Физика
Электричество и магнетизм
Электромагнитные взаимодействия
Условия жизни на нашей планете преобразились благодаря тому, что и в больших городах, и в селах рядом с нами оказывается розетка, в которой поддерживается напряжение 127 или 220 В.
Располагая розеткой под напряжением или батареей, можно с помощью различных устройств, иногда очень простых, получить многое. Электрическая лампочка, подключенная проводниками к источнику напряжения, дает свет, электроплитка - тепло. Это очень простые устройства. Несколько сложнее устроен электромотор. Включенный в электрическую цепь, он может приводить в движение игрушечный автомобильчик, пылесос, стиральную машину, электробритву и т. д. На заводах мощные электромоторы приводят в движение различные станки, на железных дорогах - мощные электровозы. Наконец, и для работы таких сложных устройств, как радио и телевизор, необходим источник напряжения.
Если вы заглянете внутрь обычного радиоприемника, то увидите слабо мерцающие лампы, сплетение разноцветных проводов, круглые или прямоугольные коробки - конденсаторы, катушки на железных сердечниках. Стоит повернуть ручку настройки, и вы услышите вместо детской передачи музыку. Но видимого движения чего-либо внутри радиоприемника нет. Точно так же вы не заметите движения, включая в сеть лампочку или электроплитку.
Но на самом деле движение в лампах и проводниках приемника, в нити накаливания лампочки или спирали плитки есть! По всем проводникам, подключенным к источнику напряжения, течет электрический ток. Самого тока и того, как он течет, мы не видим. Однако о присутствии тока в проводниках можно судить по тем действиям или явлениям, которыми сопровождается протекание тока.
Тепловое действие тока известно всем. Проводник, по которому течет ток, нагревается и выделяет тепло. Поэтому на электроплитке можно вскипятить чайник, а в электропечи расплавить металл. Волосок лампочки накаливания разогревается так сильно, что ярко светится.
Растворив медный купорос в воде и опустив туда угольные стерженьки, присоединенные к батарее (рис. 1), вы через несколько минут сможете увидеть, что стержень, присоединенный к отрицательному полюсу батареи, стал красным: на нем выделилась медь, входящая в состав медного купороса. Это явление - выделение током составных частей некоторых проводников - называется электролизом и широко используется в технике для покрытия металлических изделий (обычно стальных) тонким слоем никеля или хрома, защищающим изделия от ржавления и делающим их красивыми.
Самым важным действием тока является магнитное действие. Его открыл в 1820 г. датский физик X. К. Эрстед. Поместив магнитную стрелку вблизи проводника с током, Эрстед обнаружил, что она поворачивается (рис. 2). Такой опыт вы можете без особого труда проделать и сами.
Особое значение магнитного действия тока прежде всего в том, что оно имеется всегда! Химическое действие обнаруживается только при прохождении тока через растворы солей, кислот и т. д., но не при прохождении его по металлической проволоке. Тепло также выделяется в проводнике не всегда. Существуют сверхпроводники, в которых тепло не выделяется совсем. Магнитное действие является самым общим признаком наличия тока.
Когда проводник с током действует на магнитную стрелку, то она в свою очередь тоже с некоторой силой действует на проводник. Можно вместо стрелки веять другой проводник с током. При этом обнаружится магнитное действие одного проводника на другой. Если токи текут в одном направлении, то они будут притягиваться, если в противоположных, то отталкиваться (рис. 3).
Что такое электрический ток? Электрическим током называется упорядоченное движение электрически заряженных частиц. Выражение "ток течет" не означает ничего другого, кроме утверждения о перемещении таких частиц. Заряженные частицы могут быть самыми разнообразными. Самая легкая заряженная частица, существующая в природе, называется электроном. Из электронов построены оболочки всех атомов.
В металлических проводниках электрический ток - это движущиеся в одном направлении электроны. В жидкостях, проводящих электричество, ток представляет собой направленное перемещение ионов. Ионы - это атомы, у которых либо не хватает электронов до полного комплекта (такой ион называется положительно заряженным), или же, напротив, электроны присутствуют в избытке (отрицательные ионы). Ток в газах образуется при упорядоченном движении как ионов, так и электронов.
