Основные характеристики электрического тока, его закономерности и особенности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Современная жизнь немыслима без радио, телевидения, телефонов, всевозможных осветительных и нагревательных приборов, машин и устройств, в основе которых лежит возможность использования электрического тока.

Открытие электрического тока и всех последующих открытий, связанных с ним, можно отнести к концу XIX- началу XX веков. В это время по Европе, и в том числе России, прокатилась волна открытий, связанных с электричеством. Пошла цепная реакция, когда одно открытие открывало дорогу для последующих открытий на многие десятилетия вперёд.

Начинается внедрение электричества во все отрасли производства. Появляются первые электрические двигатели, телефоны, телеграфы, радио, электронагревательные приборы, начинается изучение электромагнитных волн и влияние их на различные материалы, внедрение электричества в медицину.

Удивительный XIX век, заложивший основы научно-технической революции, так изменившей мир, начался с гальванического элемента - первой батарейки, химического источника тока(вольтова столба). Этим чрезвычайно важным изобретением итальянский учёный А. Вольта встретил новый 1800 год. Вольтов столб позволил вести систематическое изучение электрических токов и находить им практическое применение.

В XIX веке электротехника выделилась из физики в самостоятельную науку. Над закладкой её фундамента трудилась целая плеяда ученых и изобретателей. Датчанин Х. Эрстед, француз А. Ампер, немцы Г. Ом и Г. Герц, англичане М. Фарадей и Д. Максвел, американцы Д. Генри и Т. Эдисон - эти имена мы встречаем в учебниках физики.

XIX век щедро одарил человечество изобретениями и открытиями в области технических средств коммуникации. В 1832 году член-корреспондент Петербургской Академии наук Павел Львович Шиллинг в присутствии императора продемонстрировал работу изобретённого им электромагнитного телеграфа, чем положил начало проводной связи. В 1876 году Александр Белл изобрёл телефон. В 1859 году братья Луи и Огюст Люмьеры дали первый киносеанс в Париже, а Александр Степанович Попов в Петербурге публично демонстрировал передачу и приём электрических сигналов по радио.

Не зря XIX век назвали веком электричества. В 1867 году Зеноб Грамм (Бельгия) построил надёжный и удобный в эксплуатации электромашинный генератор, позволяющий получать дешевую электроэнергию, и химические источники отошли на второй план. А в 1878 году на улицах Парижа вспыхнул ослепительный “русский свет” - дуговые лампы конструкции Павла Николаевича Яблочкова. Закачались стрелки на приборах первых электростанций.

Возможности электричества поражали: передача энергии и разнообразных электрических сигналов на большие расстояния, превращение электрической энергии в механическую, тепловую, световую…

1. Исторический обзор темы

До 1650 года - времени, когда в Европе пробудился большой интерес к электричеству, - не было известно способа легко получать большие электрические заряды. С ростом числа ученых, заинтересовавшихся исследованиями электричества, можно было ожидать создания все более простых и эффективных способов получения электрических зарядов.

Отто фон Герике придумал первую электрическую машину. Он налил расплавленную серу внутрь полого стеклянного шара, а затем, когда сера затвердела, разбил стекло, не догадываясь о том, что сам стеклянный шар с неменьшим успехом мог бы послужить его целям. Затем Герике укрепил серный шар так, чтобы его можно было вращать рукояткой. Для получения заряда надо было одной рукой вращать шар, а другой - прижимать к нему кусок кожи. Трение поднимало потенциал шара до величины, достаточной, чтобы получать искры длиной в несколько сантиметров.

Эта машина оказала большую помощь в экспериментальном изучении электричества, но еще более трудные задачи “хранения” и “запасания” электрических зарядов удалось решить лишь благодаря последующему прогрессу физики. Дело в том, что мощные заряды, которые можно было создавать на телах с помощью электростатической машины Герике, быстро исчезали. Вначале думали, что причиной является “испарение” зарядов. Для предотвращения “испарения” зарядов было предложено заключить заряженные тела в закрытые сосуды, сделанные из изолирующего материала. Естественно, в качестве таких сосудов были выбраны стеклянные бутылки, а в качестве электризуемого материала - вода, поскольку ее было легко наливать в бутылки. Чтобы можно было зарядить воду, не открывая бутылку, сквозь пробку был пропущен гвоздь. Замысел был хорош, но по причинам, в то время непонятным, прибор работал не столь уж удачно. В результате интенсивных экспериментов вскоре было открыто, что запасенный заряд и силу электрического удара можно резко увеличить, если бутылку изнутри и снаружи покрыть проводящим материалом, например тонкими листами фольги. Более того, если соединить гвоздь с помощью хорошего проводника со слоем металла внутри бутылки, то оказалось, что можно вообще обойтись без воды. Это новое “хранилище” электричества было изобретено в 1745 году в голландском городе Лейдене и получило название лейденской банки.

Первый, кто открыл иную возможность получения электричества, нежели с помощью электризации трением, был итальянский ученый Луиджи Гальвани (1737-1798). Он был по специальности биолог, но работал в лаборатории, где проводились опыты с электричеством. Гальвани наблюдал явление, которое было известно многим еще до него; оно заключалось в том, что если ножной нерв мертвой лягушки возбудить искрой от электрической машины, то начинала сокращаться вся лапка. Но однажды Гальвани заметил, что лапка пришла в движение, когда с нервом лапки соприкасался только стальной скальпель. Удивительнее всего было то, что между электрической машиной и скальпелем не было никакого контакта. Это поразительное открытие заставило Гальвани поставить ряд опытов для обнаружения причины электрического тока. Один из экспериментов был поставлен Гальвани с целью выяснить, вызывает ли такие же движения в лапке электричество молнии. Для этого Гальвани подвесил на латунных крючках несколько лягушачьих лапок в окне, закрытом железной решеткой. И он нашел, в противоположность своим ожиданиям, что сокращения лапок происходят в любое время, вне всякой зависимости от состояния погоды. Присутствие рядом электрической машины или другого источника электричества оказалось не нужным. Гальвани установил далее, что вместо железа и латуни можно использовать любые два разнородных металла, причем комбинация меди и цинка вызывала явление в наиболее отчетливом виде. Стекло, резина, смола, камень и сухое дерево вообще не давали никакого эффекта. Таким образом, возникновение тока все еще оставалось тайной. Где же появляется ток - только в тканях тела лягушки, только в разнородных металлах или же в комбинации металлов и тканей? К сожалению, Гальвани пришел к заключению, что ток возникает исключительно в тканях тела лягушки. В результате его современникам понятие “животного электричества” стало казаться гораздо более реальным, чем электричества какого-либо другого происхождения.

