Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
5.Электростатическая машина
Исследователи электрических явлений при проведении экспериментов делали попытки создать приспособления и устройства, которые позволяли бы получать электричество в больших количествах.
Первым таким устройством был прибор, построенный Герике в 1660 г. Он представлял собой шар из серы «величиной с детскую голову», закрепленный на железном стержне между двумя вертикально стоящими деревянными дощечками (см. рис. 2). Натирание шара производилось ладонями рук.
В 1705 г. Хауксби усовершенствовал машину Герике, заменив серный шар стеклянным, который электризовался более интенсивно. Шар крепился на деревянных стойках и приводился во вращение специальной рукояткой. Подвешенная к вращающемуся шару железная цепь передавала заряд ружейному стволу. По другой цепи, прикрепленной к противоположному концу ствола, электрический заряд передавался экспериментатору.
В 1744 г. профессор латинской литературы Лейпцигского университета И. Винклер построил машину со стеклянным цилиндром, вращавшимся с помощью педального механизма и натиравшимся кожаными подушечками, прижимавшимися к стеклу с помощью пружин. Подушечки отделывались конским волосом и с помощью проволоки соединялись с землей. Машина давала столь сильные искры, что ими можно было воспламенить эфир
В 1761 г. известный ученый, математик, механик и физик Л. Эйлер описал электростатическую машину, в которой заряд со стеклянного цилиндра, электризуемого кожаной подушечкой, собирался и накапливался на изолированном металлическом стержне, или кондукторе, подвешиваемом на шелковых шнурах. Для снятия зарядов с цилиндра применялся пучок тонких проволок в виде кисточки, присоединенный проволокой к кондуктору.
В 1755–1766 гг. была построена машина с расположенным вертикально стеклянным диском. С обеих сторон к нему прижимались подушечки, поверхности которых для усиления электризации покрывались амальгамой (амальгама – сплав какого-либо металла с ртутью). Для съема зарядов с диска применялись специальные гребешки, щетки. Сейчас эта машина известна как машина Рамсдена, по имени ее изобретателя. Самая большая дисковая электростатическая машина, основанная на трении, была построена в Англии в XIX в. Диаметр каждого из двух ее дисков достигал 2,27 м, вращение производилось паровой машиной.
Шведский академик И. Вильке в 1757 г. разделял электрические заряды, раздвигая в поле плоского конденсатора две металлические пластинки, расположенные параллельно пластинам конденсатора и первоначально плотно прижатые друг к другу.
Прототипом индукционной электростатической машины явился электрофор, построенный в 1775 г. итальянским ученым, профессором физики университета г. Павия А. Вольтой.
6.Разделение тел на проводники и диэлектрики. Два рода электричества стеклянное и смоляное
В телах, со свойствами проводника, содержится достаточное количество свободных электрических зарядов, которые способны перемещаться под действием электрического поля. Попросту говоря, эти тела способны проводить электрический ток. К проводникам относятся металлы, растворы солей и кислот, тела людей и животных.
Диэлектриками называются тела, не содержащие в себе свободные электрические заряды, то есть не способные проводить ток. К таким телам относятся пластик, резина, воздух, стекло, бумага и др. Иначе эти тела называют изоляторами.
Интересно например, что вода в чистом виде(дистиллированная) является диэлектриком, а с примесями солей(обычная водопроводная или морская) – проводником.
Интересно, что в XVII веке все тела разделялись по другому признаку – на способные электризоваться при их натирании и тела не способные к этому. И лишь в начале XVIII века английским физиком Стефаном Греем было установлено, что есть тела способные проводить электрический ток. В 1729 году он установил явление электропроводности тел.
Два вида электричества
Производя различные опыты над электричеством, люди выяснили основные его свойства. Прежде всего они открыли, что существует два рода электричества. Одно получается при натирании мехом стекла, драгоценных камней и некоторых других материалов — этот род электричества назвали стеклянным. Другой род электричества получается натиранием янтаря, смолы и ряда других веществ — это электричество назвали смоляным. Характерным для этих двух электричеств является способность отталкивать и притягивать одно другое. Теперь для стеклянного и смоляного электричества приняты в науке другие названия. Электричество первого рода (стеклянное) называется положительным, а второго рода (смоляное) — отрицательным. В науке принято положительное электричество обозначать знаком «+», а отрицательное знаком «—». Такие обозначения и будут употребляться и на рисунках.
