Экскурсы в историю электродинамики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Экскурсы в историю электродинамики



План

К истории понятия электрического заряда и закона сохранения заряда

История закона Кулона

История закона Ома

К истории изучения электрической проводимости веществ

К истории законов электролиза

К истории вакуумной электроники

К истории открытия магнитного взаимодействия

К истории открытия явления электромагнитной индукции



К истории понятия электрического заряда и закона сохранения заряда

электрический заряд ом кулон

Открытие факта конденсации. В 1745 г. голландский ученый Питер Мушенбрек (1692 -- 1761) разослал из Лейдена сообщения об эксперименте, который вошел в физику под специальным названием «лейденского опыта».

Интересно отметить, что Мушенбрек -- выдающийся исследователь электричества и магнетизма -- энергично содействовал Петру I в оснащении Кунсткамеры физическими приборами.

«Я делал некоторые исследования над электрической силой,-- писал Мушенбрек,-- и для этой цели подвесил на двух шелковых шнурах железный прут и передавал ему электричество от стеклянного шара, который приводился в быстрое вращение и натирался прикосновением рук. На другом конце (левом) свободно висела медная проволока, конец которой был погружен в круглый стеклянный сосуд, отчасти наполненный водою. В правой руке я держал сосуд, левой же пробовал извлечь искры из наэлектризованного прута. Вдруг моя правая рука была поражена с такой силой, что все тело содрогнулось, как от удара молнии...»

Через тело Мушенбрека прошел ток разряда первого конденсатора, названного впоследствии лейденской банкой. «Я не согласился бы подвергнуться еще раз такому испытанию даже за королевский трон Франции»,-- писал Мушенбрек Реомюру. Винклер, повторивший опыты Мушенбрека, после удара получил сильные конвульсии и кровотечение из носа.

Лейденский опыт имел шумный успех и не только в кругах исследователей, но и в залах королевских дворцов.

Очень быстро выяснилось, что вода вовсе не обязательна для скапливания электричества, что существенно лишь наличие двух проводников, разделенных слоем диэлектрика. Около года понадобилось для того, чтобы лейденская банка приняла ту форму, которую она имеет уже более 200 лет.

В стремлении усилить электрические действия, Винклер начал соединять лейденские банки в батареи. Ему удалось таким путем получить искры, которые были видны и слышны на расстоянии до двухсот шагов.

В 1838 г. Фарадей ставит вопрос: «Имеет ли электричество реальное и независимое существование в виде жидкости или жидкостей?»

Ход рассуждений Фарадея таков: если существуют электрические жидкости, то, очевидно, количества их можно произвольно изменять независимо друг от друга. Можно также сообщить телу только положительный или только отрицательный заряд, В изолированном объеме' можно хотя бы в некоторый момент возбудить одно электричество без другого.

И Фарадей ставит серию разнообразных опытов с целью обнаружить указанные возможности. Он детально описывает их в первом томе «Экспериментальных исследований по электричеству». Однако во всех случаях он получает отрицательный результат. На этом основании формулируется следующее обобщение: «Невозможно ни создать; ни уничтожить одну из электрических сил без равного и соответствующего изменения другой».

Такова была первая формулировка закона сохранения электрического заряда.

Методические замечания.

1. Нужно разъяснить, почему Фарадей говорит не о сохранении заряда, а о сохранении силы. Не зная, как электрические заряды связаны с атомами вещества, он обращается к абстрактной форме, которая гармонировала со всей системой его физических воззрений. Фарадей исходил из философской концепции взаимной превращаемости сил природы и сохранения сил при их превращении. Электрический заряд он понимает как источник электрической силы. Таких источников два -- положительный и отрицательный. Как будет видно из дальнейшего, такое представление перейдет в теорию поля, где заряд рассматривается как источник силового поля.

Строгая формулировка закона сохранения электрического заряда кристаллизовалась только после открытия факта взаимной превращаемости элементарных частиц материи.

2. Раздел «Основы электродинамики»* начинается с рассмотрения электрических зарядов и их взаимодействия. Здесь исторический экскурс является необходимым элементом логики изложения. Нужно иметь в виду также то обстоятельство, что в начале изложения следует напомнить изученное в VII классе.

Цель может быть достигнута надлежащим подбором исторического материала. Здесь будет только следующая трудность. В раскрытии природы электричества центральную роль сыграло открытие факта накопления заряда и электрической природы молнии. Понятие электрической емкости вводите* только в конце рассматриваемого раздела, а искровой разряд еще дальше. Очевидно, о возможности накопления электрических зарядов необходимо говорить в VII классе.

Электростатический генератор (электрофорная машина) с лейденскими банками до сих пор используется в кабинетах физики. Естественно, что перед демонстрацией опытов по электростатике необходимо в общих чертах пояснить принцип действия генератора. Здесь и придется говорить о факте конденсации, о происхождении слов «лейденская банка».

В связи с конденсацией заряда находится и происхождение молнии. Два заряженных облака или заряженноеоблако и Земля являются обкладками гигантского конденсатора, и, показав искру от электростатического генератора, можно обратиться к молнии, как к искровому разряду.

Таким образом, в VII классе нужно рассказать о знаменитом лейденском опыте и опытах Франклина.

История закона Кулона

Закон Кулона является фундаментальным законам природы, имеющим поучительную историю открытия. Хотя он прост по форме, но глубок по содержанию. Раскрыть его с достаточной полнотой может предлагаемый исторический экскурс.

В предыдущем обзоре было описано происхождение гипотезы электрических жидкостей. Считалось, что электрические явления обязаны своим происхождением существованию невесомых жидкостей, частицы которых взаимодействуют между собой силами притяжения и отталкивания. Естественно, что для построения теории электричества необходимо было в первую очередь найти закон взаимодействия.

Еще в 1760 г. Д. Бернулли 1700 -- 1782) сообщил, что он с помощью специально сконструированного электрометра установил квадратичный закон взаимодействия наэлектризованных тел. Однако он не опубликовал своих результатов.

