Для школьников (по материалам учебной литературы).
Явление электризации тел и явление магнетизма были известны ещё в древности, но природа этих явлений долго оставалась загадочной..
Развитие электромагнетизма
Вспомним кратко последовательность открытий в области электричества.
Ещё в период до начала 18 века была обнаружена электризация тел и существование двух видов электричества, названных условно "положительным" и "отрицательным".
Было обнаружено, что заряды могут переходить с одного тела на другое, и не только при их тесном соприкосновении, но и при соединении этих тел, например, проволокой.
Было установлено, что одноимённо заряженные тела отталкиваются, а разноимённо заряженные - притягиваются друг к другу.
Считалось, что нейтральное (незаряженное) тело содержит одинаковое количество положительных и отрицательных зарядов.
Было также замечено, что, если к заряженному телу поднести близко маленькое незаряженное тело, то оно всегда притянется к заряженному телу (для уяснения причины этого см. статью "Явление электростатической индукции").
Для обнаружения электрического заряда тела был придуман прибор электроскоп, а для собирания или накопления зарядов (количества электричества) была создана лейденская банка.
Лейденскую банку изготовляли из обычной цилиндрической стеклянной банки, внешнюю и внутреннюю поверхности которой оборачивали серебряной фольгой.
Одну серебряную фольгу соединяли с заряженным телом, а другую заземляли. В результате этого в лейденской банке могли накапливаться значительные заряды.
Соединив внешнюю и внутреннюю фольгу проволокой можно было получить значительный разряд (электрический ток).
Позднее лейденские банки были заменены конденсаторами, которые тоже могут разряжаться через проволоку.
Во второй половине 18 века Кулоном был открыт закон, позволяющий рассчитывать силу электрического взаимодействия заряженных тел.
В 1800 году Вольта создал первый источник постоянного тока (батарею Вольты), порождающую такой же разряд (электрический ток), как лейденская банка. Им же было введено понятие "электрический потенциал"
как степень электризации заряженного тела или как работа, которую надо проделать, чтобы увеличить заряд тела на единицу заряда, т. е. потенциал тела можно выразить как отношение A/q.
(Надо помнить, что, когда говорят о потенциале заряженного тела, то имеют ввиду разность потенциалов
между этим телом и другим телом, потенциал которого условно можно принять за нуль т. е. физический смысл имеет только разность потенциалов.
Пример: если два тела, заряженные до разной степени, соединить проволокой, то заряды станут перемещаться с одного тела на другое пока потенциалы этих тел не сравняются (пока разность потенциалов не станет равна нулю); "разность потенциалов между двумя телами численно равна работе, которую совершает электрическая сила при переносе заряда с одного тела на другое").
Вернёмся к батарее Вольты.
Вольта первым получил источник постоянного тока, названный гальваническим элементом, в котором энергия химической реакции превращается в электрическую энергию.
Для получения батареи гальванических элементов Вольта использовал большое количество чередующихся медных и цинковых дисков, разделённых слоем ткани, намоченной раствором соли.
Позднее были получены другие гальванические элементы, например, гальванический элемент Даниеля
Принцип работы гальванических элементов подробно рассмотрен в статье "Источники постоянного тока. Гальванический элемент. ЭДС источника" на примере элемента Даниеля.
Здесь цинковый и медный электроды помещены в растворы своих солей. Если электроды соединить проволокой, то в результате окислительно-восстановительной химической реакции
химическая энергия перейдёт в электрическую - по проводу потечёт ток.
В 1820 году Эрстед, используя батарею Вольты, т. е. пропуская ток по проводу, соединяющему полюсы батареи, обнаружил влияние тока на магнитную стрелку - так была установлена связь между электричеством и магнетизмом.
При изменении направления тока в проводе на обратное, стрелка компаса поворачивалась на тот же угол, но в противоположном направлении. Наблюдаемое явление Эрстедом было названо "электромагнетизмом".
Далее Ампер, проводя опыты с проводниками с током, обнаружил влияние тока не только на магнитную стрелку, но и на другой параллельный проводник с током.
Из подобных опытов Ампер пришёл к выводу, что магнетизм порождается током; что каждая молекула магнитного вещества содержит внутри себя круговой ток; что в размагниченном состоянии вещества магнитные моменты круговых токов ориентированы хаотично, а в присутствии магнитного поля они все ориентируются по полю и вещество намагничивается в направлении поля.
В это же время Ом, используя батарею Вольты, изучал зависимость силы тока от разности потенциалов (или напряжения U)
между концами проводника и от материала проводника.
Для измерения тока он пользовался гальванометром, созданном Ампером, в котором сила тока измерялась по отклонению магнитной стрелки.