Электричество одного какого-нибудь рода отталкивает от себя электричество того же рода и притягивает электричество другого рода.
7.Изобретение лейденской банки. Первые опыты накапливать и хранить электричество
История создания. В 1745 году был создан первый конденсатор — «лейденская банка». Она представляла собой закупоренную наполненную водой стеклянную банку, оклеенную внутри и снаружи фольгой. Сквозь крышку в банку был воткнут металлический стержень. Лейденская банка позволяла накапливать и хранить сравнительно большие заряды, порядка микрокулона. Изобретение лейденской банки стимулировало изучение электричества, в частности скорости его распространения и электропроводящих свойств некоторых материалов. Выяснилось, что металлы и вода - лучшие проводники электричества. Благодаря Лейденской банке удалось впервые искусственным путем получить электрическую искру.
Однако при раскопках был найден глиняный сосуд неизвестного назначения, внутри которого стоял медный пустотелый цилиндр с железным стержнем, укрепленным по центру асфальтовой пробкой. Вскоре американский химический журнал опубликовал гипотезу о назначении загадочного сосуда. Авторы гипотезы, указывая, что на дне сосуда найдены остатки оливкового масла, считают, что он служил конденсатором, причем цилиндр и стержень были обкладками, а масло, налитое в сосуд,— диэлектриком. Конденсатор заряжали, многократно перенося заряд на стержень с какого-либо диэлектрика, натертого о шерсть или мех. Затем можно было получить от банки сильный разряд. Не здесь ли, пишет журнал, следует искать исток легенды о волшебной лампе Аладина? Помните, чтобы вызвать джинна, следовало применить странный способ — как следует потереть лампу. В сказках разных народов мира встречается множество волшебных предметов, но ни один из них не требует такого обращения.
8.Возникновения термина электрическая цепь совершенствование лейденской банки
Опыт Мусхенбрука был повторен в присутствии французской короля аббатом Нолле. Он образовал цепь из 180 гвардейцев взявшихся за руки, причем первый держал банку в руке, а последний прикасался к проволоке, извлекая искру. «Удар почувствовался всеми в один момент; было курьезно видеть разнообразие жестов и слышать мгновенный вскрик» десятков людей. От этой цепи солдат и произошел термин «электрическая цепь».
Постепенно конструкция лейденской банки совершенствовалась: воду заменили дробью, а затем наружная поверхность покрывалась тонкими свинцовыми пластинами; позднее внутреннюю и наружную поверхности стали покрывать оловянной фольгой, и банка приобрела современный вид.
При проведении исследований с банкой было установлено (в 1746 г. англичанином Б. Вильсоном), что количество электричества, собираемое в банке, пропорционально размеру обкладок и обратно пропорционально толщине изоляционного слоя. В 70-х гг. XVIII в. металлические пластины стали разделять не стеклом, а воздушным промежутком — так, появился простейший конденсатор.
9.Батарея заряд разряд электризация через влияние
Большой вклад в изучение электрических явлений, в особенностью атмосферного электричества, был сделан известным американским ученым и общественным деятелем Бенджамином Фраклином (1706—1790 гг.). Им были произведены (1747—1752 гг.) многочисленные опыты по улавливанию и изучению атмосферного электричества, усовершенствован молниеотвод, разработана так называемая «унитарная» теория электричества (1747 г.)
Франклин высказал правильные предположения о материальном характере электричества, считая, что оно представляет собой элемент, состоящий из «частиц, чрезвычайно тонких». Ему удалось подойти к представлению об «электризации через влияние», т.е. к явлению электростатической индукции. Он впервые (1749) экспериментально доказал электрическую природу молнии и всё тождество с уже известными свойствами «электрической жидкости». Знаменитый опыт Франклина с воздушным ("электрическим") змеем убедительно показал возможность «извлечения» электричества из облаков, которым он заряжал лейденскую банку подобно тому, как это осуществлялось посредством электростатической машины. Предполагается, что им впервые были введены такие термины, как «батарея», «заряд», «разряд», а также он первым соорудил батарею из лейденских банок.
10.Электрический указатель ломоносова и рихмана громовая машина
Выдающийся ученый-энциклопедист XVIII в. Михаил Васильевич Ломоносов <1711—1765 гг.) явился в России основоположником изучения электрических явлений, автором первой теории электричества. При поддержке Ломоносова академик Георг Вильгельм Рихман<1711—1753 гг.) разработал в 1745 г. оригинальную конструкцию первого алектроизмерительного прибора непосредственной оценки «электрического указателя» (рис. 2.4), который принципиально отличался от уже известного электроскопа тем, что был снабжен деревянным квадрантом со шкалой, разделенной на градусы.
