Текст книги "Трактат об электричестве и магнетизме"

Автор книги: Джеймс Максвелл

сообщить о нарушении

Текущая страница: 25 (всего у книги 34 страниц)

ЧАСТЬ II

ЭЛЕКТРОКИНЕМАТИКА

ГЛАВА I

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

230. Мы видели в п. 45, что если проводник находится в электрическом равновесии, то потенциал в каждом токе проводника должен быть одним и тем же.

Зарядим два проводника 𝐴 и 𝐵 таким образом, чтобы потенциал проводника 𝐴 был выше, чем потенциал 𝐵. Если теперь эти два тела связать посредством металлической проволоки 𝐶, касающейся их обоих, то часть заряда, находящегося на теле 𝐴 перейдёт на 𝐵 и за короткое время потенциалы 𝐴 и 𝐵 уравняются.

231. В это время в проволоке 𝐶 наблюдаются определённые явления, которые называются явлениями электрического неравновесия (conflict), или электрического тока.

Первое из этих явлений состоит в переходе положительной электризации от 𝐴 к 𝐵 и отрицательной электризации от 𝐵 к 𝐴. Этот переход можно осуществить более медленным способом, если взять небольшое изолированное тело и поочерёдно приводить его в соприкосновение с телами 𝐴 и 𝐵. С помощью этого процесса, который мы можем назвать электрическим переносом, последовательные малые порции заряда с каждого тела переносятся на другое. Каждый раз некоторое количество электричества, или состояния электризации, переходит с одного места на другое по некоторому пути в пространство между этими телами.

Поэтому, каково бы ни было наше мнение о природе электричества, мы должны принять, что описанный нами процесс представляет собой ток электричества. Этот ток может быть описан как ток положительного электричества от 𝐴 к 𝐵, или как ток отрицательного электричества от 𝐵 к 𝐴, или как комбинация этих двух токов.

По теории Фехнера (Fechner) и Вебера (Weber), электрический ток рассматривается как комбинация двух токов: тока положительного электричества и в точности равного ему тока отрицательного электричества, движущихся в противоположном направлении через ту же среду. Это крайне искусственное предположение о структуре тока необходимо иметь в виду для того, чтобы понять формулировку наиболее ценных экспериментальных результатов, полученных Вебером.

Если, как в п. 36, мы будем считать, что за единицу времени от 𝐴 к 𝐵 передаётся 𝑃 единиц положительного электричества, а от 𝐵 к 𝐴 передаётся 𝑁 единиц отрицательного электричества, то по теории Вебера 𝑃=𝑁, т.е. 𝑃 или 𝑁 следует принять за численную меру тока.

В противоположность этому мы не будем делать предположений относительно связи между 𝑃 и 𝑁, принимая во внимание лишь результат протекания тока, а именно перенос 𝑃+𝑁 единиц положительного электричества от 𝐴 к 𝐵 Мы, таким образом, будем считать истинной мерой тока величину 𝑃+𝑁. Поэтому ток, величину которого Вебер оценил бы в единицу, мы будем считать равным двум.

О постоянных токах

232. В случае тока между двумя изолированными проводниками, имеющими разные потенциалы, процесс быстро заканчивается выравниванием потенциалов этих двух тел, и поэтому ток является, по существу, Переходным Током.

Однако существуют способы, с помощью которых разность потенциалов между проводниками можно поддерживать постоянной. В этом случае ток будет продолжать идти с однородной силой как некоторый Постоянный Ток.

Вольтова батарея

Наиболее удобный способ получить постоянный ток даёт Вольтова батарея.

Для определённости мы опишем Элемент Даниэля.

Раствор сульфата цинка наливается в ячейку из пористой глины, а эта ячейка помещается в сосуд, в котором содержится насыщенный раствор сульфата меди. Кусок цинка погружается в сульфат цинка, а кусок меди – в сульфат меди. К цинку и меди над поверхностями жидкостей припаиваются проводники. Это устройство называется ячейкой, или элементом батареи Даниэля (см. п. 272).