В 1767 г, в Англии вышла книга химика, физика и философа Джозефа Пристли (1733--1804) «История и современное состояние электричества с оригинальными опытами». В этой книге описывается эксперимент, который Пристли проделал по совету Франклина. Заряжался хорошо изолированный полый металлический сосуд. Внутрь сосуда вводились пробковые шарики. Шарики совершенно не испытывали силового действия, хотя снаружи оно было значительным.

Идея этого опыта была подсказана теорией тяготения Ньютона. Дело в там, что, согласно Ньютону, гравитационные силы, действующие на материальную точку, находящуюся внутри полой сферы, уравновешены.

Отсюда. Пристли приходит к гипотезе, что «электричество есть явление, которое следует такому же закону, как и тяготение», т. е. электрическая сила, как и сила тяготения, изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния.

Эта мысль была развита английским ученым Генри Кавендишем (1731 -- 1810). Кавендиш не опубликовал многих из своих исследований по электричеству. Почти сто лет рукописи хранили интереснейшие результаты, пока Максвелл не издал их, снабдив комментариями.

Кавендиш видоизменил опыт Пристли так, что получил возможность судить о законе, которому подчиняется взаимодействие электрических зарядов. Точность измерительного прибора позволила Кавендишу установить, что закон взаимодействия должен иметь вид: , где п не может быть больше 1/50. Такова предыстория открытия.

Закон был найден Шарлем Огюстеном Кулоном (1736 -- 1806): Кулон родился в Ангулеме. После окончания средней школы он поступил на военную службу. В Париже он получил инженерную подготовку и был направлен на остров Мартинику для строительства укреплений. В связи с ухудшением здоровья Кулон вернулся в 1776 г. во Францию и был назначен инженером по крепостным и водным сооружениям. Одновременно со службой Кулон начал научные исследования. Его привлекли вначале проблемы трения, кручения и сопротивления материалов.

Кулон --- автор ряда выдающихся исследований этих проблем. Его имя стало известно в научном мире в 1777 г. после опубликования работ, в которых были представлены результаты экспериментов по измерению кручения волос, шелковых нитей и металлических проволок.

В 1781 г. он получил за эти работы премию и стал членом Парижской Академии наук.

Методические замечания.

Закон Кулона относится к числу фундаментальных законов природы, его особенно важно закрепить на уровне понимания. Нужно иметь в виду следующие методические трудности.

1. Кулон измерял силу взаимодействия заряженных шариков, а пришел к закону взаимодействия электрических зарядов -- «количеств электричества».

Закон был получен в предположении, что силой тяготения между шариками можно пренебречь. Когда была измерена гравитационная постоянная, установлены единицы измерения, это интуитивное предположение получило количественное обоснование. Мы получили право говорить вместо «взаимодействие заряженных тел» -- «взаимодействие зарядов».

Чтобы соблюсти точность физического лексикона, нужно обязательно подчеркивать, что при движении заряженных микрочастиц в электрическом и магнитном полях мы уже не можем говорить «движение зарядов». Действительно, второй закон Ньютона, который управляет этим движением (если оно не релятивистское), записывается в виде:

-- для электрического поля

-- для магнитного поля. В обоих случаях , т. е. ускорение заряженной частицы, зависит не только от ее заряда, но и от массы.

2. Далеко не очевидно, что закон, установленный на основании экспериментов с макроскопическими телами, справедлив для взаимодействия заряженных микрочастиц. Однако в эпоху классической физики здесь не было проблемы, ибо ученые исходили из предположения, что законы макро- и микромира тождественны. Как известно, это предположение было, отвергнуто в связи с развитием квантовой и релятивистской механики. Однако закон Кулона оказался в известных пределах справедлив и для микромира.

В 1910 г. перед проведением своих знаменитых опытов Резерфорд построил теорию взаимодействия ?-частиц с ядрами атомов. При этом он исходил из предположения, что закон Кулона справедлив при расстояниях порядка диаметра атома. Теория блестяще подтвердилась опытами, приведшими к раскрытию структуры атома.

Современная физика считает, что закон Кулона перестает быть справедливым лишь при расстояниях порядка диаметра атомных ядер, в области действия ядерных сил,

3. Следует особо подчеркнуть, что закон Кулона является исходным для установления абсолютной единицы заряда, которая является базисной единицей измерения абсолютных значений всех электрических величин. Этот вопрос достаточно освещен в очерке «История систем измерения физических величин».

История закона Ома

В предыдущих исторических экскурсах было показано, как начинались исследования постоянного тока, как появился первый источник ЭДС, рассматривались действия электрического тока, в первую очередь - химическое действие.

Следующий шаг - поиски связи между величинами, характеризующими цепь постоянного тока: силой тока, ЭДС и сопротивлением цепи.

Обратимся к последовательности событий.

Уже в 1802 г. В. В. Петров отметил, что действие «вольтова столба» уменьшается при увеличении длины «замыкающей дуги» (внешней цепи) и увеличивается при увеличении ее поперечного сечения. В 1805 г. Риттер пришел к выводу, что «действие столба при неизменном напряжении зависит от суммы проводимости в столбе и замыкающей дуге». Наблюдения наводили на гипотезы. Вот одна из интересных мыслей, принадлежащих Дэви: «В вольтаическом столбе из цинка, меди и раствора соляно-кислого натрия, находящемся в том состоянии, которое называют «состоянием электрического напряжения», соприкасающиеся пластинки меди и цинка несут противоположные электрические заряды. По отношению к электричествам столь малой напряженности вода служит изолятором. Вследствие этого каждая медная пластинка увеличивает благодаря индукции количество электричества в противоположной цинковой пластинке, каждая цинковая пластинка увеличивает количество отрицательного электричества на противоположной медной пластинке. Интенсивность электричества растет вместе с числом пластинок в ряду, количество его -- вместе с их размерами» (подчеркнуто мною.-- В. Д.).

Под «интенсивностью электричества» Дэви понимает, очевидно, силу тока; «количество электричества» эквивалентно понятию емкости источника.

Пока физики не освоились с понятием силы тока, не научились ее измерять, невозможна была сама постановка вопроса о законе, поэтому нащупывались частные связи и закономерности. .

