Электрические явления

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и высшей школы Республики Коми

Управление образования администрации МО «Городской округ Усинск»

Муниципальная средняя общеобразовательная школа 5

Реферат

по физике

на тему:

Электрические явления

2008 г.

Оглавление

Введение

Историческая справка

Электризация тел. Строение атома легенда об открытии электризации

Законы электрического тока

Из истории создания электрической лампы

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Электричество - совокупность явлений, обусловленных существованием, движением и взаимодействием электрически заряженных тел или частиц. Взаимодействие электрических зарядов осуществляется с помощью электромагнитного поля (в случае неподвижных электрических зарядов - электростатические поля). Движущиеся заряды (электрический ток) наряду с электрическим возбуждают и магнитное поле, т.е. порождают электромагнитное поле, посредством которого осуществляется электромагнитное взаимодействие (учение о магнетизме является составной частью общего учения об электричестве). Электромагнитные явления описываются классической электродинамикой, в основе которой лежат уравнения Максвелла.

Законы классической теории электричества охватывают огромную совокупность электромагнитных процессов. Среди 4 типов взаимодействий (электромагнитных, гравитационных, сильных и слабых), существовавших в природе, электромагнитные занимают первое место по широте и разнообразию проявлений. Это связано с тем, что все тела построены из электрически заряженных частиц противоположенных знаков, взаимодействие между которыми, с одной стороны, на много порядков интенсивнее гравитационных и слабых, а с другой - являются дальнодействующими в отличии от сильных взаимодействий, Строение атомных оболочек, сцепление атомов в молекулы (хим. Силы) и образование конденсированного вещества определяются электромагнитным взаимодействием.

Цель реферата в том, чтобы показать , что человечество не мыслит своё существование на Земле без электричества.



Историческая справка

Простейшие электрические и магнитные явления известны ещё с глубокой древности. Были найдены минералы, притягивающие кусочки железа, а также обнаружено, что янтарь (от греческого электрон, отсюда термин электричества), потертый о шерсть, притягивает легкие предметы (электризация трением). Однако лишь в 1600 У. Гильберт впервые установил различия между электрическими и магнитными явлениями, Он открыл существование магнитных полюсов и неотделимость их друг от друга, а также установил, что земной шар - гигантский магнит.

В 17 - 1-й пол. 18 вв. проводились многочисленные опыты с наэлектризованными телами, были построены первые электростатические машины, основанные на электризации тернием, установлено существование электрических зарядов двух родов (Ш. Дюфе), обнаружена электропроводность металлов (англ. Ученый С. Грей). С изобретением первого конденсатора - лейденские банки (1745) - появилась возможность накапливать большие электрические заряды. В 1747-53 Б. Франклин изложил первую последовательную теорию электрических явлений, окончательно установил электрическую природу молнии и изобрел молниеотвод.

Во 2-й пол. 18 в. Началось количественное изучение электрических и магнитных явлений, Появились первые измерительные приборы - электроскопы различных конструкций, электрометры. Г. Кавендиш (1773) и Ш. Кулон (1785) экспериментально установили закон взаимодействия неподвижных точечных электрических зарядов (работы Кавендиша были опубликованы лишь в 1879). Этот основой закон электростатики (Кулона закон) впервые позволил создать метод измерение электрических зарядов по силам взаимодействия между ними, Кулон установил также закон взаимодействия между полюсами длинных магнитов и ввёл понятие о магнитных зарядах, сосредоточенных на концах магнитов.

Следующий этап в развитии науки об электричестве связан с открытием в кон. 18 в. Л. Гальвани «животного электричества» и работами А. Вольты, который правильно истолковал опыты Гальвани присутствием в замкнутой цепи 2 разнородных металлов в жидкости и изобрел первый источник электрического тока - гальванический элемент (вольтов столб 1800), создающий непрерывный (постоянный) ток в течение длительного времени, В 1802 В.В. Петров, построив гальванический элемент значительно большей мощности, открыл электрическую дугу, исследовал её свойства и указал на возможность применения её для освещения, а также для плавления и сварки металлов. Г. Дэви электролизом водных растворов щелочей получил (1807) неизвестные ранее металлы - натрий и калий. Дж.П. Джоуль установил (1841), что количество теплоты, выделяемой в проводнике электрическим током, пропорциональна квадрату силы тока; этот закон был обоснован (1842) точными экспериментами Э.Х. Ленца (закон Джоуля-Ленца). Г. Ом установил (1826) количество зависимости электрического тока от напряжения в цепи. К.Ф. Гаусс сформулировал (1830) основную теорему электростатики (теорема Гаусса).

Наиболее фундаментальное открытие было сделано Х. Эрстедом в 1820; он обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку - явление, свидетельствовавшее о связи между электричеством и магнетизмом. Вслед за этим в том же году А.М. Ампер установил закон взаимодействия электрических токов (закон Ампера) Он показал также, что свойства постоянных магнитов могут быть объяснены на основе предположения о том, что в молекулах намагниченных тел циркулируют постоянные электрические токи(молекулярные токи). Т.о., согласно Амперу, все магнитные явления сводятся к взаимодействиям токов, магнитных же зарядов не существует. Со времени открытий Эрстеда и Ампера учение о магнетизме сделалось составной частью учений об электричестве

Со 2-й четв. 19 в. Началось быстрое проникновение электричества в технику. В 20-х гг. появились первые электромагниты. Одним из первых применений электричества был телеграфный аппарат, в 30-40-х гг. построены электродвигатели и генераторы тока, а в 40-х гг. - электрические осветительные устройства и т. д. Практическое применения электричества в дальнейшем всё более возрастало, что в свою очередь оказало существенное влияние на учение об электричестве.

В 30-40-х гг. 19 в. В развитие науки об электричестве внёс большой вклад М.

