/
Автор: Галанин Д.Д. Горячкин Е.Н. Жарков С.Н. Сахаров Д.И. Павша А.В.
Теги: физика школьная физика эксперимент методическое пособие
Год: 1954
Текст
Д.Д. ГАЛАНИН, Е.Н. ГОРЯЧКИН,
С. Н. ЖАРКОВ, Д. И. САХА РОВ,
А. В. НЛВВ1А
Физическим
ЭКСПЕРИМЕНТ
в ШКОЛЕ
том
Ш
уч В » Д Г И 3 . 19 8 4
Д. Д. ГАЛАНИН, Е. Н. ГОРЯЧКИН, С. Н. ЖАРКОВ,
А. В. ПАВША, Д. И. САХАРОВ
ФИЗИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ
В ШКОЛЕ
ТОМ III
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО
ПЕРВАЯ ЧАСТЬ
ВТОРОЕ ИЗДАНИЕ,
ПЕРЕРАБОТАН НОЕ
Под обшей редакцией
Д. Д. Галанина и С. Н. Жаркова
ГОСУДАРСТВЕННОЕ
УЧ ЕБНО-ПЕДАГОГИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
МИНИСТЕРСТВА ПРОСВЕЩЕНИЯ РСФСР
МОСКВА- 1964
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ НА СХЕМАХ В ТОМАХ 111-IV
Элемент акку- муляторный или гальванический. '4JUU1- Безиндукцион- ное сопротивле- ние. ; Катушки с же- Кенотрон. Выпрямитель
Г 1 000000 лезмым сердеч- ником. гГ
Батарея. Подвижной кон- такт. Реостат с пол- зунком или движком. Плавкий предо- хранитель. электролитиче- ский. Гальванометр.
—(-0-1— Ключ. Выклю- чатель. Выключатель установочный. Реостат с пере- ключателем ИЛИ коммутатором. 4КЧВВ-. Вольтова дуга. © Амперметр, Вольтметр.
Электрическая
лампочка. Ламповый рео- стат. Парал- лельное соеди- нение ламп. Сопротивление. шг Магазин сопро- тивления. Конденсатор постоянный. Генератор или мотор перемен- ного тока.
ЛЛАЛАг* ^MSSSlSLr- Индукционное сопротивление. Катушка без м<елеза. —и— Выпрямитель Генератор или мотор постоян- ного тока.
ПРЕДИСЛОВИЕ ко ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ
Во втором издании произведена перестановка материала,
именно: глава «Магнетизм» из т. III перенесена в IV, а глава
«Разряд в газах», включающая рентгеновы лучи и неоновые лам-
пы, помещена теперь в т. III вместо т. IV.
Значительные изменения, внесённые в текст второго издания,
имели своей задачей, кроме исправления замеченных недочётов,
исключить совершенно устаревшие опыты и приборы и добавить
те демонстрации и аппаратуру, которые появились после выхода
в свет первого издания и должны войти в обиход школьных фи-
зических кабинетов. Однако описание части старых опытов и при-
боров оставлено с той целью, чтобы преподаватель, а может быть,
и производящие организации могли ознакомиться с прежней аппа-
ратурой, которая по своим методическим и экспериментальным
качествам заслуживает внимания и возобновления. Ряд рисун-
ков, показывающих устройство электрических измерительных
приборов, заимствован из учебных таблиц Г. Минина и В. Спири-
донова «Электроизмерительные приборы», Госэнергоиздат, 1947.
Каждый том подразделяется /На главы, охватывающие целые
самостоятельные разделы курса? Каьждая глава разбивается на
параграфы,' содержащие описание нескольких опытов на одну
определённую тему; среди этих опытов обычно имеются вариан-
ты, требующие более сложной аппаратуры, и варианты упрощен-
ного типа. Опыты, которые могут быть использованы в качестве
лабораторных работ, выполняемых самими учащимися, отмечены
звёздочкой (поставленной после номера опыта). Нумерация и на-
звания опытов набраны жирным шрифтом.
После названия опыта приведён (петитом) перечень прибо-
ров и принадлежностей, необходимых для осуществления
описываемого опыта. Если среди приборов повторяются указан-
ные ранее в одном из предыдущих опытов, то после номера таких
приборов идёт ссылка на соответствующий опыт, например:
(1—5). См. опыт 4. ‘
Описание некоторых опытов дано* в нескольких вариантах.
Опыты в свою очередь разбиты на несколько вариантов, в этих
случаях названия опытов набраны разрядкой.
Каждый том имеет свою сквозную нумерацию параграфов,
поэтому при ссылках на какой-нибудь опыт указываются номер
3
тома (римской цифрой), номер параграфа и номер опыта, напри-
мер: ом. т. II, § 33, 5.
Если ссылка даётся в пределах одного и того же тома, то по-
мер тома не указывается. При ссылках в пределах одного пара-
графа пропускается и номер параграфа, например: см. опыт 2,
или: в опыте 3.
Таблицы с числовыми данными размещены по соответствую-
щим параграфам: для удобства отыскивания нужных таблиц их
перечень с указанием их места в книге даётся в оглавлении.
Буквенные обозначения, принятые в книге (для величин, при-
меняемых в электротехнике, согласно ОСТ 5579):
I — длина,
Ъ — ширина,
h — толщина, высота,
г — радиус,
d — диаметр,
S — площадь,
V — объём,
F — сила,
т — масса,
Р— вес в граммах или килограммах как результат взвеши-
вания на весах; численно равен массе,
G — вес, измеренный динамометром, в единицах силы,
D — плотность (в граммах/куб. сантиметрах); численно
равна удельному весу,
q, Q — количество тепла или электричества,
i, J— сила тока,
и, U — напряжение, разность потенциалов,
е, Е — электродвижущая сила,
г, R — сопротивление,
W — работа тока,
Р — мощность тока.
В III томе написали: главы 1—7 — Е. Н. Горячкин, главы
8—9 — С. Н. Жарков.
Составители
ГЛАВА ПЕРВАЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ
Примечание. В настоящей главе рассмотрена простей-
шая электрическая цепь и даны описания лабораторных занятий
но составлению цепей с достаточно простой аппаратурой (§ 3).
Сведения, данные в § 1 и 2, знакомят с различными типами про-
водников, клемм, выключателей и переключателей и способами их
монтажа. Эти параграфы имеют справочный характер. В следую-
щих главах описание перечисленной аппаратуры исключено и сде-
ланы соответствующие ссылки.
Описание источников тока (элементов, аккумуляторов, мотор-
геиератора) и способов ухода за ними дано в т. I.
§ 1. Проводники и клеммы
1. Марки проводов высокой изоляции. В настоящем разделе
помещены справочные сведения о типах и устройстве различных
проводов, употребляемых в технике сильных токов, т. е. для про-
водки осветительных и силовых установок. Эти сведения будут
особенно полезны при проведении внеклассных занятий! по изго-
товлению самодельных приборов и при монтаже осветительной
проводки своими силами.
По ОСТ 7885 конструкция различ-
ных проводников электрического тока
определяется так:
Жилой называется одна или не-
сколько скрученных между собой про-
волок, служащих проводником элект-
рического тока.
Проводом называется голая или
изолированная проволока или жила,. Рис. 1. Провода ПР и ПРГ
не покрытая тяжёлой металлической для проводки освещения.
или резиновой защитной оболочкой.
Шнуром называется система из двух или нескольких соеди-
нённых вместе (механически) изолированных гибких жил.
Кабелем называется система из одной или нескольких
скрученных вместе изолированных жил, заключённых в защитную
металлическую или резиновую оболочку (рис. 3).
Провода (и кабели) различаются между собой прежде всего
по материалу токопроводящих жил, т. е. могут быть, например,
медными, алюминиевыми, нихромовыми и т. п. Провода разли-
чаются также формой своих жил, однако для физического каби-
5
пета нужны лишь круглые провода. Кроме того, провода бывают
однопроволочными или многонроволочными, наконец, они разли-
чаются по роду изоляции (голые, с изоляцией из хлопчатобумаж-
ной ткани, вулканизированного каучука и т. п.) Из многочислен-
ных видов проводов, применяемых при проводке освещения, пре-
деть представление о следующих:
Голые медные провода
могут быть однопроволочпыми или
f скрученными из нескольких прово-
лок. Изготовляются они сечением от
; 10 до 150 (таблица 2).
Провод ПВМ — провод воз-
душный с медной жилой, отличается
| от голого наличием обмотки или
" оплётки из хлопчатобумажной тка-
ни, пропитанной особым составом,
* противостоящим атмосферным влия-
ниям. ПВМ применяется для про-
кладки вне помещений на колоколь-
ных изоляторах как голый
Провод ПР — одножильный
провод с резиновой изоляцией, бы-
вает однопроволочпым и мисгопро-
волочным (рис. 1) и применяется
для проводки освещения в поме-
щениях на роликах, в трубках
и т. п.
Провод ПРГ — провод с ре-
зиновой изоляцией, гибкий, отли-
чается от многопроволочного ПР
только тем, что жила его делается
из более тонких проволок.
резицрвой изоляцией, состоит из двух
сплетенных между собой многопроволочных жил и применяется
для прокладки на роликах исключительно в сухих отапливае-
мых помещениях (рис. 2,1).
Провод ПРД (рис. 2, II) — провод с резиновой изоляцией,
двужильный, по своему устройству подобен ШР, с тон разницей,
что число проволок, образующих его жилы, меньше, чем у ШР1,
вследствие чего он менее гибок.
Шнур ШРО — шнур с резиновой изоляцией, двужильный,
в одной обшей оплётке из вощёных ниток (рис. 2, III).
Шнур ШРП — шнур с резиновой изоляцией, двужильный,
для подвесных ламп, отличается от ШРО наличием бечёвки, кро-
ме жил, заделанной в общую оплётку (рис. 2, IV).
1 У ПРД жила до 1,5 мм? состоит ил 7 проволок и из 19 для всех дру-
гих сечений; у ШР в зависимости от его сечения берётся от 24 про-
волок.
6
щи у р ШРПС — шнур с толстой резиновой изоляцией, пере-
носный/шланговын средний, применяется для присоединения по-
движных токоприёмников (пыле-
сосы школьные проекционные фо-
нари’и т. п.).
В заключение описания про-
вотов, применяемых для проклад-
ки освещения, следует упомянуть
0 полезном для школы кабеле,
защищённом свинцовой оболочкой
и состоящем из двух жил, покры-
тых резиновой изоляцией (рис. 3).
Провода характеризуются пло-
щадью своего поперечного сече-
ния (а не толщиной) и изготавли-
ваются следующих сечений в мм2:
и
Рис. 3. Кабели в свинцовой
оболочке с двумя жилами,
изолированными:
/ — резиной и II — хлопчато-
бумажными нитками.
0,5 2,5 16 70
0.75 4 25 95
1,0 6 35 120
1.5 10 50 и т. д.
На рисунке 4 показаны в
сечения одпопроволочных и
натуральную величину поперечные
мпогопроволочных проводов от 0,5
/20 кд мм
95 кд. мм
70 кд мм
50 кд М4
35 кд мм
2§"кб мм
16 кд. мм
10 кд мм
® 0,5 кд.мм ® 1,5 кВ. мм
О, 75 кВ. ММ 2,5 кВ. мм
® 1 кд. мм 9^ 4 Кд.мм
6 кд. мм
10 кВ. мм
Рис. 4. Натуральные размеры однопроволочных и мпогопроволочных про-
водов.
До 120 кв. мм. Заштрихованная часть на одпопроволочных про-
водах соответствует изоляции проводника.
В нижеследующем разделе 3 приведены некоторые данные
об однопроволочных и многопроволочных проводах, которые бу-
дут полезны преподавателю при некоторых расчётах, а также
при монтаже проводки электрического освещения.
2. Марки проводов низкой изоляции. Для намотки катушек
электромагнитов, трансформаторов, якорей и индукторов электро-
Рис. 5. Провода низкой изо-
ляции (обмоточные) с бумаж-
ной или шёлковой обмоткой.
моторов и т. п., при изготовлении
самодельных приборов применяются
провода с низкой изоляцией (без
резиновой оболочки). Поэтому эти
провода иногда называют обмоточ-
ными. Характеризуются они, в отли-
чие от проводов, применяемых для
проводки освещения, не величиной
своего поперечного сечения, а тол-
щиной, выраженной в миллиметрах.
Для преподавателя нужно иметь
представление о следующих марках
проводов:
ПБО — провод с хлопчатобумажной изоляцией однослой-
ной. ПБД — провод с хлопчатобумажной изоляцией двойной. Со-
стоят из медной проволоки, обмотанной соответственно одним
или двумя слоями хлопчатобумажной пряжи (рис. 5). В нижесле-
дующем разделе 3 приведены некоторые данные, характеризую-
щие провода ПБО и ПБД.
ЗП — звонковый провод, делается с двойной (ЗП) и тройной
(ЗПТ) обмоткой из хлопчатобумажных ниток, пропитанных пара-
фином. Жила состоит из медной проволоки, однако иногда можно
встретить в продаже железную проволоку, покрытую сверху для
улучшения проводимости медью.
ПЭ — провод с эмалевой изоляцией и ПЭБ — провод с эмале-
вой и хлопчатобумажной изоляцией состоят из медной проволо-
ки, покрытой соответственно маркам слоем эмалевого лака или,
кроме этого, имеют обмотку из хлопчатобумажных ниток.
• ПШО — провод с шёлковой изоляцией однослойной и ПШД —
провод с шёлковой изоляцией двухслойной. Состоят из медной
проволоки, обмотанной соответственно одним или двумя слоями
шёлка.
Некоторые данные о проводах с шёлковой и эмалевой изоля-
цией приведены в разделе 3.
Кроме перечисленных выше, для физического кабинета могут
быть полезными ещё следующие провода:
ЗШ — звонковый шнур, состоит из двух жил, свитых из десяти
проволок (d — 0,1 мм). Изоляция жилы сделана из продольных
хлопчатобумажных ниток, покрытых шёлковой оплёткой.
Телефонные провода ценны для физического каби-
нета благодаря своей исключительной гибкости. Наиболее часто
встречаются следующие два типа проводов. Телефонные шнуры
8
типа изготавливаются из тончайших медных проволочек.
О 05 мм), пучок которых обматывается бумажной пряжей
окрывается сверху оплёткой из ниток. Они выдерживают
И ьма длительные нагрузки до 0,2 а, не нагреваясь заметным
Глазом. Для весьма кратковременных нагрузок (не более 1 —
2 сек.) возможно пользоваться током до 5 и даже 10 а. Другой
проводов можно применять только для чрезвычайно слабых
токов порядка 0,01—-0,001 а. Провода состоят из тонких пучков
ниток, обвитых сплющенной мишурной медной проволочкой (ка-
нителью). Пучки сверху закрыты для изоляции бумажными нит-
ками и снабжены оплёткой. Благодаря очень малому сечению
м"ет.и провода имеют значительное сопротивление и горят при
нагрузках порядка десятых долей ампера. Снятые с телефонных
проводов медная лента и жилки бывают весьма полезны во мно-
гих случаях в качестве малоупругих токопроводящих подвесов.
В заключение следует упомянуть о полезном для физического
кабинета кабеле (рис. 3, II), применяемом для прокладки теле-
фонных линий внутри помещений. Оболочка этих кабелей чаще
всего используется преподавателем для устройства свинцовых
электродов, нужных при некоторых опытах.
Характеристику специальных проводов, применяемых в радио-
технике, см. в т. V.
3. Некоторые данные о проводах. В настоящем разделе поме-
щён ряд таблиц справочного характера, позволяющих определить
диаметр (толщину), сечение, вес, сопротивление медных прово-
дов. Кроме того, приведены таблицы, показывающие нормы на-
грузок, т. е. наибольшую допустимую силу тока, при которой и
ниже которой гарантируется безопасное нагревание проводов при
длительной нагрузке их током во всякого рода постоянных про-
водках (см. табл. 1—5). При кратковременных нагрузках, на-
пример при лабораторных и демонстрационных работах, норма
нагрузки без вреда для изоляции может быть взята в 2—3 паза
большей.
Таблица 1
Толщина, сечение, вес и сопротивление при 15° С медной проволоки
диаметром от 6,05 до 5,00 мм
Диаметр лок в ММ Сечепие. в мм* Вес 1 км в kF Сопро- тивление 1 км в омах Диаметр пропо- лок В Сечение в л с.и я Вес 1 кл« в кГ Сопро- тивление 1 км в омах
0,05 0,00196 0,0175 8913 0,16 0,0201 0,1792 870,4
0,06 0,00283 0,0252 6189 0,18 0,0254 0,2268 687,7
0,07 0,00385 0,0343 4547 ' 0,20 0,0314 0,2800 557,0
0,08 0,00503 0,0448 3482 0,22 0,0380 0,3388 460,4
0,09 0,00636 0,0567 2751 0,24 0,0452 0,4032 386,8
0,10 0,00785 0,0700 2228 0,25 0,0491 0,4375 356,5
0,12 0,0113 0,1008 1547,3 0,26 0,0531 0,4732 329,6
0,14 0,0154 0,1372 1136,8 0,28 0,0616 0,5488 284,2
0,15 0,0177 0,1575 990,3 0,30 0,0/07 0,6300 247,6
Продолжение табл. 1
Диаметр проволок в мм Сечение в .«.на Вес 1 км в кГ Сопро- тивление 1 К-Ч в омах Диаметр проволок в мм Сечение В Л1.И8 Вес 1 км в кГ Сопро- тивление 1 км в омах
0,32 0,0804 0,7168 217,6 1,25 1,2272 10,937 14,260
0,34 0.0908 0,8092 192,75 1,30 1,3273 11,830 13,185
0,35 0,0962 0,8575 181,89 1,35 1,4314 12,757 12,226
0,36 0,1018 0,9072 171,92 1,40 1,5394 13,720 11,368
0,38 0,1134 1,0108 154,31 1,45 1,6513 14,717 10,598
0,40 0,1257 1,1200 139,26 1,50 1,7671 15,750 9,903
0,42 0,1385 1,2348 126,32 1,55 1,8869 16,817 9,275
0,44 0,1521 1,3552 115,10 1,60 2,0106 17,92 8,704
0,45 0,1590 1,4175 110,04 1,65 2,138 19,06 8,184
0,46 0,1662 1,4812 105,30 1,70 2,270 20,23 7,710
0,48 0,1810 1,6128 96,71 1,75 2,405 21,44 7,276
0,50 0,1963 1,7500 89,13 1,80 2,545 22,68 6,877
0,52 0,2124 1,893 82,40 1,85 2,688 23,96 6,510
0,54 0,2290 2,041 76,41 1,90 2,835 25,27 6,172
0,55 0,2376 2,118 73,66 1,95 2,986 26,62 5,860
0,56 0,2463 2,195 71,05 2,00 3,142 28,00 5,570
0,58 0,2642 2,355 66,24 2,1 3,464 30,87 5,053
0,60 0,2827 2,520 61,89 2,2 3,801 33,88 4,604
0,62 0,3019 2,691 57,96 2,3 4,155 37,08 4,212
0,64 0,3217 2,867 54,40 2,4 4,524 40,32 3,868
0,65 0,3318 2,957 52.74 2,5 4,909 43,75 3,565
0,66 0,3421 3,049 51,15 2,6 5,309 47,32 3,296
0,68 0,3632 3,237 48,19 2,7 5,726 51,03 3,056
0,70 0,3848 3,430 45,47 2,8 6,158 54,88 2,842
0,72 0,4072 3,629 42,98 2,9 6,605 58,87 2,649
0,74 0,4301 3,833 40,69 3,0 7,069 63,0 2,476
0,75 0,4418 3,937 39,61 3,1 7,548 67,27 2,319
0,76 0,4536 4,043 38,58 3,2 8,042 71,68 2,176
0,78 0,4778 4,259 36,62 3,3 8,553 76,23 2,046
0,80 0,5027 4,480 34,82 3,4 9,079 80,92 1,9275
0,82 0,5281 4,707 33,14 3,5 9,621 85,75 1,8189
0,84 0,5542 4,939 31,58 3,6 10,179 90,72 1,7192
0,85 0,5675 5,057 30,84 3,7 10,752 95,83 1,6276
0,86 0,5809 5,177 30,13 3,8 11,341 101,08 1,5431
0,88 0,6082 5,421 28,77 3,9 11,946 106,47 1,4649
0,90 0,6362 5,670 27,51 4,0 12,566 112,00 1,3926
0,92 0,6648 5,925 26,33 4, 1 13,203 117,67 1,3254
0,94 0,6940 6,185 25,22 4,2 13,854 123,48 1,2632
0,95 0,7088 6,317 24,69 4,3 14,522 129,43 1,2051
0,96 0,7238 6,451 24,18 4,4 15,205 135,52 1,1510
0,98 0,7543 6,723 23,20 4,5 15,904 141,75 1,1004
1,00 0,7854 7,000 22,28 4,6 16,619 148,12 1,0530
1,05 0,8659 7,717 20,210 4,7 17,349 161,28 1,0087
1,10 0,9503 8,470 18,415 4,8 18,096 164,68 0,9671
1,15 1,0387 9,257 16,848 4,9 18,857 168,07 0,9280
1,20 1,1310 10,080 15,473 5,0 19,635 175,00 0,8913 1
ю
Таблица 2
Сечение, толщина, вес и сопротивление медных однопроволочиых
и многопроволочных проводников
Диаметр и сечение каждой проволоки в .и.н Наружный диаметр в мм Электр, со- прот. на 1 при t5ЭС в омах Прибл. вес 1000 м в кГ Прибл. длина 100 ке в м
Сечение в Чи<’ло проволок
0,5 1 0,8 — 0,5 0,8 34,8 4,48 22 326
> 0,75 1 0,98— 0,75 0,98 22,2 6,72 14 399
1,0 1 1,13— 1,0 1,13 17,4 8,94 11 212
1,5 1 1,38— 1,5 1,38 11,6 13,3 7 464
2,5 1 1,78— 2,5 1,78 6,97 22,2 4 487
4 1 2,25— 4,0 2,25 4,35 35,4 2 826
6 1 2,76— 6,0 2,76 2,9 53,3 2 308
10 1 3,56— 10,0 3,56 1,74 88,7 1 123
10 7 1,35— 1,431 4,05 1,75 89,2 1 123
16 7 1,71- 2,296 5,15 1,09 142,7 700
25 7 2,13— 3,563 6,40 0,697 223,0 448
35 7 2,52— 4,988 7,55 0,498 312,2 321
5о 19 1,83— 2,630 9,15 0,348 446,0 224
70 19 2,17— 3,698 10,90 0,249 624,4 160
95 19 2,52— 4,988 12,60 0,183 847,4 118
120 19 2,84— 6,335 14,20 0,145 1070,4 93
150 19 3,17— 7,892 15,90 0,116 1338,0 75
Таблица 3
Диаметр медной проволоки голой и
с изоляцией:
ПВО и ПБД
Диаметр голой проволоки в мм 1 1 ’ 0,10 0,15|0,20 0,2 0,30 0,350,4 1 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1
Диаметр ПВО с изоляцией 0,20 0,25 0,30 0,35|0-,40 0,45 0,55 0,65 0,75 0,8 1,0 1,1 1,2 1,3
Диаметр ПБД е изоляцией 0,3 0,35 1 1 0,40 0,4510,50 । । 0,55 0,7(^0,80^0,90^1 ,oh, 2 | 1 । 1 1,3 1,4 1,5
Диаметр го- лой прово- локи в мм . 1,2—1,3 1,4—1,5 1,6— 1,8| 1,9—2,3 2,4—3,0 3,1—4,0 4,1—8,0
Диаметр ПВО 1,4—1,5 1,6—1,7 । | 1,8—2,0|2,1—2,5'2,6—3,2 3,3—4,2 4,3-8,2
Диаметр ПБД 1,6—1,7 1,8—1,92,0—2,2 2,3—2,7 2,8—3,4)3,5—4,4 4,5—8,4
11
Таблица 4
Нагрузки, при которых начинается плавление проводников из различных металлов
(/? — сопротивление в омах проводника длиной в 1 л; J — нагрузка, при которой плавится проводник, в миллиамперах)
Диаметр В Л1.Ч Серебро »»00/оо Платина (хим. чистая) Платиио-иридий (10% иридия) Платиио-серебрв (25% серебра) Никелин Манганин 1 Константан
R J Я J Л J Я J Л J Я 1 J Я J
0,20 0,51 6 340 3,70 3 690 9,0 3 950 9,56 3 200 11,6 3 200 12,05 3 280 15,4 2 780
0,19 0,53 6 020 5,00 3 500 9,3 3 750 10,2 3 030 12,5 3 030 13,9 3 110 17,5 2 630
0,18 0,58 5 680 6,00 3 305 10,8 3 550 11,8 2 900 14,5 2 900 14,9 2 950 19,0 2 490
0,17 0,62 5 355 7,20 3 180 12,0 3 350 12,5 2 700 16,5 2 680 16,5 2 780 21,1 2 350
0,16 0,73 5 015 8,10 2 930 13,8 3 140 14,9 2 540 18,2 2 500 18,8 2 620 24,0 2 205
0,15 0,88 4 700 9,20 2 740 15,3 2 925 16,8 2 360 20,5 2 350 21,5 2 450 37,5 2 060
0,14 1,01 4 370 10,0 2 550 18,0 2710 19,6 2 200 23,9 2 170 24,7 2 280 31,5 1 920
0,13 1,20 4 040 11,0 2 370 21,0 2 500 22,5 2 040 27,8 2 000 28,0 2 НО 37,0 1 780
0,12 1,41 3 720 11,9 2 180 25,0 2 300 26,5 1 860 32,3 1840 32,2 1 950 42,7 1 640
0,11 1,68 3 400 12,2 1 990 30,0 2 100 31,6 1 700 38,4 1 660 37,8 1 780 50,7 1 500
0,10 1,91 3 060 14,8 1 800 36,5 1 900 38,0 1540 46,8 1 500 45,8 1 610 61,5 1 355
0,092 2,30 2 800 17,0 1655 43,0 1 730 44,4 1 400 55,0 1 360 55,0 1 480 72,2 1 240
0,086 2,68 2 600 19,9 1 540 49,3 1600 51,2 1 300 62,3 1 250 63,0 1 380 82,8 1 155
0,080 3,20 2 400 23,1 1 430 56,8 1 480 59,2 1 200 73,0 1 160 75,0 1 280 96,0 1 070
0,075 3,6о 2 240 26,2 1 335 65,8 1 375 68,0 1 120 83,8 1 070 86,0 1 200 110,0 1000
0,069 4,32 2 040 31,3 1 220 78,0 1 250 78,0 1 050 98,5 980 102,3 1 090 130,0 910
0,064 5,00 1875 36,0 1 125 88,5 1 150 92,0 940 112 880 118,0 1 010 152 840
0,060 5,68 1 740 41,1 1 050 98,5 1 060 103,7 870 126 820 134,0 940 173 785
0,0558 6,66 1 600 48,3 995 111,3 975 117,8 800 142 750 157,9 870 201 720
0,0513 8 1 460 55 890 116 900 130 740 160 670 180 800 230 660
0,020 43 415 302 295 750 260 950 150 1120 270 1430 • 210
' Продолжение табл. 4
Нагрузки, при которых начинается плавление проводников из различных металлов
(/? — сопротивление в омах проводника длиной в 1 м; J — нагрузка, при которой плавится проводник, в миллиамперах)
Диаметр в М.н Медь Алюминий Латунь Никель Железо Фосфорная бронза Нейаильбер Сталь
Я J Г к J Я J Я J Я J Я J Я J Я J
0,20 0,57 5 770 1,09 4 850 2,74 3 930 3,06 3 130 3,22 1 550 5,22 3 760 7,5 3470 7,65 1 520
0,19 0,68 5 480 1,10 4 600 3,80 3 730 4,20 2 970 4,50 1 470 6,0 3 570 8,0 3 300 8,30 1 445
0,18 0,72 5 170 1,34 4 350 4,80 3 530 5,00 2810 5,50 1 390 7,0 3 380 9,4 3 100 9,45 1 36Ь
0,17 0,80 4 880 1,55 4 190 5,50 3 325 6,00 2 650 6,50 1 310 8,0 3 190 10,1 2 930 10,0 1 290
0,16 0,90 4 580 1,69 3850 6,00 3 130 7,00 2 490 7,50 1 230 9,0 2 995 11,5 2 800 11,9 1 210
0,15 1,00 4 280 1,90 3600 6,80 2 925 7,50 2 330 8,30 1 150 9,8 2 800 13,0 2 570 13,2 1 130
0,14 1,18 3 985 2,22 3 350 7,30 2 720 8,20 2 170 9,00 1070 11,0 2610 15,0 2 400 15,7 1 055
0,13 1,33 3 690 2,50 3 100 8,00 2 520 9,00 2 010 9,80 993 12,8 2 420 17,8 2 230 18,7 975
0,12 1,60 3 390 3,01 2 850 8,80 2 320 9,20 1 850 10,6 915 14,8 2 225 21,3 2 040 21,3 900
0,11 1,89 3 090 3,59 2 600 9,05 2 120 10,20 1 690 П,2 840 17,3 2 035 25,1 1 850 25,3 820
0,10 2,35 2 790 4,45 2 350 10,9 1920 12,00 1 530 12,8 760 19,8 1845 31,1 1 670 30,0 745
0,092 2,58 2 550 ' 5,08 2 150 13,0 1 765 14,0 1 400 15,0 700 23,8 1 690 36,6 1 520 36,0 680
0,086 3,00 2 370 6,00 2 000 14,8 1 645 16,3 1 310 17,2 650 27,5 1 580 42,0 1 430 41,0 b35
0,080 3,50 2 190 7,10 1850 17,0 1525 19,1 1210 20,2 603 32,8 1460 49,0 1 325 48,0 590
0,075 4,00 2 040 8,50 1 725 19,3 1 425 22,0 1 130 23,2 530 37,3 1 370 56,0 1 240 54,0 550
0,069 4,86 1860 9,00 1560 23,3 1 300 26,0 1 035 27,2 520 44,3 1 250 66,0 1 125 65,0 500
0,064 5,52 1 710 10,00 1450 27,0 1200 30,0 955 31,8 480 51,8 1 155 76,0 1 050 76,0 465
0,060 6,30 1590 11,20 1 330 31,0 1 125 34,5 890 36,0 450 59,0 1080 85,2 980 86,0 430
0,0558 7,50 1 465 13,00 1 240 35,9 1 040 40,0 825 42,0 415' 68,3 970 95,0 890 100,0 400
0,0513 '9 1 340 15 1 150 41 950 46 760 48 380 78 910 106 825 118 370
0,020 46 410’ 204 335 222 270 251 140 335 325 610 270 394 130
Таблица 5
Длительно допустимая нагрузка на медные провода с нормальной резиновой
изоляцией, допускающей температуру нагрева токопроводящих жил 30° при тем-
пературе окружающей среды 4-25° С
Сечение токопроводящей жилы В .О& Нагрузка в а на провода ШР, ПР и ПРГ, про- гладываемые открыто на изолир. опорах Сечение токо- проводящей ЖИЛЫ В -ЧД12 Нагрузка в а на про- вода ШР, ПР и ПРГ, прокладываемые открыто на изолир. опорах
0,5 10 6 46
0,75 13 10 68
1,0 15 16 92
1,5 20 25 123
2,5 27 35 152
4,0 36 50 192
4. Монтаж проводов. На рисунках 6—19 изображены не-
которые способы соединения проводников и зарядки осветитель-
ной арматуры, которые могут встретиться в практике преподава-
теля ].
Рис. 6 и 7. Неправильное и правильное удаление резиновой изоляции.
Рис. 8. Сращивание топких
проводов голых и изолиооваи-
ных (ПБ, ПЭ, ПШ).
Все проводники после скручи-
вания должны быть спаяны пр»
непременном условии, чтобы в ка-
честве плавня (флюса) употреб-
лялась канифоль, а не хлористый
цинк (травленая кислота). Особенно недопустима пайка с кисло-
той тонких проводников, так как место спая через очень короткое
время будет разрушено. Пайка с канифолью производится точно
так же, как и с хлористым цинком. Канифолью, размельчённой
в порошок, посыпают место спая или, слегка нагрев скрутку па-
яльником, касаются её кусочком канифоли. Канифоль плавится и
заливает моею спая; после этого пайка производится паяльником
обычным образом (рис. 20). Для получения надёжной пайки перед
сращиванием концы проводников необходимо тщательно очистить
1 Подробные указания о монтаже проводов см. в книге Горячкина Е. Н._
«Электромонтаж на внеклассных занятиях по физике», Учпедгиз, 1950. ,
14
Oi
I — провода очищаются от изоляции примерно на рас-
стоянии 12—20 см от концов; проволоки отгибаются
иа расстоянии от 7 до 10 см от концов под углом; II —
средняя проволока у семипроволочного провода откусы-
вается кусачками для того, чтобы место соединения
не вышло чересчур толстым; у двенадцатипроволочных
кабелей возможно для тех же целей удалять из се-
редины до семи проволок; III — концы провода с ото-,
гнутыми проволоками надвигаются друг на друга,
IV—V—эти концы обкручиваются вокруг провода ука-'
ванным на рисунке образом при помощи пассатижей;
VI — после спайки место соединения обёртывается изо- .
лирующей лентой. Указанный способ применяется также,
при сращивании голых многопроволочных проводов.
Рис. 10. Отращивание тонкого однопроволочного
изолированного провода от тонкого и изолирование
места скрутки.
ичьником, ножом, наждачной бумагой) от всякого рода окис-
пов грязи и жира.
1,1 Много легче, чем с канифолью, производить пайку проводни-
посредством «тиноля», или «паяноля». Паяноль намазывают
нетолстым ........... ” ......
спиртовки
плавится,
слоем на место скрутки и нагревают его на пламени
или паяльником (рис. 21). После того как припой рас-
для удаления окислов полезно протереть место спая
Рис. 12. Сращивание однопроволоч-
ных изолированных проводов.
Рис. 14. Привязь шнура к роликам.
Рис. 13. Отращивание тонкого одно-
проволочного и многопровэлочного
проводов от толстого многопроволоч-
ного.
Рис. 15. Привязь провода к роликам.
Изоляция места спая производится посредством изолирующей
ленты.
5. Проводники для соединений лабораторной аппаратуры.
Наилучшими для соединения приборов являются многопроволоч-
’ ные проводники (сечением 0,75—1,5 мм2), расплетённые из
шнура осветительной проводки марки ШР. Проводник этой мар-
ки покрыт толстым слоем резины и сверху бумажной оплёткой.
Бумажную оплётку можцр снять совсем, но от этого срок
службы проводника значительно уменьшится. Концы проводни-
ков очищают на расстоянии 2—3 см огг изоляции, скручивают и
обвёртывают изолирующей лентой (рис. 22). Такое обвёртыва-
ние, безусловно, необходимо, если со шнура не удалена бумаж-
ная оплётка.
Так как концы проводников от зажимания под клеммы быстро
портятся, то рекомендуется заделать их в наконечники (рис. 23),
продающиеся в магазинах, торгующих радиопринадлежностями.
Проводник при этом нужно припаять к наконечнику. Проводники
из шцура с заделанными концами дают более надёжный контакт,
экономят время при сборке цепи и в значительной мере гаранти-
® Физический эксперимент в школе 17
Монтаж пробода марки ПРД и
шнура марки LUP
Обход балки по стен
К ломпе
К лампе
'НО
Неверно
Эбонитовая трубка
Переход одной линии
через другую
Оконцевание прободо
\Верно
\ Верно
к лампе
\реберно
'Кбыключа- v Китепселы
телю
ной розетке
К выключат
Верно
Проход пробода через стена
Привязка пробода но угловом ролике11
.2 3 .4 5
^лВё'рно%%7.
Пробод
Обход препятствия
о эбонитовой трибке
Неверно
Рис, 16. Образцы проводки освещения шпуром ШР.
Рис. 17. Образцы проводки освещения проводом ПР.
Рис. 18. Зарядка штепсельных вилок различных
типов.
А В
Рис. 19. Зарядка подвесного патрона.
2*
Рис. 20. Процесс пайки проводов с канифолью.
Рис. 21. Паяние тинолем.
0T от коротких замыканий в' цепи. Подобных проводников
P\o наделать несколько комплектов различной длины, пример-
но в 30, 50, 80 и 100 см. Для. их изготовления желательно взять
шнуры различных цветов. Составление отдельных частей цепи
проводниками различных цветов в большинстве случаев бывает
потезно для учащихся и весьма помогает преподавателю при
проверке схемы. Вместо наконечников концы можно заделать
петлями, но это хуже, так как при соединениях приходится от-
вёртывать каждый раз головку клеммы (рис. 24).
Наилучший способ заделки концов «вилочкой» изображён
н-а рисунке 25. Вилочка является универсальной и может быть
приключена к клеммам с головками (рис. 29) и с отверстиями
Рис. 22. Заделка конца
провода «тычком».
Рис. 25. Заделка конца
провода «вилочкой»
Рис. 23. Заделка конца
провода наконечником.
Рис. 24. Заделка конца
провода петелькой. В
месте скрутки провод
должен быть пропаян.
Рис. 26. Заделка конца
провода однополюсным
штепселем.
(рис. 28). В последнем случае в отверстие вставляют один из кон-
цов вилочки. Для изготовления вилочки берут медную проволо-
ку, проще всего от многопроволочпого провода, сгибают указан-
ии на рисунке 25 образом и обкручивают концом проводника
т ШнУра. Скрутку весьма тщательно пропаивают и место соеди-
ения обвёртывают изолирующей лентой.
21
В крайнем случае надо концы проводок обнажить от изоляции
на 1,5—2 см, скрутить, пропаять и оплётку закрепить изолиоую-
щей лентой.
Рис. 27а. Трубка для хранения
проводов, нужных для лабора-
торных работ.
Рис. 276. Стенной подвес
для хранения соедини-
тельных проводов
Проводники для соединений, взятые от шнура с сечением
0,75—1,5 ммг, выдерживают нагрузку до 10—15 а. Кроме того,
полезно наделать соединительных проводников из телефонного
шнура и снабдить их наконечниками. Они чрезвычайно гиб-
ки и выдерживают ток, правда, нагреваясь, до 3—4 а. При
заделке петлей телефонных проводников место скрутки при-
паивают или обкручивают жилкой от шнура (рис. 24).
Рис. 28. Установка на дереве
различного типа клемм с отвер-
стиями для зажимания про-
водов.
Рис. 29. Установка клемм металличе-
ских (.4 и В) и с кяпболитовыми
головками (С и D).
22
Рис. 30. Различные виды клемм для
соединения проводов.
амается под неё сверху тон
Следует также для включения тока от распределительного
щита к приборам иметь несколько проводников, снабжённых с
одной стороны вилками или однополюсными штепселями
(рис. 26) и с другой — наконечниками. При зарядке вилкой для
обозначения полюсов необходимо один из проводников взять
цветным (лучше красным) и закрасить краской такого же цвета
соответствующую половину вилки. Длина этих проводников опре-
деляется расстоянием между распределительным устройством и
демонстрационным столом. Для хранения проводов очень удобны
кронштейны, изображённые на рисунке 27.
6. Клеммы. Существуют два основных типа клемм. Один тип
с отверстиями (рис. 28) предназначен для присоединения провод-
ников внешней цепи «тычком»,
т. е. без заделки концов петель-
кой (рис. 24), или в наконеч-
ник (рис. 23).
Па рисунке 28 показаны
различные виды таких клемм.
Клемма А снабжена резьбой,
как у шурупа, и поэтому её
легко завернуть в дерево без
предварительного просверлива-
ния отверстия. Проводник от
прибора у такой клеммы за
дощечки, па которой клемма установлена. При установке клемм В
и С в дереве просверливают сверлом отверстие точно по размеру
винтовой части болта b и затем более крупным сверлом делают
углубление для помещения головки болта.
При присоединении проводников под головки болтов b концы
их лучше всего заделать петлями (рис. 24). В случае, если поче-
му-либо не хотят сделать скрутку в петле, то поступают следую-
щим образом. Очищенный от изоляции конец проводника обвёр-
тывают вокруг винта b один раз. Сделанную петлю снимают с
винта, отрезают липший конец проводника и слегка расширяют её
размер шилом или острым концом напильника. Надевать петлю
необходимо так, чтобы при завинчивании винта болт или клемма
стягивали петлю, а не распускали её. При несоблюдении этого
важного правила петля будет распускаться и проводник выскочит
из-под клеммы. Для получения паилучшего контакта и во избе-
жание развёртывания петли при завинчивании винта присоеди-
няемый провод следует помещать между двумя шайбами.
Второй тип клемм — с гайками, или барашками (рис. 29).
Они дают более надёжный контакт, чем клеммы с отверстиями.
Распространены два вида таких клемм: одни сплошь металличе-
ские и другие с изолирующей карболитовой головкой. Карболито-
выс клеммы имеют изолирующие прокладки, благодаря чему их
можно устанавливать на металле.
23
Всегда следует укреплять клемму при помоши двух гаек, что-
бы она не развёртывалась при зажимании провода под головку.
Для завинчивания гаек весьма полезно заказать в мастерской
торцовый ключик.
Соединительные клеммы изображены на рисунке 30. Их сле-
дует употреблять для толстых проводников, скручивание которых
почему-либо затруднительно. За отсутствием таких клемм воз-
можно смонтировать на деревянной панельке две-три обыкновен-
ные клеммы, соединив их между собой при помощи медной по-
лоски (рис. 31).
