Электрические явления

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Умер Милликен в 1953 г.

Как же удалось измерить заряд отдельного электрона?

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

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

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

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

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

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

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

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

ОПЫТ РЕЗЕРФОРДА

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

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

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

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

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

Электрометр

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

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

Громоотвод

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

ЗАКОНЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКАОПЫТЫ ГАЛЬВАНИ

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

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

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

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

Последуем же за Гальвани в его опытах.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Явлений не было.

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

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

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

ВОЛЬТОВ СТОЛБ

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

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

Вольта брал две монеты, обязательно из разных метал- ] лов, и... клал их себе в рот — одну на язык, другую под язык. ; Когда он соединял монеты про- | волокой, то чувствовал солоноватый вкус. Из опытов, проведенных раньше, Вольта знал, что такой вкус вызывается электричеством.

Поставив друг на друга свыше ста металлических (цинк и серебро) кружков, разделенных бумагой, смоченной соленой водой, Вольта получил довольно мощный источник электричества — Вольтов столб.Присоединив к верхнему и нижнему концам столба проводники и взяв их в рот, Вольта убедился, что источник действует продолжительное время.

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

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

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

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

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

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

Модель гальванометра можно изготовить, используя электрический конструктор.

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

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

ИЗ ИСТОРИИ СОЗДАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЛАМПЫ

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

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

Рассказ первый

Дуга Петрова

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

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

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

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

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

Страницы: 1, 2, 3