Сергей Бердышев - Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек
Вольта объяснил возникновение тока дисбалансом электрических зарядов в батарее. Когда взаимодействуют разнородные металлы, то в них нарушается равновесие электрических зарядов. В замкнутой цепи заряды приходят в движение, стремясь прийти к равновесию. Но поскольку это не удается, то заряды движутся постоянно, порождая непрекращающийся электрический ток. В дальнейшем Вольта усовершенствовал свой столб, предложив чашечную батарею гальваноэлементов.
Используя химическое действие электротока, ученые стали применять батареи для проведения исследования веществ. Так, к примеру, англичанин Дэви в 1807 г. открыл неизвестные до того момента элементы калий и натрий, расщепляя постоянным током некоторые щелочи. Ныне батареи применяются невероятно широко почти во всех компактных или переносных устройствах, работающих от электротока.
На батарейках работают переносные компьютеры, карманные фонарики, магнитофоны, наручные кварцевые часы, будильники, поющие поздравительные открытки, детские игрушки и множество других устройств. Наконец, на батарейках работают самые полезные домашние устройства — пульты дистанционного управления. Американские специалисты по маркетингу подсчитали, что сегодня в развитых странах на каждую семью приходится в среднем от 2 до 3,5 пульта дистанционного управления.
С помощью таких пультов мы включаем телевизор и видеомагнитофон, управляем джакузи и компактным домашним кинотеатром, открываем дверь гаража. Вероятно, в обозримом будущем станут выпускаться пульты, совмещающие в себе все необходимые функции, т. е. позволяющие оперировать любой бытовой техникой, рассчитанной на дистанционный контроль. Уже сейчас в продаже появились универсальные пульты, пригодные для дистанционного управления как телевизором, так и видеомагнитофоном (естественно, речь идет не о видеодвойке). По мере совершенствования пультов и их дальнейшей эволюции будут требоваться и батарейки, которые, скорее всего, тоже претерпят различные метаморфозы.
Сопротивление току
Всякий без исключения проводник электрического тока способен в силу особенностей своего атомарного строения оказывать сопротивление движущимся зарядам. Это легко заметить на простейшем опыте, который можно провести поздним вечером в каждом городе, когда включается освещение улиц. Фонари вспыхивают один за другим, по очереди, как будто бы ток бежит неторопливо, с легким запозданием.
Если принять во внимание скорость электронов, почти равную световой, то получится, что человек неспособен увидеть запаздывание зарядов. Ток должен перемещаться по проводам практически мгновенно. Тем не менее этого не происходит. Дело в том, что сам материал проводов тормозит ток.’ Описанное свойство проводников названо в физике электрическим сопротивлением.
Открыт закон Ома
Еще в 1729 г. английский физик Грей обнаружил, что электрический заряд свободно передается от одних тел к другим при наличии своеобразного моста, иными словами, вещества-посредника. Скажем, медная проволока вполне могла служить таким посредником, она хорошо проводила электричество. По шелковой нити же электричество не распространялось, что позволило в дальнейшем использовать этот материал в качестве изоляции. Грей, т. о., пришел к выводу, что в природе существуют проводники и непроводники электричества.
Движение зарядов по проводникам от одного тела к другому ученые назвали электрическим током. К открытию природы электрического тока физиков подвели работы Л. Гальвани и А. Вольта, а также некоторых других исследователей электричества. В частности, Вольта приходит к выводу о существовании разности электрических потенциалов в замкнутой цепи, которую сам же первым собрал. Ученый после открытия контактной разности потенциалов составил т. н. ряд напряжений.
Ранее рассказывалось, что при сочетании разных металлов в гальваническом элементе производится неодинаковый ток, поскольку они заряжены неодинаково. Физик описал сущность контактной разности потенциалов так: «В силу такого соприкосновения электрический флюид (заряд) гонится от… металлов, от одного больше, от другого меньше (больше всего от цинка, меньше всего от серебра)». Вольта выстроил ряд из разнородных металлов, взятых в контакте, по возрастающему напряжению между ними.