Другой итальянский ученый Алессандро Вольта (1745-1827) окончательно доказал, что если поместить лягушачьи лапки в водные растворы некоторых веществ, то в тканях лягушки гальванический ток не возникает. В частности, это имело место для ключевой или вообще чистой воды; этот ток появляется при добавлении к воде кислот, солей или щелочей. По-видимому, наибольший ток возникал в комбинации меди и цинка, помещенных в разбавленный раствор серной кислоты. Комбинация двух пластин из разнородных металлов, погруженных в водный раствор щелочи, кислоты или соли, называется гальваническим элементом.

Если бы средствами для получения ЭДС служили только трение и химические процессы в гальванических элементах, то стоимость электрической энергии, необходимой для работы различных машин, была бы исключительно высокой. В результате огромного количества экспериментов учёными разных стран были сделаны открытия, позволившие создать механические электрические машины, вырабатывающие относительно дешёвую электроэнергию.

В начале 19 века Ганс Христиан Эрстед сделал открытие совершенно нового электрического явления, заключавшегося в том, что при прохождении тока через проводник вокруг него образуется магнитное поле. Спустя несколько лет, в 1831 году, Фарадей сделал ещё одно открытие, равное по своей значимости открытию Эрстеда. Фарадей обнаружил, что когда движущийся проводник пересекает силовые линии магнитного поля, в проводнике наводится ЭДС, вызывающая ток в цепи, в которую входит этот проводник. Наведённая ЭДС меняется прямо пропорционально скорости движения, числу проводников, а также напряжённости магнитного поля. Иначе говоря, наведённая ЭДС прямо пропорциональна числу силовых линий, пересекаемых проводником в единицу времени. Когда проводник пересекает 100000000 силовых линий за 1 сек, наведённая ЭДС равна 1 Вольту. Перемещая вручную одиночный проводник или проволочную катушку в магнитном поле, больших токов получить нельзя. Более эффективным способом является намотка провода на большую катушку или изготовление катушки в виде барабана. Катушку затем насаживают на вал, располагаемый между полюсами магнита и вращаемый силой воды или пара. Так и устроен генератор электрического тока, который относится к механическим источникам электрического тока. Солнечную энергию люди используют с древнейших времён. Ещё в 212 г. до н. э. с помощью концентрированных солнечных лучей они зажигали священный огонь у храмов. Согласно легенде приблизительно в то же время греческий учёный Архимед при защите родного города поджёг паруса кораблей римского флота.

Солнце представляет собой удалённый от Земли на расстояние 149,6 млн. км термоядерный реактор, излучающий энергию, которая поступает на Землю главным образом в виде электромагнитного излучения. Наибольшая часть энергии излучения Солнца сосредоточена в видимой и инфракрасной части спектра. Солнечная радиация - это неисчерпаемый возобновляемый источник экологически чистой энергии. Без ущерба для экологической среды может быть использовано 1,5 % всей солнечной энергии, т.е. 1,62·10¹⁶ кВт\ч в год, что эквивалентно огромному количеству условного топлива - 2·10¹² т. Усилия конструкторов идут по пути использования фотоэлементов для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую. Фотопреобразователи (солнечные батареи) состоят из ряда фотоэлементов, соединенных последовательно или параллельно. Элементы, применяемые в солнечных батареях, должны обладать большим КПД, выгодной спектральной характеристикой, малой стоимостью, простой конструкцией и небольшой массой. К сожалению, только немногие из известных на сегодня фотоэлементов отвечают хотя бы частично этим требованиям. Это, прежде всего, некоторые виды полупроводниковых фотоэлементов. Простейший из них - селеновый. Основой солнечных батарей являются кремниевые фотопреобразователи, имеющие вид круглых или прямоугольных пластин толщиной 0,7-1 мм и площадью до 5-8 кв.см. Опыт показал, что хорошие результаты дают небольшие элементы, площадью около 1 кв. см., имеющие КПД около 10%. Созданы также фотоэлементы из полупроводниковых металлов с теоретическим КПД 18%. Кстати, практический КПД фотоэлектрических преобразователей (около 10%) превышает КПД паровоза (8%), КПД солнечной энергии в растительном мире (1%), а также КПД многих гидротехнических и ветровых устройств.

Фотоэлектрические преобразователи имеют практически неограниченную долговечность. Для сравнения: КПД ТЭЦ - 20-30, КПД термоэлектрического преобразователя - 6 - 8, КПД селенового фотоэлемента - 0,1 - 1, солнечной батареи - 6 - 11, топливного элемента - 70, свинцового аккумулятора - 80 - 90.

В 1989 г. фирмой «Боинг» (США) создан двухслойный фотоэлемент, состоящий из двух полупроводников - арсенида и антимонида галлия - с коэффициентом преобразования солнечной энергии в электрическую, равным 37%, что вполне сопоставимо с КПД современных тепловых и атомных электростанций. Недавно удалось доказать, что фотоэлектрический метод преобразования солнечной энергии теоретически позволяет использовать энергию Солнца с КПД, достигающим 93%! А ведь считалось, что максимальный верхний предел КПД солнечных элементов составляет не более 26%, т.е. значительно ниже КПД высокотемпературных тепловых машин.