В 1815 г. уже было известно, что металлы имеют различную проводимость. В 1821 г. Дэви установил, что металлы можно расположить в ряд по возрастающей проводимости: железо, платина, олово, цинк, золото, медь, серебро. Он же доказал, что проводимость пропорциональна площади поперечного сечения проволоки и обратно пропорциональна ее длине. При этом Дэви опроверг утверждение о том, что проводимость зависит от площади поверхности проводника.

Дэви является автором широко известного наглядного опыта, показывающего различную проводимость металлов: звенья цепи составляются из металлов разной проводимости. Увеличивая силу тока, нагревают цепь; при этом одни звенья раскаляются добела, другие не изменяют своего вида.

Ключевым событием было открытие магнитного действия тока (1820) и установление пропорциональности между силой тока и магнитной силой. Понятие «электрический ток» получило количественную определенность: ток вызывает магнитную силу, пропорциональную силе тока. Долгое время вообще не говорили о силе тока, фигурировало понятие «магнитное действие». В 1820 г. немецкий физик Иоганн Швейгер (1779--1857) изобрел первый прибор для измерения силы тока -- мультипликатор. Он состоял из нескольких витков провода, внутри которых помещался компас. Теперь можно было ставить проблему поиска закона, и не случайно

Георг Симон Ом (1787 -- 1854) начал свои эксперименты вскоре после опубликования открытия Эрстеда.

Ом родился в Эрлангене. Учительствовал в Бамберге, Кельне, Берлинской военной школе, Нюрнберге. Только в 1849 г. уже в Мюнхене 62-летний ученый был назначен экстраординарным, а за 2-года до смерти ординарным профессором.

Было хорошо известно, что магнитное действие тока изменяется при изменении элементов, замкнутой цепи: источника тока и проводников, соединяющих полюса источника.

Существует ли закономерность, связывающая магнитное действие тока с величинами, характеризующими элементы замкнутой цепи? Такой вопрос, наверное, возникал у многих экспериментаторов.

Легко представить атмосферу, в которой начались поиски интуитивно чувствовавшейся закономерности. Понятия напряжения, падения напряжения, электродвижущей силы еще не сформулированы.- Идут споры о механизме действия гальванических элементов, неясно взаимоотношение электростатических сил и сил, возникающих при движении электричества; наконец, неизвестно, что такое электричество в покое и электричество в движении. Ом, например, в первых работах называет электрический ток «контактным электричеством».

Ом руководствовался следующей идеей. Если над проводником, по которому проходит ток, подвесить на упругой нити магнитную стрелку, то угол поворота стрелки даст информацию о токе, об его изменениях при вариации элементов замкнутой цепи.

Ом обратился, к идее Кулона и построил крутильные весы. Магнитная стрелка оказалась точным и чувствительным гальванометром.

В первых опытах, результаты которых Ом опубликовал в 1825 г. наблюдалась потеря силы» (уменьшение угла отклонения стрелки) с увеличением длины проводника, подключенного полюсам вольтова столба (поперечное сечение проводника было постоянным). Поскольку не было единиц измерения, пришлось выбрать эталон -- «стандартную проволоку». В качестве зависимой переменной фигурировало уменьшение силы, действующей на магнитную стрелку. Опыты обнаружили закономерное уменьшение этой силы при увеличении длины проводника. Функция получила аналитическое выражение, но Ом не претендовал на установление закономерности, потому что гальванический элемент не давал постоянной ЭДС.

Ом еще не понимал значения внутреннего сопротивления источника тока. Вольтов столб, с которым он экспериментировал, вмел внутреннее сопротивление, значительно превосходящее внешнее. Чтобы получить достаточные для оценки отклонения магнитной стрелки «гальванометра», приходилось, естественно, сводить до минимума сопротивление внешней цепи, которую определял, в сущности, короткий кусок металлического проводника. Ясно, что в такой ситуации точность установления зависимости силы тока от сопротивления металлических проводников была недостаточна. К тому же внутреннее сопротивление вольтова столба было далеко не постоянным.

И следует удивляться тому, что закономерность для описанной ситуации была нащупана в первом приближении верно. Однако до установления закона было еще далеко.

Успех дальнейших экспериментов Ома решило открытие термоэлектричества.

Немецкий физик Томас Иоганн Зеебек (1770 -- 1831) участвовал в большой дискуссии между сторонниками химической и контактной теорий. Он склонялся к мнению Вольта, что ЭДС возникает при контакте веществ независимо от наличия химического реагента, и искал доказательства.

В 1822 г. Зеебек изготовил спираль из медной полосы, внутри которой укрепил компас. Это был, по-современному, гальванометр с малым внутренним сопротивлением. Концы спирали присоединялись к разнородным металлическим пластинкам. Когда был взят висмутовый диск и положен на медный, магнитная стрелка вздрогнула. Эффекта не было, если диск брали не рукой, а с помощью предмета, имеющего комнатную температуру. В конце концов Зеебек выяснил, что эффект пропорционален разности температур двух контактов.

Одним из важнейших следствий открытия было то, что в руках экспериментаторов оказался источник, ЭДС которого можно было плавно регулировать и поддерживать постоянной.

Ом использовал термопару висмут -- медь; один спай помещался в лед, другой -- в кипящую воду. Чувствительность «гальванометра» пришлось, естественно, увеличить. Процедура измерений заключалась в следующем. Восемь испытуемых проводников поочередно включались в цепь. В каждом случае фиксировалось отклонение магнитной стрелки. Примитивная установка Ома понятна из рисунка 7. Результат экспериментов Ом выразил формулой:

,

где

X -- сила магнитного действия проводника (сила тока),

a -- постоянная, определяющая электровозбудительную силу термопары (ЭДС),

х -- длина испытуемого проводника (съемной части цепи),

b -- константа, определяющая проводимость всей цепи, кроме съемной ее части.

Это был второй шаг. Здесь, нет еще привычных нам понятий силы тока, ЭДС, внешнего, внутреннего сопротивлений. Они кристаллизуются постепенно.