Именно это усовершенствование (по словалРихмана) позволило измерять «большую и меньшую степень электричества»
Из постановления Академической канцелярии (март 1745 г.) следует, что Рихманом проводились весьма интересные электрические эксперименты, «которые при дворе и современном петербургском обществе обращали на себя внимание». Для этих экспериментов Рихману была предоставлена «при дворе особливая камеера», которая, по-видимому, была первой отечественной электрической лабораторией. До Рихмана в России систематическим изучением электрических явлений не занимались. «Электрический указатель» Ломоносов и Рихман использовали при создании «громовой машины» — первой стационарной установки для наблюдения за интенсивностью электрических разрядов в атмосфере. Атмосферное электричество, в середине XVIII в. еще совершенно неизученное загадочное проявление гигантских сил природы, привлекало особое внимание М. В. Ломоносова.
«Громовая машина» (рис. 2.5) в принципе отличалась от «электрического змея» Франклина и приспособлений других исследователей, так как позволяла непрерывно наблюдать за изменением электричества, содержащегося в атмосфере при любой погоде.
С помощью «громовой машины» Ломоносов и Рихман установили, что электричество содержится в атмосфере и при отсутствии грозы, они убедительно доказали, что молния — это электрические разряды в атмосфере. Описывая их эксперименты, газета «Санкт-Петербургские ведомости» (1752, № 58) сообщала: «Итак, совершенно доказано, что электрическая материя одинакова с громовою материею, и те раскаиваться будут, которые... доказывать хотят, что обе материи различны».
Летом 1753 г. М. В. Ломоносов и Г. В. Рихман провели уникальный эксперимент и с помощью громовой машины доказали, что, как писала та же газета (1753, №45) «... сие наблюдение почитается за чрезвычайное. Из сего наблюдения явствует, что ... электрическая сила без действительного грому быть может. Ежели второе правда, то не гром и молния электрической силы в воздухе, но сама электрическая сила грому и молнии причина». Ученые, при огромном стечении народа, устроили пальбу из целой батареи пушек, гром «сотрясал небо», но «электрический указатель» ничего не показывал ("искусством произведенный гром электрической силы не показывает").
11.Теория ломоносова о возникновении атмосферного электричества. Эфирная теория электричества. Громоотвод
Особенного внимания заслуживают взгляды Ломоносова на природу статического электричества. Ломоносова не удовлетворяют многочисленные теории электричества, разработанные зарубежными исследователями, так как в большинстве из них, как о подчеркивал, «некоторые составлению электрической теории самые нужнейшие вещи не довольно наблюдены были». Ломоносов явился инициатором объявления Академий наук конкурса на тему «Сыскать подлинную электрической силы причину и составить точную ее теорию».
Свои воззрения на явления электричества Ломоносов сформулировал в 1756 г. в неопубликованном и сохранившемся лишь в виде тезисов труде «Теория электричества, разработанная математическим путем». В отличие от большинства своих современнике Ломоносов полностью отрицает существование особой электрической материи и рассматривает электричество как форму движения эфира. В его труде нет ни слова о различных субстанциях, с помощью которых многие ученые того времени пытались объяснить электрические явления. «Электрическая сила есть действие, вызванное легким трением... оно состоит в силах отталкивательных и притягательных, а также в произведении света и огня», пишет Ломоносов в своем труде.
«Эфирная» теория электричества, разработанная Ломоносовым, была передовой для своего времени. Она являлась новым шагом к материалистическому объяснению явлений природы. Эфирная теория получила дальнейшее развитие в трудах Эйлера, а позднее, в XIX в., ее придерживались Фарадей и другие крупнейшие ученые, Фарадей, например, считал электричество движением некоей, заполняющей все пространство, пронизывающей все тела упругой среды.
Северные сияния, по мнению Ломоносова, также имеют электрическую природу. Он рассматривал их как свечение, вызываемое электрическими зарядами в верхних слоях атмосферы. «... Весьма вероятно, — писал Ломоносов в своем "Слове о явлениях воздушных, от электрической силы происходящих", что северные сияния рождаются от происшедшей на воздухе электрической силы».
