С какой скоростью распространяется электричество

С какой скоростью распространяется электричество
Загрузка...

Еще древние греки заметили, что янтарь после трения о шерсть притягивает пух, перья и другие легкие предметы. Люди сталкивались с электричеством в течение тысяч лет, но систематически изучать его начали только в эпоху Нового времени. О скорости и количественных характеристиках неведомой природной силы исследователи задумались не сразу, а измерить эти величины смогли значительно позже.

Как изучали электричество

Название явления произошло от древнегреческого слова «электрон», которое означает «янтарь». Термин ввел в 1600 г. Уильям Гилберт, английский медик и ученый-физик. Первая электростатическая машина появилась в 1663 г. в Магдебурге, Германия. В первой трети XVIII в. электричество пробовали передавать на расстояния и получать при трении предметов из разных материалов (трубок из стекла и смолы). Продолжались попытки уловить и накопить заряд, и в 1745 г. появился первый конденсатор — лейденская банка. Создавший его голландский ученый Питер ван Мушенбрук жил и работал в Лейдене.

Свое имя устройство получило благодаря физику-экспериментатору из Франции Жану Антуану Нолле, который был знаком с Мушенбруком. Аббат Нолле немного изменил конструкцию аппарата: вместо воды в банке используются листы жести. Французский ученый догадался соединить несколько конденсаторов, так что их заряды суммировались.

Появление лейденской банки стимулировало изучение электричества. Ученые проводили опыты в лабораториях, создавали новые приборы и с их помощью постигали природу загадочного явления. Многие эксперименты выглядели эффектно, поэтому их стали проводить в увеселительных и познавательных целях. Так наука стала частью светских развлечений.
Опыты на животных и людях

Аббат Нолле был не только ученым. Он преподавал экспериментальную физику, читал популярные лекции, обучал детей короля Франции Людовика XV естественным наукам. Нолле устраивал зрелищные опыты при дворе, во время которых наглядно демонстрировал возможности электричества. Яркие голубые искры, громкие щелчки, болезненные удары током производили на публику сильное впечатление. Животных — цыплят, мелких птиц, мышей — мощный разряд убивал мгновенно.

Во время одного такого представления в Версале аббат просил 180 мушкетеров крепкого сложения взяться за руки. Смельчаки становились в круг, держась друг за друга. Крайний солдат свободной рукой притрагивался к электродам заряженной лейденской банки. Все мушкетеры одновременно реагировали на пробегавший через их тела разряд: они подскакивали на месте и вскрикивали от боли, ощутимой, но не смертельной. Короля и его свиту этот номер забавлял.

Это представление навело Нолле на размышления о высокой скорости, с которой распространяется электричество. Исследователь поставил новый опыт в 1746 г. Вместо солдат он пригласил 200 монахов-картезианцев. Шеренга растянулась на 1,6 км, а два соседних участника соединялись друг с другом куском железного провода. Послушник, стоявший с краю, не касался батареи из лейденских банок, т. к. в этот раз аббат подсоединял конец проволоки к источнику заряда. Результат испытания оказался таким же, как на представлении во дворце: всех подопытных одновременно ударило током, отчего две сотни человек разом дернулись от боли и вскрикнули.

Нолле заключил, что электричество быстро передается на большие расстояния. Проведенные им эксперименты не позволяли оценить скорость распространения электричества даже приблизительно.
Опыт Уотсона

Английский ученый и врач Уильям Уотсон, который ввел в научный обиход термин «цепь» (circuit на английском), пытался измерить скорость перемещения таинственной субстанции годом позже. Он полагал, что электричество распространяется быстрее звука. Эксперименты Уотсон проводил на проводах, а не на живых существах. В 1747 г. исследователь разместил на одном из холмов на севере Лондона провод длиной сначала 2, а затем 3,7 км (6732 и 12276 футов соответственно). Проводник крепился к сухим деревянным колышкам с помощью шелковых нитей.

Уотсон, как и Нолле, не смог измерить скорость движения электричества по собранной им линии, но пришел к выводу, что даже такие расстояния оно пробегает мгновенно. Других подобных опытов испытатель не ставил. Впоследствии он переключился с физики на медицину.

Что же движется?

В XVIII в. Бенджамин Франклин первым начал обозначать положительные и отрицательные заряды знаками «+» и «-». В то время ученые считали, что в природе существует особый вид жидкости — электрический флюид. Эта невидимая субстанция течет в проводниках и накапливается в конденсаторах. Часть исследователей (первым был Уотсон, похожего мнения придерживался Франклин) полагала, что все электрические явления — результат действия одной жидкости. Другие исследователи говорили о двух видах флюидов, положительном и отрицательном. Одножидкостную теорию Франклина приняли многие физики, хотя в последующие 100 лет после ее обнародования в научной среде шли споры о количестве субстанций.

Когда Шарль Кулон в 1785 г. открыл закон взаимодействия точечных зарядов, начался новый этап изучения электричества. Точная математическая формулировка способствовала появлению очередных открытий и научных прорывов.

В 1832 г. англичанин Майкл Фарадей открыл законы электролиза и установил, что заряды переносит не флюид, а частицы самой материи. В 1897 г. Джозеф Томсон открыл электрон, материальный носитель электричества. Эти подвижные элементарные частицы создают ток в проводниках.
Скорость электронов в металлах

Вывод о невероятно быстром движении частиц в проводниках делать рано. Свободные электроны в металлических проводниках постоянно натыкаются на атомы кристаллической решетки, ведь металлы — плотные вещества. Именно поэтому провода и другие участки электрических цепей нагреваются, когда по ним течет ток. Частицы передвигаются со скоростью от 0,1-1 мм/с. Максимальное значение может достигать нескольких миллиметров в секунду. Величина зависит от силы тока, количества свободных электронов в металле, площади сечения провода. Эту скорость называют дрейфовой.

Чем же объяснить мгновенную передачу заряда на большие расстояния, если частицы ползут так медленно?

Что происходит в проводнике

Когда цепь замыкается, на ее концах создается разность потенциалов. В проводнике возникает электрическое поле, которое устремляет электроны от источника тока в сторону меньшего значения потенциала. Такое движение частиц называют дрейфом. Отрицательно заряженный электрон окружен своим полем, которое перемещается вместе с ним. Соседние частицы не сближаются, а отталкиваются, дополнительно ускоряя друг друга, ведь у них одноименные заряды.

Хотя ток — это перемещение зарядов, не следует судить о его быстроте по скорости движения самих электронов. В проводнике между носителями распространяется изменение электрического поля (ЭП), которое возникает рядом с источником, а потом передается дальше. ЭП — одна из составляющих электромагнитного поля (ЭМП), которое распространяется в вакууме со скоростью света, равной 300000 км/ч. В других средах (например, в металле) этот показатель ниже эталонного значения, хотя без точных измерительных приборов заметить разницу невозможно, о чем наглядно свидетельствуют опыты ученых XVIII в.

Во время опыта Нолле гвардейцы держались за руки, а не за провод. В этом случае эффект наблюдался потому, что человеческое тело тоже хорошо проводит электричество. Здесь переносчики зарядов — ионы. На них распадаются молекулы веществ при растворении в воде, которая содержится в тканях организма. Если в растворе создать разность потенциалов, ионы будут двигаться упорядоченно. Эти заряженные частицы переносят электрическое действие при отсутствии свободных электронов.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Урок как основная форма обучения