Очень удобны клеммы на массивных изолирующих подстав-
ках (рис. 32). В сложных схемах их полезно употреблять для
соединения нескольких проводников. Благодаря своему весу они
способны оттягивать проводники в свою сторону и тем самым по-
могают устранить перепутывание проводов. Кроме того, их мож-
но использовать для натягивания подвешенного между ними про-
вода, например при демонстрации его накаливания током.
Клеммы, изображённые на рисунках 33 и 34, применяются для
присоединения проводников к пластинам элементов.
Размер клеммы определяется той максимальной силой тока,
которую предполагается пропускать через неё. Надо иметь в ви-
ду, что обычные клеммы для радио нельзя применять для токов,
больших 10 а, при пропускании более сильного тока клемма
сильно нагревается.
Рис. 32. Настольная
клемма с изолирующей
и тяжёлой подставкой.
Рис. 33 и 34. Клеммы для присоединения
проводов к пластинам гальванических ме-
ментов.
24
Особо важное значение имеют клеммы в измерительных при-
г ах или соединительные клеммы в измерительных схемах, где
большое сопротивление клемм может значительно исказить ре-
зультаты измерения. В этом отношении, например, клеммы, уста-
новленные на некоторых демонстрационных гальванометрах
Гтавучтехпрома (рис. 139), нельзя считать удовлетворительными.
7. Ртутные контакты. Преподаватель должен иметь в виду,
Рис. 35. Устройство
ртутного поворачи-
вающегося контак-
та.
что ртуть, испаряясь, дает вредные для здоровья пары, и поэто-
му применять её следует только в тех случаях, когда она являет-
ся действительно незаменимой. Особенно вредно, когда между
поверхностью ртути и погружаемым в неё кон-
цом провода происходит искрообразование (см.,
например, опыт со спиралью Роже, т. IV), что
ведёт к интенсивному' образованию паров рту-
ти. Однако в ряде случаев приходится пользо-
ваться ртутью при опытах. Так, например,
устройство ртутных контактов (рис. 35) являет-
ся необходимым, если нужно обеспечить хоро-
шую проводимость в случае игольчатой опоры,
т. е. вращающейся оси D, как это нужно в не-
которых приборах. В этом случае неподвижный
проводник снабжают наверху металлической
чашечкой с, в которую наливают ртуть.
Во всех случаях применения ртутных кон-
тактов для избежания выделения паров (осо-
бенно если происходит искрообразование) совершенно необходи-
мо наливать на поверхность ртути небольшой слой масла.
§ 2. Выключатели, переключатели, коммутаторы
Для размыкания и замыкания электрических цепей служат
ключи и выключатели. Переключатели и коммутаторы применя-
ются для изменения направления тока, переключений источника
тока из одной цепи в другую и т. п.
1. Ключи. Звонковую кнопку можно употреблять в цепях с
небольшим напряжением (до 10—20 в) и слабым током (до 2—
3 а). Кнопку для лабораторных работ необходимо’ смонтировать
[,а дощечке с двумя клеммами (рис. 70).
Ключи употребляются исключительно для малых напряже-
ний и слабых токов, при которых нет опасности возникновения
электрической дуги при размыкании цепи. Простейший ключ,
применяемый обычно для лабораторных работ и замыкающий
Цепь только на время нажима пальцем, изображён на рисун-
ке 36,1. Его нетрудно изготовить самостоятельно из латунной
полоски.
В некоторых случаях, например при работах с мостиком Уит-
стона, употребляют двойной ключ (рис. 37). Назначение такого
25
ключа заключается в том, чтобы включение двух цепей или при-
боров производилось не одновременно, а последовательно, с не-
которым, хотя очень коротким, интервалом. Одна из конструкций
таких ключей, выпускаемая для мостика Уитстона Главучтехпро-
."мом, показана на рисунке 37. При нажиме на головку приводят-
Рис. 36. Простейшие ключи.
Включение производится на-
жимом (I) или поворотом ры-
чага (II).
Рис. 38. Ключ Морзе,
ся сначала в соединение проводники одной цепи, приключенные к
клеммам А и D; затем вступают в контакт проводники второй
цепи - С и В. При этом благодаря изолирующей головке провод-
ники той и другой цепи не
. соединяются между собой.
УЬ. Для обучения азбуке
_ хУ- Морзе (па внеклассных заия-
тиях) нужно пользоваться те-
леграфным ключом (рис. 38).
Для изменения размаха
Рис. 39. Штепсельная колодка. (хода) рычага В, поворачи-
вающегося вокруг оси О,
служит винт F; этот же винт при отсутствии нажима на головку
ключа даёт электрический контакт с пластинкой С благодаря пру-
жине /. При нажиме на головку ключа рычаг В приходит в
электрическое соединение с пластинкой А; контакт же между F и
С нарушается. Провода посредством винтов присоединяются к
рычагу В и к пластинке А, Замыкания между В и А используются
для посылки сигналов Морзе.
26
2 Штепсельные выключатели. Штепсельная розетка, смон-
пованная на дощечке, снабжённой клеммами для подведения
ТИР может служить при наличии вилки как выключатель для
напряжений до 220 в (рис. 66).
Для включения нагревательных приборов
Рис. 40. Распреде-
лительная колодка.
применяются штепсельные колодки (рис. 39).
Чрезвычайно полезна для одновременного
приключения нескольких цепей распредели-
тельная штепсельная колодка, содержащая
несколько гнёзд и присоединяемая к сети
освещения. Для демонстрационных устано-
вок такую колодку монтируют на струбцин-
ке; для включения батареи служат клеммы
Рис. 41. Монтаж штепсельных розеток для одно-
временного питания нескольких токоприемников.
А и В (рис. 40). Возможно также включение цепи батареи по-
средством вилки в одну из пар гнёзд. Так как такую колодку не
всегда можно приобрести, то рекомендуется смонтировать не-
сколько штепсельных розеток, соединённых между собой парал-
лельно и включаемых в сеть освещения посредством шнура с вил-
кой (рис. 41).
Для включения штепсельной вилки к обыкновенному лампо-
вому патрону в продаже имеются переходные патроны с гнезда-
ми (рис. 42).
Выключатель со штепселем, вставляемым в гнездо между
массивными медными пластинками, употребляют в тех случаях,
когда надо иметь контакт с возможно меньшим сопротивлением
(рис. 219—225).
3. Выключатели и переключатели для 120 и 220 в. Выключатели
Рубящие бывают одно-, двух- и трёхполюсные. Употребляют их
при напряжениях до 220 в и сильных токах, главным образом
Для школьных распределительных щитов i.
Обычно они имеют приспособления для моментального выклю-
чения, состоящего в том, что «ножи» рубильника выскакивают из
Описание устройства школьных распределительных щитов см. в т. I.
27
i
I
Рис. 43. Однополюсный ру-
бильник со струбцинкой.
Рис, 42. Переходной пат-
рон для включения штеп-
сельной вилки к под-
весному патрону.
i
I
Рис. 44. Выключатели и переключатели
установочные.
1 — выключатель однополюсный; II — выключи-
тель двухполюсный; Ш — выключатель трёхпо-
люсный ’(заштрихованные вращающиеся части ЛВ
и С сделаны из изолятора); IV — переключатель
для зажигания одной из ламп 5,или5г и V — люст-
ровый переключатель (рис. 79): VI — переклю-
чатель коридорный (рис. 80).
пружинящих контактов под действием спиральной пружины, по-
лучающей натяжение при оттягивании рукоятки рукой.
В демонстрационных установках и для лабораторных работ
очень удобен однополюсный рубильник (рис. 43), укрепляемый
Рис. 45 и 46. Устройство установочных выключателей.
па столе при помощи струбцинки. Такие рубильники очень хоро-
ши при работах учащихся с током освещения. Нужно только сле-
дить за тем, чтобы болт А был сильно затянут, в противном слу-
чае рычаг рубильника под влиянием собственной тяжести или
толчка может замкнуть цепь.
Выключатели и переключатели установочные употребляются в
сетях электрического освещения. Различные типы выключателей,
их условные обозначения и схемы включения в цепь показаны на
рисунке 44. Выключатели бывают однополюсные, двухполюсные
и трехполюсные.
Величины номинальных напряжений и сил токов обыкновен-
но указываются надписями на крышках выключателей и пере-
ключателей.
Устройство различных установочных выключателей поворот-
’ ного и перекидного показано на рисунке 45 и 46.
Переключатели рубящие предназначены для сильных токов
и бывают одно-, двух- и трёхнолюсные (рис. 43, 60 и 61). Пере-
ключатель двухполюсный, между прочим, может быть использо-
ван как коммутатор для перемены направления тока (рис. 60).
Проводники + и — от источника тока приключаются к ножам
рубильника. Клеммы рубильника должны быть соединены меж-
ду собой крест-накрест (I со II и 7 со 2) так, как это показано на
рисунке 60. Тогда при положении ножей рубильника на клем-
мах I и II ток потечёт в направлении сплошных стрелок. Если
же рубильник переключить на клеммы 1 м 2, то ток будет идти
по направлению пунктирных стрелок, т. е. в противоположном
направлении. На рисунке 61 показана схема включения трёхпо-
люсного рубящего переключателя для изменения направления
вращения асинхронного мотора Л трёхфазного тока.
29
Переключатели для вольтметров, устанавливаемые на рас-
пределительных щитах, выпускаются однополюсные и двухполюс-
ные (рис. 47—48).
Рис. 47 и 48. Переключатели однополюсный и двух-
полюсный.
Рис. 49. Схема включения
вольтметра через однополюс-
ный выключатель.
Рис. 50. Схема включения вольтметра
через двухполюсный переключатель.
Переключатели на распределительных щитах удобны тем, что
позволяют один измерительный прибор включать в различные
точки цепи: например, для измерения напряжения в подводящих
ток проводниках Ai Д2 (положение I), после реостата R (2) и
выпрямителя Z (3) (рис. 49 и 50).
30
Переключатели элементные, называемые коммутаторами, су-
ществуют в продаже двух типов — одинарные и двойные (рис. 51
и 52). Употребляются они в стационарных установках аккумуля-
Рис. 51. Одинарный элемент
пый переключатель.
Рис. 52. Двойной элементный'
переключатель.
Рис. 53. Схема включения оди-
нарного элементного переклю-
чателя.
Рис. 54. Схема включения двойного
элементного переключателя.
торов для включения в цепь различного числа элементов. Число
контактов у коммутаторов бывает от 12 до 32. Одинарный комму-
татор имеет один скользящий контакт Л, двойной — два контак-
та,^ из которых один снабжён маховичком А и другой — рукоят-
кой В. Схема включения коммутаторов в цепь показана на ри-
сунках 53 и 54. Одинарный коммутатор позволяет включить в
цепь любое число элементов, начиная непременно с первого;,
двойной — также любое число элементов, но из какого угодно ме-
ста группы, например 3, 4 и 5 (рис. 54). Коммутаторы одинарные-
весьма полезны для изготовления реостатов.
31,
В заключение следует упомянуть о многочисленных видах вы-
ключателей и переключателей, применяемых в основном в радио-
приёмниках и носящих название тумблеров, джеков и др. Эти
приборы обычно применимы для токов порядка сотых и десятых
долей ампера.
Рис. 55 и 56 а, Ь.
Переключатели низкого напряжения.
Рис. 58 и 59 Схемы действия коммутатора
Румкорфа.
4. Выключатели и переключатели низкого напряжения. Этот
вид выключателей и переключателей монтируется обычно па дере-
ве и не имеет приспособлений для мгновенного разрыва цепи. Со-
стоят они обычно из поворачивающейся рукоятки D, включаемой
в цепь посредством клеммы. Эта рукоятка может быть приведена
в соединение с одним из контактов А, В или С (рис. 55 и 56).
32
5. Коммутаторы. Коммутаторы служат для перемены направ-
ления тока в цепи, что позволяет избегнуть соответствующих пе-
реключений проводов. Наилучшим является коммутатор Румкор-
фа, в особенности со стрелкой, добавленной Кольбе и показываю-
щей направление тока (рис. 57). Приключение батареи произво-
Рис. 60. Включение двух-
полюсного рубящего пере-
ключателя для изменения
направления тока в мек-
троприёмнике.
Рис. 61. Схема
включения трех-
полюсного рубя-
щего переключате-
ля для изменения
направления вра-
щения асинхронно-
го мотора А.
Рис. 62. Штепсельный
Рис. 63. Самодельный штепсельный
коммутатор.
коммутатор.
3 Физический
эксперимент в шквле
33
дится к клеммам 4- и — (к щёткам); цепь присоединяется к
клеммам 1 и 2 (рис. 58). Основной частью коммутатора является
цилиндр из изолирующего материала, поворачивающийся за го-
ловку D. На этом цилиндре укреплены два металлических сег-
мента А и В, электрически соединённые через металлические по-
луоси и стойки Е и F с клеммами 1 и 2. К клеммам 4- и — при-
соединены щётки, обеспечивающие контакт с сегментами. Из рас-
смотрения схем, показанных на рисунках 58 и 59, видно, что при
одном из положений сегментов ток потечёт от батареи + и —- в
цепь (через клеммы 1 и 2), как указано стрелками (рис. 58). При
повороте цилиндра на 180° ток в цепи изменит своё направление
на противоположное (рис. 59). Так как коммутатор Румкорфа в
кабинете не всегда имеется, то его можно заменить двухполюс-
ным рубящим переключателем, включаемым согласно схеме ри-
сунка 60. Главучтехпром выпускает подобный переключа-
тель.
На рисунке 62 показано устройство коммутатора со штепсе-
лями. Провода приключаются крест-накрест: от батареи к клем-
мам 4- и — провода от цепи к клеммам 1 и 2. Штепсели устанав-
ливаются в гнёзда а и b или для перемены тока в гнёзда end.
Следует помнить, что включение штепселей в гнёзда ас или bd
ведёт к короткому замыканию цепи или батареи.
Подобный штепсельный коммутатор нетрудно смонтировать
своими силами, поставив четыре штепсельные розетки взамен
штепсельных контактов cb и cd и пользуясь для их соединения
двумя штепсельными вилками, штырьки которых соединены меж-
ду проводом (рис. 63). Устраивая соответствующие перекрещива-
ния проводов под панелькой, можно смонтировать клеммы и
— для включения батареи с одного края и клеммы 1 и 2 для
включения цепи с другого края панели. Розетки тоже можно рас-
положить в два ряда, причём закорачивание чёрных розеток бу-
дет соответствовать одному направлению тока, а белых — проти-
воположному направлению.
Рис. 64. Монтаж стенно-
го патрона для лабора-
торных работ.
Рис. 65. Моптаж подвес-
ного патрона и потолоч-
ной розетки.
Рис. 66. Монтаж
штепсельной розет-
ки для лаборатор-
ных работ.
34
Рис. 67. Монтаж патрона
пробочного предохрани-
теля.
Рис. 69. Монтаж уста-
новочного переклю-
чателя.
Рис. 68. Монтаж
установочного
выключателя.
§ 3. Составление простейших электрических цепей
1. Набор приборов для составления простейших электрических
цепей. Работы но составлению электрических цепей проводятся
исключительно лабораторным путём и имеют своей целью как
изучение всей цепи в её целом, так и ознакомление с устройством
и правильным включением отдельных приёмников. При этом важ-
но заранее так смонтировать аппаратуру, чтобы соединения её
между собой осуществлялись наиболее простым и скорым обра-
зом. Примером такого монтажа могут служить образцы, изобра-
жённые па рисунках 64—69.
Каждый из приборов смонтирован • на отдельной дощечке
(9 см X 9 см X 2 см) и включается в цепь посредством клемм.
Нужно иметь в виду, что липшие хлопоты и расходы по монтажу
сторицей окупаются впоследствии, так как арматура освещения
обычно не приспособлена для зарядок и перезарядок и выбывает
из строя после двух-трёх занятий. При указанном способе мон-
тажа арматура выдерживает неопределённо долгое время. Нако-
нец, смонтированные приборы могут употребляться не только при
сборке электрических цепей, но и в целом ряде других установок.
- Для работы на каждую группу учащихся нужен примерно сле-
дующий набор: патронов (рис. 64—65) — 3 экз., выключателей
(рис. 68) — 1 экз., штепсельных розеток без предохранителя
(рис. 66) - - 1 экз., переключателей люстровых (рис. 69) — 1 экз.,
переключателей коридорных — 2 экз., предохранителей пробоч-
ных (рис. 67) —2 экз.
При монтаже аппаратуры все соединения надо сделать сверху
дощечек, чтобы видны были проводники, подводящие ток. Крыш-
ки у выключателей, переключателей и т. д. необходимо снять сов-
сем. Соединения арматуры с клеммами делают голым медным
однопроволочным проводником или серебрённым проводником,
употребляемым в радиоприёмниках.
Кроме набора осветительной арматуры, необходимо смонтиро-
вать также звонковые кнопки (рис. 70). Для ламп автомобильно-
го типа надо иметь патроны Свана (рис. 376 и 377).
35
2. Простейшая цепь звонка. I) Звонок. 2)Кнопка или ключ. 3)Один-
два элемента.
Подобная цепь (рис. 70—71) служит первой работой для
ознакомления с цепью и простейшим выключателем.
Рис. 70. Цепь звонка, собранная по
схеме рнс. 71.
Рис. 71. Схема
звонковой цепи
с вызовом из
одного места.
Рис. 72. Схема звон-
ковой цепи с вызовом
из нескольких пунк-
тов.
3. Звонковая цепь с вызовом из нескольких пунктов. 1) Звонок.
2) Две-три звонковые кнопки. 3) Один-два элемента.
Работа имеет целью ознакомить с параллельным включением
простейших выключателей (рис. 72). Полезно усложнить схему,
наметив определённые места на столе для кнопок и звонка так,
чтобы получились перекрещивания проводников.
4. Звонковая цепь с вызовом нескольких пунктов. 1) Два-три
звонка. 2) Кнопка. 3) Переключатель (рис. 56). 4) Два-три элемента.
Звонковая цепь с вызовом из одного места нескольких пунк-
тов одновременно или порознь составляется по схеме рисунков
73 и 74.
5. Звонковая цепь для связи между двумя пунктами. 1) Два
звонка. 2) Две кнопки. 3) Один-два элемента.
Для связи между двумя пунктами звонковая цепь изображена
на рисунке 75. На рисунке 76 показана схема типичной установ-
ки кнопок как у общего входа, так и у дверей каждой квартиры.
6. Простейшая цепь освещения с выключателем. 1) Патрон с
лампой. 2) Выключатель. 3) Штепсельная вилка. 4) Сеть освещения.
Простейшая цепь, собранная из смонтированных деталей, по-
казана на рисунке 77.
7. Цепь освещения с выключателем и двумя лампами, ц Два
патрона с лампами. 2) Выключатель. 3) Сеть освещения.
Цепь с двумя лампами Л и G или с лампой и штепсельной
розеткой (рис. 78) служит для ознакомления прежде всего с
параллельным соединением приёмников и, наконец, со включе-
нием выключателя В для управления одной из лампочек А.
.46
8. Цепь освещения с люстровым переключателем. |) Два-три
патрона с лампами. 2) Люстровый переключатель. 3) Сеть освещения.
Люстровый переключатель позволяет включать две группы
ламп вместе или каждую группу отдельно (рис. 79). Для работы
Рис. 73 и 74. Схемы звонковых цепей с вызовом нескольких пунктов
одновременно (схема слева) и порознь (схема справа).
Рис. 75. Схема звон-
ковой цепи для связи
между двумя пунк-
Рис. 76. Схема звонковых цепей с
установкой кнопок как у общего вхо-
да в дом, так и у каждой квартиры.
тами.
Рис. 77. Простейшая цепь освещения с выключателем.
переключателя необходимо отыскать и правильно включить к
магистрали (подводящему ток проводнику) клемму, обозначен-
ную на схеме рисунка 79 буквой с.
37
9. Цепь освещения с коридорными переключателями, j) Патрон
с лампой. 2) Два коридорных переключателя. 3) Сеть освещения.
Схема с коридорными переключателями употребляется для
обслуживания лампы из двух мест (рис. 80). Любым из переклю-
чателей лампа может быть зажжена или погашена.
10. Цепь освещения, иллюстрирующая установку на две группы.
1)'Пять-шесть патронов с лампами. 2) Четыре пробочных предохранителя
3) Выключатель. 4) Два коридорных переключателя. 5) Сеть освещения.
Для иллюстрации установки освещения в квартире на две
группы сбирается цепь (рис. 81), например, по схеме, изображён-
ной на рисунке 82.
Рис. 78. Схемы цепи освещения с выключателем для управления одной
лампой /I.
Рис. 79. Схема электрической
цепи с люстровым переключа-
телем.
Рис. 80. Схема электрической
цепи с коридорными переклю-
чателями при всевозможных
поворотах переключателя.
И. Цепь с последовательным и параллельным включением при-
ёмников. j) Два-три патрона с лампочками от карманного фонарика. 2) Ключ
или выключатель. 3) Батарея 3—4 в.
На рисунке 83 показаны две типичные схемы последователь-
ного и параллельного включения лампочек от карманного фона-
рика в цепь батареи, обычно предлагаемые учащимся на лабора-
торной работе при изучении электрической цепи. При последова-
тельном включении учащиеся наблюдают пониженный накал
лампочек и обнаруживают, что вывёртывание любой из них ведёт
к погасанию обеих. При параллельном соединении лампы горят
нормальным накалом и притом независимо друг от друга. Изу-
чается также при параллельном соединении включение ключа
для управления обеими лампами и каждой в отдельности.
Рис. 81. Учебная установка, собранная по схеме рис. 82.
Рис. 82. Сложная электрическая цепь, иллюстри-
рующая установку освещения на две группы.
Мг
Рис. 83. Схемы для из-
учения последователь-
ного и параллельного
включения приёмников.
§ 4. Параллельное и последовательное соединения элементов
Группы элементов или аккумуляторов, соединённых между
собой последовательно (рис. 84, I), параллельно (рис. 84, II) или
смешанно (рис. 84, III), носят название батарей.
з»
1. Последовательное соединение. При последовательном сое-
динении отрицательный полюс первого элемента соединяется с
положительным полюсом второго, отрицательный полюс второго
элемента соединяется с положительным полюсом третьего и т. д.
(рис. 84,1). Проводники 1 и 2 служат для включения батареи а
цепь и соответствуют её положительному и отрицательному полю-
сам. При последовательном соединении электродвижущая сила Е
батареи равна сумме электродвижущих сил е элементов:
£ — ei + еч + • • + еп • (О
Если электродвижущие силы е элементов равны между собой,
то формула (1) принимает вид:
Е = пе,
где п — число элементов.
Рис. 84. Соединение элементов в батарею.
1 — последовательное; II — параллельное; III — смешанное.
Внутреннее сопротивление /? батареи при последовательном
соединении равно сумме внутренних сопротивлений отдельных
элементов
R ~ Г1 + Г2 + Г3 + • • • + Г п» (2)
При равенстве внутренних сопротивлений элементов формула
(2) принимает вид:
R = пг,
где п — число элементов.
При составлении батарей для получения возможно более
сильного тока в неё должны быть введены элементы с приблизи-
тельно одинаковым и притом возможно меньшим внутренним со-
противлением. Например, хотя бы один элемент Лекланше, вхо-
дящий в батарею из нескольких аккумуляторов, будет увеличи-
вать её сопротивление в несколько раз и тем самым являться ско-
рее вредным, чем полезным.
40
Если же внешнее сопротивление велико, т. е. внутреннее со-
противление батареи не играет роли, то её можно составлять и»
элементов любых типов.
2. Параллельное соединение. При параллельном соединении
все положительные полюсы элементов соединяются вместе и об-
разуют положительный полюс батареи. Отрицательным полюсом'
батареи служит проводник, соединяющий отрицательные полюсы
элементов (рис. 85, 1). На рисунке 85, II, показано неправильное
соединение, дающее короткое замыкание элементов Е и F.
В параллельное соединение могут быть введены элементы
только какого-нибудь одного определённого типа (например,
только Лекланше или только Грене, или только свинцовые, или
только щелочные аккумуляторы), т. е. такие, которые имеют оди
Рис. 85. Неправильные параллельные соединения.
/ — включение двух элементов различных типов с не-
одинаковыми электродвижущими силами; // — непра-
вильное соединение полюсов, ведущее к короткому
замыканию.
паковые электродвижущие силы. Если же, например, соединить
параллельно два аккумулятора — свинцовый Ei и щелочной f2—
или же два элемента — Грене Ei и Лекланше £2 (рис. 85, I), то
элемент А будет давать ток в направлении стрелок и в конце
концов окажется разряженным.
Величина этого тока будет равна:
i = Е1
Гг + Га
Очевидно, что при соединении двух аккумуляторов — щелоч-
ного и свинцового — сила тока может достигнуть такой большой
величины, которая вредна или даже гибельна для одного из них.
Выполняя обязательно условие, что при параллельном соеди-
нении элементы должны иметь одинаковую электродвижущую си-
лу, батарею можно составлять из элементов одинакового типа, нс
различной ёмкости, т. е. различного размера, например малых и
больших элементов, но только одного типа — Лекланше, Грене
и т. п.
При параллельном соединении электродвижущая сила Е ба-
тареи равна электродвижущей силе е одного элемента-:
Е = е.
Внутреннее сопротивление такой батареи будет равно
Л
где г — сопротивление каждого элемента и п - число элемен-
тов. Вообще говоря, сопротивление батареи при параллельном
соединении п одинаковых элементов в т раз менее, чем сопро-
тивление батареи, составленной последовательно из такого же чи-
сла тех же самых элементов.
Наиболее часто на практике приходится применять последо-
вательное соединение. Параллельное соединение практикуется
обыкновенно только для таких элементов, которые имеют боль-
шое внутреннее сопротивление, например Лекланше, Мейдингера
и т. п.
3. Смешанное соединение (рис. 84, III). Такое соединение ча-
ще всего применяется в тех случаях, когда батарея составляется
из элементов или аккумуляторов различной ёмкости. Так, напри-
мер, два-три малых аккумулятора А н В полезно включить
параллельно между собой, чтобы получать без вреда для них
разрядный и зарядный ток, по своей величине больший допусти-
мого и соответствующий большим аккумуляторам С и D.
4. Выбор соединения. Для решения вопроса о том, как должны
быть соединены между собой элементы в некоторых случаях, на-
до иметь в виду следующую важнейшую теорему.
Наибольшая мощность (работа) во внешней цепи будет до- .
стигнута в том случае, когда сопротивление внешней цепи равно
внутреннему сопротивлению источника тока (батареи).
Пусть, например, известно, что сопротивление внешней цепи
равно 1 ом и имеется шесть элементов Лекланше с внутренним .
сопротивлением по 0,6 ом каждый.
Приравнивая внешнее сопротивление цепи внутреннему со-
противлению батареи, имеем:
где п — число элементов в группе. Из написанного равенства
находим (округляя до целого числа), что п = 3.
И, следовательно, батарея для наибольшей отдачи должна
быть соединена между собой смешанно, по три элемента в группе.
При составлении батарей из аккумуляторов, особенно свинцо-
вых, следует иметь в виду нормы максимального разрядного тока,
что по большей части не позволяет выполнить условие о наиболее
выгодной отдаче.
§ 5. Аналогия электрической цепи
При изложении учения об электричестве удобно пользоваться
гидро- и аэродинамическими аналогиями не только в первой, но
и во второй ступени курса физики.
При введении аналогии не следует полагаться на знания уча-
щихся законов течения жидкости и ограничиваться вычерчива-
42
нием соответствующей схемы на доске. Безусловно, необходимо
продемонстрировать установку течения жидкости или газа, тем
более, что некоторые из гидро- и аэродинамических аналогий
являются сами по себе совсем не простыми и требуют предвари-
тельного разбора и изучения. При использовании аэро- и гидро-
динамических аналогий нужно, однако, всегда подчёркивать их
большую условность. Наиболее законна аналогия постоянного
тока с постоянным потоком жидкости или газа, текущего по^ тру-
бам. В этом случае электрическое напряжение аналогизируется
давлению или напору, сила тока — количеству жидкости или газа,
Рис. 86. Установка для
демонстрации анал<Тгии
разрядного тока между
двумя заряженными те-
лами.
Рис. 87. Простейшая аналогия замкнутой элек-
трической цепи.
протекающих в единицу времени через сечения трубопровода;
сопротивление — внутреннему и внешнему (о стенки) трению.
Очень интересные аналогии возможны также и для цепей
с ёмкостью и индуктивностью; эти аналогии будут рассмотрены
в т. V в соответствующих разделах.
1. Гидродинамическая аналогия цепи. |) Две банки с тубусами.
2) Две пробки со вставленными в них стеклянными трубками. 3) Резиновая
трубка, 4) Модель действующего водяного насоса.
Наиболее распространённой является аналогия, изображённая
на рисунке 86. Установка состоит из двух банок А и В, соединён-
ных между собой трубкой, по которой жидкость перетекает из
одного сосуда в другой. Разность уровня обычно уподобляют
разности потенциалов, количество перелившейся воды - - количе-
ству электричества. Учитывая время, вводят понятие о силе тока.
43
Аналогия оказывается более пригодной при изучении электро-
статики. Как аналогия гальванической цепи постоянного тока эта
установка непригодна, так как, во-первых, не содержит ясно
выраженного аналога генератора тока и, во-вторых, не даёт пред-
ставления о замкнутой цепи.
Более удобна аналогия цепи постоянного тока, показанная
на рисунке 87, где в установку введён в качестве «генератора»
водяной насос С.
2. Аэродинамическая аналогия цепи. 1) Вращающийся воздушный
насос с мотором. 2) Ртутный манометр. 3) Турбина. 4) Резиновая трубка.
5) Зажимы Мора. 6) Два стеклянных тройника. 7) Выключатель. 8) Сеть ос-
вещения.
Рис. 88. Аэродинамическая аналогия замкнутой Рис. 89. Схема электри-
электрической печи. ческой цепи, изображён-
ной по аналогии рис. 88.
Более удачна, чем гидравлическая, аэродинамическая модель
цепи (рис. 88). Для установки необходимо иметь хороший воз-
душный насос А, приводимый в действие от руки или, лучше,
от мотора и дающий возможность перекачивать из одного конца
цепи трубок в другой конец, заставляя циркулировать воздух,
который заполняет систему трубок. В качестве насоса очень
хороши вращающиеся воздуходувки, соединённые с мотором. Воз-
можно также воспользоваться насосом Комовского или ручным
насосом Шинца. Однако в этом случае трудно получить вращение
турбины В, которая уподобляется приёмнику электрической энер-
гии. При работе насоса она должна приходить во вращение, пока-
зывая превращение энергии «воздушного тока» в энергию меха-
ническую. Турбина должна быть со стеклянной стенкой. Зажим
Мора К является аналогией выключателю.
Параллельно с описанной установкой необходимо демонстри-
ровать также электрическую цепь, составив её из батареи или
44
динамо-машины А с приводом от руки или мотора, выключате-
лЯ /С и действующей модели мотора В (рис. 89).
Демонстрацию проводят следующим образом:
1) Приводят в действие насос, закрыв зажим К, и обнаружи-
вают разность давлений. Повторяют то же на установке электри-
ческой цепи. Вводят понятие о значении генератора, знаков полю-
сов и т. д.
2) Открывают зажим и обнаруживают вращение турбины и
затем наблюдают действие мотора. При этом объясняют уча-
щимся значение приёмника и выключателя и вводят понятие
о силе тока и постоянстве силы тока в неразветвлённой цепи
Аналогия оказывается более пригодной при изучении электро-
статики. Как аналогия гальванической цепи постоянного тока эта
установка непригодна, так как, во-первых, не содержит ясно
выраженного аналога генератора тока и, во-вторых, не даёт пред-
ставления о замкнутой цепи.
Более удобна аналогия цепи постоянного тока, показанная
на рисунке 87, где в установку введён в качестве «генератора»
водяной насос С.
2. Аэродинамическая аналогия цепи. I) Вращающийся воздушный
насос с мотором. 2) Ртутный манометр, 3) Турбина. 4) Резиновая трубка.
5) Зажимы Мора. 6) Два стеклянных тройника. 7) Выключатель. 8) Сеть ос-
вещения.
Рис. 88. Аэродинамическая аналогия замкнутой Рис. 89. Схема электри-
электрической печи. ческой цепи, изображён-
ной по аналогии рис, 88.
Более удачна, чем гидравлическая, аэродинамическая модель
цепи (рис. 88). Для установки необходимо иметь хороший воз-
душный насос А, приводимый в действие от руки или, лучше,
от мотора и дающий возможность перекачивать из одного конца
цепи трубок в другой конец, заставляя циркулировать воздух,
который заполняет систему трубок. В качестве насоса очень
хороши вращающиеся воздуходувки, соединённые с мотором. Воз-
можно также воспользоваться насосом Комовского или ручным
насосом Шинца. Однако в этом случае трудно получить вращение
турбины В, которая уподобляется приёмнику электрической энер-
гии. При работе насоса она должна приходить во вращение, пока-
зывая превращение энергии «воздушного тока» в энергию меха-
ническую. Турбина должна быть со стеклянной стенкой. Зажим
Мора К. является аналогией выключателю.
Параллельно с описанной установкой необходимо демонстри-
ровать также электрическую цепь, составив её из батареи или
44
динамо-машины А с приводом от руки или мотора, выключате-
ля X и действующей модели мотора В (рис. 89).
Демонстрацию проводят следующим образом:
1) Приводят в действие насос, закрыв зажим К, и обнаружи-
вают разность давлений. Повторяют то же на установке электри-
ческой цепи. Вводят понятие о значении генератора, знаков полю-
сов и т. д.
2) Открывают зажим и обнаруживают вращение турбины и
затем наблюдают действие мотора. При этом объясняют уча-
щимся значение приёмника и выключателя и вводят понятие
о силе тока и постоянстве силы тока в неразветвлённой цепи
ГЛАВА ВТОРАЯ
ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
§ 6. Классификация и системы электроизмерительных приборов
1. Классификация по роду измеряемой величины. Согласно
ГОСТ 8005 и 7292 электроизмерительные приборы классифици-
руются по роду измеряемой величины и графически условно обо-
значаются на схемах так, как это указано в следующей таблице:
Классификация электроизмерительных приборов по роду измеряемой величины
и графическое условное обозначение этих приборов (ГОСТ 8005 и 7292)
№ Измеряемая величина • Наименование прибора Обозначение
1 Сила тока Амперметр ©
2 Напряжение (электро- движущая сила) а) Вольтметр б) Потенциометр ©
3 Электрическое сопротив- ление а) Омметр б) Мост для измерения сопротивлений ©
4 Мощность электрическо- го тока Ваттметр
ь Электрическая энергия Счётчик электрической энергии Wh . L .
б Количество эдектрпче- а) Счётчик количества -
б) Кулопметр
и) Вольтаметр
Частота переменного то- । а) Гсрцмстр (частото- (D
ка или длина волны 1 мер) . б) Мост для измеренья ; 1 частоты или длины волны I 1 в) Волномер 1
8 , Угол сдвига фаз 9 | Индуктивность Н> ! Электрическая ёмкость 11 | Магнитный поток 12 Напряжённость магнит- ного ноля 13 Коэрцитивная сила 14 Величина в зависимости от градуировки шкалы наблюдателем Фазометр i а) Геприметр 1 1 б) Мост для измерения ' । индуктивности i I а) Фарадметр ! । б) Мост для измерения | ёмкости I ' Флюксметр (максвелл- : I метр) Эрстедметр Коэрцчметр Гальванометр
4G
Системы электроизмерительных приборов и графические условные
обозначения их
Магнито- С механической противодействующей силой Q
электрическая Без механической противодействующей силы Э
С механической противодействующей силой W
Электромагнитная
Без механической противодействующей силы
С механической противодействующей силой
Электродинамическая
Без железа
Без механической противодействующей силы -й С механической противодействующей силой
Ферродипамп- ческая Без механической противодействующей силы (Ж
С механической противодействующей силой
Индукционная
Без механической противодействующей силы
Графически на схемах все электроизмерительные при-
боры обозначаются, как правило, кружками; буква же, постав
ленная внутри кружка, показывает вид измеряемой величины,
например ® обозначает амперметр. Самопишущие приборы изо-
бражаются квадратами [~У], счётчики—тоже квадратами, но
с наложенными на них прямоугольниками^.
Тепловая
.. С контактным термопреобразователем О
Термо- электрическая С изолированным термопреобразователсм
- — -
Детекторная 0
I
Электронная |
_________________j
Электростати-
ческая
Электролити-
ческая
Вибрационная
______________
Фотоэлектрическая
В графических обозначениях, кроме буквенных обозначений,
показываются также характер приборов, т. е. род тока® (посто-
янный или переменный), вид шкалы @ (двусторонняя), а так-
же другие данные, характеризующие устройство приборов (®
(вмонтированный измерительный трансформатор, двойной меха-
низм и т. п.).
2. Классы точности. По ГОСТ'1845-42 электроизмерительные
приборы для характеристики степени точности разделяются
на 5 классов: 0,2; 0,5; 1,0; 1,5 и 2,5. Эти классы обозначаются
на шкалах приборов кружками, внутри которых сделана циф-
48
оовая надпись, указывающая класс точности. Эти числовые дан-
ные, приведённые выше, показывают наибольшую допускае-
мую относительную погрешность, вычисленную в процен-
тах от номинального значения. Так, например, классы точности 0,5
и 2,5 соответствуют приборам с наибольшими относительными по-
грешностями % 0,5% и + 2,5%. Для точных лабораторных изме-
рении применяются приборы классов 0,2 и 0,5. Технические изме-
рители соответствуют чаще всего классам 1,5 и 2,5. Школьные
измерительные приборы (Главучтехпрома) являются внеклас-
совыми.
3. Системы электроизмерительных приборов. В зависимости
от вида физических явлений, используемых для целей измерения,
электроизмерительные приборы классифицируются по следующим
системам, приведённым в таблице, помещённой на странице 47.
Каждая из этих систем показывается на шкалах приборов
соответствующими условными обозначениями, приведёнными
в таблице.
Приводим краткую и упрощённую характеристику важнейших
для школы систем приборов.
1) Магнитоэлектрические приборы (с постоянным
магнитом и вращающейся катушкой) состоят из неподвижного
подковообразного магнита и катушки или из одной или несколь-
ких подвижных магнитных стрелок, отклоняющихся под дейст-
вием постоянного тока (рис. 100 и 101). К этой системе отно-
сится большинство гальванометров, и вольтметров, и амперметров
(технических и лабораторных) постоянного тока.
Характерными особенностями системы являются: а) пригод-
ность только для постоянного тока, б) весьма значительная точ-
ность и чувствительность, в) равномерность шкалы.
2) Электромагнитные приборы (с подвижным мягким
железом) состоят из одной или нескольких катушек и одной или
нескольких ферромагнитных частей, изменяющих своё положе-
ние под действием проходящего по катушкам тока (рис. 174 и 175).
К этой системе относится большинство технических вольтметров
и амперметров (для частоты 50 гц) (рис. 169).
Характерными особенностями системы являются: а) пригод-
ность как для постоянного, так и переменного токов, б) сравни-
тельно низкая точность и чувствительность, в) прочность
и дешевизна и г) неравномерность шкалы.
3) Электродинамические приборы состоят из двух
или нескольких катушек, одни из которых укреплены неподвижно,
а другие отклоняются цод действием токов (подведённых, по
не индуктируемых), проходящих по неподвижным и подвижным
катушкам (рис. 303—306).
Различают следующие виды электродинамических приборов:
а) безжелезные,
4 Физический эксперимент в школе
49
б) ферродинамические (с магнитной цепью из железа), т. е.
такие, в которых железо применено с целью значительного уве-
личения вращающего момента приборов.
Характерной особенностью для безжелезных электродинами-
ческих приборов являются: а) исключительная магнитобоязнь
(влияние внешних магнитных полей) и б) точность, но малая
чувствительность.
Ферродинамические приборы обладают: а) малой магнито'
боязнью, но б) много меньшей точностью, чем безжелезные.
Электродинамическая система используется главным образом
для устройства ваттметров (§ 21).
4) Индукционные приборы состоят из комбинации
нескольких неподвижных катушек, питаемых переменным током,
соединённых магнитной цепью из ферромагнитного материала
и создающих вращающееся или бегущее магнитное поле, которое
индуктирует токи в подвижной части прибора и вызывает её дви-
жение (рис. 320).
Характерными особенностями системы являются: а) пригод-
ность исключительно для переменного Тока и притом только
определённой частоты, б) сравнительно низкая точность, в) проч-
ность и дешевизна.
Индукционная система используется при устройстве ваттмет-
ров (рис. 309—311) и счётчиков переменного Тока (рис. 318
и 319).
5) Тепловые приборы содержат проводник, удлинение,
изменение формы или объёма которого от нагревания током вы-
зывают отклонение подвижной части прибора (рис. 179, 180).
Характерными особенностями системы являются: а) независи-
мость от частоты переменного тока, б) зависимость от темпера-
турных влияний окружающей среды, в) большое собственное
потребление энергии и малая точность и чувствительность.
Тепловая система применяется почти исключительно в радио-
технике при устройстве измерителей (амперметров и вольтмет-
ров) высокой частоты (см. т. V).
