Текст книги "Естествознание. Базовый уровень. 10 класс"

Автор книги: Владислав Сивоглазов

Соавторы: Инна Агафонова,Сергей Титов
сообщить о нарушении

Текущая страница: 10 (всего у книги 26 страниц) [доступный отрывок для чтения: 10 страниц]

§ 27 Физические поля

Подходит в вагоне метро милиционер к спящему студенту, у которого на коленях лежит учебник Ландау «Теория поля»: «Просыпайся, агроном! Конечная!»

Анекдот

Вероятно, вы уже заметили, как поразительно похожи математические формулы законов Кулона и закона всемирного тяготения. Действительно, между силой тяготения и электростатической силой есть много общего. В обоих случаях существует объект, обладающий некоторым качеством: массой или зарядом. Этот объект оказывает воздействие на другие тела, обладающие таким же качеством. Величина этого воздействия убывает пропорционально квадрату расстояния от объекта и на бесконечно большом расстоянии стремится к нулю.

Физические поля как один из видов материи.

Давно было известно, что электростатическое и гравитационное взаимодействие могут распространяться и в вакууме без какой-либо материальной среды, иначе говоря, в пустом пространстве. Представить себе это довольно сложно, поэтому физики до XIX в. считали, что пустого пространства не существует: всё заполнено тонкой неуловимой неподвижной средой, которую называли мировым эфиром. Через эфир и осуществляются все взаимодействия. Однако в начале XX в. выяснилось, что эфира не существует. Поэтому современная наука считает, что все взаимодействия осуществляются физическими полями. Если тело А создаёт в окружающем его пространстве силовое поле, которое оказывает действие на тело В, находящееся на расстоянии от тела А, то и тело В точно таким же образом действует на тело А. Поле, наряду с веществом, представляет собой один из видов материи.

Фундаментальные взаимодействия. Благодаря физическим полям осуществляются все возможные взаимодействия между физическими телами. Всего в природе существует четыре вида взаимодействия, которые называют фундаментальными. Все остальные взаимодействия можно свести к этим основным. Два из четырёх фундаментальных взаимодействий, сильное и слабое, действуют только на очень малых расстояниях – внутри ядер атомов. О них мы узнаем позже, а пока рассмотрим два взаимодействия, хорошо заметных в повседневной жизни, – гравитационное и электромагнитное. Последнее осуществляется при помощи электромагнитного поля, о котором мы поговорим в следующем параграфе. Электростатическое поле – частный случай электромагнитного поля.

Сила, с которой поле действует на единичную массу или на единичный заряд, равна напряжённости поля в данной точке. Напряжённость определяется как отношение силы, действующей на тело, к его массе (в случае гравитационного поля) или к его заряду (в случае электростатического поля). Отсюда видно, что напряжённость поля тяготения во всех точках равна ускорению свободного падения.

Отличия между гравитационным и электростатическим полями.

Несмотря на математическое сходство формул, которыми описываются гравитационное и электростатическое поля, между ними существуют и большие различия. Прежде всего благодаря гравитационному взаимодействию тела могут только притягиваться. Если в поле действия какой-либо массы окажется другая масса, то на неё всегда будет действовать сила, направленная в сторону первой. В то же время электростатическое поле может создаваться двумя видами зарядов, и в результате этого может возникать как притяжение, так и отталкивание.

Сила гравитационного поля ничтожно мала по сравнению с силой поля электростатического. Иначе и быть не может. Ведь в гравитационном поле существует только один вид взаимодействия – притяжение. Если бы гравитационное притяжение было таким же сильным, как электростатическое, все планеты, звёзды и галактики давно бы уже «слиплись» в единую массу. Никакой инерции не хватило бы для того, чтобы удержать планету на орбите, если бы сила притяжения Солнца была хотя бы приблизительно равна электростатической силе. А последняя, несмотря на свою огромную величину, не производит во Вселенной разрушительного действия из-за того, что все её притяжения в точности уравновешиваются отталкиваниями. Всё вещество является смесью положительных протонов и отрицательных электронов, притягивающихся и отталкивающихся с неимоверной силой. Но между зарядами этих частиц существует точный баланс, поэтому обычные тела не испытывают ни притяжения, ни отталкивания. Р. Фейнман приводит такой расчёт. Если бы в вашем теле или в теле вашего соседа, стоящего от вас на расстоянии вытянутой руки, электронов оказалось бы всего на 1 % больше, чем протонов, то сила вашего отталкивания была бы достаточно большой, чтобы поднять вес, равный весу Земли!

