Материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления пользователям Интернета и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.
© 2018 - 2024
Заряд может передвигаться от одной точки к другой (иногда это описывается как движение электрического тока), как это представлялось во времена Грея в начале XVIII века (см. гл. 10). Однако до 1800 года обнаруживались только мгновенные электрические потоки такого рода. Заряд может переместиться из лейденской банки, например, в тело человека, но после одной мгновенной искры передвижение уже совершено. Перемещение такого гигантского заряда, как молния, тоже происходит мгновенно. Говорят же «быстрый как молния».
Для того чтобы получить непрерывное перемещение заряда, или постоянный ток, из точки А в точку Б, необходимо создавать новый заряд в точке А, как только поток электронов покинет ее, и поглощать этот поток, как только он достигнет точки Б.
Первые способы проделать это были разработаны на основе наблюдений, проводившихся в 1791 году итальянским медиком и физиком Луиджи Гальвани (1737–1798). Гальвани интересовался как работой мышц, так и экспериментами с электричеством. Работая с лейденской банкой, он обнаружил, что искры из нее заставляют сокращаться мышцы в бедре рассеченной лягушки, несмотря на то что в них уже нет жизни. Другие тоже наблюдали подобное явление, но Гальвани открыл нечто новое: когда металлический скальпель касался мышцы в момент появления искры из находящейся рядом лейденской банки, мышца сокращалась, хотя непосредственного контакта с искрой она не имела[100].
Полагая, что причиной этому является наведенный (индуцированный) электрический заряд в скальпеле, Гальвани поместил мышцы бедра лягушки в наэлектрифицированную атмосферу грозы, подвесив их на медных крючках на железной ограде. Он добился сокращения мышц, а к тому же понял, что можно было обойтись и без грозы.
Необходимо было всего лишь дотронуться до мышц двумя разными металлами одновременно, причем не важно, есть ли поблизости искра или нет, а также не важно, идет гроза на улице или нет. Два разных металла, контактируя одновременно с мышцей, могут не просто заставить ее сокращаться, а могут сделать это несколько раз. Очевидно, что электричество имеет какое-то отношение к этому процессу и, что бы ни происходило электрический заряд не утрачивал своей силы даже после разряжения и сокращения мышцы, напротив, заряд мог самопроизвольно возникать снова и снова. Гальвани предположил, что электричество возникало в самой мышце, и назвал это «животным электричеством».
Однако другие ученые подозревали, что причиной порождения электрического разряда является все-таки скорее объединение двух металлов, нежели сама мышца. Наиболее выдающимся из этих ученых был Алессандро Вольта. В 1800 году он изучал комбинации различных металлов, но соединенных не мышечной тканью, а простыми растворами, которые никто бы не заподозрил в какой-то связи с «живой силой».
Он использовал различные металлы, объединенные в цепь, верно предположив, что для достижения лучших результатов необходимо иметь несколько источников, а не один. Сначала он использовал сосуды, наполовину наполненные соленой водой (каждый вместо мышцы лягушки), и соединял их перемычками в виде металлических пластин, медной и цинковой, спаянных вместе. Медный конец пластины опускался в один сосуд, цинковый — в другой. В каждом сосуде был медный конец одного моста с одной стороны и цинковый конец другого моста с другой стороны.
Такой вот «венок из чаш», как его называл Вольта, мог служить источником электричества, которое, как было ясно показано таким образом, возникало в металлах, а не в животных тканях. Еще важнее то, что электричество возникало постоянно и могло перемещаться непрерывным потоком.
Чтобы избежать потери тока, Вольта испытал другое устройство.
Он взял маленькие диски из меди или серебра (для этого хорошо подошли монеты) и диски из цинка. Затем построил из них столбик: серебро, цинк, серебро, цинк и т. д. Между этими пластинками положил картонные диски, пропитанные соленой водой, которые играли роль лягушачьих мускулов Гальвани или его собственных сосудов с соленой водой. Если до верхушки такого «вольтова столба» дотронуться металлическим проводом, то можно увидеть искру у его основания, если к основанию столба поднести другой конец этого провода. Фактически, если соединить проводом верхушку и основание, в нем создавался постоянный ток.
Это явление не могли полностью понять до начала следующего века, но в основе его лежал тот факт, что атомы всех веществ содержат как отрицательно заряженные электроны, так и положительно заряженные протоны. Следовательно, электрический заряд в постоянно действующем вольтовом столбе на самом деле не был создан Вольтой — он всегда существовал в веществе. Вольтов столб служил просто для того, чтобы разделять уже существующие отрицательные и положительные заряды. Легче всего описать это разделение на примере двух разных металлов.
Представим себе соприкосновение двух металлов, к примеру цинка и меди. Каждый металл содержит электроны, с большей или меньшей силой привязанные к атомам этого металла. В атомах цинка электроны с ядром связаны слабее, чем в атомах меди. На границе между металлами электроны стремятся перемещаться из цинка в медь. Можно описать этот процесс как перетягивание атомами меди электронов из атомов цинка. Это продолжается недолго, так как атомы меди накапливают отрицательный заряд (благодаря перескочившим к ним электронам), а атомы цинка — положительный.
Дальнейшее перемещение электронов из положительно заряженного цинка в отрицательно заряженную медь быстро становится невозможным, и равновесие устанавливается на том уровне, когда заряд в обоих металлах еще очень мал. Однако заряд получается достаточно большим, чтобы его можно было распознать, и, поскольку противоположные заряды разделены, между металлами возникает контактная разность потенциалов.
Сила привлечения атомами электронов изменяется пропорционально изменению температуры, однако у разных металлов это изменение различно. Представим длинную полоску из цинка и длинную полоску из меди, соединенные только двумя концами, причем имеющими различную температуру (это называется термопара).
На каждом конце полос есть контактная разность потенциалов, но с двух концов она различна. Конец А медной полосы накапливает больше электронов, чем конец В, потому что температура увеличивает его силу притяжения электронов из цинка.
Поскольку концентрация электронов в меди на конце А больше, чем на конце В, то электроны из точки А устремятся по медной полосе в точку В. Теперь в В слишком много электронов, чтобы атомы могли их удержать при обычной температуре. Поэтому они начинают перескакивать к атомам цинка. Однако конец А, потерявший часть электронов, снова получает возможность приобретать их из цинка.
Процесс будет продолжаться бесконечно — электроны будут перемещаться из края А в край В внутри медной пластины и снова из края В в край А внутри цинковой, и так до тех пор, пока поддерживается разность температуры на концах пластин. Такое термоэлектричество впервые обнаружил в 1821 году немецкий физик Томас Иоганн Зеебек (1770–1831).
Практическое применение этого явления несложно придумать. Количество постоянного тока, который проходит через термопару, зависит от температурной разницы на концах пластин. Следовательно, такое приспособление можно использовать как термометр. Так, если брать высокоплавкие металлы, например платину, то можно измерять температуры гораздо более высокие, чем те, которые способен выдержать обычный термометр. И еще, поскольку термопара улавливает и измеряет даже самые незначительные электрические потоки, то с ее помощью определяют очень слабые источники тепла, например, можно измерить тепло, исходящее от Луны или Венеры[101].
Химические элементы питания
Соединение разных металлов посредством токопроводящего раствора создает эффект, похожий на эффект термопары, но в данном случае изменение температур уже не обязательно.
Предположим, к примеру, что полоску из цинка наполовину опустили в раствор сульфата цинка. Известно, что цинк вступает в реакцию с раствором. Каждый атом цинка, переходя в раствор, теряет по два электрона, следовательно, на стержне накапливается отрицательный заряд. Атомы цинка, потерявшие электроны, становятся положительно заряженными. Их положительный заряд по величине равен отрицательному заряду потерянных электронов. Заряженный атом называется ионом. Итак, мы имеем: положительно заряженные ионы цинка в растворе и атомы цинка на полоске, накапливающие отрицательный заряд.
