движутся хаотически, т. е. так же, как и нейтральные атомы. Оказавшись в электрическом поле, ионы и электроны под его воздействием приходят в упорядоченное движение и создают электрический ток. Рис. 145 Рис. 146 117 Рис. 147 Рис. 148 Процесс прохождения тока через газы называется газовым разрядом. Газовый разряд может сопровождаться тепловым, химическим, магнитным действиями, возникновением световых и звуковых эффектов. Разноцветное свечение газов, через которые проходит ток, широко используется для освещения зданий (рис. 147) и создания световой рекламы (рис. 148). Примером устройства, в котором применяется газовый разряд, не сопровождаемый свечением, является электрический фильтр для очистки воздуха от пыли и дыма. На рисунке 149 показана действующая модель электрофильтра — металлическая трубка 1 и натянутая по ее оси с помощью груза 2 металлическая проволока 3. Трубка и проволока подключены к источнику тока, создающему между ними си^льное электрическое поле. Под действием поля в воздухе возникают дополнительные ионы и электроны и происходит невидимый глазом газовый разряд. Если продувать через трубку струю дыма, то выходящий из нее воздух станет чистым и прозрачным. Это объясняется тем, что ионы и электроны осаждаются на частичках дыма, заряжая их. Под действием поля и те, и другие приходят в направленное движение и осаждаются на проволоке и на внутренней поверхности трубки. Еще об одном использовании газового разряда (в счетчике заряженных частиц) вы узнаете в § 46. Газовый разряд, возникающий Рис. 149 в сильном электрическом поле, назы- 118 вается пробоем газа или искровым разрядом. Примеры искрового разряда — искры, возникающие при расчесывании волос, электризации одежды, при разряде конденсатора или кондукторов электрофорной машины. В природных условиях пробой воздуха часто наблюдается в виде молний (см. § 26). * Искровой разряд возникает в том случае, когда под действием электрического поля имеющиеся в газе отдельные свободные электроны разгоняются настолько, что при соударении с молекулами газа отрывают от них связанные с ними электроны. Став свободными, эти электроны, в свою очередь, разгоняются электрическим полем и ионизуют новые молекулы. Чем сильнее поле, тем больше образуется свободных электронов и тем больше сила разрядного тока*. В отличие от растворов длительное прохождение электрического тока через газы возможно только при условии непрерывной ионизации его молекул. Если удалить внешний ионизатор, то электроны и положительные ионы объединятся в нейтральные молекулы и газовый разряд прекратится. Чтобы убедиться в этом, в опыте (см. рис. 146) достаточно погасить пламя спиртовки. В некоторых случаях газовый разряд может продолжаться и после прекращения действия ионизатора. О таких разрядах вы узнаете в старших классах. ЭТО ИНТЕРЕСНО! Частично или полностью ионизованный газ, в котором число положительных и отрицательных зарядов практически одинаково, называется плазмой. В состоянии плазмы находится ббльшая часть вещества Вселенной. В частности, плазмой является любое пламя, верхние слои земной атмосферы, звездные атмосферы и сами звезды (в том числе и наше Солнце), межзвездная среда. При температуре около 20 000—30 000 °С любое вещество представляет собой полностью ионизованную плазму. Примером частично ионизованной плазмы является газ, через который проходит электрический ток. Проверьте себя 1. Движением каких заряженных частиц создается ток в газах? 2. Существуют ли ионы в воздухе при обычных условиях? 3. Являются ли газы и их смеси проводниками? 4. Что является причиной ионизации газов? 5. Чем электролитическая диссоциация в растворах электролитов отличается от ионизации газов? 6. Приведите примеры практического использования газового разряда. 119 Рис. 150 *§ 26. Гроза как электрическое явление Познакомимся с грандиозным электрическим явлением, происходящим* в атмосфере и сопровождающимся молниями (рис. 150) и громом. С точки зрения физики это явление связано с прохождением тока через воздух, т. е. с газовым разрядом. Предположение о том, что молния имеет электрическое происхождение, впервые высказал Ш. Дюфе, а доказал его экспериментально — Б. Франклин. Грозовая туча. Туча формируется за счет теплого нагретого землей воздуха. Поднимаясь и расширяясь, конвекционные потоки воздуха охлаждаются, а находящийся в них водяной пар конденсируется, образуя микроскопические капельки. Высота, на которой начинают возникать капельки, является нижней границей тучи. Обычно она составляет от 100 м до 1 км. Верхняя граница тучи находится там, где подъем охладившихся потоков воздуха прекращается. Чем мощнее потоки и больше скорость их подъема, тем большей высоты они достигают. В область пониженного давления, образовавшуюся под тучей благодаря подъему воздушных масс, со всех сторон втягивается теплый приповерхностный воздух (рис. 151, а). Потоки теплого ветра, дующего в сторону тучи, — признак, по которому наблюдатель может заметить начало ее формирования. В туче из-за трения восходящих воздушных потоков происходит разделение электрических зарядов. По мере роста тучи положительные ионы, образующиеся из молекул воздуха, а также заряженные этими ионами капельки воды поднимаются вверх и скапливаются на вершине тучи, сообщая ей положительный заряд. Отрицательные ионы опускаются вниз и заряжают нижнюю часть тучи. Горизонтальный размер сформировавшейся грозовой тучи 5—10 км, а вертикальный — 12—15 км (рис. 151, б). Капельки воды, поднимаясь вместе с потоками воздуха на эту высоту, охлаждаются настолько, что превращаются в ледяные кристаллики. Солнечный свет сквозь тучу почти не проникает. Он отражается ледяными кристалликами вверх и поглощается в ее толще, поэтому по мере «созревания» грозовая туча темнеет. В это время каждый из накопившихся в туче разноименных зарядов достигает значения 100—200 Кл и из тучи проскакивают молнии. С вершины 120 Туча развивается jf| I Туча созрела Туча разрушается ^ ^ Рис. 151 «созревшей» тучи скопившиеся ледяные кристаллики начинают падать вниз, и возникают осадки — ливень, иногда град. Продолжительность грозы — время жизни грозовой тучи — около часа. Туча разряжается как за счет молний, так и за счет осадков. Падающие сквозь тучу кристаллики увлекают за собой холодный воздух (рис. 151, в) ■— туча начинает разрушаться. Если вы, увидев грозовую тучу, ощутите дующий из-под нее холодный ветер, знайте, что ее недолгая жизнь подходит к концу. Скоро туча превратится в большое кучевое облако. Молния и гром. Мы выяснили, что нижняя часть грозового облака заряжается отрицательно, т. е. одноименно с земным шаром. Почему же грозовой разряд ударяет в поверхность Земли? Дело в том, что поверхность Земли — проводник, и под действием электрического поля нижней части облака на ней индуцируется положительный заряд (рис. 152). Между этим зарядом и нижней частью облака и происходит газовый разряд — гигантская искра, которую называют молнией. Ежедневно на Земле происходит около 300 гроз и ежесекундно вспыхивает около 100 молний. Рис. 152 4.+4.++-Ь ++-»-■+ + + 121 с каждым ударом молнии на поверхность Земли переносится заряд, равный 20—30 Кл. После этого примерно за 5 с туча восстанавливает свой заряд. Сначала дорогу будущей молнии прокладывают свободные электроны, оторвавшиеся от тучи в виде небольшого сгустка, называемого лидером (рис. 153, а). Ускоряемый электрическим полем тучи, лидер движется вниз зигзагами и скачками, делая остановки через каждые 50 м и ионизуя по пути атомы и молекулы воздуха. Средняя скорость движения лидера — около 70 км/с. При высоте тучи около 1 км электронный лидер достигает поверхности Земли через 10—20 мс (рис. 153, б). Это движение мы не видим, поскольку оно не сопровождается свечением. Вторая стадия развития молнии протекает быстро и мощно, и именно ее мы и воспринимаем как молнию. Вслед за лидером по только что проложенному им ионизованному каналу к земле начинают устремляться все новые и новые свободные электроны. Сначала это электроны, которые находились в нижней части канала. Под действием электрического поля тучи они движутся по каналу примерно в 100 раз быстрее лидера. Имеющейся у них кинетической энергии достаточно, чтобы под их ударами нижняя часть канала начала разогреваться и светиться. Затем к земной поверхности устремляются электроны из более высокой части ьсанала, и эта часть также начинает разогреваться и светиться. Так постепенно — от низа до верха — в движение к поверхности Земли включаются все новые и новые электроны, и так же постепенно, но в противоположную сторону — снизу вверх — распространяются разогрев и свечение ионизованного канала (рис. 153, в). Длительность второй, видимой стадии молнии составляет десятитысячные доли секунды. Можно сказать, что молния бьет не из тучи в поверхность Земли, а из нее в тучу: хотя отрицательные заряды перетекают вниз, свечение молнии начинается внизу и распространяется вверх. Таким образом, молния — это раскаленный светящийся воздушный канал, проводящий электрические заряды. Видимый диаметр канала — около 1 м. Гром — это звуковые волны, которые создаются расширяющимся воздухом, быстро и резко разогретым внутри канала молнии (температура внутри канала достигает 20 000 °С, а выделяющаяся в канале энергия — 10® Дж). В воздухе скорость звука равна 330 м/с, поэтому гром слышен уже после того, как сверкнула молния (скорость света 3 • 10* м/с). Продолжительность грома зависит от длины молнии, которая достигает нескольких километров. Гром часто бывает раскатистым, поскольку звук от разных участков молнии доходит до нас в разные моменты времени. Кроме того, происходит частичное отражение звука от холмов и туч, и эхо затягивает звучание грома. 122 •б^ Лидер • ' идет к Земле Лидер достиг Земли - цепь замкнута Идет импульс основного тока J; + + + +, + Рис. 153 Чем дальше от нас молния, тем длиннее пауза между вспышкой света и громом и, кроме того, слабее гром. Гром от очень далеких молний вообще не слышен. Такие молнии называют зарницами. Как защититься от молнии? Удары молний исключительно опасны. Молния может разрушить здание, опору электропередачи, заводскую трубу, вызвать пожар и т. п. Удар молнии смертелен для всего живого, но людей и животных молния поражает сравнительно редко и только в тех случаях, когда сам человек подвергает свою жизнь опасности. Надо знать, что молния ищет кратчайший путь к поверхности Земли. Поэтому она чаще всего ударяет в отдельные высокие предметы, а из двух предметов одинаковой высоты чаще всего в тот, который является лучшим проводником. Наиболее вероятен удар молнии в одиноко стоящие металлическую мачту, деревянный столб или дерево. Для защиты одиноко стоящих сооружений вблизи них устанавливают мачту с заостренным металлическим стержнем, который соединен толстым проводом с закопанным глубоко в землю металлическим предметом. Это устройство получило название молниеотвода^. При наличии молниеотвода большая часть заряда, переносимого молнией, уйдет в землю, и сооружение будет спасено. Молниеотвод защищает пространство на поверхности Земли в радиусе, примерно равном высоте молниеотвода (рис. 154). Внимание! Во время грозы никогда не укрывайтесь под деревьями или в копне сена: молния может ударить в дерево и ранить или убить вас. Лучше всего присесть на открытом месте и, обхватив руками колени, как можно ' Молниеотвод изобрел Б. Франклин в 1719 году (он назвал его громоотводом). В Европе первый молниеотвод был сооружен в 1760 году. 123 ниже опустить голову. В лесу надо уйти от высоких деревьев, а в горах спрятаться в пещере или под большим уступом. ЭТО ИНТЕРЕСНО! Специалисты Американского космического агентства, используя данные наблюдений со спутников, составили полную карту активности молний в атмосфере Земли (рис. 155). Выяснилось, что чаще всего грозы гремят над центральной частью Африки, Тибетом и Южной Америкой (на рисунке эти места окрашены в красный и черный цвет). Мировым лидером по этому показателю признана территория Республики Конго — 81 молния в год на площади в 1 км^. Рис. 154 Проверьте себя 1. За счет чего растет и электризуется грозовое облако? 2. По данным, приведенным в тексте параграфа, подсчитайте суммарный отрицательный заряд, который переносится молниями за одни сутки по всей Земле, и сравните его с зарядом земного шара (3 • 10® Кл). 3. И поверхность Земли, и нижняя часть грозовой тучи заряжены отрицательно. Почему же между ними возникает грозовой разряд — ведь одноименные заряды отталкиваются? Рис. 155 124 4. Вы ощутили холодный ветер, дующий из-под надвигающегося большого темного облака. Нужно ли ждать грозу? 5. Что представляет собой молния? 6. Почему образуется гром — звуковые волны, расходящиеся от молнии? 7. Почему гром часто бывает раскатистым? 8. Как надо себя вести, оказавшись вне дома во время грозы? САМОЕ ВАЖНОЕ В ГЛАВЕ 3 1. Полупроводниками называют вещества, значения удельного электрического сопротивления которых при комнатной температуре находятся между значениями*удельного сопротивления проводников и диэлектриков. К полупроводникам относятся многие химические элементы (бор, кремний, германий, фосфор, мышьяк, селен, теллур и др.), огромное количество минералов, сплавов и химических соединений, почти все неорганические вещества. 2. Электрический ток в полупроводниках создается упорядоченным движением свободных электронов и электронов, связанных с атомами. 3. Вещества, молекулы которых распадаются на ионы под действием растворителя, называются электролитами. Процесс распада молекул происходит в растворе до того, как по нему начинает проходить электрический ток, и появившиеся ионы, как и нейтральные атомы и молекулы, движутся хаотически. 4. Электрический ток в растворах кислот, солей и оснований создается встречным упорядоченным движением положительных и отрицательных ионов. 5. Процесс прохождения тока через газы называется газовым разрядом. Он создается встречным упорядоченным движением положительных и отрицательных ионов, а также электронов. ГЛАВА Магнитное поле в этой главе вы узнаете, что такое магнит, и познакомитесь с небольшой частью магнитных явлений, которые хорошо изучены и находят широкое применение в современной технике. Магниты могут применяться для самых разнообразных целей. Например, если вы рассыпали булавки по полу, магнит поможет быстро и легко их собрать. Стрелка компаса, помогающая людям ориентироваться в пространстве, является маленьким магнитом. Магниты вы можете обнаружить внутри электродвигателей, громкоговорителей, телефонов и наушников, амперметров и вольтметров, телевизоров и других приборов. § 27. Начальные сведения о магнитных явлениях Первые сведения о магнитах. Впервые способность притягивать к себе металлические предметы была обнаружена у некотррых камней из железной руды. Их назвали магнитами (от греческих слов magnetise hos — камень из Магнесии — древнего города в Малой Азии). О магнитных стрелках и их свойстве устанавливаться с юга на север в Европе стали говорить в XI—XII веках, т. е. накануне эпохи Возрождения, и за 400—500 лет до эпохи Великих географических открытий. Одновременно люди начали создавать тела (постоянные магниты) со свойствами, присущими природным магнитам. Постоянные магниты изготовляются как из природного магнитного железняка, так и из сплавов на основе железа, никеля, кобальта и некоторых других металлов. Свойства постоянных магнитов. Обычно у магнита два полюса (рис. 156), один из которых называют северным (N), а другой — южным (S). Полюсами магнита называют те участки его поверхности, которые наиболее сильно проявляют свои магнитные свойства. У полосового магнита (см. рис. 156) и дугообразного (рис. 157, а) полюса находятся вблизи концов, а у кольцевого магнита (рис. 157, б) — на плоских поверхностях. Если поднести железные гвоздики, скрепки или опилки к средней части магнитов, то они притягиваться не будут. Эти части поверхности магнитов называются нейтральной зоной. Свойства постоянных магнитов впервые изучил английский физик Уильям Гильберт (1544—1603). Он описал их в книге «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле», изданной в 1600 году. Гильберт, в частности, установил, что: 126 Рис. 156 ♦ магниты притягиваются разноименными и отталкиваются одноименными полюсами; ♦ при удалении от магнита его действие ослабевает; ♦ магнит, подвешенный на нити, устанавливается в направлении север — юг; ♦ при ударах магнит теряет свои свойства; ♦ магниты действуют через стекло, кожу и воду. В настоящее время все эти свойства многократно подтверждены. Магнитная стрелка (рис. 158) также представляет собой маленький магнит с двумя полюсами. Установленная на оси, она может свободно вращаться в горизонтальной плоскости. Конец стрелки, указывающий на географический север, называется северным полюсом магнитной стрелки. Его окрашивают в синий или белый цвет. Противоположный конец стрелки (обычно красный) называют ее южным полюсом. При соединении магнитов их полюса и нейтральные зоны меняют свое положение, что показывает следующий опыт. Возьмем два одинаковых полосовых магнита с притянутыми к их полюсам гвоздиками или скрепками (рис. 159, а). Сведем лЩ:,;, г'-; ■ "■ I W* I»T ■' ;i Рис. 158 Рис. 159 127 Рис. 160 Рис. 161 магниты разноименными полюсами до соприкосновения. В месте контакта скрепки оторвутся и упадут — здесь образовалась нейтральная зона составного магнита. Скрепки на концах (полюсах) составного магнита остаются на месте (рис. 159, б). Если же прижать разноименными полюсами одинаковые дугообразные магниты, то почти вся поверхность составного магнита (рис. 159, в) становится нейтральной зоной. Несмотря на многочисленные усилия, создать однополюсный магнит не удалось. Если обычный полосовой магнит разрезать на две части, то каждая из них превратится в такой же двухполюсный магнит, но только меньшего размера (рис. 160). Можно изготовить магнит, имеющий не два, а четыре, шесть и любое четное число полюсов (рис. 161). '' Намагничивание предметов. Все вещества в той или иной мере обладают способностью намагничиваться: они являются магнетиками. Однако у большинства из них магнитные свойства проявляются слабо. Магниты почти не оказывают действие на такие металлы, как медь, латунь, алюминий, а также на дерево, пластмассы, газы и многие другие вещества. Слабо притягивается к магниту чугун и нержавеющая сталь. Вещества, способные сильно намагничиваться, называются ферромагнетиками. К ним относятся железо, сталь, никель, кобальт, ряд сплавов на основе этих и других металлов, ферриты (диэлектрики, обладающие магнитными свойствами) и др. Разные магнитные свойства веществ объясняются различиями в строении и во взаимодействии их атомов и молекул, о чем вы узнаете на уроках физики в старших классах. Познакомимся с опытами по намагничиванию ферромагнитных тел. Легко намагничиваются железная скрепка или стальной гвоздь, находящиеся вблизи магнита (рис. 162, а). При этом они сами становятся магнитами. Особенно сильно ферромагнитные тела намагничиваются при соприкосновении с полюсами магнита. Конец тела, соприкасающийся с южным 128 полюсом магнита, становится северным полюсом тела, а дальний конец — южным. На рисунке 162, б обозначены полюса каждого из гвоздей намагниченной цепочки. Если магнит убрать, то ферромагнитные тела в значительной мере размагничиваются, но все же намагничивание частично остается. Железные предметы, касаясь магнита, намагничиваются сильнее стальных, но зато стальные долго сохраняют свое остаточное намагничивание, превращаясь в искусственный магнит. Поэтому постоянные магниты всегда изготовляют из специальных сортов стали, а не из железа. Существуют и другие простые способы намагничивания предметов. Так, стальной стержень, расположенный вдоль линии север—юг, намагничивается, если по нему постукивать молотком. Он намагнитится также, если его нагреть до высокой температуры и, расположив в том же направлении, медленно остудить. Напротив, сотрясения магнита, а также резкие изменения его температуры приводят к размагничиванию. Более эффективно предметы можно намагнитить с помощью электрического тока. Как это делается, вы узнаете в § 30. 1 ■' i 1 Рис. 162 ЭТО ИНТЕРЕСНО! Существуют ли тела, отталкивающиеся от магнита? Оказывается, да. Вещества, из которых они состоят, называются диамагнетиками. Диамагнетики были исследованы М. Фарадеем. Таких веществ очень много. К ним относятся, например, графит, воск, стекло, вода, висмут, серебро, золото, платина, древесный уголь, поваренная соль, хлеб, азот, водород, инертные газы, многие органические и неорганические вещества. Необычное действие магнита на висмут было обнаружено еще в 1778 году. Магнитные свойства диамагнетиков обычно выражены слабо, поэтому на практике заметить их можно только с помощью сильного магнита. Если вы положите кусочек графита (один из сильнейших диамагнетиков) на кусочек пробки, плавающий в воде, и будете приближать сильный магнит, то пробка уплывает от магнита. Проверьте себя 1. Какими свойствами обладают постоянные магниты? Как магниты взаимодействуют? 2. Какие участки магнита называют полюсами и нейтральными зонами? 129 Рис. 163 3. Сколько полюсов может быть у постоянного магнита? • 4. Можно ли получить однополюсный магнит, разрезав полосовой магнит на две части? 5. Какие вещества являются ферромагнитными, а какие — нет? 6. Чем отличаются магнитные свойства железа и стали? 7. Какие вы знаете способы намагничивания тел? 8. Имеется постоянный магнит и такой же по виду железный стержень. Как отличить их друг от друга, не пользуясь никакими другими предметами? 9. На рисунке 163 показана цепочка железных гвоздей, притянутая полюсом магнита. Обозначьте полюса каждого из намагниченных гвоздей. 10. Два одинаковых железных цилиндрика висят на конце постоянного магнита (рис. 164). Каким полюсом нужно снизу поднести к ним второй такой же магнит, чтобы нижний из двух цилиндриков оторвался? § 28. Магнитное поле постоянных магнитов Понятие о магнитном поле. Насыплем на лист картона железные опилки и поднесем снизу постоянный магнит. Мы увидим, что при перемещениях магнита опилки приходят в движение, хотя магнит их не касается. Следовательно, магнит может действовать на тела, не находящиеся с ним в непосредственном контакте. Каким образом передается на расстояние это действие магнита? Для описания особого состояния пространства, окружающего магниты, английские физики М. Фарадей и Дж. Максвелл ввели представление о магнитном поле. Они предположили, что, подобно электрически заряженным телам, которые создают в пространстве электрическое поле, каждый магнит создает особое, магнитное поле, и это поле действует на помещенные в него тела. В настоящее время магнитным полем называют особого вида материю, существуюш,ую вокруг намагниченных тел и передающую действие этих тел на другие тела. Поместим вокруг полосового магнита несколько подставок с остриями, на которых находятся одинаковые магнитные стрелки. Направления этих стрелок будут различны (рис. 165, вид сверху). Это означает, что в разных 130 ^ ^ Рис. 165 Рис. 166 точках действие магнитного поля проявляется в различной степени, т. е. магнитное поле меняется при удалении от магнита. Обратившись еще раз к рисунку 165, нетрудно заметить, что стрелки вокруг магнита образуют определенную картину. Эту картину мы сделаем очевидной, поместив в поле множество магнитных стрелок (рис. 166). Картина получится еще более наглядной, если вместо стрелок использовать железные опилки. На полосовой магнит положим гладкий лист тонкого картона и насыплем на него сквозь мелкое сито опилки. Под действием магнитного поля опилки намагничиваются, т. е. превращаются в маленькие магнитные стрелки. Слегка встряхивая лист и давая опилкам возможность поворачиваться, мы увидим картину магнитного поля, образованную цепочками намагниченных опилок (рис. 167). В этой картине можно заметить следующие закономерности: ♦ магнитное поле лучше ориентирует опилки вблизи полюсов и хуже — вдали от них, т. е. действие магнитного поля ослабевает с удалением от магнита; ♦ посредине полосового магнита опилки ориентированы не так заметно, как у полюсов, т. е. вблизи нейтральных зон магнитное поле слабее, чем у полюсов; ♦ опилки как бы образуют определенные линии, соединяющие полюса магнита. Энергия магнитного поля. При изучении электрического поля были рассмотрены опыты, показавшие, что это поле обладает энергией (см. § 7). Например, увеличение потенциальной энергии заряженного тела, переместившегося в электрическом поле (см. рис. 40), было объяснено уменьшением энергии электрического поля. V„'/|V4>"W Рис. 167 131 Позже мы выяснили, что энергией обладает также электрическое поле, существующее во внешней цепи источника тока. Эта энергия равна работе, совершенной при разделении зарядов внутри источника (см. § 9). Рассмотрим опыт, из которого следует, что энергией обладает и магнитное поле. Возьмем два одинаковых кольцевых магнита. Один из магнитов положим на стол и плотно вставим в него деревянный или пластмассовый цилиндр (рис. 168, а). Диаметр выступающей части цилиндра немного уменьшим так, чтобы второй магнит мог свободно перемещаться по нему вверх и вниз. Обратим магниты друг к другу одноименными полюсами, наденем второй магнит на цилиндр и отпустим его. Совершив несколько колебаний, второй магнит остановится на некоторой высоте Н (рис. 168, б). Сместим верхний магнит вниз и будем удерживать его вблизи нижнего магнита. Мы ощутим сильное отталкивание магнитов друг от друга. Если теперь отпустить верхний магнит, то он снова поднимется на высоту Н. Цри этом, как и всякое поднятое над Землей тело, верхний магнит приобретет потенциальную энергию. Считая, что закон сохранения энергии применим к магнитным явлениям, увеличение потенциальной энергии верхнего магнита можно объяснить соответствующим уменьшением некоторой другой энергии, и этой энергией в данном случае могла быть только энергия магнитного поля, в котором поднимался верхний магнит. Позже вы узнаете о других опытах и явлениях, в которых проявляется энергия магнитного и электрического полей. Рис. 168 Проверьте себя 1. Что такое магнитное поле? 2. Каким образом действие одного магнита передается другому? 3. На какие тела действует магнитное поле? 4. Какими закономерностями обладает картина магнитного поля? 5. Опишите опыт, с помощью которого можно продемонстрировать, что магнитное поле обладает энергией. 