Ом ввёл понятие электрического сопротивления R металлических проводников, которое зависит от материала провода (удельного сопротивления), его длины l и площади поперечного сечения S провода:
Омом было установлено, чем больше сопротивление провода, тем меньше сила тока при одном и том же напряжении между концами провода (закон Ома):
Согласно Ома, увеличение сопротивления проводника означает увеличение помех, которые испытывают носители электрических зарядов в своём движении по проводнику под действием электрического напряжения U.
В первой половине 19 века изучение электричества было продолжено Фарадеем, который, проводя опыты по прохождению электрического тока через электролиты, открыл законы электролиза.
Отметим некоторые важные для нас сейчас моменты из теории Фарадея для электролиза.
(Под электролитами понимаются растворы некоторых веществ в воде или другом растворителе, проводящие электрический ток.
Молекулы этих веществ образованы положительно и отрицательно заряженными атомами (ионами), объединёнными в молекулы силами электрического взаимодействия.
При помещении этих веществ в воду, диэлектрическая проницаемость которой равна 81, силы электрического взаимодействия между атомами молекулы уменьшаются в 81 раз, и молекулы распадаются на ионы (явление электролитической диссоциации). Например,
Ионы в растворе находятся в непрерывном хаотическом (тепловом) движении, часть ионов противоположных знаков при этом объединяется в молекулы (рекомбинирует).
Если в электролит поместить электроды (катод и анод), то, наряду с хаотическим движением, ионы получают направленное движение под действием сил электрического поля - в электролите возникает электрический ток, носителями которого являются ионы. Положительные ионы перемещаются к катоду, отрицательные - к аноду.
Итак, ток в электролитах представляет собой направленное движение положительных и отрицательных ионов, сопровождающихся выделением вещества на электродах.
Опыт показал, что водород и металлы всегда выделяются на катоде - являются положительными ионами.
Первый закон Фарадея говорит о том, что масса вещества, выделяемого на электроде, пропорциональна количеству электричества q, (равному произведению силы тока на время его протекания), прошедшему через раствор электролита. (Это надо понимать так, что ионы имеют точно определённый дискретный электрический заряд).
Из второго закона Фарадея следует, что одновалентные ионы различных веществ несут равное количество электричества, т. е. второй закон позволяет вычислить электрический заряд, связанный с каждым ионом.
Этот заряд (заряд одновалентного иона) оказался равным 1,6 * 10 -19 Кл.
Гельмгольц, обративший внимание на то, что при электролизе никогда не встречаются случаи, чтобы с ионом переносился заряд, содержащий дробную часть от указанного выше заряда, пришёл к заключению, что количество электричества 1,6 * 10 -19 Кл представляет собой наименьшее количество заряда, существующего в природе.
Этот заряд назвали элементарным зарядом. Одновалентные ионы водорода, натрия, калия, серебра и т. д. имеют один положительный элементарный заряд, а одновалентные ионы хлора, йода и т. д. несут на себе один отрицательный элементарный заряд.
В 30-ые годы 19 века Фарадей стал проводить опыты, связывающие электричество и магнетизм.
Намотав на одну половину кольца из мягкого железа одну катушку, а на вторую половину - вторую катушку и пропуская ток через одну из них, он обнаружил, что в моменты замыкания и размыкания цепи в другой катушке появлялся электрический ток (индукционный ток).
Так было сделано самое важное открытие Фарадея - открытие явления электромагнитной индукции.
Фарадей не принял существующие среди учёных взгляды, что электрические и магнитные взаимодействия между телами осуществляются через пустое пространство, введя понятия: электрическое поле, магнитное поле, силовые линии поля.
С введением этих понятий силы, действующие между заряженными телами или токами, можно было рассматривать как результат взаимодействия между окружающими заряды или токи полями.
Идея Фарадея о существовании электрических и магнитных полей была поддержана Максвеллом, который математически описал их. На основе взглядов Фарадея Максвелл создал теорию электромагнетизма, говорящую о том, что изменяющееся электрическое поле порождает магнитное поле, и наоборот.
Максвелл также пришёл к выводу, что электрические и магнитные поля могут существовать в пространстве, оторвавшись от своих источников, в виде электромагнитных волн, несущих энергию.
Теория Максвелла показала, что электромагнитные волны распространяются в пространстве со скоростью света. Это привело к созданию электромагнитной теории света.
Теория Максвелла нашла подтверждение в опытах Герца и других учёных, в создании радиосвязи.
На основе перечисленных выше открытий в области электричества и электромагнетизма возникла наука "Электротехника".