6) Электростатические приборы состоят из подвиж-
ных и неподвижных наэлектризованных проводников (иногда
диэлектриков), взаимодействие которых вызывает отклонение
подвижной части прибора.
В технике система применяется исключительно при устройстве
вольтметров высокого напряжения (рис. 185—187). В школьных
условиях электростатическая система весьма важна, так как
используется для устройства электрометров и электроскопов.
7) Вибрационные приборы состоят из ряда пластинок,
позволяющих производить измерения частоты благодаря резо-
нансу колеблющейся пластинки с измеряемой частотой.
Система используется для измерения частоты (низкой) пере-
менных токов в приборах, носящих название частотомеров.
По отношению к остальным системам укажем, что классифи-
50
кация их основана на наличии в приборе, кроме собственно изме-
рительной части, ещё термоэлемента, детектора, одной или
нескольких электронных ламп или фотоэлементов. В приборах
электролитической системы используется явление выделения ве-
щества током, протекающим через электролит.
4. Обозначение на шкалах измерительных приборов. Для
характеристики электроизмерительных приборов на шкалах изо-
бражаются, кроме условных обозначений класса (раздел' 2) и
системы (раздел 3), ещё нижеприведённые знаки для указания
вида тока, нормального положения прибора для получения пра-
вильных показаний и наибольшего напряжения, выдерживаемого
изоляцией.
Постоянный ток.
Переменный ток.
вым проводом.
Трёхфазный ток с пуле-
Установка прибора:
горизонтальная,
вертикальная,
наклонная (под углом
Зи°).
^2KV
Изоляция прибора нспы- елул г
тана напряжением в г»
200U в.
Направление стрелки
должно совпадать с
магнитным меридианом.
§ 7. Гальваноскопы
1. Назначение и принцип действия гальваноскопов. Гальвано-
скопы представляют собой ’сравнительно малочувствительные
приборы, служащие для обнаруживания тока и определения его
направления.
При первых шагах в курсе электричества гальваноскопы весь-
ма полезны как обпаруживагели тока, так как устройств© их
легко поддаётся объяснению. Для’школы ценны лишь те типы, ко-
торые могут быть изготовлены самостоятельно. Покупка же
гальваноскопов каких-либо типов нерациональна.
В гальваноскопах ток, протекающий по обмотке из одного
или многих витков, воздействует обычно па магнитную стрелку,
заставляя её отклоняться от нулевого положения, т. е. от располо-
жения вдоль витков проволоки. У одних видов гальваноскопов
ось магнитной стрелки расположена вертикально; в этом случае
стрелка устанавливается без тока в положение, соответствую-
щее магнитному меридиану, силами земного магнетизма
(рис. 90, I и II). Поэтому такие гальваноскопы (с вертикаль-
ной осью) перед опытом требуют такой ориентировки в про-
странстве, чтобы стрелка стала указывать на нуль шкалы. Об-
мотка выполняется в виде одной катушки (рис. 90, I) или двух
4*
5!
катушек (рис. 9U, II). В последнем случае стрелку располагают
между катушками.
В конструкциях с горизонтальной осью вращения стрелка
чаще всего приводится в пулевое положение благодаря наличию
грузика А (рис. 90, III и IV). Вращающийся момент, воздейст-
вующий на стрелку, возникает в результате её стремления рас-
положиться вдоль силовых линий поля, создаваемого одной или
двумя обмотками.
Рис. 90. Схемы основных типов гальваноскопов.
При нулевом положении стрелки, которое она занимает при
отсутствии тока, опа должна быть расположена параллельно
виткам проволоки, т. е. перпендикулярно к силовым линиям того
магнитного поля, которое возникает при прохождении через
катушку тока. В таком положении вращающий момент, действую-
щий на магнитную стрелку со стороны магнитного поля катушки
с током, будет максимальным.
При отклонении стрелки от параллельности проводам катуш-
ки вращающий момент изменяется сначала почти пропорциональ-
но углу поворота, а затем по другому закону (близкому к синусо-
идальному). Практически для большинства конструкций в преде-
лах 10° в обе стороны можно считать угол отклонения стрелки
пропорциональным силе тока в катушке.
Гальваноскопы с малым сопротивлением обмотки включаются
в цепь последовательно, подобно амперметрам, с большим сопро-
тивлением могут быть замыкаемы непосредственно на источник
тока, т. е. присоединяться, подобно вольтметрам.
52
Чайное блюди#
Рис. 91. Чувствительный
гальваноскоп с плавающей
иголкой.
2. Чувствительный гальваноскоп с плавающей иголкой. Для
изготовления берут чайное блюдечко или небольшой кристаллиза-
тор и обматывают его тонким изолированным проводником В
(rf==0,2—0,1 мм), указанным на рисунке 91 образом. Число взя-
тых витков безразлично, но должно
быть не менее нескольких десятков,
так как в противном случае гальва-
носкоп окажется мало чувствитель-
ным. В блюдечко наливают воды и
пускают на её поверхность намагни-
ченную тонкую швейную иголку А.
Для плавания иголки необходимо,
чтобы она была покрыта жиром, для
чего её слегка смазывают вазелином
или маслом и т. п.
Осторожно проталкивают иголку спичкой под обмотку и пово-
рачивают блюдце так, чтобы иголка, расположившись по магнит-
ному меридиану, оказалась в плоскости обмотки. При прохожде-
нии тока через обмотку стрелка стремится занять положение,
перпендикулярное к направлению проводников. Чувствительность
гальваноскопа к току достигает до 10-4—10“5 а на 1° отклоне-
ния — в зависимости от числа витков обмотки.
патор.
Рис. 93. Гальваноскоп с ком-
пасом,
Подобный гальваноскоп особенно полезен при домашних опы-
тах по физике для изучения отклонения магнитной стрелки
в зависимости от направления тока и для опытов по электромаг-
нитной индукции.
3. Гальваноскоп инклинатор. Во многих школах сохранился
гальваноскоп изображённого на рисунке 92 типа. К числу немно-
гих достоинств его относится наглядность, а также и то, что при
соответствующем повороте за головку стрелке может быть при-
дана по желанию горизонтальная или вертикальная ось враще-
ния. Ток подводится через клеммы А и В. Основными недостат-
53
ками гальваноскопа являются его ничтожная чувствительность и,
кроме того, его незначительное внутреннее сопротивление (по-
рядка тысячных долей ома), что не позволяет включать его без
реостата к источникам тока.
Такой гальваноскоп возможно использовать лишь как инкли-
Рис. 94. Демонстрационный
гальваноскоп.
натор.
4. Гальваноскоп с компасом. Прибор является самодельным
и весьма полезным для ряда лабораторных работ по изучению
действия тока на магнитную стрелку, зависимости величины маг-
нитного потока от числа ампервит-
ков и явления элетромагнитной ин-
дукции.
Для изготовления такого гальва-
носкопа берётся дощечка с двумя
бортиками 7 сжХ15 см (рис. 93).
В бортиках сделаны вырезы, служа-
щие для укладывания обмотки. Об-
мотки сделаны: /1) из одного-двух
витков толстой проволоки, В) из 10—
30 витков изолированной проволоки
(Д = 0,3— 0,8 мм) и С) из 100—
150 витков (d = 6,1—0,2мм). Ком-
пас, положенный на дощечку, может
быть для получения различной чув-
ствительности помещён под любую
из обмоток. Концы обмотки для
удобства включений прибора следует
присоединить к клеммам. Перед опы-
тами прибор устанавливают так, чтобы магнитная стрелка распо-
лагалась в плоскости обмотки. Различные видоизменения гальва-
носкопа с компасохм много раз описывались в журналах. Просто-
та изготовления такого гальваноскопа, достаточно высокая чув-
ствительность и, наконец, главное, возможность применения его
для измерения силы тока — таковы достоинства гальваноскопа
с компасом.
5. Демонстрационный гальваноскоп. Такой прибор можно
встретить в физических кабинетах (рис. 94). Гальваноскопы этого
типа состоят из магнитной стрелки, вращающейся около горизон-
тальной оси и соединённой с длинной стрелкой Л. Магнитная
стрелка помещена внутрь катушки В, которая обыкновенно имеет
две обмотки: одну, выполненную из толстой проволоки, и другую—
из тонкой. Для включения этих обмоток служат соответственно
клеммы 1,1 и 2,2. При пропускании тока через обмотку магнит-
ная стрелка стремится принять вертикальное направление, благо-
даря чему указатель отклоняется вправо' или влево от нуля,
в зависимости от направления тока.
6. Телеграфный гальваноскоп. Подобный гальваноскоп приме-
нялся на установках телеграфа. Он состоит из двух кату-
54
,иек А и В, обмотанных гонким проводником (сопротивление по-
рядка сотен ом) и магнитной стрелки NS, способной вращаться
около горизонтальной оси (рис. 95). На этой же оси укреплена
стрелка С для отсчёта отклонений по шкале с угловыми деле-
ниями. Рычажок с головкой D служит для закрепления магнит-
ной стрелки неподвижно, что нужно при переноске прибора. Го-
ловка К., посредством которой может поворачиваться небольшой
магнит, служит для установки стрелки NS на нуль. Для вклю-
чения в цепь служат кл ммы 1, 2.
Рис. 95. Телеграфный гальваноскоп и его устройство.
§ 8. Общие сведения о гальванометрах
1. Гальванометры стрелочные й зеркальные. Гальванометры
употребляются преимущественно для измерения весьма слабых
токов и очень малых напряжений. Специальные типы гальвано-
метров, называемых баллистическими, служат для измерений
малых количеств протекающего электричества. *
По способу отсчёта отклонения подвижной системы гальвано-
метры согласно ОСТ 7636 разделяются на стрелочные и зеркаль-
ные. У стрелочных гальванометров указателем для отсчёта
ио шкале с зеркалохМ служит стрелка, соединённая с под-
вижной системой А (рис. 96).
Применив вместо обычной стрелки световой луч, отражаю-
щийся от зеркала, жёстко связанного с подвижной системой,
можно удлинить «стрелку» прибора и этим увеличить его чувст-
вительность. Такие гальванометры носят название зеркальных
(рис. 97, ИЗ и 122).
В зеркальных гальванометрах подвижная система А скреп-
лена с малым зеркальцем 7, поворачивающимся вместе с ней
при отклонении (рис. 100). На зеркальце при «объективном
методе отсчёта» пускается луч света (рис. 98), который после
отражения даёт на шкале /У световое пятно — «зайчик». Шкалу
55
обыкновенно помещают на сравнительно большом расстоянии от
гальванометра, благодаря чему
весьма малый угол отклонения
зеркальца может быть изме-
рен. При субъективном ме-
тоде угол смещения зеркаль-
ца измеряют, наблюдая в
нём отражения делений шка-
лы % посредством зритель-
ной трубы С (рис. 99). Спо-
собы измерения угла посред-
ством зеркала и шкалы по-
дробно рассмотрены в т. II.
Рис. 96. Гальванометр стрелочный ЛФИ с зеркальной шка-
лой и его устройство.
Чувствительность стрелочных гальванометров, как правило,
не превышает 10-6—10-7 а. Чувствительность зеркальных может
быть доведена почти до предельной (10-11 а).
Основными факторами, определяющими предел возможной
чувствительности зеркальных гальванометров, являются следую-
щие:
Электроны в металле, кроме упорядоченного движения под
воздействием приложений разности потенциалов, всегда участ-
вуют в хаотическом, неупорядоченном движении. Вот эти-то
неупорядоченные движения, создающие токи в различных направ-
лениях в среднем одинаковой силы, могут создавать кратковре-
менно существующие токи порядка около 10~12— 10-3 а в том
или другом направлении.
56
Кроме того, подвижная система гальванометра, обладающая
очень малым моментом инерции и небольшой направляющей
силой (условия, необходимые для большой чувствительности)
Рис. 97. Установка зеркаль-
ного гальванометра Л ФИ
Рис. 97а. Самодельный подвес для
гальванометра ЛФИ.
приходит в состояние постоянного дрожания от не вполне урав-
новешивающихся ударов молекул воздуха (броуновское движе-
ние).
Рис. 98. Объективный метод отсчёта с гальванометром.
В школе полезно иметь чувствительный стрелочный гальвано-
метр (рис. 250); совершенно же необходимы демонстрационные
стрелочные гальванометры (рис. 139); необходима также
установка зеркального гальванометра (рис. 97), являющегося от-
части объектом изучения как одного из точнейших средств совре-
менного научного исследования, а также служащего для прове-
57
нения важных демонстраций из самых разнообразных отделов
физики. Для средней школы за очень большой чувствительностью
зеркального гальванометра гнаться не следует. Чувствительность
1СГ8—10~9 а вполне достаточна.
Рис. 99. Субъективный метод отсчёта с гальванометром.
2. Классификация гальванометров. Из различных систем галь-
ванометров наиболее важной для средней школы является маг-
нитоэлектрическая. В свою очередь эта система заключает в себе
Рис. 100. Схема устройства
гальванометра с поворачиваю-
щейся катушкой.
Рис. 101. Схема устройства галь-
ванометра с магнитными стрел-
ками.
два основных вида гальванометров: а) с поворачивающейся
катушкой (Дейре и д’Арсонваля) (рис. 100) и б) с поворачиваю-
щимися магнитами (стрелками) (рис. 101). Наибольшее распро-
странение благодаря своей высокой чувствительности, точности
и равномерности делений шкалы получил гальванометр с повора-
чивающейся катушкой (рис. 100). Этот гальванометр состоит из
постоянного магнита NS, в междуполюспом пространстве кото-
рого помещена катушка или рамка Л, подвешенная на упругой
58
нити; с катушкой наглухо соединены иногда стрелка (рис. 102)
или зеркальце 4 служащие для отсчёта угла поворота. Измеряе-
мый ток подводится к рамке А по нити (+) и отводится по спи-
Рис. 102. Прецензнонный стре-
лочный гальванометр. Нить, на
которой подвешена рамка, поме-
шена внутри трубки А. О—уро-
вень и К — корректор.
Рис. 103а. Струнный гальванометр.
ради Р, почти не оказывающей упругого противодействия поворо-
там рамки.
ЛАеньше распространены в школе гальванометры с магнита-
ми NS, движущимися в поле катушек А, обтекаемых измеряемым
током (рис. 101). Эти гальванометры очень чувствительны
к внешним магнитным полям. Наиболее чувствительные из этих
59
гальванометров окружаются магнитной защитой — панцырем.
По чувствительности гальванометры этого типа не уступают галь-
ванометрам с катушкой Дспре и д’Арсонваля. Достоинством этих
гальванометров является для средней школы то, что их нетрудно
изготовить своими силами и средствами.
Кроме этих двух видов гальванометров, некоторый интерес
представляет для школы струнный гальванометр (рис. 103а),
в котором о силе тока судят по смещению очень тонкой
(</ = 0,001—0,002 мм) золотой или платиновой нити АВ в силь-
ном магнитном поле NS. Величину этого смещения измеряют при
помощи микроскопа С или проектируют на экран. Струнные
гальванометры замечательны своим малым периодом колебания
Глад слебо
Правильно
ю в в 4 го
тттлохит.у
Рис. 105 и 106. Образцы делений для
демонстрационных шкал.
Рис. 104. Отсчёт по зеркальной шкале.
(0,008—0,01 сск.), что делает их незаменимыми при измерении
слабых изменяющихся токов.
3. Отсчёт положения стрелки на шкале у гальванометров.
Шкалу стрелочных гальванометров для большей точности отсчё-
тов помешают над зеркалом. Такие шкалы называются «зеркаль-
ными шкалами», а самый прибор называют стрелочным гальвано-
метром с зеркальной шкалой (рис. 96).
Отсчёт по зеркальной шкале следует производить одним гла-
зом, расположив его так, чтобы изображение стрелки в зеркале
было закрыто самой стрелкой (рис. 104).
В зеркальном гальванометре стрелкой служит луч света,
а сама шкала может быть сделана непрозрачной или нанесена
на прозрачной бумаге, матовом стекле или иа кальке.
В демонстрационных установках для зеркальных гальваномет
ров шкалу делают длиной в 2—3 м и наносят на ней условные
деления, сделанные, например, через 5—10 см (рис. 105 и 106).
В установках зеркальных гальванометров, предназначенных для
индивидуального отсчёта или точных измерений, шкалой служит
линейка длиной в 50—100 см, разделённая на ясно обозначенные
миллиметры (рис. 98 и 99). Такие шкалы помещают на расстоя-
нии 1—3 м от зеркальца.
У стрелочных гальванометров пуль располагают почти всегда
на середине шкалы. Таким же образом обычно расположен нул>
и у установленных зеркальных гальванометров, но, в случае
надобности, его легко сместить на край шкалы.
60
4. Чувствительность гальванометра. Приходится прежде всего
упомянуть об устаревшем и неупотребляемом ныне определении
чувствительности, потому что в целом ряде случаев (таблицы
в каталогах, паспорта гальванометров и др.) для выпускавшихся
ранее приборов преподаватель найдёт иную характеристику
(см., например, таблицу гальванометров ЛФИ) чувствитель-
ности, чем это требует действующий ОСТ 7656.
Согласно отменённым ныне определениям чувствительность
характеризовалась так: под чувствительностью стрелочного галь-
ванометра понимали или величину тока, выраженную в амперах
(токовая, или амперная, чувствительность), вызывающую откло-
нение на одно деление шкалы, или напряжение, приложенное
к клеммам гальванометра, выраженное в вольтах (вольтовая
чувствительность), вызывающее отклонение на одно деление
шкалы.
Для зеркальных гальванометров чувствительностью называли
величины тока, напряжения или количества электричества (соот-
ветственно в амперах, вольтах и кулонах), вызывающих смещение
на 1 мм светового пятна на шкале, помещённой от зеркальца
на расстоянии 1 м. Так, например, из таблицы для зеркальных
гальванометров Ленинградского физического института видно, что
гальванометр типа 3—V даст смещение светового пятна на 1 мм
на шкале, расположенной от зеркальца на 1 м при токе 1,5 • 10~9 а
или напряжение 2,5 • 10-a в. В настоящее время по ОСТ 7656 под
чувствительностью понимают отношение изменения отклоне-
ния стрелки Да (измеренного в миллиметрах шкалы) к из-
менению измеряемой величины Дх, вызвавшему это изменение
отклонения, т. е.
s Лх
Приведённое выше определение чувствительности ОСТ 7656
распространяется и на зеркальные гальванометры при непремен-
ном условии, чтобы их шкала находилась от зеркальца на расстоя-
нии одного метра. *
Таким образом, согласно ОСТ 7656:
Чувствительность зеркального гальванометра по току
(амперова) определяется как вызванное током 1рЛ (проходя-
щим через гальванометр) отклонение гальванометра, измеренное
в миллиметрах шкалы, отстоящей от зеркальца на расстоя-
нии в 1 м.
Чувствительность зеркального гальванометра по на-
пряжению (вольтова) Sv определяется при прочих равных усло-
виях как отклонение, вызванное током (проходящим через гальва-
нометр), когда к его клеммам приложено напряжение, рав-
ное 1цУ.
Простые соображения показывают, что чувствительности зер-
кального гальванометра по току и по напряжению связаны меж-
6
ду собой зависимостью:
где Rs —внутреннее сопротивление гальванометра.
Не излагая теоретических соображений, укажем, что зеркаль-
ные гальванометры с высокой чувствительностью к току имеют
при прочих равных условиях большое внутреннее сопротивление,
а гальванометры с высокой чувствительностью к напряжению —
малое внутреннее сопротивление.
Максимум чувствительности будет при равенстве «внутреннего»
и «внешнего» сопротивлений, т. е. при выполнении условия:
/? = Л
Гальванометр работает в наилучшем режиме в том случае,
когда сопротивление внешней цепи равно внутреннему сопротив-
лению гальванометра.
Период колебания гальванометра с вращающейся катушкой
обыкновенно бывает равным от 5 до 8 сек. В баллистических
гальванометрах период колебания обычно бывает от 14 до 25 сек.
5. Критическое сопротивление и его значение. Весьма большое
значение при работе с гальванометром имеет вопрос о затухании
колебаний поворачивающейся системы. В гальванометрах с ма-
лым затуханием колебаний зеркальце нс сразу устанавливается
в положении, соответствующем действительному отклонению,
а только после того, как совершит несколько колебаний. Таким
образом, при малом затухании иногда пройдёт значительное вре-
мя, прежде чем можно будет сделать отсчёт. Точно так же после
прекращения тока зеркальце устанавливается в положении, соот-
ветствующем нулю, только после нескольких колебаний вправо*
и влево около нулевого деления. В гальванометрах с поворачи-
вающейся катушкой для быстрого успокоения пользуются обыч-
но тормозящими действиями индуктированных токов (Фуко)
в металлических частях подвижной системы (т. е. в каркасе,
на который нанесена обмотка катушки) при её движении в маг-
нитном поле. Однако в чувствительных зеркальных гальвано-
метрах металлические каркасы применяются в исключительных
случаях, а для получения достаточного затухания используются
токи, индуктируемые в обмотке поворачивающейся катушки. Так,
если обмотку гальванометра, подвижная система которого была
приведена в колебательное движение, замкнуть накоротко,
то колебания быстро затухнут и его подвижная система тотчас
же установится «на нуль». Такой способ является хорошим
практическим приёмом для успокоения колебаний гальванометра
после измерения и быстрой установки на нуль.
Сопротивление внешней цепи, при котором затухание гальва-
нометра становится апериодическим, называется критическим
сопротивлением. Величина критического сопротивления обычно-
указывается или на самом приборе или в прилагаемом к нему
62
паспорте. Наиболее выгодно в смысле сокращения времени
отсчёта такое сопротивление внешней цепи, которое равно или
несколько больше критического. При сопротивлениях внешней
цепи, значительно меньших критического, катушка с зеркальцем
очень медленно «ползёт» к своему окончательному положению.
Наоборот, при сопротивлениях, больших критического, гальвано-
метр теряет апериодичность и
устанавливается только после
ряда колебаний. Время, через
которое прекратятся колебания,
будет тем значительнее, чем
больше сопротивление цепи в
сравнении с критическим.
6. Уменьшение чувствитель-
ности гальванометра. При из-
мерениях с чувствительным
гальванометром следует опа-
саться сильного тока, способно-
го испортить или даже сжечь
обмотки прибора. Поэтому па-
раллельно гальванометру G
следует включить шунт
имеющий достаточно малое и
определённое сопротивление (рис. 107). Тогда через гальванометр
потечёт не весь ток I, а только некоторая определенная его часть i.
Величина этого тока зависит от соотношения сопротивлений шун-
та Rs и суммы сопротивлений шунта R, и гальванометра г.
/ Rs +г
(1).
Подбирая соответствующим образом величины сопротивлений
шунтов, можно уменьшить чувствительность гальванометра
в любое число (п) раз, например в 10, 100, 1000 и т. д. Если-
допустить, чтобы через гальванометр прошёл ток i = ~, то-
предыдущая формула примет вид:
откуда искомое сопротивление шунта Rубудет равно:
Г
п — 1
(3)
При п = 10, 100, 1000 и т. д. сопротивление шунтов будет:
9 ' 99
— и т. д.
999
ба
Так, например, если чувствительность гальванометра нужно:
уменьшить в 100 раз и его сопротивление равно 500 ом, то*
сопротивление шунта берётся равным
г, 500 - пс
R, = — » 5,05 ом.
1 99
Шунты нужно намотать бифиляром на небольшие деревянные
катушки из константановой или манганиновой, или в крайнем слу-
чае никелиновой проволоки так, как это описано в § 11, 3. Шунты
малых сопротивлений можно сделать из полосок никелина или
Рис. 108. Шунты.
толстой медной проволоки, или же в крайнем случае из жести
(рис. 108).
При подборе сопротивления шунта, сделанного из полоски для
увеличения сопротивления, пользуются способом, показанным на
рисунке 109.
Рис. 109. При подборе малого сопротивления
шунта надрезают полоску ножницами.
Шунты совершенно необходимо снабдить достаточно массив-
ными клеммами, к которым и приключать проводники А и В от
цепи; присоединение же гальванометра можно сделать медными
проводниками С и D любой толщины (рис. ПО). На том же ри-
сунке показано неправильное присоединение проводников А и В
от измерительной цепи. Сопротивление проводников С и D в этом
.64
случае будет суммироваться с сопротивлением самого шунта и
понижать чувствительность гальванометра меньше, чем это сде-
•ra.’i бы один шунт. Особенно сильно сказывается влияние про-
водников С и D при шунте малого сопротивления.
Для значительного изменения чувствительности гальваномет-
ра. кроме шунта можно воспользоваться включением после-
Рие. ПО. Правильная и
неправильная схемы
включения шунта.
Рис. 11). Схема включения шунта и
балластного сопротивления.
доватсльно с гальванометром балластного сопротивления R
(рис. 111). В качестве балластного сопротивления можно взять
магазин сопротивлений.
Формула (1) в рассматриваемом случае принимает вид:
‘ ~ Rs + г +"/? '
Видоизменив соответствующим образом формулу (2), найдём,
что сопротивление шунта, уменьшавшего чувствительность галь-
ванометра в п раз, будет равно:
(4)
п~ \
Сравнивая между собой выражения (3) и (4), находим, что со-
противление шунта при балластном сопротивлении для получения
юй же чувствительности может быть взято большим, чем без. бал-
ластного сопротивления. Так, например, для уменьшения чувст-
5 Физический эксперимент в школ: 65
вительности
гальванометра с сопротивлением в 30 ом в 10 001
раз шунт должен иметь:
—г— = ~ 0.003 ом.
п — 1 9999
При введении балластных сопротивлений 10, 100, 1000,
10 000 ом и т. д. сопротивление шунтов должно быть взято соот-
ветственно около 0,004, 0,013, 0,103, 1,003 ом.
Иногда для быстрого изменения чувствительности
метра выгодно в качестве
Рис. 112. Схемы включе-
ния потенциометра.
гальвано-
шунта и балластного сопротивления
пользоваться потенциометром. Обмотка
потенциометра при помощи клемм а, & и
проводников С, D присоединяется к галь-
ванометру (рис. 112). К измерительной
цепи, т. е. к проводникам А и В, вклю-
чают ползун е и один из концов обмотки,
например Ь. Тогда при указанном на ри-
сунке 112 положении ползуна часть обмот-
ки с сопротивлением R является балласт-
ным сопротивлением, а остальная часть с
сопротивлением Rs — шунтом. Передви-
гая ползун, можно изменить величины со-
противлений R и R., т. е. сопротивления
балластное и шунтовое, и тем самым по-
лучать различные чувствительности галь-
ванометра. Так, например, если сопротив-
ление потенциометра равно 1 000 ом при
250 витках, то при положении ползуна на 10, 50, 100, 125, 200-м
и т. д. витке, считая от клеммы а, сопротивления будут равны соот-
ветственно: R -= 40, 200, 400, 500, 800 и т. д. ом и Rs = 960, 800,
600, 500, 200 ом и т. д.
Включение шунтов и балластных сопротивлений, безусловно,
необходимо при измерениях таких сил токов, порядок величины
которых заранее не известен. Сначала включают шунт с наимень-
шим сопротивлением и наибольшее балластное сопротивление
и наблюдают отклонения гальванометра. Если оно незначитель-
но, берут шунт с большим сопротивлением и уменьшают балласт.
Подобрав шунт и балластное сопротивление, при которых гальва-
нометр даёт достаточное для отсчёта отклонение, вычисляют ве-
личину тока по приведённым выше формулам.
7. Установка зеркального гальванометра. Гальванометр, во-
обще говоря, не рекомендуется для измерений переносить с места
на место. Его установка должна быть сделана постоянной, тем
более, что в средней школе гальванометр нужен главным обра-
зом для демонстраций и редко для индивидуальных отсчётов.
Гальванометр для демонстрационных целей устанавливают на
66
капитальной стене на такой высоте, чтобы он был недоступен
даже в том случае, если учащийся встал на стул. Даже осторож-
ные прикосновения неопытного человека к гальванометру могут
сбить установку, что нежелательно, так как потом потребуется
сравнительно много времени для налаживания. Высота установки
берётся такой, чтобы зайчик получался на стене, лучше над
классной доской, на расстоянии 50—100 см от потолка, где и под-
вешивается шкала для отсчётов.
Шкалу делают из полосы плотной белой бумаги шириной в
25—40 см и наносят па неё деления на расстоянии 20—25 см
друг от друга, разделив каждое на 10 частей. Но более желатель-
но деления сделать приблизительно такой величины, чтобы они
соответствовали отклонению в 1 мм на шкале, находящейся от
гальванометра на расстоянии I м.
Величина таких делений в миллиметрах равна расстоянию в
метрах гальванометра от шкалы. Так, например, если гальвано-
метр находится на расстоянии 10 м от шкалы, то величина одного
деления должна быть взята равной 10 мм. Так как подобные де-
ления были бы слишком мелки, то их следует взять в два раза
больше и нанести на шкалу тонкими и сравнительно короткими
линиями.
Каждое пятое или десятое деление, считая от середины (но-
ля), необходимо отметить более толстыми и длинными линиями
или треугольниками и пронумеровать (рис. 105).
Для установки гальваномет-
ра на стене подвешивают, луч-
ше всего на железных крон-
штейнах, полку, сделанную из
толстой доски (рис. *113) дуба,
берёзы или другого крепкого
дерева.
Рис. ИЗ. Установка гальванометра иа
полке.
Рис. 114. Схема установки гальвано-
метра на боковой стене.
67
Для переносных гальванометров, вроде гальванометра М-21
(Министерства электропромышленности СССР) (рис. 122),
следует приобрести для полки небольшую плиту мрамора или
шифера. 'Полка должна быть установлена по уровню в горизон-
тальной плоскости. Об установке подвесного гальванометра ЛФИ
смотри § 9, 4. Гальванометр следует устанавливать на стене,
противоположной той, на которой подвешена шкала. Если класс
чересчур длинен и зайчик выходит недостаточно ярким при пол-
Гальйанометр
M2I 1
ном затемнении класса, то шкалу следует расположить не над
классной доской, а на боковой стене; гальванометр в этом слу-
чае помещают также на противоположной боковой стене так, что
луч света идёт поперёк класса. Впрочем, «настольный» гальва-
нометр можно расположить на боковой стене, установив его так,
чтобы отражённый луч ZO осветителя L при пулевом положении
зеркала Z проходил через середину шкалы, т. с. пуль (рис. 114).
Однако в этом случае отклонение зайчика на равное число деле-
ний вправо и влево от нуля не будет соответствовать поворотам
зеркальца на одинаковый угол. Больше того, каждое деление
шкалы, считая сверху вниз (рис. 114), будет соответствовать
всё более и более меньшим углам поворота зеркальца. Это легко
выяснить на чертеже, сравнив между собой для одинаковых
углов а числа делений на наклонной шкале КЛ и шкале КлКл,
перпендикулярной к ZO.
(38
Вполне возможно также гальванометр, расположить на полке
в углу, а шкалу подвесить против него к потолку.
'На рисунках 115 и 116 показаны различные способы установ-
к({ гальванометра М-21 (рис. 122).
Для правильной установки на гальванометре имеется обыкно-
венно уровень (иногда отвес), и ножки делаются в виде устано-
вочпых винтов.
Рис. 116. Установка гальванометра М-21, Осветитель 3 даёт луч
света, направленный вверх и падающий на зеркальце гальвано-
метра 2 после отражения в призме. Луч от зеркальца, в свою
очередь, отразившись, падает на шкалу.
Существуют также самонивелирующиеся гальванометры, на-
пример гальванометр «Фи» системы Улитовского (рис. 121).
Настоятельно рекомендуем закрывать гальванометр чехлом из
плотной материи или клеёнки во избежание загрязнения пылью,
удалить которую потом бывает не легко. Ещё лучше вместо ма-
терчатого чехла сделать коробку из картона с отверстием для лу-
ча света.
Для подводки тока от клемм, расположенных около, демон-
страционного стола, к гальванометру следует проложить на роли-
ках шнуры ШР или провода с резиновой или хлорвиниловой изо-
ляцией. Бумажная изоляция этих проводов нежелательна ввиду
возможных утечек тока. Над клеммами совершенно необходима
чёткая надпись «гальванометр».
1>9
8. Осветительные устройства. Осветительные приборы для де-
монстрационных установок должны давать на шкале, помещаю-
щейся обыкновенно на расстоянии нескольких метров, достаточно
яркий зайчик. Поэтому приходится пользоваться сравнительно
сильными источниками света: лампами автомобильными или ки-
нопроекционными (рис. 365, I и 369). Поместив лампу внутрь ме-
таллической трубки, ставят перед ней конденсор С (короткофо-
кусную, двояко- или плосковыпуклую линзу) 1 так, чтобы пучок
Рис. 117. Схема устройства
осветителя для проектирования
нити А.
Рис. 118. Зайчик при те-
невом проектировании
нити.
Рис. 119. Зайчик при
проектировании- щели.
Рис. 120. Устройство дер-
жателя для осветителя.
лучей света стал параллельным. Перед конденсором натягивают
тонкую проволоку или нить А (рис. 117). Посредством линзы В
с фокусным расстоянием в 15—20 см проектируют на шкалу К.К.
изображение этой нити, заставив пучок света отразиться от зер-
кальца Z гальванометра G. При рассматриваемом способе на
шкале будет получено круглое светлое пятно с чёрной вертикаль-
ной чертой посередине (рис. 118). При желании можно вместо
нити А перед конденсором поместить экран с узкой щелью (0,5—
1 мм). Тогда при проекции на шкале будет получена светлая
полоска (рис. 119).
1В качестве конденсора можно взять стекло от карманного фонарика
пли конденсор от плёночного проекционного аппарата (аллоскопа).
70
Осветитель для демонстрационной установки следует устано-
иТь раз навсегда около гальванометра. Наиболее удобным дер-
жателем для осветителя является следующий (рис. 120). Три же-
пезные полосы А, В и С (20 — 30 см X 1,5 см) соединяются меж-
ду собой подвижно при помощи болтов или заклёпок. Конец поло-
сы С заделывается в стену наглухо, для чего его вставляют в
пробитое в стене отверстие и укрепляют цементом или алебаст-
ои.м. Для большей прочности полезно этот конец С на некотором
расстоянии распилить и развести в стороны. В полосу А наглухо
заделывают железную круглую стойку D (d — 7 — 8 мм,
1=15— 20 см), на которую укрепляют лапку от лабораторного
штатива, держащую осветитель. Такой ломаный рычаг легко
дозволит изменять расстояние от гальванометра и угол падения
света на зеркальце.
Ток к осветителю подводится посредством шнура, проложен-
ного на роликах. Для получения более яркого зайчика лампоч-
ки можно на время наблюдения перекаливать, доводя напря-
жение соответственно до 7—8 в или до 14—16 в. Это, без-
условно, сократит срок службы лампы, но при сравнительно ред-
ком употреблении гальванометра, как это бывает в школе, одна
и та же лампа будет работать в продолжение нескольких лег.
Если в школе электрическое освещение отсутствует, то провод-
ка' заканчивают около демонстрационного стола штепсельной ро-
зеткой с чёткой надписью «Осветитель 6/12 в». Эта розетка слу-
жит для включения гальванических элементов или аккумулято-
ров. При использовании переменного тока около осветителя уста-
навливаются понижающий трансформатор (см. т. V) и обяза-
тельно выключатель, введённый в цепь первичной обмотки транс-
форматора.
Шкалы КК для индивидуального отсчёта делаются переносны-
ми (рис. 98 и 99), иногда же монтируются наглухо под гальвано-
? етром или же на проволочных кронштейнах перед ним (рис. 97).
Как гальванометр ЛФИ (рис. 97 и 98), так и гальванометр «Фи»
(рис. 121) выпускались вместе с осветителями, проектирующими
на шкалу нить лампочки от карманного фонарика (4 в). Для пита-
ния этой лампочки прилагается трансформатор 120/4 в; при отсут-
ствии переменного тока освещения лампочку надо накаливать от
батареи элементов. Гальванометры (зеркальные) М-21 и М-22, вы-
пускаемые Министерством электропромышленности (МЭ СССР),
также снабжены шкалой и осветителем (рис. 122).
При изготовлении осветителей своими силами и средствами
можно воспользоваться лампочкой от карманного фонарика (I) и
рудничной (II) или софитной (однонитной) (III) (рис. 370).
Можно также проектировать на шкалу КК линзой В один из
прямолинейных участков волоска пустотной лампы i 120—220 в
(рис. 123—124). Для этого лампу L помещают в жестяную ко-
Устаревшего типа.
71
робку (например, от консервов) А, в которой прорезана узкая
щель, расположенная против одного из волосков.
В отличие от осветителей демонстрационных установок при
проектировании волоска конденсор совсем не ставится, а линза
берётся с достаточно большим фокусным расстоянием. Линзу поме-
щают возможно ближе к зеркальцу, а источник света — лучше на
Рис. 121. Самонй-
велирующийся
гальванометр ти-
на «Фи» системы
Улптовского.
Рис. 122. Зеркальный гальванометр М-21
(МЭ СССР).
Для гальванометров М-2! и M-2I/I соответственно
характерны следующие данные: постоянная по
току 1,5—10-® и ],5—IO-10 oJmm постолнптя по
напряжению 5 . 10-® в!мм\ сопротивление подвиж
ной части 500 и 100 ом; внутренннсе добавочное
сопротивление 2000 и 25 000 ом; внешнее крити-
ческое сопротивление 20 000 и 100 000 ом, период
колебания при разомкнутой цепи 5 и 12 сек.
двойном фокусном расстоянии. Тогда, расположив шкалу пример-
но на том же расстоянии, получают на ней изображение нити в на-
туральную величину, что позволяет довести точность отсчёта до
’/2 ллг. Осветитель L можно расположить двумя способами: в го-
ризонтальной плоскости, проходящей через середину зеркальца
или ниже неё. В первом случае шкалу КК приходится сдвинуть в
сторону, чтобы отражённый луч ZO упал на нуль шкалы, и осве-
титель L расположить под некоторым углом к нормали ZA
(рис. 125). При этом важно шкалу КК поместить перпендикулярно
к лучу ZO.
12
Во втором случае осветитель L располагают в отвесной плоско-
„тй проходящей через нормаль 7Л к зеркальцу, но ниже этой нор-
мали (рис. 126), что значительно выгодней в смысле светоотдачи.
Рис. 123. Пустотная лам-
па 120 в; линза и чехол
со щелью для проектиро-
вания её волоска.
Рис. 124. Схема проектирования
волоска лампочки посредством
линзы В па шкалу А7С
Рис. 125. Схема распо-
ложения осветителя
(сбоку).
Рис. 126, Схема расположения осветителя
(снизу или сверху).
9. Повышение видимости показаний стрелочных гальваномет-
ров. Применяемые в средней школе демонстрационные стрелочные
гальванометры оказываются недостаточно чувствительными для
целого ряда важных опытов. Создать же прибор достаточной чув-
ствительности с такой крупной, а следовательно, и массивной
стрелкой, чтобы показания его были хорошо видны всем уча-
щимся класса, невозможно.
'Рис. 127. Гальванометр стрелочный
для проектирования на экран.
Между тем, обеспечение видимости шкалы стрелочного гальва-
нометра достижимо сравнительно простыми способами. Так Поль в
книге «Введение в изучение электричества» для опытов рекомен-
дует применение специального типа стрелочного гальванометра с
прозрачной шкалой. Эта шкала и стрелка при помощи проекцион-
ного фонаря могут быть спроектированы па экран (рис. 127). В
Институте методов обучения науч-
ным сотрудником А. Г. Дубовым
разработана конструкция демон-
страционного стрелочного гальва-
нометра, позволяющего получить
ясно видимое изображение шкалы
и стрелки без затемнения в классе
(рис. 128 и 129). Гальванометр
при одинаковом устройстве имеет
два различных оформления. Ос-
новными частями прибора явля-
ются механизм магнитоэлектриче-
ского прибора с поворачивающей-
ся катушкой (типа М-110) и про-
екционный фонарь упрошенного
типа (рис. 131). Устройство прибо-
ра следующее. Свет от автомо-
бильной лампочки (6 в) F, прохо-
дя через конденсор Е, служит для
освещения прозрачной шкалы D
и стрелки С магнитоэлектриче-
ского прибора (гальванометра) А
(рис. 130). Лампочка F питается
током от сети освещения через понижающий трансформатор,
вмонтированный внутрь корпуса прибора.
Деления шкалы D и стрелка С проектируются на экран посред-
ством объектива О. Зеркало Z, устанавливаемое под тем или иным
углом, позволяет, расположив гальванометр на демонстрационном
столе, получить проекцию шкалы и стрелки над классной доской
на экране, которым может служить лист белой бумаги. Этот галь-
ванометр, выпускаемый Главучтехпромом, является универсаль-
ным, так как его катушка имеет две обмотки •— пизкоомную
(0,8 ом) и высокоомную (200 ом), включаемые через соответ-
ствующие клеммы. К гальванометру прилагается термоэле-
мент, позволяющий использовать его как пирометр, т. е. для изме-
рения температуры (рис. 132). Такое использование гальванометра
открывает широчайшие возможности в области школьного экспе-
римента.