Теперь представим полоску меди, опущенную в раствор сульфата меди. В растворе уже имеются положительные ионы меди, поэтому новые ионы образовываться не будут, наоборот, ионы меди станут возвращаться к полоске вместе со своим положительным зарядом. Теперь представим, что сосуд с кислотой, в которую погружена цинковая пластина, и сосуд с сульфатом меди, в который погружена медная пластина, соединены пористым мостиком, так что жидкости могут постепенно проникать из одного сосуда в другой.
У нас есть цинковая полоска с небольшим отрицательным зарядом и медная полоска с небольшим положительным зарядом. Если две полоски соединить проводом, то избыточные электроны с цинковой пластины легко перейдут на медную, на которой недостаток электронов. Так как цинк потеряет свои избыточные электроны и, как следствие, его отрицательный заряд уменьшится, то новые атомы цинка начнут вступать в реакцию с раствором для создания новых избыточных электронов. На медной полоске, наоборот, из-за перебежавших к ней электронов положительный заряд уменьшится, а значит, все больше новых положительных ионов меди устремятся из раствора на полоску.
Итак, электроны по проводу перебегают от цинка к меди, а затем посредством раствора возвращаются к нему. Процесс будет длиться до тех пор, пока все атомы цинка не растворятся или пока все ионы меди не осядут (или пока не случится и то и другое вместе). В термопаре поток электронов поддерживался разницей температур; в вольтовом столбе — химической реакцией.
Хотя электроны перебегали по проводу от цинка к меди, ученые, основываясь на неправильном предположении Франклина (см. гл. 10), пришли к заключению, что ток движется в направлении от положительного полюса (медь) к отрицательному (цинк).
Поколением позже экспериментов Вольты Фарадей придумал термин для обозначения металлических стержней, которые опускались в растворы и служили полюсами. Он назвал их электродами (от греческого слова, означающего «направление электричества»). Положительный полюс получил название анод (верхний), отрицательный — катод (нижний), поскольку Фарадей представлял электричество в виде потока, стремящегося вниз.
Различные химические элементы, которые могут порождать постоянный электрический ток, называются гальваническими элементами, электрическими элементами или электрохимическими элементами. Все три названия могут употребляться. Часто, как и в начальных экспериментах Вольты, используются группы элементов. Такая группа одинаковых предметов называется «батареей», поэтому группы элементов, таких как вольтов столб, — это электрические батареи, или просто батареи. (В разговорной речи слово «батарея» может относиться и к одиночному элементу.)
Благодаря открытию Вольты появилась возможность изучать постоянные и продолжительные потоки электричества. Вначале было принято называть это явление «гальванизмом» или «гальваническим электричеством» в честь Гальвани. Однако разумнее называть его электродинамикой («электричеством в движении») в противоположность электростатике. Наука, изучающая химические реакции, которые создают электрический ток, называется, естественно, электрохимией.
Электрический ток начали использовать почти сразу же после его открытия. Поскольку поток электронов является результатом химических реакций, неудивительно, что электроны, движущиеся через смесь различных химических субстанций, могут порождать новую химическую реакцию, причем такую, которую сложно или невозможно получить иными методами.
В 1800 году, спустя всего шесть недель после первого доклада Вольты, два английских ученых, Уильям Николсон (1753–1815) и Энтони Карлейл (1768–1840), пропустили электрический ток через воду и обнаружили, что при этом она разлагается на водород и кислород. Такой процесс, при котором через растворы или расплавы проходит электрический ток, называется электролизом («расщепление электричеством»). В результате этого процесса молекулы распадаются на простые составляющие.
В 1807-м и 1808 годах английский химик Гемфри Дэви (1778–1829), используя батареи небывалой силы, смог разложить на жидкие составляющие некоторые очень активные металлы. Ему удалось отделить три металла и впервые искусственно создать такие металлы, как натрий, калий, кальций, стронций, барий и магний, — то, что не удавалось до использования электричества еще ни одному химику.
Его ассистент, Фарадей, продолжил изучение электролиза и показал, что количество вещества, выделяющееся при электролизе, прямо пропорционально электрическому заряду, который прошел через устройство. Его законы электролиза, которые будут детально рассмотрены в III части, способствовали формированию атомистического взгляда на материю, который предложил английский химик Джон Дальтон (1766–1844). В течение следующего столетия ученые, опираясь на эти законы, открыли электрон и установили внутреннее устройство атома.
Благодаря исследованиям Фарадея кулон можно более понятным образом определить не только через общее количество заряда или общее количество электричества (точную цифру которых иногда сложно установить), но и через количество тока, приводящее к химической реакции определенного объема (а это определяется очень просто). Например, заряд в один кулон, пропущенный через раствор серебра, приводит к выделению 1,18 мг металлического серебра.
Особенно интересует химиков выделение серебра массой 107,87 г — это то, что они называют «вес серебра в грамм-атомах». Следовательно, их интересует, сколько кулонов необходимо для получения 107,87 г серебра. Но это равняется 107,870 мг. Разделим это на 1,18 мг (количество серебра, которое выделяется при 1 кулоне). Получаем 95 500 — искомое число кулонов. Это число принимают за 1 фарад тока.
Один кулон электричества выделяет определенное количество серебра (или производит другую химическую реакцию определенного объема) независимо от скорости прохождения тока через раствор. Но вот скорость выделения серебра зависит от количества кулонов, которое проходит через раствор в единицу времени. Естественно поэтому говорить о мощности потока (или о силе тока) как о количестве кулонов в секунду. Один кулон в секунду равняется одному амперу, в честь Андре Мари Ампера (1775–1836), чья работа будет описана ниже. Итак, ампер — это единица силы тока.
И тогда, если ток, проходя через раствор, образует 1,18 мг металла каждую секунду, мы говорим, что через раствор проходит 1 ампер тока.
Сопротивление
Сила тока между точками А и В зависит от разности потенциалов между ними. Если при разности потенциалов 20 вольт между этими точками возникает ток силой 1 ампер, то при разности потенциалов 40 вольт возникает ток силой 2 ампера, а при разности потенциалов 10 вольт — 0,5 ампера.
Прямая зависимость между разностью потенциалов и силой тока верна только при передаче тока по определенному проводнику при определенных условиях. Если природа проводника меняется, то и зависимость между разностью потенциалов и силой тока меняется.
Например, с увеличением длины проводника (при постоянной разности потенциалов) сила тока уменьшается. Так, если в проволоке длиной 1 м при разности потенциалов 20 В возникает ток силой 1 А, то при той же разности потенциалов в проволоке такой же толщины, но длиной 2 м возникает ток силой 0,5 А.
С другой стороны, при увеличении толщины проволоки сила тока, возникающего в ней, также увеличивается пропорционально увеличению площади поперечного сечения, или, что тоже верно, пропорционально квадрату диаметра проволоки. Если в проволоке толщиной 1 мм при разности потенциалов 20 В возникает ток силой 1 А, то при увеличении толщины проводника до 2 мм (при постоянной разности потенциалов) возникает ток силой 4 А.
Кроме того, очень важно, по какому веществу проходит ток. Если в медной проволоке при разности потенциалов 20 В возникает ток силой 3 А, то в золотой проволоке такой же длины и толщины и с такой же разностью потенциалов возникает ток силой 2 А, а в вольфрамовой проволоке при тех же условиях — 1 А. В кварцевом волокне такой же длины и толщины возникнет ток силой 0,00000000000000000000003 А — такой маленький, что его почти не существует.
Все эти законы и правила открыл немецкий физик Георг Симон Ом (1787–1854). В 1826 году он высказал предположение, что сила тока, возникающего и проходящего на данном участке под воздействием данной разницы потенциалов, зависит от сопротивления проводящего материала; увеличение длины проводника в 2 раза приводит к увеличению сопротивления в 2 раза; увеличение диаметра в 2 раза приводит к уменьшению сопротивления в 4 раза; замена вольфрама на медь приводит к уменьшению сопротивления и т. д.