Фарадей- творец общего учения об электромагнитных явлениях, в котором все электрические и магнитные явления рассматриваются с единой точки зрения. С помощью опытов он доказал, что действие электрических зарядов и токов не зависят от способа их получения [до Фарадея» обыкновенное» (полученное при электризации трением), атмосферное, «гальваническое», магнитное, термоэлектрическое, «животное» и др. виды электричества]. В 1831 Фарадей открыл индукцию электромагнитную - возбуждения электрического тока в контуре, находящемся в переменном магнитном поле. Это явление (наблюдавшееся в 1832 также Дж. Генри) составляет фундамент электротехники. В 1833-34 Фарадей установил законы электролиза; эти его работы положили начало электрохимии. В дальнейшем он, пытаясь найти взаимосвязь электрических и магнитных явлений с оптическими, открыл поляризацию диэлектриков (1837), явления парамагнетизма и диамагнетизма (1845), магнитное вращение плоскости поляризации света (1845) и др.

Фарадей впервые ввёл представление об электрических и магнитных полях. Он отрицал концепцию дальнодействия, сторонники которой считали, что тела непосредственно (через пустоту) на расстояние действуют друг на друга. Согласно идеям Фарадея, взаимодействия между зарядами и токами осуществляется посредством промежуточных агентов: заряды и токи создают в окружающем пространстве электрические или магнитные поля, с помощью которых взаимодействие передается от точки к точке (концепция близкодействия). В основе его представлений об электрических и магнитных полях лежало понятие силовых линий, которые он рассматривал, как механические образования в гипотетической среде - эфире, подобные растянутым упругим нитям или шнурам.

Идеи Фарадея о реальности электромагнитного поля не сразу получили признание, Первая математическая формулировка законов электромагнитной индукции была дана Ф Нейманом в 1845 на языке концепции дальнодействия. Им же были введены важные понятия коэффициентов само- и взаимодукции токов. Значение этих понятий полностью раскрылось позднее, когда У. Томсон (лорд Кельвин) развил (1853) теории электрических колебаний в контуре, состоящем из конденсатора (электроёмкость) и катушки (индуктивность.

Большое значения для развития учения об электричестве имело создание новых приборов и методов электрических измерений, а также единая система электрических и магнитных единиц измерений, созданная Гауссом и В. Вебером (система единиц гаусса). В 1846 Вебер указал на связь силы тока с плотностью электрических зарядов в проводнике и скоростью их упорядочного перемещения. Он установил также закон взаимодействия движущихся точечных зарядов, который содержал новую универсальную электродинамическую постоянную, представляющею собой отношение электростатических и электромагнитных единиц заряда и имеющею размерность скорости. При экспериментальном определении (Вебер и Ф. Кольрауш, 1856) этой постоянной было получено значение, близкое к скорости света; это явилось определенным указанием на связь электромагнитных явлений с оптическими.

В 1861-73 учение об электричестве получило своё развитие и завершение в работах Дж.К. Максвелла. Опираясь на эмпирические законы электромагнитных явлений, и введя гипотезу о порождение магнитного поля переменным электрическим полем, Максвелл сформулировал фундаментальные уравнения классической электродинамики, названные его именем. При этом он, подобно Фарадею, рассматривал электромагнитные явления как некоторую форму механических процессов в эфире. Главное новое следствие, вытекающее из этих уравнений, существование электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света. Уравнения Максвелла легли в основу электромагнитной теории света. Решающее подтверждение теория Максвелла нашла в 1886-89, когда Г. Герц экспериментально установил существование электромагнитных волн. После его открытия были предприняты попытки установить связь с помощью электромагнитных волн, завершившиеся созданием радио, и начались интенсивные исследования в области радиотехники.

В конце 19 - начале 20 вв. начался новый этап в развитии теории электричества. Исследования электрических разрядов увенчались открытием Дж.Дж. Томсоном дискретности электрических зарядов. В 1897 он измерил отношение заряда электрона к его массе, а в 1898 определил абсолютную величину заряда электрона. Х. Лоренц, опираясь на открытия Томсона и выводы молекулярно-кинетической теории, заложил основы электронной теории строения вещества (уравнения Лоренца-Максвелла). В классической электронной теории вещество рассматривается как совокупность электрических заряженных частиц, движение которых подчинено законом классической механике. Уравнение Максвелла получаются из уравнений электронной теории статическим усреднением.

Попытки применение законов классической электродинамики к исследованию электромагнитных процессов в движущихся средах натолкнулись на существенные трудности. Стремясь разрешить их, А. Эйнштейн пришел (1905) к теории относительности. Эта теория окончательно опровергла идею существования эфира, наделённого механическими свойствами. После создания теории относительности стало очевидно, что законы электродинамики не могут быть сведены к законам классической механики.

На малых пространственно-временных интервалах становятся существенными квантовые свойства электромагнитного поля, не учитываемые классической теорией электричества. Квантовая теория электромагнитных процессов - квантовая электродинамика - была создана во 2-й четв. 20 века. Квантовая теория вещества и поля уже выходит за пределы учения об электричестве, изучает более фундаментальные проблемы, касающиеся законов движения элементарных частиц и их строения.

С открытием новых фактов и создание новых теорий значение классического учения об электричестве не уменьшилось, были определены лишь границы применимости классической электродинамики. В этих пределах уравнения Максвелла и классическая электронная теория сохраняют силу, являясь фундаментом современной теории электричества. Классическая электродинамика составляет основу большинства разделов электротехники, радиотехники, электроники и оптики (исключение составляет квантовая электроника). С помощью её уравнений было решено огромное число задач теоретического и прикладного характера. В частности, многочисленные проблемы поведения плазмы в лабораторных условиях и в космосе решаются с помощью уравнений Максвелла.

Электризация тел. Строение атома легенда об открытии электризации

Древние греки очень любили украшения и мелкие поделки из янтаря, названного ими за его цвет и блеск «электрон» -что значит «солнечный камень». Отсюда произошло, правда много позже, и самое слово электричество.

Способность янтаря электризоваться была известна давно. Впервые исследованием этого явления занялся знаменитый философ древности Фалес Милетский. Вот как об этом рассказывает легенда.