Вычислить, во сколько раз электростатическая сила превышает гравитационную, можно, измерив соотношение силы электрического отталкивания электронов (из-за того, что все они имеют одинаковый отрицательный заряд) и силы их взаимного притяжения (из-за того, что они имеют массу). Это отношение не зависит от расстояния между электронами и является одной из мировых констант. Оказывается, что сила притяжения равна силе отталкивания, разделённой на 10⁴²!

Проверьте свои знания

1. Что называется напряжённостью гравитационного (электростатического) поля?

2. В чём заключаются сходства и различия гравитационного и электростатического полей?

3. Что произошло бы, если бы сила гравитационного поля была такой же, как и сила электростатического?

4. Почему между электронами существуют как силы притяжения, так и силы отталкивания? Каково их приблизительное соотношение?

Задания

Объясните, почему обрывки бумаги из задания 2 к § 26 отрываются от стола и взлетают вверх.

§ 28 Движение электрических зарядов

После электричества совершенно бросил интересоваться природой. Неусовершенствованная вещь.

В. Маяковский

Само слово «электростатический» говорит о некой статике, т. е. неподвижности. Электростатическая сила – это та сила, с которой неподвижный заряд действует на другие заряды, находящиеся на расстоянии от него. Но мы знаем, что электрические заряды могут двигаться. Их движение называют электрическим током. При движении зарядов возникают дополнительные силы. Однако, прежде чем их обсуждать, вспомним основные законы электродинамики – науки об электрических зарядах.

Электрические заряды в виде протонов и электронов существуют во всех телах, однако они не всегда способны свободно передвигаться. Способность вещества проводить электрический ток определяется его проводимостью. Противоположное проводимости свойство – сопротивление. Вещества, в которых движение электрических зарядов затруднено, обладают высоким сопротивлением и плохо проводят электрический ток. Их называют диэлектриками, или изоляторами. Вещества, в которых заряды могут свободно передвигаться, а прежде всего металлы, называют проводниками. Среднее положение между диэлектриками и проводниками занимают полупроводники, проводимость которых в большой степени зависит от температуры. Полупроводники широко используют в различных областях электронной техники. Многие химические элементы (кремний, германий и др.) и большое количество химических веществ являются полупроводниками.

Но для того чтобы по веществу проходил электрический ток, недостаточно, чтобы в нём были свободные заряды. Для приведения этих зарядов в движение требуется сила. Какая же сила может вызвать движение электрических зарядов? Очевидно, что это должна быть сила, создаваемая электростатическим полем и определяемая напряжённостью этого поля. Если в электростатическое поле поместить заряды, которые могут свободно перемещаться, то они будут двигаться вдоль вектора напряжённости от источника поля или к нему в зависимости от того, одинаковы или различны заряд источника и движущиеся заряды. Это упорядоченное движение заряженных частиц называют электрическим током. Сила этого тока измеряется тем, какой электрический заряд проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени. Единицей измерения силы тока является ампер (А). Если за 1 с переносится заряд, равный 1 Кл (одному кулону), то сила тока составляет 1 А.

В промышленных и бытовых устройствах, электрический ток течёт по проводникам, сделанным из металла. В металлических проводах свободными зарядами являются отрицательно заряженные электроны, движущиеся по направлению к положительному полюсу источника (аноду). Противоположный ему, отрицательный полюс источника называют катодом. Хотя в металлических проводах носителем тока в основном являются отрицательные электроны, в физике за направление тока принято движение положительных зарядов от «плюса» к «минусу» источника тока. Так получилось, потому что основополагающие работы по электродинамике были выполнены задолго до открытия электронов. Носителями электрического тока могут быть не только электроны, но и положительные или отрицательные ионы. Ионные токи часто наблюдаются в тех случаях, когда электростатическое поле возникает в жидкостях или газах.

Различие в напряжённости электрического поля в разных участках проводящей среды зависит от разности потенциалов или электрического напряжения.