233. Если изолировать элемент, поместив его на непроводящую подставку, и если проволоку, соединённую с медным электродом, привести в соприкосновение с каким-нибудь проводником 𝐴, а проволоку, соединённую с цинковым электродом, привести в соприкосновение с другим каким-нибудь проводником 𝐵, сделанным из того же металла, что и проводник 𝐴, то с помощью чувствительного электрометра можно показать, что потенциал проводника 𝐴 будет превышать потенциал 𝐵 на определённую величину. Эта разность потенциалов называется Электродвижущей Силой Элемента Даниэля.

Если теперь отъединить проводники 𝐴 и 𝐵 от элемента и соединить их между собой с помощью проволоки, то через неё пройдёт переходный ток в направлении от 𝐴 к 𝐵 и потенциалы проводников 𝐴 и 𝐵 уравняются. Проводники 𝐴 и 𝐵 можно затем снова зарядить от гальванического элемента и повторять описанную процедуру до тех пор, пока элемент будет действовать. Но если проводники 𝐴 и 𝐵 соединены проволокой 𝐶 и в то же время связаны с батареей, как описано выше, то элемент будет поддерживать постоянный ток в проволоке 𝐶 и также постоянную разность потенциалов между проводниками 𝐴 и 𝐵. Эта разность потенциалов, как мы увидим, не будет равна полной электродвижущей силе элемента, потому что часть этой силы расходуется на поддержание тока через сам элемент.

Несколько элементов, расположенных последовательно, так что цинк первого элемента соединён металлом с медью второго и т. д., называется Вольтовой батареей. Электродвижущая сила такой батареи равна сумме электродвижущих сил составляющих её элементов. Если батарею изолировать и сообщить ей как целому электрический заряд, то при этом потенциал медного конца всегда будет превышать потенциал цинкового конца на величину, равную электродвижущей силе батареи, каково бы ни было абсолютное значение этих потенциалов. Элементы, входящие в батарею, могут очень сильно различаться по устройству, содержать различные химические вещества и различные металлы при условии, что химические реакции не идут, пока нет тока.

234. Рассмотрим теперь вольтову батарею, у которой концы изолированы друг от друга. Медный конец будет заряжен положительно или стеклообразно, а цинковый конец будет заряжен отрицательно или смолообразно.

Соединим теперь два конца батареи проволокой. Возникнет электрический ток, который очень скоро достигнет постоянной величины. Его и называют Постоянным Током.

Свойства тока

235. Ток образует замкнутую цепь, протекая по проводам в направлении от меди к цинку, а через растворы внутри элемента – в направлении от цинка к меди.

Если разорвать цепь, разрезав проволоку, соединяющую медь одного из элементов с цинком следующего элемента, ток прекратится, а потенциал того конца проволоки, который соединён с медью, будет превышать на постоянную величину потенциал того конца проволоки, который связан с цинком. Эта постоянная величина равна полной электродвижущей силе в цепи.

Электролитическое действие тока

236. Пока цепь разомкнута, в элементах, составляющих батарею, не происходит никаких химических реакций. Но если цепь замкнута, то в каждом элементе Даниэля цинк уходит в раствор с цинка, а медь из раствора осаждается на меди.

Количество сернокислого цинка увеличивается, а количество медного купороса уменьшается, если его непрерывно не добавлять.

Количество растворённого цинка в каждом из элементов Даниэля, составляющих цепь, одинаково, как и количество осаждённой меди, независимо от размера пластин в элементах. Если какой-нибудь из элементов отличается своим устройством, химическое действие в этом элементе находится в постоянном соотношении с химическим действием в элементе Даниэля. Пусть, например, один из элементов состоит из двух платиновых пластин, погружённых в водный раствор серной кислоты. Тогда на поверхности той пластины, через которую ток входит в жидкость (а именно пластины, соединённой с медью элемента Даниэля), будет выделяться кислород, а на поверхности той пластины, через которую ток покидает жидкость (именно пластины, соединённой с цинком элемента Даниэля), будет выделяться водород.

Объём водорода в точности равен удвоенному объёму кислорода, выделившегося за то же время, а вес кислорода точно в восемь раз превышает вес водорода.

Вес каждого вещества, растворённого, осаждённого или разложенного в любом элементе цепи, равен определённой величине, называемой электрохимическим эквивалентом данного вещества, умноженной на силу тока и на время, в течение которого шёл ток.

Эксперименты, в которых был установлен этот принцип, изложены в седьмой и восьмой сериях «Экспериментальных исследований» Фарадея. Исследование кажущихся исключений из этого правила см. в книгах Миллера «Химическая физика» (Miller’s «Chemical Physics») и Видеманна «Гальванизм» (Wiedemann’s «Galvanismus»).