После всего сказанного о токе возникает немало вопросов. Первый вопрос: что же заставляет заряженные частицы двигаться? Второй: почему движение заряженных частиц вызывает те разнообразные действия, о которых говорилось? И наконец, самый главный вопрос: а что, собственно, такое электриче-
Электрический заряд и заряженные частицы
Прежде чем понять, что такое электрический заряд, мы попытаемся выяснить, что скрывается за словами: "данная частица или тело имеет электрический заряд". Это не совсем одно и то же, и последнее проще для понимания.
Все тела в природе построены из мельчайших частиц, которые называются элементарными частицами. Эти частицы имеют массу и благодаря этому притягиваются друг к другу силами всемирного тяготения. Точно так же, как все тела притягиваются к Земле, а Земля и другие планеты к Солнцу. С увеличением расстояния между телами или частицами силы всемирного тяготения убывают. При увеличении расстояния вдвое силы убывают в 4 раза; втрое - в 9 раз и т. д. Сила взаимного тяготения обратно пропорциональна квадрату расстояния.
Большинство элементарных частиц, хотя и не все, кроме того, способны взаимодействовать друг с другом с силой, также убывающей обратно пропорционально квадрату расстояния, но в огромное число раз превосходящей силу тяготения. Если частицы способны к такого рода взаимодействиям, то мы говорим, что они имеют электрический заряд. Сам заряд - это количественная мера способности тела к электромагнитным взаимодействиям. Эти взаимодействия называются электрическими или (по причинам, о которых будет сказано позднее) электромагнитными. Электрическая сила взаимодействия между электроном и протоном (ядром атома водорода) в 1 000 000000 000 000 000 000 000 000 000000000 000 раз больше силы всемирного тяготения.
Может показаться, что такого определения заряда явно недостаточно. Но, к сожалению, ничем здесь не поможешь. Заряд - это не особый механизм в частице, который можно было бы снять с нее, разобрать на части, посмотреть, как он действует, и снова собрать. Под зарядом частицы в науке понимается способность частицы в целом взаимодействовать с другими частицами определенным образом, и ничего больше. Короче говоря, бывают частицы без заряда, но не существует зарядов без частиц. Примерно так же вы можете видеть лицо без улыбки, но никогда улыбку без лица.
В природе имеются частицы с зарядами противоположных знаков. Заряд электронов считают отрицательным, а заряд элементарных частиц - протонов, входящих в состав атомных ядер, - положительным. Положительный знак заряда у частицы не означает наличия у нее каких-либо особых достоинств. Приходится говорить о зарядах двух знаков просто потому, что заряженные частицы могут как притягиваться, так и отталкиваться друг от друга. При одинаковых знаках заряда частицы отталкиваются, а при разных - притягиваются.
Частицы могут иметь заряд, а могут и не иметь. Но если уж элементарная частица имеет заряд, то величина его будет строго определенной. Различными могут быть только знаки заряда. "Отщипнуть" часть заряда у электрона оказывается невозможным. Почему электрический заряд не может быть меньше или больше, чем заряд электрона, сейчас не знает никто.
До сих пор говорилось только о зарядах элементарных частиц. Тело больших размеров (его обычно называют макроскопическим), как легко себе представить, будет электрически заряжено, если оно содержит больше элементарных частиц одного знака, чем другого. Большинство тел электрически нейтрально, так как число электронов у них равно числу протонов - положительно заряженных частиц, входящих в состав атомных ядер. Нейтрален атом любого вещества. В атоме отрицательно заряженные электроны связаны с положительно заряженным ядром в единую устойчивую систему.
Так как каждая элементарная частица наделена одной, либо положительной, либо отрицательной, порцией заряда, то число порций электрического заряда в мире равно числу электрически заряженных элементарных частиц. Если бы с частицами не происходило никаких превращений, они не рождались бы заново и не исчезали, то, конечно, неизменным оставалось бы и число порций - элементарных зарядов. Но в действительности частицы могут и появляться и исчезать, могут превращаться друг в друга.