В следующей работе (1826 г.) Ом вводит понятие «электроскопической силы», пользуется понятием силы тока и записывает закон для участка цепи уже в форме, близкой к современной:

где

X-- сила тока,

k -- проводимость,

w -- поперечное сечение проводника,

а -- электроскопическая сила (электрическое напряжение на концах проводника),

-- длина проводника.

Несмотря на убедительные экспериментальные данные и отчетливые теоретические основания, закон Ома в течение почти десяти лет оставался малоизвестным. Достаточно сказать, что Фарадей даже не подозревал о существовании закона; при описании опытов он вынужден был поэтому прибегать к перечислению данных об элементах цепей: количестве пластин в батареях, их размере, составе электролита, длине, диаметре и материале проводов.

Учителю физики Ому долгое время пришлось безуспешно доказывать маститым ученым, что он открыл важную истину. Внедрить закон в физику оказалось куда труднее, нежели открыть. И это естественно. Физическое мышление было еще не подготовлено к принятию общей закономерности (тем более из рук провинциального учителя). Напомним, что в 1832 г. (через пять лет после открытия!) Фарадей посвящает специальную серию исследований доказательству тождественности «обыкновенного», гальванического электричества, термоэлектричества и т. д. У Ома эта тождественность была уже самоочевидной. Электродвижущая сила могла иметь любую природу. В законе фигурировали величины, безразличные к качеству элементов цепи.

Смущала аналогия между течением электричества и тепла. Путала неоднозначность истолкования основных понятий: силы тока, напряжения, ЭДС, сопротивления. Внедрению закона, бесспорно, препятствовало отсутствие абсолютных единиц измерения электрических величин. Только в 1842 г. труд Ома был отмечен в Англии медалью Коплея. Тем не менее и после этого неоднократно высказывались сомнения в общности закона.

Ранее всех уверовали в закон Ома русские физики. В работах Ленца и Якоби закон Ома служил уже эффективным орудием исследования. Проверка закона Ома продолжалась почти в течение всего XIX в. В 1876 г. специальный комитет Британской ассоциации произвел точную проверку по методу, указанному Максвеллом. Справедливость закона Ома для жидких проводников была доказана Коном, Фитцджеральдом и Троутоном.

Методические замечания.

1. Чтобы подготовить эффективное восприятие истории закона Ома, нужно ввести вместе с понятием сопротивления понятие проводимости вещества (в программе это не подчеркнуто).

Методически выгоднее оперировать в первую очередь понятием проводимости. Здесь историческое совпадает с логическим и подкрепляет его. Понятие сопротивления ввести позже.

2. В экспериментах Ома важную роль сыграл источник термоэлектродвижущей силы. Явление термоэлектричества в школьном курсе не рассматривается, поэтому здесь придется выйти за рамки программы. Не углубляясь в существо явления, достаточно лишь фиксировать факт возникновения ЭДС при нагревании контакта двух металлических проводников. Демонстрация явления -- дело двух-трех минут: никелевая и железная проволочки скручиваются пальцами, концы подключаются к стандартному демонстрационному гальванометру. Пламени спички вполне достаточно для возбуждения термотока, соответствующего чувствительности гальванометра.

3. Центральную роль в открытии закона Ома сыграло установление связи между силой тока и действием его на магнитную стрелку. Компас был первым прибором для измерения силы тока. В программе IX класса не выделен пункт о действиях электрического тока: тепловом, химическом, электродинамическом, магнитном. Нужно, естественно, обратиться к изученному в VII классе.

К истории изучения электрической проводимости веществ

Как уже указывалось, Кулон впервые провел исследование проводимости диэлектриков. Он показал, что любой изолятор обладает малой, определенной для каждого вещества электропроводимостью. Одновременно с Кулоном исследованием электропроводимости веществ занимался Кавендиш. В его записках, относящихся к 1775 г., найдены уже сравнительные численные результаты. Так, например, Кавендиш установил, что железная проволока проводит ток почти в 400 000 000 раз лучше, чем дистиллированная вода. Интересно, что роль измерительного прибора при этом играло физиологическое ощущение тока.

Проблема электропроводимости веществ приобрела особую важность в связи с исследованием электрических цепей постоянного тока. Английский физико-химик Гемфри Дэви в 1821 г. исследовал зависимость проводимости внешнего участка цепи от длины проводника и его поперечного сечения. Он же установил, что проводимость металлических проводников уменьшается при их нагревании. Таким образом была впервые установлена -зависимость проводимости от температуры.

Первые систематические исследования электропроводимости провел Фарадей в 1833 г. Он показал, что все вещества в большей или меньшей степени проводят ток, поэтому абсолютной изоляции не существует. В результате многочисленных опытов Фарадей установил, что проводимость диэлектриков растет при нагревании, а при переходе через точку плавления все твердые диэлектрики становятся проводниками.

Английский ученый Гаррис в 1834 г. показал, что проводимость воздуха не изменяется при нагревании.

Изучение проводимости металлов стало важной технической проблемой в связи с развитием мировой системы телеграфной связи. Естественно возник вопрос об увеличении проводимости металлов. Физическая теория не давала ответа на этот вопрос, ибо был неизвестен механизм электропроводимости. В конце XIX в., после открытия электрона, начала развиваться электронная теория проводимости. Начала теории дал в 1900 г. немецкий физик Пауль Друде (1863--1906). Теория Друде вошла в учебные курсы физики под именем классической теории электропроводимости металлов. В этой теории электроны уподобляются атомам идеального газа, заполняющего кристаллическую решетку металла.

Теория Друде была развита Лоренцом. Однако она не дала объяснения целого ряда электрических и магнитных свойств металлов. В частности, наиболее трудным оказалось явление сверхпроводимости, открытое в 1911 г. голландским физиком Гейке Камерлинг-Оннесом.

Строгая теория электропроводимости металлов была развита после построения квантовой механики.

Теория проводимости электролитов в том виде, в котором она дается в школьном курсе физики, была развита шведским физикохимиком Сванте Аррениусом (1859--1927). Ему принадлежит ведущая идея электролитической диссоциации.