Солнечные батареи пока используются в основном в космосе, а на Земле только для электроснабжения автономных потребителей мощностью до 1 кВт, питания радионавигационной и маломощной радиоэлектронной аппаратуры, привода экспериментальных электромобилей и самолётов. По мере совершенствования солнечных батарей они будут находить применение в жилых домах для автономного энергоснабжения, т.е. отопления и горячего водоснабжения, а также для выработки электроэнергии для освещения и питания бытовых электроприборов.

2. Биографии ученых

Ампер Андре Мари - французский физик и математик родился 22 января 1775 в Полемье близ Лиона в аристократической семье. Получил домашнее образование. С 14 лет, прочитав энциклопедию Д. Дидро и Ж.Д' Аламбера, увлекся естественными науками и математикой, изучал математические труды Л. Эйлера, Ж. Лагранжа и Бернулли, а в 18 лет - Небесную механику П. Лапласа и Аналитическую механику Ж. Лагранжа.

С 1796 Ампер давал уроки в Лионе по математике, химии и языкам. В 1801 получил место преподавателя физики и химии в Центральной школе в Бур-ан-Бресе. В 1804 после издания работы «Размышления о математической теории игр»и завершения серии экспериментов с электрическими машинами Ампер поступил на работу в Лионский лицей, а через год получил приглашение читать лекции по математике в Политехнической школе в Париже. В 1809 Ампер стал профессором Политехнической школы, а в 1814 был избран членом Академии наук. Тогда же ученый приступил к исследованиям связи между электричеством и магнетизмом (электродинамики).

11 сентября 1820 Ампер присутствовал на заседании Академии, где сообщалось об открытии Х. Эрстедом действия электрического тока на магнитную стрелку. Проведя соответствующие эксперименты, ученый уже через несколько дней представил Академии первые, полученные им важные результаты: он сформулировал правило для определения направления, в котором отклоняется стрелка вблизи проводника с током (правило Ампера), закон взаимодействия электрических токов (закон Ампера). Впоследствии разработал теорию магнетизма, согласно которой в основе всех магнитных взаимодействий лежат круговые молекулярные токи (теорема Ампера). Таким образом, он впервые указал на тесную связь между электрическими и магнитными процессами. В 1822 Ампер открыл магнитный эффект катушки с током - соленоида.

Умер Ампер в Марселе 10 июня 1836.

Вольта Алессандро - итальянский физик и физиолог родился 18 февраля 1745 в Комо близ Милана. Образование получил в школе ордена иезуитов в Комо, где обнаружил способности к риторике и проявил интерес к естественным наукам. В 24 года опубликовал первую научную работу, она была посвящена теории лейденской банки. В 1774-1779 преподавал физику в гимназии в Комо. К этому времени относятся его исследования по химии и изготовление ряда физических и химических приборов. Он изучал горючие газы, открыл «болотный газ» метан, сконструировал водородную лампу и эвдиометр. Но настоящую известность Вольте принесло изобретение электрофора - прибора, наглядно иллюстрирующего электризацию тел с помощью индукции, что позволило ему в 1779 занять место профессора в университете Павии. В 1784 он создал чувствительный электроскоп с соломинками, изобрел плоский конденсатор, обнаружил проводимость пламени. В 1815 стал ректором философского факультета Падуанского университета, в 1819 ушел в отставку.

В 1792, заинтересовавшись опытами Л. Гальвани с «животным» электричеством, Вольта решил проверить их результаты и очень скоро пришел к выводу, что наблюдаемый эффект имеет не физиологическую, а физическую природу. Он установил важность использования в качестве электродов разнородных металлов и поставил опыты с разными парами электродов. Оказалось, что физиологическое раздражение нервов тем сильнее, чем дальше стоят друг от друга два металла в следующем ряду: цинк, оловянная фольга, олово, свинец, железо, латунь и т.д. до серебра, ртути, графита. Этот знаменитый ряд напряжений Вольта и составлял ядро эффекта. Мышца лягушки была лишь пассивным, хотя и очень чувствительным электрометром, а активными звеньями являлись металлы, от контакта которых и происходила их взаимная электризация. Пытаясь повысить контактное напряжение, Вольта строил цепи из разных металлов, что привело его к изобретению, произведшему революцию в науке об электричестве: в 1800 он сконструировал первый источник постоянного тока - «вольтов столб». Устройство состояло из 20 пар медных и цинковых кружочков, которые были разделены суконными прокладками, смоченными соленой водой. В 1801 Вольта был приглашен во Францию для демонстрации «столба», был награжден золотой медалью и получил титул графа. Именем Вольты названа единица напряжения.

Умер Вольта в Комо 5 марта 1827.

Кулон Шарль Огюстен - французский физик и инженер, родился 14 июля 1736 в Ангулеме в семье чиновника. Окончил военно-инженерную школу в Мезьере, затем работал на о.Мартиника, где руководил строительством крупного форта. По возвращении в 1772 во Францию продолжал исполнять обязанности офицера военно-инженерного корпуса, уделяя все больше времени научным исследованиям в области технической механики. Многие методы решения задач строительной механики, предложенные Кулоном, способствовали прогрессу этой отрасли знаний в 18-19 вв. Большое практическое значение имели и фундаментальные работы Кулона, посвященные внешнему трению. Кулон поставил большое число опытов по определению зависимости силы трения покоя и силы трения скольжения от нормального давления, площади тел, состояния их поверхности, относительной скорости движения и т.д. Опыты проводились в условиях, близких к реализующимся на практике, что позволяло использовать их результаты для решения технических задач. За работы по внешнему трению Кулон в 1781 получил премию Парижской академии наук, был избран ее членом и переехал в Париж. В 1780-е годы занимался исследованием кручения тонких металлических нитей, изобрел знаменитые крутильные весы - прибор для измерения малых сил, обладавший уникальной для того времени чувствительностью. Этот прибор стал основным инструментом в цикле работ Кулона по электричеству и магнетизму, выполненных в 1785-1789. В этом цикле, были установлены важнейшие количественные закономерности электро- и магнитостатики (закон Кулона); было показано, что электрические заряды всегда располагаются на поверхности проводника; были введены понятия магнитного момента и поляризации зарядов. Именем ученого названа единица количества электричества.