Дочь Фалеса пряла шерсть янтарным веретеном, изделием финикийских мастеров. Как-то, уронив веретено в воду, девушка стала обтирать его краем своего шерстяного хитона и заметила, что к веретену пристало несколько шерстинок. Думая, что они прилипли к веретену, потому что оно все еще влажно, она принялась вытирать его еще сильнее. И что же? Шерстинок налипало тем больше, чем сильнее натиралось веретено. Девушка обратилась за разъяснением этого явления к отцу. Фалес понял, что причина в веществе, из которого сделано веретено, и в первый же раз, как к пристани Милета подошел корабль финикийских купцов, он накупил различных янтарных изделий и убедился, что все они, будучи натерты шерстяной материей, притягивают легкие предметы, подобно тому, как магнит притягивает железо.

Получение и обнаружение электрических зарядов

Вы можете повторить опыт дочери Фалеса Милетского. Янтарные изделия для этого иметь не обязательно -- воспользуйтесь любым стеклянным или пластмассовым предметом.

Потрите, например, пластмассовую расческу о газету. Поднесите ее к соринкам, шерстинкам, маленьким кусочкам бумаги. Какое явление вы наблюдаете? Как оно называется? Отличается ли эта расческа чем-нибудь от той, которую не натирали?

Наличие электрического заряда на расческе можно проверить с помощью следующих самодельных приборов:

1. Соберите из двух деревянных палочек, дощечки и пластилина штатив. Чувствительной частью прибора, обнаруживающего наличие электрического заряда, может служить легкая бумажная бабочка, которую надо подвесить на шелковой нити к штативу.

Натрите стеклянный или пластмассовый предмет газетой или шелковой материей. Поднесите его к бабочке. Пронаблюдайте, как бабочка притянется к наэлектризованному предмету.

2. Вырежьте из картона фигурку «человечка» и приколите кнопкой к ее плечу подвижную, вырезанную из тонкой папиросной бумаги руку. Расширьте немного прокол, чтобы рука могла свободно вращаться. Укрепите «человечка» на подставке или на нити. Подносите к нему наэлектризованные тела. Человечек будет вытягивать руку, указывая ею на электрический заряд (рис.1).

3. Вырежьте из фольги фигурку «человечка». Можно для этого использовать также тонкий картон, оклеенный фольгой. В этом случае удобнее вначале оклеить картон, а потом вырезать из него ножницами фигурку. Подвесьте ее на шелковой нитке, руки вставьте в прорезь, сделанную у плеча (руки изготовьте из того же материала, что и фигурку).

Прикоснувшись к «человечку» наэлектризованным телом, вы увидите, как он разведет руки в стороны. Дотронувшись до «человечка» пальцем, убедитесь, что он опускает руки. Объясните наблюдаемое явление.

Как называется прибор, модель которого вы сделали?

Электризация трением на производстве и в быту

Технический прогресс не только расширяет возможности человека, его власть над природой, но одновременно ставит множество новых проблем. Так, например, сегодня в различных отраслях промышленности используются сильные электрические поля, широко внедряется в быт синтетика, а синтетические материалы обладают способностью накапливать электрические заряды. И приходится решать проблемы, связанные с влиянием электрических полей на технологические процессы, на организм человека.

Вот несколько примеров.

На одном из целлюлозно-бумажных комбинатов некоторое время не могли установить причину частых обрывов быстро движущейся бумажной ленты. Были приглашены ученые. Они выяснили, что причина заключалась в электризации ленты при трении ее о валки.

Такая «самопроизвольная» электризация весьма опасна, так как может стать причиной пожара.

При трении о воздух электризуется самолет. Поэтому после посадки к самолету нельзя сразу же приставлять металлический трап: может возникнуть разряд, который вызовет пожар. Сначала самолет «разряжают»: опускают на землю металлический трос, соединенный с обшивкой самолета, и разряд происходит между землей и концом троса.

Разряды электричества возникают и тогда, когда человек ходит по полимерным покрытиям полов современной квартиры, синтетическим коврам или снимает с себя нейлоновую одежду.

Есть ли способы и средства для борьбы с накоплением электрических зарядов? Безусловно, есть.

На производстве -- это тщательное заземление станков, машин, применение токопроводящих пластиков для полов, увлажнение воздуха, использование различного рода «нейтрализаторов» (по условиям производства -- индукционных, электрических, радиоизотопных, электроаэрозольных и др.).

В домашних условиях устранить заряды статического электричества довольно легко, повышая относительную влажность воздуха квартиры до 60--70% (для этого можно использовать электрические увлажнители). Электризация устраняется, если к воде, которой протирают пластиковые полы, добавить гидрофильные вещества, например хлорид кальция, а также если протирать электризующиеся поверхности глицерином. Химическая промышленность сейчас выпускает препарат «Антистатик», который снимает электрический заряд с синтетической одежды.

При соприкосновении наэлектризованного тела с заземленной поверхностью происходит электрический разряд. Влияние его на организм человека также изучается.

В результате исследований, проведенных в Ленинграде, было установлено, что разрядный ток силой до 20 мкА не вызывает заметных физиологических сдвигов в организме человека даже при длительном воздействии. Следовательно, разряды, возникающие в быту и при большинстве технологических процессов в результате соприкосновения наэлектризованного человеческого тела с заземленной поверхностью, не опасны для здоровья.

Следует отметить, что электризация синтетического белья, возникающая во время носки, оказывается даже полезной. Например, известно, что поливинилхлоридное белье помогает при лечении некоторых болезней.

Сильные электрические поля используются в медицине при создании электроаэрозолей. Они представляют собой лекарственные или другие биологические вещества, распыленные в электростатическом поле и обладающие целым рядом свойств, выгодно отличающих их от обычных аэрозолей: капельки электроаэрозоля сильнее измельчаются, меньше слипаются, при определенных условиях они глубже проникают в легкие (вплоть до мельчайших легочных ячеек -- альвеол), создавая в них запасы постепенно всасывающихся лекарственных или биологически активных веществ.

Опыт Иоффе и Милликена

В начале XX в. советский физик Абрам Федорович Иоффе и американский ученый Роберт Милликен (независимо друг от друга) проделали опыты, доказавшие существование частиц, имеющих наименьший электрический заряд, и позволившие измерить этот заряд.