Достаточно хорошие результаты повышения видимости даёт
также панорамный способ. В этом случае шкала стрелочного галь-
ванометра должна быть нанесена на матовое стекло. Ещё проще
сфотографировать сё, и, изготовив соответствующий диапозитив,
74
заклеить его со стороны стекла (а не эмульсии!) восковой бума-
гой или калькой. Если сзади подобной шкалы поместить источ-
ник света (керосиновая или электрическая лампочка), а спере-
ди — короткофокусную линзу от конденсора обычного школьного
Рис. 128 и 129. Проекционные стрелочные гальванометры,
приспособленные для измерений с термоэлементом (рис. 132).
Рис. 130. Механизм магнитоэлектрического стрелочного гальванометра,
вынутый из проекционного аппарата (рис. 128).
фонаря, то мнимое увеличенное изображение делений шкалы и
стрелки будет ясно видно учащимся даже при отсутствии затем-
нения.
Ю. Основные опыты с чувствительным гальванометром. Все
важнейшие для преподавания физики опыты, требующие гальвано-
метров с высокой чувствительностью, должны быть разделены на
Две группы. Одна группа этих опытов требует гальванометра с вы-
сокой чувствительностью к току или, следовательно, гальваномет-
ра с большим внутренним сопротивлением (см. раздел 4). К числу
75
таких опытов относятся: обнаружения: тока от электростатической
машины, разрядного тока конденсатора (см. т. IV), демонстрация
фотоэффекта (см. т. VI) и др. Другая группа опытов нуждается в
применении гальванометра с высокой чувствительностью к напря-
жению, т. е. гальванометра с малым внутренним сопротивлением.
Рис. 131. Устройство проекционного стрелочного
гальванометра (рис. 128).
Рис. 132. Термоэлементы для стрелочного зеркального гальванометра.
Такими опытами будут: обнаружение термотока при ударе по спаю
термоэлемента (переход механической энергии в тепловую); де-
монстрация при помощи термостолбика (§ 31,3) инфракрасных из-
лучений от нагретого тела и наличия инфракрасной части в спектре
(см. т. VI); опыты с термокрестами (§ 31,4); демонстрации элек-
тромагнитной индукции при движении прямого проводника в маг-
нитном поле (см. т. IV) и индукции в земном магнитной! поле
и др. Отсюда следует, что для средней школы необходимы два
зеркальных гальванометра: один с малым и другой с большим
внутренним сопротивлением. Однако, если воспользоваться про-
екционным стрелочным гальванометром, имеющим на катушке две
обмотки, то можно ограничиться установкой только одного зер-
кального гальванометра.
76
§ 9. Гальванометры
1. Гальванометр с подвижной магнитной системой (стрелкой).
Принцип действия гальванометра с магнитной стрелкой (рис. 133)
ясен из модели, показанной на рисунке 134. Гальванометр состоит
из магнитной стрелки MSi, подвешенной на тонкой, обычно коко-
новой, шёлковой нити между двумя катушками А и В. Несколько
Рис. 133. Зеркально-стрелочный галь-
ванометр с подвижной магнитной
системой.
Рис. 134. Схематизированная
модель гальванометра с под-
вижной магнитной системой.
выше этой стрелки имеется вторая магнитная стрелка N2S2, рас-
положенная в одной вертикальной плоскости с первой. При ука-
занном расположении полюсов система стрелок является астати-
ческой, т. е. почти не подверженной действию земного магнетизма.
Действие земного магнитного ноля на такую систему ослаблено в
очень сильной степени, но она все же располагает систему в пло-
скости магнитного меридиана.
Со стрелками наглухо соединено небольшое зеркальце Z для
измерения угла отклонения по способу зеркала и шкалы.
Изображённая на рисунке 134 модель снабжена воздушным ус-
покоителем, представляющим собой пластинку D, подвешенную
внутри полого цилиндра Е. Для приведения модели в действие че-
77
рез проводники А нВ, изображающие собой обмотки катушек,
пропускают ток, вызывающий отклонение стрелки и зеркаль-
ца Z.
Этого типа гальванометры снабжаются нередко катушками с
двумя обмотками: одной, имеющей небольшое сопротивление, сде-
ланной из толстой проволоки, и другой с сопротивлением до не-
скольких сот омов — из тонкой проволоки. Концы каждой обмотки
присоединены к паре клемм. Для установки гальванометра служит
треножник, снабжённый установочными винтами F. Гальванометр
во избежание загрязнения пылью и для защиты от воздействия
струй воздуха закрывают обыкновенно стеклянным колпаком.
Лучшие типы гальванометров с подвижной магнитной системой
имеют очень высокую чувствительность порядка 10-10—10-11 а. В
таких гальванометрах (гальванометр Томсона) имеются две груп-
пы коротких магнитных стрелок, из которых каждая группа поме-
щена внутри отдельной катушки (рис. 101). Обмотки катушек со-
единены между собой последовательно и притом так, что ток имеет
в них противоположные направления. Так как группы стрелок
расположены для астазирования полюсами в противоположные
стороны, то ток будет поворачивать их в одну и ту же сторону.
В этих гальванометрах направляющей силой (т. е. силой, воз-
вращающей стрелку к нулю) все же является сила земного маг-
нитного поля. А потому, если желательно установить стрелку вне
плоскости магнитного меридиана, необходимо создать своё поле
при помощи постоянного магнита. Когда астазирование доводится
до более высокой степени, можно уже требовать, чтобы направ-
ляющей силой являлась лишь упругая сила закручиваемой нити. В
этом случае подвижную систему уже необходимо защищать желез-
ной оболочкой (панцырем) от воздействия внешних магнитных
полей. Такие гальванометры носят название панцырных,
2. Устройство приборов с подвижной катушкой. Приборы
(гальванометры, амперметры и вольтметры) с подвижной катуш-
кой употребляются исключительно для измерения постоянного
тока.
К числу главных достоинств приборов этого типа (см. § 6, 3)
должны быть отнесены:
1) высокая чувствительность, достигающая в некоторых прибо-
рах до 10-11 а;
2) прямая пропорциональность угла отклонения рамки силе
измеряемого тока. Благодаря этому шкала в приборах со стрелкой
имеет равномерные деления;
3) нечувствительность к влиянию внешних магнитных полей, в
том числе и земного поля.
Приборы со стрелкой имеют следующее устройство (рис. 135,
135а). В магнитном поле, созданном сильным стальным U-образ-
ным магнитом NS, на осях укреплена лёгкая металлическая рам-
ка А, обмотанная тонким изолированным проводником. Внутри
рамки помещён цилиндрический сердечник из мягкого железа В,
78
укреплённый неподвижно. Рамка может свободно поворачиваться
около сердечника приблизительно на углы до 120—160°.
Полуоси (керны) F укреплены на металлических площадках Е,
которые изолированно приклеены к обмотке рамки А (рис. 136, I и
II). Концы обмотки Н присоединены
через площадку Е к кернам. Керны F
опираются на подпятники / с агато-
выми вкладышами, являющимися под-
шипниками (рис. 136, III). Керны мо-
гут быть расположены как с внешней
(рис. 136,1), так и с внутренней стороны
рамки (рис. 136, IV). Для достижения
большей чувствительности и точности
рамку в стрелочных приборах иногда
укрепляют на растяжках (рис. 136, V)
или на подвесе (рис. 136, VI).
С рамкой неподвижно скреплена
стрелка прибора. На каждой оси рамки
закреплён конец металлической спи-
ральной пружины 1 С, другой конец ко-
торой удерживается рычажком D.
Пружины стремятся поставить рамку в определённое положение,
соответствующее нулевому делению шкалы. Поворачивая (осто-
рожно) рычажок D, можно точно установить стрелку на нулевом
Рис. 135. Упрощённое ус-
тройство магнитоэлектриче-
ского прибора.
Рис. 135а. Устройство стрелочных магнитоэлектрических приборов.
1 Пружины повёрнуты в противоположные стороны так, что при пово-
роте рамки всегда одна закручивается, а другая раскручивается.
7»
делении, если она не стоит на нуле. При пропускании тока в рамке
создаётся магнитное поле, взаимодействующее с полем постоян-
ного магнита. Рамка благодаря этому взаимодействию стремится
повернуться на угол 90° так, чтобы силовые линии (внутри рам-
ки) совпали по направлению с линиями поля магнита. Так как
этому препятствуют пружинки С, то рамка повернётся только на
известный угол, зависящий от силы текущего тока и пружины.
При этом рамка, а вместе с ней и стрелка повернутся вправо
или же влево по отношению к нулевому делению шкалы в зави-
симости от направления тока.
Рис. 136. Различные способы установки подвижной катушки А магнитоэлек-
трического прибора.
Приборы с подвижной катушкой, предназначенные для измере-
ний по способу зеркала и шкалы, имеют тот же принцип устрой-
ства. Рамка или катушка в этом случае подвешивается на упругой
металлической или металлизированной нити (рис. 100). С рамкой
жёстко соединено лёгкое зеркальце, позволяющее по методу зерка-
ла измерять угол отклонения рамки.
На этом принципе устроены многие технические приборы по-
стоянного тока, гальванометры и технические приборы, называе-
мые прецизионными (особо точными). Некоторые типы особенно
точных приборов устраиваются с подвесной рамкой (рис. 136, VI),
висящей на нити, помещённой внутри трубки А (рис. 102).
3. Демонстрационный школьный гальванометр со стрелкой.
Этот необходимый для школы прибор с поворачивающейся катуш-
кой (рис. 137—143) является универсальным, допуская превраще-
ние его в вольтметр или амперметр. Однако чувствительность галь-
•80
манометра невысока, почему наличие его не исключает необходи-
мости приобретения и установки зеркального гальванометра. Меха-
низм гальванометра открыт, что очень важно в методическом отно-
шении. Шкала имеет десять ясно видимых делений, расположен-
ных вправо и влево от нуля. Для уравновешивания стрелки К. на
рамке А имеются два тонких стерженька L противовеса, по кото-
рым могут перемещаться гайки М (рис. 138). Стрелка должна
быть уравновешена так, чтобы при любом наклонном положении
Рис. 137. Школьный демонстрацион-
ный гальванометр с наглухо смонти-
рованными шунтами и сопротивле-
ниями.
Рис. 138. Механизм
школьного демонстра-
ционного гальванометра.
прибора она всё-таки показывала на нуль. Выпускавшийся ранее
демонстрационный гальванометр был снабжён смонтированными
внутри наглухо шунтами и сопротивлениями, позволяющими поль-
зоваться им так же, как вольтметром и амперметром (рис. 137).
Вся шкала соответствовала 1; 10 а и 1; 10 в. Один проводник
(плюс или минус, безразлично) от цепи присоединялся к клем-
ме, обозначенной условно +, другой — к одной из остальных
клемм, соответственно тому, как нужно было воспользоваться
прибором: в качестве гальванометра, амперметра или вольтмет-
ра. Кроме того, для включения прибора на соответствующую
клемму должен быть включаем штепсель а.
Впоследствии Главучтехпром стал выпускать подобный гальва-
нометр с прилагаемыми отдельно шунтами и сопротивлением, пре-
вращавшими прибор при их включении соответственно в ампер-
метр до 1 а и 10 а или в вольтметр до 1 в и 10 в (рис. 139—141).
Благодаря плохому качеству постоянного магнита и небрежно-
сти изготовления показания выпускавшихся ранее гальванометров
Фишческий эксперимент r школе
81
в вольтах и амперах часто не соответствовали истине, почему такие
приборы рекомендуется сверить с каким-нибудь образцовым и
определить даваемую ими погрешность.
Рис. 139. Школьный демонстра-
ционный гальванометр
Рис. 140. Шунты и сопротивле-
ния к школьному гальванометру.
Существенным недостатком этой модели (рис. 141) в методи-
ческом отношении являлось то, что схема включения шунтов и
сопротивления не была видна учащимся, когда прибор находился
на демонстрационном столе.
шунты сопротивления
Рис. 141. Включение шунта и сопротивления у демонстрационного
гальванометра старого типа.
В 1949/50 г. Главучтехпром выпустил более совершенную в
методическом отношении модель демонстрационного гальваномет-
ра (рис. 143). Именно, включаемые шунты и сопротивления, рас-
82
полагаясь на передней вертикальной стенке прибора, оказывались
хорошо видимыми для учеников (рис. 142). К числу положи-
Рис. 142. Включение шуптов и сопротивления к гальванометру
нового типа.
тельных качеств этой модели гальванометра относится его при-
годность как для переменного, так и постоянного тока, для чего
служит помещённый сзади прибора переключатель (рис. 144).
Рис. 143. Школьный демонстрацион-
ный гальванометр для постоянного
и переменного тока.
Рис. 144. Переключатель для
использования демонстрацион-
ного прибора (рис. 142) для
постоянного и переменного
тока.
Переключатель состоит из трёх пар гнёзд, замыкаемых вилкой,
прилагаемой к прибору. Замыкание верхних гнёзд (знак =) дела-
er прибор пригодным только для постоянного тока. Если же вил-
кой замкнуть средние или нижние гнёзда (знак ~), то прибором
можно пользоваться для измерений переменного тока, так как в
этом случае к механизму подключается купроксный выпрямитель
(см. т. V). Разница между включением вилки в средние и нижние
клеммы заключается в том, что стрелка прибора будет в одном
случае отклоняться вправо от нуля и в другом — влево.
Рис. 145. Гальванометр ЛФИ.
время полного затухания
возможная ошибка
шкалы.
К прибору, соответственно его
применению, прилагаются две
двухсторонние шкалы. Замена
одной шкалы другой может быть
сделана через прорез в крышке
корпуса прибора.
К прибору приложены два
шунта с надписями: «5а=» и
измерения
«2 а ~», и три сопротивления с
надписями: «5 в«15 в —» и
«15 в ~», позволяющие превра-
щать гальванометр в амперметр
или вольтметр с соответствующи-
ми пределами показаний.
Данные, характеризующие
гальванометр, следующие:
сопротивление катушки галь-
ванометра 30 ом-,
чувствительность 0,5 а на одно
деление шкалы;
колебаний около 5 сек.;
меньше половины деления
Для установки стрелки на нуль сзади прибора помещена го-
ловка корректора, повёртываемая отвёрткой.
К числу недостатков прибора относятся: неудобства переклю-
чения на постоянный и переменный ток, отсутствие защиты меха-
низма при перегрузках и плохое качество клемм.
4. Зеркальный гальванометр Ленинградского физического ин-
ститута. В довоенное время в значительном количестве выпуска-
лись и получили широкое распространение в школе зеркальные
гальванометры ЛФИ (рис. 97 и 145). Положительными каче-
ствами их являлись относительная простота устройства и высокая
чувствительность. Стоимость гальванометра была очень невысо-
ка. Кроме разного рода измерений с подобным гальванометром
благодаря его весьма большой чувствительности можно показать
ряд интересных опытов по индукции, термоэлектричеству и т, п.
Кроме того, в соединении с термостолбиком гальванометр позво-
лит поставить серию важных опытов из области инфракрасных
лучей и т. д. (§ 8, 10).
84
Механизм гальванометра помещён внутрь коробки из папье-
маше. защищающей его от загрязнения и повреждений. Его вну-
треннее устройство показано на рисунках 146 и 147.
Поворачивающаяся катушка А помещена между полюсными
наконечниками магнита NS. Эта катушка способна поворачивать-
ся вокруг железного шарика, способствующего получению более
Рис. 14G. Внутренний вид гальвано-
метра ЛФИ.
Рис. 147, Электрическая часть галь-
ванометра ЛФИ,
однородного .поля и, кроме того, заставляющего магнитные силовые
линии располагаться нормально к его поверхности. Катушка под-
вешена на упругой металлической нити В, противодействующей
поворотам катушки и служащей также для подведения тока от
клеммы, Другой конец обмотки катушки А присоединён через спи-
раль Р (не обладающую упругими свойствами) ко второй клем-
ме ± гальванометра.
Для установки зеркальца в положении, соответствующем нулю
или какому другому, избранному за начало отсчёта делению шка-
лы, служит корректор К, головка которого помещена на левой сто-
роне прибора. При вращении головки корректора по часовой
стрелке зеркальце поворачивается справа налево.
К гальванометру прилагался для его подвешивания на стене
кронштейн. За отсутствием кронштейна к стене прикрепляют
горизонтальную деревянную дощечку в 15 см Х5 см X 2 см.
8S
Дощечку следует сделать из крепкого дерева (берёза, дуб) !
и во избежание соскальзывания установочных винтов просверлить
в соответствующих местах тонким сверлом небольшие углубления^
(рис. 97 а). Ещё лучше на дощечку под установочные винты '
укрепить вырезанные из жести пластинки bb с отверстиями такого
диаметра, чтобы в них входили только острия винтов D. Подобную:
же металлическую подкладку следует устроить также и под ниж-
Рис. 148. Отвес гальвано-
метра ЛФИ.
ний винт, в особенности если стена по-
крыта штукатуркой. Установку гальва-
нометра лучше всего сделать постоян-
ной на железном кронштейне и уби-
рать гальванометр только на летнее
время.
Подвесив гальванометр, устанав-
ливают его оначала на глаз при по-
мощи винтов так, чтобы коробка бы-
ла параллельна стене и её верхнее или
нижнее основание лежало в горизон-
тальной плоскости. Затем производят
нивелирование по отвесу, помещённому
внутри гальванометра и видимому в
нижнее зеркало через окошечко, для
чего предварительно освобождают под-
весную систему, повёртывая на себя
до упора правую головку с надписью
«аррерит» 5. Повёртывая установочные
винты, добиваются, чтобы в нижнем
зеркальце (поставленном наклонно)
изображение белого кружка с совпало
с центром белого кольца d (рис. 148).
Выполнение этого условия соответствует
правильной установке гальванометра.
Если подвесная система гальванометра не приходит в движе-
ние, то это указывает, что подвижная рамка зацепилась за полюс-
ные наконечники; для освобождения её обычно бывает достаточно
нескольких лёгких постукиваний пальцем. По миновании надобно-
сти гальванометр следует всегда арретировать. Об устройстве ос-
ветителя см. § 8, 8.
В нижеследующей таблице приведены данные гальванометров,
выпускавшихся в продажу Ленинградским физическим институ-
том. Буквенные обозначения соответствуют: 3 — зеркальный;
ЗБ — зеркальный баллистический; S,- - чувствительность к току;
S„ — чувствительность к напряжению; S» — чувствительность к
количеству протекающего электричества (в кулонах).
5. Зеркальный гальванометр «Фи» системы Улитовского. Ха-
рактерной особенностью гальванометра типа «Фи» является то,
что прибор не требует установки по уровню или отвесу, так как
является самонивелирующимся (рис. 121). Мастерские АНИИ
86
Гал-нанометры Ленинградского физического института
— Чувствительность (отклонение 1 л<Л1 на шкале, помещённой Сопротивление 1
на расстоянии 1 м)
Гии RBH гальвано- метра около К кр критиче- ское около периода в секундах около
si 10“ Эа ОКОЛО ю“6в около ю 8» около
3-1 10 0,6 30 30 2,5
3-11 7 0,9 — 50 80 2,5
3-111 5 1,7 — 100 250 2,5
3-1V 3 1,7 — 250 300 3,0
3-V 1,5 2,5 — 500 1 200 3,0
3-V1 0,8 4,8 — I 000 5 000 3,5
3-VII 0,5 9,0 — 3 000 15 000 3,5
ЗБ-П1 5 3 100 100 7,0
ЗБ-V 1,5 — 0,9 500 500 7,0
ЗБ-VI 0,8 — 1 1 000 200 10,0
ЗБ-VI 1 0,5 — 0,4 3 000 3 500 10,0
Главсевморпути выпускали эти гальванометры со следующими
данными:
Тип Постоянные к теку 1°-хЮ“9а Чувствитель- ность к току Si Сопротивление прибора в омах ьн Сопротивление критическое (\р)
1 10—5 100—200 50—70 50—150
I) 4—2,5 250—400 , 130—250 200—500
111 2,2—1,7 450—600 ’ 450—600 600—1500
IV 1,4—1 700—1000 600—1000 2000—3000
На рисунке 149 показано устройство гальванометра «Фи».
Для ознакомления с устройством и обращением с прибором надо
руководствоваться следующими указаниями инструкции:
Гальванометр представляет собой трубку-кожух 1, внутри ко-
торой заключена магнитоэлектрическая система, смонтированная
на изоляционном основании 2, к которому прикреплена стойка 4 с
ярмом 5 и магнитом 6. Рамка 7 подвешена на нити 8, которая при-
паяна к корректору 3. Измеряемый ток подводится к рамке 7 че-
рез нить подвеса 8 и спираль 9, припаянную к отводу 32. Через
проводники 33 отвод и нить подвеса соединяются с наружными
зажимами 14, служащими для подключения в измеряемую цепь. В
основании 2 установлена петля карданного подвеса 12 с противо-
весом 34, сверху на основании посажено защитное колесо <35. Пет-
ля кардана подвешивается на крючок 30, смонтированный на верх-
ней крышке, где имеется зажим 15 для подвешивания гальваномет-
87
Рис. 149. Устройство гальванометра типа «Фи» системы Улитовского.
ра на штырь 16. При работе гальванометра основание с корпусом
свободно висит на карданном подвесе. Снизу к рамке на -держате-
ле 36 жёстко укреплено сферическое зеркало 10. Перед зеркалом В'
корпусе гальванометра имеется окно, закрытое защитным плоско-
параллельным стеклом.
Кнопка арретира 31 смонтирована на задней стенке кожуха че-
рез скользящую пластину 37. При работе прибора кнопка аррети-
ра 31 должна находиться в нижнем положении.
Осветитель прибора состоит из двух шарнирно соединённых
трубок, штанги с патроном и выносной вилки с плоским зеркалом.
Трубка 38 имеет верхнее отверстие А для подвески осветителя на
штырь 16, на который затем вешается гальванометр, и нижнее
отверстие Б для жёсткого крепления осветителя к стене шурупом.
Плоский шарнир позволяет менять угол наклона трубки 29 по от-
ношению неподвижной трубки. В трубку 29 вставлен плотно (на
грении) стержень 24 с угольником 40 и хомутом 27, в который за-
крепляется корпус патрона 25. В хомуте имеется скрепляющий
винт 20, к которому подключается под гайку 28 один из проводов,
питающий лампочку, а второй провод подключается к зажиму 21
в основание патрона 25. В основание трубки 39 вставляется вы-
носная вилка 41 с качающейся дужкой 23, в которой укреплено
плоское зеркало 19. Дужка 23 и кнопка 22 позволяют поворачи-
вать зеркало 19 в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
Шкала для отсчётов показаний прибора выполнена на бумажной
ленте 17. Деления шкалы нанесены в миллиметрах через один
миллиметр на шкале 250—0—250 и покрыты защитным слоем бес-
цветного лака. Концы шкалы заправлены в валики шкалодержате-
лей 42. Шкала прижимается к валикам пружинами 43 и при вра-
щении от руки за гайку 44 натягивается между кронштейнами, ко-
торые при помощи гаек 45 могут быть установлены под любым
углом к степе. Шкалодержатели крепятся к стене шурупами.
Крышка 13 с прибора не снимается, а только освобождается
при подготовке прибора к работе от свободной посадки на основа-
ние 2, таким образом прибор будет находиться в подвешенном со-
стоянии на крючке крышки.
Для установки прибора необходимо: в степу вбить штырь 16,
на него через верхнее отверстие А надеть верхнюю трубку освети-
теля 38, через нижнее отверстие Б осветитель неподвижно при-
крепляется шурупом к стене в вертикальном положении.
Качка осветителя недопустима.
К патрону осветителя 25 подключается через зажимы 28 и 21
напряжение 2,5—3,5 в для питания лампочки от карманного фо-
наря с S-образной нитью. Яркость световой отметки (зайчика) на
шкале достаточна для работы при дневном освещении. Шкала на-
тягивается* на кронштейнах шкалодержателей 42, укреплённых
шурупами на стене под прибором, на расстоянии 1 м от зеркала ос-
ветителя 19. Кронштейны шкалодержателя 42 должны быть распо-
ложены между собой на расстоянии около 600—650 мм, примерно
•посередине относительно оси прибора. После закрепления шкалой
держателей кронштейны 42 с натянутой шкалой 17 установить пода
углом примерно 45° по отношению к стене. Перед подвеской галь-*’
«ванометра следует осторожно освободить крышку 16 от основания
2 так, чтобы прибор свободно висел на карданном подвесе 12. Пос-
ле этого гальванометр средним зажимом крышки 15 подвешивает-
ся на штырь 16. Гальванометр должен висеть свободно, не касаясь
деталей осветителя. После того как подвешенный гальванометр
успокоится от качки, необходимо проверить положение сфериче-
ского зеркала 10 относительно окна гальванометра 11. В случае
необходимости добиваются нужного положения зеркала 10 поворо-
том корректора 3 в ту или другую сторону.
Осторожно протерев от пыли мягкой ваткой плоское зерка-
ло 19, вставить в осветитель выносную вилку 41. Зеркало освети-
теля 19 на его шарнирных сочленениях надлежит установить па-
раллельно окну гальванометра И с наклоном вниз под углом око-
ло 45°. Патрон 25 с лампочкой осветителя повернуть на угольнике
так, чтобы луч света от лампочки вышел на середину плоского зер-
кала осветителя 19 и, следовательно, сферического зеркала 10
гальванометра.
Незначительно меняя положение зеркала осветителя 19 в на-
клонной плоскости, вывести световую отметку (зайчика) на шка-
лу 17 отсчётов, фокусировка зайчика достигается передвижением
стержня 24 с патроном и лампочкой вверх или вниз относительно
подвижной трубки 29 осветителя. Световая отметка (зайчик)
должна быть параллельна делениям шкалы; если этого нет, то
следует несколько повернуть патрон лампочки 25 в ту или дру-
гую сторону относительно хомута 27.
Поворотом нижней трубки осветителя 29 вправо или влево от-
носительно его вертикального положения добиваются установки
световой отметки зайчика на нулевое деление шкалы. Без надоб-
ности пользоваться для установки зайчика на нуль корректором <3
гальванометра нежелательно. Для точной установки зайчика
на нуль можно пользоваться валиками шкалодержателя, враще-
ние которых в ту или другую сторону обеспечит необходимое точ-
ное совпадение световой отметки с нулём.
После включения в схему проверить правильность перемещения
световой отметки вдоль шкалы. Устранение косого (диагонально-
го) перемещения световой отметки по шкале достигается поворо-
том зеркала осветителя вокруг оси кнопкой 22.
После неоднократной проверки возвращения световой отметки
зайчика на нулевое деление шкалы (устойчивость нуля) прибором
можно пользоваться для работы.
6. Зеркальные гальванометры с открытым механизмом. Гальва
нометры подобной конструкции выпускались Вятской фабрикой
учебных и наглядных пособий (рис. 150). Огромное методическое
достоинство их заключалось в том, что они легко могли служить
для объяснения устройства и действия зеркальных гальванометров.
«О
Модель подобного гальванометра нетрудно создать своими силами,
воспользовавшись U-образным магнитом. Для устройства сердеч-
ника В (рис. 151) катушки можно взять железный цилиндр из на-
бора тел одинакового объёма, имеющегося в каждой школе. Этот
цилиндр необходимо укоротить примерно па Уз и обязательно под-
вергнуть отжигу с последующим возможно длительным остыва-
Рис. 150. Гальванометр с
открытым механизмом.
нием (рис. 151 —152, В). Для полюсных наконечников возможно
использовать кусок отожжённой газовой или водопроводной
трубы, разрезанной по образующей на две части (рнс. 151,—
152, С). Катушку следует намотать в два слоя проводом толщи-
ной 0.008 мм на каркас А из тонкого картона или из жести и
укрепить на ней зеркальце Z или стрелку. Для подвешивания ка-
тушки может быть использована медная проволока D толщиной
0,05 мм (рис. 150). Из этой же проволоки делается спираль Р
(рис. 150). Для устройства корректора возможно применить
штепсельное гнездо со вставленным в него штепселем
(рис. 151—152, D) или клемму, припаяв к её головке винтовой
•стержень и укрепив на деревянной планке её дисковую шайбу
(рис. 151 — 152, Е).
§ 10. Вольтметры и амперметры
1. Обозначения систем приборов. Вольтметры и амперметры
бывают различных систем согласно изложенному в § 6, 3. В после-
дующем изложении приняты следующие буквенные обозначения
систем:
М — магнито-электрическая система с подвижной катушкой;
91
3
Э — электромагнитная система с подвижным мягким железом;
Т — тепловая система с удлиняющимся от нагревания провод-
ником;
С — электростатическая система с подвижным проводником,,
смещающимся под действием «кулоновых сил».
Вторые буквы, стоящие после первых, обозначающих систему
прибора, характеризуют в последующем изложении размер при-
бора:
Н — нормальный (d = 225 мм);
М — малый (d = 185 мм)',
У — уменьшенный (d = 135 мм);
Л — «лилипут».
Буква П указывает, что прибор оформлен в деревянном или
пластмассовом корпусе в виде
переносного для измерений в
лаборатории.
Приборы для стационарных
установок снабжаются круг-
лыми железными или прямо-
угол ьными пл астм ассо вы мн
корпусами (рис. 166).
2. Значение сопротивления
вольт- и амперметров. Общие
требования, предъявляемые к
измерительным приборам, за-
ключаются в том, чтобы прибо-
ры при своём включении оказы-
вали наименьшее влияние на
изменение силы тока и распре-
деления потенциала в цепи, а
также потребляли наименьшее
количество энергии. Из этого
положения следует, что идеаль-
ными являлись бы вольтметр с
бесконечно большим и ампер-
метр с бесконечно малым сопротивлениями. Так как это практиче-
ски неосуществимо (за исключением электростатических вольт-
метров С), то в высококачественных вольтметрах сопротивление
на каждый вольт достигает до 150—250 ом, что, например, для
шкалы в 120 в соответствует сопротивлению 18 000—30 000 ом.
Сопротивление технических приборов, применяемых для мон-
тажа на распределительных щитах, бывает обычно 50- 60 ом на
каждый вольт.
При весьма точных измерениях даже с лучшими приборами
класса 0,2 и 0,5 принимают во внимание их сопротивления. Высо-
кокачественные амперметры обладают сопротивлением порядка
сотых и десятых долей ома и, в частности, снабжаются для вклю-
чения в цепь массивными клеммами.
Рис. 153. Схема измерения сопро-
тивления:
1 — с погрешностью на проводимость
вольтметра и II — с погрешностью
на сопротивление амперметра.
Если, например, измерять величину сопротивления R по схе-
мам, показанным на рисунке 153, то результаты получатся раз-
личными. Действительно, в одном случае (рис. 153, I) измерение
производится с погрешностью на проводимость вольтметра и во
втором (рис. 153, II) —с погрешностью на сопротивление ампер-
метра.
Простые соображения показывают, что при учёте поправок на
сопротивление вольтметра и амперметра действительные величи-
ны измеряемого сопротивления будут соответственно:
R^U-.f__________]
г I । _ и I (рис. 153,1)
\ R,J /
/ Ra\
R = R" р — j , (рис. 153, II)
где R" - суммарное сопротивление, вычисляемое по формуле:
Отсюда следует, что если игнорировать поправки на сопротив-
ление приборов, то для измерения малых сопротивлений наиболее
национально пользоваться схемой рисунка 153,1, а для измерения
больших — схемой рисунка 153, II.
При измерениях не столь точных можно полагать сопротивле-
ние амперметров этих классов равным пулю, а сопротивление та-
ких же вольтметров — равным бесконечности.
В приборах технических (класс 1,5 или 2,5), даже при доста-
точно грубых измерениях, сопротивления приборов дают себя
знать. Это необходимо твёрдо помнить преподавателю.
В особенности много неприятностей это обстоятельство может
доставить при демонстрации закона Ома. Приборы с неподходя-
щим сопротивлением (амперметры с не очень малым, а вольтмет-
ры с не очень большим) всегда будут давать показания, несоот-
ветствующие .закону Ома.
3. Способы включения вольтметров и амперметров в цепь.
Вольтметр всегда присоединяется к тем точкам цепи, между кото-
рыми хотят измерить разность потенциалов или напряжение. В
случаях, изображённых на рисунке 154, I, вольтметры служат для
измерений напряжения: Vt — на полюсах генератора, V2 — меж-
ду точками А и В цепи, Vs — на клеммах приёмника С и У4 — на
клеммах реостата R. Амперметр включают в цепь последовательно
с тем приёмником или группой приёмников, у которых хотят изме-
рить силу текущего через них тока (рис. 154, II). Амперметры в
отличие от вольтметров обладают малым сопротивлением, почему
93
включение их параллельно генератору или приёмнику вызывает
короткое замыкание. Включать амперметр в цепь следует доста-
точно толстыми проводами, зорко следя за тем, чтобы все кон-
такты были надёжны.
В случае, изображённом на рисунке 154, II, амперметры служат
для измерения: /к — силы в главном проводнике (магистрали).
Д2 и А3 — в ответвлениях А и В.
4. Вольтметры реагирующие на ток и напряжение. Всякий
обычный вольтметр представляет собой миллиамперметр (гальва-
Рис. 154. I. Схема включения вольт- Рис. 154. II. Схема включения ампер-
метров в цепь. метров в цепь.
нометр), реагирующий на силу текущего через него тока. Так как
при постоянном сопротивлении прибора падение напряжения в
последнем прямо пропорционально силе тока, то шкалу можно
проградуировать в вольтах. Вольтметры, называемые электроста-
тическими (рис. 188), реагируют исключительно на напряжение
(разность потенциалов), а не на ток. Но такие вольтметры не мо-
гут служить для измерений напряжений менее нескольких десятков
вольт, поэтому область применения их крайне ограничена. В иных
же случаях они незаменимы, так как при отсутствии утечек не по-
требляют электрической энергии, за исключением ничтожной энер-
гии на зарядку прибора в момент включения. Поэтому их, напри-
мер, применяют для измерения разности потенциалов заряжён-
ных конденсаторов (не очень малой ёмкости) и т. п.
Статические вольтметры употребляются также для измерений,
высоких напряжений от 500—1000 в до 15 000 в.
5. Изменение чувствительности вольтметра. Так как обычный
вольтметр представляет собой чувствительный миллиамперметр G
с последовательно соединённым с ним добавочным сопротивлением
R, то, изменяя величину этого сопротивления на другое, можно-
использовать прибор для измерения различных номинальных на-
пряжений (рис. 155—157). У большинства приборов добавочное
сопротивление делается постоянным, не приспособлено для за-
мены и заделывается в корпус прибора.
94
Для изменения чувствительности вольтметра можно, разобрав
его, удалив добавочную катушку и определив сопротивление и чув-
I
Рис. 156. Сопротивления для вольтметров.
ствительность гальванометра, рассчитать новую катушку добавоч-
ного сопротивления для нужных
же достигнуть и не разбирая
прибора.
1) Вольтметр с равномер-
ной шкалой приключают к
источнику тока с напряжением
И1, близким к пределу показа-
ний вольтметра. Делают отсчёт.
Включают в цепь последова-
тельно реостат /?] (лучше всего
магазин сопротивлений) и под-
бирают в нём такое сопротив-
ление, чтобы новое показание
того же вольтметра было:
(7 = —-
2 к ’
пределов измерения. Можно того
Рис. 157. Схема вольтметра с несколь-
кими сопротивлениями.
где к — выбранное нами (лучше целое) число (см. ниже).
2) В случае вольтметра с неравномерной шкалой такой приём
обычно не даёт хороших результатов, так как второй отсчёт попа-
дает на такое место шкалы, где самый отсчёт очень затруднён.
95
В этом случае Один раз вольтметр приключают к источнику ток<
с напряжением U^ показание вольтметра будет тоже Ui. Друго?
раз приключают вольтметр с последовательно с ним включённым
магазином сопротивления к источнику тока с напряжением U2 =
~к - Ui и подбором сопротивления достигаем того, чтобы вольт-
метр давал показание Ui.
Тогда величина переводного множителя будет равна
Рис. 158. Устройство измерительного трансформатора
напряжения.
На эту величину к (в рассматриваемом случае целое число или
неправильную дробь) следует умножить показание вольтметра с
добавочным сопротивлением, чтобы получить результат в воль-
тах. Величину к для упрощения вычислений подбирают такой, что-
бы множитель являлся простым целым числом (10, 2 или 5). Так
как величина сопротивления вольтметра достигает порядка тысяч
или десятков тысяч омов, то добавочное сопротивление прихо-
дится брать таким же большим, что не всегда возможно (такое со-
противление требует много проволоки с большим удельным сопро-
тивлением). Добавочные сопротивления в простейших случаях
96
можно наматывать (бифиляром) на небольшие катушки (рис. 156)
так, как это описано в § 13, 4. В качестве временных добавочных
сопротивлений удобно пользоваться магазинами (рис. 223).
Существуют приборы с несколькими клеммами 1, 2, 3 (с не-
сколькими добавочными сопротивлениями /?i, R>, /?3) для различ-
ных номинальных значений на-
пряжения, построенных по схе-
ме рисунка 157. Общая клем-
ма обозначена +; при включе-
нии другого проводника от
измерительной цепи к клеммам
1, 2, 3 вся шкала вольтметра
будет соответствовать числам,
написанным у этих клемм.
Например, шкала вольтмет-
ра содержит 150 делений, а у
клеммы написано: «3 вольта»—
тогда каждое мелкое деление
вольтметра будет соответство-
вать — = 0,02 8.
150
Рис. 159. Схема включения вольт-
метра через трансформатор напряже-
ния.
Для измерения высоких на-
пряжений переменного тока не-
редко пользуются обыкновен-
ными вольтметрами Э или Т,
включаемыми через специаль-
ный измерительный трансформатор напряжения (рис. 158 и 159).
Первичная обмотка 7\ такого трансформатора включается парал-
лельно к тем точкам А и В цепи, между которыми нужно изме-
рить разность потенциалов (рис. 159). Вторичная обмотка Т.,
обычно с меньшим числом витков присоединяется к клеммам
прибора. Если трансформатор имеет коэффициент трансформа-
ции к, т. е. уменьшает напряжение в к раз, то показания вольт-
метра будут в к раз больше обозначенных на шкале. Таким
образом, включив в цепь освещения звонковый трансформатор
(к = 40—15), для измерения напряжений до 120 в можно поль-
зоваться прибором с номинальным значением 3—8 8.
6. Изменение чувствительности амперметра. Для изменения
чувствительности амперметра, т. е. использования одного и того
же прибора для измерений различных токов, употребляют шунты.
Теорию шунтов и способы их изготовления см. § 8, 6. Шунты S у
амперметров делаются или постоянными и заделываются в кор-
пус прибора (рис. 160), или сменными (рис. 140—142).
Изготовление шунтов представляет много более сложную за-
дачу, чем подбор дополнительных сопротивлений к вольтметрам;
однако эта задача разрешима для терпеливого и аккуратного учи-
теля.
F Физический эксперимент в школе
97
Существуют в продаже универсальные амперметры постоянно-
го тока, вернее миллиамперметры, с несколькими шунтами и
клеммами. Клемма с надписью включается к проводнику цепи,
соответствующему положительному полюсу генератора; для при-
Рис. 160. Шунт в техническом изме-
рительном приборе.
I боров, у которых нуль нахо-
, дится посередине, к клемме -|~
можно присоединить любой
проводник цепи. Другой про-
водник приключают к одной
из остальных клемм, в зависи-
мости от того, каким номиналь-
ным значением шкалы хотят
пользоваться.
Рис. 161. Миллиамперметр
М-61 (МЭ СССР) с наруж-
ным шунтом для установки
на распределительном щите.
При этом необходимо также поставить в соответствующее по-
ложение рукоятку переключателя, иногда имеющегося на приборе.
В приборах переменного тока для измерения сильных токов
амперметры включают через специальные измерительные транс-
форматоры тока (рис. 162—163). Первичная обработка такого
трансформатора состоит из одного или нескольких витков весьма
толстой проволоки или прямой шины 7\ и включается в цепь
последовательно с приёмником (рис. 164). Под действием пере-
менного магнитного поля обмотки Tt во вторичной обмогке Т.2, со-
стоящей из большого числа витков тонкой проволоки, возникает
некоторая электродвижущая сила, вызывающая ток через ампер-
метр А. Прибор градуируется так, что его показания соответст-
вуют силам тока, текущего через первичную обмотку.
Значительный интерес представляют собой щипцы Дитце, по-
зволяющие измерять силу тока в любом из проводов переменного
тока, не разрывая их (рис. 163). В этом приборе, представляющем
собой трансформатор тока, используются индуктивные действия
переменного магнитного поля, существующего вокруг провода.
9R
П и сближении рукояток В и С магнитопровод О разнимается на
•jue части, что позволяет охватить провод. После разведения ру-
Рие. 162. Измерительный трансформатор
тока.
Рис. 163. Щипцы Дитце и их устройство.
кояток магпитопровод смыкается и амперметр указывает силу
текущего тока.
Применение трансформаторов тока представляет для препода-
вателя более сложную задачу, чем использование трансформато-
ров напряжения. Кроме того, эта задача не имеет практического
7* с9
значения, поскольку в школьных условиях обычно НС приходите!
измерять ток порядка больше десятков ампер.
7. Магнитоэлектрические приборы. Магнитоэлектрические при
боры (с постоянным магнитом и вращающейся катушкой) упО'
требляются для измерений силы тока и напряжений исключи
Рис. 164. Схемы включения амперметра через измери-
тельный трансформатор тока.
Рис. 165 и 166. Приборы МП и ММ (магнитоэлектрические)
для распределительных щитов.
тельно постоянного тока (рис. 135 и 165—168). Принцип дейст-
вия этих приборов описан в § 9, 3.