Рис. 72. Георг Симон Ом

Рис. 73. Алессандро Вольта

Рис. 74. Луиджи Гальвани

Эта величина измеряется в вольтах (В). Чем больше разность потенциалов между участками проводника, тем больше будет протекающий по нему ток. Но эта величина не определяется однозначно только разностью потенциалов, она зависит и от сопротивления среды, единицей измерения которого служит ом (Ом). В результате сила тока выражается формулой:

I = U/R,

где I – сила тока, U – разность потенциалов (напряжение), а R – сопротивление проводника. Этот закон был открыт немецким физиком Георгом Омом (1789–1854) и, так же как единица измерения сопротивления, назван его именем (рис. 72). Если на концах проводника создать разность потенциалов, а затем предоставить эту систему самой себе, то движение зарядов мгновенно выровняет эти потенциалы и электрический ток исчезнет. Поэтому, для того чтобы ток протекал постоянно, требуется поддерживать разность потенциалов на постоянном уровне. Для этого нужно действие внешней силы, которую называют электродвижущей силой. Приспособления, обеспечивающие поддержание разности потенциалов на концах провода, называют источниками питания. Первый источник питания был изобретён итальянским физиком Алессандро Вольта (1745–1827) (рис. 73). Его, как и его современника, земляка и постоянного научного оппонента Луиджи Гальвани (1737–1798) (рис. 74), в течение многих лет интересовал вопрос о том, как электрический угорь вырабатывает своё электричество. Гальвани считал, что это свойство присуще всем живым организмам, а Вольта пытался объяснить его с помощью химических процессов. Время показало, что правыми оказались оба исследователя. Гальвани открыл «животное электричество», о котором вы узнаете позже, а Вольта в результате многочисленных опытов заметил, что если в банку с кислотой опустить цинковую и медную пластинки и соединить их проволокой, то цинковая пластинка будет растворяться, а на медной станут выделяться пузырьки газа (рис. 75). Вольта показал, что по проволоке протекает электрический ток, который может поддерживаться в течение продолжительного времени. На основе этого эффекта он сконструировал первый в истории источник тока, состоящий из колец цинка и меди и сукна, пропитанного кислотой. Этот прибор имел форму столба и поэтому получил название вольтова столба, или, по иронии судьбы, гальванического столба – в честь Гальвани, постоянного научного оппонента Вольта. В настоящее время человечество использует во всевозможных приборах и механизмах самые разные источники питания.

Рис. 75. Простейший элемент Вольта состоял из двух металлических пластин – медной и цинковой, опущенных в водный раствор серной кислоты.

Проверьте свои знания

1. Что такое проводники, диэлектрики и полупроводники?

2. Сформулируйте закон Ома и напишите его формулу.

3. Какие участки электрической цепи называются анодом и катодом?

4. Кто сконструировал первый источник электрического тока (питания)?

Задания

Электрическая цепь состоит из источника питания, анод и катод которого соединены участком, состоящим из диэлектрического материала. Известно, что сопротивление диэлектрика снижается в два раза при увеличении температуры на каждые 10 °C. Во сколько раз изменится сила тока в цепи, если её температура возрастёт на 30 °C, а разность потенциалов на концах цепи снизится в четыре раза?

§ 29 Электромагнитное поле

Жил в итальянском городе Амальфи бедный ювелир и инкрустатор по имени Флавио Джойя, который влюбился в Анджелу, дочь богатого рыбака Доменико. Но отец не хотел, чтобы Анджела вышла за «сухопутного» Джойя, и поставил влюблённому тяжёлое условие – научиться плавать в темноте и тумане по прямой линии. Такое условие представлялось совершенно невыполнимым, но Флавио проявил неслыханную изобретательность. В работе для инкрустирования маленькими кусочками железа он использовал магнитный камень. Как-то Флавио заметил, что, если положить этот камень на кусочек пробки, плавающей в воде, он поворачивается всегда в одну сторону. Так был изобретён компас, а Флавио женился на Анджеле.

Итальянская легенда

А теперь обратим внимание на проблему, связанную с движением заряженных частиц. Поскольку они имеют заряд, то, само собой разумеется, должны служить источником электрического поля. Только в этом случае поле уже не будет электростатическим. Такое поле называется электромагнитным.