В чем заключался опыт, вам известно из учебника. Мы хотим рассказать немного о жизни и деятельности этих физиков и процитировать отрывки из их книг, где они рассказывают о своем эксперименте.

Абрам Федорович Иоффе родился в 1880 г. на Украине в г. Ромны. Окончил Петербургский технологический институт в 1902 г. и уехал в Германию продолжать образование. Он учился в Мюнхенском университете, который окончил в 1905 г. Его учителем был знаменитый В. Рентген. В 1906 г. Иоффе вернулся в Россию с дипломом доктора философских наук Мюнхенского университета и начал научно-педагогическую деятельность в Петербургском политехническом институте. В 1915 г. ему присвоили степень доктора Петербургского университета за исследование упругих и электрических свойств кварца.

После Октябрьской революции по его предложению и под его руководством во вновь созданном Государственном институте рентгенологии и рентгенографии организуется физико-технический отдел. Обстановка, в которой пришлось вести работу, была сложной: шла гражданская война; молодое Советское государство находилось в кольце врагов, которых поддерживали капиталисты всего мира; голод; разруха; старые научные кадры не все приняли революцию, часть уехала за границу; научные связи с другими странами почти полностью прерваны. И в это время А.Ф. Иоффе при содействии А.В. Луначарского создал в Петрограде научное учреждение, которое стало родоначальником большого числа научно-исследовательских институтов нашей страны.

В 1921 г. физико-технический отдел Государственного института рентгенологии и рентгенографии выделился в самостоятельный Физико-технический институт, руководителем которого стал А.Ф. Иоффе. А впоследствии из этого института выделились и стали самостоятельными научными учреждениями Украинский физико-технический институт, Уральский физико-технический институт, Институт химической физики и многие другие.

Видные ученые нашей страны И.В. Курчатов, П.Л. Капица, Н.Н. Семенов, Л.Д. Ландау, Б.П. Константинов, И.К. Кикоин и многие другие начинали свою научную работу под руководством А.Ф. Иоффе, считают себя его учениками и всегда с большой теплотой и любовью вспоминают о нем.

«Абрам Федорович Иоффе с первых дней революции встал на сторону Советской власти, он стал одним из выдающихся руководителей фронта физического образования и науки. Огромный талант ученого, педагога, организатора, а также доброжелательное отношение к людям, личное обаяние, преданность общественным интересам -- все это определило неоценимый вклад А.Ф. Иоффе в развитие советской физики. Многие мои товарищи -- физики, как и я сам,-- считают и называют академика Иоффе отцом советской науки, и это мнение, я верю, будет общепризнанным в истории советской науки»,-- писал академик Б.П. Константинов.

Научная деятельность Иоффе была широка и многообразна. Он был прекрасным экспериментатором, занимался вопросами физики полупроводников, много внимания уделял внедрению результатов научных исследований, принимал участие в разработке военной техники, в частности им был предложен принцип радиолокации для обнаружения неприятельских самолетов, интересовали его и возможности использования достижений науки в сельском хозяйстве.

Большая научная и организаторская деятельность А.Ф. Иоффе получила широкое признание в стране. Он был избран действительным членом Академии наук СССР, ему было присвоено звание Героя Социалистического Труда, звание заслуженного деятеля науки СССР, он был удостоен Государственной премии первой степени, награжден двумя орденами Ленина. Многие зарубежные академии и университеты избрали его своим почетным членом.

А.Ф. Иоффе скончался 14 октября 1960 г., не дожив две недели до своего восьмидесятилетия.

Роберт Милликен родился в 1868 г. в штате Иллинойс в семье священника. Детство его прошло в маленьком городке Маквокета. В 1893 г. он поступил в Колумбийский университет, затем учился в Германии.

В 28 лет его пригласили преподавать в Чикагский университет. Вначале он занимался почти исключительно педагогической работой и только в сорок лет начал научные исследования, принесшие ему мировую славу.

«Одним из первых в ряду блестящих экспериментаторов, основавших и обосновавших новую физику, следует назвать Роберта Милликена... Характерной чертой исследований Милликена является их совершенно исключительная точность. Милликен во многих случаях повторял опыты, придуманные и даже выполненные другими лицами, но делал их с такой тщательностью и осмотрительностью, что его результаты становились бесспорной и неизбежной базой теоретического построения. Основная заслуга Милликена -- измерение величины заряда электрона е и постоянной теории квантов А»,-- писал об этом ученом академик С.И. Вавилов.

За свои экспериментальные исследования Р. Милликен в 1924 г. был удостоен Нобелевской премии.

Умер Милликен в 1953 г.

Как же удалось измерить заряд отдельного электрона?

Вот что пишут о своих опытах А.Ф. Иоффе и Р. Милликен.

А.Ф. Иоффе: «...В камере А создавались мелкие пылинки цинка, которые через узкое отверстие падали в пространство между двумя заряженными пластинками . Заряженная пылинка падает вниз, испытывая, как и всякое тело, силу тяжести. Но если она заряжена, на нее действуют и электрические силы в зависимости от знака заряда по направлению снизу вверх или сверху вниз. Подобрав электрический заряд пластинок, можно было остановить каждую падающую частичку так, чтобы она неподвижно повисла в воздухе. Мне удавалось целый день держать частичку в таком состоянии. Когда же на нее падал пучок ультрафиолетового света, он уменьшал заряд. Это сразу можно было заметить по тому, что с изменением заряда электрическая сила уменьшалась, тогда как сила тяжести не изменялась: равновесие нарушалось, частичка начинала падать.

Приходилось подбирать другой заряд пластинок, чтобы снова остановить цинковую пылинку. И каждый раз мы имели возможность измерить ее заряд...

Можно было снять 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1... до 50 зарядов, но это было всегда целое число электронов. Оказалось, что какое бы вещество мы ни взяли, будь то цинк, масло, ртуть, будет ли это действие света, или нагревание, или другое воздействие,-- всякий раз, как тело теряет заряд, оно всегда теряет по целому электрону. Значит, можно было заключить, что в природе существуют только целые электроны».