При исследовании проводимости жидкостей была установлена сильная зависимость проводимости от примесей, особенно резкая у воды, так как она является хорошим растворителем.Исследование проводимости газов привело к открытию различных форм газовых разрядов. Особую роль сыграли эти исследования в открытии электрона.

Электропроводимость полупроводников стали изучать только в 20-х годах XX в. В связи с открытием важных практических применений полупроводников исследования их электропроводимости, ее зависимости от примесей, температуры и других факторов ведутся в настоящее время особенно интенсивно.

К истории законов электролиза

Явление электролиза было открыто в самом начале XIX в. Первые систематические исследования тока в электролитах провел Фарадей в 1833--1834 гг.

В этот период Фарадей проводит пятую серию своих знаменитых экспериментальных исследований по электричеству, посвященную законам электролиза. Он устанавливает «чрезвычайно важный принцип... что количество воды, разложенной под влиянием электрического тока, в точности пропорционально количеству прошедшего электричества». И далее: «продукты разложения могут быть собраны с такой точностью, что дают превосходное и ценное средство для измерения электричества, участвующего в их. выделении».

Фарадей вводит первую электрическую единицу, «градус электричества», имеющую соответствующий эталонный прибор, который он называет вольта-электрометром.

Измеряя количество отложившихся на электродах веществ при электролизе, Фарадей приходит к следующему заключению: «что бы собой не представляло разлагаемое вещество: воду, растворы солей, кислоты, расплавленное тело и т. д.,-- для одного и того же количества электричества сумма электрохимических действий есть величина постоянная». «Сумма электрохимических действий» определяется массой вещества, отложившейся на электроде.

В такой форме впервые появился первый закон электролиза. Фарадей не ограничился формулировкой закона. Его конечная цель -- выяснение природы электрохимического разложения. Фарадей замечает, что электролиз возникает благодаря силам, которые по отношению к разлагаемому веществу являются внутренними, а не внешними.

Фарадей устанавливает, что электрохимические эквиваленты постоянны для каждого вещества, они пропорциональны химическим эквивалентам. Отсюда он приходит к фундаментальному обобщению: обычное химическое сродство является лишь простым следствием электрических притяжений различных по природе частиц материи.

Итак, носителем электрических сил являются не особые электрические жидкости, а частицы материи -- атомы.

«Имеется огромное количество фактов,-- пишет Фарадей,-- заставляющих нас думать, что атомы материи каким-то образом одарены электрическими силами или связаны с ними, им они обязаны своими наиболее замечательными качествами».

Важнейший из фактов, обосновывающих это представление, заключается в следующем: атомы тел, эквивалентные друг другу в отношении их обычного химического действия, содержат равные количества электричества, естественно связанного с ними.

Здесь же Фарадей определяет количество электричества, связанного с одним молем вещества, и находит названное его именем знаменитое число.

Однако дальше Фарадей не пошел. Дело в том, что его отношение к атомистике было противоречивым. С одной стороны, он пользуется атомистическими представлениями, с другой-- заявляет: «я не люблю слова атом». Атомистика еще находилась в стадии гипотез, а Фарадей проявлял, крайнюю осторожность.

Чтобы из законов Фарадея сделать вывод о существовании элементарного заряда, необходимо было четкое представление об ионе.

Понятие иона имеет сложную историю. Для избежания деталировки нужно сразу же обратиться к «Трактату по электричеству и магнетизму» Максвелла, вышедшему в 1873 г. Здесь Максвелл развивает атомистическую теорию электролитической проводимости и заключает: «Мы не знаем пока, сколько молекул находится в электрохимическом эквиваленте любого вещества, но молекулярная теория химии, подтверждаемая многими физическими соображениями, предполагает, что число молекул в электрохимическом эквиваленте одно и то же для всех веществ. Мы можем поэтому при рассуждениях предполагать, что число молекул в электрохимическом эквиваленте равно некоторому постоянному числу N; оно в данное время неизвестно, но впоследствии, возможно, найдутся способы его определений».

Следовательно, каждая молекула, будучи освобождена от связи с другими, несет заряд величиной в 1/N, положительный для катиона и отрицательный для аниона.

«Мы будем называть это определенное количество электричества молекулярным зарядом. Если бы оно было известно, оно явилось бы наиболее естественной единицей электричества».

Максвелл предложил назвать эту естественную единицу электричества «молекулой электричества». Мысль Максвелла была развита далее Гельмгольцем в речи, посвященной памяти Фарадея (1881 г.).

Эта речь была напечатана и распространена по всем странам в виде брошюры «Современное развитие взглядов Фарадея на электричество». Гельмгольц говорил: «Мы можем выразить закон Фарадея, сказав, что во всяком поперечном сечении электрического проводника происходят всегда эквивалентные друг другу электрическое и химическое движения. Одно и то же определенное количество положительного или отрицательного электричества движется с каждым одновалентным ионом или с каждым эквивалентом многовалентного иона и неразлучно сопровождает его во всех передвижениях, совершаемых им в жидкости. Это количество мы можем назвать электрическим зарядом иона».

Далее Гельмгольц подводит к понятию элементарного электрического заряда: «Если применить эту гипотезу к электрическим процессам, то она в соединении с законом Фарадея приводит к поразительным следствиям. Если мы допускаем существование химических атомов, то мы принуждены заключить отсюда далее, что также и электричество, как положительное, так и отрицательное, разделяется на определенные элементарные количества, которые играют роль атомов электричества».

К концу XIX в. был открыт, электрон и стало ясно, что «молекула электричества» Максвелла и «атом электричества» Гельмгольца есть заряд элементарной частицы вещества. Он и называется теперь элементарным зарядом.

Методические замечания.

1. Исторический экскурс в законы электролиза может послужить углублению ряда важнейших физических представлений. Но надо иметь в виду следующие методические трудности.

В разделе «Строение атома» программы VII класса вводится понятие элементарного электрического заряда, говорится об опытах Милликена и Иоффе. При изучении тока в электролитах нужно возвращаться к изученному, связать идеи опытов по «взвешиванию» заряженных частичек в электрическом поле с опытами по электролизу.

Самое трудное здесь -- выяснение понятия удельного заряда. Оно вообще не фигурирует в программе, а без него обойтись невозможно.

