Философские замечания об относительности

Н. – А что такое напряжение?

Л. – Напряжение – это в некотором роде давление, которое оказывает на электроны разница в электрическом состоянии концов проводника.

Н. – Это дьявольски сложно и неясно.

Л. – Да нет же, это очень просто. Как я тебе говорил, соотношение электронов и протонов определяет электрическое состояние или потенциал атома. Представь себе, что у тебя два атома. В первом не хватает трех электронов, во втором – пяти.

Н. – Оба положительны. И, если я осмелюсь сказать, второй атом более положителен, чем первый.

Л. – Надо осмелиться, так как это так и есть. Но хотя оба атома положительны, можно также сказать, что относительно второго первый является отрицательным.

Н. – Вот так штука!.. В жизни все относительно.

Л. – Конечно. Например, из двух людей, имеющих деньги, тот, кто имеет 10 руб., беден по сравнению с другим, у которого их сотни, но богат по сравнению с третьим, у которого все «богатство» – 1 000 руб. долгу. В мире атомов тот атом, который лишен трех электронов, менее отрицателен по отношению к тому, у которого не хватает десяти электронов, и положителен по отношению к тому, который имеет избыток в два электрона. Потенциалы этих трех атомов различны.

Н. – А разность потенциалов измеряется разницей в числе электронов?

Л. – Можно было бы так сделать. Но практически разность потенциалов, или, что равнозначно, напряжение, измеряется в вольтах (в). Один вольт – это напряжение, которое, будучи приложено к концам проводника с сопротивлением 1 ом, создает ток силой 1 а.

Н. – Таким образом, если я хорошо понял, напряжение – это вид электрического давления, которое толкает электроны от одного конца проводника к другому?

Л. – Совершенно верно. И ты легко догадаешься, что чем больше напряжение..!

Н. – … тем больше сила тока.

Л. – И, наоборот, чем больше сопротивление…

Н. – …тем меньше сила тока.

Л. – Таким образом, мы только что вновь открыли основной закон электричества – закон Ома. Сокращенно говорят, что ток равен напряжению, деленному на сопротивление^{2}.

Н. – Я начинаю ощущать настоящий винегрет в моей черепной коробке. Электроны, протоны, сопротивление, ом, напряжение, вольт, сила тока, ампер, закон Ома… Все это дьявольски сложно.

Л. – Поразмысли об этом еще раз до нашей следующей встречи, и ты увидишь, что все это очень просто.

 

 

 

Беседа вторая

 

 

Незнайкин ничего не знал ни о переменном токе, ни об его частоте, ни об его периоде. Он ничего также не знал об электромагнетизме. Из этой беседы он узнает, что такое длина волны, электромагнит, магнитное поле… Он сможет так же хорошо, как и Любознайкин, объяснить, в чем заключается явление индукции… потому что, как Вы увидите, Незнайкин очень одаренный мальчишка.

 

О ДВИЖЕНИИ ТУДА И ОБРАТНО

Незнайкин. – Последний раз, Любознайкин, ты мне рассказал об электронах, протонах и электрическом токе. Словом, обо всем, кроме радио!

Любознайкин. – Но, мой дорогой, в радиотехнике мы в основном и занимаемся электрическими токами, поэтому прежде всего следует знать основные законы, которые ими управляют.

Н. – А я‑то думал, что радио – это наука главным образом о волнах!

Л. – Конечно, волны играют важную роль. Это они помогают установить связь между передающей и приемной антеннами без проводов на расстоянии. При передаче волны возбуждаются переменным током высокой частоты, протекающим в передающей антенне, а достигнув приемной антенны, они вызывают в ней подобный же ток, хотя и значительно более слабый.

Н. – Подожди. Вот ты говоришь о «переменном токе высокой частоты», не потрудившись объяснить смысл этого термина.

Л. – Не торопись. Ты же видишь, что необходимо сначала изучить электричество, прежде чем бросаться очертя голову в радио… До сих пор мы говорили только о постоянном токе, т. е. о таком токе, который идет всегда в одном направлении с постоянной силой.

Н. – Как вода, которая течет из открытого крана?

Л. – Да, если тебе так нравится… Но представь себе, что какая‑то электрическая машина (генератор переменного тока) или другое какое‑либо устройство периодически меняет полярность на концах проводника. Каждый конец поочередно становится положительным, затем его потенциал уменьшается, приближается к нулю и становится отрицательным. Достигнув максимума, он уменьшается, снова приближается к нулю, становится положительным, увеличивается, проходит через максимум, называемый амплитудой, и все начинается сначала (рис. 4).