Сопротивление можно рассматривать как отношение между разностью потенциалов и силой тока. Если записать разность потенциалов («электродвижущую силу») как Е, силу тока как I, а сопротивление как R, то можно сказать, что
R = E/I. (Уравнение 11.1)
Это закон Ома. Из этой формулы, путем перестановки данных, закон Ома может быть записан как I = E/R и Е = IR.
Сопротивление изменяется, как нетрудно догадаться, в омах, то есть проводник имеет сопротивление 1 Ом, если при разности потенциалов 1 В сила тока равна 1 А. Из уравнения 11.1 мы видим, что 1 Ом можно представить как 1 В на 1 А.
В некоторых случаях удобнее рассматривать электрическую проводимость материала, чем сопротивление. Электрическая проводимость — величина, обратная сопротивлению. Единица измерения электропроводимости была представлена (по причуде ученых) как Мо, то есть Ом наоборот.
Проводник с сопротивлением 1 Ом имеет электропроводимость 1/1 или 1 Мо. Сопротивление, равное 3 Ом, соответствует электропроводимости 1/3 Мо, сопротивление, равное 100 Ом, соответствует электропроводимости 1/100 Мо и т. д. Если представить электропроводимость как С, то из уравнения 11.1 получаем:
С = I/R = I/E. (Уравнение 11.2)
Таким образом, 1 Мо — то же самое, что 1 А на 1 В.
При любых условиях сопротивление зависит от длины и диаметра проводника (кроме других параметров). В целом сопротивление изменяется прямо пропорционально длине (L) и обратно пропорционально площади поперечного сечения (А) проводника. Таким образом, сопротивление пропорционально зависимости L/A. Если представить эту зависимость как постоянную ρ (греческая буква «ро»), то можно сказать, что
R = ρL/A, (Уравнение 11.3)
где ρ — удельное сопротивление. Каждое вещество имеет собственное удельное сопротивление.
Преобразовав уравнение 11.3 для нахождения удельного сопротивления, мы получим
ρ = RA/L. (Уравнение 11.4)
В системе МКС единица измерения R — Ом, А — квадратный метр (м2), a L — метр. Единица измерения ρ соответственно Ом-квадратные метры на метр, или, сократив уравнение, ом-метры.
Чем лучше проводник, тем ниже сопротивляемость. Самым лучшим из известных проводников является серебро, которое про температуре 0 °C имеет сопротивляемость около 0,00000000152, или 1,52∙10–12 ом∙м. Медь достаточно близка к нему — 0,0000000154, далее идут золото и алюминий с сопротивляемостью, равной соответственно 0,0000000227 и 0,0000000263 Ом∙м. В целом металлы имеют низкую сопротивляемость и, как следствие, являются отличными проводниками.
Даже сопротивляемость нихрома, сплава никеля, железа и хрома, составляющая всего лишь 0,000001 Ом∙м, считается необычно высокой для металлов. Сопротивляемость металлов так мала потому, что их атомная структура такова, что каждый атом имеет один или два свободно движущихся, удаленных от ядра электрона. Поэтому заряд может легко переходить от атома к атому с этими электронами[102].
Вещества, электроны в атомах которых прочно «присоединены» к ядру, обладают очень высокой сопротивляемостью. Даже при огромных разностях потенциалов в них может возникнуть ток лишь очень небольшой силы. Вещества, обладающие сопротивляемостью свыше миллиона ом-метров, вообще не способны проводить ток. Древесина клена имеет сопротивляемость 300 млн. Ом∙м, стекло — около триллиона, сера — около квадриллиона, а кварц — около 500 квадриллионов Ом∙м.
Помимо проводников, сопротивляемость которых очень низка, и изоляторов, сопротивляемость которых очень высока, существует группа веществ, которые характеризует сопротивляемость средней силы, выше, чем у нихрома, но ниже, чем у древесины. Наиболее известные примеры — элементы германий и кремний. Сопротивляемость германия — 2 Ом∙м при 0 °С, а кремния — 30 000. Такие вещества, как германий и кремний, называют полупроводниками.
Обратите внимание, что вышеприведенные значения сопротивляемости верны для температуры 0 °C. Эти значения меняются с возрастанием температуры у металлов в сторону возрастания. Так, электроны, двигаясь сквозь проводник, обязательно встречают атомы вещества, которые преградят им движение, и некоторая часть электрической энергии потеряется при преодолении препятствий. Эта потеря энергии происходит из-за сопротивляемости вещества. Если температура проводника возрастает, то атомы проводника вибрируют быстрее (см. ч. I), и электронам становится труднее проходить; следовательно, сопротивляемость увеличивается. (Сравните, к примеру, свои собственные ощущения: насколько легче продираться сквозь толпу спокойно стоящих людей, чем через толпу, где все снуют туда-сюда.)
Если известна сопротивляемость при 0 °С (ρ0), то она увеличивается на некоторую часть этой величины (ρ0αt) с каждым градусом повышения температуры (t). Следовательно, увеличение сопротивляемости для каждой заданной температуры — ρ0αt. Общая сопротивляемость при этой температуре (ρt), следовательно, равняется сопротивляемости при 0 °C плюс увеличение, или:
ρt = ρ0 + ρ0αt = ρ0(1 + αt). (Уравнение 11.5)
Постоянная α, показывающая увеличение сопротивляемости при каждом градусе, называется температурным коэффициентом сопротивляемости.
Пока температурный коэффициент сопротивляемости остается неизменным, реальное сопротивление отдельного проводника изменяется по мере изменения температуры очень простым образом. Соответственно сопротивление тугоплавких металлов заданных размеров позволяет добиваться больших температур.
Что касается полупроводников, температурный коэффициент сопротивляемости для них отрицательный, то есть их сопротивляемость уменьшается с увеличением температуры. Причиной этому является то, что при повышении температуры материала жесткость удержания электронов в атоме ослабевает; большее количество электронов получает возможность двигаться и переносить заряд. Возросшее количество доступных электронов преодолевает дополнительное сопротивление, производимое активнее вибрирующими атомами, поэтому общая сопротивляемость падает.
Если бы температурный коэффициент сопротивляемости действительно был постоянен, то следовало бы ожидать, что при температурах, близких к абсолютному нулю, и сопротивляемость упадет до нуля. Однако при низких температурах сопротивляемость медленно уменьшается, и зависимость, по которой понижается сопротивление с понижением температуры, такова, что в начале XX века физики были уверены, что сопротивление металла упадет до нуля только при абсолютном нуле температуры, и ни на йоту раньше. Это казалось здравым рассуждением, ведь только при абсолютном нуле температуры полностью прекратится вибрирование атомов и исчезнут любые препятствия для движения электронов.
Однако изменение реальных сопротивлений при температурах, близких к абсолютному нулю, стало возможно только после того, как голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес (1853–1926) смог в 1908 году получить жидкий гелий. Среди всех веществ у гелия самая низкая температура плавления, 4,2 °К, и только в среде из жидкого гелия изучение сверхнизких температур становится возможным.
В 1911 году Камерлинг-Оннес установил, к своему удивлению, что сопротивляемость ртути, которая по мере понижения температуры становилась все меньше и меньше по предсказуемому графику, вдруг резко упала до нуля при температуре 4,16 °К.
Ряд других металлов тоже продемонстрировал свойство сверхпроводимости при температуре жидкого гелия. Есть некоторые сплавы, которые становятся сверхпроводящими при температурах, близких к температуре плавления водорода. Сплав ниобия и олова становится сверхпроводящим уже при температуре 18,1 °К.