237. Вещества, разлагаемые таким путём, называются Электролитами. Самый процесс называется Электролизом. Места, где ток входит в электролит и выходит из него, называются Электродами. Тот из них, через который ток входит, называется Анодом, а тот, через который ток покидает электролит, называется Катодом. Составляющие, на которые разлагается электролит, называются Ионами: ион, приходящий к аноду, называется Анион, а тот, который приходит к катоду, называется Катион.

Из этих названий, которые, как я полагаю, придумал Фарадей с помощью д-ра Уивелла (Whewell), первые три, а именно электрод, электролиз и электролит, являются уже общепринятыми, а тот вид проводимости тока, в котором имеет место описанное разложение и перенос компонент, называется Электролитической Проводимостью.

Если однородный электролит помещён в трубку переменного сечения, а электроды размещены на её концах, то обнаружено, что при прохождении тока анионы появляются у анода, а катионы – у катода, причём количества этих ионов электрохимически эквивалентны и таковы, что они в сумме эквивалентны определённому количеству электролита. В других частях трубки состав электролита остаётся неизменным независимо от того, велико или мало сечение трубки, остаётся оно постоянным или меняется. Таким образом, количество электролиза в любом сечении трубки одинаково. Там, где сечение мало, процесс поэтому должен быть более интенсивным, чем там, где сечение велико; но полное количество ионов каждого сорта, которые проходят через любое поперечное сечение трубки в данный промежуток времени, есть величина неизменная для всех сечений.

Поэтому сила тока может быть измерена по количеству электролиза в данное время. Прибор, с помощью которого определяется количество продуктов электролиза, называется Вольтаметром.

Измеренная таким способом сила тока имеет одно и то же значение для каждой части цепи, а полное количество продуктов электролиза, выделившихся в вольтметре за любой данный промежуток времени, пропорционально количеству электричества, прошедшему за то же самое время через любое сечение цепи.

238. Если ввести вольтаметр в какую-нибудь часть цепи, содержащей вольтову батарею, и разорвать цепь на каком-нибудь другом участке, то мы можем предположить, что процесс измерения тока происходит следующим образом. Концы разорванной цепи обозначим через 𝐴 и 𝐵, и пусть 𝐴 будет анод, а 𝐵 – катод. Возьмём теперь изолированный шар и будем попеременно приводить его в соприкосновение то с 𝐴, то с 𝐵. За каждый переход шар будет переносить от 𝐴 к 𝐵 определённое измеримое количество электричества. Это количество электричества может быть измерено электрометром, или оно может быть вычислено как произведение электродвижущей силы в цепи на электростатическую ёмкость шара. Электричество, таким образом, доставляется от 𝐴 к 𝐵 на изолированном шаре с помощью процесса, который можно назвать Переносом. При этом как в вольтаметре, так и в элементах батареи идёт электролиз, и количество продуктов электролиза в каждом элементе можно сравнить с количеством электричества, перенесённым с помощью изолированного шара. Количество вещества, выделившегося в электролизе при прохождении единицы количества электричества, называется Электрохимическим эквивалентом этого вещества.

Если измерения проводить описанным способом, взяв шар обычных размеров и управляемую батарею, то эксперимент был бы крайне утомительным и хлопотливым, потому что для разложения заметного количества электролита нужно совершить огромное число переходов. Поэтому такой эксперимент следует рассматривать скорее как иллюстрацию, имея в виду, что в действительности измерения электрохимических эквивалентов проводятся иначе. И всё же описанный эксперимент можно рассматривать как пояснение самого процесса электролиза.

Действительно, мы получим представление о процессе электролиза, если будем рассматривать электролитическую проводимость как вид переноса, при котором электрохимический эквивалент вещества аниона движется вместе с отрицательным электричеством в направлении анода, в то время как электрохимический эквивалент катиона движется вместе с положительным электричеством в направлении катода, причём полное количество переносимого электричества равно единице. Мы будем иметь представление о процессе электролиза, которое, насколько я знаю, не противоречит известным фактам, хотя из-за нашего незнания природы электричества и химических соединений оно может оказаться весьма несовершенным описанием того, что имеет место в действительности.

