Александр Леонович - Физика без формул

Огромную роль в понимании электрических явлений сыграл закон, открытый скромным немецким учителем Георгом Омом. Его предшественники были весьма близки к установлению этого закона, однако не смогли его сформулировать. Поставив многочисленные опыты, Ом уловил важную связь. Сила тока, текущего через проводник, будет тем больше, чем большее напряжение создаст на его концах источник тока. С другой стороны, если мы начнем увеличивать сопротивление проводника, оставив в покое напряжение, то заметим, как ток тут же уменьшится.

Георг Ом(1787–1854) — немецкий физик. Экспериментально открыл основной закон электрической цепи, вывел его теоретически. Глубоко изучил явление электрического сопротивления, ввел важные для электротехники понятия. Установил различие между основным тоном звука и добавочными — обертонами. Также проводил исследования в области оптики.

Этот закон лег в основу всех последующих расчетов электрических цепей. Вот, например, в некоторых театрах свет гасят не мгновенно, а постепенно. Добиваются этого тем, что медленно увеличивают сопротивление, включенное последовательно с лампами. Иногда мы замечаем, что в наших квартирах резко вспыхивают или угасают электролампы. И мы уже автоматически говорим: напряжение возросло или упало. Все это — действие закона Ома.

Чтобы в наших домах или приборах не возникло пожаров от короткого замыкания, на входе в квартиру вставляют в электрическую цепь предохранители. Их сопротивление подбирают так, что при большом токе они, нагревшись, могли бы разомкнуть цепь. И на время «обесточить» квартиру или прибор.

А вот заслуги в исследовании электричества и необыкновенное трудолюбие принесли Ому славу и позволили, в конце концов, полностью посвятить себя научной работе. Его имя получила единица измерения электрического сопротивления — 1 Ом.

В своих опытах Георг Ом использовал интересный источник тока. Две проволочки — медная и висмутовая — местами своего соприкосновения погружались в кипяток и в лед. Со времен Гальвани было известно, что при контактах разнородных металлов может появиться электричество. А если, как это делал Ом, поддерживать два таких контакта при постоянных, но разных температурах, то по проволочкам потечет равномерный ток. Вот такой источник, а называется он термоэлемент, очень помог Ому.

Эффективность этого элемента, к сожалению, довольно мала. Однако возможность перевести тепловую энергию в электрическую подсказала и другие, как бы встречные идеи.

Сейчас покажется очевидным, что электричество доставляет нам в дома практически всю необходимую энергию. А ну-ка, пройдемся по своей квартире. Кроме батарей центрального отопления, пожалуй, все остальные нагревательные приборы «питаются» электричеством. У многих на кухнях стоят электроплиты. Подогреть воду зачастую предпочитают в электрическом чайнике и электросамоваре. Бывает, что в холодные дни, когда отключают на ремонт водяное отопление, вы призываете на помощь электрокамины.

Не удивляйтесь, если вы, даже включив свет, не обнаружите в доме еще несколько источников тепла, потребляющих электричество. Но вы сразу догадаетесь, о чем речь, когда поспешите выкрутить из патрона перегоревшую лампочку. Обожглись? Так что же, разве лампочка — не источник тепла? Увы, ваше предположение о том, что она — источник света, верно лишь отчасти. На излучение света лампой тратится лишь несколько процентов электроэнергии. Все остальное — тепловые потери.

Таким образом, возможность перехода электрической энергии в тепловую оказалась для нас очень важной. Иногда, как в нагревателях, хотелось бы тепла получить побольше, а вот в примере с лампочкой — поменьше.

Что же требуется для того, чтобы тек электрический ток? Какие условия обязательно должны выполняться? Первым делом, разумеется, должны быть в наличии носители заряда — заряженные частички, к примеру, электроны. Второе условие: необходима сила, которая будет их «тащить» вдоль проводника.

Но почему мы говорим только об отрицательно заряженных электронах? Ведь если включить ток в электрической цепи, то выяснится, что полный заряд всех ее элементов может быть равным нулю. Тогда закон сохранения заряда подскажет нам, что кроме электронов в нашей цепочке скрывается ровно столько же зарядов положительных. И правда, прошло не так уж много времени после открытия электрона, как были обнаружены его товарищи-напарники. Их назвали протонами, они в пару тысяч раз помассивнее электрона, а вот заряд имеют точно такой же, но положительный. Комбинации этих двух видов заряженных частиц обеспечивают протекание тока во всех известных случаях, хотя ясно, что легоньким электронам это удается лучше.

А вот другой закон сохранения — энергии— позволил «разложить по полочкам» все ее переходы внутри электрической цепи, какой бы сложной она ни была. Судите сами. Что подает энергию в цепь? Батарейка, аккумулятор, генератор тока на электростанции. Все они совершают работу, преобразуя в электрическую иные виды энергии, скажем, химическую или механическую. А дальше все происходит, как в любой известной нам машине. Часть электрической энергии идет на нужный нам нагрев, положим, воды в электросамоваре или воздуха в комнате, либо — на механическую работу, как в электрокофемолке или пылесосе. И, конечно, неминуемы потери, которые, как всегда, учтет коэффициент полезного действия нашего устройства.

Закон сохранения энергии в применении к электрическим цепям был установлен двумя физиками: английским — Джеймсом Джоулем и российским — Эмилием Христиановичем Ленцем немногим более 170 лет назад.

Отчего же все-таки при протекании электрического тока проводники нагреваются? И даже могут излучать свет? Многие десятилетия нагревательные и осветительные приборы создавали подбором, наблюдая и описывая лишь внешние эффекты. Вот, например, этот металл или угольный стерженек раскаляется ярче, чем какой-то другой. А не попробовать ли еще какой-нибудь — вдруг будет лучше? Понятно, что такой метод — метод проб и ошибок — был не очень продуктивным. С другой стороны, отдадим дань упорству и настойчивости десятков изобретателей, которые шли этим нелегким путем.