Революционные события 1789 заставили Кулона прервать исследования и покинуть Париж. После возвращения в столицу и избрания членом Института Франции, заменившего Королевскую Академию, он почти перестал заниматься наукой и посвятил себя совершенствованию системы образования во Франции.

Умер Кулон в Париже 28 августа 1806.

Ленц Эмилий Христианович (1804-1865)- знаменитый русский физик, академик, профессор Петербургского университета, родился 24 февраля 1804 года в Дерпте. В 1820 году он окончил гимназию и поступил в Дерптский университет. Самостоятельную научную деятельность Ленц начал в качестве физика в кругосветной экспедиции на шлюпе "Предприятие" (1823-1826). В 1827 году он выполнил обработку полученных данных и проанализировал их. В феврале 1828 года Ленц представил в Академию наук доклад "Физические наблюдения, произведенные во время кругосветного путешествия под командованием капитана Отто фон Коцебу в 1823, 1824, 1825 и 1826 гг.". За этот труд в мае 1828 года Ленц был избран адъюнктом Академии по физике.

В 1829-1830 годах Ленц занимался геофизическими исследованиями в южных районах России, а в июле 1829 года он участвовал в первом восхождении на Эльбрус и определил высоту этой горы.

Начиная с 1831 и по 1836 год он занимался изучением электромагнетизма. Ленц открыл закон, определивший направление индуцируемого тока (правило Ленца). 29 ноября 1833 году это открытие было доложено Академии наук. В 1834 году Ленца избрали ординарным академиком по физике.

В 1836 году Ленц был приглашен в Петербургский университет, где возглавил кафедру физики и физической географии. В 1840 году он был избран деканом физико-математического факультета, а в 1863 году - ректором. В 1839 году он составил "Руководство к физике" для русских гимназий, выдержавшее одиннадцать изданий.

В 1842 году Ленц открыл независимо от Джеймса Джоуля закон, согласно которому количество тепла, выделяющегося при прохождении электрического тока, прямо пропорционально квадрату силы тока сопротивлению проводника и времени. Совместно с Якоби Ленц разработал методы расчета электромагнитов в электрических машинах, установил существование в последних "реакции якоря". Он изучал зависимость сопротивления металлов от температуры.

Русский ученый установил причину небольшого повышения температуры воды с глубиной в зоне к югу от 51 градуса южной широты и отметил, что подобная инверсия этой характеристики должна иметь место и в Северном Ледовитом океане. Ленц заключил, что наибольшая часть солнечной радиации поглощается Мировым океаном. Эта энергия расходуется в основном на испарение воды, вызывая ее кругообращение в эпиогеосфере. Поэтому океаны, огромные резервуары тепла и влаги, играют гигантскую роль в формировании климата Земли. Наряду с американским ученым М.Ф. Мори, он был основоположником учения о взаимодействии океана с атмосферой.

Умер Э.Х. Ленц 10 февраля 1865 года.

Ом Георг Симон - немецкий физик, родился 16 марта 1787 в Эрлангене в семье слесаря. Учился в Эрлангенском университете (1805-1806), преподавал математику и физику в различных гимназиях. Докторскую диссертацию защитил в Эрлангенском университете, и вскоре стал профессором Политехнической школы в Нюрнберге, Мюнхенского университета. Большинство открытий Ом сделал за 10-летний период своей работы в одной из школ Кёльна. В 1826 экспериментально открыл основной закон электрической цепи, связывающий между собой силу тока, напряжение и сопротивление. В математическом представлении закон Ома выражается простой формулой V = IR, где V - напряжение на концах проводника в неразветвленной цепи, I - сила тока, R - сопротивление проводника. Ом также показал, что сопротивление зависит от материала проводника, прямо пропорционально его длине и обратно пропорционально площади поперечного сечения. В 1827 попытался вывести закон из теоретических положений, исходя из аналогии между распространением электричества и теплоты. Ом сопоставил закон для электрического тока с законом для теплового потока, сформулированным Фурье, по аналогии с разностью температур ввел понятие «падения электрических напряжений». Ему принадлежат понятия «электродвижущая сила», «проводимость». В 1830 Ом выполнил первые измерения ЭДС источника тока.

Более поздние работы Ома посвящены акустике, в частности исследованию сложного состава звуков (наличия обертонов). В 1841 ученый был награжден медалью Копли, в 1842 стал членом Королевского общества.

Умер Ом в Мюнхене 7 июля 1854.

3. Электрические зарядов и их взаимодействие

Электризация тел -- возникновение в них электрического состояния. Почти всякое механическое действие об это тело или надавливание на него другого тела, скобление, раскалывание, сопровождается развитием электричества. Так же точно электризуются тела при многих химических действиях; некоторые вещества электризуются при отвердевании; некоторые соли сильно электризуются при своем выкристаллизовании из растворов; при трении жидкостей о твердые тела и даже при трении их о некоторые другие жидкости. Во всех приведенных случаях причиной электризации тел является контакт разнородных тел. Первый Александр Вольта своими опытами доказал, что при прикосновении друг с другом двух каких-либо проводящих электричество тел, но непременно отличающихся одно от другого по химическому составу, происходит электризация обоих этих тел, причем одно из них заряжается положительно, другое -- отрицательно. Количества двух этих электричеств, равны между собой. Вольта нашел, что металлы и твердые проводники, не подвергающиеся электролизу, могут быть расположены в последовательности так, что всякое тело при прикосновении с любым из тел, стоящих в этом ряду дальше, электризуется положительно и при прикосновении с любым из тел, ему предшествующих, электризуется отрицательно. Вольта дал следующий ряд тел:

+ цинк, свинец, олово, железо, медь, серебро, золото, уголь, графит, окись марганца.