132 § 29. Магнитное поле Земли Земля — большой магнит. Ориентировка кусков железной руды и постоянных магнитов по направлению с юга на север свидетельствует о том, что наша планета Земля обладает магнитными свойствами. В 1595 году У. Гильберт изготовил из большого куска намагниченной железной руды шар и заметил, что у него, как и у Земли, имеются два полюса, а магнитные стрелки вблизи шара устанавливаются с юга на север. Это позволило Гильберту предположить, что Земля является большим магнитом. Свою гипотезу Гильберт обосновал и другими наблюдениями. Ему было известно, что сами собой намагничиваются железные части различных сооружений, долго пролежавшие в направлении север—юг, а также сильно нагретые стальные тела в процессе своего остывания. Например, с течением времени намагничивается кузнечный инструмент (клещи, щипцы). Тогда же было обнаружено, что в процессе строительства кораблей их стальные корпуса намагничиваются и искажают показания компасов. С тех пор для учета этих искажений каждый корабль перед выходом в дальний рейс проходит специальное обследование. Геомагнитное поле. Путешествуя и проводя специальные экспедиции, люди постепенно накопили информацию об ориентации компасной стрелки в различных точках земной поверхности и Мирового океана. По положению стрелок нетрудно понять, где располагаются северный (N„ap„) и южный (S„a,,„) магнитные полюса Земли (рис. 169). Они притягивают разноименные (по отношению к себе) полюса магнитных стрелок, поэтому северный конец компасной стрелки указывает направление на южный магнитный полюс Земли. Он находится вблизи Северного географического полюса (Npeorp), а северный магнитный полюс Земли расположен в Антарктиде. Вблизи магнитных полюсов компасная стрелка перестает показывать определенное направление в горизонтальной плоскости. Если ее подвесить, она установится вертикально в направлении к центру Земли. В целом картина геомагнитного поля симметрична (см. рис. 169). Ось симметрии отклонена от оси вращения Земли примерно на 12°. Поэтому положения магнитных и географических полюсов не совпадают. геогр ’-'геогр \ Рис. 169 магн 133 На земной поверхности встречаются области, в которых действие маг- ' нитного поля заметно отличается от соседних. Такие области называются областями магнитных аномалий. Причиной магнитных аномалий, как правило, являются неглубокие подземные залежи магнитной железной руды. Изучение магнитной аномалии может дать ценную информацию об объеме и расположении этих залежей. В нашей стране хорошо известна Курская магнитная аномалия, открытая с помощью компаса, стрелка которого в этом районе «вела себя» необычно. Временами магнитное поле Земли ненадолго искажается, что было обнаружено по поведению магнитной стрелки немецким естествоиспытателем А. Гумбольдтом. Это явление называется магнитной бурей. Магнитные бури не топят корабли, не производят разрушений, но и не проходят бесследно. Они нарушают радиосвязь; приводят к появлению полярных сияний; способствуют возникновению циклонов; отрицательно сказываются на самочувствии больных, страдающих гипертонией и сердечно-сосудистыми заболеваниями, поэтому за состоянием геомагнитного поля постоянно наблюдают и о его изменении сообщают в прогнозах погоды. Причиной магнитных бурь являются вспышки на поверхности Солнца, в результате которых в космическое пространство вырываются потоки солнечного вещества (протонов и электронов). Предсказаниями магнитных бурь занимаются астрономы. Ближайшие к Земле тела Солнечной системы — Луна, Венера и Марс магнитными полями не обладают. Магнитное поле есть у Солнца и еще более сильное — у Юпитера. •* ЭТО ИНТЕРЕСНО! Огромное значение компасы имели в эпоху Великих географических открытий для ориентации в океане. Без компаса Колумб никогда не отважился бы пуститься в плавание, а Магеллан не попытался бы обойти вокруг света. В то время компасы и карты стоили очень дорого, можно сказать, были на вес золота, их берегли как зеницу ока! Магеллан запрашивал для своей экспедиции шесть пар компасов и 23 морские карты, но получил значительно меньше. Знаменитому пирату Ф. Дрейку, совершившему второе кругосветное путешествие, было «легче»: на захваченных судах по его приказу прежде всего забирали компасы и карты (а порой уводили и кормчего) и лишь затем искали драгоценности. За время своей «карьеры» Дрейк проделывал это более сотни раз. Проверьте себя 1. На основании каких опытов и наблюдений можно сделать вывод о существовании у Земли магнитного поля? 2. Где находятся магнитные полюса Земли и чем это подтверждается? 134 3. Как направлена компасная стрелка вблизи магнитных полюсов? 4. Когда-то считалось, что магнитная стрелка, указывая направление на север, располагается вдоль земного меридиана. Так ли это на самом деле? 5. Что называют магнитными аномалиями и какова причина их возникновения? 6. Что такое магнитные бури и почему они возникают? 7. Гильберт в одном из своих опытов стучал молотком по железной полосе, расположенной с севера на юг, в результате чего полоса намагнитилась. Где располагались на ней северный и южный полюсы? 8. В настоящее время кроме компаса существуют и другие средства ориентации и определения курса корабля или самолета, например космическая навигация. Назовите виды деятельности людей, продолжающих активно пользоваться компасом. § 30. Опыт Эрстеда. Магнитное поле тока Опыт Эрстеда. До сих пор электрические и магнитные явления мы изучали независимо друг от друга. В науке эти явления также долгое время считались несвязанными. Впервые связь между электрическими и магнитными явлениями установил датский физик Ханс Эрстед в 1820 году. Эрстед обнаружил, что магнитная стрелка, расположенная вблизи любого проводника с током, поворачивается и располагается перпендикулярно проводнику (рис. 170, а). Поскольку ток — это упорядоченное движение заряженных частиц, то опыт Эрстеда свидетельствует о том, что движущиеся заряженные частицы каким-то образом действуют на индикатор магнитного поля — магнитную стрелку. Сам проводник (медный или алюминиевый) в отсутствие тока магнитного действия не оказывает (рис. 170, б). В настоящее время открытие Эрстеда объясняется так: подобно постоянным магнитам проводник с током создает вокруг себя магнитное поле, которое и передает действие проводника с током магнитной стрелке. Предположение о существовании магнитного поля не только вокруг постоянных магнитов, но и вокруг проводников с током подтверждено многочисленными экспериментами и привело к открытиям, часть из которых мы рассмотрим. Магнитное поле прямого провода с током. С помощью железных опилок выявим основные особенности магнитного поля, создаваемого проводом с током. Для этого пропустим провод через отверстие в кар- Эрстед Ханс тоне (или в оргстекле) и подключим его к источнику (1777—1851) 135 Рис. 170 , тока. При этом железные опилки, насыпанные на картон, расположатся вокруг проводника, образуя картину магнитного поля (рис. 171, а). Рассматривая эту картину, можно заметить, что вблизи провода опилки образуют заметные на глаз концентрические окружности. С удалением от провода действие магнитного поля на опилки ослабевает. Если на картон вместо 1 б Рис. 171 ^ Ж 1-- опилок поместить несколько маленьких магнитных стрелок, то они расположатся вдоль воображаемых окружностей (рис. 171, б). Попробуем изменить направление тока в опыте Эрстеда с магнитной стрелкой (см. рис. 170, а). Мы увидим, что стрелка по-прежнему располагается перпен- 136 в^: -*Л JL t Рис. 172 дикулярно проводнику, однако положение ее концов меняется на противоположное (рис. 172). Такое же изменение происходит и с железными опилками на картоне, а также с магнитными стрелками: при изменении направления тока в проводе все они поворачиваются на 180° (рис. 173). Магнитное поле катушки с током. Намотаем изолированный проводник на катушку и пропустим по нему ток. Поднесем к левому торцу катушки магнитную стрелку. Стрелка повернется одним из концов к катушке (рис. 174). Поднесем к правому торцу катушки вторую магнитную стрелку. Она также повернется к катушке, но другим концом. Теперь перенесем первую стрелку ко второй. Она повернется к катушке тем же концом, что и вторая (рис. 175). Чтобы исследовать магнитное поле катушки с током, проденем проводник сквозь органическое стекло так, как показано на рисунке 176. Рис. 173 Рис. 174 137 Рис. 175 Рис. 176 Рис. 177 Насыпав на стекло железные опилки и подключив катушку к источнику тока, мы увидим, что картина магнитного поля катушки с током (рис. 177) очень похожа на картину магнитного поля полосового магнита (см. рис. 167), причем торцы катушки с током напоминают полюса полосового магнита. Нетрудно установить, что у того торца катушки, который ток обтекает по ходу часовой стрелки, находится ее южный полюс S (рис. 178, а), а со стороны торца, который ток обтекает против часовой стрелки, — северный полюс N (рис. 178, б). Если катушку с током подвесить, она, как и полосовой магнит, повернется своим южным полюсом на юг, а северным — на север (рис. 179). С установленными свойствами катушки с током связано правило правой руки: если мысленно обхватить 138 Рис. 179 Рис. 180 катушку ладонью правой руки, направив четыре пальца по направлению тока в витках, то отогнутый на 90° большой палец укажет на северный полюс катушки (рис. 180). Это правило можно использовать и с целью определения направления тока в катушке, если известно положение ее полюсов. *Как намагнитить компасную стрелку. Магнитные свойства старых магнитных стрелок легко восстановить, если поместить их на некоторое время внутрь каркаса катушки, подключенной к источнику тока. Синий (северный) конец стрелки внутри каркаса должен быть направлен к северному полюсу катушки. Силу тока следует подобрать с помощью реостата, включенного в цепь последовательно с катушкой. Она не должна быть слишком большой, чтобы катушка не нагревалась. Этим способом можно намагнитить не только стрелку, но и любой стальной предмет, взяв катушку подходящих размеров. Во время намагничивания рекомендуется постукивать по торцу предмета деревянным молотком*. Проверьте себя 1. В чем состоял опыт Эрстеда? Когда он был поставлен? 2. Объясните опыт Эрстеда, используя понятие магнитного поля. 3. Как располагаются магнитные стрелки и железные опилки в магнитном поле прямого провода с током? 4. Сформулируйте правило правой руки. 5. Ток обтекает торец катушки против хода часовой стрелки. Какой магнитный полюс будет у этого торца? 6. Определите полюса торцов катушки с током (см. рис. 176). 139 7. Как использовать правило правой руки для определения направления тока в катушке, если известно положение ее полюсов? * 8. Определите направление тока в катушке, если известно положение ее магнитных полюсов (рис. 181). 9. Катушка с током, свободно подвешенная на длинных проводах, подводящих ток, расположилась в направлении север—юг (на рис. 182 это направление показано штриховой линией). В каком направлении находится северный магнитный полюс Земли? 10. Правильно ли намагничена магнитная стрелка, если под действием тока в катушке она установилась так, как показано на рисунке 183? 11. Будут ли притягиваться или отталкиваться катушки своими торцами, если по ним пропустить ток в указанном на рисунке 184 направлении? Катушки свободно подвешены на длинных проводах. Рис. 181 Рис. 182 '''•‘•л*" .‘•i •' t ■ I Рис. 183 Рис. 184 140 §31. Электромагнит и некоторые его применения Генри Джозеф (1797-1878) Электромагнит. Опыт Эрстеда послужил началом исследований электромагнитных явлений. Было обнаружено, что у торцов катушки магнитное поле значительно сильнее, чем у прямого провода с током, из которого свернута катушка. Еще сильнее магнитное поле катушки становится при внесении в нее железного сердечника. Устройство, состоящее из катушки, внутри которой находится железный сердечник, называется электромагнитом (рис. 185, 186). В 1828 году американский физик Джозеф Генри, применив многослойные катушки, создал электромагнит, поднимавший железные и стальные предметы массой до одной тонны. Исследования показали, что сила притяжения электромагнита прямо пропорциональна силе тока и числу витков в катушке, а также зависит от магнитных свойств сердечника. От этого же зависит и энергия магнитного поля электромагнита (катушки с током). Например, при увеличении (уменьшении) силы тока в катушке энергия создаваемого ею магнитного поля увеличивается (уменьшается). В настоящее время трудно назвать область техники, в которой не применялись бы электромагниты. Они есть в автомобиле, телефоне, телевизоре, теплоходе, космическом корабле. Электромагнитами для переноски стальных деталей и железного лома оборудуют подъемные краны. Подведя электромагнит к нужным деталям, машинист крана включает ток и не только прочно «прикрепляет» к нему детали (рис. 187), но и отделяет железный и стальной лом от немагнитных предметов. 4 Рис. 185 Рис. 186 Рис. 187 141 п 4 Рис. 188 Электромагнитное реле. Термином «реле» обозначают большое число приборов, позволяющих с помощью слабых токов управлять работой мощных устройств. В состав любого электромагнитного реле входит электромагнит 1 и контакты 2, которые замыкаются или размыкаются при движении якоря 3 — железной пластинки, притягивающейся к электромагниту. Пока по катушке электромагнита не проходит ток, якорь находится в положении А (рис. 188, а). При включении тока реле «срабатывает»: якорь занимает положение В, растягивая пружину 4 (рис. 188, б). При этом часть контактов 2 размыкается, а другая часть — замыкается. После выключения тока якорь под действием пружины возвращается в положение А. Работу реле рассмотрим на следующем простом примере. Допустим, что для сигнализации и защиты от пожара в темном складском помещении установили несколько фотоэлементов, которые включили в одну цепь с катушкой электромагнитного реле. Контакты реле подключили сигнальную сирену и специальные насосы (рис. 189). Если на складе возникнет пожар, то его пламя осветит фотоэлемент. Этот источник создаст слабый ток, который, однако, заставит сработать реле. Контакты реле замкнутся и включат и сирену, и двигатели пожарных насосов, работающих от мощной электрической сети. Электрический звонок. На рисунке 190, а показана схема электрического звонка. Сердечник 1 из мягкого железа обмотан проводом и представляет собой электромагнит. Железный якорь 2 прикреплен к пружине 3. 142 Фотоэлемент ГРеле I Рис. 189 Если нажать кнопку звонка 4, то по обмоткам пойдет ток, стержни станут магнитами и притянут якорь, который молоточком 5 ударит по колокольчику 6, а вибрации колокольчика создадут звуковые волны. Когда якорь начнет двигаться к магниту при нажатой кнопке звонка, электрическая цепь в точке С разомкнется и ток автоматически выключится (рис. 190, б). При этом железные стержни размагнитятся, и якорь, уже не притягиваясь к стержням, продолжит двигаться в прежнем направлении. После удара по колокольчику пружина 3 возвратит якорь назад. Рис. 190 143 и контакт в точке С восстановится. В результате в цепи снова появится ток, и, пока нажата кнопка звонка, цикл будет повторяться вновь и вновь. Обратите внимание, что сердечник электромагнита нельзя делать стальным, иначе он останется намагниченным после разрыва цепи, и якорь все время будет притянутым. Телефонный наушник. Электромагнит внутри наушника собран на сердечнике 1 из мягкого железа (рис. 191). Через катушку электромагнита пропускается переменный ток. В соответствии с изменениями силы тока и направления тока изменяется сила притяжения к электромагниту упругой стальной мембраны 2. Мембрана колеблется и периодически сжимает и разрежает прилегающие к ней слои воздуха, т. е. создает звуковые волны. В наушнике есть также сильный постоянный магнит 3, который притягивает мембрану, не давая ей дребезжать в процессе колебаний. Проверьте себя , 1. От чего зависит сила, с которой электромагнит притягивает стальные детали? 2. Почему опасно стоять под электромагнитом с грузом? 3. Иногда после выключения тока часть предметов остается притянутой к электромагниту подъемного крана. Что надо сделать для того, чтобы эти предметы упали? 4. По рисунку 188 объясните устройство электромагнитного реле. 5. Расскажите, как работает электрический звонок. 6. Будут ли звучать электрический звонок и наушник в безвоздушном пространстве? *7. На схеме электрического звонка (см. рис. 190) показан регулировочный винт 7. Для чего он нужен? 8. Как устроен телефонный наушник? Зачем в наушнике используется постоянный магнит? 9. Охраняемый объект окружен тонкой проволокой. Составьте схему цепи, которая при разрыве проволоки включала бы с помощью реле электрический звонок в помещении охраны. 144 § 32. Действие магнитного поля на проводники с током и движущиеся заряженные частицы Сила Ампера. Опыт Эрстеда показал, что упорядоченное движение электрических зарядов (электрический ток) сопровождается возникновением магнитного поля. Это поле действует на магнитную стрелку и поворачивает ее так, что она располагается перпендикулярно проводнику, по которому идет ток. Изучим это явление подробнее. Соберем установку (рис. 192, а): металлический проводник, соединенный с отрицательным полюсом источника тока, т. е. заряженный отрицательно, неподвижно висит в магнитном поле двух сильных полосовых магнитов. Пока тока в проводнике нет, магнитное поле на него не действует, в чем нетрудно убедиться, перемещая магниты. Значит, магнитное поле не действует на неподвижные электрические заряды. Однако, если с помощью ключа замкнуть цепь, то при возникновении тока проводник начинает выталкиваться из магнитного поля (рис. 192, б). Можно сказать, что на проводник с током со стороны магнитного поля действует сила F, направленная перпендикулярно проводнику. Эта сила называется силой Ампера. Изменив направление тока в проводнике, мы увидим, что магнитное поле выталкивает его в противоположную сторону (рис. 192, в). Иными словами, при изменении направления тока сила Ампера меняет свое направление на противоположное. Рис. 192 145 Рис. 193 Многочисленными опытами установлено, что сила Ампера всегда направлена перпендикулярно проводнику, а ее значение зависит от силы тока в проводнике; чем больше сила тока, тем соответственно больше сила, действующая на проводник со стороны магнитного поля. Действие магнитного поля на рамку с током. Поместим в магнитное поле между разноименьшши полюсами двух постоянных магнитов проюдящую рамку (рис. 193, а). Пока тока в рамке нет, она висит неподвижно. Замкнув цепь, заметим, что рамка поворачивается. Поворот объясняется тем, что токи в двух вертикальных сторонах рамки имеют противоположное направление (рис. 193, б), и силы Ампера, дейст- вующие со стороны магнитного поля на эти проводники, оказываются направленными противоположно друг другу. Действие магнитного поля на движущиеся заряженные частицы. В металлических проводниках ток создается упорядоченным движением свободных электронов. Проделанные нами опыты могут свидетельствовать о том, что магнитное поле действует не на проводники, а на движущиеся в них заряженные частицы. Для того чтобы проверить это предположение, т. е. «увидеть» действие магнитного поля непосредственно на движущиеся заряженные частицы, нужно получить поток таких частиц и пропустить его вблизи полюса магнита. Узкий пучок электронов — электронный луч — создается, например, в кинескопах обычных телевизоров. Кинескоп представляет собой герметично закрытую стеклянную колбу с широким дном, из которой удален воздух (рис. 194, а). В узкой части колбы расположена электронная пушка 1, которая испускает электроны и собирает их в узкий электронный луч 2. Электронный луч попадает на экран 3, выполненный изнутри на дне колбы. Вещество экрана светится под ударами электронов, поэтому в центре экрана возникает светлое пятнышко (рис. 194, б). 146 iDcc Рис. 194 Рис. 195 Если поднести к кинескопу постоянный магнит, то мы увидим, что электронный луч отклонится (рис. 195, а) и светлое пятнышко сместится из центра экрана (рис. 195, б). Следовательно, наше предположение верно, — магнитное поле действует на движуш(иеся заряды. Природой созданы и естественные источники движущихся заряженных частиц — так называемые радиоактивные вещества. Как вы узнаете в главе 7, радиоактивные вещества испускают как отрицательно заряженные частицы (электроны), так и частицы, заряженные положительно. Если поместить кусочек такого вещества в специальный сосуд с маленьким отверстием, то заряженные частицы будут вылетать через отверстие в виде узкого пучка (рис. 196). Пролетая сквозь магнитное поле, пучок разделяется на две части, отклоняющиеся в разные стороны (рис. 197). Это объясняется тем, что силы, действующие со стороны магнитного поля на движущиеся в одном направлении положительно и отрицательно заряженные частицы, направлены противоположно друг другу. Проверьте себя 1. Какая сила называется силой Ампера? 2. Как направлена сила Ампера и от чего зависит ее значение? 3. Чем объясняется вращающее действие магнитного поля на помещенную в него рамку с током? 147 Рис. 196 Рис. 197 4. Почему светлое пятнышко, создаваемое электронным лучом на экране кинескопа, сместится, если вблизи экрана поместить магнит? 5. Магнитное поле не действует на неподвижные заряженные частицы. Каким опытом это подтверждается? 6. Как доказать, что радиоактивные вещества испускают как положительно, так и отрицательно заряженные частицы? *§ 33. Использование действия магнитного поля на проводники с током Явление вращения рамки с током в магнитном поле используется для создания электроизмерительных приборов и электродвигателей. Устройство амперметра. На рисунке 198 схематически показано устройство амперметра. Между полюсами дугообразного магнита располагается легкая катушка 1 с прикрепленной к ней стрелкой. Внутри катушки находится неподвижный железный сердечник 2. При отсутствии тока катушка с помощью спиральных пружинок 3 удерживается в горизонтальном положении, а стрелка — на нулевом делении шкалы. При включении амперметра в цепь в катушке создается электрический ток и на нее действуют силы Ампера со стороны магнитного поля магнита. Катушка вместе со стрелкой поворачивается вокруг железного сердечника, но спиральные пружинки, закручиваясь, противодействуют этому повороту. В конце концов рамка останавливается, повернувшись на некоторый угол. Значение этого угла зависит от силы тока в рамке. Такой же измерительный механизм и у вольтметра. Однако число витков в катушке вольт-Рис. 198 метра больше, чем в катушке амперметра. 148 Устройство электродвигателя. Большинство механизмов и машин от электробритвы, кофемолки и пылесоса до токарных станков и электропоездов приводится в действие электрическими двигателями, преобразующими электрическую энергию в механическую работу. Существует много конструкций электродвигателей, но в каждом из них нетрудно найти рамку с током, вращающуюся в магнитном поле. Рассмотрим устройство электродвигателя. Внутри корпуса электродвигателя смонтированы неподвижный статор^ и вращающийся ротор^. Статор представляет собой либо постоянный магнит с полюсными наконечниками S и N (рис. 199, а), либо электромагнит (рис. 199, б). Статор составляет одно целое с корпусом электродвигателя. Этот узел предназначен для создания магнитного поля. Ротор — это особой формы стальной сердечник (рис. 200). В пазы сердечника наматывается проволочная катушка 1 (рис. 201). Начало и конец катушки припаиваются к полукольцам 2 и 3, прикрепленным к ротору и вращающимся вместе с ним. Снаружи к полукольцам прижимаются щетки — угольные стержни 4 и 5. С их помощью катушка подключается к источнику тока, от которого работает электродвигатель. При включении тока ротор электродвигателя подобно рамке начинает вращаться под действием сил Ампера, действующих на катушку. Вращающийся ротор способен совершить механическую работу. Рис. 199 Рис. 201 ' От латинского слова stator — стоящий неподвижно. ^ От латинского слова rotare — вращать. 149 Электрические двигатели не загрязняют окружающую среду, работают бесшумно, экономичны. Коэффициент полезного действия у них может» превышать 90%. Они удобны в эксплуатации и надежны в работе. Устройство громкоговорителя. На рисунке 202 показан внешний вид, а на рисунке 203 — схематичный разрез громкоговорителя (динамика). В каждом громкоговорителе есть сильный постоянный магнит 1 специальной формы (см. рис. 203). В зазоре между полюсами магнита помещается катушка 2, прикрепленная к конической бумажной мембране (диффузору) 3. Свободные края диффузора гибко крепятся к корпусу громкоговорителя 4. Если через катушку пропускать постоянный ток, то со стороны магнитного поля магнита на катушку действует сила Ампера. В зависимости от направления тока эта сила будет либо втягивать катушку в магнит, либо выталкивать ее из магнита. Во время работы громкоговорителя через катушку пропускается переменный ток, поэтому сила Ампера меняется как по модулю, так и по направлению. В результате катушка движется взад-вперед, а прикрепленный к ней диффузор, периодически действуя на окружающий его воздух, создает звуковые волны. Проверьте себя 1. Как вела бы себя катушка с током в механизме амперметра, если бы ее не удерживали спиральные пружины? 2. Почему необходимо подключать амперметр и вольтметр в соответствии с указанными на них знаками «Ч-» и «-»? 3. Для чего применяется электродвигатель и из каких частей он состоит? 4. По рисунку 203 объясните принцип действия громкоговорителя. Рис. 202 150 САМОЕ ВАЖНОЕ В ГЛАВЕ 4 1. Полюсами магнита называются те участки его поверхности, которые наиболее сильно проявляют свои магнитные свойства. 2. У полосового магнита два полюса, которые называются северным (N) и южным (S). Получить магнит с одним полюсом невозможно. 3. Магниты притягиваются разноименными и отталкиваются одноименными полюсами. 4. Земной шар — большой магнит. Вблизи Северного географического полюса находится южный магнитный полюс Земли; северный магнитный полюс Земли находится в Антарктиде. 5. Магнитным полем называют особого вида материю, существующую вокруг намагниченных тел и передающую действие этих тел на другие тела. Магнитное поле создается постоянными магнитами и проводниками с током. Магнитное поле обладает энергией. 6. Магнитное поле можно обнаружить по действию, которое оно оказывает. Магнитное поле действует на постоянные магниты, ферромагнетики, проводники с током и на движущиеся заряженные частицы. Действие магнитного поля, создаваемого проводником с током, на магнитную стрелку впервые обнаружил Эрстед в 1820 году. 7. Для определения положения полюсов катушки с током пользуются правилом правой руки. 8. Сила, действующая на проводник с током со стороны магнитного поля, в котором он находится, называется силой Ампера. Сила Ампера всегда перпендикулярна проводнику и изменяет свое направление на противоположное при изменении направления тока. ГЛАВА Электромагнитная индукция Если бы электрические заряды разделялись только при трении и при химических процессах в батарейках, то стоимость электроэнергии, полученной этими способами, была бы столь высока, что число изобретенных к нашему времени электрических машин было бы во много раз меньшим. В этой главе вы узнаете, как получают дешевую электрическую энергию с помощью механических средств и как устроены и работают машины для получения этой энергии — электрические генераторы. Изучая электрические и магнитные явления, мы сначала рассмотрели те из них, которые возникают, когда электрические заряды неподвижны по отношению друг к другу и по отношению к нам — наблюдателям. Далее мы познакомились с явлениями, возникающими, когда заряды движутся в проводниках с постоянной скоростью, создавая постоянный электрический ток и постоянное магнитное поле. Теперь мы займемся изучением явлений, в которых токи не постоянны, а электрические и магнитные поля меняются с течением времени. Открытие и изучение именно этих явлений привело к созданию не только электрических генераторов, но и современных средств связи — радио и телевидения. § 34. Явление электромагнитной индукции Открытие Фарадея. После того как Эрстед открыл, что электрические токи создают магнитные поля, было предпринято немало попыток обнаружить обратный эффект. Может ли магнитное поле каким-либо образом привести в движение электрические заряды, т. е. вызвать электрический ток? Одним из тех, кто целенаправленно стремился обнаружить этот эффект, был английский физик Майкл Фарадей. В своем дневнике он писал: «...