Эрик Роджерс - Физика для любознательных. Том 3. Электричество и магнетизм. Атомы и ядра

Пересечение двух проводов, которые не имеют между собой контакта , для ясности показывают на схеме так, как на фиг. 14, а . Соединение проводов изображают точкой (фиг. 14, б ). Не чертите пересечений проводов без переходов и без точек — это новейшее условное обозначение может вас запутать, хотя от некоторых радиоинженеров можно услышать, что «это очевидно для каждого, кто понимает, что имеется в виду».

Фиг. 14.

Названия «положительный» и «отрицательный» ввел Бенджамин Франклин. Мы могли бы вместо этого употребить названия А к Б , но арифметические понятия «плюс» и «минус» удачно напоминают, что речь идет здесь о «противоположных» электрических зарядах, которые могут нейтрализовать друг друга точно так же, как положительные и отрицательные числа, +6 и —6, при сложении дают в сумме нуль.

Применение амперметров в лаборатории. В самых распространенных типах амперметров, если поменять местами провода, идущие от батареи к зажимам амперметра, стрелка прибора отклоняется в обратную сторону. Это вполне подходящее основание для утверждения, что два полюса батареи неодинаковы. Чтобы избежать неправильного включения и повреждения прибора, изготовители амперметров помечают один зажим знаком плюс. Амперметр не имеет реальных полюсов «+» и «—», как батарея, поэтому пометка зажимов амперметра соответствует не его физическим особенностям, а лишь некоему произвольному условию, заключающемуся в следующем: зажим, к которому подводится провод от «плюса» источника питания, помечается знаком «+».

Фиг. 16.

Хороший амперметр очень легко испортить. Стрелка прибора прикреплена к рамке, которая вращается в подшипниках из драгоценного камня с очень малым трением, как баланс в наручных часах. Точки опоры на концах оси рамки не представляют собой точек в геометрическом смысле слова — слишком острый конец оси согнулся бы и затупился, но площадь торцов оси, опирающихся на камни, чрезвычайно мала. Вес подвижной системы, действующий на эту малую площадь опоры, создает колоссальное давление , которое в хороших измерительных приборах может быть порядка тонны на 1 см 2и может затупить острие опоры. Если резко опустить прибор и поставить его на стол, то отрицательное ускорение, во много раз превысившее g , приводит к многократному возрастанию давления на опору. Острие может затупиться, и произойдет заедание стрелки прибора. Ремонт таких амперметров стоит дорого, и обращаться с ними нужно очень осторожно.

Слово «реостат» означает «успокоитель» или «регулятор потока». Обычные лабораторные реостаты представляют собой однослойную катушку из проволоки, сделанной из специального сплава, которая присоединена концами к зажимам А и Б ; по катушке перемещается ползунок Г , имеющий электрический контакт с проволокой и присоединенный к зажиму В . Чтобы получить переменное сопротивление, нужно использовать два из трех зажимов.

Фиг. 17.

В русской терминологии величину электрического тока называют также «силой тока». — Прим. перев .

Имея в виду наше определение, основанное на скорости электролитического осаждения меди, мы можем экспериментально исследовать магнитное действие тока, как это сделали Ампер и Эрстед свыше ста лет тому назад. В последние годы физики пришли к соглашению изменить логический порядок построения стандартной системы электрических единиц и понятий. Современное официальное определение единицы силы тока исходит из того, что токи пропорциональны их магнитным действиям. Ампер определяется через силу взаимодействия между двумя параллельными проводниками, по которым текут токи, обусловленную магнитным полем токов. (В соответствии с этим подходом магнитное действие пропорционально току по определению, а химическое действие тока подлежит экспериментальному изучению.) Эта новая система упрощает задачу точного воспроизведения эталонов. Система, которая принята в нашем курсе, основанная на скорости электроосаждения меди, позволяет скорее прийти к ясному пониманию вопросов в целом и лучше представлять себе, что такое амперы, кулоны и т. д., поэтому мы и будем пользоваться этой системой. Обе системы одинаково логичны, но смешение их было бы страшно нелогично.

По имени французского экспериментатора Кулона , который установил примерно 170 лет тому назад закон для сил взаимодействия между такими порциями электричества. В дальнейшем вместо привычного термина «заряд» часто используется образное выражение «кулон».

Простые опыты ничего, однако, не говорят нам об их фактической скорости, поскольку мы не знаем общего числа кулонов, текущих по проводнику. Мы считаем теперь, руководствуясь косвенными данными атомной физики, что полный движущийся заряд, представляющий собой ток в металле, составляет огромную величину. В куске тонкой медной проволоки длиной 30 см ток осуществляют примерно 10 22электронов (считая по два «электрона проводимости» на атом). Заряд каждого электрона равен 1,6∙10 -19кулон, следовательно, суммарный движущийся заряд близок к 1600 кулон. Если по проволоке идет ток силой 1 а, то должен происходить дрейф электронов вдоль цепи со скоростью примерно 1/ 50см/сек или 1,2 см в минуту. (Этот дрейф — он-то и представляет собой ток — накладывается на хаотическое движение электронов в кристаллической решетке атомов металла, а это движение, как утверждает квантовая теория, происходит с огромной скоростью, свыше 320 км/сек.)

Современная квантовая теория утверждает, что эти «свободные» электроны обладают чрезвычайно высокой кинетической энергией, при всех температурах в 200 раз превышающей кинетическую энергию, которую они имели бы в результате «равного распределения энергии по степеням свободы» при комнатной температуре. Они имеют также очень большую среднюю длину свободного пробега, которая уменьшается при повышении температуры, отчего электрическое сопротивление возрастает.

Не следует затемнять существо этого опыта процедурой точного взвешивания. Опыт важен как часть цельного курса изучения электричества. Если взять амперметр для больших токов и лист меди площадью что-нибудь 30 x 30 см 2или больше, то выделившуюся медь легко взвесить, так что всем будет виден результат. Электролитическое осаждение, проводимое как демонстрационный опыт, может быть рассчитано на продолжительное время, в течение которого будут рассматриваться другие вопросы.