Другие же, например титан, становятся сверхпроводящими только при температурах ниже 0,39 °К. Хотя было найдено уже около 900 веществ, которые обнаруживают свойства сверхпроводимости при температурах около абсолютного нуля, остается еще множество веществ (включая являющиеся при обычных температурах хорошими проводниками, например серебро, медь и золото), которые до сих пор пока не продемонстрировали сверхпроводимости ни при каких температурах, даже самых низких из испробованных.
Электроэнергия
Для поддержания электрического тока при сопротивлении требуется энергия. Необходимое количество энергии напрямую зависит от количества общего тока при сопротивлении, также зависит и от силы тока. Так как при заданном сопротивлении сила тока напрямую зависит от разности потенциалов (согласно закону Ома), то можно сказать, что энергия заданного электрического тока равна количеству передаваемого заряда, умноженного на разность потенциалов.
Так как энергия может быть трансформирована в работу, обозначим ее W. Таким образом, если обозначить разность потенциалов как E, а общее количество передаваемого заряда как Q, приходим к следующему:
W = EQ. (Уравнение 11.6)
Единицей измерения разности потенциалов является вольт, а единицей измерения заряда — кулон. Если энергия равна количеству передаваемого заряда, умноженному на разность потенциалов, то размерность единицы энергии должна выражаться в вольтах, умноженных на кулоны. Однако, согласно определению, вольт — это один джоуль на кулон (см. гл. 10). Таким образом, единицей энергии должен быть джоуль, разделенный на кулон, умноженный на кулон, или — джоуль. Так как джоуль — это единица энергии в системе МКС, то можно сказать, что при передаче электрического заряда в 1 кулон при разности потенциалов сопротивления в 1 вольт расходуется 1 джоуль энергии, который может преобразовываться в другие формы энергии, такие как работа, свет или тепло.
Часто всего полезнее бывает высчитывать степень расхода энергии (или выполняемой работы), чем общий объем затраченной энергии (или выполненной работы). Например, если две системы потребляют одинаковое количество энергии или выполняют одинаковый объем работы, но одна система это выполняет за минуту, а другая за час, то очевидно, что разница между ними существенна.
Степень расхода энергии или выполнения работы называется мощностью. Если рассматривать энергию, расходуемую в секунду, то единицей мощности будет джоуль в секунду. Один джоуль в секунду получил название 1 ватт, в честь шотландского ученого Джеймса Уатта (1736–1819), работа которого была описана в части I.
Если 1 ватт равен 1 джоулю в секунду, а 1 джоуль равен 1 вольт-кулону (согласно уравнению 11.6), то можно считать, что 1 ватт равен 1 вольт-кулону в секунду. Однако 1 кулон в секунду равен 1 амперу, и тогда вольт-кулон в секунду будет эквивалентен вольт-амперу, и это приводит нас к заключению, что 1 ватт равен 1 вольт-амперу.
Все это означает, что ток, направляемый разностью потенциалов в 1 вольт и имеющий силу 1 ампер, являет собой мощность в 1 ватт. В общем, электрическая мощность определяется разностью потенциалов, умноженной на силу тока. Если обозначить мощность как P, то получается следующее:
P = EI. (Уравнение 11.7)
Электрические приборы обычно обозначаются числом ватт, которые говорят об уровне потребления ими электрической энергии. Лучше всего мы знакомы с этим на примере электрических ламп. В лампах количество расходуемой энергии используется для повышения температуры нити накала. Чем выше расход энергии и чем выше температура нити, тем больше излучение, исходящее от лампы. Именно поэтому лампы в 100 ватт ярче и горячее, чем лампы в 40 ватт.
Обычно разность потенциалов электрического тока в жилых домах — 120 вольт, и она остается неизменной. Из уравнения 11.7 мы видим, что I = P/Е. Соответственно, для лампы в 100 ватт, горящей в жилом доме, сила тока будет следующей: I = 100/120 = 5/6.Таким образом, сила тока в лампе в 100 ватт будет равна 5/6 ампера. Исходя из этого мы можем точно рассчитать нужное сопротивление (R) лампы. Согласно закону Ома, R = Е/I, R = 120 поделить на 5/6, т. е. 144 ома.
Ватт является единицей мощности в системе МКС, однако он не является наиболее часто употреблямым. Чаще мы используем значение киловатт, который равен 1000 ватт. В систему МКС не входит такая единица, как лошадиная сила, которая всегда употреблялась в Соединенных Штагах как единица измерения для двигателей внутреннего сгорания. Лошадиная сила больше ватта; 1 лошадиная сила равна 746 ватг. Из этого следует, что 1 киловатт равен 1,34 лошадиной силы.
Так как мощность — это энергия, поделенная на время, то энергия будет мощностью, умноженной на время. Данное соотношение, как обычно, подводит нас к единицам измерения. Так как 1 ватт = 1 джоуль/секунду, то 1 джоуль = 1 ватт-секунда. Таким образом, ватт-секунда является полноправной единицей энергии в системе МКС, так же как и джоуль, которому она равняется. В этой группе более крупной единицей энергии будет киловатт-час. Так как киловатт равен 1000 ватт, а 1 час равен 3600 секундам, то киловатт-час будет равен (1000) (3600) ватт-секунд или джоулей. Другими словами, 1 киловатт-час = = 3 600 000 джоулей. Лампа в 100 ватт (0,1 киловатт) в течение 24 часов сжигает энергию равную 2,4 киловатта. Счета за электричество, которые мы получаем дома, основаны на потреблении киловатт-часов энергии.
Из закона Ома (уравнение 11.1) мы знаем, что Е= IR. Совместив эту формулу с формулой 11.7, мы получаем следующее:
Р = I2R. (Уравнение 11.8)
Другими словами, уровень электрической энергии, расходуемой на электрический ток, изменяется прямо пропорционально сопротивлению, умноженному на силу тока в квадрате.
Иногда очень важно израсходовать как можно меньше энергии при передаче тока, т. е. при проводке тока от аккумулятора (или другого источника) к тому месту, где электрическая энергия будет преобразована в другую полезную форму энергии (например, к электрической лампе, где часть энергии будет преобразована в свет). В таких случаях сопротивление должно быть как можно ниже. При одинаковой длине и толщине проволоки самое низкое сопротивление у меди и серебра. Так как медь намного дешевле серебра, то именно из этого материала обычно изготавливают электрические проводки.
Однако для передачи электричества на длинные расстояния даже медь является дорогой, и тогда используется третий вариант — очень дешевый алюминий. Алюминий, несмотря на то что его сопротивление в 1,7 раза выше, чем у меди, все же является хорошим проводником. Высокую сопротивляемость можно уравновесить тем, что плотность алюминия меньше плотности меди в 3 раза, поэтому алюминиевая проволока толщиной 1 мм будет не тяжелее медной проволоки толщиной 0,6 мм при той же длине. Сопротивление понижается по мере увеличения площади поперечного сечения проволоки; следовательно, сопротивление более толстой алюминиевой проволоки будет меньше, чем более тонкой (и значительно более дорогой), равной по весу медной проволоки.
С другой стороны, иногда требуется преобразовать электрическую энергию в тепло настолько, насколько это возможно, например в утюгах, тостерах, электрических плитах и т. д. В этих случаях требуется сравнительно высокое сопротивление (но не настолько высокое, чтобы не давать току достигнуть определенной силы), и для этого применяются сплавы с высоким сопротивлением, такие как нихром.
В электрической лампе особенно нужна высокая температура, достаточная для излучения большого количества видимого света (см. гл. 8). Всего несколько проводников могут выдержать столь высокую температуру, и один из них — вольфрам. Температура плавления вольфрама — 3370 C°, чего более чем достаточно. Однако вольфрам обладает всего лишь 1/20 сопротивляемости нихрома. Для повышения сопротивляемости вольфрама нить накаливания в лампе должна быть одновременно тонкой и длинной.