История открытия магнетизма.

Помимо притяжения мелких предметов к натёртому куску янтаря в древности хорошо знали ещё один вид притяжения. Ещё в Античности было известно, что кусок чёрного камня магнетита может притягивать к себе железо. Более того, он способен передавать данное свойство железу, делая его магнитом. Это невероятное свойство, названное магнетизмом, вызывало бурю ярких фантазий, рассуждений о целебных достоинствах магнетита. О его магическом действии складывались легенды. Однако только в XI в. магнетизм получил практическое применение. К этому времени относятся первые упоминания о компасе. Считается, что компас был изобретён много раньше в Китае, но прямых сведений об этом не сохранилось. В Европу же его привезли, скорее всего, арабы. К XIV в. компас с подвижной розой (картушкой) получил широкое распространение (рис. 76). В «Божественной комедии» Данте есть строки, в которых упоминается стрелка (игла) компаса:

 
Раздался голос, взор мой понуждая
Оборотиться, как иглу звезда…
 

Однако природа магнетизма ещё долго оставалась неизвестной. Некоторые из первых исследователей высказывали мнение о его связи с электричеством, однако другие считали такое мнение предрассудком. Первая точка зрения подтвердилась в XVIII в., когда было обнаружено намагничивающее действие молнии, а затем и приборов, производящих электрические разряды.

Рис. 76. Первые упоминания о компасе относятся к XI в., а к XIV в. компас с подвижной розой (картушкой) уже получил широкое распространение

В 1820 г. Ганс Христиан Эрстед (1777–1851) описал результаты эксперимента, в котором было показано, что электрический ток, протекающий по проводнику, отклоняет магнитную стрелку компаса от её естественного направления на север. Эта сила, получившая название «поворачивающей», впервые оказалась не ньютоновской, её нельзя было связать ни с гравитацией, ни с инерцией и вообще ни с какой из известных в то время сил.

Исследование этого нового и необъяснимого явления начались немедленно. В том же году Андре Мари Ампер (1775–1836) (рис. 77) показал, что два параллельных проводника, по которым пропускается электрический ток, могут притягиваться или отталкиваться в зависимости от соотношения направлений токов: токи одного направления притягиваются, а разного – отталкиваются (рис. 78). При этом сила притяжения или отталкивания между проводниками прямо пропорциональна силе тока в них: чем больше – сила тока, тем сильнее взаимодействуют проводники.

Рис. 77. Андре Мари Ампер

Рис. 78. Взаимодействие двух параллельных проводников с током

Отсюда напрашивался вывод, что такие проводники ведут себя подобно магнитам. На основании многочисленных исследований Ампер пришёл к выводу, что «все магнитные явления сводятся к чисто электрическим эффектам». Через два года он открыл магнитный эффект катушки с током, которую назвал соленоидом. В настоящее время соленоиды являются основой всех электромагнитов: проволочная катушка, по которой пропускают ток, ведёт себя как постоянный магнит, только сила её притяжения может быть намного больше. Заслуги Ампера в изучении электрических и магнитных явлений так велики, что его называли Ньютоном электричества. Так, понятия «электростатика» и «электродинамика» впервые предложены Ампером. Он же ввёл в обиход термины «электрический ток», «напряжение», «гальванометр» и даже… «кибернетика». В честь Ампера названа единица измерения электрического тока.

Магнитное поле.

Таким образом, выяснилось, что помимо электростатического существует ещё и магнитное поле, которое всегда возникает вокруг проводника, по которому движется электрический ток. Это поле, так же как и электростатическое, обладает силовой характеристикой, которую называют магнитной индукцией. Она направлена перпендикулярно движению электрических зарядов и, следовательно, перпендикулярно электростатическому полю. Полная взаимосвязь этих полей была подтверждена в 1831 г., когда английский учёный Майкл Фарадей (1791–1867) (рис. 79) открыл явление электромагнитной индукции – возникновение электрического тока в замкнутом проводнике при изменении числа линий магнитной индукции сквозь его поверхность (рис. 80). Другими словами, если после опытов Эрстеда и Ампера было показано, что электричество способно вызывать магнитную силу, то после работ Фарадея было установлено, что существует и обратный эффект, т. е. была решена задача, которую Фарадей записал в своём дневнике: «Превратить магнетизм в электричество». В результате общепризнанной стала точка зрения, что электрические и магнитные поля представляют собой две стороны одного и того же поля, которое называют электромагнитным полем.