 

 

Рис. 4. Кривая напряжения переменного тока.

_{А – амплитуда; Т – период.}

 

Н. – Это очень похоже на качели, которые сначала взлетают кверху, затем опускаются, проходят самое низкое положение, снова поднимаются, но уже с другой стороны и т. д.

Л. – Твое сравнение очень удачно. Ты понимаешь, что ток, который будет вызван в проводнике таким напряжением, называемым переменным, также будет переменным, т. е. его направление будет периодически изменяться, а интенсивность в каждый данный момент будет пропорциональна напряжению.

Н. – Если я правильно понял, в переменном токе электроны совершают бесконечные движения туда и обратно.

Л. – Да. А время, в течение которого электроны перемещаются 1 раз туда и обратно, называется периодом.

Н. – А сколько длится один период?

Л. – Используются токи с периодами как 0,02, так и 0,000 000 000 01 сек. Все зависит от частоты тока.

Н. – Что это такое?

Л. – Частотой называют число периодов в секунду. Это значит, что если период длится 1/50 сек, то в 1 сек уложится 50 периодов и мы можем сказать, что частота равна 50 периодам в секунду. Единице частоты присвоили имя Герца, который первый экспериментально получил электромагнитные волны. Таким образом, один герц соответствует одному периоду в секунду. Кратные единицы называются килогерц (1000 герц) и мегагерц (1000 000 герц). Сокращенно они обозначаются гц, кгц и Мгц соответственно.

 

 

В МИРЕ ВОЛН

Н. – Теперь я начинаю понимать то, что ты говорил относительно переменного тока высокой частоты.

Л. – Так называют токи, частота которых более 10 000 гц. Когда такие токи циркулируют в проводнике, они производят электромагнитные волны. Отделяясь от проводника, волны распространяются в виде колец, радиус которых увеличивается со скоростью 300 000 000 м/сек (рис. 5).

 

 

Рис. 5. Движение электронов в антенне и образование волн.

 

Н. – Но ведь это скорость распространения света!

Л. – Конечно, свет также является электромагнитными волнами, но их длина короче, чем у радиоволн.

Н. – Что же называется длиной волны?

Л. – Это расстояние между двумя электромагнитными кольцами, которые последовательно отделяются от антенны. За каждый период тока высокой частоты отделяется одно кольцо. Таким образом, в момент, когда второе кольцо отделяется от антенны, первое уже прошло некоторое расстояние, называемое длиной волны, которое равно…

Н. – … скорости, умноженной на время. В данном случае скорость равна 300 000 000 м/сек, а время между двумя последовательными волнами – периоду тока. Итак, длина волны равна скорости распространения, умноженной на период.

Л. – Поздравляю. Можно также сказать, что длина волн ы равна расстоянию, пройденному в 1 сек, деленному на число волн, излученных в секунду, или, иными словами, на частоту^{3}.

Н. – Это можно сравнить с двумя бегущими по улице мальчиками, которых я только что видел.

Л. – Как это?

Н. – Ну, да. Один из них большой, с длинными ногами, а другой – совсем маленький. Они бежали, держась за руки, т. е. с одинаковой скоростью. У большого шаги длинные, но их ритм реже, чем у маленького, который семенил рядом. Значит, это доказывает, что чем длина волны (длина шага) больше, тем частота (количество шагов в секунду) меньше и наоборот.

Л. – Сравнение совершенно правильное.

 

 

О НЕВИДИМЫХ ВЕЩАХ

Н. – Все‑таки некоторые вещи мне неясны. Что это за кольца, которые ты называешь электромагнитными волнами?

Л. – Я не знаю точно и даже у ученых нет об этом единого мнения. Однако известно, что вокруг проводника, по которому проходит электрический ток, возникает электромагнитное поле, т.е. совокупность электрических сил (притяжение и отталкивание электронов и протонов, о которых я тебе рассказывал прошлый раз) и магнитных сил. Последние можно обнаружить, приближая к проводнику компас, стрелка которого установится перпендикулярно проводнику (рис. 6).

 

 

Рис. 6. Магнитное поле прямолинейного проводника и катушки.

 

Н. – Значит, это то же, что и поле магнита?

Л. – Да, но с той только разницей, что при приближении к магниту стрелка компаса устанавливается в направлении магнита.

Н. – Разве можно рассматривать проводник, через который проходит ток, как магнит?

Л. – Да. Однако его магнитная сила невелика. Чтобы ее усилить, необходимо намотать из проволоки катушку. Таким образом мы получим электромагнит, который можно сделать значительно мощнее обычного магнита. Можно также снабдить его железным или стальным сердечником, который, сгущая магнитное поле, усилит его интенсивность.