Приборы типа МН и ММ предназначены для распределитель-
ных щитов, типа МП — для лабораторных измерений.
Главное достоинство приборов М заключается в том, что они
имеют одинаковые деления; следовательно, отсчёт в любом месте
100
Рис. 167. Шкалы приборов М (маг-
нитоэлектрических) .
Рис. 168. II. Переносный
вольтметр ЭП-1 (МЭ СССР)
сектромагнитной системы до
250 в.
Рис. 168, I. Вольтметр МП — пере- •
носный для лабораторных измерений
магнитоэлектрической системы с зер-
кальным отсчётом с различными пре-
делами измерений до 6 и 300 в.
101
В продаже имеются следующие типы приборов
Тип Наименование Диаметр в .«.и Длина шкалы в леи
МН (рис. 165) Магнитсэлсктрический нор- мальный 185 110
ММ (рис. 166) Магнитоэлектрический ма- лый 135 85
МП (рис. 168,1) Магнитоэлектрический пе- реносный Размер ящика 187X187X100 100
рабочей части шкалы может быть сделан с одинаковой степенью
точности (рис. 167). Рабочая часть шкалы находится в пределах
10—100о/о номинального значе-
ния. Приборы МП имеются в
продаже с обыкновенными и
зеркальными шкалами. Для ус-
тановки на нуль приборы снаб-
жены на лицевой стороне кор-
ректором, головку которого по-
ворачивают с помощью отвёрт-
ки. Предел погрешности прибо-
ров М при нормальной темпера-
Рис 169. Прибор (электромагнит Рис. 170. Универсальный прибор (мил-
ныи), смонтированный для дсмонст- лиамперметр постоянного тока, вольт-
раций и лабораторных работ на уг- метр постоянного и переменного тока и
ловой панели. омметр) тестер ТТ-1.
102
туре (+20°) не превышает 1°/0 от крайнего показания шкалы
при нормальном положении прибора. При изменении темпера-
туры погрешность возрастает на 2% на каждые 10° разницы.
При двусторонней шкале (нуль по середине) погрешность
бывает не выше 1% от арифметической суммы крайних показа-
ний по обе стороны от нуля. У приборов с взаимозаменяемыми
шунтами или добавочными сопротивлениями погрешность возра-
стает до 1,3%.
К вольтметрам и амперметрам изготавливаются по одному
или несколько взаимозаменяемых сопротивлений и шунтов, позво-
ляющих с одним прибором получать различные пределы изме-
рения.
Для удобства пользования приборы, предназначаемые для
распределительных щитов, следует смонтировать на угловых
панелях. Полезно также для показания устройства механизмов
вырезать часть шкалы (рис. 169).
8. Магнитоэлектрические приборы с преобразователями. Тес-
тер ТТ-1. Электромагнитная, а тем более тепловая системы элек-
троизмерительных приборов, применяемые для измерения силы
и напряжения для переменных токов, дают много менее точные
результаты, чем магнитоэлектрическая система, которая, однако,
пригодна лишь для постоянного тока. В настоящее время про-
мышленностью изготавливается ряд приборов магнитоэлектриче-
ской системы, внутри корпуса которых вмонтированы (рис. 170
и 171) или прилагаются (рис. 172) выпрямители (купроксные
или селеновые — см. т. V), выпрямляющие переменный ток, или
термоэлементы, или термобатареи (§ 31), преобразовывающие
переменный ток в постоянный. Этот постоянный ток, воздействуя
на подвижную катушку магнитоэлектрического прибора, позво-
ляет измерять силу и напряжение переменного тока с большей
степенью точности, чем это может быть сделано приборами других
систем. Так, приборы детекторные (с выпрямителями) соответ-
ствуют классу точности 1,5, а термоэлектрические — классу 1,0 и
даже 0,5.
Применение выпрямителей и термопресбразоватслей представ-
ляется особо важным для измерения слабых токов и малых на-
пряжений переменного тока.
Существуют приборы, которые при соответствующих включе-
ниях могут служить для измерений как постоянного, так и пере-
менного (различной частоты) тока. Для преподавателя следует
рекомендовать один из таких универсальных приборов, который
окажет ему неоценимую помощь при проверке других электроиз-
мерительных приборов в кабинете при измерении сопротивлений
и особенно при работах и налаживании радиосхем. Такие прибо-
ры выпускались Министерством авиационной промышленности
под названием тестер ТТ-1 и других марок. Па рисунках 170—
171 показаны внешний в,ид и принципиальная схема тестера
103
Тестер позволяет производить измерения:
1) силы постоянного тока, причем шкалы соответствуют:
„2 ма, 1 лга, 5 ма, 20 ма, 100 ма и 500 ма (погрешность ±3%
Максимального значения шкалы);
2) напряжения как постоянного, так и переменного тока —
10 е. 50 в, 200 в, и 1000 в (погрешности от максимального значе-
ния 'шкалы для постоянного тока + 3% и для переменного тока
j- 4«/«);
3) сопротивлений от 2000 до
2 000 000 ом, пользуясь множите-
лями: 1, 10, 100 и 1000 (погреш-
ность ± 10«/о от измеряемой ве-
личины) .
На монтажной панели тестера
смонтированы два магазина про-
волочных сопротивлений и два ма-
газина с панелями непроволочных
сопротивлений, соединённых со-
гласно принципиальной схеме
(рис. 171) с чувствительным из-
мерителем — точным микроам-
перметром С, источником пита-
ния Е (4 элемента), переключа-
телем S и реостатом установки
нуля шкалы омметра. Непрово-
лочные сопротивления, использу-
емые при измерениях напряже-
ний переменного тока, соединяют-
ся с микроамперметром через
кчпрокспые выпрямители К
ВКВ-5-1.
Штсккерные гнёзда магазинов
сопротивлений выведены в соот-
ветствующие отверстия лицевой
панели, па которую также выведе-
ны оси переключателя и реостата
установки нуля шкалы омметра.
На лицевой панели нанесены
необходимые надписи, облегчаю-
щие эксплуатацию тестера. Спе-
циальное окно в лицевой пане-
ли позволяет наблюдать ци-
ферблат прибора при измерениях
(рис. 170). К тестеру прилагает-
ся инструкция, объясняющая ис-
пользование его для измерений.
Рис. 172. Амперметр с
наружным термопреобразовате-
лем (МЭ СССР).
Прибор, подобный тестеру
ТТ-1, выпускается Главучтехпро-
мом под названием авометра.
105
9. Электромагнитные приборы. Электромагнитные приборы
универсальны, так как пригодны для измерений силы тока
и напряжения как постоянного, так и переменного тока (низкой
'частоты).
Однако по чувствительности они весьма сильно уступают
магнитоэлектрической системе, соответствуя в большинстве слу-
чаев классу точности 2,5 и только наиболее совершенные из них
имеют класс 1,5 или как исключение 1,0.
Существует несколько типов приборов Э, отличающихся друг
от друга принципом своего действия. Опишем один из наиболее
распространённых типов электромагнитных приборов: плоская
катушка А, с узкой щелью внутри, имеет обмотку из изолирован-
ного проводника (рис. 173 и 174). У амперметров катушка А
обматывается толстым проводом, медной лентой или для прибо-
ров более 200 а состоит из одного витка, сделанного из медной
шины. У вольтметра катушка наматывается из большого числа
тонкой проволоки. Около катушки помещена ось О, па которой
укреплены пластинки В из мягкого железа и стрелка. Пластин-
ка В насажена на ось эксцентрично. Вращению оси препятствует
впиральная пружина М, устанавливающая ось со стрелкой в
положении соответствующем нулю шкалы. При прохождении
через обмотку Л тока пластинка В в зависимости от его силы
втягивается в той или иной степени в щель катушки. Пластинка
или кружок D служат демпфером.
Другой вид приборов Э с круглой катушкой показан на ри-
сунке 175. У таких приборов внутри катушки А, по которой про-
пускается ток, помещена закреплённая неподвижно железная
пластинка В. Другая пластинка С тоже из мягкого железа укреп-
лена на вращающейся оси. Вращению оси препятствует спираль-
ная пружинка М, устанавливающая стрелку в пулевое положение.
При прохождении тока по катушке эти пластинки, С и В, намаг-
ничиваются одноимённо и отталкиваются друг от друга, вызывая
поворот оси со стрелкой на тот или иной угол, в зависимости
от силы текущего тока.
Приборы Э содержат специальное устройство — успокоители
(демпферы), служащие для увеличения затухания колебаний
вращающегося механизма, а следовательно, и стрелки. Успокои-
тели состоят из трубки D круглого или прямоугольного сечения
(рис. 173 и 175), внутри которой перемещается круглый поршень,
пластинка или коробочка Е, связанные с осью вращения.
Все приборы Э снабжены корректором К (рис. 174), распо-
ложенным на лицевой стороне прибора и служащим в случае
надобности для установки стрелки па пуль. Приборы Э могут
быть включаемы в цепь непосредственно или через специальные
трансформаторы тока.
Приборы Э градуируются для постоянного или переменного
тока, что и отмечается на шкале соответствующим знаком. Име-
106
Рис. 175. Устройство прибора электромаг-
нитной системы с круглой катушкой.
В продаже приборы Э имеются следующих типов.
Тип । Наименование 1 Диаметр в мм Длина шкалы в мм
ЭН 1 । Электромагнитный нор- мальный 185 100
эм ! Электромагнитный малый 135 70
эп j Электромагнитный перенос- ный Размер ящика 187X187X100 100
ются также
приборы, проградуированные и для постоянного, и для
изменениях дают значительную
переменного тока, но они при
Шкалы электромаг-
погрешность.
Рис. 176. Шкала прибора Эс
неравномерными делениями.
нитных приборов имеют неравно-
мерные деления (рис. 176—179).
Поэтому приборы Э следует упо-
треблять только для измерений
переметного тока; для постоянно-
го же тока, безусловно, нужно
предпочесть магнитоэлектрические
приборы (с катушкой Депре),
имеющие на шкале равномерные
деления (рис. 165—168).
Приборы Э имеет смысл при-
обретать главным образом . для
устройства распределительных
щитов. Однако амперметр (10 а)
и вольтметр (120 s), смонтиро-
ванные на угловых панелях, ока-
жутся полезными для некоторых измерений на демоистрацион
ном столе (рис. 169).
10. Электромагнитные приборы завода «Конструктор». В на-
стоящее время Главучтехпромом для лабораторных работ выпу-
скаются сравнительно дешёвые и портативные приборы завода
«Конструктор» (рис. 177 и 178): вольтметр со шкалой до 8 в
и амперметр до 3 а с делениями до десятых долей. Эти приборы
электромагнитной системы со втягивающимся железным сердеч-
ником С. Сердечник С, имеющий форму, напоминающую букву S,
укреплён на одной оси со стрелкой. В положение, соответствую-
щем нулевому делению шкалы (стрелки), сердечник устанавли-
вается благодаря постоянному стальному магниту NS. Таким
образом постоянное магнитное поле будет противодействовать
отклонению (повороту) сердечника от этого положения. При про-
пускании через катушки А и В тока сердечник втягивается внутрь
тем больше, чем сильнее текущий в них ток.
При пользовании приборами важно, чтобы вблизи них не на-
108
годилось сильных магнитов, так как в противном случае послед-
ние станут .изменять величину поля постоянного магнита, что
приведёт к искажению показаний приборов. Точно так же при
пользовании одновременно амперметром и вольтметром нельзя
Рис. 177. Приборы Э для лабораторных работ завода «Конструктор»,
помещать их ближе 5 см друг
от друга.
Крупный недостаток при-
боров заключается в том, что
постоянные магниты у них с
течением времени несколько
размагничиваются и прибо-
ры начинают давать невер-
ные показания. При хране-
нии приборов следует обра-
щать внимание на то, чтобы
вблизи них не находилось
магнитов.
11. Тепловые приборы.
Тепловая система (§ 6, 3)
обладает рядом существен-
ных недостатков, из которых
наиболее крупными являют-
ся: 1) низкая точность, соот-
Рис. 178. Устройство приборов Э за-
вода «Конструктор».
ветствующая в лучшем случае классу 1,5, 2) большое собственное
потребление энергии (для вольтметров ток порядка 0,1—0,25 а,
для амперметров падение напряжения 0,2—0,5 в при 5 а);
3) тепловая инерция, т. е. сравнительно медленная реакция при-
бора на изменения величины тока и др. Однако в школьных
условиях тепловые приборы весьма полезны для демонстрации
1G9
простого принципа устройства, который изучается уже в VI
классе (рис. 179). Самое же важное, что тепловые приборы не
заменимы для измерения силы тока высокой частоты. Имез
один-два тепловых амперметра, мощно показать ряд очен]
важных опытов из радиотехники (см. т. V).
Рис. 179. Упрощённое устройство при-
боров тепловой системы.
Рис. 180. Устройство приборов тепловой системы (Т).
Принцип действия, основанный на удлинении нити ab, нагре-
ваемой током, достаточно хорошо известен из курса физики и
ясен из рисунка 179. Действительное изображение механизма
приборов Т показано на рисунке 180.
Ток, поступающий по проводнику А, течёт но пружине Ла
и далее через гонкий проводник ab в провод В. Проводник ab
НО
рИ этом расширяется от нагревания и несколько освобождает
оТ натяжения провод се\ последний в свою очередь в точке f оття-
гцвается в сторону плоской пружины Р посредством провода if.
рак как провод if перекинут через ролик (блок) К, то скреплённая
с ним стрелка поворачивается на тот или иной угол в зависи-
мости от степени расширения провода ab и, следовательно, вели-
чины текущего в нём тока. Провод al служит для изменения на-
тяжения проводника ab и, в частности, для приведения стрелки
на нуль. Компенсатором влияния внешней температуры является'
биметаллическая полоска Р.
Приборы Т, выпускаемые промышленностью, предназначены
главным образом для измерения силы тока высокой частоты,
только некоторые из них (без трансформатора) пригодны также-
дпя постоянного тока и переменного низкой частоты.
Различные тины приборов имеют нижеследующие марки и размеры
Тип Наименование 1 1 Диаметр в мм J 1 Длина шкалы в .им
тн Тепловой нормальный . 185 | 120
ТМ Тепловой малый 135 । 85
ТУ Тепловой уменьшенный i 75 1 38
Приборы имеют неравномерные деления, • постепенно увели-
чивающиеся по направлению от
(рис. 181). Рабочая часть шкалы
находится в пределах от 30 до 100%
всего значения шкалы. Следует
иметь в виду, что показания при из-
мерениях высокой частоты верны
лишь для той волны или частоты,
которая указана на приборе. Прибо-
ры обычно градуируются на различ-
ные длины волн в пределах от 300
начала к концу шкалы
Рис. 182. Трансформатор
высокой частоты. В цепь
включаются клеммы ЛВ. к
прибору — клеммы ab.
Рис. 181. Шкала прибора тепловой системы.
до 3000 л. Погрешность для приборов TH и ТМ не превышает
4%, для ТУ— 10% для указанной на приборе частоты, и притом'
111.
1
только в рабочей части шкалы. Время успокоения стрелку
не более 5 сек. j
Приборы ТП и ТМ до 1 а пригодны для измерения постоян-
ного и переменного токов освещения и включаются в цепь непо*
средственно. Амперметры со шкалой, большей 1 а, могут слу-
жить только для измерения токов высокой частоты и включаются
в цепь через прилагаемые высокочастотные трансформаторы
(рис. 182).
Рис. 183 и 184. Электрометр Брауна и устройство его механизма.
12. Электростатические вольтметры.. Электростатический
вольтметр представляет собой прибор, весьма интересный для
физического кабинета. К сожалению, его весьма редко можно
увидеть в школе. В отличие от обычных вольтметров, являющихся,
в конце концов, не чем иным, как миллиамперметрами (с доба-
вочными сопротивлениями) со шкалой, проградуированной
в вольтах, электростатический вольтметр реагирует не на ток,
а на напряжение (разность потенциалов). Электростатическими
вольтметрами после соответствующей градуировки могут служить
обыкновенный электроскоп или электроскоп Брауна (рис. 183
и 184). Весьма ценен в методическом отношении демонстрацион-
ный вольтметр, в котором видно устройство его механизма
(рис. 185 и 186). Алюминиевая пластинка А (бисквит) или
несколько таких пластинок, напоминающих по своей форме вось-
мёрку, посажены на подвижную ось вместе со стрелкой, служа-
щей указателем. Три или более неподвижные пластинки В,
имеющие примерно такую же форму, укреплены на некотором
112
с?’';ём повортчиваипи может входить между ними, нс сбра-
з.;з.соединения. При соединении подвижных и неподвижных
;.:и!ис с полюсами источника напряжения между ними возни-
кает известный электростатический эффект, выражающийся во
взаимном притяжении. Втягиванию бисквита в. одних системах
-пибооов противодействует спиральная пружина, в других —
Рис. 185. Устройство механиз-
ма камерного электростатиче-
ского вольтметра.
186. Демонстрационный электростати-
ческий вольтметр.
сила тяжести. Благодаря этому стрелка отклоняется на опреде-
лённый угол в зависимости от разности потенциалов между пла-
стинками. Статические вольтметры могут служить для измерений
как постоянного, так и переменного напряжения. Более чувстви-
тельный механизм прибора С, чем описанный выше, показан
на рисунке 187. В этом механизме применена игольчатая опора С
взамен обычного укрепления оси. Магнит NS служит успокои-
телем для подвижной пластины А.
В электростатических вольтметрах МЭ СССР С-91 и др. при-
менён механизм особо высокой чувствительности, позволяющий
получить первый класс точности (рис. 188). Стрелка такого при-
бора проектируется на его шкалу (рис. 189).
Статические вольтметры для технических измерений вы-
пускаются (до 5000 в — для постоянного и переменного токов
и свыше 5000 о -только для переменного) под маркой С (ста-
g Фишчм'кпА эксперимент в шко^ 113
Рис. 188. Вольтметр электростати-
ческий С-91 (МЭ СССР) с тене-
вой стрелкой для переменного или
постоянного тока (класс точно-
сти 1, пределы измерений 150 в
или 300 в, пена деления соогве-
ствеино 2 в или 5 Ь).
150-3006
Рис. 189. Схема про-
екционного устройства
вольтметра С-91 с тене-
вой стрелкой.
I — зеркало, соединённое
с подвижной частью квад-
ратного электрометра; 2 —
объектив; 3 — проекционная
лампа 6 4 — коллектор
5 — стекло со стрелкой;
6 — зеркало.
тИческий) с цоколем диаметром в 225 мм. Так как в таких прибо-
рах противодействующей движению стрелки служит сила тяже-
сти, то прибор нуждается в вертикальной установке. Правильной
установке соответствует положение стрелки на нуле.
Рис. 190. Универсальный
прибор постоянного то-
ка для радиолюбителей
(внеклассовый) милли-
амперметр 20 ма, вольт-
метр 6 в, вольтметр +
+ 120 в.
Рис. 191. Миллиампер-
метр М-1 (МЭ СССР).
Класс точности 2,5.
Шкалы от 0—10 ма но
0—500 ма.
13. Электроизмерительные приборы разные. Кроме описан-
ных, в продаже встречается весьма значительное количество са-
мых разнообразных измерительных приборов, применяемых в ра-
Рис. 192. Миллиамперметр МК-55.
Рис. 193. Вольтметр МК-55.
диолюбительской практике, на автомобилях, самолётах и т. п.
Описывать эти типы нет ни возможности, ни надобности. Неко-
торые из этих наиболее подходящих для школы приборов показа-
ны на рисунках 190—198.
8
из
14. Градуирование амперметра при по.моши 1Ю.аьтметр{
(см. 36, 2 —3).
15. Проверка (градуировка)“"амперметра, i) 11ронерясмып ампер-
метр. 2) Образцовый (точны!!) амперметр. 3) Реостат с ио.тзу.чом. 4) Два-трр
аккумулятора пли Отемента.
Рис. 194. Вольтметр М-63
(миниатюрный D-40 мм)
(МЭ СССР).
Шкала 3 в с пеной деления до
0,2 в. Предел 300 в, с ценой
деления 20 в.
Рис. 195.
Амперметр ИМ 70.
В школьных условиях чаще всего приходится проверять изме-
рительные приборы, чем вновь их градуировать. Как в том, так
и в другом случае необходимо иметь амперметр, за верность
Рис. 196. Миллиамперметр ИМ 70.
Рис. 197. Микроамперметр М-592.
показаний которого можно ручаться. Если такой прибор отсут-
ствует, то проверка теряет своп смысл.
Для градуировки или проверки составляется цепь, подоб-
,1И изображённой на рисунке 199, из проверяемого амперметра
f образцового амперметра А2, реостата г и источника тока.
Сравниваемые между собой амперметры должны иметь приблизи-
тельно одинаковые пределы шкалы. Наконец, образцовый прибор
случае постоянного тока желательно иметь с равномерной шка-
тон, т. е. магнитоэлектрической системы. В случае если шкала
v проверяемого амперметра отсутствует или сильно испорчена,
-f(i чертят шкалу па бумажной полоске с одинаковыми по вели-
чине и возможно более мелкими делениями и наклеивают её на
прибор. При черчении следует обратить особое внимание на оди-
наковость делений п выполнить чертёж тонкими линиями.
Рис. 193. Микроамперметр М-49.
Рис. 199. Схема цени для
проверки амперметра по об-
разцовому прибору.
У меньшая постепенно сопротивление реостата, делают отсчё-
ты по тому и другому приборам и записывают их. При этом
сопротивления реостата подбирают для каждой пары отсчётов
такие, чтобы отсчёт по образцовому амперметру7 соответствовал
целому числу делений. Отсчёт по проверяемому амперметру
делается с точностью до десятых долей деления. В случае если
необходимо сохранить шкалу проверяемого амперметра без
изменений, строят на основании полученных результатов попра-
вочную кривую, откладывая на оси абсцисс показания образцо-
вого и по оси ординат проверяемого амперметров или отклады-
вая на оси ординат показания испытуемого амперметра и па оси
абсцисс величину поправки 1 (рис. 200). Проверку производят два
раза: от нуля до максимума и в обратном порядке, т. е. от макси-
мума до пуля.
При градуировке электромагнитных приборов со втягиваю-
щимся сердечником нередко оказывается, что прибор для одной
и той же силы тока даёт различное отклонение стрелки в зави-
симости от направления тока. Такое явление объясняется пло-
> Поправка есть погрешность с обратным знаком.
хим качеством железа сердечника, сохраняющим магнитньй
свойства после намагничивания током (остаточный магнетизм^
Единственный выход для получения хотя бы приближение
верных показаний — это включение прибора при всех работад
так, чтобы ток протекал в нём всегда в каком-нибудь одно»
определённом направлении. Для этого одну из его клемм поме*
чают знаком + или — и присоединяют всегда в цепь соответ-
ствующим образом.
Подобным же образом производится градуировка и проверк^
200. Образец кривой поправок
Рис. 201. Схема простейшей цепи
для проверки вольтметра.
электромагнитных и тепловых амперметров на переменном токе
(рис. 199). Ток берётся от сети освещения; кроме реостата с пол-
зуном г, необходимо также включить ламповый реостат R. Осо-
бенно удобно, если проволочный реостат имеет сопротивление,
равное (или большее) сопротивлению одной лампы. Тогда при
помощи обоих реостатов можно получить в цепи любое значе-
ние тока: именно, ввёртывание каждой лампы увеличивает ток
скачком на некоторую величину, перемещение же ползуна про-
волочного реостата изменяет ток в пределах этой величины
«скачка».
16. Проверка (градуирование) вольтметра. 1) Проверяемый вольт-
метр. 2) Образцовый вольтметр. 3) Пять-десять ламп одинаковой мощности
с патронами. 4) Реостат с ползуном. 5) Сеть освещения.
Для проверки или градуировки вольтметра в простейшем
случае цепь собирают по схеме, указанной на рисунке 201. Пять-
десять ламп (120—220 в) одинаковой мощности соединяют
между собой последовательно и включают их в сеть освещения
или динамо-машины. Тогда падение напряжения и в одной
любой лампе, при условии равенства мощностей каждой из них,
будет:
п
где U — напряжение в сети и п — число ламп.
Вольтметры — проверяемый Vt и образцовый V2--соединя-
ют между собой параллельно и приключают одной парой клемм
118
к точке D цепи. Проводник А от другой пары клемм присоеди-
няют поочерёдно к точкам 1—5 цепи, делают отсчёты по вольт-
метрам и строят поправочную кривую (рис. 200). Очевидно, что
число отсчётов будет соответствовать количеству взятых ламп.
Много удобнее в цепь лампы (120 в) любой мощности вклю-
чить последовательно реостат R с ползуном (рис. 202). При этом
сопротивления реостата и лампы должны быть приблизительно
Рис. 202. Схема для проверки
вольтметра.
Рис. 203. Схема для про-
верки вольтметра при
помощи трансформатора
и потенциометра.
одинаковы; тогда напряжение в точке 2 будет делиться прибли-
зительно пополам. Приключив вольтметры и Vs к точке 1
и ползуну реостата и передвигая ползун, получают любое напря-
жение в пределах от 120 до 60 в. Пересоединив проводник В
от точки 3 к точке 2 и тем самым уничтожив соединение на уча-
стке ЗВ, изменяя положение ползуна на реостате, имеют напря-
жение в пределах от 60 в до 0.
Для проверки вольтметра с небольшим поминальным значе-
нием напряжения можно пользоваться той же схемой рисун-
ка 202, присоединив проводник В к точке 2 или 1 и провод-
ник А — к ползуну. Реостат при этом нужно взять с меньшим
сопротивлением, чем у лампы. Сопротивление реостата, включён-
ное параллельно вольтметрам, делают равным 0 и затем его
постепенно увеличивают, сдвигая для этого ползун. Можно так-
же снизить напряжение переменного тока посредством трансфор-
матора, например звонкового, и замкнуть его вторичную обмотку
с малым числом витков Т2 на потенциометр R (100—1000 ом).
Включение вольтметров производится по схеме, указанной на
рисунке 203; изменение напряжения достигают перемещением пол-
зуна.
119
17. Градуирование милливольтметра. 1) Эле.меш п.ш ак1<.му.1я>-е)ы
2) Реостат с ползуном. J) .Милливольтметр градуируемый, i) Вольтметр.
Для получения весьма малых напряжений параллельно одно-
му элементу или аккумулятору включают потенциометр /?
(рис. 204), в качестве которого может быть взят реостат с пол-
зуном. Сопротивление реостата берут не слишком большим вс
Рис. 204. Схема для
проверки милливольт-
метра.
избежание погрешностей при последую-
щих манипуляциях. Однако сопротивле-
ние реостата не должно быть и очень
малым во избежание сильной нагрузки
для элемента. В общем сопротивление
должно быть равно 5 -20 ом. Кроме
того, весьма желательно иметь реостат с
возможно большим числом витков: для
удобства отсчёта каждый десятый ви-
ток следует отметить какой-нибудь' кра-
ской.
Милливольтметр шЕ включают по
схеме, указанной на рисунке 204: вольт-
метр V присоединяют к концам 1 и 2 об-
мотки потенциометра R для измерения-
падения напряжения в последнем. Если
обозначить падение напряжения между
точками / и 2 через U и число витков потенциометра через п. тс
падение напряжения в одном витке будет:
и —
п
Таким образом могут быть получены очень малые иадр :.-Ке-
ния, например при U = 1 в и п — 500 витков падение напг-яже-
!ня в одном витке будет:
и = = 0,002 в.
Зон
Если ползун а поставлен, например, на 7-й виюк, к> показа-
ние ‘милливольтметра будет соответствовать
7 • 0,002 = 0,014 в.
(давя ползун на определённые витки, можно вычислить соот-
ветствующие величины напряжения и сделать отметки на градуи-
руе.мой шкале.
Так как ползун одновременно касается нескольких витков,
то лучше проводник снабдить на конце остриём, которое для
включения вкладывают между витками.
Важно заметить, что результаты будут верны только в том
случае, когда сопротивление самого вольтметра велико пс срав
нению с сопротивлением включаемого участка 1 а.
ГЛАВА ТРЕТЬЯ
СОПРОТИВЛЕНИЕ ПРОВОДНИКОВ
§11. Сплавы и провода высокого сопротивления
В настоящем параграфе помешен ряд сведений справочной
характера, необходимых преподавателю при изготовлении «про-
волочных» сопротивлений (катушек и магазинов), проволочных
и жидких реостатов, электропечей и т. п. При этом необходимо
иметь в виду следующее. Никелин и нейзильбер вследствие их от-
носительной дешевизны нримепяююя для устройства реостатов.
Нихром и фехраль незаменимы для электропечей, так как вы-
держивают, не окисляясь, температуры красного каления. Изоли-
рованная проволока из машапина и константана благодаря сво-
ему малому температурному коэффициенту сопротивления нуж-
на для изготовления катушек и магазинов сопротивления. Наобо-
рот, железо, обладающее, высоким температурным коэффициен-
том сопротивления, является наиболее подходящим материи,том
для устройства баррсторов, т. е. ограничителей тока.
Таблица 12'
Выбор (для реостатов) диаметра никелиновой проволоки в зависимости
от нагрузки
Диаметр в .u.u 0,2 0,3 | 0 4 0,5 о,й 0,8 0,9 1,0 1,1 1 1,2 1,3 М
Ток в а . . . 2 3 4 4,5 6 7 8 10 : 13 1,5 18 20
Таблица 13>
Толщина, сечение, вес и сопротивление никелиновой проволоки (уд, вес 8,8;
уд. сопротивление 0,4 ом мм2;м)
Диаметр Р Л1.Н Сечение в л<л2 Сопротив- ление 1 .V в о.м Вес 1(10 .к в к/1 Длина 1 в .и кГ Сопротив- ление 1 К1 I! О.Ч
0,20 0,0314 12,7 27,6 3 620 4,5 900
0,25 0,0491 8,14 43,4 I 2 300 18 700
0,30 0,0707 5,66 63,2 1 610 9 100
0,40 0,126 3,18 111,0 901 2 780
0,50 0,196 2,04 173 578 1 180
0,60 0,238 1,37 249 1 402 .551
0,70 0,380 1,04 339 : 295 307
0,80 0,503 0,795 443 226 18п
0,90 0,636 0,629 560 179 1 13
’ ,00 0,785 0,510 691 । 145 71
Таблица 14
Толщина, сечение, вес и сопротивление нихромовой проволоки (уд. вес 8,2;
ом ммг ,
уд. сопротивление 1,08------------------------->
Диаметр В мм Сечение в .«л» Сопротивление 1 м в о и Вес 1 к.и в кГ Сопротивление 1 кГ в ол<
0,25 0,3142 34,4 0,258 134 000
0,25 0,4909 22,0 0,403 54 600
0..30 0,0707 15,3 0,580 26 400
0,35 0,0963 11,2 0,789 14 200
0,40 0,2257 8,58 1,030 8 330
0,45 0,1590 5,78 1,304 5 200
0,50 0,1963 5,51 1,610 3 420
0,60 0,2827 3,82 2,318 1 650
0,70 0,3848 2,81 3,156 885
0,80 0,5026 2,15 4,122 522
0,90 0,6362 1,70 5,217 326
1,00 0,7854 1,38 6,440 214
Таблица 15
Химический состав и основные данные сплавов высокого сопротивления
Наименование сплава и его марка Химический состав в о,'о Ул. сопро- тивление при 20° О-'1..МЛ<2 в .и Макс. рабочая темпера- тура в °C
1 никель 1 цинк | марганец железо 1 хром медь
Константан К-60-40 . . 40 1,2 58,8 0,44—0,50 500
‘Нейзильбер Н3-65-15-20 15 20 — 65 0,26—0,35 15—200
Манганин Мц-85-3-12 . . Никелин Нихром 3 — 12 — 85 0,42—0,5 0,40—0,45 100 150—200
Нх-67,5-15-16-1,5 . . -Фехраль 67,5 — 1,5 1 16 79 J 15 14 1 1,0 —1,1 1, 1 —1,3 1000 900—950
§ 12. Законы сопротивления
1. Зависимость сопротивления металлических проводников от
поперечного сечения и материала, i) Реостат. 2) Проводники одинако-
вого сечения: никелиновый, железный и медный (/« 1—2 м; d = 0,3—0,8 мм).
3) Проводники медные или железные (/.^1—2 м; <71=0,3 мм; cfa=0,5 мм;
ids=0,8 мм). 4) Сеть освещения.
Проводники одинакового сечения, состоящие из различных
материалов (например, никелиновый или нейзильберовый, желез-
322
ный или стальной и медный), разрезают на части одинаковой
длины (15—20 см) и соединяют последовательно, скручивая
между собой их концы. При этом желательно, чтобы соседние
звенья цепи состояли из различных материалов, например была
соблюдена последовательность: никелин А, железо В, медь С,
никелин, железо и т. п. (рис. 250). Цепочку подвешивают на двух
Рис. 205. Демонстрация накаливания током цепочки
из проводников.
штативах или иным способом над демонстрационным столом
горизонтально и включают её в цепь тока освещения через рео-
стат R с ползунком или коммутатором (R = 5 — 20 ом) *. Посте-
пенно выводя сопротивление, наблюдают в темноте, что сильнее
всего раскаляется никелиновый проводник, слабее — железный,
в то время как медный остаётся тёмным. Опыт показывает (судя
по тепловому эффекту), что наибольшим удельным сопротивле-
нием обладает никелин, наименьшим — медь (рис. 206).
Рис. 206. Вид накалённой цепочки из проводников различных материалов.
Сделав другую цепочку из проводников одинакового мате-
риала (например, железа или никелина), но с различными попе-
речными сечениями, накаливают её подобным же образом
током. Опыт показывает, что сопротивление зависит от величины
поперечного сечения, так как сильнее всего раскалится наиболее
тонкий проводник.
1 Ещё проще воспользоваться водяным реостатом.
123
2. Зависимость сопротивления металлических проводников от
длины, поперечного сечения и материала. 1) Доска но см-
Ь • •- 18—20 с.и). 2) Десять роликов с шурупами. 3) Три проводника Н~1 .и>
с одинаковым поперечным сечением (//]—о.З илн 0,5 .ил/): один пл меди,
другой из железа и третий из никелина. }) Два проводника из /шке.шг/а с раз-
личными сечениями (Щ-0,5 л/д/; 1 л/.ч или dj -<>,8 .ил/; d3---! ил/).
5) Амперметр до десятых ампера, и) Батарея J—(: в. 7) Реостат с ползуном.
8) Два однополюсных штепселя.
На доске укрепляются ролики указанным на рисхнкс 207
образом. Между роликами натягиваются проводники. Полезно
против каждого из проводников наклеить бумажку с надписью,
указывающей, из какого материала слелан проводник и какую
Рис. 207. Доска с проводниками для изучения закона coupoiпиления
толщину или сечение он имеет. В цепь батареи В (4—6 в) вклю-
чают амперметр Л и реостат R (рис. 208). Концы цепи для удоб-
ного присоединения к исследуемым проводникам полезно снаб-
дить однополюсными штепселями. Концы штепселей при этом
несколько разводят ножом так, чтобы они могли надеваться на
проводники. Сначала включают в цепь весь медный проводник,
взяв сопротивление реостата наибольшим. Затем постепенно
выводят сопротивление до получения наибольшего возможной
при данных условиях отклонения амперметра, т. е. подбирают
наибольший ток, безвредный для батареи и не вызывающий
заметного нагревания проводника (/'^1 — 2а). Установив реостат,
сопротивление его не изменяют до конца опыта.
Включают в цепь один за другим проводники одинаковой
сечения, но из различных материалов. Сравнение величин сил
гоков, отсчитываемых по амперметру, покажут зависимость со-
противления от материала. Затем сравнивают силы тока, вклю-
чая проводники одинакового материала (из никелина), но раз-
личного сечения. Чтобы обнаружить зависимость сопротивления
ог длины включают наиболее тонкий проводник из никелина. Прь
этом один из штепселей приключают к одному из концов провод
ника, а другой медленно перемещают вдоль проводника: сначала
124
in' . । :; 11:/к-11 и к > К . и шггм в oopa 11 кл; u;iii|);p;, к
Амперметр покажет, что сопротивление убывает по мере, умень-
шения длины и возрастает при увеличении длины.
3. Зависимость сопротивления жидких проводников от концент-
рации раствора и величины поверхности электродов. 1) Сосуд вме-
стимостью 1—2 л. 2) Соль поваренная пли кие юта. 3) Электроды угольные
или металлические. 1) Лампа с натрином на 12" в. 5) Осветительном сеть.
В стеклянный сосуд, удобнее прямоугольной формы, наливают
воды и погружают в него два электрода. Один электрод укреп-
лён неподвижно, другой делают подъёмным, зажав его для
этого в лапку штатива через изолирующий материал (пробка,
Рис. 208. Установка для изучения закона сопротивления.
дерево, картон). Для электродов можно взять угольные палочки
или пластинки, или металлические пластинки (/=15—20 см-,
Ь = 4—5 см), лучше из свинца. Нижнему краю подъёмной пла-
стины придают форму треугольника.
Погрузив в воду электроды, включают их в цепь освещения
через лампу. Лампа при этом не горит, что указывает на боль-
шое сопротивление воды. Затем, мешая воду, приливают к ней
из пипетки по каплям серной кислоты или лучше раствора какой-
нибудь соли (NaCl, CuSO.4, К2СГ2О7 и т. п.) и наблюдают, что
по мере увеличения концентрации накал лампы усиливается,
обнаруживая тем самым уменьшение сопротивления ‘. Для суж-
дения о силе тока можно также последовательно с лампой вклю-
чить амперметр.
Для демонстрации зависимости сопротивления от величины
поверхности электродов постепенно вытаскивают одну подъём-
1 Значительный интерес представляет также то, что при растворении лю-
бого количества сахара в дистиллированной воде раствор остаётся непрово-
дящим,между тем как несколько крупинок поваренной соли придадут рас-
твору проводимость.
125
ную или обе пластинки вместе из жидкости и наблюдают умень-
шение накала лампы. Этот же опыт можно воспроизвести
в небольшом химическом стакане с электродами' из медных про-
волок.
4. Зависимое ь сопротивления растворов от длины и попереч-
ного сечения столбика жидкости. i) три стеклянные трубки (/1=/2=
= 1 /3=5о см; —8 зги; d2=4—5 мм). 2) Три штатива или под-
ставки. 3) Медный голый проводник (/=30 см; d—‘2—3 мм), 4) Батарея эле-
ментов 6—12 в. 5) Амперметр с делением де десятых долей. 6) Ключ или
выключатель.
Сгибают три U-образные трубки: две одинаковой длины At
и С, но с различными поперечными сечениями отверстий и одну
Д2 примерно в два раза короче. Поперечное сечение этой послед-
ней трубки должно быть равно поперечному сечению одной
Рис. 209. Устройство сосудов для наб-
людения сопротивления растворов.
Рис. 210. Схема включения
трубки в цепь для обнаружи-
вания сопротивления жидкости.
из длинных трубок. Трубки наполняют 5—10-процентным раство-
ром сернокислой меди или какой-либо кислоты и погружают
в них электроды, сделанные из медной проволоки и кружка
(рис. 209). Трубки одну за другой включают в цепь батареи (6—
12 в) и измеряют по демонстрационному амперметру в каждом
отдельном случае силу тока (рис. 210). Сравнивают между собой
силы тока: сначала при трубках одинакового сечения, но раз-
личной длины и затем при трубках одинаковой длины, но раз-
личного поперечного сечения. Из сопоставления этих сил токов
можно сделать заключение, что сопротивление электролитов зави-
сит от длины и поперечного столбика жидкости. Для установле-
ния зависимости сопротивления от длины столбика (расстояние
между электродами А и В) можно пользоваться также прибором,
изображённым на рисунке 211. В этом приборе пластинку А
устанавливают на различных расстояниях от электрода В и из-
меряют силу текущего тока. Участок СС проволоки необходимо
изолировать стеклянной или резиновой трубкой.
126
Для этой же цели удобно воспользоваться водяным реоста-
том, устройство которого понятно из рисунка 212. При свинцовых,
пластинах для раствора можно использовать серную кислоту, при
железных — углекислую соду.
5. Величина удельного сопротивления. Удельное сопротивле-
ние ₽ показывает сопротивление в омах проводника длиной
в 1 м и с поперечным сечением 1 мм2, т. е.
где R — сопротивление проводника, I — его длина в метрах
и S — площадь поперечного сечения в квадратных миллиметрах.
В нижеследующих таблицах приведены величины удельных
сопротивлений проводников и изоляторов. Для встречающихся
Рис. 211. Прибор
для обнаружива-
ния зависимости
сопротивления
жидкого проводни-
ка от его длины.
Рис. 212. Устройство про-
стейшего водяного рео-
стата.
на практике проводов и проволок указанные в таблице удельные
сопротивления могут значительно отличаться. Действительно»
на величину удельного сопротивления влияет способ обработки
металла при изготовлении из него проволоки и, главное, «загряз-
нённость» примесями других металлов.
6. Измерение удельного сопротивления твёрдых проводников.
J) Проводник из исследуемого материала. 2) Мостик^ Уитстона с батареей.
3) Микрометр. 4) Масштабная линейка. 5) Термометр.
Берут возможно более длинный проводник (Z = 2—3 м) и
к концам • его плотно прикручивают или лучше припаивают
достаточно толстые медные изолированные проводники. Масштаб-
ной линейкой возможно точнее определяют длину проводника I
от одной пайки до другой.