Р. Милликен: «...При помощи обыкновенного распылителя в камеру С впускалась струя масла. Воздух, посредством которого вдувалась струя, освобождался сперва от пыли путем пропускания через трубку со стеклянной ватой. Капельки масла, составлявшие струю, были весьма малы; радиус большинства их был порядка 0,001 мм. Эти капельки медленно падали в камере С, иногда некоторые из них проходили сквозь маленькое отверстие р в центре круглой латунной пластинки М диаметром в 22 см, составлявшей одну из пластин воздушного конденсатора. Другая пластина -- N--была укреплена на 16 мм ниже при помощи трех эбонитовых стоек а. Пластины эти могли заряжаться (одна положительно, а другая отрицательно) при помощи переключателя 5, соединявшего их с полюсами 10 000-вольтовой аккумуляторной батареи В. Капельки масла, появлявшиеся вблизи р, освещались сильным пучком света, проходившего сквозь два окошечка, расположенных в эбонитовом кольце одно против другого. Если смотреть через третье окошечко О, направленное к читателю, капля представляется яркой звездочкой на темном фоне. Капли, проходившие через отверстие р, оказывались обыкновенно сильно заряженными вследствие трения при вдувании струи.

Капли, имеющие заряды одного знака с верхней пластинкой, а также имеющие слишком слабые заряды противоположного знака, быстро падают. Те же капли, которые имеют слишком много зарядов противоположного знака, быстро притягиваются верхней пластинкой, преодолевая силу тяжести. В результате через 7 или 8 мин поле зрения вполне проясняется, и в нем остается только сравнительно небольшое число капель, а именно те, которые имеют заряд, как раз достаточный, чтобы поддерживаться электрическим полем. Эти капли представляются отчетливо видимыми яркими точками. Я несколько раз получал только одну такую звездочку во всем поле, и она держалась там около минуты...

Во всех случаях, без всякого исключения, оказывалось, что как первоначальный заряд, возникший на капле вследствие трения, так и многочисленные заряды, захваченные каплей у ионов, равны точным кратным наименьшего заряда, захваченного из воздуха. Некоторые из этих капель не имели первоначально никакого заряда, а затем захватывали один, два, три, четыре, пять, шесть или семь элементарных зарядов или электронов. Другие капли первоначально имели семь или восемь, иногда двадцать, иногда пятьдесят, иногда сто, иногда сто пятьдесят элементарных единиц и захватывали в каждом случае один или несколько десятков элементарных зарядов в продолжение наблюдений. Таким образом, наблюдались капли со всевозможным числом электронов между одним и ста пятьюдесятью... Когда число их не превышает пятидесяти, то ошибка тут так же невозможна, как и при счете собственных пальцев. Однако при подсчете электронов в заряде, в котором их содержится свыше ста или двухсот, нельзя быть уверенным в отсутствии ошибки... Но совершенно невозможно себе представить, чтобы большие заряды, как, например, те, с которыми мы имеем дело в технических применениях электричества, были построены, по существу, иначе, чем те малые заряды, которые мы можем сосчитать

Где бы ни встречался электрический заряд -- на изоляторах или на проводниках, в электролитах или металлах,-- везде он обладает резко выраженным зернистым строением. Он состоит из целого числа единиц электричества (электронов), которые все одинаковы. В электростатических явлениях эти электроны рассеяны по поверхности заряженного тела, а в электрическом токе они движутся вдоль проводника».

Опыт Резерфорда

Суть опыта Резерфорда, как вы знаете, заключалась в следующем. На пути узкого пучка альфа-частиц, испускаемых радиоактивным веществом, помещалась очень тонкая металлическая фольга из золота. Регистрировались альфа-частицы с помощью экрана из светящегося состава (сернистый цинк), расположенного вокруг мишени.

Чего можно было бы ожидать в результате попадания альфа-частиц в атомы золота, если бы атомы золота были сплошными шариками? Станут ли они расталкивать атомы золота, пробиваясь между ними, или же будут отскакивать от них в разные стороны?

Если альфа-частицам нужно будет как-то пробираться через гущу атомов золота, то им, естественно, придется претерпевать множество столкновений с ними, сотни и тысячи раз менять свое направление. И как следствие альфа-частицы будут рассеиваться, т. е. вылетать из золотого листка по самым различным направлениям.

На деле оказалось совсем не так. Подавляющая часть альфа-частиц проходила сквозь металл, почти не отклоняясь от прямолинейного пути, и лишь немногие отклонялись на большие углы, а иногда даже отскакивали назад.

Вспоминая через 20 лет об этих своих первых опытах, Резерфорд говорил: «Это было, пожалуй, самое невероятное явление, которое когда-либо встречалось в моей жизни. Оно было почти таким же невероятным, как если бы вы обстреливали 15-дюймовыми снарядами лист самой тонкой бумаги, а они отскакивали бы обратно и попадали в вас. После размышления над этим обстоятельством я убедился, что это обратное рассеивание могло быть результатом только прямого попадания. Но когда я произвел нужные расчеты, то увидел, что полученный результат по величине тоже невероятен, за исключением того единственного случая, когда вы имеете дело с системой, в которой большая часть массы атома сконцентрирована в ничтожно малом ядре».

Электрометр

Электрометр -- прибор, позволяющий измерить электрический заряд, впервые был построен русским академиком Г.В. Рихманом, другом М.В. Ломоносова.

Об устройстве этого электрометра Рихман писал: «Указатель «электричества» (рис. 88) представляет собой вертикально расположенную металлическую линейку длиной около 52 см и массой около 615 г, к которой подводится электрический заряд от электрической машины. К линейке прикрепляется льняная нить длиной около 61 см и массой около 45 мг. Угол отклонения нити фактически позволяет измерить электрическую силу».