Магнитное действие тока

239. Эрстед открыл, что магнит, помещённый вблизи от прямолинейного электрического тока, стремится стать под прямым углом к плоскости, проходящей через магнит и через ток (см. п. 475).

Если человек расположит своё тело по линии тока так, чтобы ток через провод, идущий от меди к цинку, тёк бы от головы к ногам, и если человек повернётся лицом к центру магнита, тогда тот конец магнита, который указывает на север, при наличии тока будет указывать в сторону правой руки человека.

Мы обсудим природу и законы этого электромагнитного воздействия, когда дойдём до четвёртой части этого трактата. Здесь же отметим лишь тот факт, что электрический ток обладает магнитным действием, которое проявляется вне тока и по которому может быть установлено существование тока и измерена его величина без прерывания цепи или введения чего бы то ни было в сам ток.

Установлено, что величина магнитного действия строго пропорциональна силе тока, измеренной по продуктам электролиза в вольтаметре, и совсем не зависит от природы проводника, по которому идёт ток, будь то металл или электролит.

240. Прибор, определяющий силу электрического тока по её магнитным действиям, называется Гальванометром.

Как правило, гальванометры состоят из одного или нескольких витков, сделанных из проволоки с шёлковой изоляцией. Внутри этих витков подвешен магнит, ось которого горизонтальна. Когда по проволоке проходит ток, магнит стремится принять такое положение, при котором его ось перпендикулярна плоскости катушек.

Если мы предположим, что плоскость катушек параллельна плоскости земного экватора, а ток обтекает катушку с востока на запад, в направлении кажущегося движения Солнца, то магнит внутри катушки стремится принять такое же положение, что и Земля, рассматриваемая как большой магнит, причём северный полюс Земли подобен тому концу стрелки компаса, который указывает на Юг.

Гальванометр является наиболее удобным прибором для измерения силы электрических токов. Поэтому мы будем предполагать, изучая законы электрического тока, что создание таких приборов возможно, а обсуждение их действия отложим до четвёртой части. Таким образом, когда мы говорим, что электрический ток имеет определённую величину, мы подразумеваем, что измерение выполнено с помощью гальванометра.

ГЛАВА II

ПРОВОДИМОСТЬ И СОПРОТИВЛЕНИЕ

241. Если с немощью электрометра мы определим электрический потенциал в различных точках цепи, в которой поддерживается постоянный ток, то мы найдём, что на любом участке цепи, состоящей из одного-единственного металла с однородным распределением температуры по объёму, значение потенциала в любой точке превышает его значение в любой другой точке, расположенной дальше по направлению тока, на величину, зависящую от силы тока, а также от природы и размеров входящего участка цепи. Разность потенциалов в крайних точках этого участка цепи называется Внешней электродвижущей силой, действующей на данный участок. Если рассматриваемая часть цепи не является однородной, но содержит переходы от одного вещества к другому, от металлов к электролитам или от более тёплых участков к более холодным, то может оказаться, что, кроме внешней электродвижущей силы, существуют ещё внутренние силы, которые необходимо учитывать.

Соотношения между Электродвижущей Силой, Током и Сопротивлением были впервые исследованы д-ром Г. С. Омом в работе, которая была опубликована в 1827 году под заглавием Die Galvanische Kette Mathematisch Bearbeitet, а затем переведена в Taylor’s Scientific Memoirs. Результат этих исследований для случая однородных проводников обычно называют «Закон Ома».

Закон Ома

Электродвижущая сила, действующая между крайними точками любого участка цепи, равна произведению силы тока на сопротивление этого участка цепи.

Здесь вводится новое понятие – Сопротивление проводника, которое определяется как отношение электродвижущей силы к вызываемой ею силе тока. Введение этого понятия было бы лишено научной ценности, если бы Ом не показал экспериментально, что оно отвечает реальной физической величине, т. е. имеет вполне определённое численное значение, которое меняется лишь в том случае, когда меняется природа проводника.

При этом, во-первых, сопротивление проводника не зависит от силы проходящего через него тока.

Во-вторых, сопротивление не зависит от электрического потенциала, под которым находится проводник, а также от плотности распределения электричества на поверхности проводника.

Оно зависит исключительно от природы тех материалов, из которых составлен проводник, от агрегатного состояния различных частей проводника и от его температуры.