(При температуре каления, которая очень высока, вольфрам моментально вступал в реакцию с кислородом, находящимся в воздухе, и портился. По этой причине в ранние дни зарождения ламп накаливания воздух из них откачивали. Однако в вакуумном пространстве тонкие вольфрамовые нити слишком быстро испарялись и имели очень ограниченный срок жизни. Для решения этой проблемы в лампах стали применять инертные газы: сначала азот, а затем аргон. Эти газы не вступали в контакт с добела накаленной вольфрамовой нитью, а давление газа сокращало испарение и увеличивало срок жизни ламп.)
Цепи
Допустим, что ток пропустили через проводник сопротивлением (R) в 100 Ом. Далее его пропустили через проводник сопротивлением (R') в 50 Ом, а затем сопротивлением (R") в 30 Ом. Назовем эти этапы «сопротивлениями» и для простоты допустим, что сопротивления других проводников, помимо трех вышеназванных, маловажны и могут быть опущены.
Вышеуказанные сопротивления являются последовательными: ток должен пройти сначала первый, потом второй, а затем и третий этап сопротивления. Очевидно, что в конечном счете ток прошел через общее сопротивление в 100 + 50 + 30, или 180 Ом. Каждый раз, когда ток проходит через этапы, соединенные одной цепью, общее сопротивление будет равным сумме всех поэтапных сопротивлений.
Если в наших домашних электрических сетях ток имеет разность потенциалов в 120 вольт и мы допустим, что ток должен будет пройти только через сопротивления R, R' и R", то при помощи закона Ома мы сможем высчитать силу тока, проходящего через сопротивления. Общее сопротивление равно 180 Ом, и, следуя формуле I = ER, вычисляем, что сила тока равна 120 В, разделенным на 180 Ом, следовательно, 2/3 ампера. Весь ток проходит через все сопротивления, поэтому его сила на всем протяжении системы остается неизменной.
Закон Ома может быть применен как к части системы, так и ко всей системе. Какова, к примеру, разность потенциалов на первом из трех этапов системы, обозначенном R? Его сопротивление задано как 100 Ом, а его вычисленная нами для этого участка (как и для всех остальных) сила тока равна 2/3 ампера. По закону Ома Е = IR, так что разность потенциалов на первом участке будет равна 100 Ом умножить на 2/3 ампера, следовательно, 662/3 вольта. На втором сопротивлении, обозначенном как R' она будет равна 50 Ом умножить на 2/3 ампера, следовательно, 331/3 вольта. На третьем сопротивлении, обозначенном как R", будет равна 30 Ом умножить на 2/3 ампера, следовательно, 20 вольт. Общая разность потенциалов будет равна 662/3 + 331/3 + 20, следовательно, 120 вольт[103]. Общая разность потенциалов в цепи равна сумме разности потенциалов всех участков цепи.
Допустим, что к цепи добавили четвертый участок сопротивления, скажем в 60 000 000 000 000 Ом. Другие сопротивления по сравнению с этим настолько малозначительны, что их можно будет игнорировать. Сила тока будет равна 120 вольтам, поделенным на 60 триллионов Ом, следовательно — две триллионных ампера. Эта сила настолько мала, что с таким же успехом можно говорить об отсутствии тока вообще.
Если два проводника разделить воздушной пробкой, то движение тока прекратится, так как у воздуха очень высокая сопротивляемость. Для непрерывного движения тока требуется, чтобы между проводниками не было значительных прослоек воздуха. Электрический ток должен передвигаться по непрерывному пласту проводящих материалов от одного полюса аккумулятора (или другого источника электричества) к другому полюсу. Электрический ток, покинув аккумулятор, должен по кругу вернуться к нему, это называется электрической цепью.
Если в последовательно соединенной цепи возникает воздушная пробка, появляется высокое сопротивление и ток практически пропадает. Такая цепь называется «разомкнутой», или «разорванной». Если же воздушная пробка устраняется, то электрический ток возобновляет свое движение и цепь называется «замкнутой»[104]. Электрические розетки в стенах не передают электрического тока, если в них не вставить штепсель, потому что между двумя «порталами» существует воздушная пробка. Однако она исчезает, когда в розетку вставляют штепсель. Тем не менее в электрических приборах имеется своя воздушная пробка, так что сразу после подключения к электрической цепи электрический ток не поступает. Только после того как повернуть переключатель или нажать кнопку на приборе, эта вторая воздушная пробка исчезает и электрический ток начинает циркулировать.
Иногда желательно, чтобы воздушная пробка возникала мгновенно. Существуют некоторые условия, когда сила тока в той или иной цепи может возрасти до нежелательного уровня. При возрастании силы тока уровень расхода энергии и соответственно уровень нагревания возрастают пропорционально квадрату силы тока (см. уравнение 11.8). Тепло может повредить электрический прибор или положить начало пожару в доме.
Для того чтобы это предотвратить, обычно в цепи вставляют пластину низкоплавкого сплава. Устройство, содержащее подобный сплав, называется «плавким предохранителем». В том случае, если сила тока превышает предел, указанный на предохранителе (обычно в бытовых приборах этот предел составляет 15 ампер), то уровень тепла возрастает и пластина начинает плавиться, что приводит к возникновению воздушной пробки, и цепь разрывается. Электрический ток в цепи можно возобновить только после замены предохранителя. Разумеется, если предохранитель сгорает неоднократно, то разумнее всего проверить всю цепь и выявить неполадки.
Когда в сети последовательно соединены несколько объектов, то один и тот же электрический ток, проходя в цепи первый объект, затем проходит по очереди и все остальные. Тем не менее ток может проходить из пункта А в пункт В и другими путями, которые могут быть, например, соединены отдельно тремя разными сопротивлениями R (100 Ом), R' (50 Ом), R” (30 Ом). Ток протекает в соответствии с разностью потенциалов между пунктами А и В, и она должна быть одной и той же независимо от того, каким путем идет электрический ток. (Например, при перемещении внутри здания с 12-го этажа на 10-й изменение гравитационного потенциала на протяжении двух этажей будет постоянной — не важно, спускаться ли на лифте, по лестнице или по веревке.)
Так как обычно эти три сопротивления на схемах изображаются параллельно, то соединение называется параллельным. Касательно параллельной электрической цепи можно сказать, что разность потенциалов всегда постоянна на каждом ее этапе.
Достаточно легко вычислить силу тока в каждом из участков с разными сопротивлениями, так как разность потенциалов и сопротивления нам известна. Если в бытовых домашних электросетях разность потенциалов равна 120 вольт, то, значит, такова же и разность потенциалов каждого из параллельных участков. Поскольку по закону Ома I = E/R, сила тока на первом участке равна 120/100, или 1,2 ампера, на втором — 120/50, или 2,4 ампера, и на третьем — 120/30, или 4 ампера.
Видно, что существует обратная связь между силой тока и сопротивлением на объектах в параллельной цепи. Так как противоположностью сопротивления является проводимость (С= 1/R), то можно сказать, что сила тока в параллельно соединенных объектах прямо пропорциональна их проводимости.
Представим, что точки А и В соединены очень длинной, компактно смотанной проволокой, настолько компактно, что эти точки разделяют одновременно и несколько метров проволоки, и 1 см воздуха. Можно считать, что проволока и воздух являются частями параллельной цепи. Таким образом, ток может поступать или через проволоку, или через небольшой слой воздуха. Однако сопротивление воздуха гораздо больше, чем проволоки, и через воздух проходит лишь минимальное количество тока. Практически весь электрический ток проходит через проволоку.
Если же слой воздуха уменьшить, то общее сопротивление воздушной пробки между пунктами А и В понизится и в ней будет обнаруживаться ток все большей и большей силы. По пути ток выбивает электроны из атомов воздуха, повышая тем самым способность воздуха проводить электричество при помощи электронов и положительно заряженных ионов, которые электроны оставляют после себя. В результате сопротивление воздушной пробки понижается еще дальше.