В начале 1820-х гг. А. Ампер вводит в физику понятие силы тока и находит способы измерения этой силы. Немецкий ученый Г. С. Ом решает заняться исследованиями электричества, а в первую очередь изучением количественных соотношений напряжения и силы тока. В 1826 г. в результате своих изысканий Ом пришел к выводу, что напряжение прямо пропорционально силе тока и неизвестной величине, которая выражает собой противодействие среды движущимся зарядам. Электрическое сопротивление проводника сдерживало течение тока.
На протяжении последующих десятилетий закон не обращал на себя внимания. Лишь с начала второй половины XIX столетия известные исследователи электрических явлений, такие как Г. Кирхгоф, К. Гаусс, Э. X. Ленц и Б. С. Якоби, признали исключительную важность закона Ома для изучения свойств тока и его работы. Они стали широко применять понятие электрического сопротивления в своих изысканиях и тем самым ввели закон в употребление. На сегодняшний день не найдется ни одного инженера, который не знал бы закона Ома. Между прочим, в 1881 г., уже после смерти этого физика, Международный конгресс электриков решил назвать единицу сопротивления именем ученого — первооткрывателя данного свойства проводников.
Сегодня известно, что движение зарядов в проводнике происходит весьма удивительным образом. В любом твердом теле, обладающем кристаллической решеткой, всегда существуют свободные электроны. Они являются общими для всех атомов, расположенных в узлах решетки, и переходят с орбиты вокруг одного атома на орбиту вокруг другого. Если проводник замкнут в цепь, то движение электронов становится цикличным. Оно приобретает характер непрерывного движения. Это движение хаотическое, оно обусловлено присутствием внутри кристаллической решетки энергии, увеличивающей энтропию.
Если на концах замкнутой цепи создать разность потенциалов (напряжение), то заряды придут в упорядоченное движение. Оно и называется электрическим током. Однако характер движения электронов не будет претерпевать существенных изменений. Заряженные частицы по-прежнему перемещаются в таком проводнике, перепрыгивая от одного заряженного ядра к другому. Это их сильно тормозит и вызывает, т. о., потерю энергии.
Нетрудно понять, что расходуемая электронами энергия превращается в теплоту. Разные вещества обладают неодинаковым сопротивлением, поскольку имеют различное атомарное или молекулярное строение. Положительно заряженные атомные ядра в узлах решетки неодинаково воздействуют на поток свободных электронов, но в зависимости от величины своих зарядов и плотности размещения в решетке.
Реально ли победить электрическое сопротивление. Полностью этого добиться невозможно, однако значительно уменьшить его вполне допустимо. Эффект сверхпроводимости был открыт в 1911 г. нидерландским физиком Г. Камерлинг-Ониссом. Он установил, что при очень низких температурах металлы и сплавы почти на 100 % утрачивают способность тормозить ток, поэтому электрическая энергия начинает в полном смысле слова течь по проводнику, не испытывая и малейших затрат. К сожалению, физиков вскоре ждало разочарование, поскольку использовать сверхпроводники для передачи тока высокого напряжения невозможно.
Требовались дальнейшие исследования, которые были призваны установить, что именно мешает человеку применять в промышленности перспективные материалы. Природа загадочного явления получила научное объяснение только в 1957 г. в работах отечественного физика Н. Н. Боголюбова и американцев Дж. Бардина, Дж. Шриффера и Л. Купера. Оказывается, в сверхпроводниках электроны объединяются в пары. Ток парных зарядов обладает уникальными свойствами, поскольку при движении частиц на строго определенной скорости они не испытывают трения. Во всех остальных случаях электроны встречают сопротивление со стороны атомных ядер.
Сегодня установлено, что ряд материалов можно заставить работать, как сверхпроводники, при сравнительно высоких температурах. Это явление получило название высокотемпературной сверхпроводимости. Изучены и многие другие любопытные свойства проводников такого рода. Возможности практического применения открытого явления рассматривает криоэлектроника и ряд других наук. Приставка в названии криоэлектроники, происходящая от греческого слова krios, означает в переводе на русский язык «мороз, холод» и подразумевает, что такая электроника работает при специальном охлаждении.