Сопротивление проводника может быть измерено с точностью до одной десятитысячной или даже одной стотысячной доли его величины, и к настоящему времени исследовано столь много проводников, что наша уверенность в справедливости закона Ома очень высока. В шестой главе мы рассмотрим приложения этого закона и следствия из него.

Образование тепла током

242. Мы видели, что когда электродвижущая сила вызывает ток через проводник, электричество перемещается от места с более высоким к месту с более низким значением потенциала. Если это перемещение осуществляется путём конвекции, т. е. с помощью повторяющихся переносов заряда на изолированном шаре от одного места к другому, то электрические силы совершают над шаром работу, и это обстоятельство может оказаться существенным. Действительно, это оказывается отчасти существенным в случае тех цепей с сухими батареями, где электроды выполнены в виде колокольчиков, а шар, переносящий заряд, колеблется, подобно маятнику, между этими двумя колокольчиками и соударяется с ними по очереди. При этом электрическое действие поддерживает колебание маятника, а также обеспечивает распространение звука колокольчиков на расстоянии.

В случае проводящей проволоки мы имеем дело с тем же перемещением электричества от места с более высоким к месту с более низким потенциалом без совершения при этом какой-либо внешней работы. Поэтому закон Сохранения Энергии ведёт нас к поискам работы, производимой внутри проводника. В электролите эта внутренняя работа состоит частично в разделении его компонентов. В других проводниках она целиком переходит в тепло.

В этом случае энергия, перешедшая в тепло, равна произведению электродвижущей силы на количество проходящего электричества. Но электродвижущая сила равна произведению тока на сопротивление, а количество электричества равно произведению тока на время. Поэтому количество тепла, умноженное на механический эквивалент единицы тепла, равно квадрату силы тока, умноженному на сопротивление и время.

Тепло, выделяемое электрическим током при преодолении сопротивления проводника, было определено д-ром Джоулем (Joule). Он сначала установил, что тепло, производимое в заданное время, пропорционально квадрату тока, а затем, проведя тщательные абсолютные измерения всех рассматриваемых величин, подтвердил справедливость уравнения

𝐽𝐻

=

𝐶²𝑅𝑡

,

где 𝐽 – найденный Джоулем механический эквивалент теплоты, 𝐻 – число единиц теплоты, 𝐶 – сила тока, 𝑅 – сопротивление проводника, 𝑡 – время прохождения тока.

Эти соотношения между электродвижущей силой, работой и теплом были впервые полностью объяснены сэром У. Томсоном в статье, посвящённой приложению принципа механического действия к измерению электродвижущих сил ¹.

¹Phil. Mag., Dec., 1851.

243. Аналогия между проводимостью электричества и проводимостью тепла на первый взгляд кажется почти полной. Если взять две геометрически подобных системы, таких, что коэффициент теплопроводности в любой части первой системы пропорционален проводимости электричества в соответствующей части второй системы, а также сделать и температуру в каждой части первой системы, пропорциональной электрическому потенциалу в соответствующей точке второй системы, то поток тепла через любую поверхность в первой системе будет пропорционален потоку электричества через соответствующую поверхность во второй системе.

Таким образом, в приведённом нами примере поток электричества соответствует потоку тепла, а электрический потенциал соответствует температуре. Электричество стремится перетекать от мест с высоким к местам с низким потенциалом, в точности так же, как тепло стремится перетекать от мест с высокой к местам с низкой температурой.

244. Таким образом, теория электрического потенциала и теория теплоты могут быть использованы одна для иллюстрации другой. Однако между электрическими и тепловыми явлениями имеется одно замечательное различие.

Внутри замкнутого проводящего сосуда подвесим на шёлковой нитке какое-нибудь проводящее тело, затем зарядим сосуд электричеством. Потенциал сосуда и всего его содержимого сразу же возрастёт, но как бы долго и как бы сильно ни электризовался сосуд, внутри него не будет замечено никаких признаков электризации, а тело, извлечённое из сосуда, не проявит никаких электрических воздействий, независимо от того, находилось ли оно в контакте с внутренней поверхностью сосуда или нет.

Однако если сосуд нагреть до высокой температуры, то тело внутри тоже нагреется до той же температуры, хотя и через значительное время. Если затем вынуть тело из сосуда, оно окажется горячим и будет таким в течение некоторого времени, продолжая испускать тепло.