Дело в том, что в опытах по отклонению электронных пучков в электрических и магнитных полях или «взвешиванию» в электрическом поле, в опытах по электролизу мы измеряем не заряд, а отношение заряда к массе -- удельный заряд. Это естественно. Заряд неразрывно связан с элементарными части нами вещества, а они имеют массу (покоя). Это нужно разъяснить учащимся с самого начала.

2. Чтобы из закона электролиза вычислить элементарный заряд, нужно знать постоянную Авогадро. Она была достаточно точно определена только к концу XIX в. Учащимся полезно показать, что закон электролиза можно получить теоретически, исходя из идеи элементарного заряда и законов сохранения заряда и вещества.

Допустим, что в электролите движутся N ионов, каждый из которых несет заряд Ze0, где Z-- валентность, e0-- элементарный заряд. Масса осевшего на электроде вещества будет суммой масс ионов:

(1)

где m0-- масса иона.

Эти ионы принесут на электрод заряд:

(2)

Разделив (1) на (2), получаем:

Обозначая

(3)



получаем закон Фарадея: M = kq.

Умножая обе части (3) на постоянную Авогадро N0, получаем:

(4)

где М0 -- молярная масса вещества. Если обозначить , то

Эта связь долгое время фигурировала в учебниках в качестве второго закона Фарадея.

Таким образом, закон Фарадея является просто следствием законов сохранения и факта существования элементарного заряда.

Выражение (3) раскрывает физический смысл Фарадеевского электрохимического эквивалента вещества. Видно, что термин отнюдь не отражает сути дела. Речь идет о том, что эффект нарастания массы отложившегося при электролизе вещества зависит от отношения заряда иона к его массе. Из (3) и (4) следует, что для получения осадка с большей массой нужно брать вещество с большей молярной массой и меньшей валентностью.

К истории вакуумной электроники

Рассказ о начале вакуумной электроники может послужить введением к теме «Электрический ток в вакууме». Необходимо напомнить, что электрон был открыт Дж. Дж. Томсоном в 1897 г., но физики осваивали новую идею более пяти лет. Еще труднее было инженерам. Они еще долгое время оперировали понятием ион.

Начало было положено открытием термоэлектронов. В 1884 г. известный американский изобретатель Томас Альва Эдисон в поисках рациональной конструкции лампы накаливания обнаружил эффект, названный его именем. Вот его первое описание: «Между ветвями нити» лампочки накаливания, на одинаковом расстоянии от обеих, помещена платиновая пластинка, представляющая собой изолированный электрод... Если включить между этим электродом и одним из концов нити гальванометр, то при горении лампы наблюдается ток, который меняет свое направление, смотря по тому, присоединен ли к инструменту положительный или отрицательный конец угольной нити. Кроме того, его интенсивность возрастает вместе с силой тока, проходящего через нить».

Далее следует объяснение: «по-видимому, в этой лампе частицы воздуха (или угля) разлетаются от нити по прямым линиям, уносят электрический заряд».

Эдисон -- изобретатель, он не занимается анализом явления. Цитированными фразами, по существу, ограничивается содержание заметки. Это не больше как заявка на приоритет. Попытки Эдисона найти практическое применение эффекта успеха не имели.

Новый факт сразу же привлекает внимание исследователей. Вильям Прис* подвергает его тщательному экспериментальному обследованию. Но факт этот оказывается трудным. И хотя Прис в заключение своей работы говорит: «Совершенно очевидно, что эффект Эдисона обусловлен образованием дуги между угольной нитью и металлической пластиной, укрепленной в эвакуированной колбе лампы»,-- эффект остается для физиков загадкой.

В 1890 г. известный английский инженер и физик Джон Флеминг (1849--1945) сделал важный шаг к объяснению этого явления. Он связал эффект Эдисона с фактами разряда в „газах. «Исследованиями сэра Крукса,-- писал Флеминг,-- по-видимому, окончательно доказано, что первопричиной электрического разряда в высоком вакууме является поток заряженных частиц, исходящих из отрицательного электрода. Если это действительно так, то начальная электродвижущая сила, необходимая для возбуждения разряда через столь разреженный газ, естественно должна снизиться при нагревании отрицательного электрода, так как оно способствует отделению заряженных молекул от этого электрода» (курсив мой.-- В. Д.).

Мысль Флеминга была, уже подготовлена предыдущими исследованиями. Так, В. Гитторф одновременно с Эдисоном отмечает тот факт, что нагревание отрицательного электрода облегчает разряд в вакууме.

В следующем году Гольдштейн, узнав об открытии Эдисона, изучает газовый разряд в трубке с накаливаемой угольной нитью. Он устанавливает, что разряд наступает при меньшем напряжении, если угольная нить находится в накаленном состоянии.

Флеминг изучает изменения, происходящие в угольной нити, накаливаемой током, и находит очевидные следы эрозии. Все это ведет к гипотезе о том, что причиной эффекта Эдисона является выбрасывание заряженных молекул углерода из накаленного, проводника.

Флеминг продолжает изучение эффекта. В 1896 г. он публикует большую работу «Дальнейшее исследование эффекта Эдисона в лампах накаливания». В ней представлены результаты опытов с лампами 12 типов со всевозможными вариациями форм, размеров и расположения электродов. Но дело кончается все же полным непониманием сути явлений. Об этом свидетельствует заключение. «Эксперименты,-- пишет Флеминг,-- подтверждают мнение проф. Дж. Дж. Томсона, что газы, или по крайней мере некоторые газы в разреженном состоянии, являются очень хорошими проводниками, и это показывает, что большая часть препятствия проводимости через вакуумную лампу находится у электродов и может быть существенно изменена нагреванием катода до белого каления».

Дж. Дж. Томсон в 1889 г. использовал эффект для доказательства существования электронов. Эффект Эдисона стал средством исследования электронов. Это не могло не настроить на мысль, что при нагревании катода из него вылетают электроны.

В начале XX в. начала развиваться радиотехника. Наиболее важной проблемой с первых ее шагов была проблема детектора высокочастотных электромагнитных колебаний. Первым детектором был когерер. Но когерер был ненадежным устройством, и изобретатели искали другие возможности. На помощь пришел эффект Эдисона.