Представляется весьма необычным, чтобы, с одной стороны, всякий электрический ток сопровождался магнитным действием и чтобы в проводниках, помещенных в магнитное поле, совсем не индуцировался ток, не возникало бы ощутимое электрическое поле». Начиная с 1822 года, ставя опыт за опытом, Фара-Фарадей Майкл Двй пытался решить сформулированную проблему, но (1791—1867) безуспешно. И только в 1831 году его настойчивость 152 Рис. 204 И упорство были вознаграждены. Описанный ниже опыт — упрощенный вариант одного из опытов Фарадея, поставленный на современном оборудовании. Подключим к гальванометру катушку с большим числом витков и начнем вдвигать в катушку постоянный магнит. Заметим, что, пока магнит движется, стрелка гальванометра отклоняется, указывая наличие тока (рис. 204, а). Но как только магнит перестает двигаться, прекращается и ток (рис. 204, б). При возобновлении движения магнита ток в цепи возникает вновь. Можно также заметить, что как при вдвигании (см. рис. 204, а), так и при выдвигании магнита (рис. 204, в) стрелка гальванометра отклоняется, но в разные стороны, т. е. ток в катушке в этих двух случаях имеет противоположное направление. Сколько бы раз мы ни повторяли опыт, столько же раз будет наблюдаться одно и то же явление: при движении магнита относительно замкнутой катушки в ней возникает электрический ток. Это явление называется электромагнитной индукцией, а возникающий ток — индукционным (наведенным) током. Причина возникновения индукционного тока в катушке. Вставим внутрь катушки постоянный магнит и, не отрывая магнит от плоскости стола, будем вращать его вокруг оси так, как показано на рисунке 205. Ток в катушке, замкнутой на гальванометр, не возникает. Однако стоит нам приподнять магнит, как ток в катушке появится. Для того чтобы объяснить наблюдаемые явления, обратим внимание на то, что при вращении магнита в катушке (см. рис. 205) магнитное поле, в котором находится катушка. Рис. 205 153 Рис. 206 не меняется. При движении же магнита вверх и вниз создаваемое им внутри катушки магнитное поле изменяется. Таким образом, опыты дают возможность предположить, что причиной появления индукционного тока является изменение магнитного поля в катушке. Это пока только предположение, которое нуждается в дополнительной проверке. Например, можно проверить, возникнет ли индукционный ток, если, оставляя магнит неподвижным, двигать относительно него катушку. Введем магнит в катушку так, чтобы своим нижним концом он уперся в крышку стола, и начнем перемещать катушку вверх относительно магнита. Мы увидим, что индукционный ток возникает и в этом случае (рис. 206). Если же, прижимая магнит к катушке, двигать их одновременно, то индукционный ток не появляется. Значит, для возникновения явления электромагнитной индукции необходимы не любые движения магнита или катушки, а такие их относительные движения, при которых происходит изменение магнитного поля в катушке. Если заменить постоянный магнит электромагнитом, то магнитное поле в катушке можно попытаться изменить путем изменения силы тока в электромагните. Проверим, возникает ли явление электромагнитной индукции в этом случае. Соберем новую установку, в которой катушка 1 и катушка электромагнита 2 помещены на общий железный сердечник 3 (рис. 207). Замыкая и размыкая ключ в цепи электромагнита, а также изменяя сопротивление Рис. 207 154 JL^ .1. Рис. 208 реостата, можно изменять силу тока в электромагните, а следовательно, и его магнитное поле. В момент замыкания ключа стрелка гальванометра, подключенного к катушке 1, отклоняется (рис. 208) и тут же возвращается в исходное положение. То же самое происходит при размыкании ключа, а также при движениях ползунка реостата. Если же в катушке электромагнита протекает постоянный ток и его магнитное поле не меняется, то стрелка гальванометра стоит на нуле, т. е. явление электромагнитной индукции отсутствует. Это означает, что индукционный ток в катушке 1 возникает, только если изменяется магнитное поле электромагнита. Таким образом, наше предположение подтвердилось. Открытое Фарадеем явление электромагнитной индукции заключается в появлении индукционного тока в замкнутой катушке, если внутри катушки меняется магнитное поле. Проверьте себя 1. Какое явление открыл X. Эрстед? 2. Что должно представлять собой явление, обратное явлению, открытому Эрстедом? 3. Опишите (устно) опыты, позволяющие обнаружить индукционный ток. 4. В чем состоит различие в получении индукционного тока в опытах, изображенных на рисунках 204, а, 206 и 208? 5. В чем состоит явление электромагнитной индукции, открытое М. Фарадеем? 6. При каком движении магнита внутри катушки индукционный ток не возникает? 155 7. Как надо двигать магнит или катушку, чтобы в ней возник индукционный ток? , 8. Используя рисунки 207 и 208, расскажите о явлениях, происходящих в соответствующих опытах. § 35. Применение электромагнитной индукции Устройство генератора. Открытие и изучение явления электромагнитной индукции привело к созданию электрических генераторов — преобразователей механической энергии в электрическую. Первый такой генератор был сконструирован в 1832 году. Устройство простейшего генератора показано на рисунке 209. Оно почти не отличается от устройства электродвигателя (см. рис. 201). В генераторе тоже есть статор 1, представляющий собой постоянный магнит (или электромагнит), а также ротор, на который намотана катушка 2. Ротор вместе с катушкой приводят во вращение вокруг горизонтальной оси в магнитном поле статора. Впрочем, часто катушки в генераторах закреплены на статоре, а магнит или электромагнит (ротор) вращается внутри катушек (рис. 210). Для возникновения явления электромагнитной индукции важно лишь, чтобы при вращении ротора внутри катушки (или катушек) менялось магнитное поле. В генераторе (см. рис. 209) концы катушки соединяются с изолированными друг от друга контактными кольцами 3 к 4, закрепленными на оси ротора. Кольца с помощью щеток 5 и''б связаны с внешней цепью Рис. 209 156 генератора, например с электрической лампочкой, т. е. катушка все время входит в состав замкнутой цепи. В этой замкнутой цепи при вращении катушки возникает индукционный ток, и лампочка загорается. В генераторе, показанном на рисунке 210, кольца и щетки не нужны, и в этом состоит преимущество такой конструкции. Таким образом, между генератором электрического тока и электродвигателем, с которым вы уже знакомы, почти нет конструктивных различий, поэтому оба устройства обратимы, т. е. могут применяться и с той и с другой целью. В двигателе электрическая энергия используется для вращения ротора, а вращающийся ротор совершает механическую работу. В генераторе же происходит обратный процесс: его ротор приводится в принудительное вращение, а в катушке ротора возникает индукционный ток, совершающий работу во внешней цепи генератора. Микрофон. Своеобразным генератором электрического тока является микрофон — устройство, преобразующее звуки в переменный ток. Познакомимся с микрофоном (рис. 211), действие которого основано на использовании явления электромагнитной индукции. Конструкция микрофона очень похожа на конструкцию громкоговорителя (см. рис. 203). Под кожухом микрофона находится небольшой, но сильный постоянный магнит в виде двух соосных цилиндров (рис. 212). Каждый из цилиндров — это полюс магнита. В промежутке между полюсами находится легкая катушка 1 (рис. 213), каркас которой приклеен к тонкой упругой мембране 2. Внешний край мембраны прикреплен к корпусу микрофона 3. Если говорить перед микрофоном, то под действием звуковых волн мембрана и вместе с ней катушка будут совершать колебания относительно постоянного магнита. Магнитное поле в катушке будет меняться, и в ней возникнет индукционный ток. Нетрудно убедиться, что микрофон и г1юмкоговоритель не только похожи по своей конструкции, но и подобно электродвигателю и генератору являются взаимно обратимыми устройствами. Если громкоговоритель преобразует электрическую энергию в энергию звуковых волн, то микрофон преобразует механическую энергию колебаний воздуха в электрическую энергию. N Рис. 211 Рис. 212 Рис. 213 157 это ИНТЕРЕСНО! Недавно был сконструирован необычный фонарик. В нем источником тока служит не батарейка, а конденсатор. Зарядка этого конденсатора происходит при механическом встряхивании фонарика. Электрической энергии, запасенной конденсатором за 30 с встряхивания хватает для горения фонарика в течение 10—15 мин. ^ ^ ^ В отличие от батарейки срок действия конден- сатора не ограничен, поэтому фонарик является «вечным». Устройство фонарика показано на рисунке 214. К конденсатору 1 подключена проволочная катушка 2, закрепленная в рукоятке фонарика. Внутри катушки может перемещаться магнит 3. При встряхиваниях фонарика магнит приходит в движение и в катушке возникает индукционный ток, который постепенно заряжает конденсатор. 3 Рис. 214 Проверьте себя 1. На чем основан принцип действия индукционного генератора и из каких конструктивных элементов он состоит? 2. Почему в генераторе, ротором которого служит постоянный магнит (см. рис. 210), кольца и щетки не нужны? 3. На что расходуется энергия, затрачиваемая на приведение в действие электродвигателя? генератора тока? ^ 4. На каком явлении основана работа микрофона? Расскажите о его устройстве. 5. Микрофон и громкоговоритель являются обратимыми устройствами. Что это означает? 6. Два микрофона, находящиеся в разных квартирах, соединены между собой проводниками. Можно ли с их помощью переговариваться? § 36. Переменный ток Что такое переменный ток. Повторим опыты, изображенные на рисунках 204, а, в, и убедимся, что направление индукционного тока зависит от направления движения магнита. При движении магнита к катушке ток имеет одно направление, а при движении от катушки — противоположное. Если заставить магнит, подвешенный на пружине, совершать вертикальные колебания (рис. 215), то, следя за стрелкой гальванометра, можно заметить, что сила тока в катушке сначала возрастает, потом убывает и обращается в нуль, после чего стрелка прибора отклоняется в противоположную сторону. Следовательно, в катушке возникает переменный 158 Рис. 215 * индукционный ток, для которого характерно изменение направления и силы тока во времени. Ток, получаемый с помощью индукционных генераторов, всегда переменный. Эти генераторы называют также источниками переменного тока. При равномерном вращении ротора график зависимости силы индукционного тока I от времени t имеет вид, показанный на рисунке 216. Буквой Т обозначено время поворота ротора на 360°, т. е. период вращения. С этим периодом повторяется и график. Кривая, изображенная на рисунке 216, называется синусоидой. За один оборот ротора (т. е. за 1 период) в генераторе с одной катуш- _ кой направление тока изменяется один раз. В России принят стандарт для переменного тока: Г = ^ с. Вспомним, что величина, обратная периоду, 1 называется частотой: v = ^ и выражается вгерцах(1Гц=1 с"*). Следовательно, стандартная частота переменного тока V = 50 Гц. Значит, ток, получаемый с помощью промышленных генераторов, должен повторяться 50 раз в секунду. Для этого в генераторе ротор должен совершать 50 оборотов в секунду или 3000 оборотов в минуту, что не всегда технически осуществимо. Рис. 217 159 Рис. 218 Скорость вращения ротора в генераторе можно уменьшить, если для создания магнитного поля использовать не один, а несколько магнитов (рис. 217) или несколько катушек. В этом случае частота колебаний силы тока равна частоте вращения ротора, умноженной на число пар магнитных полюсов. Например, при наличии 10 пар полюсов достаточно вращать ротор с частотой 5 Гц, чтобы получить переменный ток с частотой 50 Гц. Свойства переменного тока. Переменный ток обладает рядом свойств, аналогичных свойствам постоянного тока. Например, проходя по проводникам, переменный ток, как и постоянный, нагревает их. Это свойство используется в электронагревательных приборах и в лампах накаливания. Вокруг проводников, в которых протекает переменный ток, существует магнитное поле. Однако это поле переменное. Полюсы электромагнита, в котором течет переменный ток частотой 50 Гц, 50 раз в секунду меняются: один и тот же торец сердечника 50 раз в секунду бывает северным полюсом и 50 раз — южным. Переменный ток, изменяющийся с частотой 50 Гц, течет и в проводах наших домов. С той же частотой изменяется и напряжение между клеммами розеток. График зависимости переменного напряжения U в розетке от времени t показан на рисунке 218. Проверьте себя 1. Какой ток называется переменным? 2. Опишите опыты, в которых возникает переменный ток. 3. Перечислите известные вам свойства переменного тока. 4. Ротор генератора, к клеммам которого подключен потребитель, вращать труднее, чем в отсутствие потребителя. Почему? *5. Ток, протекающий по нитям лампы накаливания, переменный. Почему мы не замечаем изменения яркости свечения электроламп? 6. Постоянный или переменный ток получают с помощью генераторов? *§ 37. Трансформация переменного тока Переменный ток обладает еще одним важным свойством: его напряжение нетрудно изменять — трансформировать*. Первый трансформатор — ' От латинского слова transformare — преобразовывать. 160 Яблочков Павел Николаевич (1847-1894) прибор ДЛЯ преобразования силы переменного тока и напряжения — сконструировал в 1876 году российский изобретатель Павел Николаевич Яблочков. Простота изготовления трансформаторов, надежность в работе и низкая стоимость делают их незаменимыми в тех случаях, когда необходимо повысить или понизить напряжение источника тока для нормальной работы самых разнообразных современных технических устройств — телевизоров, компьютеров, электромоторов, сварочных аппаратов, электрического строительного оборудования, научных приборов. Трансформаторы очень часто используются также в устройствах, позволяющих заряжать от сети аккумуляторы автомобилей и мобильных телефонов. Существование трансформаторов, пожалуй, единственная причина повсеместного применения переменного тока в технике. Устройство и принцип работы трансформатора. Простейший трансформатор состоит из стального сердечника замкнутой формы, на который надеты две катушки (рис. 219). Одна из катушек, называемая первичной, подключается к источнику переменного тока. Переменное магнитное поле этой катушки в основном сосредоточено в сердечнике. В этом поле, изменяющемся с частотой протекающего переменного тока (50 Гц), находится вторая катушка, называемая вторичной. Вторичная катушка подключается к потребителю тока. Переменное магнитное поле, существующее в сердечнике, наводит во вторичной катушке переменный индукционный ток, протекающий через замкнутую цепь, образованную потребителем. Допустим, что первичная катушка имеет витков, а напряжение источника тока равно t/,. Число витков во вторичной катушке и напряжение на потребителе обозначим соответственно через «2 и U2 (рис. 220). Рис. 219 Опыт показывает, что напряжение на потребителе во столько же раз больше (или меньше) напряжения на первичной катушке, во сколько раз число витков вторичной катушки больше (или меньше) числа витков первичной катушки: (1) Чг = и. пг лГ Значит, напряжение на потребителе равно Пг = ^С/,. П\ Отсюда следует главное свойство трансформатора: чтобы создать напряжение, необходимое для работы потребителя, достаточно подобрать соотношение числа витков в катушках трансформатора. Если П2 > п^, то трансформатор повышает напряжение {U2 > Ui) и называется повышающим; если же /ig < л,, то трансформатор понижает напряжение (U2 < (/,) и называется понижающим. Преобразование силы тока в трансформаторе. При прохождении электрического тока по катушкам трансформатора часть энергии тока непродуктивно тратится на нагревание проводов катушек и сердечника. Тем не менее эти потери невелики. Мощность тока в первичной катушке трансформатора мощ- ность тока во вторичной катушке Pg = (см. рис. 220). Если можно пренебречь потерями энергии, считая Рг - Р2, ТО значения силы тока в катушках трансформатора и напряжения на них будут связаны друг с другом простым соотношением: ^ I2U2 = или к л и2 (2) Это означает, что, повышая (или понижая) напряжение на потребителе, мы во столько же раз уменьшаем (или увеличиваем) силу тока в нем. Например, трансформатор в приборе для выжигания по дереву понижает напряжение с 220 В до 11 В, а сила тока в нагревательном элементе « 200 „„ прибора при этом увеличивается в -jj- = 20 раз по сравнению с силой тока в первичной катушке. Сопоставив формулы (1) и (2), можно сделать вывод, что в трансформаторе с малыми потерями энергии силы токов в катушках обратно пропорциональны числам витков в них: Ь. „ Ih., Ii Л2 162 ПРИМЕР РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ В приборе для выжигания по дереву напряжение понижается с 220 В до 11 В. В паспорте трансформатора указано; «Мощность, потребляемая от сети, — 55 Вт, КПД трансформатора’ — 0,8». Определите силы токов в первичной катушке трансформатора и в потребителе. Решение. Силу тока в первичной катушке можно определить по известным значениям напряжения сети и мощности Pj, потребляемой трансформатором от сети. Так как Р| = Ци^, то _ А-^-0 25 А 17, 220 В ’ Мощность тока во вторичной катушке Рг~ Рг = 55 Вт • 0,8 = 44 Вт, поэтому сила тока в потребителе (в нагревательном элементе) С/2 44 Вт 11 В = 4 А. Ответ: /, = 0,25 А, = 4 А. Проверьте себя 1. Как устроен трансформатор? 2. Где и для чего используются трансформаторы? 3. Почему во вторичной катушке трансформатора возникает электрический ток? 4. Какой трансформатор называется повышающим? понижающим? 5. Сколько витков должна содержать вторичная катушка трансформатора, к которой подключена лампочка карманного фонаря с рабочим напряжением 3,5 В? Первичная обмотка состоит из 1000 витков и подключается к сети напряжением 220 В. Потерями энергии пренебречь. 6. Электрический паяльник мощностью 60 Вт рассчитан на напряжение 36 В. В паспорте трансформатора, от которого питается паяльник, указано: «220 В / 36 В; КПД — 0,8». Определите силы токов в первичной катушке трансформатора и в паяльнике. Какую мощность будет потреблять от сети трансформатор с паяльником? 7. На рисунке 221 приведена схема трансформатора для электросварки. Электроды 1 и 2, между которыми возникает дуга, подключены ’ КПД трансформатора равен отношению полезной мощности (мощности потреби- Рг теля) Pj к мощности Pj, потребляемой трансформатором от сети: Т) = 163 220 В к вторичной обмотке трансформатора. Повышается или понижаетея напряжение на электродах, если переключатель 3 поворачивать по часовой стрелке в направлении от положения А к положению В? 8. Докажите, что если КПД трансформатора равен г|, то h П2 Рис. 221 *§ 38. Электростанции Основным источником энергии, обеспечивающим существование жизни на Земле, является Солнце. Каждую секунду солнечное излучение доставляет нам около 10'^ Дж энергии. Прямое преобразование энергии Солнца в электрическую энергию осуществляется с помощью солнечных батарей, состоящих из полупроводниковых фотоэлементов. Их главное преимущество — долговечность и отсутствие производственных отходов. Однако КПД солнечных батарей составляет сейчас только 10%. Более широкому распространению препятствует их дороговизна. Другим источником энергии является природное топливо — уголь, нефть, природный газ. Энергия, выделяюп^аяся при сжигании топлива, используется для приведения в действие машин и механизмов, т. е. для совершения работы. Совершать механическую работу можно и за счет энергии движения речной воды или ветра. К сожалению, необходимые запасы топлива в нужном месте и в нужном количестве имеются не всегда. Проблему передачи топлива решают строя трубопроводы, по которым нефть и газ транспортируют на большие расстояния. Однако удобнее всего запасать и передавать не топливо, а электрическую энергию, которую сравнительно легко получать и передавать с небольшими потерями. Удобство электроэнергии состоит еще и ь хом, что после передачи ее легко преобразовать в другие виды энергии — механическую, химическую, внутреннюю. Преимуществом электроэнергии является также возможность объединения электростанций в энергосистемы, что увеличивает надежность и бесперебойность их работы, облегчает создание необходимого резерва мощности. Электростанции — это предприятия, вырабатывающие электроэнергию путем преобразования других видов энергии. 75% мирового промышленного производства электроэнергии приходится на тепловые электростанции 164 (ТЭС), 15 % — на гидроэлектростанции (ГЭС) и 10 % — на атомные электростанции (АЭС). Такое распределение тесно связано с объемом имеющихся на Земле запасов ископаемых видов топлива, стоимостью их добычи, переработки и утилизации образующихся отходов. Главным звеном всех электростанций являются генераторы. Для вращения генераторов на гидроэлектростанциях используется энергия движения потоков воды, падающих с плотин, а на тепловых и атомных электростанциях — энергия струй горячего пара. Познакомимся с основными типами существующих электростанций. Тепловые электростанции преобразуют энергию, выделяющуюся при сгорании наиболее распространенных видов минерального топлива; угля, нефти, мазута, газа, торфа, горючих сланцев, в электрическую. В топках паровых котлов эта энергия используется для испарения воды. Пар в котлах сильно нагревают, чтобы его давление было максимально большим и чтобы выходящая из котла струя пара обладала большой кинетической энергией. Струя пара вращает паровую турбину' (рис. 222), ротор которой связан с ротором генератора. Блок, состоящий из паровой турбины и генератора, называют турбогенератором. Коэффициент полезного действия турбогенераторов достигает 99 %. Однако КПД тепловых электростанций в целом значительно ниже и не превышает 40 %. Потери энергии возникают из-за неэффективного сжигания топлива при получении пара, а также из-за неполного использования энергии отработанного пара, выходящего из паровой турбины. Применяя тепловые электростанции для получения энергии, человечество вынуждено мириться с большим вредом, который они наносят окружающей природе, загрязняя ее вредными газами, пылью и шлаком. Например, любое минеральное топливо содержит серу. При ее сгорании получается сернистый ангидрид, который выбрасывается в атмосферу и, вступая в реакцию с атмосферной влагой, образует раствор серной кислоты. Вместе с дождями кислота выпадает на землю, причиняя вред здоровью людей и жизни растений. Отходы электростанций, работающих на угле, — источник радиоактивного Рис. 222 ' Турбина — устройство для преобразования кинетической энергии пара, газа или воды в кинетическую энергию вращения своего ротора. 165 Рис. 223 загрязнения. В угле всегда имеются радиоактивные примеси. Они остаются в золе или уносятся вместе с продуктами сгорания и осаждаются на прилегающей местности. Необходимо учитывать также, что тепловые электростанции используют топливо, на образование которого потребовались сотни тысяч и миллионы лет. Возобновить это топливо невозможно, поэтому важнейшей проблемой является опасность его исчерпания. Надежно разведанных запасов угля может хватить на 350 лет, нефти — на 40 лет, природного газа — на 60 лет. Гидроэлектростанции преобразуют кинетическую энергию воды, падающей с плотин. Обычно на них устанавливают несколько турбин по всей длине плотины (рис. 223). Включая или отключая часть турбин, можно регулировать количество вырабатываемой электроэнергии. Как показала практика строительства гидроэлектростанций, они эффективны только на горных реках. Строительство плотин на равнинах приводит к затоплению больших площадей лесов, лугов и полей и к нарушению биологических путей рыбы на нерестилища,, В результате на равнинных реках сокращается или прекращается промысел рыбы. Хотя на гидроэлектростанциях вырабатывается самая дешевая электроэнергия, потери, связанные с вредным воздействием на природу, делают их в конечном итоге малоперспективными. Атомные электростанции начали строиться с 1954 года. Как уже говорилось, они отличаются от тепловых электростанций только видом используемого топлива. Во всем остальном их устройство совпадает. Однако для безопасности использования атомные электростанции должны иметь более надежную защиту от аварий, и управлять ими должны люди с высокой профессиональной подготовкой. Подробнее об особенностях атомных электростанций вы узнаете в § 54. Проверьте себя 1. Что такое электростанция? 2. Считается, что все запасы энергии, которой мы можем распорядиться на Земле, в конечном итоге накоплены за счет энергии Солнца. Поясните это утверждение. 166 3. Почему электрическая энергия считается самым универсальным и удобным для использования видом энергии? 4. Какая доля мирового производства электроэнергии приходится на тепловые, гидро- и атомные электростанции? С чем связано такое распределение? 5. Почему на тепловых электростанциях для вращения турбин выгодно использовать очень горячий пар? 6. Почти половина энергии, получаемой в паровом котле, не передается турбине и уносится отработанным паром. Можно ли использовать эту энергию? 7. Какой вред наносят окружающей среде тепловые электростанции? 8. Зачем возводят плотины при строительстве гидроэлектростанций? 9. Почему гидроэлектростанции эффективны на горных реках и малоэффективны на равнинных? *§ 39. Передача электрической энергии на большие расстояния Электрическая энергия имеет три неоспоримых преимущества перед другими видами энергии. Во-первых, ее легко преобразовывать в другие виды энергии (вспомните электродвигатель, нагревательные приборы, электрическое освещение). Во-вторых, это экологически чистый вид энергии: при ее преобразовании в другие виды окружающая среда не загрязняется. В-третьих, электрическую энергию легко передавать на малые и большие расстояния. О том, что электроэнергию можно передать на малые расстояния, вы знаете из повседневного опыта: по двум проводам электроэнергия подводится к любому прибору в доме. Для передачи электроэнергии на большие расстояния строят линии электропередачи (ЛЭП). При этом необходимо учитывать, что, проходя по проводам, ток их нагревает. Поскольку в нашей стране длина ЛЭП достигает сотен и тысяч километров, бесполезные потери энергии на нагревание проводов становятся весьма заметными, и для их уменьшения приходится принимать специальные меры. Основной способ сокращения тепловых потерь — повышение напряжения в ЛЭП с помощью повышающего трансформатора 1, находящегося на электростанции (рис. 224). Например, если напряжение на выходе генератора составляет не более (У, = 30 кВ, то напряжение С/„р между проводами ЛЭП может достигать 500 и даже 1000 кВ. На противоположном конце линии в этом случае ставят понижающий трансформатор 2, чтобы получить напряжение U2, удобное для потребителей (например, t/g = 220 В). 167 Повышающий трансформатор 1 Понижающий трансформатор 2 Рис. 224 р — т2 13 ■*пр'^пр> Выясним, почему повышение напряжения в ЛЭП приводит к снижению тепловых потерь. В соответствии с законом Джоуля—Ленца мощность Р^, расходуемая на нагрев проводов, находится по формуле (1) где Д„р — электрическое сопротивление проводов ЛЭП, 7„р — сила тока в проводах линии (см. рис. 224). Ясно, что, как бы ни повышалось напряжение {/„р между проводами линии, электрическая мощность, получаемая потребителем, не должна изменяться. Если КПД трансформатора близок к 100 %, то той же самой должна остаться и мощность Р„р, передаваемая ЛЭП: Р„р = U„p 1„р. Подста- р вив выражение /„р = в формулу (1), получим: -РщАтр UL • (2) Поскольку значения Р„р и Д„р остаются неизменными, мощность Р^, расходуемая на нагрев проводов, действительно уменьшается с ростом напряжения между проводами линии, причем пропорционально квадрату U„^. ПРИМЕР РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ Во сколько раз сократятся потери электроэнергии на нагрев проводов ЛЭП в результате повышения напряжения между проводами с L/, = 20 кВ до L/j = 500 кВ? Сопротивление проводов ЛЭП и мощность потребителя электроэнергии остались прежними, потери энергии в повышающем и понижающем трансформаторах не учитывать. Решение. Воспользуемся формулой (2), с помощью которой рассчитаем мощность тепловых потерь в ЛЭП. При выполнении условий, сформулированных в задаче, значения Р„р и при повышении напряжения между проводами ЛЭП остаются неизменными. Поэтому отношение мощностей тепловых потерь до повышения и после повышения напряжения составит: Pj!_ _ ^ _ (500 кВ)^ Рт, t/f (20 кВ)^ = 625. 168 Таким образом, после повышения напряжения мощность тепловых потерь уменьшится в 625 раз. Ответ: в 625 раз. Примечание. Если напряжение между проводами ЛЭП увеличить до 1000 кВ, 1000 кВ f „ = 2500 раз! Выгода от повышения напряжения оче- то потери сократятся в видна. 20 кВ Проверьте себя 1. Каковы преимущества электрической энергии перед другими ее видами? 2. Почему при передаче электрической энергии на дальние расстояния напряжение между проводами линий электропередачи повышают? 