Впоследствии, при исследовании более чистых химических металлов, их расположение оказалось несколько иным:

+ алюминий, цинк, олово, адмий, свинец, сурьма, висмут, нейзильбер, латунь, ртуть, железо, сталь, медь, серебро, золото, угли, уран, теллур, платина, палладий.

Если заменить выражение электрическое напряжение, являющегося в теле, выражением потенциал, то можно следующим образом сформулировать закон, который был найден Вольтом: при соприкосновении двух разнородных проводящих тел на них являются различные потенциалы, неодинаковые при различных условиях, но тем не менее такие, что разность между этими потенциалами получается всегда одна и та же, если только вещества и температура двух испытуемых тел остаются без изменения. Эта разность потенциалов не зависит от формы и размеров тел, а от величины поверхности соприкосновения и от электрического состояния, в котором находятся тела. Она определяется лишь природой тел и их температурой.

Закон сохранения электрического заряда.

При электризации тел выполняется закон сохранения электрического заряда: в замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов всех частиц остается неизменной (только для замкнутой системы):

q₁+q₂+q₃+…+q_n =const

Возникновение электризации тел при трении двух тел обязано контакту этих тел. При трении происходит лишь непрерывное изменение места прикосновения, вследствие чего и развивается большое количество электричества. Исследуя электризацию тел Гоген нашел возможным расположить металлы в ряд, причем этот ряд получился как у Вольта.

Интересные явления электризации тел наблюдаются в кристаллических телах. Еще в начале XVIII стол. было известно, что кристалл турмалина при нагревании или охлаждении является наэлектризованным на поверхности, причем на его концах наблюдается разноименное электричество. На концах турмалина знак электричества меняется в противоположный, как только вместо нагревания начинается охлаждение кристалла. Электричество, явившееся на поверхности кристалла при изменении его температуры, может вследствие дурной проводимости кристалла сохраняться на нем продолжительное время. Улучшение проводимости кристалла с увеличением температуры его дает возможность получить при нагревании этого кристалла электрический ток в проводнике, соединяющем две части поверхности кристалла. Термин "пироэлектричество" был введен в науку Брюстером. Замечено, что в некоторых кристаллах наблюдается развитие электричества не только при непосредственном нагревании или охлаждении их, но и при простом освещении лучами света. В довольно близкой связи с явлениями пироэлектричества находится другая категория явлений в кристаллах, а именно явления пьезоэлектричества, т.е. возбуждение в кристаллах электричества сжатием. И в пьезоэлектрических явлениях на распределение электричества по поверхности оказывает влияние строение кристалла.

Вполне отличными представляются случаи: 1) явления возбуждения электрического состояния в проводящих телах действием индукции в электрическом и магнитных полях, и 2) явление возбуждения электрического состояния проводящего тела при освещении этого тела лучами большой преломляемости (ультрафиолетовыми). Опыты показывают, что в любом проводящем теле являются одновременно два электричества, и положительное, как только это тело вносится в электрическое поле. Это явление электризации тел носит название электростатической индукции. Фарадей нашел, что подобное же возбуждение двух противоположных электричеств в проводящем теле получается и тогда, когда это тело находится в магнитном поле, причем напряжение этого поля в точках пространства подвергается непрерывному изменению. Разница между этими случаями индукции заключается в том, что в электрическом поле при полном постоянстве его напряжения и неизменности положения проводящего тела возникает и поддерживается постоянным электрическое состояние этого тела; напротив, в магнитном поле возбуждается электризация тел только или при изменении напряжения поля в месте, занимаемом телом.

Делимость электрического заряда. Электрон.

Известно, что в обычном состоянии молекулы и атомы не имеют электрического заряда. Следовательно, нельзя объяснить электризацию их перемещением. Если же предположить, что в природе существуют частицы, имеющие электрический заряд, то при делении заряда должен быть обнаружен предел деления. Это значит,что должна существовать частица с наименьшим зарядом.

Проделаем следующий опыт. Зарядим электроскоп, а затем при помощи металлической проволоки, укрепленной в ручке из диэлектрика, соединим его с другим, незаряженным электроскопом. Как только проволока коснётся шариков обоих электроскопов, то Ѕ заряда первого шара перейдет на второй.

Это значит, первоначальный заряд поделился на две равные части.

Если к первому электроскопу, на котором осталась половина первоначального заряда, снова присоединить незаряженный электроскоп, то на нем останется ј первоначального заряда. Таким же образом каждый из них разделенных зарядов можно снова поделить на две равные части и т. д.

Существует ли предел деления заряда ? Не может ли получится заряд такой величины, который уже не поддаётся дальнейшему делению?

Чтобы ответить на эти вопросы, нам пришлось провести опыт. Дело в том, что оставшийся на шаре электроскопа заряд становится таким малым, что при помощи электроскопа его обнаружить невозможно. С этой целью для деления заряда на маленькие порции его следует передавать не шарам, а маленьким крупинкам металла или жидкости. После чего измеряли заряд на этих маленьких телах. Опытами было установлено, что возможно получить заряд, который в миллиарды миллиардов раз меньше, чем в рассмотренных нами опытах. Но дальше определённой величины заряд разделить не удавалось. Это позволило предположить, что существует заряженная частица, которая имеет самый малый заряд, который разделить невозможно.

Существование мельчайших частиц, имеющих наименьший электрический заряд, было доказано многими опытами. Такие опыты проводили советский ученый Абрам Фёдорович Иоффе и американский учёный Роберт Милликен. В своих опытах они электризовали мелкие пылинки цинка. Заряд пылинок меняли несколько раз и вычисляли его. Так поступали несколько раз. При этом заряд оказывался каждый раз другим. Но все его изменения были в целое число раз больше некоторого определённого наименьшего заряда. Этот результат можно объяснить только так: к пылинке цинка присоединяется или отделяется только наименьший заряд. этот заряд уже не делится. Такую частицу назвали электроном. Электрон очень мал. Его масса равна 9,1 · 10 ^-31 кг. Эта масса примерно в 3700 раз меньше массы молекулы водорода, которая является наименьшей из всех молекул.