Н. – Зависит ли полярность такого магнита от направления тока?

Л. – Да. Если, например, для данного направления тока полюс электромагнита притягивает северный полюс стрелки компаса, то при изменении направления тока электромагнит притянет южный полюс. Магнитное поле имеет направление, зависящее от направления тока, который его создает.

Н. – Таким образом, если я хорошо понял, электромагнитные волны это не что иное, как поля, покинувшие ток, который их создал. Эти поля прогуливаются в пространстве со скоростью 300 000 000 м/сек. Но как их принимают?

 

 

 

ОБРАТИМЫЕ ЯВЛЕНИЯ

Л. – В природе существует большое количество явлений, называемых «обратимыми». Примером может служить создание магнитного поля посредством тока. Если ток создает поле, то поле или, точнее, изменения магнитного поля создают ток в проводнике, находящемся в поле.

Н. – Значит, электромагнитные волны вызовут появление тока в любом проводнике, расположенном на их пути?

Л. – Несомненно. Так, например, в металлических трубках, образующих основу моего кресла, наводятся в данный момент токи высокой частоты, вызываемые всеми работающими в настоящее время передатчиками.

Н. – И, садясь на этот «электрический стул», ты не боишься быть убитым электрическим током?

Л. – Нет, так как эти токи крайне незначительны благодаря большому расстоянию, отделяющему нас от различных передатчиков, волны которых прибывают сюда с очень слабым полем.

Н. – Извини меня, но все это мне кажется дьявольски сложным.

Л. – Чтобы доказать тебе, как это просто, я сейчас покажу один классический опыт. Смотри: вот две катушки, которые я только что купил для приемника, вот батарейка от моего карманного фонаря, а вот миллиамперметр.

Н. – Что это такое?

Л. – Ты мог бы и сам догадаться. Это прибор, служащий для измерения силы тока. Я соединяю батарейку Б с первой катушкой, а миллиамперметр mА – со второй (рис. 7) и связываю обе катушки между собой.

 

 

Рис. 7. Индуктивное соединение первичной I и вторичной II катушек.

_{Б – гальваническая батарея; mА – миллиамперметр.}

 

Н. – Да нет же! Они не связаны, так как между ними есть расстояние.

Л. – Ты ошибаешься, дружище. Связь, о которой идет речь, – это электромагнитная связь: вторая катушка находится в поле первой. Впрочем, ты это сейчас увидишь.

 

 

ОБ ИНДУКЦИИ

Н. – Я все же считаю, что ты ошибаешься, так как если бы вторая катушка находилась в поле первой, должен был бы появиться ток в соответствии с тем, что ты только что говорил относительно создания тока полем. Стрелка же миллиамперметра стоит на нуле.

Л. – Не говорил ли я тебе, что ток возникает только благодаря изменениям поля? Через первую катушку проходит постоянный ток, поле тоже постоянное, и нет оснований для появления тока во второй катушке.

А теперь внимание! Я отсоединяю батарейку первой катушки.

Н. – Невероятно! Стрелка миллиамперметра качнулась вправо, указывая на наличие тока малой длительности.

Л. – Этот ток вызван тем, что поле исчезло, т. е. изменилось от некоторой величины до нуля. А теперь я снова включаю батарейку.

Н. – Стрелка сдвинулась, но влево.

Л. – Потому что возникло поле, что является изменением, противоположным по знаку по сравнению с предыдущим случаем. Если вместо того, чтобы включать и выключать батарейку, я пропустил бы через первую катушку переменный электрический ток…

Н. – … то поле постоянно менялось бы, и во второй катушке также появился бы переменный ток.

Л. – Ты должен знать, что ток, который создает поле, называется индуктирующим, а ток, создаваемый полем, и индуктированным, или наведенным током. А само явление наведения одного тока другим называется электромагнитной индукцией.

Н. – Словом, допустим, что первая катушка – это ты, а вторая – я. Ток твоих мыслей с помощью звукового поля слов наводит ток мыслей в той же форме у меня, т. е. происходит своеобразная индукция.

Л. – Да, твои рассуждения правильны.

 

Беседа третья

 

 

Продолжая изучение явления индукции, Любознайкин подведет Незнайкина к «открытию» самоиндукции, влияние которой создает препятствие прохождению переменных токов. Затем, прибегая к очень выразительным аналогиям, наши два друга изучают свойства конденсаторов. Анализируя различные факторы, от которых зависит емкость, Незнайкин оценит «емкость» своего собственного понимания.