3. Во сколько раз снижаются потери на нагревание проводов при повышении напряжения в ЛЭП в три раза? 4. Электростанция мощностью 4 МВт передает электроэнергию жителям района и на сталеплавильный завод. При этом 75% мощности электростанции потребляется жителями, а 5 % — теряется при передаче электроэнергии по проводам. Сколько стали ежедневно выплавляют на заводе, если на выплавку 1 кг расходуется 2 кВт ■ ч электроэнергии? САМОЕ ВАЖНОЕ В ГЛАВЕ 5 1. Открытое Фарадеем явление электромагнитной индукции заключается в появлении индукционного тока в замкнутой катушке, если внутри катушки меняется магнитное поле. 2. Электрический генератор — преобразователь механической энергии в электрическую. Электрический генератор и электродвигатель — обратимые электрические машины. В двигателе электрическая энергия используется для вращения ротора, совершающего механическую работу. В генераторе происходит обратный процесс: за счет совершения механической работы его ротор приводится во вращение, а в катушке ротора возникает индукционный ток. 3. Электрический ток называется переменным, если сила тока и (или) направление тока меняются во времени. Промышленные генераторы вырабатывают переменный ток синусоидальной формы, изменяющийся с частотой 50 Гц. 4. Трансформатор — это устройство для повышения или понижения напряжения в сетях переменного тока. КПД трансформаторов может достигать 98—99 %. 5. Напряжение между проводами линий электропередачи повышают для того, чтобы снизить потери энергии на нагревание проводов. 169 Электромагнитные волны ГЛАВА О “Л ■ -ч'с Вы уже знакомы с механическими волнами, к которым относится и звук. Механические волны возникают в среде и возбуждаются телами, движущимися относительно среды. Источниками механических волн могут быть самолеты и пароходы, струи воздуха, колеблющиеся тела (струны, корпуса музыкальных инструментов), землетрясения, работающие механизмы и т. д. Механической волной называется процесс распространения механических колебаний в среде. Нет среды, нет и механических волн. Электрический звонок слышен из-под колокола воздушного насоса, только когда под колоколом есть воздух (рис. 225). Если воздух удален, звук отсутствует, хотя звонок продолжает работать. Совершенно беззвучно работает в космрсе ракетный двигатель. Для распространения электромагнитных волн, о которых пойдет речь в этой главе, среда не обязательна. Именно поэтому можно с Земли корректировать орбиты искусственных спутников, управлять полетами межпланетных кораблей и получать информацию из космоса о процессах, происходящих на далеких звездах. Задача данной главы — рассказать об этом явлении. § 40. Электромагнитные колебания Поля, которые нас окружают. Вы знаете, что источником электрического поля являются заряженные тела. Такие поля нас окружают постоянно. Все мы находимся в электрическом поле Земли. Значительно более слабые поля создаются электрическими зарядами, появляющимися из-за того, что кто-то ерзает на своем стуле или трется рукавами о стол, т. е. в результате трения. Нас окружают и магнитные поля. Прежде всего это магнитное поле Земли. Кроме того, существуют магнитные поля, возникающие вокруг 170 постоянных магнитов и проводников, по которым течет электрический ток. Ни электрическое, ни магнитное поле мы не ощущаем, поскольку природа не снабдила нас соответствующими органами чувств. Однако эти поля можно обнаружить по их действию на заряженные тела, железные опилки, магнитные стрелки или специальные измерительные приборы. Если бы мы не могли обнаруживать эти поля, не было бы смысла говорить об их существовании. Еще раз об энергии электрического и магнитного полей. О наличии энергии у электрического и магнитного полей вы уже узнали из этого учебника (см. § 7 и 29). Рассмотрим еще два опыта, которые подтверждают реальность такой энергии. Схема первого опыта изображена на рисунке 226, а: источник тока через переключатель соединен с конденсатором, имеющим большую электрическую емкость. После того как конденсатор зарядится (т. е. в нем будет создано электрическое поле), его подключают к лампочке (рис. 226, б), и лампочка кратковременно вспыхивает. Можно сказать, что в результате перетекания зарядов (разрядки конденсатора) и их нейтрализации электрическое поле в конденсаторе исчезает, однако энергия этого поля исчезнуть не может. Именно она превращается во внутреннюю энергию нагревшейся нити накала и в энергию излучения. Во втором опыте при замкнутом ключе электрический ток протекает через катушку с железным сердечником (электромагнит) и через подключенную параллельно катушке лампочку (рис. 227, а). Лампочка горит нормальным накалом, но в момент размыкания цепи (рис. 227, б) она ярко вспыхивает. Энергию, необходимую для вспышки, источник тока дать не может, так как цепь уже разомкнута. Значит, этой энергией обладало магнитное поле, которое до размыкания цепи существовало вокруг катушки с током. Электромагнитные колебания. Что произойдет, если конденсатор, зарядившийся от источника тока, с помощью переключателя соединить не с лампочкой, как показано на рисунке 227, б, а с катушкой? Следует ожидать. Рис. 226 171 fai^ Рис. 227 ЧТО в этом случае заряды, перетекающие при разрядке конденсатора, создадут ток в катушке, поэтому энергия исчезающего в конденсаторе электрического поля будет превращаться в энергию магнитного поля катушки с током. Схема соответствующего опыта показана на рисунке 228, а. Последовательно с катушкой соединен амперметр для наблюдения за силой тока и его направлением. Подключив конденсатор к катушке (рис. 228, б), мы увидим, что стрелка амперметра сначала отклонится в одну сторону, затем вернется в исходное положение, отклонится в другую сторону, снова вернется в исходное положение, и такое поведение стрелки повторится несколько раз. Очевидно, что процесс разрядки конденсатора через катушку происходит сложнее и продолжительнее, чем через лампочку. Сила тока в катушке то увеличивается, то уменьшается, и при этом периодически изменяется направление тока, в результате чего стрелка амперметра совершает колебания вокруг нулевого деления шкалы. Конденсатор и катушку, соединенные между собой (рис. 229), называют электрическим колебательным контуром. Это название подчеркивает, что, как нами было установлено с помощью проведенного опыта, процесс разрядки конденсатора через катушку носит колебательный характер. Впервые это установил Дж. Генри в 1842 году. Периодические изменения силы тока в катуилке и заряда конденсатора электрического колебательного контура, сопровождающиеся взаимными Рис. 229 172 превращениями энергии электрического поля в энергию магнитного поля, называют электромагнитными колебаниями. Период и частота электромагнитных колебаний определяются точно так же, как и в случае механических колебаний, о которых говорилось в 7-м классе. Периодом Т электромагнитных колебаний называется время одного полного колебания силы тока в катушке или заряда конденсатора. Период колебаний выражают в секундах. Частотой колебаний v называют число полных колебаний в единицу времени. Если за время t произошло N полных колебаний силы тока, то V = N t ’ За единицу частоты колебаний, как вы знаете, принят герц (Гц). При частоте 1 Гц сила тока в колебательном контуре совершает одно полное колебание за 1 с. Электромагнитные колебания могут происходить не только в колебательном контуре. Например, они возникают в катушке, замкнутой на гальванометр, если внутри катушки совершает вертикальные колебания магнит, подвешенный на пружине (см. рис. 215). Периодические изменения силы тока и его направления в катушке можно обнаружить, следя за отклонениями стрелки гальванометра. В этом опыте ток появляется вследствие явления электромагнитной индукции. *Рассмотрим процесс возникновения электромагнитных колебаний в колебательном контуре подробнее. В начале разрядки конденсатора в катушке возникает электрический ток (рис. 230, а, б). При этом заряд и энергия электрического поля конденсатора уменьшаются, а сила тока в катушке и энергия ее магнитного поля — увеличиваются. В § 31 мы отмечали, что, чем больше (меньше) сила тока в катушке, тем больше (меньше) и энергия создаваемого ею магнитного поля. Верно и обратное: чем больше (меньше) энергия магнитного поля катушки с током, тем больше (меньше) сила тока. 1. (71. -h-L+ 1- Г1- J Li* Рис. 230 173 к моменту полной разрядки конденсатора его электрическое поле исчезает, и энергия этого поля обращается в нуль. Одновременно с этим энергия магнитного поля катушки с током достигает максимума, поскольку в соответствии с законом сохранения энергии сумма энергии электрического поля и энергии магнитного поля не должна меняться с течением времени. Отсюда следует, что в этот момент максимальной становится и сила тока в катушке (рис. 230, в). Затем сила тока в катушке и энергия ее магнитного поля начинают уменьшаться (рис. 230, г), но направление тока остается тем же (направление тока не может измениться мгновенно). Это приводит к тому, что ток, протекающий в катушке в том же направлении, перезаряжает конденсатор. Его обкладки приобретают заряды, противоположные по знаку исходным. В конденсаторе снова возникает электрическое поле. Энергия этого поля возрастает за счет уменьшения энергии магнитного поля катушки. Наступает момент, когда заряд конденсатора оказывается максимальным, а ток в катушке прекращается и ее магнитное поле исчезает (рис. 230, д). При этом энергия магнитного поля полностью превращается в энергию электрического поля заряженного конденсатора. Перезарядившись, конденсатор снова начинает разряжаться, и ток через катушку начинает течь в противоположном направлении (рис. 231, а, б). Процесс повторяется, но в обратном порядке: постепенно конденсатор не только разряжается (рис. 231, в), но и перезаряжается (рис. 231, г, д), причем заряды его обкладок имеют такие жр знаки, как и первоначально (см. рис. 230, а, б). Перезарядка опять сопровождается превращениями энергии. Таким образом, мы видим, что на рисунках 230 и 231 изображены последовательные стадии колебаний силы тока и заряда в колебательном контуре за один период: рисунок 230 относится к первой половине периода, а рисунок 231 — ко второй. После вторичной перезарядки конденсатора (см. рис. 231, д) процесс продолжается, начинаясь с самого начала (см. рис. 230, а), и становится периодическим: разрядка, перезарядка, разрядка, перезарядка и т. д. 1 -FT+ 1 г- д Рис. 231 174 в реальной ситуации колебания всегда затухают, и их амплитуда постепенно уменьшается. Так происходит и с колебаниями заряда конденсатора и силы тока в катушке колебательного контура: часть энергии постепенно тратится на нагревание проводов катушки. Это мы наблюдали в опыте, изображенном на рисунке 228: совершив несколько колебаний, стрелка амперметра замирает в исходном положении*. Проверьте себя 1. Приведите примеры электрических и магнитных полей, окружающих нас в реальной жизни. 2. Опишите опыты, из которых следует, что электрическое и магнитное поля обладают энергией. 3. Что называется электрическим колебательным контуром? 4. Какие явления происходят в процессе разрядки конденсатора, подключенного к катушке? 5. Какой опыт показывает, что при разрядке конденсатора через катушку возникают колебания заряда и силы тока? 6. Какой процесс называют электромагнитными колебаниями? *7. Пользуясь рисунками 230 и 231, опишите процессы превращения энергии в колебательном контуре за один период колебаний. § 41. Электромагнитные волны Электромагнитное поле. Существуют ли электрическое и магнитное поля независимо друг от друга или же они взаимосвязаны, т. е. одно из них (например, магнитное) при каких-то условиях приводит к возникновению другого поля (в данном случае — электрического)? Ответ на этот вопрос несложен, и, по существу, вы его уже знаете, поскольку он содержится в объяснении явления электромагнитной индукции. Вспомните, что одним из обязательных условий существования электрического тока в замкнутой цепи является наличие в ней электрического поля, заставляющего заряды в проводниках совершать упорядоченное движение. С этой точки зрения можно дать новое объяснение явления электромагнитной индукции: магнитное поле, изменяющееся внутри катушки при движении магнита, порождает электрическое поле, под действием которого заряды в катушке приходят в упорядоченное движение, создавая электрический ток. Обобщая эту идею, английский физик Джеймс максвелл Джеймс Максвелл в 1865 году предположил, что всякое изме- (1831—1879) 175 няющееся магнитное поле порождает электрическое поле, а всякое изменяющееся электрическое поле порождает магнитное поле. Эти переменные поля всегда существуют совместно, порождая друг друга и образуя единое целое — электромагнитное поле. Электромагнитные волны. Созданная Максвеллом теория электромагнитного поля привела его к выводу, что взаимосвязанные между собой переменные электрическое и магнитное поля могут самопроизвольно распространяться в пространстве от места своего возникновения. Процесс распространения в пространстве связанных между собой переменных электрического и магнитного полей называется электромагнитной волной. С помощью своей теории Максвеллу удалось рассчитать, что электромагнитные волны должны распространяться в вакууме со скоростью 2,78 • 10* м/с. К тому времени была измерена скорость света, и, к удивлению Максвелла, ее значение (2,98 • 10* м/с) оказалось близким к теоретическому значению скорости электромагнитных волн. На этом основании Максвелл предположил, что свет является одним из видов электромагнитных волн. Можно ли получить электромагнитные волны, перемещая заряженное тело? Положительный ответ на этот вопрос также дает теория Максвелла. Оказывается, что электромагнитные волны возникают всякий раз, когда скорость движения заряженного тела или скорость движущихся в нем зарядов изменяется с течением времени. Движение с изменяющейся скоростью называется неравномерным. Именно такие движения совершают заряженные частицы в колебательном контуре. Из теории Максвелла следует, что неравномерное движение заряженных частиц в колебательном контуре можно использовать для создания электромагнитных волн. Решающую роль в подтверждении этого вывода из теории Максвелла сыграли опыты немецкого ученого Генриха Герца, который, используя колебательный контур, в 1888 году впервые получил и зарегистрировал электромагнитные волны. Он экспериментально доказал совпадение основных свойств электромагнитных и световых волн (отражение от зеркал, преломление в призмах и др.). «Изученные нами процессы ... представляют те же явления, которые возникают между ... стеклами или вблизи зеркал ..., но увеличенные в миллионы раз», — писал Герц. К сожалению, Максвелл не дожил до триумфа своей теории. В настоящее время известно, что электромагнит-Герц Генрих **ьхе ВОЛНЫ могут излучаться проводником, если по (1857—1894) нему проходит переменный ток. Возникшее вокруг 176 проводника изменяющееся магнитное поле приводит к возникновению переменного электрического поля, а оно, в свою очередь, — к возникновению изменяющегося магнитного поля и т. д. Образовавшееся электромагнитное поле распространяется в пространстве со скоростью света в виде электромагнитных волн. Важная особенность электромагнитного поля состоит в том, что образующие его взаимосвязанные переменные электрическое и магнитное поля с удалением от источника ослабляются очень медленно. Благодаря этому мы видим звездные скопления, удаленные от нас на огромные расстояния, которые свет (электромагнитные волны) преодолевает за миллиарды лет. *Влияние электромагнитных излучений на живые организмы. Самым распространенным в быту является электромагнитное излучение частотой 50 Гц, которое создается проводами сети переменного тока. Наука пока не установила прямую связь между этим электромагнитным излучением и расстройствами сердечно-сосудистой или нервной системы человека. В то же время известно, что при длительном воздействии таких излучений могут появляться сонливость, признаки усталости, головные боли. Чаще всего они возникают у детей, а также у больных и пожилых людей. Чтобы не усиливать действие бытовых электромагнитных излучений, специалисты рекомендуют не располагать близко друг к другу работающие в наших квартирах электроприборы — микроволновую печь, электроплиту, телевизор, стиральную мапшну, холодильник, утюг, электрический чайник. Расстояние между ними должно быть не менее 1,5—2 м. На такое же расстояние следует удалять от телевизора или от холодильника ваши кровати*. ЭТО ИНТЕРЕСНО! Ответа на вопрос: «Каким образом переменное магнитное поле создает электрическое поле?» — не существует. Физики не в состоянии разъяснить, как эта связь полей осуществляется в природе, каков механизм этого процесса. Дело в том, что теория Максвелла описывает одно из основных, фундаментальных явлений природы — явление электромагнитной индукции. С помощью этой теории можно объяснить очень много явлений, но сама теория пока остается необъяснимой. Проверьте себя 1. Какое обобщенное определение явления электромагнитной индукции предложил Дж. Максвелл? 2. До появления теории Максвелла считалось, что электрические поля создаются заряженными телами. Связано ли происхождение электрического поля, возникающего в явлении электромагнитной индукции, с заряженными телами? 177 3. Что является причиной упорядоченного движения заряженных частиц в замкнутой цепи вторичной катушки трансформатора, когда его первичную катушку подключают к сети переменного тока? 4. Что представляет собой электромагнитное поле? 5. Как называют процесс распространения электромагнитного поля? 6. Какое совпадение привело Максвелла к выводу об электромагнитной природе света? 7. Кто впервые получил электромагнитные волны и изучил их свойства? § 42. Передача информации с помощью радиоволн Принцип радиосвязи. Успешные опыты Г. Герца по излзшению и приему электромагнитных волн побудили ученых к поиску возможностей их применения для беспроводной передачи сообщений на большие расстояния. Радиосвязь — это передача информации с помощью электромагнитных волн. Технически оказалось удобным осуществлять эту связь посредством волн, частота колебаний в которых лежит в диапазоне от 10^ до 10“ Гц. Такие электромагнитные волны называют радиоволнами. 7 мая 1895 года была впервые продемонстрирована возможность радиосвязи российским физиком Александром Степановичем Поповым, который на расстояние 250 м передал без проводов всего два слова: «Heinrich Hertz». Но уже в 1901 году итальянский изобретатель и предприниматель Гульельмо Маркони передал по радио сообщение из Канады в Европу через Атлантический океан. Одним из пионеров радиосвязи считается также сербский ученый Никола Тесла, который изобрел антенну, применявшуюся и Поповым, и Маркони. В 1909 году Маркони совместно с немецким ученым Ф. Брауном за создание беспроволочного телеграфа был удостоен Нобелевской премии. Все устройства, используемые для передачи сообщений с помощью электромагнитных волн, можно разделить на две группы: радиопередатчики и радиоприемники (рис. 232). Колебательный контур 1, входящий в состав радиопередатчика, соединен с передающей антенной 2, излучающей электромагнитные волны в окружающее пространство. Распространяясь, радиоволны достигают антенны 3 радиоприемника и возбуждают в ней и в колебательном контуре 4 радиоприемника электромагнитные колебания. В радиоприемнике из этих колебаний выделяется переданная информация. Таким образом, принцип радиосвязи заключа-Попов Александр ется В ТОМ, что электромагнитные колебания, воз-Степанович буждаемые в передающей антенне, преобразуются (1859—1906) в электромагнитные волны, которые, распространяясь 178 в пространстве, достигают приемной антенны, где создают электромагнитные колебания, подобные колебаниям в антенне передатчика. Длина волны и частота колебаний. За время, равное периоду электромагнитных колебаний, волна распространяется на расстояние, которое называется длиной волны. Для электромагнитных волн между длиной волны X, ее скоростью с, периодом Т и частотой V существуют следующие соотношения: Х = сТ = ^. Радиопередатчик Радиоприемник Рис. 232 Скорость распространения радиоволн в воздухе составляет примерно 300 000 км/с. Поэтому, зная частоту колебаний в радиоволне, которую излучает радиостанция, легко узнать длину этой волны. Например, если частота равна 1,5 ■ 10® Гц, то длина волны Х=- = 3 10®-_______с_ 1,5 10®с’ = 200 м. *Как с помощью радиоволн передают информацию? Если радиопередатчик непрерывно излучает неизменяющуюся электромагнитную волну (см. рис. 232), то она несет в себе информацию лишь о том, работает передатчик или нет. На рисунке 232 показано, как выглядят в этом случае графики зависимости силы тока от времени в катушках колебательных контуров радиопередатчика и радиоприемника. Для того чтобы передать речь, музыку или любую другую информацию, нужно в соответствии с ее особенностями изменять характеристики электромагнитной волны, излучаемой антенной радиопередатчика. А для этого должны быть изменены характеристики колебаний силы тока в катушке и заряда конденсатора в колебательном контуре радиопередатчика. Изменение характеристик колебаний по определенному правилу, соответствующему вносимой информации, называется модуляцией колебаний. Самый простой способ модуляции электромагнитных колебаний — использовать в качестве модулятора обычный ключ (телеграфный ключ), с помощью которого можно прерывать поступление колебаний из колебательного контура в антенну радиопередатчика (рис. 233). Чередуя с помощью ключа в определенном порядке длительность излучения электромагнитных 179 Радиопередатчик Радиоприемник Рис. 233 ВОЛН (точки и тире), можно в соответствии с принятым кодом изменять излученную волну. На рисунке 233 условно изображено последовательное излучение тире (1), точки (2) и тире (3), т. е. буквы «к» в азбуке Морзе. Видно, что, хотя в колебательном контуре радиопередатчика колебания силы тока происходят непрерывно, в передающей и приемной антеннах, а также в колебательном контуре радиоприемника эти колебания носят прерывистый характер, соответствующий переданной информации. Способ передачи информации с помощью телеграфного ключа оказался настолько надежным, что, несмотря на значительное развитие радиотехники. им с успехом пользуются до сих пор, в частности, моряки, находящиеся в дальних плаваниях. Теперь, как вы знаете, для передачи по радйо звуковых сообщений используют микрофон — наиболее распространенный современный модулятор электромагнитных колебаний. Однако задолго до его изобретения первую радиопередачу речи и музыки осуществил в 1906 году американский изобретатель Р. Фессенден. В качестве модулятора он использовал фонограф*, на который предварительно записал свои сообщения. На рисунке 234, а показан график высокочастотных колебаний силы тока в колебательном контуре радиопередатчика, а на рисунке 234, б — график колебаний силы тока, возникающих в микрофоне под действием звуковых колебаний воздуха, частота которых во много раз меньше частоты колебаний силы тока в контуре. График модулированных колебаний, поступающих в антенну радиопередатчика, показан на рисунке 234, в. В радиоприемнике происходит обратный процесс — демодуляция, т. е. выделение из модулированных высокочастотных электромагнитных колебаний. * От греческих слов phone — голос и grapho — пишу. Фонограф — первое устройство для записи и воспрюизведения звука, которое изобрел Т. Эдисон в 1877 году. Его можно считать предшественником магнитофона. Благодаря фонографу мы можем услышать голоса людей, живших еще в XIX веке. 180 возникающих в колебательном контуре приемника (см. рис. 234, в), колебаний звуковой частоты. Соответствующий переменный ток (см. рис. 234, б) протекает в катушке громкоговорителя, который преобразует его в колебания мембраны и воздуха, т. е. создает звук. Блок-схема радиоприемника показана на рисунке 235*. Применение радиоволн. Свойство радиоволн отражаться от металлических (проводящих) предметов используется в радиолокации для обнаружения и определения местоположения различных предметов. В радиолокаторе радиопередатчик и радиоприемник совмещены и поочередно используют одну и ту же общую антенну (рис. 236). Излучение волн ведется короткими сигналами (импульсами), следующими один за другим, с длинными промежутками между ними (рис. 237). В промежутках между излучением импульсов антенна автоматически переключается на прием сигналов, отраженных от цели. На экране радиолокатора излученный (прямой) сигнал и сигнал, отраженный от цели, видны одновременно (рис. 238). Расстояние между ними на экране пропорционально времени прохождения сигнала и, следовательно, расстоянию до цели. Поэтому шкалу на экране радиолокатора градуируют непосредственно в километрах (см. рис. 238). \/ Демодулятор Громкоговори тель ЗВУК Рис. 235 181 // о Рис. 237 Радиолокацию используют для наблюдений за автомобилями, самог летами, ракетами и космическими кораблями. Для передачи телевизионной информации применяют ту же схему, что и при радиосвязи, только на телевизионной станции используют два разных радиопередатчика: один — для излучения речевых сигналов, а другой — для передачи сигналов изображения. В космической радио- и телевизионной связи для увеличения дальности передачи информации применяют специальные спутники (спутники связи), которые запускаются на сильно вытянутые орбиты (рис. 239). Спутниковые антенны принимают излученные с Земли сигналы, усиливают их и излучают обратно, что создает возможность вести передачи на самые отдаленные районы нашей страны и пЛанеты. Радиосвязь с использованием промежуточных антенн также применяется для организации сотовой телефонной связи. В этом случае промежуточные антенны (ретрансляторы) устанавливаются на крышах высоких зданий, на специальных мачтах или на телебашнях. Мощными природными источниками радиоволн являются космические объекты. Для их приема на Земле построены огромные радиотелескопы (рис. 240). Анализируя приходящие радиосигналы, астрономы пытаются извлечь из них информацию о процессах, происходящих в далеких галактиках. 182 Рис. 239 Рис. 240 Проверьте себя 1. В чем состоит принцип радиосвязи? 2. Кто впервые осуществил радиосвязь? 3. Какая физическая величина называется длиной волны? 4. Радиостанция излучает радиоволны частотой 100 МГц. Какова длина этих радиоволн? 5. На какой частоте работает радиостанция, если длина излучаемых радиоволн составляет 30 м? *6. По данным рисунка 238 определите, через какое время после излучения радиоимпульса приемник радиолокатора получил сигнал от самолета. Скорость радиоволн равна 300 000 км/с. *§ 43. Спектры электромагнитных излучений Шкала электромагнитных излучений. К тому времени, когда Дж. Максвелл и Г. Герц установили, что видимый свет имеет электромагнитную природу, ученым были известны и другие виды излучения — инфракрасное (тепловое) и ультрафиолетовое, открытые еще в 1800—1801 годы. Их источником служит Солнце, но в отличие от света, они не воспринимаются нашими органами зрения. На рубеже XIX и XX веков было доказано, что инфракрасное и ультрафиолетовое излучения, как и свет, имеют электромагнитную природу, и были открыты рентгеновское и гамма-излучения 183 ф % Рис. 241 ТОЙ же природы. На рисунке 241, а—в показаны необычные изображения Солнца, полученные с помощью спутников в инфракрасном (рис. 241, а), ультрафиолетовом (рис. 241, б) и рентгеновском (рис. 241, в) диапазонах излучения электромагнитных волн*. Характер воздействия электромагнитных излучений на вещество окружающих нас тел, на человека и другие биологические объекты различен. Например, глубина проникновения инфракрасного излучения сквозь кожные покровы и мышцы человека составляет несколько сантиметров, а само излучение вызывает нагревание тела. Ультрафиолетовое излучение проникает в кожу на 0,2—0,5 мм, и под его воздействием кожа темнеет. Рентгеновское излучение проникает сквозь человеческое тело, но часть его энергии поглощаемся, причем степень поглощения зависит от состава участков тела. Это дает возможность просвечивать тело человека в медицинских целях и получать так называемые рентгеновские снимки (рис. 242)^. О воздействии на человека гамма-излучения вы узнаете в § 56. Несмотря на различное воздействие, с точки зрения физики все перечисленные излучения отличаются лишь длиной волны (или частотой). Поэтому возникло представление о всеобщей непрерывной шкале электромагнитных излучений (рис. 243). Эту шкалу можно также назвать Рис. 242 спектром^ электромагнитных излучений, т. е. ' Цвета на этих изображениях условные. ‘ Первый физик — лауреат Нобелевской премии В. Рентген (1845—1923), открывший это излучение, сделал для медицины больше, чем любой другой физик в истории науки. ^ От латинского слова spectrum — представление, образ. 