Электричество быстро нашло широчайшее применение в технике и в быту. Были созданы генераторы, электродвигатели, многие другие устройства и приборы. Рассчитывались электрические цепи, находились токи в разных участках цепи, но никто не мог ответить на вопрос: какова природа электрического тока в проводниках (проводах)?
Одни считали, что электрический ток в металлическом проводнике - это электромагнитный поток энергии, который создаётся зарядами, не связанными с материальными частицами. Какими зарядами?
Другие учёные связывали электрический ток с потоком материальных частиц с дискретными зарядами. Каких частиц?
Невозможность ответа на вопрос заключалась в том, что на конец 19 века самой малой частицей вещества считался атом. Любой металлический проводник состоит из атомов и невозможно представить атомы в виде носителей тока в проводнике.
Только с открытием электрона, являющегося составной частью атома, появилась возможность ответить на вопрос: что такое электрический ток в металлических проводниках? Сейчас мы знаем ответ на этот вопрос - электрический ток в металлическом проводнике - это направленное движение свободных (оторвавшихся от своих атомов электронов) под действием электрического поля внутри проводника.
После открытия электрона была создана электронная классическая теория металлов, очень наглядная и понятная теория, в которой электрон упрощённо рассматривается как материальная точка, имеющая массу и заряд. Сейчас во всех учебниках физики изучение электричества начинается с изучения поведения электрона.
Надо отметить, что в действительности электрон представляет собой сложное материальное образование, его свойства будут рассматриваться в других разделах физики.
Теперь посмотрим, как был открыт электрон.
История открытия электрона
Электрон был открыт в конце 19 века, когда учёные заинтересовались свечением газоразрядных трубок с целью использования их в качестве источников света.
В то время уже существовали электрические лампочки, изобретённые Ладыгиным и усовершенствованные Эдисоном.
Ладыгин между двумя толстыми медными проводами укрепил угольный стерженёк и заключил его вместе с концами проволок внутрь закрытого стеклянного баллона. При пропускании тока стерженёк раскалялся и давал свет. Эдисон заменил угольный стержень обугленной бамбуковой нитью и добился более высокой откачки воздуха из баллона.
В 1890 году Ладыгин изобрёл лампу накаливания с металлической (вольфрамовой) нитью. Но всё равно те лампы накаливания были мало экономичны и давали тусклый красноватый свет. Свет же даваемый газоразрядными трубками был приятным для глаз.
Что представляют собой газоразрядные трубки?
Газоразрядная трубка - это стеклянная трубка с впаянными в неё электродами - катодом и анодом.
Если трубка заполнена воздухом, то даже при подаче между электродами напряжения в несколько тысяч вольт воздух внутри трубки остаётся тёмным (воздух является диэлектриком), даже высокое напряжение не может пробить этот слой воздуха.
Но если из трубки хорошо откачать воздух до давления близкого к 1 мм рт. ст. и подать высокое напряжение между электродами, то в трубке возникает светящийся разряд малинового цвета в виде тонкого шнура, соединяющего электроды.
При таком низком давлении воздух теряет свои диэлектрические свойства, происходит сильная ионизация и воздух становится проводником.
При дальнейшей откачке воздуха, светящийся шнур размывается, расширяется и почти вся трубка начинает светиться (тёмное пространство остаётся только вблизи катода). В трубке происходит самостоятельный тлеющий газовый разряд, при этом катод остаётся холодным.
С уменьшением количества воздуха (или газа) в трубке катодное тёмное пространство увеличивается, а светлый столб делается короче и бледнее. При дальнейшем понижении давления свечение газа ещё более уменьшается и появляется слабое свечение стекла вблизи катода.
Когда давление в трубке падает до 0,001 мм рт. ст., свечение газа практически прекращается, но почти вся поверхность стекла светится ярким (обычно зелёным) светом.
При дальнейшей откачке воздуха всякое свечение исчезает, разряд прекращается.
Наблюдения показали, что свечение стекла вызывается лучами исходящими из катода, названных катодными лучами.
Катодные лучи вызывают свечение не только стекла, но и других тел, бомбардируемых катодными лучами (предполагалось, что катодные лучи - это поток частиц).
Исследование катодных лучей показало их следующие свойства:
1. Катодные лучи несут отрицательный заряд, на что указывает следующий опыт - на пути катодных лучей поместили полый цилиндр, соединённый с электроскопом.
Попадая внутрь цилиндра, катодные лучи передают весь свой заряд электроскопу, этот заряд оказался отрицательным.
2. Катодные лучи (на рисунке показаны пунктирными линиями) вылетают в направлении, перпендикулярном к поверхности катода, и распространяются прямолинейно.