Электрический заряд - это одно из основных свойств электрона. Нельзя представить, что этот заряд можно снять с электрона. Они не отделимы друг от друга. Электрический заряд - это физическая величина. Она обозначается буквой q и измеряется в кулонах (Кл). Эта единица названа в честь французского физика Шарля Кулона. Электрон - частица с наименьшим отрицательным зарядом. Его заряд равен 1,6 · 10 ^-19Кл.

Сила взаимодействия электрических зарядов. Закон Кулона.

Силу взаимодействия электрических зарядов можно измерить с помощью крутильных весов. В этом приборе 2 маленьких металлических шарика укреплены на изолирующих стержнях. Один из стержней, с шариком В, устанавливается неподвижно, а второй, с шариком А и противовесом на другом конце, подвешивается на тонкой упругой нити. Верхний конец нити закреплен на вращающейся головке, которая позволяет сближать и удалять друг от друга шарики А и В. Зарядив шарики, определяют силу взаимодействия зарядов по углам закручивания нити.

Определив силу взаимодействия, изменяют расстояние между шариками. С увеличением расстояние в 2, 3 или 4 раза сила взаимодействия уменьшается в 4, 9 или 16 раз, т.е. изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния. Величину заряда можно изменить, если коснуться одного из шариков таким же незаряженным телом. Заряд распределится между ними поровну и на первом шарике останется заряд q/2 и так далее.

Подобные опыты в 1785 году проводил французский физик Ш. Кулон. Он установил, что сила взаимодействия двух точечных зарядов прямо пропорциональна произведению их величин, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и направлена вдоль прямой, соединяющей эти заряды:

F = q₁ · q₂/r^2.

Здесь r - расстояние между зарядами, а К - коэффициент пропорциональности. Сила F является силой притяжения зарядов: если заряды одноименные, то они отталкиваются, если знаки зарядов разные, то притягиваются.

4. Электрическое поле

Электрическое поле -- особая форма поля, существующая вокруг тел, обладающих электрическим зарядом. Электрическое поле непосредственно невидимо, но может наблюдаться по его действию и с помощью приборов. Основным действием электрического поля является ускорение тел или частиц, обладающих электрическим зарядом. Оно является одной из составляющих единого электромагнитного поля и проявлением его взаимодействия. О природе электрического поля мы можем сказать лишь следующее: 1) поле материально; оно существует независимо от нас, от наших знаний о нем; 2) поле обладает определенными свойствами.

Основным действием электрического поля является силовое воздействие на неподвижные электрически заряженные тела или частицы. Если заряженное тело фиксировано в пространстве, то оно под действием силы не ускоряется. На движущиеся заряды силовое воздействие оказывает и магнитное поле.

Для того, чтобы создать электрическое поле, необходимо создать электрический заряд. Натрите какой-нибудь диэлектрик о шерсть или что-нибудь подобное, например, пластиковую ручку о собственные волосы. На ручке создастся заряд, а вокруг -- электрическое поле. Заряженная ручка будет притягивать к себе мелкие обрывки бумаги. Если натирать о шерсть предмет большей ширины, например, резиновую ленту, то в темноте можно будет видеть мелкие искры, возникающие вследствие электрических разрядов.

Есть мнение, что внутри проводников с избыточными зарядами электрического поля нет (Е=0). Из опытов известно, что избыточные заряды, привнесённые в проводник извне, перемещаются к поверхности проводника и остаются у поверхности проводника.

Если бы электрического поля не было бы, то избыточные заряды находились бы в состоянии безразличного равновесия и безпорядочно перемещались бы по всему объёму проводника подобно броуновскому движению молекул, но этого не происходит. Само перемещение избыточных зарядов к поверхности проводника свидетельствует о наличии электрического поля внутри проводника в период перемещения к его поверхности.

Некоторые авторы признают наличие электрического поля внутри проводника в период перемещения зарядов к поверхности, но считают, что после перемещения избыточных зарядов к поверхности электрического поля нет. Если бы это было так, то избыточные заряды находились бы в состоянии безразличного равновесия и беспорядочно перемещались бы по всему объёму проводника, но этого не происходит. Электрическое поле внутри проводника удерживает избыточные заряды у поверхности.

Если на тело действует несколько сил, то согласно законам механики результирующая сила равна геометрической сумме сил. Если при наложении полей от нескольких зарядов эти поля не оказывают никакого влияния друг на друга, то результирующая сила со стороны всех полей должна быть равна геометрической сумме сил со стороны каждого поля. Опыт показывает, что именно так и происходит на деле. Это означает, что напряженности полей складываются геометрически. В этом состоит принцип суперпозиции полей.

Разность потенциалов.

При перемещении заряда электрическим полем на расстояние Дd = d₁ - d₂ совершенная работа равна A = F·Дd. Как и в случае с работой силы тяжести, работа кулоновской силы не зависит от траектории перемещения заряда. При изменении направления вектора перемещения на 180є работа сил поля меняет знак на противоположный. Таким образом, работа сил электростатического поля при перемещении заряда по замкнутому проводнику равна 0. Поле, работа сил которого по замкнутой траектории равна нулю, называется потенциальным полем.

Точно так же, как тело массой m в поле силы тяжести обладает потенциально энергией, пропорциональной массе тела, электрический заряд в электростатическом поле обладает потенциальной энергией W p, пропорциональной заряду. Работа сил электростатического поля равна изменению потенциальной энергии заряда, взятому с противоположным знаком. В одной точке электростатического поля разные заряды могут обладать различной потенциальной энергией. Но отношение потенциальной энергии к заряду для данной точки есть величина постоянная.