184 Частота, Гц 10^ 10* 10*’ 10’ 10* 10'* ю'“ ю" ю'^ ю'* ю'* ю'* 1()‘‘ ю” 10'* ю” 10" 10-' 10^’ Радиовежны ед*1§НКШ1, 1 0> J 1 j 1 1 ф i. и S Р О) ь S § S S г Рентгеноаское 1 Гамма •> S ^ 5 излучение излучение 1 &" 1 с; >> -1—1—1—1 ' ' 1 ' 1 ' 10* 10’ ю’ 10 1 10 ' 10 ’ ю ’ 10 ■' 10 * Ю * ю ’ 10 * Ю ’ 10 '" Ю" 10'’ ю '* 10 '* Длина волны, м Рис. 243 совокупностью всех значении, которые может принимать длина электромагнитных волн (или их частота). Подчеркнем, что границы между отдельными участками спектра условны. Все электромагнитные излучения представляют собой электромагнитные волны, порождаемые заряженными частицами, движущимися с переменной скоростью. Спектр солнечного света. Рассмотрим теперь состав узкого участка шкалы электромагнитных волн, который называется видимым светом или просто светом. Совокупность всех волн, составляющих этот участок, воспринимается нашим глазом как свет белого цвета. О составе белого света уже говорилось в учебнике физики для 7-го класса. Основу наших представлений о причине появления цветных радуг на небе составляют опыты Ньютона, выполненные в 1666 году. При помощи стеклянной призмы Ньютон разложил узкий пучок солнечного света на семь цветов (в спектр), тем самым доказав сложный состав света (см. рис. I на первом форзаце). Каждая из семи частей спектра при повторном прохождении через призму цвет уже не меняет, в спектр не разлагается (см. рис. II на первом форзаце) и, значит, представляет собой не составной, а простой свет. Радуга цветных полос видимого электромагнитного излучения (солнечного спектра) занимает интервал частот от 4,0 • 10’* Гц до 7,5 • 10** Гц. Красному, слабо преломляемому призмой свету, соответствует частота 4,0 ■ 10’* Гц, а наиболее сильно преломляемому фиолетовому — частота 7,5 ■ 10’* Гц. На рисунке III первого форзаца спектр обычного солнечного излучения изображен в виде полоски, переменная ширина которой зависит от энергии излучения. Хорошо видно, что Солнце излучает не только свет, видимый глазом, но и невидимые ультрафиолетовые и инфракрасные лучи. Максимум излучаемой энергии приходится на желто-зеленый свет. В спектрах излучения заключено много интересной информации, поэтому рассмотрим их более подробно. И прежде всего выясним, как выглядят спектры излучений, испускаемых твердыми светящимися телами. 185 Спектры «знакомых» излучателей света. На рисунке IV первого форзаца показаны спектр лунного света, а также спектры излучения лампы накаливания и лампы дневного света. Как вы знаете, лунный свет — это отраженный Луной свет Солнца, поэтому лунный спектр — это солнечный за исключением спектральных участков, поглощенных лунной поверхностью. Нетрудно заметить, что поверхность Луны сравнительно хорошо отражает инфракрасное излучение и плохо — синюю часть спектра и ультрафиолетовое излучение. В лампе накаливания светится раскаленная вольфрамовая нить, и большая часть ее излучения приходится на инфракрасную область. Лампа дневного света называется так потому, что ее свет имеет спектр, близкий к солнечному. Хотя такие лампы и наполнены газом, но светится в них не газ, а твердое покрытие внутренней поверхности лампы. Рассматривая спектры излучения твердых тел, можно заметить, что в них цвета непрерывно переходят из одного в другой. Такие спектры называют сплошными или непрерывными. Спектры излучения любых, даже самых маленьких твердых тел являются сплошными. Проверьте себя 1. Перечислите основные участки шкалы электромагнитных излучений. Существуют ли границы между ними? 2. Какое действие на человека оказывают излучения каждого из участков шкалы электромагнитных излучений? 3. Что такое рентгеновский снимок? 4. В чем заключаются открытия Ньютона"b исследовании состава света? 5. Какой спектр называется сплошным? Излучение каких тел имеет такой спектр? 6. Лампа дневного света наполнена газом, но спектр ее излучения сплошной как у твердых тел. Почему? 7. Какой спектр имеет излучение раскаленного фитиля свечи? кончика горящей спички? гвоздя? 8. Сравните солнечный спектр со спектром лампы дневного света. Почему эта лампа носит такое название? 9. Верно ли утверждение: «Вне нас и наших органов зрения в природе нет никаких красок, есть лишь волны различной частоты»? *§ 44. Спектры светящихся газов. Спектральный анализ Полосатые и линейчатые спектры излучения. Разогреть газ и заставить его светиться можно разными способами. Горючий газ можно зажечь. Можно создать в газе электрический разряд. Наконец, можно на проволочке поместить в бесцветное пламя горелки крупинки металла (натрия, 186 калия, лития, кальция, меди и т. д.) или капельку раствора его летучей соли. Крупинки и капелька будут испаряться, а молекулы образовавшихся паров — распадаться на ионы, излучение которых придаст пламени тот или иной характерный цвет. На рисунке V первого форзаца показан спектр, наблюдаемый при свечении паров йода, который сильно отличается от сплошного спектра излучения твердых тел. Этот спектр состоит из отдельных цветных полос, разделенных темными промежутками, поэтому он называется полосатым или молекулярным. Такими спектрами обладает излучение раскаленных газов, состоящих из молекул. В частности, полосатым спектром обладает голубое пламя обычного бытового газа. Кроме сплошных и полосатых спектров существует еще один вид спектра — так называемый линейчатый спектр, состоящий из отдельных узких цветных линий. В такой спектр разлагается излучение раскаленных атомарных газов. Увидеть линейчатый спектр можно, наблюдая излучение нагретых инертных газов или пламя горелки, в котором находятся ионы металлов. Линейчатые спектры лития, натрия, атомарного водорода и неона приведены на рисунке VI первого форзаца. Для сравнения там же показан сплошной спектр белого света. По своей структуре линейчатые и полосатые спектры проще, чем сплошные, но при этом они более информативны, поскольку строго индивидуальны у атомов каждого химического элемента. Изучая линейчатые и полосатые спектры, можно определить, из каких элементов и соединений состоит излучающее вещество. Этот метод исследования состава вещества называется спектральным анализом. Спектры поглощения. Если в процессе распространения электромагнитное излучение пройдет через прозрачное вещество, то из-за частичного поглощения спектр прошедшего излучения изменится. По сравнению с исходным спектром в нем будут слабее представлены те участки, которые вещество поглотило наиболее сильно. Любое вещество действует на излучение как фильтр, пропуская лишь часть попадающих в него электромагнитных волн. Простейшие светофильтры — цветные стекла — часто используются в повседневной жизни. Вспомните хотя бы о светофорах и стоп-сигналах автомашин. Красное стекло потому и кажется красным, что пропускает в основном только красный участок спектра, поглощая все остальные (рис. 244, а). Рис. 244 187 Аналогично спектр излучения лампы с зеленым стеклом содержит в основном только зеленый участок (рис. 244, б). Ни синий, ни зеленый, ни желтый свет красное стекло не пропускает (рис. 244, в), поэтому зеленая или синяя лампа сквозь красный светофильтр будет казаться почти черной'. Такой же черной будет казаться и красная лампа сквозь зеленый или синий светофильтр. Хорошо поглощает ультрафиолетовое излучение обычное оконное стекло, поэтому загорать нужно на открытом воздухе. Впрочем, искусственный загар можно получить под кварцевой лампой, стекло которой изготовлено из кварца, хорошо пропускающего ультрафиолетовые лучи. В земной атмосфере вредное для человека ультрафиолетовое излучение Солнца поглощается слоем озона, расположенным на высоте от 10 до 50 км. Именно поэтому в спектре солнечного излучения (см. рис. III на форзаце) ультрафиолетовый участок представлен слабо. Применение спектрального анализа. Подобно отпечаткам пальцев, линейчатые и полосатые спектры неповторимо индивидуальны. К настоящему времени составлены таблицы и атласы спектральных линий всех известных веществ. Исследование и анализ спектров позволяют определить химический состав, температуру светящихся объектов, давление, скорость движения, характеристики электрического и магнитного полей. Высокая чувствительность спектрального анализа позволяет обнаруживать в веществе примеси массой всего 10 '° г, а также определять состав светил, удаленных от Земли на огромные расстояния. Инертный газ гелий впервые был открыт при анализе спектра солнечного света и лишь позже был обнаружен на Земле в кратере вулкана Везувия. Применение гелия Германией в Первой мировой войне застало англичан врасплох: наполненный гелием немецкий военный дирижабль был обстрелян зажигательными пулями, но не загорелся, как это происходило с дирижаблями, которые до этого наполняли горючим водородом. Для спектрального анализа прозрачных веществ наряду со спектрами излучения используются их спектры поглощения. Дело в том, что каждое вещество поглощает в точности те электромагнитные волны, которые оно излучает. Например, атмосфера Солнца избирательно поглощает его излучение, что приводит к появлению черных линий поглощения в сплошном солнечном спектре (см. рис. III на форзаце). По положению этих линий можно судить о составе солнечной атмосферы. Волее того, химический состав Солнца и звезд определяется не по спектрам их излучения, которые являются сплошными, а по спектрам поглощения этого излучения в атмосфере Солнца и звезд. Определить состав небесных тел позволяют именно черные линии поглощения излучения на ‘ Света черного цвета в природе нет. Черный цвет — это отсутствие света. 188 фоне непрерывного спектра. Этому мешает поглощение излучения в земной атмосфере. Поэтому возможность наиболее содержательного исследования структуры Вселенной физики и астрономы получили в 60-х годах XX века с момента вывода на орбиты искусственных спутников Земли. Спектральный анализ применяется везде, где требуется определять или контролировать (в том числе дистанционно) химический состав вещества — от чисто научных физико-химических и астрофизических исследований до металлургии и криминалистики. Спектральный анализ производится значительно быстрее химического анализа, и его можно провести, не вступая в непосредственный контакт с веществом: достаточно проанализировать испускаемое или поглощаемое им излучение. ЭТО ИНТЕРЕСНО! Американский физик Р. Вуд использовал спектральный анализ для разоблачения недобросовестных работников студенческой столовой. Среди студентов существовало подозрение, что утреннее жаркое приготовляется из недоеденных мясных остатков вчерашнего обеда, собранных с тарелок. Как это доказать? Вуд решил, что ему удастся это сделать при помощи ... газовой горелки и спектроскопа'. Он посыпал оставленные во время обеда большие заманчивые куски бифштекса кристалликами хлорида лития — безопасным веществом, вполне похожим на обыкновенную поваренную соль и видом, и вкусом. Зная, что в линейчатом спектре лития имеется яркая красная линия, хорошо заметная даже при крошечном количестве этого элемента (см. рис. VI на форзаце), молодой ученый надеялся обнаружить ее в свежеприготовленном блюде. На следующее утро Вуд захватил в лабораторию частички жаркого и сжег их в пламени горелки перед спектроскопом. Предательская красная линия лития слабая, но ясно видимая появилась. Поскольку спектральный анализ был тогда почти неизвестен, эта история стала знаменитой и следовала за Вудом в течение всей его карьеры. Проверьте себя 1. Назовите способы получения светящихся газов. Какие из них могли быть использованы для получения излучений, спектры которых показаны на рисунке VI первого форзаца? 2. Какие виды спектров, кроме сплошного, вы знаете? Как выглядит каждый из них? 3. Излучение каких веществ имеет линейчатый спектр? полосатый спектр? 4. Отличаются ли друг от друга по виду спектры излучения трех раскаленных гвоздиков — железного, медного и алюминиевого? 5. Если над пламенем свечи пронести лист белой бумаги, то на листе останется полоса копоти. Связано ли это явление с излучением, создаваемым пламенем свечи? ‘ Спектрюскоп — оптический прибор для наблюдения спектров излучения. 189 6. Какие спектры более информативны: сплошные или линейчатые? Почему? 7. На рисунке VI первого форзаца приведено несколько линейчатых спектров. Чем они отличаются друг от друга? 8. На рисунке VII, а, б первого форзаца изображены линейчатые спектры излучения двух светяш;ихся веществ. Сможете ли вы определить состав этих веществ, используя спектры, приведенные на рисунке VI? 9. Зависит ли спектр излучения газа от способа получения этого спектра? 10. Как выглядит спектр излучения лампы накаливания, пропущенный через красный светофильтр? 11. Что вы увидите, посмотрев на красный фонарь через зеленое стекло? 12. На белой бумаге напечатана зеленая цифра «5». Через стекло какого цвета она будет видна? незаметна? 13. Солнце — довольно мощный источник ультрафиолетового излучения, представляющего опасность для здоровья человека. Почему мы можем безбоязненно загорать? 14. В чем состоит метод исследования, называемый спектральным анализом? 15. Какие виды спектров изучают в спектральном анализе? 16. Назовите основные преимущества спектрального анализа. САМОЕ ВАЖНОЕ В ГЛАВЕ 6 1. Электромагнитными колебаниями называют периодические изменения силы тока в катушке и заряда конденсатора электрического колебательного контура. Эти изменения сопровождаются взаимными превращениями энергии электрического поля в эйергию магнитного поля. 2. Максвелл предложил теорию, в соответствии с которой переменные электрические и магнитные поля не могут существовать по отдельности. Всякое изменяющееся магнитное поле порождает электрическое поле, а изменяющееся электрическое поле порождает магнитное поле. 3. Неразрывно связанные друг с другом переменное электрическое поле и переменное магнитное поле образуют единое целое — электромагнитное поле. 4. Электромагнитной волной называется процесс распространения в пространстве электромагнитного поля. Электромагнитные волны излучаются заряженными телами, движущимися с переменной скоростью. 5. Экспериментально существование электромагнитных волн впервые установил Г. Герц в 1887 году. 6. Скорость распространения электромагнитных волн равна скорости распространения света. Видимый нами свет — один из видов электромагнитного излучения. 7. Радиосвязь — это передача информации с помощью электромагнитных волн. Впервые радиосвязь была осуществлена А. С. Поповым в 1895 году. Атом в этой главе вы узнаете об открытиях, совершенных в конце XIX и в начале XX века и заложивших основу новых и совершенно неожиданных представлений об устройстве нашего мира. Для физики наиболее важным из них было открытие радиоактивности* в 1896 году. Последовательное изучение радиоактивности позволило ученым «заглянуть» внутрь атомов, открыть законы, действующие в мире атомов, и предложить наглядные модели, которые дают представление о составе и строении атома. В результате открылась возможность создать новые источники энергии, материалы с необычными свойствами и современные настольные компьютеры; установить возраст Земли, химический состав звезд и причину их длительного излучения; выдвинуть гипотезы о происхождении и будущем Вселенной. § 45. Радиоактивность Открытие и первые исследования радиоактивности. Испускание ураном неизвестного невидимого излучения, названного радиоактивным, впервые было обнаружено французским физиком Антуаном Беккерелем. К началу XX века была открыта радиоактивность и некоторых других веществ. В настоящее время известно около 2000 различных радиоактивных веществ, из которых примерно 300 существуют в природе, а остальные получены искусственным путем. Что же представляет собой радиоактивное излучение, как оно проявляется и на что действует? Вначале Беккерель обнаружил, что стеклянная фотографическая пластинка, находившаяся рядом с ураном в полной темноте, засвечивалась так, как будто освещалась солнечными лучами. На рисунке 245, а показан кусок сульфата урана, а на рисунке 245, б — его отпечаток на фотопластинке. Позже Беккерель Беккерель Антуан (1852-1908) ' От латинских слов radio — излучаю, radius ность испускать лучи. луч. Радиоактивность — способ- 191 ’■М:- Ш' Рис. 245 установил и два других действия радиоактивного излучения: оно ионизует (т. е. делает про-* водящим) воздух, а также вызывает вспьнпки на экране, покрытом слоем сульфида цинка. Тем самым были найдены способы обнаружения и регистрации радиоактивности. Довольно быстро было обнаружено действие радиоактивного излучения на человека, и врачи научились использовать его для лечения болезней кожи и раковых опухолей. Но физиков интересовало другое. Выяснилось, что каждый грамм радия в течение часа вьщеляет количество теплоты, равное 33,5 Дж. Казалось бы, это не очень много: целых 50 ч должно пройти для того, чтобы одним граммом радиоактивного радия было выделено столько же теплоты, сколько выделяет, сгорая, один грамм угля. Но 1 г угля сгорает быстро и перестает вьщелять энергию, air радия продолжает ее отдавать день за днем, год за годом. Способность радия непрерывно выделять казавшуюся неограниченной энергию заинтересовала физиков. Откуда берется эта энергия? Действительно ли она неисчерпаема? Что заставляет радиоактивные вещества испускать излучение, которое открыл Беккерель? Не нар^ушается ли при этом закон сохранения энергии, т. е. не представляет ли собой кусочек радия нечто вроде «перпетуум-мобиле» — вечного двигателя? Состав радиоактивного излучения. Наибольший вклад в изучение радиоактивности внес английский физик Эрнест Резерфорд. Резерфорд обладал важнейшим качеством ученого: он интуитивно чувствовал, в каких направлениях нужно вести исследования, чтобы решить главную проблему и не «погрязнуть» в изучении всевозможных малозначимых деталей. Резерфорд поставил перед собой задачу: выяснить природу излучения, испускаемого радиоактивными веществами. Представляет ли оно, например, поток каких-то частиц или электромагнитные волны, а может быть, это — смесь излучений? Для решения этой задачи Резерфорд и другие ученые исследовали действие на излучение магнитного поля и поглощение излучения в веществе. Известно, что магнитное поле не действует на электромагнитные волны, но искривляет траектории движущихся заряженных частиц в ту или иную сторону в зависимости от знака их заряда (см. рис. 197). Исследования ученых показали, что радиоактивное излучение имеет сложный 192 Резерфорд Эрнест (1871-1937) состав, поскольку в магнитном поле оно разделяется на три компонента (рис. 246, на рисунке магнитное поле не показано). Их назвали а-, р- и улучами. По направлению отклонения компонентов выяснилось, что а-лучи представляют собой поток положительно заряженных частиц (а-частиц), р-лг/чи — поток быстро летящих электронов (Р-частиц), а у-лучи, не меняющие в магнитном поле свое первоначальное направление, — электромагнитные волны высокой частоты. Эти три компонента радиоактивного излучения отличаются и разным поглощением в материалах. Если для а-лучей непреодолимой преградой является бумажный лист толщиной всего 0,1 мм, то для р-лучей прозрачен не только бумажный, но и алюминиевый лист толщиной 1 мм. Наибольшей же проникающей способностью обладают у-лучи. Слой алюминия толщиной 5 мм или свинца толщиной 1 мм задерживает большую часть р-лучей, а уизлучение проходит через эти слои довольно свободно. Такому поведению а-, р- и у излучений есть простое объяснение. Как показывают опыты, а-частицы сильно ионизуют атомы вещества, в которое они проникают. При этом они затрачивают на ионизацию каждого атома часть своей кинетической энергии. Поэтому в каждой среде а-частицы проходят путь совершенно определенной длины, после чего сразу останавливаются, т. е. поглощаются средой. В воздухе а-частицы заканчивают ионизацию и останавливаются, «пробежав» всего 5—8 см. Ионизующая способность р-частиц (электронов) значительно меньше, и они поглощаются слоем воздуха толщиной около 40 м. «Длина пробега» в воздухе у-излучения еще больше — до нескольких сотен метров. Проверьте себя 1. Какое явление называется радиоактивностью? 2. Какая особенность радиоактивного излучения казалась физикам наиболее загадочной? 3. Каков состав радиоактивного излучения? Как он был установлен? 4. Почему для выяснения состава радиоактивного излучения использовалось магнитное поле? 193 5. Назовите виды радиоактивного излучения в порядке возрастания их проникающей способности. * 6. На что затрачивается кинетическая энергия а-частиц, пролетающих через вещество? § 46. Открытие строения атома Способы наблюдения и регистрации заряженных частиц. Обнаружение а- и р-частиц потребовало создания приборов для их регистрации. Эти приборы должны были быть очень чувствительными и реагировать на попадание всего лишь одной частицы или делать видимой ее траекторию. Один из первых и простейших приборов для регистрации движущихся заряженных частиц — счетчик сцинтилляций} — показан на рисунке 247. Его главная часть — экран, покрытый веществом, вспыхивающим под ударами частиц. В той точке экрана, куда попадает частица, возникает вспышка (сцинтилляция), которую в полной темноте можно увидеть через микроскоп. Цифрами на рисунке 247 обозначены: 1 — камера, создающая узкий пучок а-частиц; 2 — тонкая фольга, рассеивающая а-частицы; 3 — экран из сульфида цинка; 4 — микроскоп; 5 — рельсы для поворота микроскопа вместе с экраном. Этот метод регистрации не очень надежен, так как зависит от состояния глаз наблюдателя: глаза быстро устают, и подсчет вспышек затрудняется. Прибор, регистрирующий а-частицы автрматически, был изобретен в 1908 году Резерфордом и его помощником Г. Гейгером. Его действие основано на способности пролетающих через газ заряженных частиц ионизовать встречающиеся на их пути атомы. Счетчик Гейгера состоит из полого металлического цилиндра 1 диаметром около 3 см (рис. 248) с окном 2 из 1 Рис. 247 ' От латинского слова scintillatio — сверкание, искрение. 194 Рис. 249 стекла или алюминия. По оси цилиндра проходит изолированная от стенок металлическая нить 3. Цилиндр заполняется разреженным газом и вместе с нитью подключается к источнику тока, создающему в цилиндре электрическое поле. Каждая заряженная частица, попадая через окно в цилиндр, ионизует атомы газа, и образовавшиеся ионы под действием электрического поля создают между нитью и цилиндром кратковременный ток. Ток проходит по резистору 4, обладающему большим сопротивлением, и на нем возникает напряжение, которое регистрируется специальным счетным механизмом 5. Внешне счетчики Гейгера весьма разнообразны. Один из самых распространенных показан на рисунке 249. Способность заряженных частиц, движущихся с большой скоростью, ионизовать атомы газа используется также в приборе, называемом камерой Вильсона. С помощью этого прибора можно зарегистрировать частицу и сфотографировать траекторию ее движения. Камера Вильсона (рис. 250) состоит из цилиндра 1 с поршнем 2. Верхний торец 3 цилиндра сделан прозрачным. В камеру над поршнем через специальное отверстие 4 впрыскивается немного воды или спирта, и внутри нее образуется смесь паров и воздуха. При быстром опускании поршня смесь расширяется и охлаждается, поэтому пары могут сконденсироваться и превратиться в туман. Однако воздух в камере очищен от пылинок, и образование тумана затруднено. Если в это время через камеру пролетит заряженная частица, ионизующая на своем пути молекулы воздуха, то на цепочке ионов произойдет конденсация паров и траектория движения частицы внутри камеры получится отмеченной нитью тумана (маленьких капелек воды), т. е. станет видимой. Этот процесс условно показан на рисунке 251. Тепловое движение молекул воздуха быстро размывает нити тумана, поэтому траектории отчетливо видны лишь около 0,1 с, но этого времени достаточно для их фотографирования. 195 Рис. 252 Вид траектории на фотоснимке часто позволяет судить о природе частицы и ее энергии. Так, а-частицы оставляют сравнительно толстый сплошной след, протоны — более тонкий, а электроны — пунктирный след. Одна из фотографий следов а-частиц в камере Вильсона показана на рисунке 252. Опыт Резерфорда с а-частицами. Создание новых приборов часто позволяет физикам ставить опыты, приводящие к неожиданным открытиям. В частности, появление прибора, показанного на рисунке 247, привело Резерфорда к догадке о том, что узкие пучки а-частиц можно использовать как инструмент для исследования строения атомов. Расскажем об одном из опытов Резерфорда, который относится к наиболее важным экспериментам в истории физики. Этот опыт был поставлен для того, чтобы выяснить, могут ли а-частицы отражаться от очень тонкой золотой фольги. В качестве индикатора а-ча-стиц в эксперименте использовался экран из сульфида цинка, установленный на объективе микроскопа (см. рис. 247). По толщине фольги (около 0,001 мм) укладывается примерно 4000 атомных слоев, расположенных вплотную друг к другу, поэтому, чтобы добраться до экрана, а-частица должна была проникнуть сквозь 4000 атомов золота. Резерфорд был абсолютно убежден, что массивные ничтожно малые а-частицы, проходя сквозь фольгу, не будут значительно отклоняться от прямолинейной траектории, поскольку легко проникают через лист алюминия толщиной 1 мм, т. е. сквозь 4 млн атомов алюминия. В подавляющем большинстве случаев отклонений действительно не было, откуда следовало, что для а-частиц атомы золотой фольги не представляют преграды. Открытие 5щра атома. И все же некоторые а-частицы (примерно одна из 20 000), отражаясь от фольги, летели в обратную сторону! Это было более чем удивительно и заставило Резерфорда См'_ать предположение о том, что в состав атомов должны входить какие-то чрезвычайно малые, но очень массивные положительно заряженные частицы, вблизи которых а-частицы изменяют направление своего движения (рис. 253). Резерфорд назвал эти частицы ядрами атомов. О своем открытии рассеяния а-частиц ато-Рис. 253 мами фольги Резерфорд вспоминал: «Это было 196 самым невероятным событием, которое мне пришлось пережить. Это было почти столь же невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в листок папиросной бумаги, а снаряд вернулся бы назад и угодил в вас». Резерфорд опытным путем установил соотношение между числом а-ча-стиц, проникших сквозь фольгу по прямолинейным траекториям, и числом а-частиц, наткнувшихся на непреодолимую преграду и возвратившихся назад. Это позволило ему понять, сколь велика часть атома, не занятая веш;еством, и оценить размеры атома и его ядра. Полученные результаты привели Резерфорда к созданию планетарной модели атома (см. § 4), с помощью которой ученым удалось приступить к изучению явлений, связанных с внутренним строением вещества. Проверьте себя 1. Какими особенностями должны обладать приборы для регистрации заряженных частиц? Назовите известные вам приборы. 2. Каковы устройство и принцип действия счетчика Гейгера? *3. Почему сопротивление резистора в счетчике Гейгера (см. рис. 248) должно быть большим? 4. Как устроена и работает камера Вильсона? 5. Какое физическое явление лежит в основе действия счетчика Гейгера и камеры Вильсона? 6. Какой результат экспериментов заставил Резерфорда сделать предположение о существовании атомных ядер? 7. Почему Резерфорд считал ядра атомов очень маленькими, очень массивными и положительно заряженными? 