Физика для любознательных. Том 3. Электричество и магнетизм. Атомы и ядра

1 ампер — это величина такого тока, при прохождении которого через электролитическую ванну происходит выделение меди со скоростью 0,000 000 329 кг меди в секунду.

Вообще мы определим способ измерения тока следующим образом:

ток измеряется скоростью переноса меди в электролитической ванне с раствором медного купороса[13].

Тогда

- при силе тока 1 а выделяется 0,000 000 329 кг меди в секунду,

- при силе тока 2 а выделяется 0,000 000 658 кг меди в секунду,

- при силе тока 20 а выделяется 0,000 006 580 кг меди в секунду,

- при силе тока 1 а выделяется (I)∙ (0, 000 000 329) кг меди в секунду.

Этим определяется наша единица силы тока 1 а (сокращение от 1 ампер) и общий способ измерения; этим же соотношением определяется сила тока[14] как некая величина, пропорциональная скорости выделения меди при электролитическом осаждении.

Задача 4. Калибровка амперметра

а) Предположим, что в цепи течет неизвестный по величине ток. Разорвем цепь и включим в разрыв электролитическую ванну для осаждения меди. Допустим, мы установили, что га 1000 сек (примерно ¹/₄ часа) выделилось 0,00658 кг меди. Какова величина тока?

б) Каким образом вы могли бы убедиться (не вступая в противоречие с логикой), что ток после включения в цепь электролитической ванны остался тем же, что и раньше?

в) Небольшой химический завод производит 12 000 т электролитической меди в год. Если завод работает круглосуточно, то какой величины ток он потребляет? (Произведите приближенную оценку, приняв 1 т = 900 кг.)

Количество электричества. Электрический заряд

Субстанцию, которая течет по цепи, называют «электричеством»; это название существует уже 300 лет. Вместо туманного слова «электричество» мы говорим теперь о количестве электричества, о заряде электричества, об электрическом заряде или просто о заряде. Таким образом, теперь мы говорим о токе как о потоке зарядов. Обсуждая здесь эту тему, мы не объясняем, что такое заряд, а говорим лишь, что заряд есть нечто такое, что течет, когда появляется ток. Можно представлять себе заряд как огромный сгусток электронов. Позже мы встретимся с зарядами в опытах, посредством которых впервые изучались заряды, — в опытах с покоящимся электричеством. Единица измерения заряда («порция электричества») получила название кулона[15]. Один кулон дает силу тока 1 а за 1 сек. Ампер — это то же самое, что кулон/сек.

СИЛА ТОКА в амперах = ЗАРЯД в кулонах / ВРЕМЯ в секундах

При силе тока 1 а мы говорим, что через поперечное сечение проводника в каждой точке цепи проходит один кулон за каждую секунду. Поставим в каком-либо месте цепи в качестве наблюдателя гнома и поручим ему считать проходящие мимо него кулоны. При силе тока 1 а он будет отсчитывать 1 кулон каждую секунду, 60 кулон в минуту, 3600 кулон в час. При силе тока 2 а он отметит 2 кулон в секунду и т. д. Поскольку ток в цепи всюду один и тот же, наш наблюдатель отметит в любой части цепи одну и ту же скорость прохождения кулонов. С течением времени любой выделенный кулон (предположим, нам удалось бы его пометить) сделает полный круг по цепи и начнет движение снова[16].

Таким образом, кулон — это порция электричества. Если через лампочку течет ток, то мы представляем себе, что по нити накала проходят кулоны бесконечной вереницей. Но, говоря все это, мы не объясняем электричества. Знаем ли мы электричество так же, как знаем, что такое длина, что такое справедливость или десятицентовая монета? Если мы пытаемся узнать, «что это на самом деле такое», понять изначальную природу электричества (что бы это ни значило), то мы снова возвращаемся в круг старых, как мир, проблем философии, и как ученые мы никогда этого не узнаем. С другой стороны, нам известно об электричестве, токах и электронах очень много: мы знаем о них по тому, что они делают. В этом смысле мы хорошо понимаем, что они собой представляют, и рассчитываем узнать еще больше.

Поток зарядов

Итак, следуя первоначальным представлениям и современным знаниям об электронах, мы говорим, что при силе тока 5 а через сечение проводника в каждой точке цепи проходит 5 кулон электрического заряда в секунду. Расходомеры, установленные в различных точках замкнутого водяного контура, будут показывать одно и то же значение, если не происходит изменения сечения трубопровода и отсутствует утечка. Если наблюдатель зафиксировал в каком-либо месте расход 5 л/сек, то такое же значение отметит другой наблюдатель в любом другом месте. Мы представляем себе, что через сечение трубопровода проносится 5 л воды в секунду. (Действительная скорость самой воды зависит, кроме того, от ширины трубы, и в отношении электрического тока справедливы такие же соображения.) При силе тока 5 а, согласно нашим представлениям, мимо любого наблюдателя проносится 5 кулон в секунду. Ток силой I а означает, что через каждое сечение проводника в любой точке цепи проходит I кулонов в секунду.

13

В русской терминологии величину электрического тока называют также «силой тока». — Прим. перев.

14

Имея в виду наше определение, основанное на скорости электролитического осаждения меди, мы можем экспериментально исследовать магнитное действие тока, как это сделали Ампер и Эрстед свыше ста лет тому назад. В последние годы физики пришли к соглашению изменить логический порядок построения стандартной системы электрических единиц и понятий. Современное официальное определение единицы силы тока исходит из того, что токи пропорциональны их магнитным действиям. Ампер определяется через силу взаимодействия между двумя параллельными проводниками, по которым текут токи, обусловленную магнитным полем токов. (В соответствии с этим подходом магнитное действие пропорционально току по определению, а химическое действие тока подлежит экспериментальному изучению.) Эта новая система упрощает задачу точного воспроизведения эталонов. Система, которая принята в нашем курсе, основанная на скорости электроосаждения меди, позволяет скорее прийти к ясному пониманию вопросов в целом и лучше представлять себе, что такое амперы, кулоны и т. д., поэтому мы и будем пользоваться этой системой. Обе системы одинаково логичны, но смешение их было бы страшно нелогично.

15

По имени французского экспериментатора Кулона, который установил примерно 170 лет тому назад закон для сил взаимодействия между такими порциями электричества. В дальнейшем вместо привычного термина «заряд» часто используется образное выражение «кулон».

16

Простые опыты ничего, однако, не говорят нам об их фактической скорости, поскольку мы не знаем общего числа кулонов, текущих по проводнику. Мы считаем теперь, руководствуясь косвенными данными атомной физики, что полный движущийся заряд, представляющий собой ток в металле, составляет огромную величину. В куске тонкой медной проволоки длиной 30 см ток осуществляют примерно 10²² электронов (считая по два «электрона проводимости» на атом). Заряд каждого электрона равен 1,6∙10^-19 кулон, следовательно, суммарный движущийся заряд близок к 1600 кулон. Если по проволоке идет ток силой 1 а, то должен происходить дрейф электронов вдоль цепи со скоростью примерно ¹/₅₀ см/сек или 1,2 см в минуту. (Этот дрейф — он-то и представляет собой ток — накладывается на хаотическое движение электронов в кристаллической решетке атомов металла, а это движение, как утверждает квантовая теория, происходит с огромной скоростью, свыше 320 км/сек.)