Потенциал - скалярная величина, потенциал нескольких полей равен сумме потенциалов этих полей. Мерой изменения энергии при взаимодействии тел является работа. При перемещении заряда работа сил электростатического поля равна изменению энергии с противоположным знаком. Т.к. работа зависит от разности потенциалов и не зависит от траектории между ними, то разность потенциалов можно считать энергетической характеристикой электростатического поля.

Разность потенциалов (напряжение) между двумя точками равна отношению работы поля при перемещении заряда из начальной точки в конечную к этому заряду. Разность потенциалов между двумя точками равна единице, если при перемещении заряда в 1 Кл из одной точки в другую электрическое поле совершает работу в 1 Дж. Эту единицу называют вольтом (В).

Напряженность электрического поля. Принцип суперпозиции электрических полей.

Вокруг каждого заряда на основании теории близкодействия существует электрическое поле. Оно распространяется в пространстве со скоростью света. Физическая величина, равная отношению силы, с которой электрическое поле действует на пробный заряд, к значению этого заряда, называется напряженностью электрического поля E = F/q₁. Используя закон Кулона возможно получить формулу для напряженности поля, создаваемого зарядом q на расстоянии r от заряда Е = F/|q₁| = k·|q₁| ·|q₁| /r²·q₁ = k |q₁| /r². Напряженность поля не зависит от заряда, на который оно действует. Если на заряд q действуют одновременно электрические поля нескольких зарядов, то результирующая сила оказывается равной геометрической сумме сил, действующих со стороны каждого поля в отдельности. Это называется принципом суперпозиции электрических полей E = ?_i E_i. Линией напряженности электрического поля называется линия, касательная к которой в каждой точке совпадает с вектором напряженности. Линии напряженности начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных. Электрическое поле, напряженность которого одинакова по всем в любой точке пространства, называется однородным электрическим полем. Приблизительно однородным можно считать поле между двумя параллельными разноименно заряженными металлическими пластинками. При равномерном распределении заряда q по поверхности площади S поверхностная плотность заряда равна у = q/S. Для бесконечной плоскости с поверхностной плотностью заряда s напряженность поля одинакова во всех точках пространства и равная

E = 2k|у| р =|у|/2е_0.

Электрическое напряжение.

Напряженность Е = F/q показывает, с какой силой поле в данной точке действует на заряд 1Кл. Напряжённость поля Е можно назвать силовой характеристикой, так как она не зависит от значения заряда.

Когда поле совершает работу А при перемещении в нём заряда q, можно ввезти ещё одну физическую величину, не зависящую от заряда q. Из формулы A = Elq (1) видно, что этой величиной может служить отношение A/q = El (2). Смысл ясен: эта работа, совершаемая при перемещении «+» заряда 1Кл из точки А электрического поля в точку В того же поля. Эту величину называют электрическим напряжением между этими точками и обозначают буквой U: U = A/q (3). Из формулы A/q = El и U = A/q видно, что для однородного поля U = El (4).

Электрическое напряжение между двумя точками однородного поля равно произведению модуля напряженности поля и проекции и вектора перемещения заряда из одной точки в другую на направление поля. Напряжение может быть как «+», так и «-» величиной. Напряжение между произвольными точками А и В поля «+», если проекция АВ на направление поля положительна. Если же эта проекция «-», то напряжение между точками А и В отрицательно.

Обозначим напряжение между точками А и В через U_АВ, а между точками В и А через U_BA, тогда U_AB = -U_BA. Так как силовые линии поля направлены от положительно заряжённого тела к отрицательно заряжённому, то напряжение между положительно и отрицательно заряжёнными телами положительно и, наоборот.

Единица напряжения называется вольтом: 1 В = 1 Дж/1 Кл.

Пользуясь формулой U = A/q, можно выразить Работу А перемещения заряда q в электрическом поле через напряжение U между точками поля: А = Uq (5). Из равенства видно, что знак совершаемой работы зависит как от знака заряда, так и от знака напряжения. При перемещении положительного заряда знак совершаемой работы совпадает со знаком напряжения. Когда перемещается «-» заряд, знак работы противоположен знаку напряжения.

Электрическое поле существует вокруг каждого заряженного тела. А чтобы зарядить тело, на него нужно перенести заряд с какого-то другого тела, у которого при этом появится такой же заряд, но другого знака. Между телами возникает электрическое напряжение. Оно, конечно, будет тем больше, чем больше заряд на заряженных телах.

В электротехнических и радиотехнических устройствах требуется сообщать проводникам сравнительно большие заряды при малых напряжениях между ними. Для этого используются конденсаторы. Конденсатор - система двух изолированных друг от друга проводников - обкладок конденсатора. Между ними может быть воздух, вакуум и другое непроводящее вещество.

Когда обкладкам сообщены разноименные заряды +|q| и -|q|, между ними возникает разность потенциалов. Если при этом надо, чтобы напряжение было не слишком большим при значительном заряде, то это значит, что большим должно быть соотношение q/U, обозначим его буквой С: С = q/U (1). Величину,равную этому отношению, называют электрической емкостью.

Единица измерения - 1 фарад (1Ф): 1 Ф = 1 Кл/В.

Виды конденсаторов. Емкость плоского конденсатора зависит от его геометрических размеров. Если на обкладках конденсатора заряды равны+|q| и -|q|, то между ними существует электростатическое поле напряженностью Е, по модулю равной E = |q|/Sе₀ (2), где S - площадь пластины. Напряжение U между обкладками равно: U = Ed (3), где d - расстояние между пластинами. Из формул (2) и (3) получаем: |q| = Sе₀ U/d. Отсюда емкость равна: C =Sе₀ /d (4). Как видно, емкость зависит емкость С зависит только от размеров конденсатора: площади S его обкладок и расстояния d между ними, если пластины находятся в вакууме. Если пространство между платинами заполнить диэлектриком, его емкость увеличится.