127
Таблица 16
Удельные сопротивления металлов и угля при температуре 20'С
ом • мм2
в - - —
м
1 Вещество ! Удельное сопротив- ление Вещество Уле.чьиог ОПрОТИВ- ление
Алюмин nil (провод! . . ,1,1'29 Медь (провод)
» мягкая 0,0172
Бронза кремнистая . . . ,,С2- -о дб твёрдая 0,0175
Висмут 1,1 —1,4 Никель и,0890—0,11
Вольфрам 0,05(1 Никелин 0,4
Железо чистое 0,104 Олово о, 11—0.14
Железный провод ... о, 12—0,14 Платина 0,094
Железный телеграфный Реотан 0,47
провод 0,135 Ртуть (18°) 0,958
Железо (90,9%) . . . .' 0, О' Свинец 0,21
Золото i 0,023 Серебро мягкое .... 0,0158
Константан о,49 » твёрдое . . . . 0,0175
,) ,065 Сталь мягкая 0,1—0,2
Латунь (провод) • j 0,185 » закалённая . . . 0,4—0.5
Манганин . 0,42 Цинк 0,06
Медь чистая ' 0,0162 Угли для дуговых и ка-
Медь электролитическая . 0,0156 пильных ламп .... 40—60
I
Сопротивления (кубика с ребром
: Сопротивле- 1
Вещество j мне I сч»
। в омах
Воск j От 2 X 1010
| до 2 X 10W
Дерево кленовое пара-
филированное 1 3 X 1О10
Дерево тополевое пара- 1
филированное 1 о X 1()Н
Канифоль . . . 1 5 X 16й
Кость слоновая ! 2 X 10”
Миканит . . . i 1 X 10W
Мрамор .... 1 От 1 X 10»
|до 10( X к»
Парафин . , . 1 X К”
Сера 1 ' X 1С”
Таблица 17
см) изоляторов при 20° в ом • см
1 Сопротивле-
Вещество ; ние i сл<*
п омах
Слюда От 4 X 10”
до 2 X 101’
Стекло кварцевое . . . >5 X 16”
Стекло обыкновенное . . 5 X Ю”
Сургуч 8 X 16”
Фарфор не глазирован-
НЫЛ 3 X 10”
Целлулоид 2 X 1G”
Церезин (искусственный
воск) 5 X 10”
Шелак 1 X Ю”
Эбонит 1 X Ю”
Примечав и е. Сопротивление изоляторов очень сильно уменьшается
при повышении температуры.
128
Таблица 18
Сопротивления (кубика с ребром 1 см) водных растворов при 18° С
в ом • см~1
Содержа- ние безчедной сочи или «ислоты в 0,0 Нашатырь NH4CI Хлори- стый натрий NaCl Ципкоцый купорос ZnSOi Медный купорос CuSO4 Едкое кали КОН Едкий натр NaOH Серная кислота H2SO4
5 10,9 14,9 52,4 52,9 5,8 5,1 4,8
10 5,6 8,3 31,2 31,3 3,2 3,2 2,6
15 3,9 6,1 24,1 23,8 2 4 2,9 1,8
20 3,0 . 5,1 21,3 2,0 3,0 1,5
25 2,5 4,7 20,8 1,9 3,7 1,4
30 22,7 — 1,8 4,8 1,35
35 — — 2,0 6,4 1,4
40 — — — 2,2 8,3 1,5
Микрометром измеряют толщину проводника (без изоляции)
в нескольких местам, берут из результатов среднее арифметиче-
ское и вычисляют поперечное сечение S.
Проводник для экономии места наматывают бифилярно на
какую-нибудь катушку или предмет (книга, коробка) и изме-
ряют возможно точнее его сопротивление /? на мостике Уитстона.
Вместо мостика сопротивление можно измерить на слабом
токе способом вольтметра и амперметра, что, впрочем, даёт зна-
чительно меньшую точность.
Удельное сопротивление вычисляют по формуле:
RS
где I — длина в метрах и S — сечение в квадратных миллимет-
рах.
При точных измерениях следует измерить температуру в поме-
щении термометром и ввести поправку, пользуясь формулами:
/?20 = Rt [ 1 + a (t - 20)] и Рав = ,
где /? 20 —сопротивление при 20°, R t— сопротивление при тем-
терлтуре tP и а — температурный коэффициент металла.
7. Измерение удельного сопротивления растворов, i) Мостик
Уитстона или Кольрауша с пищиком и телефоном. 2) 17-образная трубка.
Для точного измерения удельного сопротивления жидкостей
обычно употребляются сосуды с платиновыми электродами а и Ь,
подобные изображённому на рисунке 213. Для менее точных
измерений можно взять У-образную трубку (рис. 214). Следует
9 Физический эксперимент в школе 129.
помнить, что удельное сопротивление растворов сильно меняется
в зависимости от температуры и концентрации.
§ 13. Эталоны сопротивления. Измерение сопротивлений.
1. Модел!. ртутного эталона сопротивлением в 1 ом. Весьма
полезнс в первом концентре физики для конкретизации представ-
ления продемонстрировать грубую модель ртутного эталона
в 1 ом. Для её изготовления берут стеклянную трубку длиной
Рис. 213. Нормальный сосуд для из-
мерения удельного сопротивления
жидкости.
Рис. 214. Простейший сосуд
для измерения удельного
сопротивления жидкости.
в 108—109 см и с отверстием в 1 мм?. Вставляют в один из концов
кусочек медного проводника и укрепляют последний менделеев-
ской замазкой или сургучом. Трубку наполняют ртутью так,
чтобы длина столбика была приблизительно равна 106,3 см.
Вставляют кусочек проводника в открытый конец и заделывают
замазкой. Трубку укрепляют на линейке из картона или фанеры
и делают надпись: «1 ом есть сопротивление при 0° ртутного
столба длиной 106,3 см и с поперечным сечением 1 мм?».
Хранить продолжительное время такую трубку нельзя, так как
медь растворяется в ртути.
2. Назначение катушек и магазинов сопротивления и общие
требования к ним. Измерение сопротивлений производится по-
средством сравнения их с образцовыми сопротивлениями
(рис. 215 и 216), величина сопротивлений которых точно извест-
на. Для удобства измерений обычно несколько образцовых кату-
130
щек объединяются в одно целое в виде так называемых магази-
нов сопротивления (рис. 220—224). Посредством штепселей или
переключателей возможно производить изменение величины
общего сопротивления магазина, выражающегося суммой сопро-
тивлений любого числа катушек магазина.
По отношению к катушкам и магазинам предъявляются сле-
дующие общие требования:
а) постоянство величины сопротивлений во времени;
Рис. 215 и 216. Различные виды катушек сопро-
тивления.
б) малое изменение сопротивления от температуры;
в) отсутствие термоэлектродвижущей силы (на спаях медь —
материал провода катушки);
г) безиндукционность обмотки;
д) добротность клемм, штепселей и т. п. для достижения
наименьшего их сопротивления.
Наилучшими материалами для изготовления сопротивлений
является прежде всего манганин и затем константан- (§ 11).
Манганиновый и константановый провод имеется в продаже
с эмалевой изоляцией, а также с изоляцией шёлком (ПШОМ и
ПШДМ), бумагой (ПБОМ и ПБДМ) и комбинированной
(ПЭШОМ и ПЭБОМ).
Безиндукционность достигается посредством специальных
видов обмоток (бифилярной и Шаперона) (раздел 3).
3. Катушки сопротивления. В школьных условиях катушки
служат в качестве образцовых сопротивлений при простейших
измерениях на мостике Уитстона. Однако применение их рацио-
нально только при ознакомлении с методом таких измерений, так
как полученные результаты по причинам, изложенным в разде-
9*
131
ле 10, § 13, явятся точными только при том условии, когда изме-
ряемое сопротивление по своей величине близко к сопротивлению
катушки. Применение их для друт их целен, например в качестве
реостатов, абсолютно недопустимо, так как они предназначены
для слабых токов. При слишком сильных токах катушки пере-
греваются, и изоляция на проводниках портится. Катушки сопро-
тивлений ни в каком случае нельзя включать как реостаты.
Наилучшими являются катушки, изображённые на рисунке 216,1.
Такие катушки намотаны на фарфоровое основание и укреплены
на изолирующем основании. Включение катушек производится
посредством клемм. Много хуже катушки, сохранившиеся в физи-
ческих кабинетах до настоящего времени (рис. 216, II и III).
Обмотка у них не видна, а закрыта деревянным чехлом, что
составляет уже недостаток в методическом и техническом отно-
шениях. У катушек этого типа очень плохие и ненадёжные
клеммы. Наконец, они имеют много меньшую теплоотдачу, чем
открытые катушки. Катушки как одного, так и другого из ука-
занных типов изготавливались с сопротивлением в 1, 10, 100
и 1000 ом. Как правило, сопротивление катушек, выпускавшихся
ранее, благодаря небрежному изготовлению не соответствует
указанному на них. Такие катушки перед употреблением следует
сверять с надёжными образцами сопротивлений, например
с хорошим магазином.
В настоящее время Главучтехпромом выпускаются катушки
сопротивления в 1, 2, 5 и 10 ом (рис. 216, IV и V).
4. Изготовление катушек сопротивления. Катушки вполне
возможно изготовить самостоятельно. Для намотки катушки
берут проводник тем большего диаметра, чем меньшим сопро-
тивлением должна обладать катушка. Проводники берутся для
изготовления сопротивлений следующие:
до 1 ОМ диаметром 0,8—1 ММ
1—10 » » 0,4—0,5 »
10—100 » » 0,25—0,3 »
100—1000 » » 0,08—0,1
Наилучшими материалами являются проводники с наименьшим
температурным коэффициентом: из константана или манганина,
лучше с двойной шёлковой обмоткой. Возможно также для
обмотки взять никелиновую проволоку или в самом крайнем слу-
чае тонкую медную проволоку толщиной в 0,1 мм и менее,
достать которую легче. Но обмотка в последнем случае выходит
более толстой и, главное, сильно сказываются на величине сопро-
тивления температурные условия.
Перед намоткой следует прежде всего измерить при помощи
надёжных приборов сопротивление 1 м проволоки. Для намотки
132
катушек следует взять такую длину проволоки, чтобы её сопро-
тивление было немного более, чем следует.
Намотку производят на деревянные катушки (е = 3—4 см;
d = Ю—12 мм) с бортиками из хорошо высушенного и проварен-
ного в парафине дерева (рис. 217, I). Возможно также исполь-
зовать катушки от швейных ниток (рис. 217, II). Очень хороши
для обмотки фарфоровые втулки, употребляемые при проводке
электрического освещения. Конец втулки без бортика укрепляют
посредством менделеевской замазки или сургуча в отверстии,
высверленном в деревянной дошсчке (рис. 217, III).
Рис. 217. Устройство самодельных катушек сопротивления.
Для достижения безиндуктивности существуют следующие
способы обмотки. Так обмотку можно выполнить бифиляром, для
чего проводник складывают вдвое и наматывают указанным
на рисунке 218, I образом. Однако такие катушки обладают зна-
чительной внутренней ёмкостью. Для её уменьшения обмотку
в наилучших магазинах делают по системе Шаперона, наматы-
вая проводник обычным способом слоями, в которых направле-
ние оборотов меняется последовательно. Это значит, что один
слой наматывается по часовой стрелке (рис. 218, II и III), дру-
гой— в противоположном направлении (рис. 218, IV). Слой от
слоя можно отделять прокладкой из бумажной ленты.
Выполнив намотку, к одному из- её концов припаивают гиб-
кий медный провод толщиной в 0,5—0,8 мм. Этот провод обма-
133
тывают один-два раза вокруг катушки (рис, 217, IV)
и присоединяют к клемме. Производя измерения сопротивления,
постепенно укорачивают другой конец обмотки, отстригая его
ножницами. По достижении нужного сопротивления к концу
припаивается указанный выше второй медный гибкий провод
и после обвёртывания вокруг катушки надёжно присоединяется
к клемме. Возможно также взамен гибкого проводника укре-
пить под клеммы куски толстых медных проводов и непосред-
Рис. 218. Способы безындукционной обмотки катушек сопро-
тивления.
ственно припаять к ним концы высокоомных проволок катушки
(рис. 217, V). Этот способ позволит достигнуть большей точно-
сти при подгонке сопротивления катушки к нужному. Работу
можно считать выполненной вполне удовлетворительно, если
погрешность не превышает 0,5—1%.
Нужно заметить, что наибольшие затруднения возникают при
изготовлении сопротивлений порядка десятых и сотых долей ома;
между прочим здесь ощутительным образом может сказаться
сопротивление контактов и проводов. Влияние сопротивления
проводов, а тем более контактов чувствуется уже при сопротив-
лениях порядка 1—3 ом.
Для защиты от повреждений обмоток катушку полезно
сверху закрыть одним-двумя слоями бумаги.
5. Магазины сопротивления. Для измерения сопротивлений
на мостике Уитстона магазины несравненно более удобны, чем
катушки сопротивления. Кроме того, измерения с магазином
дают более точные результаты. Магазины сопротивления пред-
ставляют собой то или иное число катушек сопротивления, соеди-
нённых между собой последовательно (рис. 219—224). Концы
катушек присоединены, как это показано на рисунках 219 н 220,
к толстым медным пластинам, называемым ламелями. Каждые
две соседние пластины могут быть соединены друг с другом
134
посредством штепселей С. Для включения магазина в цепь слу-
жат солидные клеммы А и В.
Для введения в цепь той или иной катушки сопротивления
следует вынуть соответствующий штепсель. Так, например, при
удалении штепселя 2 в цепь будет включена только одна ка-
тушка 2, при удалении штепселей 1 и 3 — включены катушки 1
а 3 и т. п. (рис. 219 и 220). Против каждого из гнёзд для штеп-
селей сделана надпись, показывающая сопротивление катушки.
Рис. 219 и 220. Схема устройства магазина сопротивления.
Сопротивления катушек подобраны так, что сумма их в каж-
дой отдельной группе равна 0,1; 1; 10; 100; 1000 ом и т. д.
'Простейшие магазины заключают в себе обычно одну какую-
нибудь группу катушек (рис. 223); более сложные и наиболее
употребительные магазины содержат несколько групп (рис. 221
и 224). Катушки, вообще говоря, можно сгруппировать различ-
ными способами: как правило, берут катушки: 1) 0,1; 0,2; 0,2;
0,5 ом; 2) 1; 2; 2; 5 ом; 3) 10; 20; 20; 50 ом; 4) 100; 200; 200;
500 ом и т. д. или 1) 0,1; 0,2; 0,3; 0,4 ом; 2) 1; 2; 3; 4 ом и т. д.
Комбинируя эти катушки, можно получить любое сопротив-
ление в пределах от сопротивления наименьшей катушки
до суммы всех сопротивлений, входящих в состав магазина.
Так, например, в магазине, изображённом на рисунках 219 и 220,
наименьшее сопротивление может быть взято 1 ом и наиболь-
шее 1 + 2 + 3 + 4 = 10 ом. В магазине с четырьмя группами
(рис. 221 и 222) сопротивлений наименьшее сопротивление
135
будет 1 ом, наибольшее 11 ПО ом (14-2^-34-4 +10+2G+30+
4-40+’000-2004-300+400 I 10004-2000+3000+4000).
Сопротивление магазина, введённое в цепь, равно сумме со-
противлений катушек, из которых вынуты штепселя. Так, напри-
мер, в одном случае, показанном на рисунке 222, сопротивление
равно 4783 ом. Если магазины (рис. 220 и 223) содержат в себе
одну какую-нибудь группу сопротивлений, то их для измерений
следует соединять между собой последовательно. В магазинах,
содержащих несколько групп, отдельные группы соединены
между собой толстыми пластинками, которые могут быть уда-
Рис. 221. Магазин сопротивления
на 4 группы закрытого типа.
лены в случае надобности. На рисунке 221 видно такое со-
единение между группами 1 и 2, 2 и 3, 3 и 4. Магазины раз-
личаются между собой кроме количества групп катушек и вели-
чин их сопротивления ещё по своей конструкции. В магазинах
закрытого типа катушки помещены внутри ящика из дерева или
пластмассы и штепсельные пластинки смонтированы на его-
крышке (рис. 221).
Кроме указанного типа магазинов с закрытыми катушками,
существуют магазины с открытыми катушками (рис. 223). Л4ага-
зины с открытыми катушками хороши в методическом отноше-
нии, так как дают полное представление о своём устройстве^
но они требуют к себе чрезвычайно бережного отношения. Дейст-
вительно, очень легко оборвать присоединение катушек к пласти-
нам, а то и повредить и самую обмотку катушек. Наконец, этот
136
тип приходится особенно тщательно защищать от пыли, удалять
которую нелегко. Удаление пыли производится мягкой кисточкой.
Точные магазины устраиваются чаще всего закрытого типа
Рис. 222. Пример введения сопротив-
ления 4783 ом в разномерном мага-
зине.
Рис. 223. Магазин сопротивления
(Главучтехпрома) на 1 группу от-
крытого типа.
(рис. 224) и нередко снабжаются закрываемыми отверстиями,
служащими для выравннвания<темнературы, а также и отверсти-
ем для помещения термометра. Штепсели имеют эбонитовые го-
ловки во избежание ответвления тока («на Землю») при прикос-
новении рукой. Для включения каждой катушки в отдельности
Рис. 224. Магазин сопротивления штепсельный Р-14 (МЭ СССР) 0,1 —
11111 ом через 0,1 ома или 1,1 —111111 ом через 1 ом.
137
•или группы катушек при магазинах имеются, кроме обычных,
ещё штепсели, изображённые на рисунке 225.
6. Магазины сопротивлений, нужные для кабинета. В каче-
стве образцового магазина для точных измерений и проверки дру-
гих, имеющихся в кабинете магазинов и кату-
Ц шек сопротивления желательно приобрести Ma-
li газип Р-14, выпускаемый заводами МЭ
_|Х (рис. 224). Употреблять этот магазин для
411 обычных измерений не следует. Магазин со-
уС®.—держит сопротивления от 0,1 до 10 000 ом.
Главучтсхпром выпускает в продажу три
Рис 225 Штеп вида магазинов с одной из групп следующих
сель с клеммой сопротивлений.
для присоединения
провода.
.') J, 2,2 и 5 ом
2) 10, 20, 20 и 50 »
3) J00, 200,200 и 500 »
Наибольшие допускаемые для этих магазинов силы токов
соответственно будут 0,7 а; 0,3 а; 0,01 а.
Для последовательных соединений магазинов между собой
в группы с целью расширения набора сопротивлений служат
металлические пластинки с вырезами на концах, поджимаемыми
под клеммы (рис. 221).
Магазины Главучтехпрома пригодны для'лабораторных работ
учащихся, но не для демонстраций. Существеннейший недостаток
этих магазинов заключается в плохом качестве клемм.
Рис. 226. Детали самодельного магазина сопротивления.
При покупке магазинов следует обратить внимание на при-
гонку штепселей к гнёздам. Штепсели должны быть хорошо при-
тёрты и при поворачивании с лёгким нажимом плотно присасы-
ваться к гнёздам. Важно проверить также, чтобы каждый из штеп-
селей подходил к любому из гнёзд. При уходе за магазинами при-
ходится время от времени кисточкой удалять пыль из гнёзд, а са-
мые штепсели промывать бензином и вытирать досуха мягкой
тряпкой. Чистка их, хотя бы и мелом, недопустима. При длитель-
138
ном хранении без употребления нельзя вставлять плотно штепсе-
ли в гнёзда.
В магазинах школьного типа надписи иногда не соответствуют
сопротивлениям. Поэтому перед работами их следует выверить,
сравнивая с образцовыми катушками сопротивлений или образ-
цовыми магазинами. Самостоятельное изготовление магазинов
со штепселями описанного типа затруднительно благодаря необ-
ходимости иметь хорошо притёртые штепсели к гнёздам пластин.
Рис. 227. Пример включения сопротивления 7 ом в декадном
магазине.
Хорошие результаты получаются в самодельных магазинах
со штепсельными вилками А и гнёздами В вместо штепселей
и пластин (рис. 226). Как и в обычном магазине, катушки 1, 2
и т. д. включаются в цепь при вынимании штепселя. В промежут-
ках между катушками гнёзда должны быть соединены медными
полосками или проводниками С. Штепсели у каждой из вилок
закорачиваются между собой толстыми проводниками. Делать
подобные магазины с сопротивлением менее 10 ом не рекомен-
дуется.
7. Декадные магазины. Магазины описанного выше типа
(разделы 5 и 6) имеют столько штепселей, сколько магазин со-
держит отдельных сопротивлений. При употреблении такого рода
магазинов при различном количестве включённых в цепь сопро-
тивлений в магазине бывает введено различное количестве штеп-
селей. Однако каждый штепсель вносит в цепь лишнее, хотя
и очень небольшое, сопротивление. Для очень точных измерений
это порождает нежелательную ошибку, величина которой зависит
от количества штепселей и внимания экспериментатора. Поэтому
существует другая система магазинов, при которой число штепсе-
лей, введённых в цепь, всегда остаётся одинаковым. Па рисун-
ках 227, I и II и 228 изображены две такие схемы, представляю-
щие для измерения особенно большое удобство. Втыкая один
штепсель в различные отверстия, получается сопротивление, поме-
ченное при отверстии, в которое воткнут штепсель. Например,
втыкая штепсель в отверстие 7, получаем, что в случае схемы
рисунка 227, I ток идёт от клеммы А через три сопротивле-
139
кия в 2 ом (что даст G олг) и через сопротивление в 1 о.и,
т. е. всего введено 7 ом; в случае схемы рисунка 227, II ток идёт
через два сопротивления в 1 ом (что даст 2 с=л/) и через сопро-
тивление в 5 ом, т. е. всего введено 7 ом, и т. д.
Магазины с такой системой расположения сопротивлений
носят названия декадных в отличие от разномерных, показанных
иа рисунках 219—224. На рисунке 228 изображена схема декад-
ного магазина сопротивлений на 3 группы. У этого магазина
число включённых штепселей всегда равно числу декад магази-
на, т. е. в рассматриваемом случае трём.
100
Рис. 228. Схема декадного магазина на 3 группы.
Таким образом, достоинством декадных магазинов является
постоянное количество включённых штепселей, что важно при
особо точных измерениях. Недостатком декадных магазинов
по сравнению с разномерными является перерыв тока при выни-
мании штепселя.
Встречаются также магазины с переключателями и с декадным
набором сопротивлений (одна ручка даёт единицы, другая
десятки и т. д.1, смонтированным по схеме рисунка 229 (рис. 230
и 231), Из них магазины первого типа (рис. 230) предназначены
для демонстрационных установок и крайне неточны, а второго
типа (рис. 231) могут служить для точных измерений.
8. Реохорды. Реохорд представляет собой линейку с делениями,
на которой натянута тонкая калибрированная проволока с боль-
шим удельным сопротивлением (рис. 232). Для включения в цепь
проволоки служат клеммы А и С. По линейке может перемещаться
ползунок (движок) D, позволяющий получить контакт с любой из
точек проводника А и С. Положение ползунка может быть опреде-
лено по шкале линейки. Деления на линейке чаще всего соответ-
140
ствуют миллиметрам; иногда де^чепия бывают нанесены в услов-
ных мерах, равных 0,01 длины всего проводника. 11анбслсс удобны
.ошейки с длиной проводника в 1 м с миллиме! ревы ми делениями *.
Рис. 229. Схема рычажного магазина сопротивлений.
Реохордом можно пользоваться как реостатом с небольшим
сопротивлением или, зная общее сопротивление проволоки, как
Рис. 230. Демонстрационный рычажной магазин сопротивлений.
магазином с плавно меняющимся сопротивлением. В последнем
случае удобно сопротивление всей проволоки подобрать в 1 или
10 ом, а шкалу линейки разделить на сотые части всей длины
1 Длина линейки реохорда Главучтехпрома равна 50 см.
141
Рис. 231. Магазины сопротивлений декадные для лабораторных измере-
нии (МЭ СССР) типа КДС (па одну декаду) и КМС (па четыре декады)
на 9999 ом через 1 ом.
[—LI..I [ТТТ]'DILIдП1.1Ш11|1Н|| | l|ip’]qip]J]w
О 0,2 0,5 1 2 3 5 1050
Рис. 233. Шкала реохорда с делениями, показывающими отношение плеч.
142
проволоки; тогда, поставив ползун па 30-е деление, введём в цепь
0,3 или 3 ом и т. д. Реохорд возможно использовать так же, как
потенциометр, включая в цепь батареи всю проволоку и отводя
новую цепь от одного конца её и от ползунка D-, при передвиже-
нии должны будем иметь изменение напряжения в новой цепи.
Некоторое конструктивное изменение реохорда представляет
собой агометру В агометре проволока намотана по винтовой на-
резке цилиндра из какого-нибудь изолирующего вещества (ши-
фер, мрамор). Ползунок заменён колёсиком. Длина введённой
проволоки отсчитывается на стержне, по которому скользит колё-
сико, и по делениям на барабане.
Рис. 234 и 235. Чертёж для самостоятельного изготовления реохорда.
Реохорды иногда делаются с двумя проводниками различного'
сопротивления и ползунками. Проводник с большим сопротивле-
нием служит для более грубых или предварительных измерений.
Измерение с проводником меньшего сопротивления даёт более
точный результат.
Конструкции ползунков весьма разнообразны. Некоторые из
них видны па рисунках 232, 234 и 235. Важно, чтобы контакт пол-
зунка при своих перемещениях нс царапал проводника и тем са-
мым не изменял величины его поперечного сечения. Обыкновен-
но у старых, много работавших реохордов проводник в середине
бывает тоньше, чем у краёв. Неравномерная толщина проводника'
реохорда ведёт к значительным ошибкам при измерениях, в осо-
бенности при точных.
На рисунках 234, 235 изображена удачная конструкция само-
дельного реохорда. Реохорд состоит из двух линеек А и В
(I = 105 см), склеенных между собой или скреплённых шурупа-
ми. Одна из линеек В имеет в поперечном сечении форму трапе-
ции. На этой линейке, снабжённой шкалой с делениями в мил-
лиметрах, укреплены две стандартные клеммы и между ними на-
тянут никелиновый или манганиновый проводник (cf=0,3—0,5 мм)
1 Агометр изобретён академиком Якоби.
143<
длиной в 100 см. Ползунок D изгоi(ib/iяетея из крепкого де-
рева, например березы; размеры его показаны на рисунке 235.
На ползунке укрепляется посредством клеммы F и шурупов со-
гнутая под прямым углом латунная полоска Е. Полоска должна
пружинить и давать хороший контакт с проводником реохорда.
Для большей гибкости в ней следует прорубить квадратное окон-
це. Нижний край полоски полезно слегка отточить. Внутри пол-
зунка необходимо укрепить плоскую пружинку К, которая будет
прижимать ползунок к основанию А реохорда. При перемеще-
ниях ползунок следует слегка
Рис. 236. Схема мостика Уитстона.
оттягивать пальцами вверх, что-
бы не царапать 'проводника кон-
тактом.
Кроме реохорда, при изме-
рениях на мостике Уитстона
нужен комбинированный ключ
К, конструкция которого описа-
на в § 2 (рис. 37).
9. Вычисление отношения
плеч у реохорда. Наибольшее
применение реохорд имеет в
схеме моста Уитстона; в этом
случае при измерениях нужно
знать отношения плеч AD (/,) и
DC (/2) реохорда (рис. 236);
поэтому деления можно нанести
в соответствии с этими отношениями (рис. 233). Возможно так-
же использовать прилагаемую таблицу 19.
10. Замечания к измерениям сопротивлений. 1) Точность изме-
рения одним из указанных ниже способов зависит от точности из-
мерительных приборов. При этом важно все входящие в установ-
ку приборы подбирать так, чтобы они имели одинаковую степень *
относительной точности. Точность измерения, как правило, опое-
деляется точностью наиболее грубого прибора, несмотря на лю-
бую точность всех остальных.
В конечном итоге точность измерения сопротивлений зависит
от точности эталона, с которым сравнивают измеряемое сопро-
тивление.
Хорошие магазины дают сопротивление с точностью до
0,0005 измеряемой величины при учёте температуры; от обычных
школьных магазинов можно требовать точность до ^»/о измеряе-
мой величины, т. е., например, сопротивление в 100 ом может
отличаться на i/г ом.
Сравнение искомого сопротивления с эталоном зависит от точ-
ности и чувствительности гальванометра или гальваноскопа, слу-
жащего для установления отсутствия тока и от правильности
(калибрированно'сти) проволоки реохорда.
1) При измерениях важно, чтобы штепсели магазинов давали
.144
Таблица 19
Таблица для нахождения отношения плеч Уитстонова моста
Единицы
-*0 , 1 2 1 3 4 5 6 7 8 9
10 0,1111 0,1123 0,1136 0,1148 0,1161 0,1173 0,1186 0,1198 0,1211 0,1223
11 0,1236 0,1249 0,1261 0,1274 0,1287 0,1299 0,1312 0,1325 0,1338 0,1351
12 0,1364 0,1377 0,1390 0,1403,0,141610,1429 0,1442 0,1455 0,1468 0,1481
13 0,1494 0,1507 0,1521 0,153410,1547 0,1561 0,1574 0,1587 0,1601 0,1614
14 0,1628 0,1641 0,1655 0,1669 0,1682 0,1696 0,1710'0,1723 0,1737 0,1751
15 0,1765 0,1779 0,1792 0,1806 0,1820 0,1834 0,1848 0,1862 0,1876 0,1891
16 0,1905 0,1919 0,1933 0,1947 0,1962 0,1967 0,1990 0,2005 0,2019 0,2034
17 |0,2048'0,2063 0,2077 0,2092 0,2107 0,2121 0,2136 0,2151 0,2165 0,2180
18 Ю.2195 0,2210 0,2225 0,2240 0,2255 0,2270 0,2285 0,2300 0,2315 0,2330
19 0,2346 0,2361 0,2376^0,2392 0,2407 0,2422 0,2438 0,2453 0,2469 0,2484
20 0,2500 0,2516,0,2531 0,2547 0,2563 0,2579 0,2594 0,2610 0,2626 0,2642
21 0,2658 0,267410,2690 0,2706 0,2723 0,2739 0,2755 0,2771 0,2788 0,2804
22 0,2820 0,2837 0,2853 0,2870 0,2887 0,2903 0,2920 0,2937 0,2953 0,2970
23 0,2987 0,3004 0,3021 0,3038 0,3055 0,3072 0,3089 0,3106 0,3123 0,3141
24 0,31580,3175 0,3193 0,3210 0,3228 0,3245 0,3263 0,3280 0,3298 0,3316
25 0,3333 0,3351 0,3369 0,3387 0,3405 0,3423 0,3441 0,3459 0,3477 0,3495
26 0,3514 0,3532 0,3550 0,3569.0,3587 0,3605 0,3624 0,3643 0,3661 0,3680
27 0,3699 0,3717 0,3736 0,3755 0,3774 0,37930,3812 0,3831 0,3850 0,3870
28 0,3889 0,3908 0,3928 0,3947 0,3966 0,3986'0,4006 0,4025 0,4045'0,4065
29 0,4085 0,4104 0,4124'0,4144 1 0,4164 0,4184|0,4205 0,4225|0,4245|0,4265
30 0,4286 0,43060,4327 0,4347 0,4368 0,4388 0,4409 0,4430 0,4451 0,4472
31 0,4493-0,4514 0,4535 0,4556.0,4577 0,4599 0,4620 0,4641 0,4663 0,4684
32 0,4706'0,4728 0,4749 0,4771 0,4793 0,4815 0,4837 0,4859 0,4881 0,4903
33 0,4925 0,4948 0,4970 0,4993 0,5015 0,5038 0,5060 0,5083 0,5106 0,5129
34 0,5152 0,5175 0,5198 0,5221 0,5244 0,5267 0,5290 0,5314 0,5337 0,5361
35 0,5385 0,5408 0,5432 0,5456 0,5480 0,5504 0,5528 0,5552 0,5576 0,5601
36 0,5625 (>,5649)0,5674 0,5699 0,5723 0,5748 0,5773 0,5798 0,5823 0,5848
37 0,5873 0,5898) 0,5924 0,5949,0,5974 0,6000 0,6026 0,6051 0,6077 0,6103
38 0.6129.0.61550,6181 0,6207.0,6234 0,6260 0,6287 0,6313 0,6340 0,6367
39 0,639310,642010,6447 0,6474 0,6502 i 1 I 1 1 0,6529 0,6556 0,6584 0,6611 1 0,6639
40 10,6667,0,6694 0,6722 0,6750 0,6779 0,680710,6835 0,6863 0,6892 0,6921
41 0,6949'0,6978 0,7007 0,7036 0,7065 0,7094 0,7123 0,7123 0,7182 0,7212
42 'о, 7241 0,7271 0,7301 0,7331 0,7361 0,739110,7422 0,7452 0,7488 0,7513
43 0,7544 0,7575 0,7606 0,7637 0,7668 0,7699 0,7731 0,7762(0,7794 0,7825
44 0.7857 0.7889 0,792110,7953 0,7986 0,8018 0,8051 0,8083'0,8116 0,8149
45 0.8182 0.8215 0.8248 0,8282 0,8315 0,8349 0,8382.0,8416 0,8450 0,8484
46 0,8519 0,8553 0,8587 0,8622 0,8657 0,8692 0,8727,0.8762 0,8797 0,8832
47 0,8868 0,8904 0,8939 0,8975 0,9011 0,9048 0,9684 0,9120 0,9157 0,9194
48 0,9231'0,9268 0,9305 0,9342 0,9.380 0,94 17 0,9455:0,9493 0,9531 0,9569
49 0,9608|0,9646 0,9685 0,9724|0,9763 0,9802 0,9841 0,9881 0,9920 0,9960
10 Физический эксперимент в школе
145
надёжный контакт, для чего их поворачивают в гнёздах, слегка
нажимая. При работах вынутые штепсели лучше не класть на
стол, но вставлять в специальные гнёзда, сделанные посередине
каждой из ламелей.
2) При первых работах с мостиками следует пользоваться
грубыми гальванометрами или лучше гальваноскопами. Найдя
положение ползунка, соответствующее отсутствию тока через
гальванометр, последний можно заменить затем чувствительным
для более точного определения положения ползунка. Точно так
же полезно работать сначала на реохорде с проводником возмож-
но большего сопротивления и затем перейти к реохорду с мень-
шим сопротивлением.
3) При измерениях сопротивлений растворов следует приме-
нять исключительно мостики с телефоном и пищиком. При изме-
рениях сопротивлений проводников, обладающих индуктив-
ностью, употребляются мостики с гальванометром, но не теле-
фоном.
4) В качестве телефонов очень удобны трубки для радио с
наголовьем. Однако более подходящими здесь будут сравнитель-
но малоомные трубки, например от городского телефона.
5) Необходимо обратить внимание на тщательное выполнение
всех соединений, что особенно важно при измерениях малых со-
противлений. Все проводники должны быть присоединены к при-
борам посредством достаточно надёжных и чистых клемм. При
измерении малых сопротивлений (менее 1 —10 ом) необходимо
брать для соединений проводники возможно короче и толще, что-
бы не приходилось учитывать сопротивление этих проводников.
6) Для достижения максимальной точности в мостиках с рео-
хордом следует добиваться такого подбора сопротивлений в ма-
газине, чтобы ползунок при отсутствии тока через гальванометр
занимал положение, возможно близкое к середине.
7) При измерениях длинных проводников их следует нама-
тывать бифиляром на какой-нибудь предмет (только не желез-
ный) или лучше - - деревянный каркас.
8) При измерениях па мостике весьма полезно знать, хотя бы
приблизительно, величину измеряемого сопротивления или её по-
рядок. Эту величину можно выяснить путём приблизительных
расчётов.
9) Удобными объектами для учебных измерений являются
электрические лампочки различной мощности, намотанные би-
филяром катушки из проводников с большим удельным сопротив-
лением, угольные палочки от вольтовой дуги, графит карандашей
и т. п.
Нуд но, однако, иметь в виду значительную зависимость этих
сопротивлений от температуры. Сопротивление горящей лампоч-
ки, например, в несколько раз больше, чем холодной.
11. Модель для объяснения принципа действия мостика Уит-
стона. Для объяснения устройства и действия мостика Уитстона
146
монтируют на деревянном щите четыре патрона для лампочек
накаливания и соединяют их толстыми и потому хорошо видны-
ми проводами (рис. 237). Взамен гальванометра берут демонст-
рационный амперметр А (рис. 142). В патроны ввёртывают 4
лампочки накаливания одинаковой мощности, например по
40 вт. Тогда при включении то-
ка от сети освещения ампер-
метр показаний не даст. Если
же одну из ламп, например, за-
менить другой с большей или
меньшей мощностью, то через
амперметр потечёт ток, обнару-
живающийся соответствующим д
отклонением стрелки.
Ещё лучше смонтировать
восемь патронов попарно и до-
полнительно включать новые
лампы ввёртыванием. Поль-Рис. 237. Схема модели для объяс-
зужь подобной схемой, МОЖНО непия действия мостика Уитстона.
показать, что при самых разно-
образных комбинациях отсутствие тока в амперметре наблюдает-
ся при соблюдении соотношения
Bi____ 1 ।
/?2 ” 12 ’
Вполне возможно для описанного прибора использовать лам-
пы 4 в или 6 ц, питая их от батареи.
12. Измерение сопротивления мсстиком Уитстона с реохордом
И магазином. 1) Магазин сопротивления. 2) Измеряемое сопротивление.
3) Гальванометр. 4) Реохорд. 5) Один-два элемента пли аккумулятор. 6) Два
ключа или двойной ключ. 7) Катушка сопротивления 100—КОО ом.
Мостик Уитстона собирается по схеме, изображённой на ри-
сунке 23G. Он состоит из двух параллельных ветвей AF.C и ADC,
питаемых от батареи В через ключ /Ct. Одну ветвь образует изме-
ряемое сопротивление Rx и магазин сопротивления В и дру-
гую — проводник АС со скользящим контактом D (реохорд).
Ветви соединены между собой в точках Е и D через гальванометр
G и ключ Кг- Магазин сопротивления лучше взять с большим
разнообразием входящих в него сопротивлений. Если в распоря-
жении есть магазины только типа, изображённого на рисунках
219 и 223, то их следует соединить между собой последовательно.
Гальванометр берут средней чувствительности. При первых рабо-
тах, когда требуется ознакомление с методом измерений, вместо
гальванометра рекомендуется взять гальваноскоп (рис. 93—95).
Вполне возможно также пользоваться вольтметрами с катушкой
Депрс, у которых нуль шкалы расположен посередине. Реохорд
берётся обычный. Надобность в одном из ключей Кг отпадает
только в случае пользования совсем грубым гальванометром или
гальваноскопом. Вообще же в схеме мостика во избежание воз-
10*
действия токов самоиндукции на гальванометр необходимы два
ключа Kt и Кг или один двойной ключ. Схема соединения мости-
ка при двойном ключе К изображена на рисунке 238. Буквой М
обозначен коммутатор, присутствие которого не является обяза-
тельным.
Весьма полезно, а для неопытного работника прямо необходи-
мо ввести в цепь батареи или к гальванометру катушку сопро-
тивления в
Е
г?
Рис. 238. Схема мостика Уитстона
двойным ключом К и коммутатором.
100—1000 ом, не показанную на рисунке 236. Эта ка-
тушка до некоторой степени
гарантирует от прохождения
сильного тока через гальва-
нометр, что может случиться
при подборе сопротивлений
в магазине. Катушку затем
выключают, когда сопротив-
ление магазина будет при-
близительно подобрано.
Измерение производится
следующим образом. Уста-
навливают ползун реохорда
приблизительно посередине и
вынимают из магазина один
из штепселей: 1; 10; 100;
1000 ом, приблизительно со-
ответствующий сопротивле-
нию одного порядка с изме-
ряемым. Нажимают сначала-
ключ Ki цепи батареи, а за-
тем ключ Ki гальванометра.
Такая последовательность
включения необходима для исключения влияния-индуктивных то-
ков на гальванометр. При выключениях поступают обратно: вы-
ключая сначала цепи гальванометра и затем батареи. (При двой-
ном ключе нажимают на его головку сначала слабо, а затем
через одну-две секунды сильно. При выключениях сначала не-
сколько ослабляют нажим, только потом снимают палец.
Включение тока должно производиться на возможно более
короткое время, так как нагревание проводников вызовет изме-
нение сопротивлений: измеряемого, реохорда и магазина, что мо-
жет особенно сильно сказаться на результате при точных изме-
рениях. Включив на короткое время ток, наблюдают за направле-
нием отклонения стрелки гальванометра. Если это отклонение
весьма сильно, то вставляют вынутый штепсель па место и выни-
мают иной, соответствующий сопротивлению другого порядка.