М. В. Ломоносовым были проделаны интересные опыты со свечением разряженного воздуха в стеклянном наэлектризованном шаре — это свечение он сравнивал с северным сиянием: «Возбужденная электрическая сила в шаре, из которого воздух вытянут, внезапные лучи испускает». Опыты Ломоносова по воспроизведению северных сияний на моделях были повторены только спустя 175 лет. Наблюдавшееся Ломоносовым свечение было по существу явлением электрического разряда в разреженном воздухе.
В поисках более безопасных методов измерения «электрической громовой силы» Ломоносов разработал своеобразный автоматический регистратор максимальной вели чины грозового разряда (рис. 2.6 ) После удара молнии по прибор; «сему увидеть можно коль велик; была самая большая громовая си ла». Основываясь на многочислен ных опытах, Ломоносов пришел выводу о целесообразности широкого применения громоотводов. Он писал: «Такие стрелы на местах от обращения человеческого по мере удаленных, ставить за небесполезное дело почитаю, дабы ударяющая молния больше на них, нежели на головах человеческих и на храминах, силы свои изнуряла».
В отличие от Франклина Ломоносов правильно указал на решающую роль заземления в устройстве громоотвода.
12. О «сходстве и подобии» электрических и магнитных явлений. Новые открытия. Закон Кулона
Мировую известность приобрел трактат петербургского академика Франца Ульриха Теодора Эпинуса (1724—1802 гт.) «Опыты теории электричества и магнетизма», изданный в Петербурге в 1759 г. Эпинус впервые указал на связь между электрическими и магнитными явлениями. К этому выводу он пришел в результате многочисленных экспериментов с электризацией кристаллов тур малина при их нагревании и охлаждении (1752 г.). Это явление позднее получило название пироэлектричества. Образование разноименных зарядов на противоположных концах кристаллов он уподоблял двум противоположным полюсам магнита. В своей речи на общем собрании Академии наук в 1758 г. Эпинус говорил не только о некоем союзе и сходстве магнитной и электрической силы, но и сокровенном обеих сил точном подобии». И будто испугавшись
дерзости своих мыслей о «подобии» этих различных (по утверждениям его многих современников) явлений, он в конце речи добавил: «Но я таким образом заключать не отважусь». И не удивительно, прошло почти три четверти столетия, пока «сходство и подобие» электрических и магнитных явлений было убедительно доказано М. Фарадеем.
Независимо от Эпинуса итальянский ученый Д. Беккарня (1716— 1781 гг.) в 1758 г. выдвинул гипотезу о существовании тесной связи между «циркуляцией электрического флюида и магнетизмом».
Ф. Эпинусу принадлежит открытие явления электростатической индукции. Он впервые отверг утверждение Франклина об особой роли стекла в лейденской банке и применил плоский конденсатор с воздушной прослойкой. Он правильно утверждал, что чем меньше расстояние между обкладками банки и чем больше их поверхность, тем выше «степень электричества».
Предполагая, что «сила электрического потрясения» зависит главным образом от степени «сгущения электрической жидкости», Эпинус близко подошел к понятиям о потенциале и емкости. Эпинусом были поставлены эксперименты, воспроизводящие явления, имеющие место в приборе, названном позднее «электрофором». Изобретение электрофора обычно приписывают А. Вольта, но сам Вольта отмечал, что Эпинус осуществил на практике идею элекрофора, «хотя и не сконструировал законченного лабораторного прибора».
В своем сочинении Эпинус предложил свою теорию электрических и магнитных явлений, которая основывалась на существовании электрической и магнитной жидкостей. Заслуживает внимания его попытка впервые применить математические расчеты для характеристики взаимодействия заряженных тел. При этом он задолго до Кулона высказал предположение о том, что силы взаимодействия электрических и магнитных зарядов изменяются обратно пропорционально квадратам расстояния между ними. Эпинусом также была высказана правильная мысль о сохранении количества электричества. Для увеличения «количества электрической материи» в одном теле ее «неизбежно нужно взять вне его и, следовательно, уменьшить ее в каком-либо другом теле»:
Но наибольших успехов сумел достичь французский военный инженер Шарль О постен Кулон (1736—1806 гг.). В течение нескольких лет он проводил эксперименты с помощью прибора, который вначале был предназначен для изучения законов закручивания шелковых и волосяных нитей, а также металлических проволок.