В 1889 г. немецкие исследователи Эльстер и Гейтель установили, что газоразрядная трубка с накаливаемым катодом обладает односторонней проводимостью. Это исследование развил Флеминг. В следующем году он сформулировал общее заключение: «Вакуумное пространство между двумя электродами, один из которых накален, а другой находится в холодном состоянии, обладает односторонней проводимостью для электрического разряда при условии, что эти электроды находятся на расстоянии среднего свободного пробега тех молекул, которые вырываются приложенным напряжением и уносятся с горячего отрицательного электрода».

«Молекулы», о которых говорит Флеминг,-- электроны, или, как мы теперь говорим, термоэлектроны. Но до понимания механизма процессов в электронной лампе еще далеко. Только после работ Ирвинга Лэнгмюра (1915) радиофизики начнут разбираться в сути дела.

Естественно, что выпрямляющее действие вакуумного диода явилось предметом особенно пристального внимания радиоинженеров.

В 1904 г. Флеминг увенчал свои многолетние исследования эффекта Эдисона изобретением вакуумного диода. В технике появилась первая электронная лампа -- детектор электромагнитных колебаний.



Независимым путем шел к той же цели американский изобретатель Ли де Форест (1873--1951). После продолжительных поисков он нашел наиболее перспективным для приема радиосигналов вакуумный диод. В 1903 г. он сконструировал лампу с угольной нитью и платиновой пластинкой, расположенной вблизи от нити. Если присоединить пластинку к источнику высокого напряжения, рассуждал де Форест, то ток через лампу будет проходить в соответствии с ее внутренним сопротивлением. Последнее должно измениться, если лампа находится в поле электромагнитных волн, так как, по мысли де Фореста, радиоволны должны ионизировать газ, находящийся между электродами. Изменения эти должны зависеть от качества радиосигнала; поэтому ток в анодной цепи должен изменяться в такт с сигналом.

Эти наивные рассуждения привели, однако, к гениальному изобретению.

С мыслью увеличить воздействие радиоволн на газ де Форест обернул баллон лампы в кусок фольги и соединил обкладку с антенной. Затем он сообразил, что устройство будет более эффективным, если третий электрод поместить внутрь лампы, расположив его между катодом и анодом.

При этом изобретатель рассуждал так. Угольная нить испускает электроны. Они должны бомбардировать атомы газа и создавать ионы (физика уже хорошо подготовила такое представление). Поток этих ионов под действием электрических сил должен направляться к аноду. Если на пути этого потока поставить электрод, соединенный с антенной, то радиосигнал будет воздействовать на поток, и ток в цепи будет изменяться в такт с сигналом.

Чтобы пропустить поток ионов через электрод, де Форест сначала перфорировал платиновую пластинку множеством отверстий; затем он перешел к сетке в виде проволочной решетки.

Так появился вакуумный триод, сделавший революцию в радиотехнике. В 1907 г. Ли де Форест взял патент на свое изобретение, которое он назвал аудионом1 (термин до сих пор сохраняется в американской и немецкой радиотехнической литературе).

Первая схема родоначальника миллиардов электронных лама изображена на рисунке 8.

Появление триода открыло возможность усиления слабых радиосигналов. Первый усилитель построил Либен** в 1910 г. В 1913 г. Э. Армстронг*** предложил метод регенеративного усиления сигналов, а в 1918 г. он создал первый супергетеродин. Генераторы незатухающих колебаний на электронных лампах появились в 1913 г., и уже в 1915 г. была осуществлена радиосвязь на 8000 км между Парижем и Гонолулу.

Особое значение для физики и техники имело изобретение электронно-лучевой трубки. Биография ее начинается с 1897 г., когда Ф. Браун построил катодную трубку, в которой электронный пучок, управляемый магнитным полем, падал на люминесцирующий экран. Трубка прошла долгий путь усовершенствований и дала начало многочисленному семейству осциллографов -- главных приборов при исследовании быстропротекающих процессов.

Более глубокие исследования эффекта Эдисона провел Оуэн Ричардсон. Начиная с 1900 г. он ставил эксперименты с целью выяснения зависимости силы тока, проходящего через диод, от температуры катода. Ричардсон впервые установил, что ток через диод не подчиняется закону Ома и при некотором напряжении достигает насыщения.

1 По-видимому, от лат. audio -- слышать и греч. ion -- идущий.

*Вильям Генри Прис (1834 - 1913) - английский электротехник, проводил эксперименты по передаче сигналов с использованием электрической и магнитной индукций. Помогал Г.Маркони получить его патент в Англии. (Прим. В.Ф.)

**Роберт Либен (Robert von Lieben) (1878-1913) Австрийский изобретатель, разработал (патент 1906) усилитель на лампе («трубке Либена») собственной конструкции. (Прим. В.Ф.)

***Американский ученый-радиотехник Эдвин Хоуард Армстронг (1890 - 1954). В 1912 г на базе триода Фореста изобрел генератор (получен патент в 1913 г). В 1918 г. изобрел сверхрегеративный, а в 1921 г - супергетеродинный приемники. Пионер в области частотной модуляции. Из-за многолетних судебных тяжб с фирмой RCA трагически покончил жизнь самоубийством. (Прим. В.Ф.)

К истории открытия магнитного взаимодействия

Со времен Древней Греции, вплоть до 1820 г. считалось, что электрические и магнитные явления имеют различную природу. Ряд ученых, среди которых центральное место занимает русский академик Ф.У.Т. Эпинус, высказывал гипотезу о существовании тесной связи между, электричеством и магнетизмом. Однако не было прямых доказательств существования такой связи.