Громоотвод

1780 г. Небольшой городок Сент-Оморе во Франции. Один из жителей установил на своем доме громоотвод. Его соседи были так напуганы и возмущены этим фактом, что возбудили судебное дело против владельца громоотвода. Процесс длился около четырех лет и наделал много шума. Интересно отметить, что в качестве защитника на суде выступал М. Робеспьер, в то время еще молодой адвокат. Одним из экспертов со стороны истца был Марат, известный ученый и публицист, а впоследствии выдающийся деятель французской революции. Марат считал громоотвод опасной затеей и был против его установки. После долгой борьбы М. Робеспьер выиграл процесс.

электричество заряд прибор лампа

Законы электрического тока

Опыты Гальвани

В конце 1780 г. профессор анатомии в Болонье Л. Гальвани занимался в своей лаборатории изучением нервной системы отпрепарированных лягушек.

Совершенно случайно получилось так, что в той же комнате работал его приятель-физик, производивший опыты с электричеством. Одну из препарированных лягушек Гальвани положил на стол, на котором стояла электрическая машина.

В это время в комнату вошла жена Гальвани. Ее взору предстала жуткая картина: при искрах в электрической машине лапки мертвой лягушки, прикасавшиеся к железному предмету (скальпелю), дергались. Жена Гальвани с ужасом указала на это мужу.

Столкнувшись с необъясненным явлением, Гальвани счел за лучшее детально исследовать его на опыте. «Я считал, что сделаю нечто ценное,-- писал Гальвани,-- если кратко и точно изложу историю моих открытий в таком порядке и расположении, в каком мне их доставил отчасти случай и счастливая судьба, отчасти трудолюбие и прилежание. Я сделаю то, чтобы дать как бы факел в руки тех, кто пожелает пойти по тому же пути исследования».

Последуем же за Гальвани в его опытах.

«Я разрезал лягушку и положил ее без всякого умысла на стол, где на некотором расстоянии стояла электрическая машина. Случайно один из моих ассистентов дотронулся до нерва лягушки скальпелем и в тот же момент мускулы лапки содрогнулись как бы в конвульсиях.

Другой ассистент, обыкновенно помогавший мне в опытах по электричеству, заметил, что явление это происходило лишь тогда, когда из машины извлекалась искра.

Пораженный новым явлением, я тотчас же обратил на него внимание, хотя замышлял в этот момент совсем иное и был всецело поглощен своими мыслями. Меня охватила неимоверная жажда и рвение исследовать это и пролить свет на то, что было под этим скрыто».

Гальвани решил, что все дело в электрических искрах. Чтобы получить более сильный эффект, он во время грозы вывесил на балкон несколько отпрепарированных лягушачьих лапок на медных проволочках. Однако молнии - гигантские электрические разряды никак не повлияли на поведение отпрепарированных лягушек. Что не удалось молнии, сделал ветер. При порывах ветра лягушачьи лапки раскачивались и иногда касались железных прутьев балкона. Как только это случалось, лапки дергались. Гальвани, однако, отнес явление все-таки на счет грозовых электрических разрядов.

«После успешных опытов во время грозы я пожелал,-- пишет Гальвани, -- обнаружить действие атмосферного электричества в ясную погоду. Поводом для этого послужило наблюдение, сделанное мною над заготовленными лапками лягушки, которые, зацепленные медным крючком, были подвешены на железную решетку забора моего сада: лапки содрогались не только во время грозы, но и тогда, когда небо было совершенно ясно. Подозревая, что эти явления происходят вследствие изменения атмосферы в течение дня, я предпринял опыты.

Когда я производил опыт под открытым небом, я был склонен принять теорию, что сокращения возникают вследствие атмосферного электричества, которое, постепенно проникнув в животное и собравшись в нем, неожиданно разряжалось, когда крючок приходил в соприкосновение с железными перилами.

Но, однако, в продолжение ряда дней в различные часы я наблюдал подвешенную на заборе лапку, но не обнаружил каких-либо движений в ее мускулах.

Когда же я перенес лягушку в комнату, положил на железную дощечку и прижал медный крючок к дощечке, те же самые спазматические содрогания были налицо.

Так легко обманываем мы себя при опытах и думаем, что действительно видели то, что желаем видеть.

Я производил опыт с разными металлами в различные часы дня в разных местах -- результат был один и тот же, разница была в том, что содрогания были более сильные при одних металлах, чем при других.

Затем я испытал различные тела, которые не являются проводником электричества, например, стекло, смолу, резину, камень и сухое дерево.

Явлений не было.

Это было несколько неожиданно и заставило меня предположить, что электричество находится внутри животного...»

Эта длинная цитата -- интересная иллюстрация творческого метода Гальвани. Он провел, по сути дела, все эксперименты, чтобы получить правильные выводы. Отдадим дань его умению ставить эксперименты. Он показал, что для эффекта необходимы металлы, что при наличии тел, не являющихся проводниками электричества, никакого эффекта нет, наконец, он показал даже, что разные металлы дают разную степень эффекта.

Но правильного вывода Гальвани не сумел сделать. Будучи врачом, а не физиком, он видел причину в так называемом «животном электричестве». Свою теорию Гальвани подтверждал ссылкой на известные случаи разрядов, которые способны производить некоторые живые существа, например «электрические рыбы».

Вольтов столб

Итальянский физик Алессандро Вольта подробно ознакомился с трактатом Гальвани «Об электрических силах в мускуле» и был потрясен. Он перечитал трактат и нашел в нем то, что ускользнуло от внимания самого автора,-- упоминание о том, что эффект содрогания лапок наблюдался лишь тогда, когда лапок касались двумя различными металлами. Вольта решил поставить видоизмененный опыт, но не на лягушке, а на самом себе.

«Признаюсь,-- писал он,-- я с неверием и очень малой надеждой на успех приступил к первым опытам: такими невероятными казались они мне, такими далекими от всего, что нам доселе известно было об электричестве...»

Вольта брал две монеты, обязательно из разных металлов, и клал их себе в рот -- одну на язык, другую под язык. Когда он соединял монеты проволокой, то чувствовал солоноватый вкус. Из опытов, проведенных раньше, Вольта знал, что такой вкус вызывается электричеством.