Различие между этими явлениями заключается в том, что тела способны поглощать и испускать тепло, в то время как у них нет соответствующего свойства по отношению к электричеству. Нельзя нагреть тела, не передав ему определённого количества тепла, зависящего от массы и теплоёмкости тела. Но электрический потенциал тела может быть сделан сколь угодно большим с помощью описанного выше способа, без передачи другому телу какого-нибудь электричества.

245. Предположим снова, что мы нагрели тело, а затем поместили его в замкнутый сосуд. Внешняя часть сосуда будет сначала иметь температуру окружающих тел, но скоро она нагреется и будет оставаться горячей, пока тепло не покинет внутреннее тело.

Невозможно выполнить соответствующий электрический эксперимент. Невозможно так наэлектризовать тело и так поместить его в закрытый сосуд, чтобы внешняя часть сосуда сначала не проявляла никаких признаков электризации, а затем стала бы наэлектризованной. Именно такого рода явление под именем абсолютного электрического заряда безуспешно искал Фарадей.

Тепло может быть скрыто в глубине тела и не оказывать внешнего воздействия, но невозможно изолировать какое-либо количество электричества так, чтобы предотвратить его от постоянной индуктивной связи с равным количеством электричества противоположного знака.

Поэтому в электрических явлениях нет ничего такого, что соответствовало бы теплоёмкости тела. Это непосредственно следует из принятой в настоящем трактате точки зрения, по которой электричество удовлетворяет тому же условию непрерывности, что и несжимаемая жидкость. Поэтому невозможно сообщить какому-либо веществу объёмный электрический заряд, загоняя внутрь этого тела добавочное количество электричества (см. п. 61, 111, 329, 334).

ГЛАВА III

ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА МЕЖДУ СОПРИКАСАЮЩИМИСЯ ТЕЛАМИ

Потенциалы различных веществ, находящихся в контакте

246. Если мы определим потенциал пустотелого проводящего сосуда как потенциал воздуха внутри этого сосуда, то мы можем найти этот потенциал с помощью электрометра, как было описано в части I, п. 221.

Если взять теперь два полых сосуда, сделанные из различных металлов, скажем медный и цинковый, и привести их в соприкосновение друг с другом, а затем измерить потенциалы воздуха внутри каждого из сосудов, то окажется, что потенциал воздуха внутри цинкового сосуда будет положительным по сравнению с потенциалом воздуха внутри медного сосуда. Разность потенциалов зависит от природы внутренних поверхностей сосудов и принимает наибольшее значение, если цинк имеет яркую поверхность, а медь покрыта окислом.

Отсюда вытекает, что когда два различных металла находятся в контакте, возникает, вообще говоря, электродвижущая сила, действующая от одного из них к другому так, что в результате потенциал одного из металлов превышает потенциал другого на определённую величину. В этом состоит Вольтова теория Контактного Электричества.

Если мы примем определённый металл, скажем медь, за стандарт и если потенциал железа, приведённого в контакт с медью, имеющей нулевой потенциал, равен 𝐼, а потенциал цинка, приведённого в контакт с медью, имеющей нулевой потенциал, равен 𝑍, то потенциал цинка в контакте с железом, находящимся под нулевым потенциалом, будет равен 𝑍-𝐼, если среда, окружающая металлы, остаётся той же самой.

Из этого результата, справедливого для любых трёх металлов, следует, что разность потенциалов любых двух металлов, находящихся в контакте при равной температуре, равна разности потенциалов тех же металлов, когда они порознь находятся в контакте с третьим металлом. Поэтому если образовать цепь из любого числа металлов, находящихся при одинаковой температуре, то сразу же после того, как потенциалы металлов примут должные значения, установится электрическое равновесие, и в цепи не будет тока.

247. Если, однако, цепь состоит из двух металлов и электролита, то, по теории Вольта, электролит стремится уравнять потенциалы металлов, с которыми находится в контакте. Поэтому электродвижущая сила при соединении двух металлов уже не уравновешивается, и существует постоянный ток. Энергия этого тока обеспечивается химическим действием, которое имеет место между электролитом и металлами.

