Установка. Установка дана в задаче 114. Вместо электроскопа и палочек для электризации дается гальванометр (см. в решении) и анодная батарея или кенотронный выпрямитель.

Кроме того, дается еще медная проволока (лучше эмалированная), длиной около 2 м и диаметром порядка 0,3 мм. (Эта проволока нужна для плотного обвязывания алюминиевой фольги вокруг баллона электрической лампочки.

Условие задачи. Оберните лампочку листом алюминиевой фольги и обвяжите ее эмалированной проволокой так, чтобы фольга, по возможности, плотно лежала на баллоне. (Складки не имеют значения.)

Благодаря фольге температура баллона лампочки, включенной в сеть, сильно повышается и стекло превращается в проводник тока.

Как следует составить цепь для того, чтобы доказать, что электрический ток батареи действительно проходит через вакуум, так как в нем имеются электроны?

Прежде чем приступать к практическому решению задачи, внимательно обдумайте ее.

Дополнения. 1. Происходят ли в вашем опыте какие-либо изменения в стекле?

2. Проходят ли электроны сквозь стекло баллона?

3. Как называется тот род проводимости, которую приобрело стекло при высокой температуре?

4. Опишите приблизительно передвижение электронов в собранной вами замкнутой электрической цепи.

Решение и пояснения

115. (10-й кл.) Положительный полюс батареи присоединяется к фольге, покрывающей баллон лампочки. На нарезку цоколя лампочки наматывается конец провода, который другим концом соединяется с клеммой гальванометра. Вторая клемма гальванометра присоединяется с помощью провода к отрицательному полюсу батареи. Пока лампочка не включена в сеть, цепь установки разомкнута баллоном лампочки. Если лампочку включить в сеть, то некоторое время стрелка гальванометра держится на нуле. При сильном нагревании стрелка гальванометра быстро отклоняется. Это указывает на то, что цепь замкнута потоком термоэлектронов, существующим в баллоне лампочки (см. также решение задачи 136).

Дополнения. 1. Происходят. После многократных опытов стекло несколько темнеет, приобретая чуть заметный металлический блеск. Происходит электролиз стекла, при котором, если стекло натровое, ионы Na переходят к внутренней поверхности баллона.

2. Нет.

3. Ионная проводимость.

4. Электроны движутся от отрицательного полюса батареи через гальванометр, цоколь лампочки, нить лампочки и полость баллона к его внутренней поверхности. Здесь они нейтрализуются положительными ионами натрия, которые подходят к внутренней поверхности баллона в результате электролиза стекла. Ток в стекле представляет собой движение положительных и отрицательных ионов. Последние, выделяясь на внешней поверхности баллона, отдают свои электроны фольге, несущей положительный потенциал. От фольги электроны движутся до положительного полюса батареи, внутри которой электронный ток вновь сменяется ионным.

При лампочках, потребляющих секундную энергию порядка 60–100 вт, можно пользоваться демонстрационным гальванометром. Лампочка, употребляемая впервые, должна быть предварительно включена в установку на один-два часа для увеличения проводимости стекла. При чрезмерном нагревании (запах горелой пыли) ее следует через 15–20 мин. выключить, затем минут через пять снова включить и т. д. После этих предварительных операций лампочка готова для установки задачи. Проводимость ее баллона значительно возросла. Для лампочек меньших мощностей приходится пользоваться более чувствительными гальванометрами.

Униполярная проводимость.

Установка. Установка описана в задаче 115. Лампочка уже заранее обернута фольгой и плотно обвязана проволокой.

Условие задачи. Как можно доказать, что пространство внутри баллона выставленной перед вами лампочки обладает униполярной проводимостью, если лампочку включить в сеть городского тока?

Униполярной называют такую проводимость какой-нибудь системы тел, при которой электрический ток может проходить через систему только в одном направлении.

Дополнения. 1. Можно ли использовать электрическую лампочку вашей установки в качестве выпрямителя переменного тока?

2. Когда вы соединили положительный полюс батареи с цоколем лампочки, а отрицательный – с фольгой, обернутой вокруг баллона, то в замкнутой цепи ток отсутствовал. Какой из этого можно сделать вывод относительно возможного существования положительных ионов внутри баллона лампочки?

3. На основании ваших опытов приходится считать, что электроны внутри баллона лампочки могут двигаться только от нити лампочки к стенке баллона, а в обратном направлении двигаться не могут. (Униполярная проводимость.)

Чем же объяснить, что электрон не может перемещаться в направлении от стенок баллона к нити, если к стенкам прикладывается отрицательный, а к нити положительный потенциал?

4. Если включить последовательно с лампочкой реостат с движком и постепенно ослаблять накал нити лампочки, то как это отразится на токе, проходящем через гальванометр? Почему?

Решение и пояснения

116. (10-й кл.) Сначала батарея включается так, как указано в решении задачи 115. Затем она включается в обратном направлении. Гальванометр при этом указывает отсутствие тока. Следовательно, лампочка имеет униполярную проводимость.

Дополнения. 1. Можно. При желании нетрудно убедиться в этом на опыте, для чего необходимо использовать трансформатор.

2. Практически положительные ионы внутри баллона пустотной лампочки отсутствуют.

3. Если фольга имеет отрицательный потенциал, то термоэлектроны отталкиваются фольгой к нити лампочки. Следовательно, в промежутке между центральной областью лампочки и поверхностью баллона не имеется никаких (см. пункт 2) носителей электричества. Очевидно при этом условии цепь тока будет разомкнута. Таким образом, опыты говорят вовсе не о том, могут или не могут электроны смещаться по направлению к нити. Опыт устанавливает только возникновение размыкания цепи, причина которого указана выше.

4. Вопрос из курса физики.