В один переломный момент этот порочный круг, в котором ток создает все больше ионов, вызывающих все больший ток, приводит к тому, что через воздух проходит ток в больших количествах, с искрами и треском, которые и привлекли такое внимание к лейденской банке (см. гл. 10). Так как ток выбрал наикратчайший путь из пункта А в В, данное явление назвали коротким замыканием. По проволоке и другим предметам из пункта А в пункт В ток больше не идет, и электричество в цепи пропадает.
При коротком замыкании, когда значительная часть прежней цепи выходит из строя, происходит внезапное снижение общего сопротивления в цепи. Сопротивление в искрящейся воздушной пробке очень низкое, возможно, даже ниже, чем в проволоке и других приборах цепи. В остатке цепи сила тока значительно возрастает, что приводит к увеличенному нагреву. В лучшем случае должен выйти из строя один из предохранителей, в худшем — искры в конце концов подожгут любой воспламеняющийся предмет, находящийся поблизости, что может привести к пожару.
Для снижения вероятности коротких замыканий обычно проволоку окружают изоляционным материалом: шелком, резиной, пластмассой и т. д. У этих веществ не только сопротивление выше, чем у воздуха, но и, будучи твердыми телами, они всегда разделяют две разные проволоки (даже если эти проволоки крепко прижимают друг к другу). Однако изоляция может изнашиваться, и тогда снова появляется опасность коротких замыканий.
Возвращаясь к нашим трем участкам с разными сопротивлениями в параллельной сети, зададимся вопросом: каково же общее сопротивление системы? Известно, что общая сила тока в цепи равна сумме сил тока на каждом ее участке. В нашем примере общая сила тока в цепи будет 1,2 + 2,4 + 4,0 = 7,6 ампера. Разность потенциалов между точками А и В параллельной цепи — 120 вольт. Следуя закону Ома R = E/I, общее сопротивление будет равно 120 вольтам, поделенным на общую силу тока в 7,6 ампера. Следовательно, общее сопротивление равно 120/7,6, т. е. чуть менее 16 Ом.
Следует обратить внимание, что общее сопротивление меньше каждого из трех взятых по отдельности сопротивлений отдельных участков. Для того чтобы понять, почему так происходит, следует рассмотреть закон Ома R = E/I применительно к параллельной цепи. R обозначает общее сопротивление, I — общую силу тока, а E остается неизменной независимо от того, взят один объект или несколько. Сила тока равна сумме сил тока на каждом отдельном отрезке цепи (I, I' и I"). Следовательно:
Ri = E/(I + I' + I"). (Уравнение 11.9)
Обратив это выражение, получим:
1/Ri = (I + I' + I")/E. Уравнение (11.10)
Согласно закону Ома, I/Е должно равняться 1/R, I'/E — равняться 1/R' и I"/Е — равняться 1/R", индивидуальным сопротивлениям объектов параллельной цепи. Таким образом:
1/Ri = 1/R + 1/R' + 1/R". (Уравнение 11.11)
Поговорим об обратных соотношениях в уравнении 11.11. Можно сказать, к примеру, что обратное отношение общего сопротивления равняется сумме обратных отношений отдельных сопротивлений. Выходит так, что чем меньше величина, тем больше обратная ей, и наоборот. (Например, число 11 больше, чем 3, а 1/11 меньше, чем 1/3) Таким образом, исходя из того, что обратное соотношение общего сопротивления (1/Ri) равняется сумме обратных соотношений каждого сопротивления в отдельности и соответственно превосходит каждое из них в отдельности, общее сопротивление (Ri), как таковое, должно быть меньше каждого отдельно взятого сопротивления.
Важным свойством параллельных цепей является следующее: если в параллельной цепи произошел разрыв, то электричество исчезает только в том отрезке, где это случилось. Ток продолжает поступать из пункта А в пункт В по оставшимся отрезкам цепи. При параллельных цепях можно, например, пользоваться одной розеткой, в то время как другие остаются разомкнутыми. А если в параллельной цепи перегорает лампочка (в месте разрыва перегоревшей нити накала получается воздушная пробка), то другие лампочки продолжают гореть.
Батареи
На протяжении первой половины XIX века главным источником электрического тока был химический элемент питания, и, хотя по КПД он уже давно уступил пальму первенства другим источникам питания, он остается популярным и практически незаменимым при выполнении множества особых задач.
Наиболее известный тип гальванического элемента, используемого в наши дни, имеет в качестве отрицательного полюса сосуд из металлического цинка, а в качестве положительного полюса — угольный электрод в оболочке из двуокиси марганца[105]. Между ними находится водный раствор нашатырного спирта и хлористого цинка. В раствор добавляется крахмал в количестве, достаточном для формирования вязкой массы, чтобы раствор не вытекал из батарейки. Из-за того что батарейка не протекает, ее назвали «сухим элементом». Ее также называют батарейкой для фонарика, поскольку она часто используется в ручных фонариках. Существует и третье название — «элемент Лекланше»: сочетание цинк-углерод было получено впервые в 1868 г. французским химиком Жоржем Лекланше (1839–1882), правда, лишь 20 лет спустя была получена «сухая» форма этого сочетания.
Разность потенциалов между положительным и отрицательным полюсами химического элемента зависит от природы имеющих место химических реакций, то есть от того, насколько сильно вещества, составляющие полюсы, склонны присоединять или терять электроны. В случае с сухим элементом разность потенциалов должна в идеале равняться 1,5 В.
Разность потенциалов может увеличиться, если две батарейки или более будут соединены последовательно, то есть если положительный полюс одной батарейки будет подсоединен к отрицательному полюсу другой. В таком случае ток, вытекающий из первой батарейки, под действием разности потенциалов в 1,5 В входит во вторую батарейку и дает толчок производимому в ней току. Напряжение на выходе второй батарейки, таким образом, будет составлять 3,0 В — собственная разность потенциалов 1,5 В плюс разность потенциалов батарейки, к которой она подсоединена, — тоже 1,5 В. Когда элементы соединены последовательно, так что ток проходит через каждый из них, общая разность потенциалов равна сумме разностей потенциалов каждой отдельной батарейки.
Элементы можно соединить и параллельно, то есть положительный полюс — к положительному, отрицательный — к отрицательному. Общий ток не идет через все батарейки; наоборот, каждая батарейка отдает свою часть тока и получает обратно свою часть, так что разность потенциалов одной из них не влияет на разность потенциалов другой. Однако преимущество обеспечения напряжения в 1,5 В десятью элементами вместо одного заключается в том, что общее количество цинка в 10 гальванических элементах в 10 раз больше, чем в одном, и, таким образом, комбинация из 10 батареек будет давать ток в 10 раз дольше, чем одна.
К тому же есть такое понятие, как внутреннее сопротивление батарейки. Ведь ток идет не только через провода и приборы, которые составляют цепь, соединяющую положительный полюс с отрицательным; он идет также от полюса к полюсу внутри батарейки посредством химических реакций, происходящих в ней. Внутреннее сопротивление — это сопротивление этому электрическому току внутри батарейки. Чем выше сила тока, забираемого из батарейки, тем выше должна быть сила тока, проходящего через нее. Разность потенциалов, необходимая для того, чтобы пропустить этот ток через батарейку, зависит от силы тока: по закону Ома, Е = IR. R в данном случае — внутреннее сопротивление элемента, а E — разность потенциалов, приводящая ток в движение от отрицательного полюса к положительному (по представлениям электриков). Эта разность потенциалов имеет направление, противоположное тому, по которому идет ток от положительного полюса к отрицательному во внешней цепи вне элемента, так что внутреннюю разность потенциалов нужно вычесть из внешней. Итак, чем большую силу тока извлекать из батарейки, тем меньше становится даваемая ей разность потенциалов, и происходит это из-за внутреннего сопротивления.