3. Катодные лучи обладают массой.
Был проведён такой опыт. На пути катодных лучей укреплялась на оси лёгкая вертушка, которая приходила во вращение, показывая, что катодные частицы передавали ей свой импульс (импульс частицы есть произведение её массы на скорость).
4. Бомбардируя тела и поглощаясь ими, катодные лучи вызывали нагревание этих тел.
Это значит, что катодные лучи обладают кинетической энергией, которую они передают бомбардируемым ими телам. За счёт этой энергии катодные лучи и вызывают свечение стекла и люминесцирующего экрана.
5. Катодные лучи отклоняются электрическим полем. Это свойство катодных лучей можно обнаружить на опыте с прибором, изображённым на следующем рисунке.
Здесь анод имеет вид пластины 1 с маленьким отверстием, расположенным против катода 2. На другом конце трубки находится люминесцирующий экран. Между катодом и анодом создаётся большое напряжение U.
Узкий пучок катодных лучей, проходя через отверстие в анодной пластине, даёт на экране яркое пятнышко 5. На своём пути катодные лучи проходят между пластинами 3 и 4, т. е. проходят через электрическое поле, направленное от пластины 3 к пластине 4.
Это поле отклоняет катодные лучи вверх, и светлое пятнышко на экране смещается в точку 6. Видим, что катодные частицы смещаются против направления поля, что подтверждает их отрицательный заряд.
6. Катодные лучи отклоняются магнитным полем - на заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле действует сила Лоренца.
В 1897 году Дж. Томсоном были проведены опыты с катодными частицами, движущимися в электрическом и магнитном полях, позволившими найти отношение заряда катодной частицы к её массе е/m.
Опыты Томсона
Создав в газоразрядной трубке глубокий вакуум, Томсон заставил катодные частицы при их движении от отверстия А анода до экрана пролетать через электрическое и магнитное поля.
Электрическое поле создавалось двумя горизонтально расположенными заряженными пластинами. Согласно рисунку, электрическое поле Е направлено вверх (от положительно заряженной пластины к отрицательной).
Сила со стороны электрического поля, действующая на отрицательно заряженные катодные частицы, направлена вниз и равна произведению заряда частицы на напряжённость электрического поля Е:
Fэл = еЕ
Тогда пучок катодных частиц прилетит не в центральную точку экрана О, а сместится вниз.
Пунктирной окружностью на рисунке показана область однородного магнитного поля индукции В.
Магнитное поле Томсон направил так, чтобы сила Лоренца, действующая на катодные частицы, смещала эти частицы вверх, заставляя их возвращаться в центральную точку экрана (точку О).
В этом случае магнитное поле индукции В должно быть направлено к нам. Тогда по правилу левой руки, вектор В должен входить в ладонь, 4 пальца направляем против скорости движения катодных частиц (так как они заряжены отрицательно), а большой отогнутый палец покажет направление силы Лоренца Fл.
В рассматриваемом случае сила Лоренца направлена вверх. Томсон подбирал величину индукции В магнитного поля такой, чтобы пучок катодных частиц снова попал в точку О экрана.
Величина силы Лоренца Fл равна произведению заряда катодной частицы на её скорость и на индукцию магнитного поля
В случае попадания частиц в точку О экрана, электрическая сила равна силе Лоренца:
Теперь получим формулу для смещения катодных частиц под действием электрического поля Е, сделав отдельный рисунок, на котором показано только электрическое поле Е, созданное горизонтально расположенными пластинами в газоразрядной трубке.
Верхняя пластина заряжена отрицательно, нижняя - положительно.
Длина с индексом 1 - это длины заряженных горизонтальных пластин; длина с индексом 2 - это расстояние от пластин (от электрического поля, создаваемого ими) до экрана.
Скорость с индексом 0 - это начальная скорость катодных частиц, подлетающих к электрическому полю, перпендикулярно ему.
На длине пластины электрическая сила еЕ (равная произведению заряда частицы на напряжённость электрического поля) вызывает появление перпендикулярной составляющей скорости, направленной вниз, а значит, и появление направленного вниз ускорения
а = еЕ/m.
Время движения частиц в электрическом поле найдётся из формулы:
так как в горизонтальном направлении частица движется равномерно.
Перпендикулярная составляющая скорости равна произведению ускорения на время
В дальнейшем (при вылете из электрического поля) частицы летят до экрана прямолинейно в направлении указанном углом "альфа"
В результате, в добавление к смещению y1 пучок катодных частиц получает смещение
Таким образом, смещение следа пучка относительно точки О равно
Перенесём сюда уравнение (1):
Решая совместно уравнения (1) и (2), Томсон нашёл скорость движения катодной частицы и её удельный заряд е/m (отношение заряда частицы к её массе). Скорость катодной частицы оказалась равной примерно 1/3 скорости света (она зависит от напряжения между катодом и анодом).