Примерами конденсаторов с другой конфигурацией обкладок могут служить сферический и цилиндрические конденсаторы. Сферический конденсатор - система из двух концентрических проводящих сфер радиусов R₁ и R₂. Цилиндрический конденсатор - система из двух соосных проводящих сфер цилиндров радиусов R₁ и R₂ и длины L. Емкости этих конденсаторов, заполненных диэлектриком с диэлектрической проницаемостью е₀:

C = 4ре₀ еRR₁ /R₂ - R₁ (сферический конденсатор)

C = 2ре₀ еL /lnR₂/R₁ (цилиндрический конденсатор)

Конденсаторы могут соединяться между собой, образуя батареи конденсаторов. При параллельном соединении конденсаторов напряжения на них одинаковы: U = U₁ = U₂, а заряды одинаковы q₁ = C₁U и = C₂U. Такая система как бы единый конденсатор с электроемкостью С, заряженный зарядом q = q₁ + q₂ при напряжении между обкладками равном U. Тогда

C = q₁ + q₂/U или C = C₁ = C₂.

Таким образом при параллельном соединении конденсаторов электроемкости складываются.

При последовательном соединении одинаковыми оказываются заряды обоих конденсаторов q = q₁ = q_2, а напряжения на них равны U₁ = q/C₁ и U₁ = q/C₁.такую систему можно рассматривать как единый конденсатор, заряженный зарядом q при напряжении между обкладками U = U₁ + U₂. Значит:

C = q/U₁ + U₂ или 1/C = 1/C₁ + 1/C₂.

Таким образом при последовательном соединении конденсаторов складываются обратные величины емкостей.

Распределение зарядов на поверхности проводника.

Электрические заряды на проводнике располагаются на его поверхности. Но как они распределяются на ней? Как это распределение влияет на электростатическое поле вокруг проводника?

Если проводник имеет форму шара или плоскости, то заряд распределяется на поверхности проводника равномерно, т.е. на каждый элемент поверхности единичной площади приходится одинаковый заряд. Как говорят, поверхностная плотность заряда повсюду на поверхности проводника одинакова. Но если в разных местах поверхности проводника кривизна резкая, то заряды на ней размещаются неравномерно. Поверхностная плотность заряда распределена на проводящей поверхности обратно пропорционально радиусу шара r. Какой сложной формой ни обладало тело, поверхностная плотность заряда будет больше в тех местах, где меньше радиус тела. Зависимость у (r) можно иллюстрировать на опыте. Полный аллюминиевый цилиндр с острием и вогнутой частью, укрепленный на ножке из изолятора, заряжается от электрофорной машины или генератора. В разных частях шара приклеены одним концом бумажные листочки. Опыт показывает, что наибольшее отклонение листочков происходит у острия цилиндра а во внутренней полости вообще не отклоняются. Из выражения для шара радиусом r, легко получить выражение, из которого следует, что чем больше поверхностная плотность заряда, тем больше напряженность поля.

Острие. Очень большой напряженностью может стать около острия на заряженном проводнике, т.к. острие - место с очень большой кривизной и на нем плотность заряда особенно велика. На этом свойстве основано действие молниеотвода. Это устройство служит для защиты зданий во время грозы. Молниеотвод представляет собой металлический стержень, один конец которого приводится в хороший контакт с землей, а другой возвышает над зданием. Рассмотрим действие молниеотвода.

Допустим,что к зданию приближается облако с положительным зарядом. Электростатическое поле облака вызывает разделение зарядов в молниеотводе, так что на острие возникает отрицательный заряд. В сильном поле острия образуется множество положительно и отрицательно заряженных частиц. отрицательно заряженные частицы движутся к облаку и частично его нейтрализуют, тем самым уменьшается вероятность удара молнии.

Это свойство используется дв устройствах для очистки газов, выбрасываемых предприятиями; в пылеуловителях, электрофильтрах.

5. Электрический ток в металлах и проводниках

Экспериментально показано, что в металлах ионы не принимают участия в переносе электрических зарядов, т.к. в противном случае электрический ток обязательно сопровождался бы переносом материала, что не наблюдалась. В опытах с инерцией электронов было установлено, что электрический ток в металлах обусловлен упорядоченным движением свободных электронов. Если внутри металла нет электрического тока, то электроны проводимости совершают беспорядочное движение: в каждый момент времени они имеют различные скорости и направления. Суммарный заряд, проходящий через любую площадку внутри металла, в отсутствие внешнего поля равен нулю. Если к концам проводника присоединить разность потенциалов, т.е. создать внутри проводника поле напряженностью Е, то на каждый электрон будет действовать сила, направленная противоположно полю: Е = F/Q. В результате возникает электрический ток.

В металлах концентрация электронов проводимости почти не зависит от температуры. Существует группа материалов, в которых электрический ток также обусловлен перемещением свободных электронов, однако концентрация этих электронов зависит от температуры: удельное сопротивление таких материалов при понижении температуры сильно возрастает, а при повышении температуры - уменьшается. Такие материалы являются электронными проводниками. К полупроводникам относятся: кремний, германий, селен и многие соединения металлов с серой, селеном, теллуром, а также некоторые органические соединения. В полупроводниках, как и в металлах, при прохождении тока не происходит никаких химических изменений. Это свидетельствует о том, что ионы не принимают участия в перенесении зарядов.

В ряде веществ, называемых проводниками, существуют заряженные частицы, способные перемещаться по объему проводника под действием сколь угодно слабого внешнего электрического поля. В наиболее привычных в быту проводниках - металлах - подвижными носителями являются свободные электроны, оторвавшиеся от внешних оболочек атомов и образующие отрицательно заряженный "электронный газ", заполняющий промежутки между положительно заряженными ионами. Под действием электрического поля свободные электроны способны перемещаться. Кроме того, эти электроны участвуют в тепловом движении, и газ свободных электронов можно охарактеризовать определенной температурой.