8. Что представляет собой планетарная модель атома? § 47. Радиоактивный распад Причины радиоактивного распада. Постепенно объем экспериментальных данных о явлении радиоактивности увеличивался. Например, было установлено, что при радиоактивном излучении реализуется мечта алхимиков: излучение сопровождается превращением одних химических элементов в другие. Так, из атомов радия получаются атомы радона, а из них — атомы полония. При экспериментах с радиоактивным газом радоном было обнаружено также, что со временем радон постепенно теряет свою излучающую способность. Пытаясь объяснить наблюдаемые явления, Э. Резерфорд и его сотрудник Ф. Содди выдвинули гипотезу, согласно которой причиной радиоактивного излучения является самопроизвольный распад атомов. Ученые предположили, что атомы радиоактивных элементов, в отличие от атомов 197 обычных элементов, неустойчивы и существуют не вечно, а лишь определенное время, в течение которого они ничего не излучают. Но для каждого атома наступает момент, когда он «взрывается», образуя атом другого вещества, а также а-, Р- и у-излучение — «осколки», вылетающие из атома при таком распаде. Таким образом, радиоактивное излучение — это совокупность сигналов о гибели одних атомов и образовании из них других атомов. Из гипотезы Резерфорда и Содди следовало также, что каждый атом радиоактивного вещества — это «склад» энергии. При распаде атома часть энергии со «склада» уносится а- и р-частицами и у-лучами, а оставшаяся энергия сохраняется в новом атоме, образовавшемся из исходного в результате распада. Тем самым появились первые ответы на главные вопросы, интересовавшие ученых: что заставляет радиоактивные вещества испускать а- и р-ча-стицы и у-излучение и откуда черпается уносимая ими энергия. Дальнейшие исследования позволили подтвердить и уточнить гипотезу Резерфорда и Содци. В частности, стало ясно, что энергия, высвобождающаяся при радиоактивном распаде, заключена не просто в атомах, а в атомных ядрах. Период полураспада. Как показали измерения, для любого радиоактивного вещества существует интервал времени, на протяжении которого распадается половина его радиоактивных атомов. Этот интервал называется периодом полураспада и обозначается У разных веществ период полураспада весьма различен: от миллионных долей секунды до миллиардов лет (см. ткбл. 10). Чем меньше период полураспада, тем активнее протекает распад. Например, для урана период полураспада Т^2 = 4,5 млрд лет, а для радия — Г,/2 = 1600 лет, поэтому при одинаковом исходном числе атомов активность А (т. е. число распадов в секунду) радия значительно больше, чем урана. Из таблицы 10 видно, что активность полония уменьшается в два раза почти мгновенно, стронция — за 27 лет, а активность радия, урана и тория практически не изменяется на протяжении человеческой жизни. Таблица 10 Радиоактивное Период Радиоактивное Период вещество полураспада вещество полураспада Полоний 3 10"'с Стронций 27 лет Радон 52 с Радий 1622 года Калифорний 55 дней Уран 4,5 10® лет 1Собальт 5,26 года Торий 1,4 10*® лет 198 На рисунке 254 показаны графики зависимости активности А от времени t для двух радиоактивных веществ, полученные опытным путем. Нетрудно определить, что период полураспада первого вещества равен 10 сут, а второго — 20 сут. Проверьте себя 1. В чем состояла гипотеза Резерфорда и Содди о причине процессов, приводящих к испусканию атомами заряженных а- и (3-частиц и уизлучения? 2. Чем отличаются радиоактивные атомы от нерадиоактивных? 3. Какая физическая величина называется периодом полураспада? 4. Два разных вещества содержат одинаковое число N радиоактивных атомов. Период полураспада первого из них 1 год, второго — 4 года. Какое из веществ более активно? *5. Во сколько раз будет отличаться число радиоактивных атомов веществ, о которых говорится в предыдущем вопросе, по прошествии четырех лет? 6. Имеется 2 • 10^’ радиоактивных атомов стронция. С помощью таблицы 10 найдите, сколько радиоактивных атомов стронция останется через 27 лет, через 54 года. *§ 48. Излучение и поглощение электромагнитных волн атомами Противоречивость планетарной модели атома. Если вещество состоит из атомов, то источниками света, излучаемого, например, лампочкой, должны быть атомы раскаленной нити накала. Каков механизм этого излучения? Казалось бы, излучать электромагнитные волны могут атомные электроны, обращающиеся вокруг ядер. Чтобы двигаться по криволинейной орбите, электроны должны все время менять направление своей скорости (рис. 255), т. е. двигаться с переменной скоростью. В этом случае, как и любое заряженное тело, движущееся с переменной скоростью, электрон в соответствии с теорией Максвелла (см. § 41) должен излучать электромагнитные волны. Однако любое излучение уносит энергию, поэтому кинетическая энергия и скорость обращения электронов при излучении должны уменьшаться. 199 V - j 9- i) -» - • Рис. 255 Рис. 256 Теряя скорость, электроны неизбежно столкнутся с ядром (рис. 256), и, как показывают расчеты, атом прекратит свое существование всего через 10'“ с. На самом деле атом — устойчивое образование. Это противоречие с теорией Максвелла было известно Резерфорду — автору планетарной модели атома. Оно настолько его смущало, что в течение нескольких лет он не публиковал сообщение о своей модели. Теория Бора. Совместить длительное существование атомов с их способностью излучать электромагнитные волны удалось датскому физику Нильсу Бору в 1913 году. Теория, предложенная Бором, позволила ответить на вопросы: почему атомы могут длительно существовать и не излучать при этом электромагнитных волн? Что должно произойти с атомом, чтобы он мог излучать электромагнитные волны? Волны каких частот излучает атом? Исходя из экспериментальных фактов. Бор вынужден был констатировать, что теория электромагнитных волн Максвелла неприменима к электронам, обращающимся вокруг ядер атомов. Он предложил новую теорию, согласно первому положению которой у каждого атома существуют состояния, в которых он может находиться, не излучая электромагнитных волн. Состояния атома, находясь в которых он не излучает электромагнитные волны. Бор назвал стационарными состояниями. Среди стационарных состояний имеется одно, в котором атом может находиться сколь угодно долго. Оно называется основным или невозбужденным состоянием атома. В этом состоянии энергия взаимодействия электронов с ядром атома минимальна, и все электроны обращаются по орбитам, которые наименее удалены от ядра. Во всех остальных стационарных состояниях атома, которые называют возбужденными, его энергия больше, чем в основном состоянии. Возбужденных состояний у атома много. Друг от друга возбужденные состояния отличаются как расстоянием электронов от ядра, так и энергией взаимодействия атомных элект-Бор Нильс ронов с ядром. Для каждого атома значения этих рас- (1885—1962) стояний и энергий строго определенны. 200 Er. Е, Е. I АЕ 2-3 Рис. 257 Согласно второму положению теории Бора, Е атом излучает электромагнитные волны, переходя из стационарного состояния с большей энергией в стационарное состояние с меньшей энергией. Энергетическая диаграмма атома. Чтобы атом получил способность излучать, его необходимо возбудить, т. е. вывести из невозбужденного состояния, сообщив ему энергию. Для наглядного представления стационарных состояний атомов используются специальные графики — так называемые энергетические диаграммы, на которых каждое состояние атома отмечается горизонтальной линией, называемой энергетическим уровнем. На рисунке 257 показана энергетическая диаграмма простейшего из атомов — атома водорода, обладающего единственным электроном. Энергетический уровень, характеризуемый минимальной энергией £,, соответствует основному (невозбужденному) состоянию атома и наиболее близкой к ядру электронной орбите. Энергетические уровни, характеризуемые большими энергиями (Е2, Е^, £4,...), соответствуют более удаленным от ядра второй, третьей и т. д. электронным орбитам в атоме, находящемся в одном из возбужденных состояний. Минимальная энергия E„,i„, которую требуется сообщить атому для его возбуждения, равна разности энергий £2 и £, (£„,)„ = = Е2 - £|) и соответствует переходу электрона с первой орбиты на вторую. Этот переход на рисунке 257 показан желтой стрелкой. Чтобы электрон при возбуждении атома перешел с первой орбиты на третью, атому необходимо сообщить энергию, не меньшую Д£,_,з = £3 - £, (синяя стрелка), а со второй орбиты на третью — энергию, не меньшую Д£г->з = Ез - Е2 (красная стрелка). Способы возбуждения атома, т. е. способы передачи ему энергии, могут быть различными: столкновение с другим атомом, столкновение с движущимся свободным электроном, поглощение энергии падающего света. Тем не менее возбудить атом непросто, поскольку, получив энергию, меньшую £min, атом вообще не возбуждается и вместо этого просто начинает активнее совершать беспорядочные тепловые движения. Именно поэтому невозбужденное (основное) стационарное состояние атома устойчиво, и в нем атом может находиться долго*. ' Для атома водорода «= 5 • 10 Дж. Для сравнения: электрон обладает такой энергией при скорости, равной 10® м/с (1/300 скорости света), а средняя энергия хаотического движения атома водорода при комнатной температуре составляет всего 6 • 10 Дж. 201 Напротив, в возбужденных состояниях атом находится недолго: удаленный ®т ядра электрон вскоре возвращается на прежнюю орбиту, а атом — в основное (невозбужденное) состояние. При возвращении электрона и возникает электромагнитное излучение, причем при возвраш,ении в основное состояние атом отдает энергию, полученную при возбуждении, в виде энергии излученных электромагнитных волн. Энергия электромагнитных волн, которые излучаются атомом. На рисунке 258 стрелками показаны возможные способы возвращения атома в невозбужденное состояние, соответствующие теории Н. Бора. Возвращение может происходить как скачком (см. рис. 258, синяя стрелка), так и с задержкой на одном из промежуточных энергетических уровней (см. рис. 258, красная и желтая стрелки). В первом случае атом излучает одну электромагнитную волну с энергией = £3 - Во втором случае атом излучает две волны с энергиями, равными АВз^г = -Ез - -ЕзИ AEj^i = = Ез — Е|. В любом случае энергия излучения атоМа не может быть произвольной, поскольку значения энергий, которые он имеет в возбужденных состояниях, строго определенны. Проверьте себя 1. Почему согласно теории Максвелла электроны не смогли бы долго обращаться вокруг ядра атома? 2. Как могла казаться противоречивой планетарная модель атома Резерфорда, если она основана на экспериментальных данных? 3. На какие вопросы физиков смогла ответить теория Бора? 4. Какое состояние атома называется невозбужденным и каковы его особенности? 5. Почему в невозбужденном состоянии атом может находиться долго? 6. Какими способами можно возбудить атом? 7. Атому сообщили энергию, меньшую той, которая необходима для его возбуждения, и он остался в основном невозбужденном состоянии. В какую энергию превратилась энергия, сообщенная атому? 202 8. В какую энергию превращается энергия возбужденного атома при его возвращении в основное (невозбужденное) состояние? 9. Каким способом возбуждаются атомы в нити накала горящей лампы? в пламени свечи? в трубках световой газовой рекламы? *§ 49. Теория Бора и линейчатые спектры излучения Н. Бор рассчитал теоретические значения энергий, соответствующих основному и возбужденным состояниям атома водорода, и установил, что между частотой v электромагнитных волн, излучаемых атомом, и энергией этих волн А£ существует прямая пропорциональная зависимость: Д£ = hv, (1) где h — коэффициент пропорциональности, называемый постоянной Планка: h = 6,626 • Дж/Гц. Из формулы (1) следует, что V = X- <2) Вычислив по формуле (2) частоты электромагнитного излучения, возникающего при возбуждении атома водорода. Бор сравнил их с полученным экспериментально линейчатым спектром излучения водорода (см. рис. VI на форзаце). На рисунке 259 изображены энергетические уровни атома водорода. Стрелками показаны те переходы атома из одного состояния в другое, при которых появляются наблюдаемые в спектре водорода излучения четырех цветов — красного, зеленого, синего и фиолетового (цветные волнистые стрелки). Результаты сравнения Бором частот электромагнитного излучения приведены в таблице 11. Совпадение расчетных и экспериментальных данных показало, что Бор правильно объяснил происхождение линейчатых спектров излучения, связав их с энергетическими уровнями атомов. Вы познакомились с энергетическими уровнями атома водорода. Подобные уровни имеют и любые другие атомы и молекулы. Число 203 Таблица 11 Разность энергий Частота излученной волны, Гц * Расчет Бора Эксперимент АЕ^2 — 4,566 10'" 4,568 10'“ АЕ^2 ^2 6,165 - 10*' 6,168 10'“ АЕ^2 ^2 6,905 10‘" 6,907 10'“ ~ ^6 ~ ^2 7,307 ■ 10''' 7,310 • 10" И расположение этих уровней зависит от числа электронов в атоме, состава молекул и характера их взаимодействия в веществе. Таким образом, атомы и молекулы могут испускать электромагнитные волны только тех частот, которые определяются формулой (2). Оказывается, что и поглощать атомы и молекулы могут только те волны, частоты которых определяются формулой (2). Дело в том, что в соответствии с теорией Бора атом можно возбудить, сообщив ему только вполне определенную энергию АЕ. В случае, если возбуждение атома совершается электромагнитной волной, то, как и при излучении, частота этой волны связана с ее энергией формулой (2). Значит, атомы поглощают только такое излучение, которое могут сами испускать. ПРИМЕР РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ ,, Согласно расчетам Бора, частота электромагнитной волны, излучаемой атомом водорода при переходе из пятого во второе возбужденное состояние, равна 6,905 10'“ Гц (см. табл. 11). Проверьте этот расчет, зная, что разность энергий атома в этих состояниях равна АЕ^_^2 = 4,575 • 10 '® Дж. Решение. Искомую частоту v излучения находим по формуле (2): V = АЕ,. h А,ЫЪ 10“ 6,626 10 ^ Гц Й21 = 6,905 10'“ Гц. Ответ: v = 6,905 ■ 10‘“ Гц. Проверьте себя 1. Какое соотношение существует между частотой v электромагнитных волн, излучаемых атомом, и энергией АЕ этих волн? 2. Как можно подтвердить, что Бор правильно объяснил происхождение линейчатых спектров излучения атомов? 3. Если существует много возбужденных атомов водорода, находящихся на энергетическом уровне с энергией Е, (см. рис. 259), то сколько электро- 204 магнитных волн разных частот они будут излучать, переходя в невозбужденное состояние с энергией £,? 4. Электромагнитное излучение каких частот могут поглощать атомы? § 50. Состав атомных ядер Нейтрон. Продолжая исследовать явление радиоактивности, Резерфорд и другие ученые сделали ряд важных открытий. Например, было установлено, что а-частица — наиболее массивный из продуктов радиоактивного распада ядер — является ядром атома гелия. Кроме того, был установлен состав атомных ядер. Первоначально считалось, что ядра состоят из тех частиц, которые вылетают из них при радиоактивном распаде, т. е. из положительно заряженных а-частиц и отрицательно заряженных электронов. Но в 1919 году при исследовании ядерных «осколков», образующихся при бомбардировке ядер а-частицами, Резерфордом был открыт протон — новая массивная заряженная частица, заряд которой положителен и равен модулю заряда электрона. Протон также пришлось «приписать» к внутриядерным частицам, и появилась модель ядра, состоящего из а-частиц, протонов и электронов. Окончательно строение ядер удалось установить только в 1932 году после открытия еще одной внутриядерной частицы — нейтрона. Нейтрон не имеет электрического заряда и обладает массой, лишь немного превосходящей массу протона. Сразу после открытия нейтрона российский физик Дмитрий Дмитриевич Иваненко (1904—1994) и независимо от него немецкий ученый Вернер Гейзенберг (1901—1976) предложили протонно-нейтронную модель ядра. Согласно этой модели ядра любых атомов состоят из частиц только двух видов: протонов и нейтронов. Ни электроны, ни а-частицы в состав ядер не входят. Позднее В. Гейзенберг создал общую теорию, не только окончательно определившую состав атомных ядер, но и объяснившую существование стабильных (устойчивых) атомных ядер, а также причину самопроизвольного распада ядер радиоактивных веществ. Ядерные силы. Устойчивость ядер Гейзенберг объяснил существованием особых, не известных до этого сил, действующих между нейтронами и протонами внутри ядер. Эти силы называются ядерными силами. Они не зависят от заряда частиц и одинаково действуют как на протоны, так и на нейтроны. По этой причине находящиеся внутри ядер протоны и нейтроны носят одинаковое название — нуклоньд. ‘ От латинского слова nucleus — ядро. В настоящее время считается, что внутри ядра протоны и нейтроны вообще не отличаются друг от друга, и каждый нуклон может проявлять себя то как протон, то как нейтрон. Ядерные силы — это силы взаимодействия нуклонов. 205 Внутри ядер нуклоны непрерывно движутся. При этом в непосредственной близости друг от друга нуклоны отталкиваются. Если же два нуклона удалятся друг от друга на периферию ядра, то ядерные силы проявятся как силы притяжения. Расстояния, на которых действуют ядерные силы, сравнимы с размерами самих ядер м). Стало ясно, что если ядерные силы притяжения нуклонов превосходят электрические силы отталкивания протонов, то ядро стабильно и не подвержено радиоактивным превращениям. Большинство существующих в природе атомных ядер именно таково, и разрушить их можно только внешним воздействием. До момента распада стабильно ведут себя и ядра радиоактивных атомов. Однако движущиеся в них нуклоны за мгновение до распада случайно располагаются так, что ядерные силы не уравновешивают отталкивание протонов, и ядра распадаются. Зарядовое число и массовое число ядра. Суммарный положительный заряд ядра определяется числом содержащихся в нем протонов. Пока атом существует, число протонов в его ядре неизменно. Это число называется зарядовым числом ядра, обозначается буквой Z и равно номеру элемента в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева. Например, любое ядро атома алюминия содержит 13, а атома меди — 29 протонов, поскольку алюминий находится на 13-м, а медь — на 29-м месте в Периодической системе элементов (см. табл. 12). Если каким-то образом изменить число протонов в ядре, до атомы одного химического элемента превратятся в атомы другого. Общее число нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре атома определяет его массу и называется массовым числом ядра. Его обозначают буквой А. Массовое число равно сумме числа протонов Z и числа нейтронов N: A = Z + N. Массовое число (общее число нуклонов) также нетрудно узнать с помощью Периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Приведем Таблица 12 Элемент Номер в Периодической системе элементов Массовое число Элемент Номер в Периодической системе элементов Массовое число Водород 1 1 Железо 26 56 Бериллий 4 9 Медь 29 63 Алюминий 13 27 Серебро 47 108 206 Рис. 260 пример. На рисунке 260, а показано местоположение лития. Поскольку литий имеет порядковый номер 3, число протонов в ядре его атома также равно трем, т. е. зарядовое число ядра лития Z = 3. Массовое число ядра определим, округлив относительную атомную массу атома лития (6,941) до ближайшего целого числа. Получим А = 7. Отсюда следует, что в ядре атома лития содержится N = A- Z= 7- 3 = A нейтрона. Схема ядра атома лития показана на рисунке 260, б*. Тем же способом нетрудно определить, что в ядре атома меди 29 протонов и 34 нейтрона — на 5 больше, чем протонов, а в ядре атома алюминия 13 протонов и 14 нейтронов. Таким образом, имея Периодическую систему элементов Д. И. Менделеева, можно определить число протонов и число нейтронов в ядре любого атома. Чем больше протонов в ядре, тем оно менее стабильно, поэтому большинство радиоактивных элементов имеет большие номера в Периодической системе. Проверьте себя 1. Из каких частиц состоят ядра атомов? 2. На какие частицы действуют ядерные силы и каковы особенности этих сил? 3. Почему входящие в состав ядер протоны и нейтроны получили общее название — нуклоны? 4. В чем разница между ядрами устойчивых и неустойчивых (радиоактивных) атомов? 5. Дайте определение зарядового числа ядра. Чему оно равно? 6. Что такое массовое число ядра? 7. Как определить массовое число ядра атома, пользуясь Периодической системой элементов Д. И. Менделеева? 8. По таблице 12 подсчитайте число протонов и нейтронов в ядрах атомов бериллия, железа и серебра. 9. Из каких частиц состоит а-частица (ядро атома гелия)? 10. В чем сходство и в чем различие атома гелия и а-частицы? Почему большинство радиоактивных элементов имеет большие номера в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева? 11 Изображение нуклонов в виде шариков — условное. 207 § 51. Деление ядер. Ядерные реакции Превращение одних химических элементов в другие. Установление состава ядер позволило объяснить происходящие при радиоактивном распаде превращения химических элементов. Как вы знаете, для превращения атома одного химического элемента в атом другого необходимо изменить зарядовое число ядра атома, т. е. число протонов, входящих в его состав. Именно это и происходит при радиоактивном распаде, сопровождающемся излучением а-частиц. Каждая а-час-тица уносит два протона, и, значит, зарядовое число оставшегося ядра меньше зарядового числа исходного ядра на две единицы. Соответственно и атом, в состав которого входит это ядро, становится атомом химического элемента, номер которого в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева на две единицы меньше номера атома исходного элемента. Например, при вылете а-частиц из атомов радия Ra (Zf^ = 88) возникают атомы радона Rn (Zr„ = 86), а из атомов радона — атомы полония Ро (Zp„ = 84). Ядерные реакции. Если атомное ядро устойчиво и не подвержено самопроизвольному распаду, то превратить атом одного химического элемента в атом другого элемента можно искусственно, но сделать это очень трудно. Изменить число протонов в ядре можно только в результате внешнего воздействия на ядро. Изменения атомных ядер, происходящие в результате их взаимодействия с частицами или друг с другом, называются ядерными реакциями. Для того чтобы такие реакции происходили, частицы или ядра должны сблизиться настолько, чтобы между ними начали действовать ядерные силы, т. е. на расстояние порядка Ю"'® м. Ядерные реакции могут происходить в природных условиях (например, в недрах звезд). Но для изучения ядерных реакций их обычно искусственно осуществляют в лабораторных условиях на специальных установках. Схема ядерной реакции такова: а + X + Ь, где а — налетающая частица, X — материнское (исходное) ядро, Y — дочернее (получившееся) ядро, Ь — испускаемая частица. Налетающей частицей может быть, например, а-ча-стица, протон или нейтрон (рис. 261). Материнское ядро может расщепить-Рис. 261 ся на два или несколько более легких 208 Рис. 262 ядерных «осколков». Это явление называют делением ядра. Траектории движения заряженных частиц, и, в том числе частиц-осколков, получающихся в ходе ядерных реакций, можно сфотографировать в камере Вильсона. На рисунке 262, выполненном с фотографии, зафиксирована ядерная реакция, произошедшая в камере Вильсона при столкновении а-частицы с покоившимся массивным атомным ядром (ядром азота). На фотографии видно, что обычный прямой след а-частицы разветвляется на два, т. е. заканчивается необычной вилкой. Жирный след принадлежит новому ядру (ядру кислорода), а тонкий — протону. Как показали многочисленные эксперименты, при ядерных взаимодействиях выполняются закон сохранения зарядового числа и закон сохранения массового числа. Первый из них требует, чтобы сумма зарядовых чисел материнского ядра X и частицы а была равна сумме зарядовых чисел дочернего ядра Y и частицы Ь. Второй закон требует, чтобы сумма массовых чисел ядра X и частицы а равнялась сумме массовых чисел ядра Y и частицы Ь. Для обозначения ядер, участвующих в реакциях, используется запись ^Х, где X — обозначение химического элемента. Нижним индексом Z обозначается зарядовое число ядра атома, а верхним индексом А — его массовое число. Например, запись ®Ве означает, что речь идет о ядре бериллия с зарядовым числом 4 и массовым числом 9. Напомним, что число нейтронов в ядре N = А - Z, так что в ядре бериллия 5 нейтронов. Такие же обозначения используются и для частиц — протона (\р), нейтрона (цП), а-частицы (^Не, так как а-частица, являясь ядром атома гелия, состоит из двух протонов и двух нейтронов). Проследить за выполнением законов сохранения в записи ядерной реакции не составляет труда. Верхние индексы связаны с массовым числом, нижние — с зарядовым. Поэтому если запись ядерной реакции сделана верно, то сумма всех верхних индексов в левой части записи равняется сумме всех верхних индексов в записи ее правой части. Точно так же должны равняться суммы всех нижних индексов в записях левой и правой частей реакции. Примеры ядерных реакций. В качестве первого примера приведем ядер-ную реакцию превращения ядра атома азота в ядро атома кислорода, впервые осуществленную Резерфордом в 1918 году путем бомбардировки азота 209 а-частицами. (Фотография этого процесса и была представлена на рисун» ке 262.) Эта реакция (рис. 263) записывается так: Рис. 263 "О + 1р. 1Яе + “N Здесь 4-1-14 = 17-1-1 (закон сохранения массового числа) и2-Ь7 = 8-Ь1 (закон сохранения зарядового числа). Именно в этой реакции был открыт протон (j/?), который выбивается а-частицей из ядра атома азота. Позже было установлено, что при столкновении с а-частицей протоны вылетают также из ядер атомов бора, фтора, натрия, алюминия, фосфора и других. Второй пример — ядерная реакция, с помощью которой в 1932 году были открыты нейтроны. Она записывается так: tKe + ^Ве 12, С + ^х. где X — символ новой, пока неизвестной частицы. Массовое число А и зарядовое число Z частицы найдем, используя законы сохранения массового и зарядового чисел. Из соотношений 4-19 = = 12-ЬАи2 + 4 = 6-Ь^ получаем А = 1, Z = О, т. е. символ новой частицы qX. Как вы уже знаете, эта частица называется нейтроном и обозначается Jn. В ядерных реакциях налетающей частицей/МОжет также быть, например, протон или нейтрон. Вот пример подобной реакции, в которой протон расщепляет ядро лития на две а-частицы: 1р +1и-^ 1Яе + ^Не. Законы сохранения действуют и при самопроизвольном радиоактивном распаде ядер. Проверьте их выполнение в записи распада ядра урана (U), происходящего с излучением а-частицы: ^ + ^Не (Th — обозначение ядра атома тория). Проверьте себя 1. На рисунке 264 приведена часть Периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Ответьте на вопросы: 1) Ядро атома какого элемента получится из ядра радона после одного а-распада? после двух а-распадов? 210 79 80 81 82 83 84 85 86 197,0 Аи 200,6 Hg 204,4 Т1 207,2 РЬ 209 Bi 210 РО 210 At 222 Rn ЗОЛОТО РТУТЬ ТАЛЛИЙ СВИНЕЦ ВИСМУТ ПОЛОНИЙ АСТАТ РАДОН Рис. 264 2) Может ли в результате одного а-распада из ядра атома висмута получиться ядро атома свинца? ядро атома таллия? 2. Дайте определение ядерной реакции. При каком условии возникают такие реакции? 3. Является ли самопроизвольное деление ядра ядерной реакцией? 4. Какие законы сохранения выполняются в ядерных реакциях? 5. Что означает запись ^Х? 6. Как определить массовое число и зарядовое число атомного ядра с помощью Периодической системы элементов Д. И. Менделеева? 7. Если А — массовое число ядра, &Z — его зарядовое число, то чему равна разность А - Z? 8. Очевидно, что в результате ядерных реакций из атомов дешевого элемента (например, свинца) можно получить атомы золота. Почему золото не получают этим способом? 9. Закончите запись ядерных реакций; а) + Ip ЧО + в) ?’А1 + ^ fiN& + ...; б) ?Ве + ^Не ^ ЧС + г) jLi -h ]р ^Не + ... . 10. Пользуясь рисунком 264, определите, ядра каких атомов (обозначенные через X) участвуют в реакциях или являются их продуктом: а) ^|*Ро ^ X + ^Не; б) X ‘“^*Ро + №. *§ 52. Энергетический выход ядерной реакции Энергия связи атомного ядра. При делении ядер и в ядерных реакциях энергия может как выделяться, так и поглощаться. Если сумма кинетических энергий ядер и частиц после реакции (Eg) больше, чем до реакции (El), т. е. если разность АЕ = Eg - £i > 0, то говорят о выделении энергии и реакцию называют экзотермической} (теплоотдающей). Если же разность АЕ < 0, то реакция идет с поглощением энергии, и ее называют ‘ От греческого слова ехо — снаружи. 