Электрический
Электрический заряд - количество электричества, содержащееся в данном
теле. Электрический ток. - Если погрузить в проводящую жидкость, напр.,
в раствор серной кислоты, два разнородных металла, напр., Zn и Сu, и
соединить эти металлы между собой металлической проволокой, то в этой
системе возникает особый процесс, называемый электрическим током.
Указанный выше способ получения Э. тока не единственный и даже не самый
лучший, он только исторически первый. Э. ток возникает и в замкнутой
цепи из двух металлов, если вызвать разность температур двух спаев этих
металлов. Он возникает точно также под влиянием механических сил
(динамо-машины). Последний способ дает самые сильные токи. Э. ток
характеризуется разнообразными явлениями. Проволока, по которой он
течет, нагревается; жидкость, по которой он проходит, подвергается
химическим изменениям; магнитная стрелка вблизи тока ориентируется
особым образом; два проводника с токами механически друг на друга
действуют. Проходя через спай двух металлов, ток вызывает в них
нагревание или охлаждение (явление Пелтье); в момент замыкания или
размыкания ток индуктирует в соседнем проводнике кратковременный ток и
т. д. Разумеется, не всякий ток достаточно силен, чтобы обнаружить ясно
все явления; но это уже вопрос чисто количественный. Известно, каким
образом исторически развивалось учение об Э. токе. Вольта показал, что
два диска из различных материалов, приведенные в соприкосновение и затем
разведенные оказываются наэлектризованными - один отрицательно, другой
положительно. То же самое явление происходит при соприкосновении металла
и жидкости. Вольта назвал металлы проводниками первого рода, проводящие
жидкости - проводниками второго рода. Проводники первого рода могут быть
расположены в особый ряд, ряд Вольты. Этот ряд обладает замечательными
свойствами. Если два разнородных металла погрузить в жидкость,
проводящую ток, то на этих двух металлах обнаруживается электризация, на
одном положительная, на другом отрицательная. Между ними существует,
следовательно, известная разность потенциалов. Эта разность потенциалов
поддерживается; поэтому, если соединить концы металлов каким-либо
проводником, то по этому проводнику должно произойти передвижение
количеств электричества, так как потенциалы будут стремиться сравняться;
но так как разность потенциалов на концах металлов поддерживается, то
система не может придти в статическое состояние и вдоль по проводнику
пойдет, как говорят, Э. ток. Сосуд с жидкостью, в которую погружены два
различных металла, можно назвать простейшей схемой гальванического
элемента, Заметим, что представление о токе, как о передвижении Э.
количеств в проводнике приводить к выводу, что движущийся в определенном
направлении заряженный шарик должен вызвать явление подобное току. Это
подтверждается опытами Роуланда. Заметим также, что в известных условиях
возможен Э. ток в проводнике без существования разности потенциалов
между различными точками его. Таков ток, возникающий в кольце при
возникновении или исчезновении Э. тока в катушке, расположенной
симметрично относительно всех точек кольца. Мы пока оставляем в стороне
попытки объяснения явления, т. е. вопрос, почему при соприкосновении
разнородных тел на них появляется электризация. Мы можем рассматривать
Э. токи линейные, а также и в проводниках двух или трех измерений. Если
мы назовем потенциал в данной точке через V, элемент поверхности,
проходящий через данную точку, через ds, нормаль к поверхности через n и
количество электричества, протекающее в элемент времени dт через элемент
поверхности через dQ, то мы получаем следующее основное уравнение для
установившегося тока:
электропроводностью. Основное уравнение (1) введено Омом в учение об Э.
токе по аналогии с совершенно подобным уравнением, лежащим в основе
учения Фурье о распространении тепла по теплопроводности. Заметим, что
вопрос о течении электричества в проводнике двух или трех изменений
представляет очень большие теоретические затруднения и очень малый
практический интерес. Им занимались, между прочим, Кирхгоф и Гельмгольц.
Мы разберем только случай течения тока в линейном проводнике, заметив,
что линейный проводник не должен представлять собою математическую
линию. Линейный проводник - это такой, где в каждом сечении плотность
тока всюду одна и та же и притом ток параллелен оси, т. е.
перпендикулярен к площади сечения. В таком случае из уравнения (1) и из
условия, что, в случае установившегося Э. тока, количество
электричества, протекающее в единицу времени через какое-либо сечение,
должно быть одно и то же для всех сечений, легко получить следующее
уравнение:
протекающее через данный проводник в единицу времени; V1 - V2 есть
разность потенциалов на концах линейного проводника. Знаменатель есть
гальваническое сопротивление проводника. Как видно, сопротивление
проводника тем больше, чем больше его длина l и чем меньше его сечение
s. Величина есть величина, обратная удельной электропроводности. Она
носит название удельного сопротивления.
нескольких последовательных частей с сопротивлениями r1, r2, r3, . . .
.rn, то сила тока у будет выражаться формулой
потенциал в конце последнего. Если ток проходит по разнородным
проводникам, то надо принимать во внимание электродвижущие силы,
возникающие в местах соприкосновения разнородных веществ, и формула Ома
напишется таким образом:
в конце ее. Не трудно вывести отсюда, что сила тока в замкнутой цепи,
состоящей из элемента и провода, соединяющего полюсы элемента, будет
выражаться формулой:
- сопротивление провода.
рядом лиц, в общем, подтвердили этот закон. Опыты над Э. током в газах
показали, что и при токах в газах не наблюдается пропорциональности
между величинами у и Е, как следовало бы по закону Ома. Дж. Дж. Томсон
интерпретировал это явление, наблюденное многими лицами. Все
вышеизложенное относится к тому случаю, когда оба металла, т. е. полюсы
элемента соединяет только один проводник или же ряд последовательно
соединенных проводников. Если же ток разветвляется в ряд отдельных
проводников, то для определения силы тока в каждой ветви надо
пользоваться законами Кирхгофа. Законов Кирхгофа два.
пересекающихся в одной точке, равна нулю.
проводников, алгебраическая сумма, составленная из произведений сил тока
в ветвях данного контура на сопротивления в тех же ветвях, равна
алгебраической сумме электродвижущих сил, расположенных в ветвях
рассматриваемого контура.
определения силы токов, разностей потенциалов и электродвижущих сил и,
наконец, удельных сопротивлений и сопротивлений проводников. Заметим,
что вышеприведенные выражения для формулы Ома относятся к току уже
установившемуся. В момент возникновения тока в проводнике и в момент
исчезновения сила тока будет выражаться более сложными формулами, в
которых приняты во внимание экстра токи замыкания и соответственно
размыкания, возникающие благодаря самоиндукции цепи.
которых посвящены отдельные статьи, мы, конечно, должны были начать с
нагревания проводников. Ток, проходя по проводникам, нагревает их.
Количество теплоты, выделяемое данным током в данной проволоке, прямо
пропорционально квадрату силы тока и сопротивлению проводника, а также
продолжительности прохождения тока. Так формулируется закон Джоуля
Ленца. Заметим, что закон Джоуля Ленца очень просто вытекает из закона
Ома и из выражения для энергии Э. тока. Работа, которую ток может
совершить в единицу времени, пропорциональна произведению из его силы
тока на электродвижущую силу А = с. еi. Ток нагревает провод, т. е. его
Э. энергия переходит в тепловую. Следовательно, количество теплоты Q,
выделенное током в единицу времени, должно быть также пропорционально
произведению еi Q=с1еi, но е=ir; следовательно, Q=с1i2r, а это и есть
закон Джоуля Ленца.