Поставив друг на друга свыше ста металлических (цинк и серебро) кружков, разделенных бумагой, смоченной соленой водой, Вольта получил довольно мощный источник электричества -- Вольтов столб.

Присоединив к верхнему и нижнему концам столба проводники и взяв их в рот, Вольта убедился, что источник действует продолжительное время.

Вслед за этим Вольта изобрел электрическую батарею, состоявшую из многих последовательно соединенных цинковых и медных пластин, опущенных попарно в сосуды с разбавленной кислотой. Этот источник электрической энергии по тем временам был достаточно мощным: с его помощью можно было привести в действие электрический звонок. Он получил название «короны сосудов».

20 марта 1800 г. Вольта сообщил о своих исследованиях Лондонскому королевскому обществу (так называлась Английская академия наук). Можно считать, что с этого дня источники постоянного электрического тока -- Вольтов столб и батарея - стали известны многим физикам и нашли широкое применение.

Гальванический элемент

Любителям научных курьезов можно сообщить рецепт изготовления гальванического элемента из лимона, описанный еще в 1909 г. в журнале «Природа и люди» (№28). Острым ножом разрежьте лимон, стараясь не снимать и не разрывать тонких перегородок, которые делят лимон на гнезда. Затем в каждое гнездо воткните попеременно по кусочку (длиной 2 см) медной и цинковой проволоки и соедините их концы последовательно тонкой проволокой. У вас получится маленькая гальваническая батарея, дающая ток, хотя и очень слабый, но оказывающий некоторое физиологическое действие.

Простейший гальванический элемент можно устроить и так. Налейте в стакан крепкий раствор уксуса, нашатыря или поваренной соли и опустите в него медную и цинковую пластинки, причем они не должны касаться друг друга. Можно использовать медную монету и цинковую пластинку, вырезанную из корпуса старой батарейки. Между этими электродами надо положить кусок промокательной бумаги, смоченной раствором поваренной соли.

Проверить наличие тока можно при помощи чувствительного электроизмерительного прибора -- гальванометра.

Один провод, идущий от гальванометра, подключите к цинковой пластинке, а вторым несколько раз притроньтесь к медной пластинке или монете -- стрелка отклонится, что свидетельствует о наличии тока.

Модель гальванометра можно изготовить, используя электрический конструктор.

Возьмите подставку для магнитной стрелки. В прорези подставки установите бескаркасную катушку. На острие подставки укрепите шкалу гальванометра (шкалу вырежьте из листа бумаги и наклейте на картон) и установите магнитную стрелку. Бескаркасную катушку вместе с подставкой расположите так, чтобы под действием магнитного поля Земли стрелка находилась в плоскости витков катушки.

При пропускании по обмотке катушки электрического тока стрелка в зависимости от направления тока будет отклоняться вправо или влево.

Из истории создания электрической лампы

Мы видим ее всюду -- у себя дома и в поезде, на улице и в трамвае, на заводе и в театре, в шахте и в самолете. Трудно перечислить все случаи применения этой лампы. Электрическое освещение стало для нас обычным. Однако было время -- чуть более ста лет назад, -- когда об электрическом свете, о «свете без огня», мечтали лишь ученые. Много труда затратили они, чтобы создать такую электрическую лампу, какой мы ее знаем теперь.

Большой вклад в дело создания «нового света» внесли наши соотечественники -- русские электротехники прошлого века В.В. Петров, В.Н. Чиколев, П.Н. Яблочков, А.Н. Лодыгин и др.

Дуга Петрова

В начале XIX в. русский физик и электротехник Василий Владимирович Петров сделал открытие, которое позволило использовать электрическую энергию для освещения.

В книге, вышедшей в 1803 г., В.В. Петров так описал свое замечательное открытие:

«Если на стеклянную плитку или на скамеечку со стеклянными ножками будут положены два или три древесных угля и если потом металлическими изолированными направителями, сообщенными с обоими полюсами огромной батареи, приближать оные (т. е. угли) один к другому на расстояние от одной до трех линий (т. е. примерно от двух до шести миллиметров), то является между ними весьма яркий белого цвета свет или пламя, от которого оные угли скорее или медлительнее загораются и от которого темный покой довольно ясно освещен быть может».

Пламя имело форму дуги (Поэтому явление получило название электрической дуги (дуги Петрова).

Ученый отмечает, что жар электрической дуги очень силен. В пламени дуги «сгорают» даже железные гвозди и медные пластинки. Это и не удивительно: теперь мы знаем, что температура в пламени дуги Петрова достигает 3500°С.

Что же является причиной возникновения электрической дуги?

Вы знаете, что различные вещества по-разному проводят электрический ток, т. е. обладают различным сопротивлением.

Чтобы зажечь электрическую дугу, угольные стержни сближают. В момент их соприкосновения в цепи начинает течь электрический ток. Причем в месте контакта углей ток встречает сопротивление значительно большее, чем в самих углях. Поэтому концы углей в месте контакта сильно разогреваются и начинают испускать свет. От разогретых до белого каления концов нагревается и окружающий их воздух. Кроме того, такие угли начинают выделять раскаленные газы. Теперь, если слегка раздвинуть угли, электрический ток, идущий через них, не прекратится: раскаленные газы между углями начинают проводить ток. Так между раздвинутыми углями возникает непрерывный ток -- светящаяся электрическая дуга.

Изобретением В.В. Петрова заинтересовались очень многие. В самом деле, ведь им был открыт совершенно новый источник света! Электрическая дуга давала невиданно яркий, белый свет. Как заманчиво было использовать ее для освещения!

Однако осуществить эту мысль на практике оказалось не так легко. Дело в том, что для получения электрической дуги требуется большая сила тока, а существовавшие в то время источники электрического тока -- батареи гальванических элементов - давали, как правило, слабый ток.

Было и другое затруднение. При горении дуги угольные стержни постепенно сгорают, и расстояние между ними увеличивается. Наконец наступает момент, когда дуга внезапно гаснет: электрический ток между углями прерывается. Таким образом, чтобы получить постоянное горение дуги, необходимо поддерживать одно и то же расстояние между углями, сдвигать их по мере сгорания.