211 эндотермической} (теплопоглощающей). Величину AJ5 называют энергетическим выходом ядерной реакции. » Таким образом, под энергией, поглощенной или выделенной в ходе реакции, физики понимают не какую-то неизвестную субстанцию, а разность Д£ кинетических энергий ядер и частиц, участвующих в реакции. В процессе последующего движения в окружающей среде образовавшиеся ядра и частицы часто теряют свою скорость, передавая тем самым свою кинетическую энергию окружающему веществу, которое при этом нагревается. Измерение кинетических энергий ядер и частиц — очень трудная экспериментальная задача. Тем не менее физики научились предсказывать энергетический выход каждой ядерной реакции. Дело в том, что величина равна разности энергий связи дочерних и материнских ядер, участвующих в реакции. Энергией связи атомного ядра называется работа, которую необходимо совершить для того, чтобы расщепить ядро на отдельные нуклоны. Как вы помните, нуклоны удерживаются внутри ядра ядерными силами. Таким образом, энергия связи — это внутренняя энергия ядра. Чем больше энергия связи атомного ядра, тем оно устойчивее и тем труднее разделить его на части. Энергии связи ядер вычислены, и их значения имеются в справочниках. Приведем образец расчета энергетического выхода на примере превращения радия (Ra) в радон (Rn) с вылетом а-частицы (рис. 265): ^Ra 222 86 Rn + Для удобства все данные, необходимые для расчета, поместим в таблицу 13. Согласно справочным данным, энергия связи материнского ядра ^Ra составляет = 2,7744 • 10"'“ Дж, а суммарная энергия связи дочерних ядер радона и гелия равна jE^oh = 2,7369 • 10"'“ Дж + 0,0453 • 10"'“ Дж = = 2,7822 • 10"‘“ Дж. Таблица 13 51дра атомов, участвующих в реакции IsRa мКп 1Не Число протонов 88 86 2 Число нейтронов 138 136 2 Энергия связи, Дж (по справочнику) 2,7744 ■ Ю'"* 2,7369 10 0,0453 Ю'*" ' От греческого слова endon — внутри. 212 + 138 нейтронов 136 нейтронов 2 нейтрона О 88 протонов 86 протонов 2 протона Рис. 265 Обратите внимание, что начальная энергия связи оказалась меньше конечной энергии Екон- Вот этот-то избыток конечной энергии, т. е. разность АЕ = = ^ко„ - = 7,8 • 10-'» Дж, и пре- вращается в кинетическую энергию образующихся а-частицы и ядра радона. На долю а-частицы приходится примерно 7,6 • 10 '»Дж. Е1сли в некоторой ядерной реакции Е^ои < то такая реакция протекает с поглощением энергии и самопроизвольно никогда не произойдет. Вычислив разность АЕ = - Е^„„, мы в этом случае определим кине- тическую энергию, которой должна обладать до столкновения с ядром-мишенью налетающая частица, чтобы сделать эту реакцию осуществимой. Почти вся энергия этой частицы обычно идет на расщепление ядра-мишени, поэтому кинетическая энергия осколков деления невелика. Проиллюстрируем это на примере реакции, с помощью которой был открыт протон: ^Не + «N ^ ^10 + 1р. По данным таблицы 14 энергия связи исходных ядер = 4,55 ■ 10"'» Дж -Ь + 16,8 • 10 Дж = 21,4 • 10"'» Дж больше энергии связи образовавшегося ядра *gO (Е^„„ = 21,1 • 10"'» Дж). Это означает, что данная реакция может начаться только в том случае, если кинетическая энергия налетающих а-частиц будет больше разности АЕ = Е„^^ - Е^„„ - 3 ■ 10Дж, а их скорость, как показывает соответствующий расчет, превысит 10® м/с. Таблица 14 Ядра атомов, участвующих в реакции гНе '^N Чо 1р Число протонов 2 7 8 1 Число нейтронов 2 7 9 0 Энергия связи, Дж (по справочнику) 4,55 10''^ 16,8 10■^^ 21,1 о’ ' У протона энергия связи отсутствует, поскольку протон неделим. 213 Выделение энергии при радиоактивном распаде. В § 45, посвященном радиоактивности, говорилось, что 1 г радия за час выделяет количество тей-лоты, равное 33,5 Дж. Откуда же берется эта энергия, если при распаде одного ядра радия выделяется, как мы определили, всего около 7,8 • 10"‘® Дж? Все дело в том, что в 1 г радия содержится примерно 2,7 • 10^^ атомов (и столько же ядер). Каждый из этих атомов может распасться в любой момент, но не все атомы распадаются одновременно: период полураспада радия составляет около 1600 лет. За час в 1 г радия распадается примерно 1.6 ■ Ю’"* ядер, и из каждого из них вылетает а-частица с энергией около 7.6 • 10-‘*Дж. Если предположить, что все эти а-частицы задержатся средой, окружающей радий, то в результате передачи энергии среда должна получить количество теплоты, равное 7,6 • 10■^®Дж ■ 1,6 ■ 10*^ = 120 Дж. Это в 3,6 раза больше того количества теплоты (33,5 Дж), которое было определено в эксперименте. На самом деле не все а-частицы передают всю свою энергию окружающей среде целиком. Часть а-частиц не останавливается и уносит энергию с собой. Проверьте себя 1. Что имеют в виду физики, говоря о поглощении или выделении энергии в ядерных реакциях? 2. Почему деление радиоактивных ядер и ядерная реакция сопровождаются нагреванием радиоактивного вещества? >' 3. Что называется энергетическим выходом ядерной реакции? 4. Какая энергия называется энергией связи атомного ядра? 5. Может ли самопроизвольно произойти ядерная реакция, протекающая с поглощением энергии? § 53. Использование ядерной энергии Какие экзотермические реакции имеют практическое значение? Вы уже знаете, что и при радиоактивном распаде ядер, и в ядерных реакциях образуются осколки, обладающие большой кинетической энергией. Если каким-то образом затормозить движение ядерных осколков в поглощающем материале, то энергия их движения превратится во внутреннюю энергию поглотителя и он нагреется. Полученную теплоту можно использовать в практических целях. Энергия, содержащаяся в атомных ядрах, огромна. Например, при полном распаде ядер, находящихся всего в одном грамме урана ^и, выделяется такое же количество теплоты, как при сгорании 2,5 т угля. 214 Рис. 266 Однако не всякое ядерное топливо пригодно для использования в широких масштабах. Практическое значение имеют такие реакции, которые не только приводят к выделению энергии, но и являются самоподцерживаю-1ЦИМИСЯ реакциями: в них за счет энергии, выделившейся при делении или распаде одних атомных ядер, начинают делиться соседние ядра. Самоподдерживающиеся ядерные реакции были открыты в 1938 году. При этом оказалось, что выделение энергии происходит в них столь бурно, что, не научившись управлять скоростью деления ядер, использовать эти реакции на практике крайне опасно. Вплоть до конца тридцатых годов прошлого века создание ядерного горючего казалось совершенно безнадежной задачей. Некоторые ученые, и в том числе Резерфорд, категорически отрицали возможность использования ядерных реакций для практических целей. И все же контролировать энергию, выделяющуюся в ядерных реакциях, научились. Прежде чем говорить о том, как происходит управление этими реакциями, познакомимся с ними подробнее. Цепные ядерные реакции. К самоподдерживающимся ядерным реакциям относятся те реакции, одним из продуктов которых являются нейтроны. В качестве примера можно привести реакцию деления ядра урана при попадании в него нейтрона: 235т 1„ 4- 235тт пП ^ 92 и 142 56 Ва + ^Кг + Зn^n. В результате этой экзотермической реакции ядро урана распадается на ядро бария, ядро криптона и три нейтрона (рис. 266). Любой из трех вторичных нейтронов может «расщепить» одно соседнее ядро урана. Девять вновь образовавшихся нейтронов способны вызвать дальнейшие распады ядер. В результате число делящихся ядер начинает лавинообразно нарастать (рис. 267). Если число вторичных нейтронов после каждого следующего этапа деления ядер не меньше, чем до него, то возникает самопод-держивающаяся цепная ядерная реакция. Любая цепная реакция может протекать только в том случае, если масса ядерного горючего превышает определенное значение, называемое критической массой. Из образцов малых размеров, масса которых меньше критической, большинство образующихся вторичных нейтронов вылетает наружу, не попав ни в одно ядро. 215 оП Ш О о In о ^ In о Критическая масса ядер-ного горючего зависит»не только от массы, но и от формы образца. У образцов в форме шара она составляет около 50 кг для урана У пП 'оП О 4 и 10 кг для плутония ^Ри. 'feBa % оП о О ‘feBa»* Wfi о In о ♦ In о Рис. 267 Ядерный взрыв. Цепная ядерная реакция может быть неуправляемой и управляемой. Для осуществления неуправляемой цепной ядерной реакции изготавливают куски урана или плутония, масса каждого из которых меньше критической. Если куски одновременно и с высокой скоростью объединить в одно целое, их общая масса превысит критическую, и в результате развития цепной реакции вьщелится огромная энергия. Контролировать вьщеление этой энергии невозможно, поэтому неуправляемые ядер-ные реакции используют только в военных целях для создания атомных бомб. Устройство атомной бомбы показано на рисунке 268. Внутри нее находятся два куска урана 1 и источник первичных нейтронов 2. После подрыва запала 3 куски соединяются и развивается цепная ядерная реакция. При этом температура урана достигает миллионов градусов Цельсия, и он вместе с окружающими веществами превращается в пар. Раскаленный газообразный шар быстро расширяется, сжигая и разрушая все на своем пути — происходит ядерный взрыв (рис. 269). Рис. 268 Рис. 269 216 Во время войны с Японией в августе 1945 года по приказу американского президента две первые атомные бомбы были сброшены на города Хиросиму и Нагасаки. Последствия взрывов оказались ужасающи. Хиросима — седьмой по величине город Японии — была разрушена до основания (рис. 270). Около 200 тысяч человек были убиты и пропали без вести, около 160 тысяч — ранены и подверглись радиоактивному облучению. Рис. 270 Проверьте себя 1. Какие экзотермические реакции можно использовать на практике для получения энергии? 2. Приведите примеры самоподдерживающихся экзотермических реакций. 3. Какую реакцию называют цепной ядерной реакцией? 4. Почему при делении ядер урана возможна цепная ядерная реакция? 5. Какое условие является необходимым для протекания самоподдержи-вающейся ядерной реакции? 6. Что такое критическая масса? 7. Пользуясь рисунком 268, расскажите об устройстве атомной бомбы. 8. При взрыве атомной бомбы (август, 1945) образовалось много разных радиоактивных элементов. По таблице 10 (см. с. 198) определите, какие из них представляли опасность только в первые часы после взрыва, а какие могут угрожать жизни людей и сейчас. § 54. Ядерный реактор. Атомные электростанции Управляемые цепные реакции деления ядер протекают в специально создаваемых установках — ядерных реакторах. Схема ядерного реактора показана на рисунке 271. В большинстве реакторов в качестве ядерного топлива используют уран, из которого изготовляют тепловыделяющие элементы 1. Первичными носителями энергии являются два осколка ядра урана (^®^U), образовавшиеся в результате деления этого ядра попавшим в него нейтроном. Остановившись, эти и подобные им осколки передают свою энергию окружающему их ядерному топливу, и оно нагревается. 217 Регулировка числа нейтронов, возникающих в ходе цепных ядерных реакций и вызывающих деление все новых и новых ядер урана, производится с помощью так называемых регулирующих стержней 2, содержащих графит, кадмий, бор или другие материалы, хорошо поглощающие нейтроны. Стержни помещаются внутрь ядерного топлива, где их можно перемещать. При возникновении аварийной ситуации предусмотрено быстрое погружение стержней в тепловыделяющие элементы, при этом ядерная реакция прекращается. Активная зона 3 реактора (в ней находится топливо) окружена защитной оболочкой 4, задерживающей нейтроны и у-излучение. Энергия, выделяющаяся в активной зоне реактора, используется для нагревания воды (теплоносителя), непрерывно циркулирующей в первом (радиоактивном) контуре 5. Температура воды достигает 300 °С. Вне реактора эта вода нагревает воду второго нерадиоактивного контура 6. В парогенераторе 7 вода кипит и происходит парообразование. Мощность современных ядерных реакторов достигает 5000 МВт. Энергия полученного пара обычно преобразуется в электрическую энергию. Пар, образовавшийся в парогенераторе, струей подается в турбину 8 (см. рис. 271), заставляя ее вращаться. Турбина приводит в действие генератор 9 электрического тока. Пар, прошедший через турбину, в конденсаторе 10 снова превращается в воду и возвращается в парогенератор. Охлаждение пара в конденсаторе осуществляется холодной водой из водоема 11. Таким образом, на атомных электростанциях ядерный реактор выполняет ту же роль, что и паровой котел на тепловых электростанциях (см. § 38). Первые ядерные реакторы были запущены в США (1942) и в нашей стране (1946). С тех пор ядерные реакторы нашли применение для выработки электроэнергии на атомных электростанциях (АЭС), подводных лодках, надводных кораблях 9 и даже в космических аппаратах. Преимущества и недостатки АЭС. Первая в мире атомная электростанция мощностью 30 МВт была введена в эксплуатацию в городе Обнинске в 1954 году. В настоящее время в мире действует более 400 атомных электростанций, которые вырабатывают 10% Рис. 271 218 Рис. 272 производимом электрической энергии. Внешний вид современной АЭС показан на рисунке 272. Атомные электростанции имеют ряд преимуществ по сравнению с другими видами электростанций. Производство энергии на АЭС не связано с процессами горения и, следовательно, с поглощением кислорода, необходимого биосфере Земли. Если бы электроэнергию, вырабатываемую на АЭС, производили тепловые электростанции (ТЭС), то в результате сжигания органического топлива в атмосферу дополнительно поступало бы более 1 млрд т углекислого газа, а также миллионы тонн оксидов серы и азота и других вредных выбросов. Отсутствие таких выбросов — основное преимущество атомных электростанций. В то же время атомные электростанции имеют серьезные недостатки по сравнению с тепловыми электростанциями. Это большая дороговизна добычи и переработки сырья, высокая стоимость электроэнергии, большие расходы на обслуживание АЭС и на их ликвидацию. Повышение температуры водоемов, куда сбрасывается теплая вода из системы охлаждения атомных станций, может привести к гибели рыбы. Кроме того, работа на АЭС небезопасна для обслуживающего персонала, о чем свидетельствуют аварии на АЭС. По мнению специалистов, вероятность возникновения аварии на атомной электростанции на 40 % определяется несовершенством технических систем и на 60% — несовершенством систем управления и «человеческим фактором». Главные задачи, возникающие при эксплуатации АЭС, — обеспечение радиационной безопасности и ликвидация радиоактивных отходов, объем которых значительно превышает объем отходов от любого другого вида топлива. После аварий на некоторых АЭС, в частности, на Три-Майл-Айленд (США), на Чернобыльской АЭС и других объектах атомной энергетики проблема их безопасности встала с особенной остротой. Чернобыльская авария 26 апреля 1986 года привела к радиоактивному загрязнению обширных территорий Украины, Беларуси, России и ряда зарубежных стран. Непосредственно от катастрофы пострадало свыше 700 тысяч, а в целом — около 5 миллионов человек. Ее последствия будут сказываться еще долгие годы. 219 Проверьте себя 1. Назовите основные части ядерного реактора и их назначение. 2. Какие преобразования энергии происходят в ядерном реакторе? 3. Что общего между ядерным реактором и паровым котлом? 4. Каковы преимущества и недостатки АЭС по сравнению с ТЭС? 5. Каковы последствия катастрофы на Чернобыльской АЭС? *§ 55. Термоядерные реакции Синтез ядер. Энергия выделяется не только в ядерных реакциях деления тяжелых ядер типа ядра урана, но и в реакциях соединения (синтеза) легких атомных ядер. Допустим, что два протона летят навстречу друг другу. Если они сблизятся до расстояния 2 • 10 '* м и между ними начнут действовать ядерные силы притяжения (см. § 50), то может образоваться «заготовка» для ядра гелия. Протоны заряжены одноименно и отталкиваются друг от друга, поэтому для такого сближения кинетическая энергия протонов должна быть велика. Сообщить протонам (ядрам водорода) необходимую энергию можно, нагрев газообразный водород до температуры порядка десяти миллионов градусов Цельсия. В этом случае скорости хаотического движения ионизованных атомов водорода окажутся такими, что может произойти их сближение. Термоядерные реакции — это реакции слияния легких ядер, происходящие при очень высокой температуре. , На Земле термоядерная реакция была осуществлена искусственно при взрыве водородной бомбы. Высокая температура, необходимая для проведения реакции, была получена за счет энергии взрыва атомной бомбы, находившейся внутри водородной. Управляемый термоядерный синтез осуществить пока не удалось. В космосе высокую температу имеют Солнце и другие звезды. В центре Солнца она достигает 13 миллионов градусов Цельсия. При такой температуре все атомы солнечного вещества полностью ионизованы, т. е. представляют собой смесь «голых» ядер (атомов без электронных оболочек) и свободных электронов. В процессе термоядерных реакций, протекающих в недрах Солнца, четыре ядра водорода (четыре протона) сливаются в одно ядро атома гелия. При каждой такой реакции выделяется энергия, равная 4,3 • 10 Дж. В настоящее время солнечное вещество состоит из водорода (70%), гелия (=29%) и более тяжелых элементов (=1%). Если Солнце, как и сегодня, будет ежесекундно излучать энергию, равную 4 ■ 10^® Дж, то, как показывают расчеты, имеющегося в нем водорода хватит на поддержание термоядерных реакций еще в течение 10 млрд лет. 220 Термоядерные реакции превращения ядер водорода в гелий служат главным источником энергии излучения как Солнца, так и большинства звезд. История гипотез о причине излучения Солнца и звезд. Солнце светит, потому что на него падают кометы, — так считал английский физик И. Ньютон. Аналогичную гипотезу высказывал немецкий врач Ю. Майер, предполагая, что энергия излучения обусловлена кинетической энергией падающих на Солнце метеоритов. В соответствии со следующей гипотезой, предложенной немецким физиком Г. Гельмгольцем и английским физиком У. Томсоном, Солнце медленно сжимается (на несколько десятков метров в год). Процесс сжатия сопровождается выделением энергии. Вычисленное этими учеными время существования Солнца — около 50 млн лет — в XIX веке казалось достаточно большим, хотя по современным оценкам оно в 200 раз больше. После открытия радиоактивности американский физик и астроном Дж. Джинс предположил, что именно это явление служит источником энергии Солнца. Однако его гипотеза просуществовала недолго: оказалось, что энергия, которая могла бы выделиться при радиоактивных распадах, меньше энергии, реально излучаемой Солнцем. Истинный источник солнечной и звездной энергии (термоядерные реакции) был назван английским астрофизиком А. Эддингтоном в 1920 году. Ученому возражал Джинс, который считал, что даже в недрах Солнца и звезд термоядерные реакции не возникают: при температурах в десятки миллионов градусов Цельсия средняя скорость протонов (ядер водорода) не превышает 1000 км/с, и их кинетической энергии недостаточно для преодоления отталкивания протонов и их слияния в ядро гелия. И все же Эддингтон оказался прав. Расчеты показали, что и при скорости 1000 км/с протоны могут объединиться. И хотя время слияния двух протонов оказалось огромным — около 8,2 млрд лет, протонов в веществе Солнца так много, что за каждую секунду из них образуются миллиарды ядер гелия. Выделяющейся при этом энергии достаточно для поддержания излучения Солнца. Строгую теорию внутризвездных термоядерных процессов разработал американский физик Ханс Бёте (1906—2005), удостоенный в 1967 году Нобелевской премии за открытие термоядерных реакций, являющихся источником энергии звезд. Проверьте себя 1. Какие реакции называются термоядерными? 2. Почему реакции синтеза легких ядер происходят только при очень высокой температуре? 221 3. Чем термоядерные реакции отличаются от ядерных реакций? 4. Где могут происходить термоядерные реакции на Земле и где они про-, исходят в космосе? § 56. Действие излучений на человека Доза’ излучения. До строительства ядерных реакторов основными видами опасных излучений были рентгеновское и гамма-излучения. Позже к ним добавились потоки нейтронов, быстрых электронов и других частиц. Энергия излучения, поглощаемая веществом, расходуется на его нагрев, а также на физические, биологические и химические превращения вещества^. Механизм поражающего действия излучений на человека еще недостаточно изучен. Но ясно, что оно сводится к ионизации атомов и молекул, сказывающейся на их химической активности, что, в свою очередь, ведет к нарушениям в тканях, органах и деятельности всего организма. Способностью ионизовать вещество обладают лишь такие излучения, которые имеют достаточную энергию. Самые распространенные из них — рентгеновское и гамма-излучения. У радиоволн и солнечного света такой способности нет. Измерение физических величин, характеризующих действие излучений на облучаемые объекты живой и неживой природы, называется дозиметрией. Физической величиной, применимой ко всем видам ионизирующего излучения, является доза излучения. Единицёй дозы излучения, используемой на практике, служит рентген (Р). С понятием «доза излучения» и определением рентгена вы познакомитесь в 11-м классе. Дозу излучения измеряют с помощью многочисленных лабораторных и бытовых дозиметров. Один из них показан на рисунке 273. Действие ионизирующих излучений на человека. В небольших дозах ионизирующее облучение живых организмов может оказывать определенную пользу. Так, клетки раковых опухолей более чувствительны к гамма-излучению, чем нормальные. На этом основано подавление злокачественных опухолей гамма-Рис. 273 лучами радиоактивных препаратов. ' От греческого слова dosis — определенное количество, точная мера. ^ Каковы бы ни были эти превращения, облученные предметы не становятся источниками излучения. 222 При больших дозах излучения у человека в первую очередь поражается костный мозг, из-за чего нарушается процесс образования крови. Потом наступает поражение клеток пищеварительного тракта и других органов. Дозы, полученные в разное время от любых ионизирующих излучений, суммируются. При получении человеком суммарной дозы, превышающей 100 Р, возникает лучевая болезнь (малокровие, ожоги и язвы, выпадение волос, тяжелые поражения глаз, десен, горла, снижение сопротивляемости организма инфекциям). При суммарных дозах 800—1000 Р обычно наступает смерть из-за разрушения клеток спинного мозга, участвующих в образовании крови. Однако важна не только суммарная доза, но и время, за которое она получена. При одинаковой дозе всегда опаснее получить ее за короткое время, чем за продолжительное. Например, доза в 400—500 Р, полученная человеком единовременно, может привести к смертельному исходу. Но такая же доза, получаемая им постепенно в течение всей жизни, не приводит к видимым изменениям его состояния. Аналогично обстоит дело с солнечным загаром: загорать по полчаса в течение 20 дней каникул и 10 часов в течение одного дня — совсем не одно и то же. В первом случае кожа приобретает бронзовый оттенок, а во втором — неминуем сильнейший ожог. В окружающей среде существует естественный радиоактивный фон. Основным источником этого фона является инертный бесцветный радиоактивный газ радон. Он в небольших количествах содержится в почве, в камнях, в строительных материалах (кирпичах, бетоне, граните). Радон тяжелее воздуха, поэтому скапливается в закрытых непроветриваемых помещениях. В таблице 15 приведены значения дозы излучения, получаемые в обыденных ситуациях нашей жизни. Таблица 15 Источник излучения Доза излучения,Р Естественный радиационный фон Ежедневный трехчасовой просмотр цветного телевизора за год 0,2 0,0001 Длительный полет на самолете 0,003 Однократная флюорография легких 0,12 Однократная рентгенография зуба 3 Однократная рентгеноскопия желудка 30 Курс локального лечения раковой опухоли (3—4 недели) до 1000 223 Проверьте себя 1. Какие действия оказывает излучение на вещество? 2. В чем состоит поражающее действие излучений на биологические объекты? 3. Для чего проветривают помещения? САМОЕ ВАЖНОЕ В ГЛАВЕ 7 1. Конец XIX века ознаменован тремя важнейшими физическими открытиями: рентгеновских лучей (В. Рентген, 1895), радиоактивности (А. Беккерель, 1896) и электрона (Дж. Томсон, 1897). 2. Радиоактивностью называется явление самопроизвольного испускания атомами невидимого проникающего излучения. Наибольший вклад в изучение радиоактивности внес Э. Резерфорд. 3. Радиоактивное излучение состоит из трех компонентов: а-излучения — потока массивных положительно заряженных частиц (ядер атомов гелия), р-излучения — потока быстро летящих электронов и у-излуче-ния — электромагнитных волн. 4. Причиной радиоактивного излучения является неустойчивое состояние атомов многих химических элементов и их самопроизвольный распад, при котором атомы испускают а-, р- и у-излучения. 5. Опыты Резерфорда по рассеянию а-частиц тонкой фольгой позволили установить, что внутри каждого атома находится положительно заряженное ядро. Модель атома, представляющая собой ядро и обращающиеся вокруг него электроны, называется” планетарной моделью. 6. Планетарная модель атома противоречит теории электромагнитных волн Максвелла. 7. Для объяснения длительного существования атомов Н. Бор предположил, что электроны в атоме могут обращаться лишь по некоторым орбитам, называемым стационарными. 8. Когда атом поглощает определенную порцию энергии, один из его электронов переходит с одной стационарной орбиты на другую, более удаленную от ядра. При возвращении электрона на прежнюю орбиту атом излучает электромагнитную волР1у, энергия которой равна поглощенной энергии. 9. Ядра атомов состоят из частиц только двух видов: протонов и нейтронов (нуклонов). Внутри ядра они удерживаются особыми ядерными силами, которые не зависят от заряда нуклонов. Когда два нуклона находятся вблизи друг от друга, ядерные силы проявляются как силы отталкивания, а когда они удаляются на периферию ядра — как силы притяжения. 10. Число протонов в ядре называется зарядовым числом ядра, а общее число нуклонов (протонов и нейтронов) — массовым числом ядра. Эти числа можно определить, пользуясь Периодической системой элементов Д. И. Менделеева. 224 11. Изменения атомных ядер, происходящие в результате их взаимодействия с частицами или друг с другом, называются ядерными реакциями. Для того чтобы такие реакции происходили, частицы или ядра должны сблизиться настолько, чтобы между ними начали действовать ядерные силы. При ядерных взаимодействиях выполняются закон сохранения зарядового числа и закон сохранения массового числа. 12. Разность сумм кинетических энергий ядер и частиц после реакции и до реакции называют энергетическим выходом ядерной реакции. 13. Энергией связи атомного ядра называется работа, которую необходимо совершить для того, чтобы расщепить ядро на отдельные нуклоны. 14. Цепной ядерной реакцией называется такая реакция, в которой число вторичных нейтронов после каждого этапа деления ядер не меньше, чем до него. Цепная реакция может протекать только в том случае, если масса ядерного горючего превышает определенное значение, называемое критической массой. 15. Термоядерные реакции — это реакции слияния (синтеза) легких ядер, происходящие при очень высокой температуре. Неуправляемая термоядерная реакция происходит в водородной бомбе. 