Так, например, если в первом случае был вынут штепсель у
100 ом, во втором удаляют штепсель у сопротивления, соответ-
ствующего 10 или 1000 ом. Иными словами, сначала находят ту
группу (единицы, десятки, сотни или тысячи) сопротивлений,
I 18
при удалении из которой одного из штепселей отклонения явля-
ются наименьшими. Если при переходе от одной группы к дру-
гой, например от сотен к тысячам, гальванометр отклоняется в
противоположную сторону, то это указывает, что сопротивление
имеет порядок сотен омов. Отыскав порядок сопротивления, бе-
рут в группе этого порядка различные варианты сопротивлении
до получения наименьшего отклонения гальванометра в ту же
сторону и затем создают различные варианты у предыдущей по
величине группы сопротивлений. Достигнув минимальных откло-
нений, сдвигают ползун вправо или влево от середины и находят
точку, при которой отклонение гальванометра равно нулю. Если
для этого, ползун приходится сдвинуть сравнительно далеко от
середины, то, следовательно, подбор сопротивлений на магазине
сделан недостаточно точно. Важно помнить, как это было указа-
но выше, что при измерениях на мостике с реохордом точность
измерения тем больше, чем ближе к середине находится положе-
ние ползунка, при котором стрелка гальванометра устанавливает-
ся на нуле.
По шкале реохорда определяются величины Ц и 12 плеч и вы-
числяют искомое сопротивление R r по формуле:
/?, = -1- • R,
12
где R — сопротивление магазина, подсчитываемое по величинам
сопротивлений катушек, у которых вынуты штепсели.
Отношение -1'- может быть вместо вычислений определено
h
по таблице 19. На реохордах, соответствующим образом градуи-
рованных, отношение плеч отсчитывается непосредственно на
шкале.
Чтобы уменьшить влияние па результат неодинаковости тол-
щины проводника реохорда, измерение сопротивления на мостике
производят два раза. Один раз измеряемое сопротивление вклю-
чают в правую ветвь мостика и магазин — в левую, другой раз
обратно: магазин в правую и сопротивление в левую. Для подоб-
ного переключения удобно включить коммутатор М (рис. 238).
Из найденных результатов измерений берут среднее арифме-
тическое:
Г>
IX =-------
л 2
13. Измерение сопротивлений мостиков Уитстона с реохордом
и катушками сопротивления. 1) Катушки сопротивления 1; 10, 100 и
1000 ом. 2) Измеряемое сопротивление. 3) Гальванометр. 4) Реохорд. 5) Один-
два элемента или аккумулятор. 6) Два ключа или двойной ключ.
Измерение с катушками сопротивлений вместо магазина про-
изводится по схеме рисунка 236, но обыкновенно даёт менее точ-
ный результат. Вместо магазина R включают одну за другой раз-
личные катушки сопротивлений и, смещая при каждой из них
1-1!)
ползунок вправо и влево от середины, находят точку, при кото-
рой гальванометр не даёт отклонения. Эта точка по большей ча-
сти лежит далеко от середины, что вносит значительное искаже-
ние в результат измерений. Поэтому для получения наибольшей
точности в настоящей работе необходим реохорд с калиброван-
ным проводником.
Сопротивление вычисляется по формуле;
/?,. - - /?,
где В — сопротивление взятой катушки.
14. Измерение сопротивления мостиком Уитстона (на перемен-
ном токе) с телефоном. 1) Телефонные трубки. 2) Пищик. 3) Один-двл
элемента или аккумулятора. 4) Катушки или магазин сопротивления. 5) Ре-
охорд. 6) Ключ или выключатель. 7) Измеряемое сопротивление.
Рис. 239. Зуммер (пищик и его уст-
ройство).
Рис. 240. Схема мостика Уитстона с
пищиком н телефоном.
Мостик Уитстона с телефоном в некоторых случаях является
необходимым, как, напри.мер, при измерениях сопротивления эле-
ктролитов. Можно также пользоваться этим типом мостика для
измерения обычных сопротивлений, но он даёт менее точный ре-
зультат, чем мостик с чувствительным гальванометром. Мостик
собирается по схеме, рисунка 240. Гместо гальванометра вклю-
чают хорошие, например от радио, телефонные трубки Т, Пита-
ние ветвей мостика производится прерывистым током, для полу-
чения которого берётся батарея В и пищик Р (рис. 239) или ми-
ниатюрная катушка Румкорфа. Наилучшие результаты получа-
ются с пищиком, чем с катушкой, так как первый способен да-
вать более чистый музыкальный топ. Катушка Румкорфа вклю-
чается в цепь своей первичной обмоткой. Включение пищика и
катушки Р может быть произведено двумя способами, показан-
ными на рисунках 241 и 242. В одном случае (рис. 241) через
150
мостик АС течёт ток от батареи В, что вызывает нежелательное
нагревание проводников. В другом случае (рис. 242) в ветви
мостика поступают только индуктивные токи, возникающие при
замыканиях и перерывах тока от батареи В. В схему мостика
вводят только один ключ или выключатель, надобность в дру-
гом, как это делается в установке с гальванометром, отпадает.
Перед сборкой мостика проверяют пищик и, регулируя установоч-
ные винты А и В (рис. 239), добиваются получения чистого
музыкального тона. Кроме того, убеждаются, что пищик или ка-
Ч||г%ШГ₽Т ,
е р • __
к
Рис. 242. Схема питания мостика ин
дуктивным током.
Рис. 241. Схема непосредственного
питания мостика прерывистым током.
тушка начинают звучать при замыканиях ключа без подталки-
вания якоря рукой. Пищик для заглушения даваемого им звука
полезно поставить на кусок войлока, закрыть сверху куском ва-
ты или железной банкой и чехлом из войлока или материи. Же-
лезная банка, кроме того, экранирует телефон от магнитного по-
ля пищика. Без такого экрана чувствительный телефон на близ-
ком расстоянии от пищика, даже не включённый в цепь; обыкно-
венно звучит. Во избежание непосредственного воздействия пре-
рывистого тока на телефон необходимо при измерениях следить
за тем, чтобы проводники телефона не.лежали близко и парал-
лельно проводникам реохорда и цепи, питаемой пищиком. По-
лезно также цепь пищика удалить возможно далее в сторону.
Измерение производят следующим образом. Надев трубки на
уши, подбирают сопротивление в магазине и передвигают ползу-
нок реохорда. Перемещение ползунка вызывает изменение отно-
шения сопротивления плеч реохорда, а следовательно, и силы то-
ка через телефон, что скажется на силе звука в последнем. Пол-
ное исчезновение звука в телефоне указывает на отсутствие тока
через телефон, что соответствует искомому положению контакта
реохорда. Измерение производится почти так же, как в мостике с
гальванометром, с той только разницей, что, подбирая сопротив-
ление магазина и положение ползунка, добиваются не отсутст-
вия отклонений гальванометра, а исчезновения звука в телефоне
в одной из точек, лежащей возможно ближе к середине реохорда.
Может случиться, что звук благодаря индуктивному воздейст-
вию цепи пищика на телефон не будет исчезать совершенно. В
151
этом случае находят точку, при перемещениях с которой ползун-
ка вправо и влево звук будет усиливаться.
Вычисление искомого сопротивления производится по фор-
Рис. 243. Включение усилителя к мостику с телефоном.
Вместо телефона можно включить усилитель низкой частоты
от радио с одной или лучше двумя лампами. Принципиальная
схема включения усилителя по-
казана на рисунке 243. За от-
сутствием трансформатора L
низкой частоты можно восполь-
зоваться сопротивлением /?0 по-'
рядка 100 000 ом, включив его
так, как это показано на том же
рисунке 243. К усилителю вме-
сто телефона берут громкогово-^
ритель Т. Пищик следует на-
крыть для экранирования же-
стяной банкой и войлоком. Ис-
чезновением звука в громкого-
ворителе определяется искомое
положение ползунка.
МОСТИКОМ Кольрауша. 1) Мостик
Рис. 244. Мост Уитстона, малый, типа
ММВ (МЭ СССР), с 5 пределами
измерения (от 0,5 до 5 ом X Ю’ X
X 1№X 10’ х 10’X Ю5).
15. Измерение сопротивлений
Кольрауша. 2) Один-два элемента или аккумулятор. 3) Измеряемое сопро-
тивление. 4) Гальванометр. 5) Телефонные трубки.
Внешний вид мостика Кольрауша изображён на рисунке 245;
его монтажная схема — на рисунке 246 и принципиальная — на
рисунках 247 и 248. Рисунок 247 показывает, что схема мостика
Кольрауша представляет собой универсальную схему мостика
Уитстона с гальванометром и телефоном (рис. 236 и 240)i. Впро-
1 Разница лишь в том, что цепь пищика и батареи включена по той
диагонали, где обычно присоединяют телефон или гальванометр. В свою оче-
редь телефон или гальванометр присоединены на диагонали пищика и батареи.
Такая перемена местами вполне возможна без всякого ущерба.
152
чем, существуют мостики Кольрауша, служащие исключительно
для измерений с гальванометром; в них пищик и переключатель
отсутствуют.
Пользование мостиком Кольрауша чрезвычайно удобно, так
как все нужные соединения уже сделаны и к мостику при-
Рис. 245. Мостик Кольрауша.
ключаются только измеряемое сопротивление Rx, батарея Б и-
гальвапометр G. Вычисления сопротивлений производятся очень
быстро ввиду того, что шкала реохорда градуирована в отноше-
ниях плеч и сопротивление магазина берут равным единице или
единице с пулями, т. е. 0,1; 10; 100 и 1000 ом.
Б
К
Рис, 246. Монтажная схема мостика Кольрауша.
Включение измеряемого сопротивления производится к клем-
мам X, гальванометра или телефона — к клеммам Т и Г, бата-
реи — к клеммам Б.
При измерениях с гальванометром ручку переключателя IT
ставят на клемму Г. Вводя одно за другим сопротивления мага-
зина, находят положения ползунка К., соответствующие отсут-
ствию тока через гальванометр. Для вычислений берут то из со-
противлений, при котором положение ползунка находится воз-
можно ближе всего к середине.
I 53
Измеряемое сопротивление равно произведению отношения
плеч, отсчитываемому по шкале, на величину сопротивления ма-
тазина.
Рис. 247. Принципиальная схема мостика Кольрауша. При положении
переключателя П на контактах ГГ мостик работает без пищика с
гальванометром.
Рис. 248. Принципиальная схема мостика Кольрауша. При положении
переключателя П на контактах ГГ мостик работает с пищиком и теле-
фоном.
При измерениях прерывистым током вместо гальванометра
включают телефон и ставят ручку переключателя 11 на клемму Т.
Для регулировки тона пищика служат винты а и в (рис. 249).
При этой операции пало быть весьма осторожным, чтобы не по-
гнуть тонкой пластинки молоточка. При измерениях находят по-
154
ложение ползунка Л', соответствующее отсутствию звука или его
минимуму в телефоне при одном из включённых сопротивлений
магазина. Вычисление величины сопротивления производится
Рис. 249. Зуммер па мостике Кольрауша.
так же, как при пользовании гальванометром вместо телефона.
Мостики Кольрауша выпускались под маркой ШМК. Погреш-
ность, даваемая мостиком при измерениях
ше, будет околю Д Зо/О и на плече 1 ом
и менее Т 5»/о, при условии, что отсут-
ствие звука в телефоне или тока в галь-
ванометре наступает в средней трети
шкалы. Крайние участки шкалы дают по-
грешность до Т 10°/о и более. Мостик с
указанной степенью точности может из-
мерять сопротивления от 0,05 до 10 000 ом.
Для мостика лучше всего применять ну-
левой гальванометр тина М-22 (МЭ
СССР) (рис. 250) и приобрести специ-
альный телефон с оголовьем с внутрен-
ним сопротивлением около 60 ом.
16. Измерение сопротивления вольт-
метром И амперметром. 1) Измеряемое со-
противление. 2) Источник постоянного тока.
3) Вольтметр, 4) Амперметр. 5) Ключ.
Одним из наиболее простых и в то же
время достаточных в большинстве слу-
на плече 10 ом и вы-
Рис. 250. Гальванометр
стрелочный нулевой М-22
(МЭ СССР).
чаев по точности способов измерений со-
противления является способ вольтметра и амперметра С Изме-
ряемое сопротивление АД, вольтметр V и амперметр А включают
1 См. важнейшие соображения в § 10,2.
155
в цепь по схеме рисунков 251, 252 и 253. Полезно в цепь ввести
также ключ или выключатель К, включая им ток только на малое
Рис. 25J. Схема для измерения
сопротивления вольтметром и
амперметром.
время для отсчётов по приборам.
Величина искомого сопроти-
вления равна
R, = — ,
I
где U и 1 — напряжение и сила
тока, отсчитываемые соответст-
венно по вольтметру и ампер
метру.
Точность измерения зависит
исключительно от точности при-
боров, поэтому желательно упо-
треблять вольтметр и амперметр
с делениями до десятых или
сотых долей.
Источник тока может быть любой: элементы, аккумуляторы
или цепь постоянного тока от освещения. Переменным током
Рис, 252. Лабораторная установка, собранная по схеме рисунка 251 для
измерения сопротивления.
Рис. 253. Демонстрационная установка для измерения сопротивления
лампочки.
156
можно пользоваться только для измерения безипдукционных со-
противлений, т. е. лампочек, нагревательных приборов и катушек
без железного сердечника, намотанных бифилярно. Безусловно,
недопустимо на переменном токе измерение сопротивлений кату-
шек с железным сердечником, например обмоток электромагни-
тов, трансформаторов, моторов и т. п. В этом случае даже при
удалении железного сердечника результат измерения не будет
сооггветств о в а ть д е й стви' гел ь -
Н'ОСТИ.
Важно заранее подобрать
такое напряжение источника,
чт1обы возникающий в цепи
ток не был значительным, вы-
зывающим ощутительное на-
гревание сопротивления, и,
кроме того, по своей величине
соответствовал бы шкале при-
бора. Если величина измеряе-
мого сопротивления заранее
совершенно неизвестна, надо
Рис. 254. Схема для измерения со-
противления способом вольтметра и
эталона сопротивления.
источник взять сначала с воз-
можно меньшим напряжением
и затем подобрать оптимальные
условия для данных приборов.
Если величина измеряемого сопротивления Rx так велика,
что приближается или превосходит величину сопротивления R
обмотки вольтметра, то во избежание крупной ошибки вычисле-
ния ведутся по формуле:
р _ _.UR_
•v RI — U ’
где R — сопротивление обмотки вольтметра — должно быть за-
ранее известно или измерено.
17. Измерение сопротивления'; способом’вольтметра и эталона
Сопротивления. 1) Вольтметр. 2) Измеряемое сопротивление. 3) Эталон
сопротивления. 4) Источник тока: батарея или сеть освещения. 5) Ключ или
выключатель.
Измеряемое сопротивление Rx включается последовательно
с эталоном (катушкой) сопротивления R в цепь батареи В
(рис. 254). Напряжение батареи берётся таким, чтобы в цепи по-
лучался слабый ток, во всяком случае меньше допустимого для
эталона. Вольтметром V измеряют падение напряжения па кон-
цах сопротивления (Ui) и па зажимах эталона (U2). Измеряемое
сопротивление равно
R(=R ,
где R — сопротивление эталона.
При измерении важно подобрать такой эталон сопротивления,
который имел бы по величине одинаковый порядок с измеряемым
157
сопротивлением. В противном случае показания вольтметра на
сопротивлении или, наоборот, на эталоне будут настолько неве-
лики, что точный отсчёт падения напряжения будет невозможен.
18. Измерения сопротивления омметром. Омметр представ-
ляет собой прибор, который позволяет определить величину из-
меряемого сопротивления в омах без каких-либо вычислений по
показанию стрелки чувствительного и многоомного вольтметра.
Нужно иметь в виду, что омметр даёт меньшую точность, чем
Рис. 255. Омметр.
мостик с хорошим магазином
и чувствительным гальваномет-
ром. Точность омметра типа
МПО достигает 2% от действи-
тельного значения измеряемой,
величины в пределах рабочей
части шкал. Рабочая часть
верхней шкалы (сотни ом) ле-
жит между 100 и 10 000 о.ч,
у нижней (тысячи ом) — меж-
ду 1000 и 100 000 ом (рис. 255).
1Лрипцип действия омметра
заключается в следующем. От-
клонение стрелки омметра, так
же как и в вольтметре и ам-
перметре, зависит от силы те-
кущего через него тока, а сле-
довательно, от напряжения If
батареи и сопротивления R со-,
ставленной цепи. Так как к
омметру батарея берётся со
строго определённым, указы-
ваемым на приборе напряжением, то, следовательно, шкалу
омметра можно проградуировать непосредственно в омах. У не-
которых омметров сухие элементы вмонтированы внутрь корпуса
прибора (рис. 170—171).
Действительно, при постоянном напряжении U сила тока I.
текущего через прибор, будет связана с сопротивлением внеш-
ней цепи R следующей зависимостью:
/ = ,
Я + г
(Д
;де R -- сопротивление внешней цепи иг — внутреннее сопри
тивление омметра.
Механизм В омметра МПО (рис. 257) имеет такое же уст-
ройство, как у вольтметров и амперметров магнитоэлектрической
системы (тин М). Разница лишь в том, что стрелка Л при от-
сутствии тока через омметр находится в правой стороне шкалы
и указывает на деление, помеченное знаком бесконечности (°°)-
158
При прохождении тока стрелка на тот или иной угол откло-
няется справа налево, а не слева направо, как у вольтметров.
Шкала же имеет деления с нулём слева, т. е. как у обычных,
приборов. Благодаря тому что сила тока, текущего через омметр,
представлена выражением (1), шкала имеет неравномерные деле-
ния (рис. 255 ).
Монтажная схема омметра изображена на рисунках 257 и-
258. К клеммам с надписью + и 1 эл. присоединяют один сухой.
Рис. 256. Омметр
М-57 (МЭ СССР)
с пределами из-
мерения от 10
до 5000 ом.
Рис. 257. Монтажная схема омметра (вклю-
чён 1 элемент — показания соответствуют
сотням омов).
элемент; к клеммам х включают измеряемое сопротивление Rx.
Вращающаяся катушка В, имеющая сама по себе сопротивление
около 400 ом, включена через дополнительное сопротивление
fl 400 ом и ключ Ki, показания в этом случае отсчитываются
по верхней шкале (сотни ом). При включении батареи
(рис. 258) напряжением 8в к клеммам -|- и 8в последовательно
с катушкой включается сопротивление г2 ~ 4500 ом-, отсчёт про-
изводится при этом по нижней шкале (тысячи ом). Прибор
даёт показание при нажиме на кнопку К2- Для установки на бес-
конечность имеется корректор С, головку которого в случае на-
добности осторожно поворачивают отвёрткой.
19. Измерение сопротивления изоляции электрической проводки
освещения. !) Омметр, или мостики Уитстона, или Кольрауша. 2) Два эле-
мента 1‘ли аккумулятор, 3) Сеть электрического освещения.
Интересную работу, показывающую проводимость изоляции,
можно провести, измеряя сопротивление изоляции электрической
проводки освещения. При этом желательно произвести измерение
изоляции:
1) Одного провода по отношению к другому при всех выклю-
ченных приёмниках. Выключение приёмников (лампочек) произ-
водится соответствующими выключателями или при отсутствии
последних посредством вывёртывания лампочек.
- 2) Каждого проводника сети по отношению к земле. Приём-
ники при этом также должны быть выключены.
С ОТНц
Рис, 258. Монтажная схема омметра (включено
напряжение 8 в — показания соответствуют ты-
сячам омов).
3) Всей сети, т. е. одного из проводников при включении всех
«ли нескольких приёмников по отношению к земле.
Измерения проще всего произвести омметром; возможно так-
же воспользоваться мостиком Уитстона или Кольрауша
(рис. 261). Для измерения у какой-либо группы электрического
освещения или всей установки освещения выключают оба предо-
хранителя и убеждаются, что ни один провод не находится под
напряжением по отношению друг к другу или к земле. При трёх-
фазном токе необходимо выключить все три провода, если прове-
ряется установка в сё целом, а не для однофазной отдельной
группы. Затем выключают все приёмники и присоединяют ом-
метр клеммой Xj к одному из проводников А (штепсельной розет-
ки или к цоколю лампочки накаливания) (рис. 259). Другую
клемму Хг омметра приключают к земле В, пользуясь для этого
лучше всего водопроводной трубой или трубами отопления и
делают отсчёт по омметру. Подобным же образом производят
измерение изоляции другого проводника по отношению к земле.
Наконец, включив несколько приёмников, измеряют изоляцию
J60
того и другого провода вместе по отношению к земле. Затем при-
ёмники выключают и проводники А и С сети присоединяют один
к клемме Xlt а другой к клемме Х2, отсоединив предварительно
землю (рис. 260). Измерение в этом случае покажет сопротив-
ление одного проводника по отношению к другому. Подобным
же образом можно произвести измерение сопротивлений: антен-
ны и сети электропроводки в лаборатории по отношению к земле.
Рис. 259. Измерение изоляции одного из проводов
освещения по отношению к земле.
Рис. 260. Измерение изоляции между двумя про-
водами освещения омметром.
Схема измерения сопротивления мостиком показана на ри-
сунке 261.
Для сравнения приводим нормы допустимого сопротивления:
1) Степень изоляции любого участка (внутренней проводки)
между двумя предохранителями (проводниками) должна быть
не менее 1000 ом, умноженных на число вольт рабочего напряже-
ния. Например, для напряжения 120 в нормой будет:
1000- 120 = 120000 ом.
11 Физический эксперимент в школе
161
2) Нормой сопротивления изоляции любого ответвления сети
внутренней проводки по отношению к земле является величина:
,0000 4-2^2^ ,
п
Рис. 261. Измерение изоляции одного из проводов
освещения по отношению ’ к земле мостиком
Уитстона.
где п — число1 лампочек. Электрическая дуга и моторы при по-
добных расчётах принимаются за 10 лампочек.
20. Мегометр с индуктором (логометр). В настоящее время
широкое распространение для технических целей получили мего-
метры с индуктором, т. е. генератором постоянного тока /1
(рис. 262 и 263). В отличие от типа мегометра, описанного в
разделе 20, источником тока служит не батарея, а индуктор А,.
вращаемый посредством рукоятки. Пульсации напряжения ин-
дуктора сглаживаются посредством конденсатора С. Прибором,
измеряющим силу текущего тока и проградуированным в омах,
служит логометр, отличающийся от обычного прибора магнито-
электрической системы наличием двух рамок. Одна из этих ра-
мок В, включаемая последовательно с измеряемым сопротивле-
нием, создаст вращающийся момент. Другая D, намотанная с
внутренней стороны рамки В и присоединённая через добавочное
сопротивление R параллельно индуктору, создаёт противодейст-
вующий момент. Благодаря такому устройству скорость враще-
ния рукоятки индуктора (в пределах от 60 до 180 оборотов в ми-
нуту) не влияет на точность измерений.
Измерение сопротивления производится по схемам рисунков
259 и 260.
§ 14. Измерение внутреннего сопротивления
Измерение внутреннего сопротивления в школьных условиях
является вообще сложной задачей и может быть сделано только
162
приближенно. Здесь описаны два простейших способа определе-
ния внутреннего сопротивления.
Рис. 262 и 263. Устройство магометра.
1. Измерение внутреннего сопротивления элемента вольтметром
и амперметром. |) Элемент. 2) Вольтметр па 3—5 в с десятыми долями.
3) Амперметр на 3—5 а с сотыми долями. 4) Реостат с .ползунком. 5) Ключ
или выключатель.
Рис. 264. Схема устройства и включения магометра.
Работа производится точно так же, как и измерение электро-
движущей силы элемента (§ 20). Внутреннее сопротивление вы-
числяется из нескольких пар наблюдений по формулам:
11*
Г
1 II-1г
Uj-
U.i
I з
И т. д„
163
где Ui, Us, U3 — напряжения на клеммах элемента при силах
тока, соответственно равных lit 12, 13. Из полученных результа-
тов берётся среднее арифметическое, которое может быть приня-
то за искомое внутреннее сопротивление:
f— г 1 г2 + • гп
п
2. Измерение внутреннего сопротивления элемента мостиком
С телефоном. I) Мостик с телефоном Уитстона или Кольрауша. 12) Дна
одинаковых исследуемых элемента.
Рис. 265. Схема для измерения внут-
реннего сопротивления мостиком с
телефоном.
против друга, приблизительно
Для измерения берут два
одинаковых элемента не только
по типу, по и -по размерам.
Важно также, чтобы жидкость
в элементах была отработана в
одинаковой степени. Поэтому
следует взять два элемента:
или свежезаряжённые, или на-
ходившиеся под равной нагруз-
кой одинаковое время. Элемен-
ты / и 2 включают в цепь мо-
стика с телефоном Т, соединив
их указанным на рисунке 265
образом. При таком способе
соединения электродвижущие
силы, будучи направлены друг
1'Имно уравновешиваются, и эле-'
менты почти не дают собственного тока в ветви мостика. В осталь-
ном измерение происходит описанным для мостика с телефоном
образом (§ 13, 14). Найденная измерением величина Rx будет
соответствовать сопротивлению двух элементов. Внутреннее со-
противление одного элемента равно:
г =
2
§ 15. Температурный коэффициент сопротивления
1. Величина коэффициента. Температурный коэффициент по-
казывает, на какую долю изменяется сопротивление проводника в
1 ом при нагревании на 1°.
Температурный коэффициент вычисляется по формуле:
а = ,
(/г — G)
где — сопротивление проводника при и R2 — сопротивле-
ние при t2°.
164
Таблица 20
Температурный коэффициент различных проводников
Вещество а Вещество а
Алюминий +0,0037 Реотан +0,00023
Бронза алюминн- Ртуть +0,00087
евая +0,001 Свинец +0,0045
Висмут +0,0037 Серебро +0,0036
Вольфрам —• Ст аль ) От +0,0045
Железо +0,0045 |до -|-0,005
Константан )От +0,00003 1д<> +0,00005 Цинк Угольная лампа + 0,0039 —0,0003
Латунь +0,0015 Раствор серной кисло-
Манганин . +0,00001 ты = 1,21 —0,015
Медь +0,004 Раствор нашатыря на-
Никель +0,0037 сыщенного —0,015
Никелин +0,0002 Раствор серпокислого
Олово +0,0037 цинка насыщенного —0,023
Плати на +0,0024
2. Уменьшение сопротивления растворов солей и кислот при
увеличении температуры.j I) Химический стакан. 2) Электроды — две
угольные палочки. 3) Серная кислота. 4) Лампочка 120 в с патроном, о) Шта-
тив пли таган. 6) Спиртовка. 7) Сеть освещения.
В химический стакан наливают воды и погружают в качестве
электродов две угольные палочки или металлические пластинки.
Важно в случае металлических электродов взять такой металл,
который нс вступал бы в химическую реакцию с раствором. Лам-
почку 120 в включают в сеть освещения так, как это показано на
рисунке 26G. Можно также взять лампу любого напряжения, но
тогда вместо сети освещения следует воспользоваться батареей с
соответствующим напряжением. Стакан ставят на кольцо штати-
ва или таган и наливают в воду осторожно из пипетки каплю за
каплей серную кислоту, щёлочь или раствор соли любого метал-
ла, помешивая стеклянной палочкой. Введение раствора в воду
прекращают, получив слабый, едва заметный накал лампы. На-
гревают стакан па пламени спиртовой лампы и наблюдают, что
накал лампы постепенно возрастает. Погружая стакан в снег
или смесь снега и ооли, наблюдают обратное явление — убыва-
ние накала лампы.
3. Увеличение сопротивления металлических проводников при
увеличении температуры. 1) Спираль из железной проволоки на под-
ставке. 2) Лампочка 120 в с патроном. 3) Источник нагревания.
4) Демонстрационный амперметр. 5) Сеть освещения.
Из железной (стальной) проволоки (/==0,5—1 м и d = 0,3—
0,8 мм) изготавливают спираль диаметром в 10—12 мм и
укрепляю^ на штативе так, чтобы спираль висела петлей
(рис. 2G7). Спираль включают в сеть освещения на изолирующем
основании последовательно с лампой накаливания 150—100 вт.
165
Рис, 266. Наблюдение уменьшения
сопротивления жидкости при увели-
чении температуры.
Лампа при этом будет горсть почти полным накалом. На-
гревают спираль на пламени газовой горелки, паяльной лампы или
(хуже) спиртовки и наблюдают уменьшение накала лампы. После
прекращения нагревания и остывания спирали восстанавливает-
ся прежний накал лампы. Вместо лампы на 120 в можно взять
любую лампу и вместо тока освещения — батарею. Возможно
также заменить лампу демонстрационным гальванометром с шун-
том или взять то и другое вме-
сте и наблюдать по прибору из-
менение силы тока. Следует
иметь в виду, что точно указать
сечение проводника для опира-
ли и его длину трудно. Их надо
подобрать экспериментальным
путём, применительно к взятой
лампе, или обратно - выбрать
лампу соответствующей мощ-
ности для данной спирали. Же-
лезную проволоку с много мень-
шим успехом можно заменить
медной.
4. Сравнение изменения со-
противлений железного и нике-
линового проводников от на-
гревания. 1) Две спирали—одна
из железной и другая из никелино-
вой проволоки. 2) Лампочка 120 в.
3) Источник нагревания. 4) Демонс-
трационный амперметр. 5) Сеть осве-
щения.
цепь последовательно две спи-
рали: одну из железной, а другую из никелиновой проволоки оди-
накового сопротивления. При этом сравнивают изменения сопро-
тивления, судя по накалу лампы или показанию амперметра сна-
чала при накаливании одной спирали, а затем другой. Опыт
обнаружит, что изменение сопротивлений у никелинового реот адо-
вого или константанового проводников значительно меньше, чем
у железных или медных проводников.
Опыт весьма показателен при выяснении значения сплавов с
малыми температурными коэффициентами.
5. Изменение сопротивления железной проволоки от нагревания.
I) Спираль из железной проволоки. 2) Амперметр до Ш—20 а. 3) Сеть осве-
щения. 4) Реостат 10—20 ом (J> 10а).
Из железной проволоки (I 1 — 1,5 м и d -- 1 — 0,8 .им)
делают спираль и кладут её на асбестовый картон или несгорае-
мое, но нс металлическое основание. Можно также проволоку, не
закручивая спиралью, подвесить к лапкам между штативами.
Последовательно с проволокой включают реостат и амперметр и
присоединяют цепь к сети освещения. ‘Постепенно выводят сопро-
166
г опыт 3, включив
тивление реостата до тех пор, пока проводник не приобретёт
красного каления, и оставляют ручку реостата на соответствую-
щей клемме реостата. Затем выключают цепь и дают проволоке
остынуть. Включив опять цепь, наблюдают по амперметру, что
сила тока до момента раскаливания проволоки постепенно умень-
шается.
Рис. 267. Наблюдение увеличения сопротивления металличе-
ского проводника при его нагревании.
6. Сравнение изменения сопротивлений от нагревания лампочек
с вольфрамовой нитью и угольной. 1) Лампочка с патроном с метал-
лической нитью. 2) Лампочка с патроном угольная. 3) Вольтметр 2—5 в.
4) Вольтметр 120 в. 5) Амперметр с делениями до сотых долей а. 6) Один-
два элемента „ли аккумулятор. 7) Сеть освещения.
Измеряют сопротивление каждой лампочки способом вольт-
метра два раза: один раз в холодном состоянии при напряжении
2—4 в и другой — при нормальном накале. В первом случае для
питания цепи берут батарею из 1—2 аккумуляторов, во втором—
сеть освещения. Ещё лучше измерение сопротивления лампочек
в холодном состоянии произвести при помощи мостика. Сравни-
вают между собой для каждой лампы величины сопротивления
в холодном и горячем состояниях и убеждаются, что сопротивле-
ние у угольной лампочки при нагреве уменьшается, у вольфра-
мовой лампочки увеличивается. Опыт показывает, что темпера-
турный коэффициент дЛр вольфрама положителен, для угля от-
рицателен.
7. Измерение температурного коэффициента сопротивления.
I) Каркас с обмоткой из железной проволоки. 2) Моток изолированной мед-
ной или никелиновой изолированной проволоки. 3) Химический стакан.
4) Источник нагревания. 5) Машинное масло. 6) Штатив или таган. 7) Вольт-
метр 4—10 в. 8) Амперметр до 1 а или миллиамперметр. 9) Батарея 4—6 в.
9) Термометр.
167
Температурный коэффициент а вычисляют по формуле:
/?1 (/а — /])
где fli — сопротивление проводника при температуре t°, и /?2 —
сопротивление после нагревания до температуры /2°- Способом
вольтметра и амперметра или лучше мостиком измеряют сопро-
тивление исследуемого проводника два раза: один раз при ком-
натной температуре ti° и другой — погрузив его в нагретое мас-
ло с температурой t2° (рис. 268).
Рис. 268. Установка для измерения температурного коэффициента
сопротивления.
Если проводник голый, его наматывают на деревянный каркас
(рис. 269) или каркас из слюды (рис. 270 а). Изолированный
проводник возможно взять в виде мотка. Однако в последнем слу-
чае не следует моток делать плотным, и необходимо измерение
до нагревания вести при возможно меньшей силе тока во избе-
жание нагревания проводника током.
В общем, чем длиннее и тоньше взят проводник, тем точнее
будут результаты измерения.
Каркас для намотки проводника можно сделать из фанеры,
пропилив лобзиком или сделав ножом углубление для закрепле-
ния отдельных витков. Удобен также каркас из трёх или четырёх
металлических стержней, концы которых вставлены в круглые до-
щечки или фанерки (рис. 270 б). Для изоляции па стержни наде-
вают резиновые трубки. Желательно иметь несколько каркасов с
обмотками из различных проводников: железного (стального),
168
медного, никелинового, константанового (/ = 3—5 м\ d — 0.5 —
0,2 мм).
При измерениях катушку с намотанным проводником погру-
жают в стакан с машинным маслом и измеряют сопротивление
проводника и температуру масла. Затем стакан медлен-
но нагревают па пламени, всё время переме-
шивая масло, и вновь измеряют сопротивление
и температуру примерно при температу-
ре 90—100°.
Катушки после опыта следует промыть
сначала в керосине, затем в бензине и хоро-
шо высушить.
С меньшим успехом можно вместо нагрева-
ния проводника подвергнуть его охлаждению,
погрузив стакан с маслом или лучше с керо-
сином в охлаждающую смесь льда и соли.
8. Стекло при нагревании становится провод-
ником. 1) Стеклянная палочка (1—8—Wcjn;d=5—8 мм). Рис. 269. Деревян-
2) Источник для нагревания. 3) Лампочка 120 в с ный каркас,
патроном. 4) Сеть освещения.
Стеклянную палочку посередине обматывают концами провод-
чиков так, как это показано па рисунке 271. Расстояние между
проводниками на палочке должно быть сделано примерно 8 —
10 мм Палочку включают последовательно с лампочкой 50-
Рис. 270а. Изготовление карка
са из слюды.
Рис. 2706. Каркас из прово-
лок.
100 вт в сеть освещения. Лампочка при этом гореть не будет. При
нагревании палочки между проводниками на пламени газовой го-
релки или спиртовки до красного каления лампочка загорается,
указывая па проводимость стекла в раскалённом состоянии. Если
отнять источник нагревания, лампочка продолжает гореть, так
как каление стекла поддерживается нагреванием тока.
Следует принять во внимайте, что опыт никакого отношения к
температурному коэффициенту не имеет и показывает ионную
проводимость стекла.
§ 16. Включение и соединение сопротивлений
1. Назначение сопротивлений. Основное назначение сопротив-
лений заключается в ограничении и изменении силы электриче-
ского тока в цепи. В этом случае сопротивлению придают по боль-
шей части вид реостата. В качестве реостатов могут быть
Рис. 271. Электролитическая проводимость стекла.
использованы сопротивления, допускающие непрерывное и плав-
ное изменение сопротивления, к числу таких реостатов относятся
водяной реостат (рис. 211 и 212), реохорд (рис. 232) и аго-.
метр.
Рис 272. Реостат: I— с подвижным контактом (ползунком); II — реостат
для школьных лабораторных работ.
170
Реостаты ламповые (см. т. I) и проволочные с ползунками
(рис. 272) или с коммутатором (рис. 273) создают изменение
сопротивления скачками, величина которых зависит от длины
секций проволоки, её сечения и удельного сопротивления.
Рпс. 273. Реостат демонстрационный с’
коммутатором.
Обычно сопротивле-
ния включаются в цепь
последовательно с тем
прибором, в котором
нужно ограничить ток
или/ 'изменить '.послед-
ний (рис. 274).
Демон стр анионный
реостат Главучтехпро-
ма обладает общим
сопротивлением в 10о.и,
таким образом, каждая
пара из 20 спиралей
имеет сопротивление,
равное 1 ом. Спирали
намотаны из константа-
новой проволоки, имею-
щей толщину у 5 пер-
вых пар по 1 мм и у
остальных —0,8 мм.
К реостатам предъ-
является общее требо-
вание, чтобы поглощае-
мая ими мощность,
превращаясь в теплоту,
рассеивалась, т. е. рео-
статы нс перегревались
выше известной темпе-
ратуры. Материал же проволоки должен быть таким, чтобы из-
менение её температуры оказывало возможно наименьшее влия-
ние на величину её сопротивления. На реостатах, как правило,
указывается, кроме величины сопротивления в омах, ещё величи-
на наибольшей допустимой нагрузки в амперах. Так, надпись
20 ом и 3 а указывает, помимо величины сопротивления, что
нельзя пропускать через реостат тока, большего чем 3 а, во избе-
жание чрезмерного разогревания проволоки. При самостоятель-
ном изготовлении проволочных реостатов можно руководиться
данными, приведёнными в таблице 12, помещённой на стр. 121.
Так как изготовление коммутатора нс всегда возможно но тем
или иным причинам, то рекомендуем для надёжных переклю-
чений тока пользоваться однополюсным штепселем или закоро-
ченной штепсельной вилкой, втыкаемымХ в соответствующим об-
разом смонтированные штепсельные гнёзда (рис. 275). Спирали
реостата рекомендуется подвязывать к шейкам роликов. Недоста-
171
ток этого реостата заключается в прерывании тока в цепи во вре-
мя переключений.
Параллельное соединение сопротивлений практикуется в тех
случаях, когда нужно, не ограничивая силы тока в цепи, полу-
чить через включённый прибор ток меньшей силы. Так чаще
всего поступают при шунтировании электроизмерительных прибо-
Рис. 274. Включение реостатов последовательно.
ров (§ 8, 6 и рис. 107—НО и 143). На практике возможен слу-
чай, когда необходимо1 получить горение при напряжении 220 а
последовательно соединённых ламп по НО в различной мощ-
ности, например 300 вт и 40 вт. Тогда лампу 40 вт шунтируют
проволочным реостатом и, сдвигая ползунок от наименьшего со-
противления, добиваются нормального горения обеих ламп.
Сопротивления могут быть использованы так же как делители
напряжения или потенциометры. Подобные схемы применяются
главным образом в тех случаях, когда па прибор надо подать
определённое напряжение, причём расход тока должен быть наи-
меньшим. В этом случае сопротивление целиком замыкается на
источник тока; для уменьшения же потерь, на бесполезную
трату энергии источника и нагревание это сопротивление де-
лают достаточно большим. Прибор исключается как указано
172
на рисунке 276; смещение подвижного контакта позволяет полу-
чить любое напряжение от нуля до величины, равной напряже-
нию источника тока.
Особо важную роль играют сопротивления как проволочные,
так и непроволочные. в радиотехнике, о чём см. т. V.
Рис. 275. Детали самодельного про-
волочного реостата.
Рис. 276. Схемы включения со-
противления как потенциометра.
2. Демонстрация последовательного соединения сопротивлений.
1) Три-четыре лампочки 120 в, одинаковые по мощности. 2) Амперметр до
1 а. 3) Сеть освещения.
Для демонстрации, что сопротивление возрастает при после-
довательном соединении приёмников (сопротивлений), сначала
измеряют силу тока в цепи одной лампы при помощи демонстра-
ционного амперметра. Лампу берут 120 в и в качестве источника
тока пользуются сетью освещения. С одинаковым успехом можно
взять лампу любого напряжения и питать её от соответствующей
батареи элементов или аккумуляторов. Затем цепь составляют
из двух, трёх, четырёх последовательно соединённых ламп, лучше
одинаковой мощности, измеряют силу тока в каждом отдельном
случае (рис. 277). Измерения покажут, что сила тока убывает
и, следовательно, сопротивление цепи возрастает тем больше,
чем значительнее количество включённых последовательно ламп.
О силе тока вместо амперметра можно судить также по степени
накала волосков. Попытки проверить формулу в установке с лам-
173
нами будут безуспешны, так как сопротивление каждой лампы
изменяется в зависимости от степени накала.
Вместо ламп можно пользоваться проволочными соединения-
ми, лучше всего из никелиновой проволоки, измеряя силу тока
Рис. 277. Измерение силы тока при последовательном соединении.
(от батареи) при одной, двух и трёх включённых последователь-
но спиралях (рис. 279).
3. Измерение сопротивления группы сопротивлений, включённых
последовательно. 1) Три-четыре проволочных сопротивления. 2) Один-два
элемента или аккумулятор. 3) Вольтметр. 4) Амперметр.
Для проверки формулы последовательного соединения
R = Д + Д-Ь Г9 (1) и R = пг (2)
измеряют (способом вольтметра
помощи мостика) каждое из
и амперметра или лучше при
сопротивлений в отдельности
Рис. 278. Измерение силы тока при параллельном соединении.