Рис. 79 Майкл Фарадей

Рис. 80. Опыты Фарадея: А – катушка, состоящая из большого числа витков изолированного провода, подключена к гальванометру;

Б – при внесении в катушку полосового магнита стрелка гальванометра отклоняется, фиксируя появление электрического тока в цепи;

В – магнит останавливается, ток в катушке исчезает;

Г – при выдвижении магнита из катушки ток появляется, но его направление изменяется на противоположное

Магнитное поле, в отличие от электрического, не создаётся какими-либо зарядами. Магнитных зарядов не существует. Аналогом электрических зарядов в магнитном поле служат два полюса, один из которых называют северным, а второй – южным в честь компаса, побудившего к исследованиям магнетизма. Как и в случае с электрическими зарядами, одноимённые полюсы отталкиваются, а разноимённые – притягиваются. Но в отличие от электрических зарядов, магнитные полюсы не могут существовать друг без друга. В этом легко убедиться, распиливая железный магнит: как бы ни мала была отпиленная часть, у неё всегда будут северный и южный полюсы.

Магнетики.

Итак, магнитное поле возникает при движении электрических зарядов. Откуда же оно берётся в куске намагниченного железа или в так называемом постоянном магните? На этот вопрос попытался ответить ещё Ампер. Он предположил, что в каждой молекуле вещества циркулируют электрические токи, которые, складываясь, создают общее магнитное поле. В то время никто не догадывался о существовании отрицательно заряженных электронов, поэтому гипотеза Ампера была гениальной догадкой. Теперь, когда мы знаем, что электроны обязательно входят в состав всех атомов, можно задать вопрос: почему не все вещества способны к намагничиванию? Оказывается, такой способностью обладают только некоторые вещества, называемые ферромагнетиками (от лат. ferrum – железо). К ним относится не только железо, но также никель, кобальт и их сплавы. Способность к намагничиванию зависит от строения атомов этих металлов. Вращаясь вокруг ядра атома и вокруг своей оси, электроны создают крошечные «магнитики», называемые магнитными диполями. Если тело не находится во внешнем магнитном поле, эти «магнитики» ориентированы во всех направлениях и их суммарное поле равно нулю. Если же оно попадает во внешнее поле, например соприкасается с куском магнетита, его атомы поворачиваются под влиянием магнитной силы и их элементарные магнитные поля складываются. Таким образом, тело приобретает свойства магнита. Для того чтобы «размагнитить» тело, надо нагреть его до достаточно высокой температуры, чтобы хаотическое движение атомов вернуло начальный беспорядок.

Кроме ферромагнетиков существуют парамагнетики, которые проявляют свойства магнита, только находясь во внешнем магнитном поле, а после прекращения его действия немедленно теряют эти свойства. Парамагнетиками являются алюминий, платина, оксид марганца и многие другие соединения. Наконец, существует ещё группа веществ, называемых диамагнетиками. Они также не обладают магнитными свойствами при отсутствии внешнего магнитного поля, но обладают свойством поворачивать свои атомы противоположно внешнему магнитному полю. К диамагнетикам относятся, например, вода, поваренная соль, водород и азот.

Проверьте свои знания

1. Что такое электромагнитная индукция?

2. С помощью какого опыта Эрстед впервые обнаружил электромагнитное поле?

3. Каким образом Ампер объяснил природу электромагнитного поля?

4. Чем ферромагнетики отличаются от парамагнетиков?

Задания

Проведите несколько опытов.

1. Положите на стол, находящийся вдали от электроприборов, компас и зарисуйте положение его стрелки. Положите рядом с ним другой компас, а лучше расположите несколько компасов в ряд. Пронаблюдайте, что произойдёт, и объясните полученный результат.

2. Подносите к крайнему в ряду компасу постоянный магнит то южным, то северным полюсом. Объясните полученные результаты.

3. Если у вас в школе имеется соленоид, подключите его к источнику питания и подносите по очереди различными участками к компасу. Объясните результаты наблюдений.