Это убедительно показало, что катодные лучи не являются электромагнитными волнами, а представляют собой поток частиц. Проделывая опыты с разным газом и разными металлами катода, Томсон увидел, что отношение е/m не зависит от материала катода и не зависит от газа в трубке.
Значит, отношение е/m характеризует именно катодную частицу и равно
е/m = 1,76 *10 11 Кл/кг
Почти не вызывало сомнения, что заряд катодной частицы равен элементарному заряду одновалентных ионов, полученному из анализа уравнений Фарадея для электролиза.
Таким образом, если заряд катодной частицы равен заряду 1,6 * 10 -19 Кл одновалентного иона водорода, то масса катодной частицы оказывается в 1840 раз меньше массы атома водорода:
m = 0,91 * 10 - 30 кг
Такой результат ошеломил учёных. Опыты, проведённые многократно разными методами давали такие же результаты.
Так была открыта новая частица, являющаяся составной частью атома, и было разрушено представление об атоме, как о мельчайшей частице вещества. Эта частица была названа электроном.
Вернёмся к газоразрядной трубке и посмотрим, что в ней происходит при тлеющем разряде, как поддерживается высокая ионизация газа.
Ниже показан рисунок, поясняющий происходящие в трубке процессы.
К электродам трубки прикладывалось высокое напряжение в сотни вольт.
Внизу к трубке припаяны платиновые проволочки, к каждой из которых можно подсоединить электрометр.
В каждой точке трубки электрометр даёт разность потенциалов (напряжение U) между катодом и точкой трубки.
Опыты показали, когда газ в трубке достаточно разрежен, вблизи катода наблюдается небольшое тёмное пространство (его размер зависит от металла катода и от рода газа в трубке) и почти всё изменение потенциала (напряжения) приходится на область тёмного пространства, т. е. вблизи катода существует сильное электрическое поле (см. вверху рисунка график зависимости напряжения от расстояния между катодом и точкой трубки).
Под действием сильного электрического поля вблизи катода положительные ионы газа устремляются к катоду и выбивают из него электроны (катодные лучи).
Вылетевшие электроны, ускоренные электрическим полем до огромных скоростей, сталкиваются с молекулами газа, ионизуя их. В газе возникает свечение.
Если уменьшить давление газа до 0,001 мм рт. ст., то тёмное пространство увеличивается, значительная часть электронов, не испытывая столкновений с молекулами газа, ударяются о стекло, вызывая его люминесценцию.
Таким образом, катодные лучи (электроны) в газоразрядной трубке возникают в результате бомбардировки катода положительными ионами, которые выбивают из катода электроны.
Это доказывается следующим опытом: на рисунке ниже показан катод трубки с рядом отверстий в нём.
Часть положительных ионов пролетает через отверстия и в темноте видно слабо светящееся излучение, исходящее из этих отверстий и распространяющееся в части трубки, расположенной за катодом. Исследование свойств этих лучей в электрических и магнитных полях подтверждает, что это действительно положительные ионы веществ, содержащихся в трубке.
Трубки с тлеющим разрядом стали применяться как источники света - газоразрядные лампы.
Лампы могут содержать пары ртути. При бомбардировке атомов ртути электронами, атомы ртути приходят в возбуждённое состояние (их энергия увеличивается). При возвращении в основное состояние (с минимальной энергией) атомы ртути дают вредное для глаз ультрафиолетовое излучение, но оно поглощается слоем фосфоресцирующего вещества, покрывающего изнутри стенки лампы.
Фосфоресцирующее вещество начинает светиться видимым светом, который добавляется к собственному свечению паров ртути, давая свет близкий к дневному (газоразрядные лампы дневного света).
Эти лампы дают приятное освещение и в три-четыре раза экономичнее лампочек накаливания.
Следующую статью посвятим рассмотрению электронной природы тока в металлах (классической теории электропроводности металлов).
К.В. Рулёва, к. ф.-м. н., доцент. Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Спасибо.
Предыдущая запись: Распространение радиоволн.
Следующая запись:На пути к пониманию строения атома (важные научные открытия 19 века).
Ссылки на занятия до электростатики даны в Занятии 1 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с электростатики, даны в конце Занятия 45 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с теплового действия тока, даны в конце Занятия 58.
Ссылки на занятия, начиная с переменного тока, даны в конце Занятия 70 .