Замечательно, что разность между числом положительно и отрицательно заряженных частиц остается неизменной. Рождаются заряженные частицы только парами с зарядами противоположных знаков. И исчезают при превращениях тоже только парами. В результате полный электрический заряд Вселенной остается неизменным. Точнее, не меняется сумма всех электрических зарядов, если учитывать, что в эту сумму одни из них входят со знаком "плюс", а другие - со знаком "минус". В этом состоит закон сохранения электрического заряда.
Заряд и законы электромагнитных взаимодействий
Чем лучше и полнее мы будем знать законы взаимодействия заряженных частиц, тем более полным будет наше представление о том, что же такое электрический заряд.
Если заряды неподвижны относительно друг друга, то между ними действуют сравнительно простые электрические силы, подобные силам всемирного тяготения. Но когда заряды приходят в движение, между ними возникает дополнительное взаимодействие, зависящее от скоростей движения. Оно называется магнитным. Поэтому взаимодействия заряженных частиц в общем случае носят название электромагнитных. В повседневной жизни и в технике, за исключением притяжения к Земле и приливов в океане, мы встречаемся с различными видами электромагнитных взаимодействий.
Так, силы упругости, которые позволяют твердым телам сохранять свою форму, жидкостям - свой объем и препятствуют сжатию газа, имеют электромагнитную природу. Давление пара в цилиндре паровой машины или давление взорвавшейся смеси паров бензина и воздуха в двигателе внутреннего сгорания обусловлены электромагнитными взаимодействиями. Ту же электромагнитную природу имеют силы наших мышц и мышц различных животных.
Электромагнитные силы позволяют видеть книгу, которую вы читаете, ибо свет - одна из форм электромагнитных взаимодействий. Сама жизнь немыслима без этих сил. Живое существо, и человек в том числе, как показали многочисленные полеты космонавтов, способно длительное время находиться в состоянии невесомости, когда силы тяготения никак не проявляются. Но если бы на мгновение прекратилось действие электромагнитных сил, то сразу исчезла бы и жизнь.
При взаимодействии частиц в самых компактных системах природы - в атомных ядрах (отталкивание протонов) и при взаимодействии космических тел (посредством света) электромагнитные силы играют выдающуюся роль. Строение атомной оболочки, сцепление атомов в молекулы (химические силы) и образование кусков вещества определяются исключительно электромагнитными взаимодействиями.
Кроме электромагнитных сил современной науке известно пока только три типа сил: силы всемирного тяготения (или гравитационные), ядерные силы (или сильные взаимодействия) и слабые взаимодействия.
В безграничных просторах Вселенной, на нашей планете, в любом куске вещества, в живых организмах, в атомах, в атомных ядрах и, наконец, при превращениях элементарных частиц мы встречаемся с проявлениями сил только четырех типов. И первое место среди них по широте и разнообразию проявлений принадлежит силам электромагнитным.
Силы всемирного тяготения вполне оправдывают свое название. Они действуют между всеми телами без исключения. Даже световой луч искривляется немного, проходя возле таких больших тел, как звезды. Но эти силы слабы, невероятно слабы по сравнению с электромагнитными. Лишь при взаимодействии огромных космических тел они становятся существенными. Сила же гравитационного притяжения вашей головы к книге, которую вы сейчас читаете, не превосходит 0,1 мкН (10-7Н).
Ядерные силы, напротив, очень велики. Не только на Земле, но и во всей Вселенной нет сил, превосходящих по размеру ядерные. Электромагнитные силы они превосходят в 100 раз. Но ядерные силы - это "гигант с короткими руками". Они сказываются только на очень малых расстояниях, порядка размеров самого атомного ядра (10-13 см). Поэтому в основном их роль сводится к обеспечению устойчивости атомных ядер.
Слабые взаимодействия в соответствии со своим названием в биллион, т. е. в 1012, раз слабее электромагнитных. К тому же они еще более короткодействующие, чем ядерные силы. В результате сфера их деятельности оказывается крайне узкой, хотя отнюдь и не незначительной в жизни Вселенной. Они вызывают распад большинства нестабильных элементарных частиц. Вследствие их действия в мире существует только два вида стабильных заряженных частиц: электроны и протоны. Множество других частиц: разного рода мезоны и тяжелые частицы - гипероны живут не более миллионной доли секунды.
2i.SU ©® 2015