В 1785 г. Кулон установил, что «сила кручения пропорциональна углу закручивания». Он решил использовать этот прибор для измерения «малых электрических и магнитных сил». Прибор позволял измерять «мельчайшие степени силы», и Кулон назвал его «крутильными весами» (рис. 2.8).
В результате многочисленных экспериментов он установил, что сила взаимодействия наэлектризованных тел пропорциональна «количеству электричества» (этот термин был им впервые введен в науку) заряженных тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
Так был открыт Кулоном знаменитый закон, носящий его имя. Этот закон Кулон распространил и на взаимодействие магнитных полюсов.
Кулоном аналитически и экспериментально было доказано, что электричество распространяется по поверхности проводника, а также равномерно распределяется по поверхности изолированной проводящей сферы.
Исследования Кулона способствовали применению математического анализа в теории электричества и магнетизма, распространению математического понятия потенциала (ранее введенного в механику) на электрическое и магнитное поля.
13.Открытие электрического тока. Живое электричесвогальвани
В течение многих столетий вплоть до последней четверти XVIII ученым были известны только явления статического электричества . Промышленный переворот XVIII в. дал мощный толчок развитию различных отраслей науки, в том числе науке об электричестве. В изучении электрических явлений были достигнуты определенные успехи, ими начинают все более интересоваться не только физики, но естествоиспытатели, в особенности врачи, пытавшиеся (и не безуспешно) применять электричество для лечебных целей (см. гл. 2).
Отдельные ученые высказывали предположение, что если «вся природа электрическая», то и в организмах человека и животных по жилам и мускулам должна протекать эта таинственная материя. Одним из подтверждений указанных воззрений были «электрические» рыбы, известные еще с древних времен. Так возникло представление о новом виде электричества, названного «животным».
И нё случайно исследованием мышечных движений лягушек под воздействием электричества занялся в 1773 г. профессор анатомии Болонского университета ЛуиджиГальвани (1737—1798 гг.). Первые электрофизиологические опыты Гальвани над лягушками относятся к 1780 г. Спустя 11 лет он опубликовал результаты своих исследований в знаменитом «Трактате о силах электричества при мышечном движении», получившем широкую известность.
Во время одного из экспериментов, когда препарированная лягушка лежала на столе, на котором находилась электростатическая машина, Гальвани заметил, что, если прикоснуться скальпелем (или любым проводником) к бедренному нерву лягушки в момент, когда из кондуктора машины извлекается искра, то мышцы лягушки судорожно сокращаются. Естественно было предположить, что и атмосферное электричество должно действовать аналогично. И, действительно, при «вспыхивании молнии» мышцы «... впадали в сильнейшие сокращения». Желая выяснить, какие явления будут наблюдаться «при ясном небе», Гальвани прикрепил медный крючок к спинному мозгу лягушки и подвесил крючок к железным перилам балкона. Прижимая другой конец крючка к перилам, он снова наблюдал сокращение мышц. Подозревая, что состояние атмосферы не действует на лягушку, он повторил эксперимент в своей домашней лаборатории: положив препарированную лягушку на металлическую обшивку стола и прижав медный крючок, продетый через спинной мозг лягушки к ученым были известны только явления статического электричества столу, он снова увидел сильные сокращения. Однако при замене одного из металлов непроводником сокращений не происходило.
Но сокращения были «энергичнее и продолжительнее», если лягушка лежала не на железном листе, а на серебряной пластине.
Гальвани сделал правильное предположение о том, что сокращение мышц вызывается действием электрических сил, что мышцы к нервы образуют как бы две обкладки лейденской банки. Но нужно было решить очень важный вопрос: как и где во всех этих опытах возникает электричество? Ни железная пластинка, ни медный крючок, соприкасавшийся с телом лягушки, не могли, по представлениям физиков того времени, служить источником электричества, так как на металлы смотрели только как на проводники, считая, что они могут становиться «электрическими» лишь через прикосновение к другим наэлектризованным телам. Тогда оставалось предположить, что таким источником является сама лягушка. Все это создавало почву для представлений о существовании особого — «животного» электричества. Такую мысль и высказал Гальвани для объяснения наблюдавшихся им фактов. Этому предположению Гальвани придал форму теории, изложенной в упомянутом «Трактате о силах электричества при мышечном движении». Тело животного являлось согласно взглядам Гальвани своеобразной лейденской банкой, способной на непрерывное повторное действие