Когда элементы соединены последовательно, внутреннее сопротивление последовательной цепи равно сумме внутренних сопротивлений отдельных батареек. Разность потенциалов может увеличиться, но десять последовательно соединенных элементов будут так же чувствительны к высоким силам тока, как и один элемент. А вот когда элементы соединены параллельно, общее внутреннее сопротивление элементов цепи будет меньше, чем внутреннее сопротивление любой отдельной батарейки, как и в случае с обычными сопротивлениями. Параллельное соединение, таким образом, может обеспечивать большую силу тока без потери в разности потенциалов, чем один элемент, хотя максимальная разность потенциалов будет такой же.
Электрические батареи различных типов сослужили хорошую службу техническому прогрессу и остаются весьма полезными. На батарейках работают не только карманные фонарики, но и множество других устройств — от детских игрушек до радиоприемников. Химики вроде Дэви использовали их даже для совершения научных открытий, для которых требовались весьма солидные количества электроэнергии. Однако по-настоящему глобальное использование электричества, например для обеспечения электропитания огромных заводов или освещения целых городов, не может быть осуществлено простым соединением миллионов гальванических элементов — это было бы слишком дорого.
Сухой элемент, к примеру, получает свою энергию путем превращения металлического цинка в ионы цинка. С химической точки зрения это равносильно сжиганию цинка — его использованию в качестве топлива. Когда сухая батарея дает ток в 1 А, она потребляет 1,2 г цинка в час. В течение этого часа батарея будет давать мощность 1,5 В x 1 А, то есть 1,5 Вт. Таким образом, 1,5 Вт-ч эквивалентно расходу 1,2 г цинка, а 1 кВт-ч (1000 Вт-ч) равен расходу 800 г цинка. Если бы типичная современная американская семья использовала в качестве источников питания сухие батареи, то при среднем уровне потребления электроэнергии она легко бы «съедала» 8 т цинка в день, не говоря уж о других материалах. Это было бы не просто баснословно дорого, но даже весь цинк, производимый в мире, не мог бы поддерживать экономику, в которой каждая семья потребляла бы цинк в таких количествах. На самом деле наш современный электрифицированный мир просто не смог бы существовать на основе обычных гальванических элементов[106].
Одним из способов уменьшить расходы может стать обращение химических реакций в батарее, чтобы вещества, служащие полюсами, могли быть использованы вновь и вновь. Для сухой батареи это непрактично, однако существуют ведь заряжаемые батареи (аккумуляторы). Наиболее распространенные из них — это элементы, в которых отрицательным полюсом является металлический свинец, а положительным — пероксид свинца. Полюса разделяются достаточно концентрированным раствором серной кислоты.
Когда такая батарея разряжается и из нее извлекается электрический ток (при разнице потенциалов около 2 В на каждую батарею), протекающие при этом внутри элемента химические реакции превращают как свинец, так и его пероксид в сульфат свинца. Во время этого процесса также расходуется серная кислота. Если электричество запускают обратно в батарею (то есть если отрицательный полюс источника питания, работающий при разности потенциалов более 2 В, подсоединяют к отрицательному полюсу батареи, а положительный полюс источника — к положительному полюсу, так что она начинает работать «вспять» вследствие импульса, который сильнее, чем ее собственный), то химическая реакция начинает развиваться в обратном порядке. Вновь формируются свинец и пероксид свинца, а раствор серной кислоты становится более концентрированным. Батарейка снова заряжается. Подобный элемент был впервые создан в 1859 году французским физиком Гастоном Планте (1834–1889).
Грубо говоря, кажется, что когда батарея перезаряжается, то электричество в нее поступает и там хранится. В действительности это не так. Электричество в ней не хранится: попросту происходит химическая реакция, в результате которой появляются химические элементы, которые, в свою очередь, производят электричество. Таким образом, в них хранится химическая энергия и подобные батареи называются аккумуляторными батареями. Именно такие батареи (обычно они состоят из 3–6 последовательно соединенных батарей из свинца и его пероксида) располагаются под капотами автомобилей.
Аккумуляторные батареи тяжелы (из-за содержащегося в них свинца), опасны в обращении (из-за содержащейся в них серной кислоты) и дороги. Тем не менее, из-за того что эти батареи можно часто перезаряжать, ими пользуются на протяжении многих лет без замены и их пользу нельзя недооценивать.
Однако откуда берется электричество для перезарядки аккумуляторных батарей? Если электричество поступает из обычных неперезаряжающихся батарей, то мы опять возвращаемся к самому началу. Вполне очевидно, что, для того чтобы аккумуляторные батареи пользовались массовым спросом, источник электричества для их подзарядки должен быть дешевым и легкодоступным. Например, в автомобилях аккумуляторные батареи постоянно заряжаются от энергии сжигаемого бензина, что намного дешевле и доступнее, чем энергия сжигаемого цинка.
Для того чтобы объяснить, как сжигаемый бензин способствует электроэнергии, мы обратимся к одному простому, но очень важному опыту, проведенному в 1819 году.
Глава 12.
ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ
Опыт Эрстеда
С начала XIX века электричество и магнетизм стали восприниматься как две абсолютно независимые друг от друга силы. То есть, конечно, и электричество, и магнетизм сильны, обоим им свойственны отталкивание и притяжение, действие обеих сил слабеет по мере увеличения расстояния обратно пропорционально его квадрату. Однако магнетизм действовал только на железо и (в небольшой степени) на некоторые другие вещества, в то время как электричество казалось всепроникающим в своих проявлениях. Магнетизм проявлял полюса только в парах, а в электричестве они обнаруживались по отдельности; и не существовало никакого магнитного тока, подобного электрическому. Различий обнаруживалось больше, чем сходств.
Однако в 1819 году в результате простого эксперимента, который провел в ходе лекции (без какого-либо ожидания великих последствий) датский физик Ханс Кристиан Эрстед, было совершено важное открытие. Он использовал в ходе лекции сильную батарею и приблизил проволоку, по которой был пропущен ток, к компасу таким образом, что эта проволока была параллельна линии север — юг и соответственно стрелке компаса. (Сейчас неясно, что именно ученый пытался доказать с помощью своих действий.)
Так или иначе, когда Эрстед положил проволоку поверх стрелки компаса, стрелка резко повернулась и благодаря току, идущему по проволоке, стала показывать направление восток — запад. Физик был крайне удивлен, но пошел еще дальше и пустил электрический ток в обратном направлении, присоединив проволоку к электродам в обратной последовательности. Теперь стрелка компаса снова резко повернулась, но в обратную сторону.
Как только Эрстед объявил о своем открытии, физики всей Европы начали проводить дальнейшие опыты, и вскоре стало ясно, что электрические и магнитные явления тесно связаны, то есть теперь нужно было говорить уже об электромагнетизме.
Французский физик Доминик Франсуа Жан Араго почти сразу показал, что проволока с электрическим током не только притягивала намагниченную стрелку, но и размагничивала железные опилки, так же как и прямо направленный магнит. Магнитная сила, неразличимая в обычных магнитах, проявилась в действии электрического тока. Несомненно, поток электрического тока является магнитом.
Чтобы показать это более наглядно, можно было воспользоваться железом, как намагниченным, так и ненамагниченным. Если два магнита притягивались друг к другу или отталкивались (это зависит от того, как были расположены их поля), то же самое должно было быть справедливым и для двух проводов, каждый из которых нес электрический заряд.
Это было продемонстрировано в 1820 году французским физиком Ампером, в честь которого названа единица измерения силы тока. Ампер начал свой опыт с двух параллельных проводов, каждый из которых был подсоединен к отдельной батарее. Один провод был закреплен, а второй свободно двигался по направлению к первому или от него. Когда ток шел в одном и том же направлении по обеим проволокам, подвижная проволока придвигалась к закрепленной, что позволяло говорить о явлении притяжения между носителями тока. Если ток двигался в противоположном направлении, то подвижная проволока отодвигалась, демонстрируя явление отталкивания. Далее, когда Ампер закреплял носители тока таким образом, что подвижная проволока могла свободно вращаться, то в тех случаях, когда ток проходил по проволокам в противоположных направлениях, она поворачивалась на 180°, пока ток не двигался снова в одном и том же направлении по обеим проволокам. (Так же как и маленький магнит, северный полюс которого поднесен к северному полюсу второго, будет поворачиваться, стремясь соединиться с южным полюсом второго магнита.)