Как это делать?

Сдвигать угли просто руками неудобно и невыгодно: для этого у каждой лампы должен постоянно находиться человек. Нужно придумать какие-то механизмы, которые автоматически поддерживали бы необходимое расстояние между углями. Изобретатели предлагали различные регуляторы «дуговых электрических фонарей» (так были названы новые лампы, в которых свет давала электрическая дуга). Однако все эти регуляторы были неудобны для практического применения, и дуговые электрические лампы мало где использовались. Только в отдельных случаях - на маяках, на каких-либо празднествах или в физической лаборатории ученого -- можно было увидеть лампу нового света.

Лишь через 70 лет известный русский электротехник В.Н. Чиколев построил удобное и четко действующее приспособление для автоматической регулировки угольных стержней дуговых ламп. Однако дуговые лампы и после этого не получили широкого распространения: лампа с механическим регулятором стоила очень дорого.

Русский свет

В 1876 г. в Лондоне на выставке точных физических приборов русский изобретатель Павел Николаевич Яблочков демонстрировал перед посетителями необыкновенную электрическую свечу. Похожая по форме на обычную стеариновую свечу, она горела ослепительно ярким светом. В том же году «свечи Яблочкова» появились на улицах Парижа Помещенные в белые матовые шары, они давали яркий приятный свет. В короткое время чудесная свеча завоевала всеобщее признание. «Свечами Яблочкова» освещались лучшие гостиницы, улицы и парки крупнейших городов Европы.

Привыкшие к тусклому свету свечей и керосиновых ламп, люди прошлого века восхищались «свечами Яблочкова». Новый свет называли «русским светом», «северным светом». Газеты западноевропейских стран писали: «Свет приходит к нам с севера -- из России», «Россия -- родина света».

Что же представляет собой «свеча Яблочкова»? По существу, это та же дуговая лампа, но у нее нет никаких регуляторов. «Мое изобретение,-- писал Яблочков,-- состоит в совершенном удалении всякого механизма, обыкновенно встречающегося в электрических лампах...»

Задачу регулировки углей при горении лампы Яблочков решил гениально просто. Он поместил угли не против друг друга, а рядом, на таком расстоянии, чтобы между ними при пропускании тока возникала дуга. Чтобы дуга горела только вверху, у концов угольные стержни были разделены слоем, не проводящим электричество, например слоем глины или гипса.

Такое устройство дуговой лампы действительно напоминает собой обыкновенную свечу . Для запала «свечи» применялась тонкая пластинка из материала, плохо проводящего электрический ток. Эта пластинка соединяла друг с другом верхние концы углей. При пропускании электрического тока через «свечу» пластинка сгорала и между концами углей возникала дуга. По мере сгорания углей изолирующий слой между ними постепенно испарялся. Угли же за время горения находились на одном и том же расстоянии друг от друга. Их не нужно было сдвигать ни вручную, ни с помощью каких-либо сложных приспособлений!

«Электрическая свеча Яблочкова», простая и дешевая, горела ярким ровным светом.

Знаменитый изобретатель неустанно работал над усовершенствованием своих «свечей». Изменяя химический состав изолирующей массы, Яблочков создавал лампы со светом различных оттенков. Он соединял несколько «свечей» так, что, когда гасла одна, автоматически загоралась другая. Он конструировал самые различные по силе света лампы.

Но это было не все. Совершенствуя свое изобретение, П.Н. Яблочков старался избавиться от одного существенного недостатка. Дело в том, что при работе на постоянном токе один уголь «свечи» сгорает вдвое быстрее, чем другой. Чтобы избежать неравномерного сгорания углей, Яблочков один из стержней делает более толстым. Однако это не так удобно и невыгодно. Изобретатель упорно ищет другое решение задачи. И находит его. Он использует для питания «свечей» не постоянный, а переменный ток. В этом случае оба угля сгорают равномерно. Таким образом, П.Н. Яблочков -- первый человек, практически применивший переменный ток в электротехнике! До его работ считалось, что переменный ток не годится для широкого практического применения.

Кроме того, он решил задачу так называемого «дробления электрического света». Яблочков разработал такую схему соединения дуговых ламп в цепь, при которой один источник тока мог обслужить уже не одну, а большее число ламп. Это достигалось с помощью особых индукционных катушек, работающих по принципу трансформатора (устройства, понижающего и повышающего напряжение электрического тока).

Таким образом, П.Н. Яблочковым впервые был применен в электротехнике и принцип трансформации электрической энергии.

К 1880 г. «русский свет» освещал многие города мира.

В России «электрические свечи» освещали улицы Москвы, Петербурга, Нижнего Новгорода, Полтавы и других городов.

Угольная лампа накаливания

В начале 70-х гг. XIX в. Александр Николаевич Лодыгин создал новые электрические лампы -- лампы накаливания, те самые, которые уже к началу нашего века завоевали весь мир. Так, у «свечей Яблочкова», кроме старых соперников -- газовых рожков,-- появился новый.

«Свечи Яблочкова» не выдержали соперничества и очень скоро начали повсеместно гаснуть. И хотя в наши дни «электрическая свеча Яблочкова» является уже достоянием истории, мы не должны забывать, что именно работы русского изобретателя П.Н. Яблочкова дали электрическому свету путевку в жизнь. «Электрической свече» мы, бесспорно, обязаны тем, что удалось ввести электрический свет в повседневный обиход.

Уже давно, с самого начала XIX в., было известно, что электрический ток, проходя по проводнику, нагревает его.

Если сила тока большая, то проводник нагреется до температуры белого каления и даже может расплавиться. Это действие электрического тока и было использовано изобретателями новых электрических ламп -- ламп накаливания.

Однако изготовить электрические лампы накаливания, которые давали бы достаточно яркий свет и в то же время работали продолжительное время, оказалось делом нелегким. Основная причина этого заключалась в том, что тонкие металлические проволочки, как правило, очень быстро плавились, как только их разогревали до необходимой температуры. Кроме того, раскаленные металлические нити окислялись в воздухе ив силу этого быстро «перегорали».