16. Поражающее действие излучения на человека проявляется в ионизации атомов и молекул, сказывающейся на их химической активности. В свою очередь, это ведет к нарушениям в тканях, органах и деятельности всего организма. Способностью ионизовать вещество обладают лишь излучения, которые имеют достаточную энергию. Самые распространенные из них — рентгеновское и гамма-излучения. Приложения приложение 1 Что такое измерение и как его производят Физика — опытная наука. Всякий закон, устанавливающий количественную связь между физическими величинами, выводится в результате опытов, основой которых служат измерения. «Наука начинается там, где начинают измерять», — считал Д. И. Менделеев. При изучении физики в школе вы также сталкиваетесь с необходимостью проводить измерения в ходе практических и лабораторных работ. Точнее всего рассказать о том, как протекают явления, можно на языке физических величин, на языке цифр. Познакомимся с тем, что такое измерение физической величины, как его проводить с помощью измерительных приборов и как снимать показания этих приборов. Прежде чем измерять, нужно выбрать образцы, с которыми вы будете сравнивать измеряемый отрезок, промежуток времени, массу тела и т. п. Выбранные образцы называют единицами физических величин. Например, основной единицей длины служит метр, а массы — килограмм. Средство измерений, определяющее единицу физической величины, называют эталоном^. По эталонам градуируют и сверяют измерительные приборы, широко применяемые в практике, — линейки, часы, разновесы, термометры. Международным эталоном метра является специальный стержень, на котором нанесены два штриха. Расстояние между штрихами равно 1 м. Эталон метра хранится во Франции в Международном бюро мер и весов. Там же хранится эталон килограмма — специальный цилиндр, масса которого принята за 1 кг. (Об этом уже рассказывалось в учебнике физики для 7-го класса.) В результате измерения мы узнаём, во сколько раз измеряемая величина больше (или меньше) величины, принятой за эталон единицы этой величины. Например, в результате измерения длины некоторого отрезка мы узнаём, сколько метров или долей метра укладывается на протяжении этого отрезка. Точно так же при измерении массы тела мы устанавливаем, во сколько раз его масса отличается от массы гири в 1 кг. На практике сравнением измеряемых величин с эталонами не пользуются. Вместо этого используют измерительные приборы, которые тем или иным способом заранее сверены с эталонами. Таким образом, измерением От французского слова etalon — образец. 226 физической величины называют нахождение ее значения с помощью измерительного прибора. Измерительным прибором физики называют любой прибор, имеющий шкалу. Такими приборами могут быть линейки, рулетки и измерительные ленты (при измерениях длины), часы (при измерениях времени), весы и гири (при измерениях массы), термометры, электроизмерительные приборы. На шкалу нанесены штрихи, каждый из которых соответствует некоторому числовому значению измеряемой величины. Рядом с крупными штрихами нанесены цифры. Делением шкалы называют промежуток между соседними штрихами. По шкале измерительного прибора можно определить две важные характеристики прибора: предел измерений и цену деления. Пределы измерений определяются цифрами у первого и последнего штриха шкалы. На рисунке 274 изображена шкала прибора, которым можно измерять некоторую физическую величину (назовем ее А). Нижний предел измерения прибора равен О ед., верхний — 8 ед. Таким образом, данным прибором можно пользоваться, если числовое значение величины А находится в пределах от О ед. до 8 ед.: О ед. < А < 8 ед. Цена деления шкалы показывает, насколько изменяется измеряемая величина при перемещении указателя прибора на одно, самое маленькое деление шкалы (от одного штриха до другого). Чтобы определить цену деления, нужно выбрать два ближайших крупных штриха, около которых стоят числовые значения физической величины, вычесть из большего значения меньшее и разделить полученную разность на число делений между выбранными штрихами. Например, цена деления шкалы (обозначается латинской буквой С) на рисунке 274 составляет С = 4ед. - Зед. = 0,2 ед. Цена деления выражается в тех же единицах, что и измеряемая величина. Определив цену деления шкалы, можно находить значение измеряемой величины по положению указателя прибора. Указателем может быть стрелка, уровень столбика спирта (в термометре), а иногда и сам измеряемый предмет (при определении его дли- ны линейкой). По положению указателя в момент измерения и определяют числовое значение измеряемой величины. о 1 2 3 4 jJiiiiknik 5 6 7 8 lllllllllllllllll Рис. 274 227 Для примера определим силу тока, которую измеряют амперметры, изоб- j раженные на рисунке 275, а, б. Цена j деления шкал амперметров состав-' ляет 4А- 2А С. = = 0,5 А. Рис. 276 Стрелка амперметра, показанного на рисунке 275, а, расположилась на два деления правее штриха шкалы, соответствующего силе тока 2 А. С учетом цены деления сила тока равна / = 2 А + 2 0,5 А = 3 А. Стрелка второго амперметра (см. рис. 275, б) находится между штрихами шкалы. К какому из них нужно отнести положение стрелки? К ближайшему, если стрелка не находится точно посредине деления. Если же стрелка оказалась точно между штрихами, то для определения показания можно выбрать любой из двух штрихов. Поэтому правильным значением силы тока для второго амперметра (см. рис. 275, б) можно считать как 1 А (2 А - 2 • 0,5 А = 1 А), так и 1,5 А (2 А - 1 0,5 А = 1,5 А). Конечно, в этом случае найденное показание окажется неточным. Но дело в том, что неточным показание будет даже в том случае, когда стрелка совпала (на глаз) с каким-либо штрихом. Оказывается, приборов с абсолютно точными шкалами не существует. Об этом вы узнаете в 9-м классе. В последнее время все более широкое распространение получают цифровые измерительные приборы (рис. 276). Они очень удобны, поскольку их показания высвечиваются на шкале в цифровом виде. Проверьте себя 1. Что называют эталоном единицы физической величины? 2. Используют ли эталон на практике? 3. В чем состоит измерение физической величины? 4. Какой прибор называется измерительным? 5. Как определить цену деления шкалы измерительного прибора? 228 01 2345678: ir^~№ee?fH4-e-6-i Рис. 277 6. Определите пределы измерений амперметров (см. рис. 275, а, б). 7. К какому штриху шкалы нужно отнести положение стрелки прибора, если она установилась посредине деления? 8. Найдите цену деления и показания приборов, изображенных на рисунке 277, а—в. Приложение 2 Лабораторные работы ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 Сборка электрической цепи и измерение силы тока в ее различных участках Оборудование: источник тока (напряжение 4—5 В); лампочка на подставке; амперметр; ключ; соединительные провода. Порядок выполнения работы 1. Начертите схему электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных источника тока, ключа и лампочки. Соберите цепь из имеющегося оборудования. 2. Замкните ключ. Если лампочка загорится, значит, ваша цепь замкнута. Разомкните ключ. Используйте лампочку как индикатор замкнутости цепи в дальнейших действиях. 3. Рассмотрите амперметр. Обратите внимание на знаки «-1-» и «-» у его зажимов. Определите цену деления прибора Сд и запишите ее в тетрадь. 4. Удалите один из соединительных проводов собранной цепи. В образовавшийся разрыв цепи включите амперметр с учетом правила его подключения. 5. После проверки учителем правильности подключения амперметра замкните ключ и измерьте силу тока в цепи. Запишите показания амперметра в тетрадь и разомкните ключ. 229 6. Измерьте силу тока в другом участке цепи. Для этого отключите амперметр и замените его проводником. Разъедините цепь на другом участке и * включите в разрыв амперметр с учетом правил его подключения. После проверки цепи учителем замкните ключ и, сняв показание амперметра, запишите его в тетрадь. Разомкните ключ. 7. Сравните полученные показания амперметра. Сделайте вывод и запишите его в тетрадь. 8. Подсчитайте значение электрического заряда, прошедшего по собранной вами цепи за время измерений (около десяти минут). ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2 Измерение напряжения на различных участках электрической цепи Оборудование: источник тока (напряжение 4—5 В); две разные лампочки на подставках (одна — на напряжение 2,5 В, другая — на 3,5 В); вольтметр; ключ; соединительные провода. Порядок выполнения работы 1. Начертите схему электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных источника тока, ключа и двух лампочек. Соберите цепь из имеющегося оборудования. 2. Замкните ключ и убедитесь, что цепь замкнута и лампочки горят. Обозначьте на схеме более яркую лампочку цифрой 1, а менее яркую лампочку — цифрой 2. Разомкните цепь. •' 3. Рассмотрите вольтметр. Обратите внимание на знаки «-1-» и «-» у его зажимов. Определите цену деления прибора Су и запишите ее в тетрадь. 4. Измерьте напряжение Ui на лампочке 1 (более яркой). Для этого присоедините к зажимам вольтметра два проводника, концы которых подключите к зажимам лампочки с учетом правила подключения вольтметра. Начертите схему цепи. 5. После проверки учителем правильности подключения вольтметра замкните ключ и запишите показание прибора. Разомкните ключ. 6. Измерьте напряжение на лампочке 2. Для этого подключите к ней вольтметр с учетом правила его подключения. Начертите схему цепи. После проверки цепи учителем замкните ключ и, записав показание вольтметра, разомкните ключ. 7. Сравните напряжения [/, и {/3. Сопоставьте эти напряжения с яркостью свечения лампочек и вывод запишите в тетрадь. 8. Подключите вольтметр к участку цепи с двумя последовательно соединенными лампочками. Замкните цепь, измерьте общее напряжение U на этом участке цепи и запишите его в тетрадь. Начертите схему цепи. Разомкните цепь. 230 9. Вычислите сумму t/j + t/g и сравните ее с общим напряжением U на двух лампочках. Сделайте вывод. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3 Регулирование силы тока реостатом и измерение его сопротивления с помощью амперметра и вольтметра Оборудование: источник тока (напряжение 4—5 В); реостат; резистор сопротивлением 1—2 Ом; амперметр; вольтметр; ключ; соединительные провода. Порядок выполнения работы 1. Рассмотрите реостат. Подключите к нему соединительные провода, как показано на рисунке 278. По числу витков провода реостата между подключенными проводами установите, при каком положении ползунка сопротивление реостата наибольшее и наименьшее. 2. Определите цены деления амперметра и вольтметра и запишите их. 3. Начертите схему электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных источника тока, ключа, реостата, амперметра и резистора. Соберите цепь из имеющегося оборудования. После проверки учителем правильности соединений замкните цепь и по отклонению стрелки амперметра убедитесь, что в цепи идет ток. 4. Плавно перемещая ползунок реостата и следя за показаниями амперметра, обратите внимание на характер изменения силы тока в цепи. Разомкните цепь. 5. Подключите вольтметр параллельно реостату. В начерченную схему цепи добавьте изображение вольтметра. 6. После проверки учителем правильности соединений замкните ключ. Рис. 278 231 7. Измерьте силу тока в цепи и напряжение на реостате при трех различных положениях ползунка. Результаты измерений занесите в таблицу. Разомкните цепь. 8. Используя закон Ома, рассчитайте сопротивление реостата в каждом из трех опытов и результаты вычислений запишите в таблицу. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4 Проверка свойства параллельного соединения проводников Оборудование: источник тока (напряжение 4—5 В); два разных резистора (или резистор и лампочка); амперметр; ключ; соединительные провода. Порядок выполнения работы 1. Определите цену деления амперметра и запишите ее. 2. Начертите схему электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных источника тока, ключа, амперметра и двух параллельно соединенных резисторов (рис. 279). 3. Соберите цепь из имеющегося оборудования. После проверки учителем правильности соединений замкните цепь и по отклонению стрелкц, амперметра убедитесь, что в цепи идет ток. 4. Запишите в таблицу показание амперметра. Разомкните цепь. 5. Отсоедините амперметр и вместо него на участке аЬ (см. рис. 279) включите в цепь проводник. 6. Отсоедините от точки Ь схемы (см. рис. 279) первый резистор и включите в образовавшийся разрыв цепи амперметр. После проверки учителем правильности включения амперметра замкните цепь и запишите в таблицу показание амперметра. Разомкните цепь. 7. Отсоедините амперметр. Первый резистор снова подключите к точке Ь схемы. 8. Отсоедините от точки Ь схемы (см. рис. 279) второй резистор и включите в образовавшийся разрыв цепи амперметр. После проверки учителем правильности включения амперметра замкните цепь и запишите в таблицу показание амперметра. Разомкните цепь. Рис. 279 Участок цепи аЬ резистор 1 резистор 2 Сила тока, А 232 9. По записям в таблице проверьте, соблюдается ли равенство I = 1^ + 1^ и сделайте вывод. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5 Измерение мощности и работы тока Оборудование: источник тока (напряжение 4—5 В); две разные лампочки на подставках (одна — на напряжение 2,5 В, другая — на 3,5 В); амперметр; вольтметр; ключ; соединительные провода. Порядок выполнения работы 1. Определите цены деления амперметра и вольтметра и запишите их. 2. Начертите в тетради схему электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных источника тока, ключа, одной лампочки и амперметра. 3. Соберите цепь из имеющегося оборудования. Параллельно лампочке подключите вольтметр. После проверки учителем правильности соединений замкните цепь и по отклонению стрелки амперметра убедитесь, что в цепи идет ток. 4. Запишите в таблицу показания амперметра и вольтметра. Разомкните цепь. № опыта /,А и,в Р, Вт Яркость свечения 1 2 5. В собранной цепи замените лампочку другой, замкните цепь и запишите в таблицу новые показания амперметра и вольтметра. Разомкните цепь. 6. По результатам измерений найдите электрическую мощность каждой лампочки и запишите ее в таблицу. 7. Отметьте в таблице, какая из лампочек горела ярче по визуальному наблюдению. 8. По данным таблицы определите, от какой (или каких) физической величины зависит яркость свечения лампочки. 9. Рассчитайте работу электрического тока, производимую им за 1 мин в каждой из лампочек. *ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6 Исследование свойств полупроводникового диода Оборудование: источник тока (напряжение 4—5 В); две одинаковые лампочки на подставках; полупроводниковый диод; ключ; соединительные провода. 233 Рис. 280 Порядок выполнения работы 1. Соедините последовательно лампочки и ключ и подключите их к источнику тока (рис. 280). Убедитесь, что при замыкании ключа лампочки горят одинаково ярко, после чего разомкните цепь. 2. Подключите параллельно лампочке 1 диод так, как показано на схеме рисунка 281. Замкнув ключ, убедитесь, что яркость свечения лампочек изменилась. Заполните верхнюю строчку таблицы. Разомкните цепь. 3. В собранной цепи поменяйте местами концы подключаемого диода и, замкнув цепь, убедитесь, что яркость свечения лампочек снова изменилась. Заполните нижнюю строчку таблицы. Разомкните цепь. 4. Начертите электрическую схему, собранную вами в опыте № 2. 5. Объясните характер свечения каждой из лампочек в опытах № 1 и 2. № опыта Состояние лампочек 1 2 1 2 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7 Намагничивание и размагничивание компасных стрелок Оборудование: компасная стрелка на подставке, намагниченная так, что северным полюсом стрелки является ее конец, окрашенный в синий цвет; источник тока (напряжение 4—5 В); ключ; катушка от разборного электромагнита; соединительные провода; бумажная стрелка, прикрепленная на потолке в направлении север — юг. 234 Порядок выполнения работы 1. Установите компасную стрелку на подставке и поместите ее в центре стола вдали от металлических предметов. 2. Сопоставьте направление компасной стрелки с направлением бумажной стрелки, укрепленной на потолке (макета магнитной стрелки). 3. Рассмотрите катушку электромагнита и найдите начало и конец намотанного на нее провода. С помощью соединительных проводов и ключа подключите катушку к источнику тока. Начало провода катушки подключите к положительному полюсу, а конец — к отрицательному полюсу источника тока. 4. Не замыкая ключ, с помощью правила правой руки определите, как будут расположены полюса катушки с током, который возникнет при ее подключении к источнику тока. 5. Замкните ключ и, поднеся компасную стрелку к торцам катушки, проверьте, правильно ли вы определили положения ее магнитных полюсов. Запомните положения полюсов катушки. Разомкните ключ. 6. Снимите компасную стрелку с подставки и поместите ее внутрь катушки так, чтобы ее северный конец был обращен к южному полюсу катушки (когда по ней проходит ток). 7. Замкните ключ и пропускайте ток в катушке в течение примерно одной минуты. Разомкните ключ. 8. Достаньте стрелку из катушки, установите ее на подставку и, пользуясь бумажной стрелкой на потолке, убедитесь в том, что компасная стрелка перемагнитилась: теперь ее северным полюсом стал конец, окрашенный в красный цвет. 9. Еще раз намагнитьте стрелку внутри катушки с током так, чтобы синий конец стрелки снова стал ее северным полюсом. Подумайте, как для этого нужно поместить стрелку в катушку. 10. Достаньте стрелку из катушки, установите ее на подставку и, пользуясь бумажной стрелкой на потолке, убедитесь, что задание пункта 9 выполнено правильно. 11. Начертите в тетради схемы опытов и изобразите на них направление тока в катушке и стрелку внутри катушки так, чтобы положение ее синего и красного концов свидетельствовало о том, что стрелка намагничивается в соответствии с окраской и противоположно окраске. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8 Исследование явления электромагнитной индукции Оборудование: миллиамперметр с нулевым делением посредине шкалы; катушка-моток; плоский или дугообразный магнит. 235 Порядок выполнения работы 1. Подключите катушку-моток к зажимам миллиамперметра. 2. Удерживая катушку-моток рукой неподвижно относительно стола, внесите в нее магнит северным полюсом. Обратите внимание на появление индукционного тока в катушке и на его направление. 3. Продолжая держать катушку-моток неподвижно, удаляйте из нее магнит, обращая при этом внимание на поведение стрелки миллиамперметра, т. е. на направление индукционного тока в катушке. 4. Поставьте магнит на стол и, удерживая его рукой неподвижно относительно стола, наденьте на его северный полюс катушку-моток. По поведению стрелки миллиамперметра установите, как направлен индукционный ток в катушке. 5. Снимите катушку-моток с неподвижного магнита и по поведению стрелки миллиамперметра выясните, изменилось ли направление индукционного тока в катушке. 6. Сделайте вывод: а) о появлении индукционного тока в катушке-мотке в случае движения относительно стола магнита или катушки; б) о зависимости направления индукционного тока в катушке-мотке от того, двигались ли относительно стола магнит или катушка. 7. Повторите опыты, описанные в п. 2—5, вдвигая магнит не северным, а южным полюсом, и сделайте выводы (см. п. 6). 8. Вносите и удаляйте магнит северным^ полюсом из катушки-мотка, при этом каждый раз делайте это с разной скоростью. Попытайтесь определить, зависит ли сила индукционного тока от скорости движения магнита относительно катушки. Ответы § 1.5. Потому, что предположения о существовании двух видов за- рядов достаточно для объяснения всех известных электрических явлений и опытов. § 3. 7. Нет, не может. 8. -10 е. § 7. 5. Будет, но искры будут слабыми. § 11.8. 0,026 с. § 12. 6. 16 000—32 000 Кл. 7. Заряд в опыте Рикке примерно в 30 раз больше заряда земного шара. § 13. 7. Аккумулятор автомобиля. 8. При движении электровоза. 9. 2,6 - 10-1® Дж. § 14. 6. 1,2 ■ 10"^ Ом ■ м, 2,1 • 10'^ Ом • м. 7. 0,72 Ом. 8. 1,9 м. 9. Около 310 кг. § 15. 5. От сопротивления проводника. § 16. 1. В 2,5 раза. 6. а) 0,25 А; б) 0,5 А; в) 1 А. § 17. 5. Сила тока в лампочке составит около 0,2 А, поэтому такое включение вполне возможно. 6. 22 В. 7. 3 Ом, 9 Ом, 18 В. 8. 6 кОм. § 18. 9. 3 Ом. 10. а) 7 Ом; б) 8 Ом. 11. 2 Ом; 3 А; = 2 А; /г = 1 А. 13. = 2 R^. 14. а) /, = /г = 2 А; Д = 3 А; [/2 = 2 В; Пдд = 9 В; б) /, = 6 А; h = /4 = 4 А; /з = 2 А; П2 = 8 В; = 18 В. § 19. 7. Около 200 кДж. § 20. 7. В первом случае Р = + Рз, во втором — Р = Р^ + Р^. Указа- ние: в обоих случаях Р = UI, где U — напряжение сети, I — сила тока в сети. 12. 2,8 м. 13. В течение первых 10 с. 8. Провода сети. 10. В космосе температура спирали будет замет- § 21. § 22. но выше. § 23. § 26. § 31. 10. а) нижняя (по рисунку) лампа; б) верхняя лампа. 2. 1,7 ■ 10« — 2,6 • 10® Кл. 3. Нужно размагнитить якорь электромагнита, пропустив по нему ток противоположного направления. § 34. 2. Возникновение тока в замкнутой цепи при ее нахождении в постоянном магнитном поле. Такого явления не существует. § 35. 6. Да. § 36. 4. При наличии потребителя при вращении ротора требуется совершать дополнительную работу, равную работе электрического тока в цепи потребителя. § 37. 5. 16 витков. 6. Ii = 0,34 А; 1„ = 1,7 А; Р = 75 Вт. § 39. 4. 9,6 т. 237 § 41. 3. Переменное электрическое поле, возникающее из-за изменений магнитного поля первичной катушки. * § 42. 4. 300 м. 5. 10 МГц. 6. 0,5 мс. § 43. 7. Сплошной. § 44. 8. Спектр, изображенный на рисунке VII, а, дает нагретая смесь водорода и лития, а на рисунке VII, б — смесь водорода и неона. § 46. 3. Сила тока в резисторе очень мала, и заметное напряжение на резисторе возникнет, только если его сопротивление велико. § 47. 4. Первое. 5. Радиоактивных атомов второго вещества будет в 8 раз больше радиоактивных атомов первого. 6. 10^'; 5 • 10^®. § 48. 2. Планетарная модель учитывала не все свойства атомов, а только те из них, которые следовали из опытов Резерфорда по рассеянию а-частиц. § 49. 3. Три электромагнитные волны разных частот. § 52. 1. О поглощении энергии говорят, когда сумма кинетических энергий ядер и частиц до реакции больше суммы кинетических энергий продуктов реакции. § 55. 3. Ядерные реакции являются реакциями деления и протекают без предварительного нагрева вещества, а термоядерные — являются реакциями синтеза и протекают только при очень высоких температурах. Оглавление Предисловие........................................................ 3 Глава 1. Электрические заряды. Электрическое поле § 1. Электризация тел .......................................... 4 § 2. Проводники и непроводники электричества.................... 9 § 3. Свойства электрических зарядов ........................... 13 § 4. Строение атома............................................ 16 § 5. Модель свободных электронов. Закон сохранения электрического заряда.................... 20 *§ 6. Способы электризации тел и их объяснение ................. 23 § 7. Устройства для накопления и получения электрических зарядов 28 § 8. Электрическое поле........................................ 30 Самое важное в главе 1 .................................. 34 Глава 2. Электрический ток и его законы § 9. Электрический ток......................................... 35 § 10. Действия электрического тока ............................ 41 § 11. Электрический ток в металлических проводниках ........... 45 § 12. Сила тока................................................ 47 § 13. Электрическое напряжение................................. 52 § 14. Электрическое сопротивление ............................. 57 § 15. Закон Ома................................................ 62 § 16. Следствия из закона Ома.................................. 65 § 17. Последовательное соединение проводников.................. 69 § 18. Параллельное соединение проводников...................... 74 § 19. Работа электрического тока............................... 82 § 20. Электрическая мощность................................... 86 § 21. Тепловое действие тока .................................. 90 *§ 22. Электричество в быту..................................... 96 Самое важное в главе 2.................................. 102 Глава 3. Электрический ток в средах {[{)','_ \уМ] § 23. Электрический ток в полупроводниках..................... 105 § 24. Электрический ток в жидкостях .......................... 112 § 25. Электрический ток в газах............................... 116 *§ 26. Гроза как электрическое явление......................... 120 Самое важное в главе 3................................... 125 Глава 4. Магнитное поле § 27. Начальные сведения о магнитных явлениях................. 126 § 28. Магнитное поле постоянных магнитов...................... 130 § 29. Магнитное поле Земли ................................... 133 § 30. Опыт Эрстеда. Магнитное поле тока....................... 135 § 31. Электромагнит и некоторые его применения ............... 141 239 32. Действие магнитного поля на проводники с током и движущиеся заряженные частицы........................ 14 33. Использование действия магнитного поля * на проводники с током.................................. 14 Самое важное в главе 4 ................................ 1ё Глава § 34 § § *§ *§ 5. Электромагнитная индукция Явление электромагнитной индукции....................... 1£ 35. Применение электромагнитной индукции .................. 1£ 36. Переменный ток......................................... 1ё 37. Трансформация переменного тока......................... 16 38. Электростанции......................................... 16 39. Передача электрической энергии на большие расстояния... 16 Самое важное в главе 5.................................. 16 Глава § 40 § § 41 42 *§ 43 *§ 44 Глава § 45 § § 46 47, 6. Электромагнитные волны Электромагнитные колебания ........................... 17 Электромагнитные волны ............................... 17 Передача информации с помощью радиоволн............... 17 Спектры электромагнитных излучений.................... 18 Спектры светящихся газов. Спектральный анализ ........ 18 Самое важное в главе 6 ............................... 19 7. Атом ( Радиоактивность....................................... 19 Открытие строения атома................................ 19 Радиоактивный распад.................................. 19 Излучение и поглощение электромагнитных волн атомами.. 19 Теория Бора и линейчатые спектрь^ излучения............ 20 Состав атомных ядер.................................... 20 Деление ядер. Ядерные реакции.......................... 20 Энергетический выход ядерной реакции ................. 21 Использование ядерной энергии......................... 21 Ядерный реактор. Атомные электростанции............... 21 Термоядерные реакции................................... 22 Действие излучений на человека......................... 22 Самое важное в главе 7................................. 22 Приложения Приложение 1. Что такое измерение и как его производят........ 22 Приложение 2. Лабораторные работы ............................ 22 Ответы ....................................................... 23 *§ 48 *§ 49 § § 50 51 52 § 53 § 54 *§ 55 § 56 Магазин «Мнемозина» производит мелкооптовую и розничную продажу книг по адресу: Москва, ул. 6-я Парковая, д. 29 б (м. «Первомайская»), Телефон для справок: (495) 367-58-18 ХРОНОЛОГИЯ основных СОБЫТИ ЭЛЕКТРОМА Й, ОТКРЫТИЙ и ИЗОБРЕТЕНИЙ Г Н Е Т И 3 М Передача электричества на расстояние МЕЛЬс. ^ ■ • • О ПРЕДЛАГАЕТ УЧЕБНУЮ И МЕТОДИЧЕСКУЮ ЛИТЕРАТУРУ ПО ФИЗИКЕ Учебно-методические комплекты для 7—9 классов Базовый уровень Авторы: Н. М. Шахмаев, А. В. Бунчук, Ю. И. Дик и др. (■.•M i Компоненты УМК: Программа и поурочное планирование Учебники: «Физика-Т», «Физика-8», «Физика-9» Рабочие тетради Методика преподавания физики Учебно-методический комплект для 10—11 классов Профильный уровень Авторы: Л. И. Анциферов и др. Компоненты УМК: Программа Учебники: «Физика-10», «Физика-11» Методические рекомендации Пособия по физике для учащихся и учителей С. М. Козел и др. Физика. 10—11 классы. Сборник задач и заданий с ответами и решениями. (По материалам международных олимпиад 1985-2003 гг.) B. А. Коровин, М. Ю. Демидова. Методический справочник учителя физики Готовятся к изданию: C. М. Козел. Физика. 10—11 классы. Пособие для учащихся и абитуриентов. В двух частях Л. П. Баканина, В. Е. Бепонучкин, С. М. Козел. Физика. Сборник задач для 10—11 классов. Профильный и углубленный уровни/под редакцией С. М. Козела Н. М. Шахмаев, Н. И. Павлов. Физический эксперимент в средней школе. Пособие для учителя С. А.Тихомирова, Б. М. Яворский. Физика. 10—11 классы. Учебник (базовый уровень) С. А. Тихомирова. Физика в пословицах, загадках, сказках, поэзии, прозе, шутках и литер)атурных анекдотах. Дидактические материалы для 7—11 классов В. П. Слободянин и др. Задачи школьных, городских и областных олимпиад по физике 5-34^00698-2 785346 006985