Кроме того, если текущий ток является магнитом, он должен обнаруживать силовые магнитные линии, так же как и обычный магнит, и эти силовые линии должны увлекать за собой стрелку компаса. Поскольку стрелке компаса свойственно поворачиваться в направлении, перпендикулярном течению тока по проволоке (независимо от того, держат ли проволоку над компасом, под ним или сбоку), магнитные силовые линии проволоки с током появляются в форме концентрических цилиндров около этой проволоки. Сделав поперечное сечение проволоки, можно увидеть силовые линии в форме концентрических окружностей. Это можно продемонстрировать с помощью проволоки с током, проходящей вверх сквозь маленькую дырочку в положенном горизонтально куске картона. Если рассыпать железные опилки по картону, то они расположатся кругами вокруг проволоки.
В случае с обычным магнитом принято считать, что силовые линии имеют направление — от северного полюса к южному. Поскольку северный полюс стрелки компаса всегда указывает на южный полюс магнита, она всегда указывает в условно принятом направлении силовых линий, а также показывает направление силовых линий находящейся рядом проволоки с током, что позволяет выяснить направление тока.
Ампер принял допущение Франклина о течении тока от позитивного электрода к негативному. Если проволока была направлена таким образом, что, в терминах этого допущения, ток шел бы непосредственно по направлению к наблюдателю, то силовые линии, исследованные при помощи стрелки компаса, двигались бы вокруг проволоки по часовой стрелке.
Чтобы легче было запомнить, Ампер разработал то, что позже будет названо «правилом правой руки». Представьте, что вы держите проволоку с током в правой руке; обхватите ее кистью руки, при этом большой палец будет параллелен проволоке и укажет направление течения тока. Обхватывающие ее пальцы, от ладони к кончикам ногтей, будут показывать направление магнитных силовых линий.
(Вполне возможно определить вместо условного направления тока направление потока электронов. Этот поток движется противоположно течению тока, поэтому если вы будете использовать тот же способ, то придется задействовать левую руку, которой нужно обхватить проволоку. При этом большой палец укажет направление потока электронов, а пальцы — направление силовых линий.)
Проволока с идущим по ней током, так же как и магнит, может принимать самые различные формы, не обязательно прямого прута. Например, из проволоки можно сделать петлю. В таком случае силовые линии, находящиеся снаружи петли, проходят далеко друг от друга, а находящиеся внутри ее скучены вместе. Следовательно, магнитное поле внутри петли сильнее, чем снаружи.
Теперь представьте, что проволока скручена не в одну петлю, а в несколько и напоминает диванную пружину. Такая форма называется спираль, или соленоид (от греческого, означающего «в форме трубы»). В таком соленоиде силовые линии каждой петли будут усиливать соседние линии, а результирующая сила будет охватывать внешнюю часть спирали от начала до конца. Затем силовые линии перейдут на внутреннюю часть соленоида, чтобы вернуться к его началу. Чем больше отдельных петель или витков содержит соленоид, тем сильнее поле и тем больше линий сконцентрировано внутри спирали. Если витки расположены близко друг к другу, то сила поля еще увеличивается, а внутри соленоида еще более усиливается магнитный поток.
Иначе говоря, поток внутри соленоида изменяется прямо пропорционально количеству витков (N) и обратно пропорционально длине проволоки (L). Следовательно, он изменяется прямо пропорционально N/L. Сила магнитного поля, созданного электрическим током, зависит также от силы тока. Ток в 2 ампера произведет на заданном расстоянии от проволоки магнитное поле, которое будет в 2 раза сильнее, чем поле, произведенное током в 1 ампер в тех же условиях. В случае с соленоидом мы получим следующее отношение для магнитного поля, которое практически одинаково во всей его внутренней части:
H = 1,25NI/L, (Уравнение 12.1)
где H — это сила магнитного поля в эрстедах; I — сила тока в амперах; N — количество витков в соленоиде; L — длина спирали в сантиметрах.
Отношение между силой магнитного поля и силой тока дает возможность определить ампер через магнитную силу. Если в двух длинных параллельных проводах, расположенных на расстоянии один метр друг от друга, течет постоянный ток одной и той же силы, производящий взаимную силу (притяжения или отталкивания) в 2∙10–7 ньютонов на метр длины, этот ток имеет силу 1 ампер. Таким образом, получается, что ампер можно определить через механические единицы измерения, а остальные единицы электричества могут быть определены через ампер. (Поскольку именно работа Ампера сделала возможным дать такое механическое определение электрической единице, то она и была названа его именем.)
Соленоид ведет себя так, как будто это магнитный брусок, сделанный из воздуха. Это подтверждает предположение о том, что в обычных магнитных брусках происходит то же, что и в проволоке, скрученной петлями, по которой пропущен ток. Однако до XX века оно пребывало не более чем предположением. Лишь после того как существование электрона и его место в атоме уже были хорошо изучены, обычные магнитные явления стали объяснять вращением электронных зарядов внутри атомов. В некоторых случаях электронные вращения внутри атомов могут быть уравновешены, поскольку одни вращаются по часовой стрелке, а другие — против часовой стрелки, так что результирующей магнитной силы наблюдаться не будет. В других случаях, особенно это касается железа, вращения не уравновешены и магнитная сила может стать очевидной, если сами атомы выровнены соответствующим образом.
Таким образом, появляется возможность объяснить магнетизм Земли. Даже если допустить, что жидкое железо Земли имеет температуру выше точки Кюри (см. гл. 9) и не может быть обычным магнитом, тем не менее возможно, что вращение Земли создает в этой жидкой магнитной системе медленное вихревое движение с электрическим зарядом и что ядро Земли ведет себя скорее как соленоид, нежели как магнитный брусок. Эффект получается одинаковый.
Если это так, то планета, не обладающая жидким ядром, в котором могли бы возникнуть завихрения, или вращающаяся недостаточно быстро, чтобы привести вихри в движение, не будет обладать значительным магнитным полем (если вообще будет им обладать). Факты, собранные в результате современных опытов с ракетами, кажется, подтверждают это. Плотность Луны составляет всего 3/5 от плотности Земли, и это заставляет полагать, что на Луне нет плотного жидкого железного ядра значительного размера, — и исследования Луны ясно показали, что сколь-либо значимого магнитного поля она не имеет.
Венера же, напротив, очень похожа на Землю в отношении размера и плотности, и, вероятно, на этой планете имеется жидкое железное ядро. Однако астрономические данные, полученные в 1960-х годах, показали, что Венера вращается медленнее, приблизительно один раз в 200 с лишним дней. И на Венере тоже, по данным, полученным с «Маринера II» (аппарата-исследователя Венеры), значимое магнитное поле отсутствует.
Юпитер и Сатурн, которые намного больше Земли, тем не менее вращаются быстрее и обладают значительно большими магнитными полями, чем Земля.
Солнце представляет собой сплошь текучую среду, скорее газообразную, чем жидкую, а в результате вращения в его магнитной системе, бесспорно, присутствуют вихри. Возможно, что именно такие вихри объясняют наличие магнитного поля у Солнца, особенно учитывая «пятна» на нем. У некоторых звезд обнаружены гораздо более сильные магнитные поля, чем у Солнца, а что касается галактик, считается, что магнитные поля галактик имеют размеры, сопоставимые с размером самих галактик.
Дата: 2019-07-24, просмотров: 196.