Успех выпал на долю датского физика Ганса Христиана Эрстеда (1777--1851). Эрстед родился в Лангеланде. Свою деятельность он начал с изучения фармацевтики в аптеке отца. В 1794 г. Эрстед поступил в Копенгагенский университет, а в 1799 г. стал адьюнктом по кафедре фармацевтики на медицинском факультете. Далее он увлекается физикой и философией. С 1806 г. Эрстед становится профессором физики, устанавливает связи с. учеными Франции, Германии. Голландии и Англии, читает лекции, много экспериментирует. Его привлекают проблемы большого масштаба. В 1813 г. Эрстед публикует работу «Исследование тождества электрических и химических сил», где он доказывает, что «теплота и свет являются результатом электрического конфликта». Об интуитивном предчувствии связи между электричеством и магнетизмом говорят строки из его книги «Воззрения на химические законы природы», изданной в Берлине в 1812 г. и получившей широкую известность. «Следовало бы выяснить на опыте,-- писал Эрстед,-- действительно ли электричество в своем наиболее скрытом состоянии не оказывает никакого влияния на магнит как таковой». Не случайно успех пришел к тому, кто наиболее упорно искал. Результаты знаменитого опыта были сообщены ученому миру 21 июля 1820 г. в небольшом мемуаре «Опыты, относящиеся к действию электрического конфликта на магнитную стрелку».

На первой странице исторического мемуара Эрстед пишет; «Основной вывод из этих опытов состоит в том, что магнитная стрелка отклоняется от своего положения равновесия под действием вольтаического аппарата и что этот эффект проявляется, когда контур замкнут, и он не проявляется, когда контур разомкнут».

Эрстед считает, что «конфликт» происходит не только внутри проводника, но «имеет довольно обширную сферу активности вокруг него». «Этот конфликт образует вихрь вокруг проволоки»,-- пишет он и дает результату опыта следующее объяснение: «Отрицательная электрическая сила, или материя, описывает спираль слева направо и действует на северный полюс, не влияя на южный. Действие на южный полюс объясняется подобным же образом, если допустить, что положительная электрическая материя движется в противоположном направлении и обладает свойством действовать на южный полюс, не влияя на северный». В этом фантастическом объяснении выражена концепция близкодействия. Материя не действует там, где ее нет. Стрелка может поворачиваться только под действием электрической жидкости, вырывающейся из проводника. Мысль ученого является непосредственным, наивным выражением фактов.

Сообщение Эрстеда вызвало сенсацию. Всякий, кто умел сделать гальванический элемент и буссоль, заставлял магнитную стрелку двигаться под действием тока. Новые открытия вскоре посыпались, как из рога изобилия. Независимо, друг от друга Араго, Гей-Люссак и Зеебек открывают возможность намагничивания электрическим током. Араго показывает, что проводники с током подобно магнитам притягивают железные опилки. При этом открывается важный факт, что магнитное действие тока значительно усиливается, если проводник свертывается в спираль. Этим воспользовались И. Швейгер и И. Поггендорф для устройства первого измерительного электромагнитного прибора -- мультипликатора, появившегося в этом же 1820 г.

Сам Эрстед устанавливает факт взаимного действия тока н магнита. Закрепив магнит и освободив провод с током, он показывает, что магнит отклоняет проводник с током. Вслед за этим Фарадей открывает возможность непрерывного вращения магнита вокруг тока.

В 1820 г. Био (1774--1862) и Савар (1791 -- 1841) представили Парижской академии мемуар, «предметом которого было определение путем точных измерений физических законов, согласно которым металлическая проволока, соединяющая два полюса вольтаического аппарата, действует на тело магнита».

Открытие Эрстеда привлекло внимание гениального французского ученого Андре Мари Ампера (1775--1836).

Ампер родился в Лионе, в семье высококультурного коммерсанта. Уже в раннем возрасте он обнаружил феноменальные способности. В 12 лет он владел дифференциальным исчислением, к 18 годам прочитал основные работы Лагранжа, Эйлера, Д. Бернулли, основательно проштудировал все 20 томов знаменитого энциклопедического словаря Даламбера и Дидро, овладел латынью, греческим и итальянским языками. Его больше всего влечет математика. В 1802 г. Ампер опубликовал исследование по теории вероятности «Опыт математической теории игры». Работа эта обратила внимание секретаря Парижской академии Делямбра, и молодого ученого пригласили сначала в лионский лицей, а в 1807 г. предложили место профессора в знаменитой парижской политехнической школе. Здесь Ампер читал лекции по дифференциальному и интегральному исчислению, а в 1809 г. был назначен на должность профессора анализа. В 1814 г. Ампер был избран членом Парижской академии наук на место скончавшегося Лагранжа.

Ампер был поразительно разносторонен. Он занимается философией и обогащает ее оригинальными мыслями, публикует исследование о преломлении света и открывает независимо от Авогадро Известный химический закон, дает первую в истории науки классификацию химических элементов. Он серьезно занимался сравнительной зоологией и отстаивал мысль об эволюции биологических видов.

Опыт Эрстеда отвлек Ампера от математики, так же как Фарадея от химии. Оба гения одновременно обратили всю мощь своего интеллекта в область электромагнетизма. Получив известие об опыте Эрстеда, Ампер начал экспериментировать. Уже через неделю он получил новые результаты, а в конце 1820 г. почти на каждом из еженедельных заседаний Парижской академии наук докладывал о новых открытиях.

Ампер сформулировал правило для определения направления магнитного действия тока и ввел принятую физикой условность: за направление тока принимать направление движения положительного электричества. Он установил на опыте эквивалентность соленоида и постоянного магнита (кстати, термин «соленоид;» принадлежит Амперу). Он показал, что рамка с током устанавливается под действием магнетизма Земли перпендикулярно направлению магнитной стрелки. Совместно с Араго он произвел опыт по намагничиванию стального стержня, помещенного в соленоид.

В начале октября 1820 г. Ампер сообщил о своем важнейшем открытии: притяжении и отталкивании параллельных токов. Ученый подверг анализу два факта: первый -- взаимодействие электрических токов, второй -- эквивалентность сил, действующих на магнитную стрелку и на рамку с током. Земной магнетизм одинаково воздействует на постоянный магнит и на ток. Отсюда дерзкая мысль о том, что он обусловлен циркуляцией электрических токов. Магнетизм Земли, утверждает Ампер, следует приписать не жидкости или намагниченному ядру, а электрическим токам.

...