248. Однако электрический ток может быть создан без химического воздействия, если мы можем каким-нибудь другим способом произвести выравнивание потенциалов двух металлов, находящихся в контакте. Так, например, в эксперименте сэра У. Томсона ¹ медная воронка находится в контакте с вертикальным цинковым цилиндром, и, когда медные опилки пропускаются через воронку, они отделяются друг от друга и от воронки вблизи от середины цинкового цилиндра, а затем падают в помещённый снизу изолированный приёмник. В результате приёмник оказывается заряженным отрицательно, и, по мере того как опилки продолжают сыпаться в приёмник, величина заряда всё возрастает. В то же время цинковый цилиндр с расположенной в нём медной воронкой приобретает всё более и более возрастающий положительный заряд.

¹North British Review, p. 353; Proc. Roy. Soc. June 20, 1864.

Если бы теперь цинковый цилиндр был соединён проволокой с приёмником, по проволоке пошёл бы положительный ток от цилиндра к приёмнику. Струя медных опилок, в которой все частицы заряжены по индукции отрицательно, образует отрицательный ток, текущий от воронки к приёмнику, или, другими словами, положительный ток, текущий от приёмника к воронке. Поэтому положительный ток проходит через воздух (носителями этого тока являются опилки) от цинка к меди, а через металлическое соединение – от меди к цинку точно так же, как в обычных вольтовых устройствах. Но в рассматриваемом случае сила, поддерживающая ток,– это не химическое действие, а тяготение, которое заставляет опилки падать, несмотря на электрическое притяжение между положительно заряженной воронкой и отрицательно заряженными опилками.

249. Замечательное подтверждение теории контактного электричества даёт открытие, сделанное Пельтье (Peltier). Он установил, что при прохождении электрического тока через соединение двух металлов это соединение нагревается, если ток течёт в одном направлении, и охлаждается, если ток течёт в другом направлении. Следует помнить, что прохождение тока через металл всегда сопровождается выделением тепла, поскольку ток испытывает сопротивление. Поэтому эффект охлаждения для проводника в целом должен быть всегда меньше, чем эффект нагревания. Поэтому следует различать образование тепла в каждом металле, вызванное обычным сопротивлением, и образование или поглощение тепла в месте соединения двух металлов. Первое из этих двух явлений мы назовём образованием тепла электрическим током из-за трения, и в этом случае, как мы видели, выделяемое тепло пропорционально квадрату силы тока и не зависит от направления тока. Второе явление мы можем назвать эффектом Пельтье, в этом случае тепло меняет свой знак с изменением направления тока.

Полное количество теплоты, выделяемое на некотором участке сложного проводника, составленного из двух металлов, может быть выражено соотношением

𝐻

=

𝑅

𝐽

𝐶²𝑡

–

𝚷𝐶𝑡

где 𝐻 – количество теплоты, 𝐽 – механический эквивалент единицы количества теплоты, 𝑅 – сопротивление проводника, 𝐶 – ток и 𝑡 – время. Коэффициент 𝚷 характеризует эффект Пельтье. Численное значение 𝚷 равно количеству тепла, поглощённого в месте соединения при прохождении единичного тока за единицу времени.

Но произведённое тепло эквивалентно механической работе, совершаемой против электрических сил в проводнике, т. е. равно произведению тока на вызывающую его электродвижущую силу. Таким образом, если 𝐸 – это внешняя электродвижущая сила, заставляющая ток течь по проводнику, то

𝐽𝐻

=

𝐶𝐸𝑡

=

𝑅𝐶²𝑡

–

𝐽𝚷𝐶𝑡

,

откуда 𝐸=𝑅𝐶-𝐽𝚷.

Из этого соотношения вытекает, что внешняя электродвижущая сила, требуемая для того, чтобы провести ток через составной проводник, оказывается меньше на величину 𝐽𝚷, чем значение электродвижущей силы, полученное при учёте только сопротивления. Таким образом, величина 𝐽𝚷 представляет собой электродвижущую контактную силу в месте соединения, действующую в положительном направлении.

Это приложение механической теории теплоты к определению локальной электродвижущей силы, принадлежащее сэру У. Томсону ², имеет большое научное значение, потому что обычный способ подключения электродов гальванометра или электроскопа с помощью проволок к двум точкам составного проводника оказался бы бесполезным из-за действия контактных сил в точках соединения проволок с частями составного проводника.