и затем сопротивление групп, составленных из этих сопротивле-
ний в различных комбинациях, соединяя для этого катушки
последовательно. Для успеха опыта необходимо взять сопротивле-
ния из таких материалов, которые обладают малым температур-
174
ним коэффициентом, например из никелина. Электрические
лампочки для этой цели мало подходящи, так как дают значи-
тельное изменение сопротивления в зависимости от силы тока;
впрочем ими можно пользоваться, употребляя при способе вольт-
метра или амперметра очень слабые токи или ведя' измерение
на мостике. Проволочным сопротивлениям придают вид спира-
лей или натягивают их на
доске так, как это изображено
на рисунке 279. Ещё лучше в
качестве 'Сопротивлений (взять _______________
несколько катушек сопротивле-
ния или магазин. Работу жела-
тельно проделать не только с
катушками различных сопро-
тивлений но и с одинаковыми,
чтобы иметь возможность про- Рис. 279. Монтаж сопротивления,
верить формулу нс только (1),
но и (2).
4. Параллельное соединение сопротивлений, д. |) Три-четыре лам
почки 120 в. 2) Амперметр. 3) Сеть освещения.
Для демонстрации, что сопротивление убывает при парад
дельном соединении приёмников, измеряют силу тока при помощи
демонстрационного амперметра в цепи сначала одной лампы,
а затем подключая параллельно ей ещё другие лампы (рис. 278)
Для этой цели удобнее всего пользоваться ламповым реостатом.
Если при этом напряжение в сети не изменяется, что, в частно-
сти, зависит от сопротивления подводящих ток проводников,
и амперметр даёт верные показания, то возможно произвести
соответствующие расчёты и проверить формулы:
= г' г* Гз
Г| Г2 4- г2 Гз + Г| г3
(2)
Для проверки формулы (2) цепь следует составлять из ламп
одинаковой мощности.
Б. 1) Три-четыре проволочных соединения. 2) Один-два элемента пли
аккумулятор. 3) Вольтметр. 4) Амперметр.
Демонстрацию возможно также произвести при помощи при-
бора, изображённого па рисунке 279, и батареи.
Проверка формул (1) и (2) производится так же, как и рабо-
та 1, с той только разницей, что катушки включаются между
собой параллельно.
17&
ГЛАВА ЧЕТВЁРТАЯ
ЗАКОН ОМА
§ 17. Механические аналогии закона Ома
1. Гидравлическая аналогия падения потенциала. 1) Сосуд с ту-
бусом. 2) Резиновая трубка. 3) Стеклянные трубки (d=5—8 мм). 4) Пять-
шесть стеклянных тройников. 5) Подставка деревянная. 6) Зажим Мора.
7) Ведро.
На доске (1—1,5 л X 15 сл X 2 см) укрепляют вертикально
на равном расстоянии друг от друга пять-шесть стоек
Рис. 280. Прибор для наблюдения гидродинамической анало-
гии падения напряжения.
(50 см X 5 см). Собирают прибор из стеклянных трубок, соеди-
няя их резиновыми трубками через тройники а, изображённый
на рисунке 280. Воду в прибор пускают из стеклянной банки D
с тубусом, поставленной на подставку. Уровень налитой в банку
воды должен быть взят несколько нил е верхних концов стеклян-
ных трубок. Свободный конец горизонтальной резиновой трубки
запирают зажимом Мора Ь. Тогда уровни жидкости расположатся
на одной горизонтальной линии АВ. Уподобляя высоту уровня h
76
потенциалу, получаем картину, аналогичную изображённой
па рисунке 283. При открывании зажима b уровни расположатся
но наклонной прямой СЕ, то соответствует картине падения
потенциала в однородном проводнике (рис. 285). Зажав зажима-
ми Мора одну-две резиновые трубки, идущие к вертикальным
трубкам, повторяют опыт и показывают, что разность потенциа-
лов между двумя точками прямо пропорциональна расстояниям
между последними. Для большей видимости рекомендуется воду
брать подкрашенной.
2. Аэродинамическая аналогия падения потенциала, п Стекляп-
:i.;e трубки (7-ir—12 см; d=i> —10 мм). 2) Резиновая трубка, Три троп-
ика такой же толщины, как стеклянные трубки. 4) Крупная и мелкая дробь
или зерно. 3) Водоструйный насос. (>) Водопровод, 7) Tpi цпдяных мано-
метра.
Рис. 281. Трубки для наблюдения аэродинамической анаши ни
падения потенциала.
Три стеклянные трубки А, В и С соединяют между собой при
помощи тройников (рис. 281). Одну из них А заранее наполняют
крупной, другую С мелкой дробью или зерном (пшено), третью В
оставляют свободной. К ответвлениям от тройников 1, 2, 3. и 4
присоединяют водяные манометры; через трубки посредством па-
рне. 282. Модель аэродинамической аналогии падения потенциала.
coca, подающего воздух непрерывной струёй, продувают воздух.
Проще, присоединив к ним водоструйный насос, высасывают из
них воздух. Судя по разности показаний манометра, убеждаются,
что наибольшее падение потенциала имеет место в трубке С,
наименьшее — в трубке В. Вместо нагнетания или высасывания
12 Физический эксперимент в школе 177
воздуха через трубки можно пропускать светильный газ и затем
сжигать его для уничтожения запаха (рис. 282). Между прочим,
величина пламени газа служит указателем протекающего коли-
чества газа, т. е. «силы тока». Увеличивая или уменьшая «силу
тока» газа, наблюдают соответствующее изменение «разностей
потенциалов».
§ 18. Падение напряжения
1. Падение потенциала в цепи с электростатической машиной.
1) Электростатическая машина. 2) Верёвка или толстая катушечная нить
(/=1,5—2 м). 3) Две эбонитовые или сургучные палочки. 4) Два штатива.
5) Тонкая папиросная бумага.
Один полюс электростатической машины соединяют с зем-
лёй F, к другому включают тонкую пеньковую верёвку или кату-
шечную нитку, натянутую вдоль демонстрационного стола между
двумя штативами (рис. 283). Для изоляции нить привязывают
к эбонитовым палочкам D, зажатым в лапки штатива. Вдоль
нитки вешают несколько пар листочков А из тонкой папиросной
бумаги, сделанных так же, как это обыкновенно бывает для
электроскопов (рис. 284). Расхождение таких листочков будет
Рис. 283. Картина распределения потенциала в незаземлённом
проводнике при разомкнутой цепи.
зависеть от находящегося на них заряда, величина которого
определяется ёмкостью листочков и их потенциалом. Для подве-
шивания на нитку бумажную полоску на конце сгибают.
При вращении электростатической машины нитка получит
заряд, благодаря чему листочки разойдутся везде на одинаковый
угол, показывая тем самым, что потенциал на всём протяжении
нити одинаков i. Затем конец нити D заземляют (Т7) и, судя
по углу расхождения листочков, обнаруживают, что потенциал
постепенно уменьшается от точки Е до точки D, где и становится
равным нулю (рис. 285).
1 Если листочки расходятся на разные углы или совсем не расходятся,
то, следовательно, нитка является изолятором. Для придания проводимости
следует несколько раз провести по нитке влажными, но не мокрыми паль-
цами. Важно при этом не слишком увлажнить нитку и не придать ей зна-
чительной проводимости, вследствие чего описываемые ниже опыты не вый-
дут. Вместо увлажнения рациональнее слегка натереть нитку графитом от ка-
рандаша.
178
4
Рис. 284.
Устройства
лисчочкав..
Наконец, нитку обоими концами, предварительно отсоединив
от заземления, приключают к электродам машины, создав замкну-
тую цепь (рис. 286). Расхождение листочков при
работе машины покажет, что потенциал по мере
удаления от одного электрода убывает, делается
на середине нитки О равным нулю и затем вновь
возрастает по абсолютной величине, но при этом
нмс^т противоположный знак.
При демонстрации обращают внимание, что па-
дение потенциала является равномерным в случае
однородного проводника. Для обнаруживания не-
равномерного падения какой-нибудь участок нити
DE сильно смачивают или заменяют металличе-
ским проводником и получают картину, подобную,
например, изображённой на рисунке 287.
Следует иметь в виду, что описанный опыт
rw4f2 нагляден, но не является безупречным в
научном и методическом отношениях. Действитель-
но, подвешенные листочки регистрируют поверх-
ностную плотность, не потенциал. Поэтому
более правильно обойтись без подвешивания лис-
точков, а потенциалы различных точек нити сравни-
вать между собой, двигая по нити одним концом
(укреплённой на изолирующей палочке), другой конец которой
присоединён к стержню (шарику) заземлённого электроскопа со
стрелкой или листочками.
Рис. 285. Картина падения потенциала в заземлённом проводнике.
2. Обнаружение падения напряжения при помоши лампочки
1) Два никелиновых или железных проводника (/=7<—н>о см-, a=\i.;<—
0,8 мм). 2) Лампочка 2,5—4 в с патроном. 3) Два-три штатива. 4) Два-три
элемента или аккумулятор. 5) Реостат. 6) Вольтметр.
Два никелиновых или железных проводника, соединённых
между собой на концах АВ, натягивают параллельно друг
другу между штативами и включают через реостат к двум-
трём элементам или аккумуляторам (рис. 288).
К патрону лампочки приспосабливают две голые медные про-
волоки а и Ь, посредством которых лампочка могла быть подве-
А7!)
шена и включена в любом месте параллельных проводников
(рис. 289). Сдвинув лампочку по проводникам возможно ближе
к батарее, регулируют сопротивление реостатом так, чтобы полу-
чить горение лампы с небольшим перекалом.
Сдвигая лампочку по проводнику в направлении к точкам С2
и Съ наблюдают, что накал сё постепенно убывает.
Рис. 286. Картина падения потенциала в замкнутой цепи.
Рис. 287. Картина падения потенциала в замкнутой цепи при различных
проводимостях участков цепи.
Следует иметь в виду, что опыт нельзя считать безупречным,
поскольку сопротивление лампочки является недостаточно боль-
шим, чтобы не вносить искажений в распределение потенциала,
существовавшее до её включения.
Опыт можно видоизменить следующим образом. Вместо двух
проводников берут один никелиновый (/=1 —1,5 м; d = 0,3—
0,5 мм) и приключают к нему лампочку указанным на рисунке
290 образом, меняя длину участка АВ. Проводники, подводящие
ток от батареи, делаются из медного проводника.
180
вдоль класса.
Рис. 289. Монтаж электрической
лампочки.
; Рис. 290. Установка для демонстрации падения напряжения в проводнике.
3. Демонстрация падения напряжения, j) Два никелиновых про-
водника (/=5—6 м; 4=1—2 мм). 2) Четыре орешковых изолятора. 3) Лам-
почки 4; 12; 120 в с патронами. 4) Рубильник. 5) Сеть освещения.
Два никелиновых проводника (d = 0,5—0,8 мм), присоединив
к их концам для изоляции орешковые изоляторы, натягивают
параллельно между двумя противоположными стенами вдоль или
поперёк класса (рис. 291). 'Проводник через рубильник вклю-
чают в сеть освещения. К проводникам присоединяют лампы
с напряжением 120 8, 12 8 и 4 8, подобрав места включения так,
чтобы они горели с нормальным накалом.
Рис. 291. Схема цепи для наблюдения падения напряжения.
Опыт чрезвычайно эффектен, но имеет тот недостаток, что
благодаря различным силам тока, текущего на отдельных участ-
ках, нельзя установить прямую пропорциональность разности
потенциалов длине проводника.
§ 19. Закон Ома
1. Зависимость падения напряжения от сопротивления при по-
стоянной силе тока. 1) Никелиновый проводник (/=1—1,5 м; 4=0,3—
0,5 мм). 2) Вольтметр. 3) Амперметр. 4) Один-два аккумулятора или эле-
мента. 5) Метровая линейка.
Никелиновый проводник натягивают между двумя клеммами
С и D на линейке с делениями, включают его в цепь одного-двух
аккумуляторов или элементов через амперметр А (рис. 292).
Вольтметр V присоединяют одним полюсом к клемме С и дру-
гим — к подвижному контакту К. Удобнее всего воспользоваться
для этого опыта реохордом.
Вольтметром измеряют падение напряжения U для участков
, - .и
различной длины I и убеждаются, что отношение — для однород-
ного проводника есть величина постоянная при неизменной силе
тока.
2. Зависимость падения напряжения от сопротивления в це-
почке проводников. 1) Три проводника: медный, железный и никелиновый
(1=20—30 см\ 4=0,3—0,5 мм). 2) Вольтметр. 3) Лампочка с патронами
2,5—3 в. 4) Два штатива. 5) Два-три аккумулятора или элемента.
182
Проводники — медный, железный и никелиновый одинаково-
го сечения и длины — соединяют между собой последова-
тельно и подвешивают между двумя штативами (рис. 293).
Проводники включают к трём-четырём аккумуляторам, измеряют
вольтметром напряжение на концах каждого из них и убеж-
даются, что наибольшее падение напряжения даёт никелиновый
Рис. 292. Установка для измерения падения напряжения на участке
СК проводника.
* Никулин Жплелп
Рис. 293. Установка для обнаруживания неодинакового падения напряжения
в различных проводниках.
и наименьшее — медный. Вместо вольтметра примерно то же
можно обнаружить, присоединяя поочерёдно на каждый участок
указанным на рисунке 293 образом лампочку рудничную или
от карманного фонарика ’. Лампочка, включённая параллельно
1 Действительно, лампочка имеет малое сопротивление и, следовательно,
её включение будет вносить искажения в распределение потенциала в цепи.
183
никелиновому проводнику (с наибольшим сопротивлением),
будет гореть с перекалом, лампа, переключённая же параллель-
но к железному, — нормально или с недокалом и, наконец, пере-
ключённая к медному, — накаливаться не будет.
3. Зависимость силы тока от напряжения при постоянном сопро-
тивлении. 1) Три-пять аккумуляторов или элементов. 2) Вольтметр, 3) Ам-
перметр. 4) Реостат с ползуном на 5—10 ом.
Для изучения зависимости
силы тока в одной и той же
цепи от напряжения источника
тока собирают установку, изоб-
ражённую схематически на ри-
сунке 294. Включив три-пять
Рис. 295. График для закона Ома.
Рис. 294. Схема цепи для
обнаруживания зависи-
мости силы тока от на-
пряжения.
последовательно соединённых между собой аккумуляторов или
элементов, подбирают, сдвигая ползун в реостате Р, такое сопро-
тивление, чтобы сила тока не превышала десятых долей ампера.
Приключая проводник а к полюсам 1, 2, 3 и т. д. аккумуляторов
и тем самым изменяя напряжение источника тока, по вольтметру
отсчитывают напряжение и по амперметру — силу тока.
Результаты опыта позволяют установить, что в цепи с постоян-
ным сопротивлением сила тока прямо пропорциональна напря-
жению источника. Точно так же для установления зависимости
важно, чтобы измерительные приборы были верны и проводник
реостата имел малый температурный коэффициент. Результаты
измерений лучше всего обработать в виде графика, откладывая
по оси абсцисс напряжение и на оси ординат — силы тока
(рис. 295). Такой график носит название характеристики провод-
ника.
4. Зависимость силы тока от сопротивления при постоянном
напряжении. Демонстрация проводится подобно опыту, описан-
ному в § 12, 1. Для лабораторных работ следует на дощечках
с клеммами взять спирали из никелиновой проволоки с сопротив-
лениями секций, равными 1; 2 и 2 ом (рис. 296).
184
5. Обнаруживание падения напряжения внутри источника тока
(гальванического элемента). 1) Элемент Лекланше. 2) Реостат с ползуном.
Вольтметр. 4) Амперметр. 5) Ключ.
Для опыта берут демонстрационный вольтметр и присоеди-
няют его к клеммам какого-нибудь элемента с большим внутрен-
ним сопротивлением, например Лекланше (рис. 297). Кроме того,
Рис. 296. Монтаж спиралей для лабораторных работ.
Рис. 297. Схема цепи для
демонстрации падения
напряжения внутри ис-
точника тока.
к элементу приключают амперметр и реостат с ползуном (10—
15 ом). Замечают показание вольтметра при разомкнутой цепи
и затем наблюдают изменение напряже-
ния на клеммах элемента, постепенно
уменьшая сопротивление реостата от ма-
ксимума до нуля. Опыт обнаружит, что
напряжение на клеммы будет убывать,
что соответствует увеличению падения
напряжения внутри элемента, по мере
возрастания силы тока, о которой судят
по амперметру. Пользоваться для опыта
аккумуляторами, вместо элементов, не
рекомендуется, так как благодаря мало-
му внутреннему сопротивлению первых
изменения напряжения при различных
нагрузках не будут так резко отличаться друг от друга, как
у элементов. Кроме того, для аккумуляторов во избежание их
порчи нельзя брать ток, больший нормы.
6. Демонстрация падения напряжения внутри элемента при по-
мощи лампочки. 1) трИ элемента Лекланше или сухих. 2) Две-три лам"
почки 3—4 в.
К батарее, лучше всего из трех элементов Лекланше, приклю-
чают одну лампочку от карманного фонарика. Затем включают
параллельно ей вторую и третью лампу и наблюдают, что накал
первой лампы сильно уменьшается, что указывает в конце концов
на увеличение падения напряжения внутри элемента.
7. Парадокс высоковольтного генератора. 1) Индуктор (.магнето)
телефонный. 2) Лампочки 120 в (15—25 вт), 12 в и 3—4 в.
Присоединяют к клеммам телефонного индуктора лампочку
на 120 в или ещё лучше на 220 в малой мощности, например 15
или 25 вт, и убеждаются, что при вращении индуктора волосок
185
накаливается хотя бы в слабой степени (рис. 298). Затем вклю-
чают лампочки 12 в и 3—4 в и наблюдают, что они не накали-
ваются от индуктора. Это явление объясняется тем, что даже
при замыкании накоротке индуктор может дать ток силой при-
мерно не более сотых долей ампера.
Рис. 298. Накаливание лампы 120—220 в от телефонного магнето.
Действительно, несмотря на возбуждение в индукторе элек-
тродвижущей силы в несколько сот вольт, ток получается очень
слабым благодаря большому внутреннему сопротивлению, дости-
гающему нескольких тысяч ом. Таким образом, ток от индук-
тора может дать слабый накал волоска лампы 120 в (для лам-
пы 15 вт ток для её нормального накала равен около 0,12 а)-
Автомобильная лампа 12 в и лампа от карманного фонарика
требуют для своего нормального накала: первая — около 1—2 о
и вторая — 0,5 а, и поэтому они током индуктора накалены быть
яе могут.
х? В
Рис. 299. Схема включения в сеть освещения двух ламп 120 в и 4 в.
J86
Опыт является наиболее убедительным из всей описанной
серии и весьма рекомендуется для демонстрации вопроса о зако-
не Ома для всей цепи.
Чтобы доказать, что в рассматриваемом явлении играет роль
именно внутреннее сопротивление, полезно собрать установку,
изображённую на рисунке 299. В осветительную цепь включают
сопротивление Л? = 200—500 ом (изображающее внутреннее
сопротивление магнето) и две лампы: лампу А (15—25 вт 120 в)
и лампу В (4—12 в). Лампа 120 в даст слабый накал, лампа 4—
12 в гореть не будет.
§ 20. Измерение электродвижущей силы
1. Измерение электродвижущей силы вольтметром. 1) Элемент
или аккумулятор. 2) Вольтметр с большим внутренним сопротивлением.
Измерение электродвижущей силы какого-нибудь источника
тока (элемента, аккумулятора, динамо-машины) при помощи
вольтметра возможно только приближённо и при том непремен-
ном условии, чтобы сопротивление вольтметра было во много раз
больше, чем внутреннее сопротивление источника. Действительно,
электродвижущая сила Е источника В равна падению напряже-
ния и внутри источника и падению напряжения U во внешней
цепи, составленной в данном случае из одного вольтметра V
(рис. 300):
E = U + u
или
E = IRA-Ir, (1)
где / — сила тока, R — сопротивление внешней цепи иг — вну-
треннее сопротивление источника.
Деля выражение U = IR на (1), получим:
U _ R
Е /? + r ’
Эта формула показывает, что отношение напряжения на клем-
мах источника тока, отсчитываемое по вольтметру к электродви-
жущей силе, будет тем ближе к единице, чем меньше внутреннее
сопротивление г источника по сравнению с сопротивлением R
вольтметра.
Поэтому для измерения электродвижущей силы источников
с малым внутренним сопротивлением (аккумулятор, динамо-ма-
шина) можно непосредственно пользоваться хорошим проверен-
ным вольтметром с делениями до десятых или сотых долей
вольта.
Для источников с большим внутренним сопротивлением (на-
пример, некоторых элементов, индуктора или магнето и т. п.)
после измерения напряжения U на клеммах разомкнутого источ-
187
ника электродвижущую силу вычисляют по формуле:
£= и (R +»
R
где сопротивления вольтметра R и внутреннее г должны быть
заранее известны. Этот последний способ, однако, малоупотреби-
телен; для измерения электродвижущей силы следует пользо-
ваться способом, описанным ниже.
2. Измерение электродвижущей силы при помощи амперметра
И вольтметра. 1) Элемент Лекланше, сухой или’Грене. 2) Реостат с пол-
зуном. 3) Амперметр до сотых долей ампера. 4) Вольтметр до сотых долей
вольта.
Для измерения электродвижущей силы следует брать элемен-
Рис. 300. Измерение электро-
движущей силы высокоомным
вольтметром.
ты, а не аккумуляторы, так как
последние требуют много более
чувствительных вольтметров. Ус-
тановку собирают из исследуемого
элемента амперметра и реоста-
та на 50—100 ом (рис. 297).
Вольтметр приключают к клем-
мам элемента. Работа сводится к
измерению напряжений U}, U2, U3
и т. д. и сил токов /ь /2 и т. д.
для различных сопротивлений,
взятых на реостате, например
100; 30; 10 и 1 ом. Электродвижу-
щая сила Е может быть представ-
лена рядом равенств:
E = U1 + I1r,
Е = U2 + /а г,
(1)
E~U, + I»r,
где г — внутреннее сопротивление элемента. Комбинируя эти ра-
венства попарно и исключая из них неизвестное г, находят вели-
чину Е электродвижущей силы:
£* и2 I] — U1 ^2
Из полученных результатов берут среднее арифметическое,
которое и может быть принято за электродвижущую силу эле-
мента.
Из уравнений (1), исключая величину Е, можно также вычис-
лить внутреннее сопротивление элемента г.
Описанным способом, кроме элемента, может быть измерена
величина электродвижущей силы динамо-машины и её внутреннее
сопротивление.
3. Измерение электродвижущей силы элемента методом ком-
пенсации. i) Аккумулятор кислотный или два щелочных. 2) Элемент Ле-
188
Аланию. 3) Элемент Даниэля. 4) Реохорд. 5) Коммутатор. 6) Двойной ключ.
7) Гальваноскоп. 8) Гальванометр.
Работа позволит сравнить между собой электродвижущие
.'илы двух элементов и вычислить одну из них, если другая
пвесгна.
В основе способа лежит следующая теория.
Пусть к концам проводника АВ (реохорда), снабжённого под-
вижным контактом С, включён источник тока с электродвижущей
'илой Е и к у" ~тку АС присоединён элемент с электродвижу-
щей силой е. Е (рис. 301). В цепь последнего элемента вклю-
чён гальванометр G. Пере-
мещая ползун С при усло-
вии, что er < Е, можно
найти такое его положе-
ние, что ток в гальвано-
метре будет отсутствовать.
Осуществится это при ус-
ловии:
=_______г_1__
Е R + г i
или:
Е • г, zi\ Рис. 301. Схема (принципиальная) цепи для
г ' ' ' измерения электродвижущей силы методом
компенсации.
где R — сопротивление участка цепи АаЬВ, г — сопротивление
проводника АВ и г\ — сопротивление АС.
Если вместо элемента Ci взять другой с иной электродвижу-
щей силой е.2, то опять-таки, перемещая ползун С, можно найти
некоторое его положение D, соответствующее отсутствию тока
через гальванометр. Тогда, подобно предыдущему, можно на-
писать:
где — сопротивление участка AD. Деля (1) на (2), получаем
искомую формулу: .
е2 rt
или
— = — , (3)
«2 G
где It и 12 соответственно равны длинам АС и AD.
Установка для измерения методом компенсации собирается
по схеме рисунка 302. Для сравнения берут два каких-нибудь
элемента ei и е2 с различными электродвижущими силами, яапря-
189
мер Лекланше и Даниэля, Лекланше и Грене, щелочной акку-
мулятор и свинцовый и т. п., и полюсы их присоединяют к клем-
мам 1, 3 и 2, 4 двухполюсного переключателя (рис. 302).
К клеммам а и b коммутатора приключают цепь ука-
занным на рисунке 302 образом. Назначение коммутатора -
Рис. 302. Схема установки для измерения
электродвижущей силы методом компенса-
упростить замену вклю-
чения одного элемента
ег другим е2, так что без
коммутатора можно
свободно обойтись. Без-
условно, необходимо,
чтобы электродвижу-
щая сила элемента или
батареи Е была больше
электродвижущей силы
каждого из элементов
и е2. В случае необхо-
димости можно взять
два элемента, соеди-
няй. нив их последователь-
но. При включении эле-
ментов Е, et и е2 важно, чтобы к клемме Л реохорда были присо-
единены одинаковые полюсы, обозначенные па рисунке 302 зна-
ком +
Для предварительных измерений рекомендуется к гальвано-
метру включить балластное сопротивление или взять гальвано-
скоп. В схему необходимо ввести также двойной ключ и при-
том так, чтобы сначала замыкалась цепь батареи Е, и только
затем цепь с гальванометром.
Измерение производят следующим образом. Введя в цепь
посредством коммутатора один из сравниваемых элементов, на-
пример et, и замкнув цепь ключом К, сдвигают ползун С до тех*
пор, пока ток в гальванометре не исчезнет. Выключив балластное
сопротивление у гальванометра или заменив гальваноскоп галь-
ванометром, более точно находят положение ползуна, соответст-
вующее отсутствию тока, и измеряют по шкале реохорда рассто-
яние li, равное АС. Затем заменяют элемент 4 другим — Z2 и,
повторив описанные манипуляции, находят расстояние /2.
Пользуясь формулой (3), находят отношение электродвижу-
щих сил сравниваемых элементов, т. е.
_£t_ _ Ji_
е2 h
и вычисляют электродвижущую силу одного элемента по фор-
муле:
если электродвижущая сила другого известна.
190
ГЛАВА ПЯТАЯ
РАБОТА И МОЩНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
§ 21. Ваттметры (электродинамометры)
1. Общие значения. Определение мощности тока в школе
производится в результате измерения напряжения вольтметром и
силы тока амперметром с последующим перемножением изме-
ренных величин. Устройство приборов, в которых отклонение
к
Рис. 303—304. Устро1ство электродинамического прибора.
стрелки одновременно зависит от напряжения и от силы тока и
которые служат для непосредственного измерения мощности тока
в школе, рассматривается редко, несмотря на принципиальную
важность таких приборов и полную доступность принципа их
устройства для учащихся X класса. Измерители мощности —
ваттметры — являются частным видом приборов, называемых
электродинамометрами.
Принцип действия электродинамометров весьма прост и ясен
из рисунков 303 и 304.
Основными частями прибора являются катушки: одна или две
из них неподвижные А, а другая В способна поворачиваться во-
191
круг оси О, на которой укреплена стрелка прибора. Вращению
катушки В противодействуют две пружинки FF. Пластина D,
соединённая со стрелкой и перемещающаяся в закрытом жолобе,
является демфером (успокоителем). Винт д с эксцентрическим
придатком служит для установки стрелки на нуль. Взаимодейст-
вие между катушками возникает в результате магнитных полей
токов, протекающих в катушках А и В. Вращающий момент при
этом будет зависеть как от силы тока, протекающего через не-
подвижную катушку, так и от силы тока, протекающего через
подвижную. В неподвижней п подвижной катушках делают раз-
ное число витков и по-разному их соединяют, что позволяет при-
менять электродинамометр для различных целей.
Для применения электродинамометра наиболее характерны
следующие три случая:
1) Есл.: одну из катушек с большим числом витков вклю-
чить в цепь (возможно включить ещё сопротивление) параллель-
но потребителю ^. -к вольтметр), то сила тока, протекающего че-
рез эту катушку, прямо пропорциональна величине напряжения в
цепи. Другую катушку с меньшчм числом витков включают в цепь
последовательно (обычно через шунт) с потребителем (как
амперметр). Сила тока через эту катушку определится сопротив-
лением потребителя, так как эта катушка имеет мало витков и ма-
лое сопротивление. Вращающий момент (а следовательно, пока-
зания прибора) будет пропорционален мощности тока.
2) При параллельном соединении обеих катушек уменьшится
сопротивление электродинамометра, и электродинамометр может
служить амперметром, так как взаимодействие катушек будет
пропорционально силе тока.
3) При последовательном соединении обеих катушек увеличи-
вается сопротивление прибора, и его можно использовать для из-
мерения напряжения в цепи, т. е. как вольтметр. t
Во всех разобранных случаях взаимодействие катушек будет
происходить как при постоянном, так и при переменном токе. При-
меняя электродинамометр как ваттметр для переменного тока, мы
будем измерять им истинную мощность, так как при сдвиге фазы
между напряжением и силой тока прибор уменьшает свои показа-
ния. Действительно, наличие максимума тока (и магнитного по-
ля) в катушке, включённой как вольтметр, при сдвиге фазы не
совпадёт с максимумом силы тока в катушке, включённой как
амперметр, и, следовательно, повлияет на их взаимодействие.
Если же измерять силу тока и напряжение переменного тока от-
дельными приборами, то сдвиг фаз не влияет на их показания, и
мощность, вычисленная по этим показателям (перемножением ве-
личин напряжения и силы тока), не будет соответствовать истин-
ной.
2. Крутильный электродинамометр. Изображённый на рисунке
"305 крутильный динамометр, устаревший как технический прибор,
192
может служить для измерения как напряжения и силы, так и
мощности переменного и постоянного токов. Интересен он тем,
что весь механизм открыт (рис. 306) и поэтому доступен для из-
учения. Динамометр состоит из двух катушек: подвижной В и не-
подвижной А. Подвижная катушка сделана из одного или не-
скольких витков толстой проволоки и висит на пружинке С, вра-
щающий момент которой можно изменять, поворачивая головку
D, соединённую с указателем F. Для отсчёта угла поворота слу-
жит круговая шкала К. В свою очередь подвижная катушка снаб-
Рис. 305. Схема устрой-
ства крутильного элек-
тродинамометра.
Рис. 306. Крутильный электро-
динамометр.
жена указателем Z, позволяющим отмечать её положение по той
же шкале. Концы катушки помещены в чашечках с ртугью,
центры которых лежат на оси вращения. Неподвижная катушка
состоит обыкновенно из двух обмоток: одна из толстой, другая из
тонкой проволоки. Толстая обмотка включается при измерении
сильного тока, тонкая — при измерениях напряжения и мощно-
сти. При измерениях тока и напряжения катушки — подвижная и
теподвижная — соединяются между собой последовательно и
включаются в цепь в первом случае последовательно и во втором
параллельно. Для измерений мощности подвижная катушка А
присоединяется к цепи последовательно, другая, неподвижная
В, — параллельно (рис. 307). При этом в случае очень сильных
токов параллельно катушке В следует включать шунт S, умень-
шающий чувствительность в определённое число раз. Буквой D
обозначен какой-нибудь приёмник, например электрический мо-
тор. Ток, протекая по подвижной и неподвижной катушкам, соз-
даёт вокруг них магнитные поля; эти поля, взаимодействуя между
<3 Физический эксперимент в школе
193
собой, заставляют подвижную катушку повернуться и устано-
виться в плоскости неподвижной и при том так, чтобы направле-
ние силовых линий полей было одинаковым. Вращая головку £>
(рис. 305) и тем самым увеличивая упругую силу пружины С,
можно заставить подвижную катушку занять приблизительно
прежнее положение. Отсчёт производится по круговой шкале
между указателями F и Z.
Рис. 307. Схема включения электро-
динамометра в цепь.
Рис. 308. Схема для определения по-
стоянной электродинамометра.
Число делений п между указателями прямо пропорционально
эффективной мощности. Следовательно, для постоянного тока
будем иметь:
Рис. 309. Технический ваттметр одно-
фазного тока.
П= — UI
а
или
Р - U • I ~ап,
и для переменного тока:
1 ,, .
П =---U I СОз ®-
а
или
Р ~ U • I cos <s — ап,
где а'— постоянная прибора.
Важно обратить внимание, что прибор пригоден для измере-
ния мощности переменного тока, независимо от того, существует
ли угол ? сдвига фаз или отсутствует.
Постоянную прибора а, если она неизвестна, определяют,
включив его в цепь постоянного тока (рис. 308). В ту же цепь-
194
включают последовательно амперметр А и вольтметр V, по
которым производят отсчёты силы и напряжения тока для раз-
личных по мощности приёмников, например ламп. При этом де-
лают также отсчёты на электродинамометре, определяя число
делений п между указателями F и Z. Вычислив по напряжению и
силе тока мощности Р, находят для каждого отдельного случая
цену одного деления, среднее арифметическое отдельных её зна-
чений и будет соответствовать постоянной прибора а:
~ Р1 и q = _ai + а2 + • • • + Да
щ к
Рис. 310 и 311. Устройство технического ваттметра. А -г- катушка, включае-
мая в цепь последовательно, В — параллельно; Е — алюминиевый диск.
Крутильный электродинамометр неудобен тем, что операции
с ним несколько затруднительны и отнимают' сравнительно много
времени, тем более что успокоение
(затухание) у подвижной катушки
незначительно. Наконец, большим
недостатком прибора является его
большая чувствительность к внеш-
ним магнитным полям, что сказы-
вается на результатах искажающим
образом. Поэтому для измерений
мощности, если учебная цель отсут-
ствует, следует пользоваться техни-
ческими ваттметрами 1 (рис. 309—
312).
Рис. 312. Схема включения
ваттметра в измеряемую цепь.
1 Об устройстве индукционных ваттметров и изм9 ений с ними см. т. V.
13* 195
К числу важнейших достоинств крутильного динамометра
должна быть отнесена независимость его показаний от частоты и
формы кривой переменного тока.
Изготовление действующей модели крутильного электродина-
мометра, па которой можно производить, конечно, только самые
грубые измерения, не представляет затруднений.
§ 22. Счётчики электрической энергии
Счётчики, как известно, служат для измерения израсходован-
ной электрической энергии или, что то же, работы тока за данное
время.
Рис 313. Счетчик постоянного
Рис. 314. Устройство счетчика
тока.
постоянного тока.
I. Счётчик постоянного тока (рис. 313—316). Счётчик пред-
ставляет собой электрический мотор, число оборотов которого
подсчитывается при помощи счётчика оборотов Л (рис. 314 и 315).
Цифры, появляющиеся в окошечке счётчика, соответствуют обык-
новенно не числу оборотов, а количеству гектоватт-часов. Мотор
счётчика совершенно не содержит в себе железа, благодаря чему
число сделанных оборотов пропорционально израсходованной
энергии. Индукторы, т. е. электромагниты, создающие магнитное
поле, состоят из двух катушек В (без железа), намотанных из
толстой проволоки и включаемых в цепь последовательно (как
амперметр) (рис. 316). Якорь Е намотан без железа из тонкой
196
Рис. 315. Счётчик оборотов от электри-
ческого счётчика.
проволоки и через добавочное сопротивление г включается в цепь
параллельно (как вольтметр). Последовательно с якорем включе-
на также так называемая компенсационная катушка D (рис. 314).
Назначение этой об-
мотки, усиливающей
магнитное поле, созда-
ваемое катушками В,—
увеличивать вращаю-
щий момент якоря,
компенсируя тем самым
трение. Благодаря это-
му якорь приходит во
вращение даже при
очень малых нагрузках.
Якорь имеет на кол-
лекторе две пластины,
к которым прикасают-
ся щётка а и Ь. Счёт-
чик снабжён приспособлением для быстрого затухания вра-
щения после выключения тока. Это приспособление состоит из
алюминиевого диска К., помещённого между полюсами сильного
магнита L.
Рис. 316. Схема устройства счётчика постоянного тока.
2. Счётчик переменного тока. Для однофазного переменного
тока выпускаются счетчики под маркой Б-1 для частоты 50 гц
(рис. 318 и 319). Механизм счётчика переменного тока состоит из
197
двух систем катушек с железными сердечниками, из которых
одна пара АА с толстой обмоткой включается в цепь последова-
тельно и катушка В, обмотанная тонкой проволокой, — парал-
лельно. Между полюсными
Рис. 317. Установка счёт-
чика переменного тока.
наконечниками электромагнитов по-
мещён алюминиевый диск Е, сцеп-
ленный через шестерню С со счёт-
чиком оборотов D (рис. 320),
проградуированным в гекто- или
киловатт-часах. Благодаря сдви-
гу фаз тока в обмотках про-
Рис. 318. Счётчик однофазного
тока.
исходит индуктирование токов в диске, вызывающих вращение
последнего. Для поглощения механической мощности около
диска помещён сильный постоянный магнит.
Счётчики Б-1 имеют следующие пределы измерения: 1) 5а —
120 в; 2) 2,5 а — 240 в; 3) 5 а —240 в.
Счётчик Б-1 учитывает энергию (для индукционной и бсзин-
дукциопной нагрузок) при нагрузках от 10 до 200о/о номинальной.
Включение счётчика в питающую сеть производится посред-
ством клемм 1 и 3 и к нагрузке — клеммами 2 и 4. Монтаж счёт-
чика для лабораторных работ показан на рисунке 323, при этом
,98
Рис. 319. Устройство счётчика однофазного
тока.
Рис. 320. Схематизированное устройство счётчика
однофазного тока.
проводники 2 и 3 перекрещены во избежание ошибок при вклю-
чении.
Принцип действия счётчика однофазного и трёхфазного тока
рассмотрен в т. V.
3. Измерение работы и мощности тока вольтметром и ампер-
метром. 1) Ламповый реостат. 2) Вольтметр 120 в. 3) Амперметр. 4) Часы или
секундомер. 5) Ток от сети освещения.
7 2 3 4
Рис. 321. Схема включения
проводов к счётчику однофаз-
ного тока.
Рис. 322. Измерение мощ-
яости вольтметром и ам-
перметром.
Для определения мощности тока надо измерить силу тока,
текущего через данный приёмник, и падение напряжения в по-
следнем (рис. 321). Для опыта удобнее всего воспользоваться’
током освещения, взяв в качестве приёмника -одну лампочку, лам-
повый реостат R или какой-нибудь электрический кипятильник.
Подобным же образом можно на постоянном токе определить
мощность мотора и каких вообще угодно катушек. Для перемен-
ного тока мощность зависит от угла сдвига фаз между напряже-
нием и током (cos?) и поэтому способом вольтметра и ампер-
метра её можно определить точно только для безиндукционпых:
сопротивлений.
Установку собирают по схеме рисунка 321. Вольтметр V при-
ключают к клеммам приёмника, в данном случае лампового рео-
стата R; амперметр А вводят в цепь последовательно. По вольт-
метру определяют напряжение U и по амперметру — силу тока I.
Мощность, расходуемая в приёмнике, будет равна:
P = U • /.
Если нужно найти работу W тока, то по часам или секундомеру
измеряют нужный промежуток времени t и вычисляют работу по
формуле:
W = Р • t = U • / • t.
200
4. Проверка электрического счётчика. 1) Счётчик. 2) Вольтметр-
120 в. 3) Амперметр. 4) Ламповый реостат. 5) Часы пли секундомер. 6) Ток
от сети освещения.
Счётчик переменного тока включают в сеть освещения указан-
ным на рисунке 323 образом через ламповый реостат R и ампер-
Рис. 323. Установка для проверки счётчика.
метр А. Вольтметр V включают, как показано на рисунке 323.
Сначала узнают, скольким оборотам диска счётчика соответствует
1 вт-ч. Для этого, вычислив из
показаний вольтметра и ампер-
метра мощность тока и затем
время, соответствующее при
данной мощности работе в
1 вт-ч, считают число оборотов
диска счётчика за это время.
Полученный результат сверя-
ют с надписью, имеющейся на
счётчике. Возможное неболь-
шое расхождение результата
измерения данной постоянной
счётчика может быть объясне-
но ошибками измерительных
приборов. Затем, нагрузив
счётчик посильнее, отсчитыва-
ют показание его за 15 мин. и
сравнивают с величиной рабо-
ты тока, вычисленной через
мощность и время по формуле
W = P -t ~(J Ц-t.
Рис. 324. Измерение мощности мотора.
Описанный опыт хорошо удаётся как при переменном, так и
постоянном токе при счётчике соответствующей системы.
5. Коэффициент полезного действия электромотора—см. т. II.
^01
На рисунке 324 показан монтаж мотора для измерения его
мощности.
6. Коэффициент полезного действия кипятильника. 1) Электри-
ческий чайник или другой нагревательный прибор. 2) Вольтметр 120 в.
3) Амперметр до 5а. 4) Часы. 5) Термометр до 100°. 6) Мензурка. 7) Сеть
освещения.
Электрический чайник или другой какой-нибудь электрический
кипятильник наполняют посредством мензурки водой (масса во-
ды Л4) и измеряют её температуру t° термометром. Чайник вклю-
чают в сеть освещения через амперметр и измеряют по часам вре-
мя Т, через которое вода нагреется до какого-нибудь определён-
ного числа градусов ^2°, например 100°. Для измерения напряже-
ния в сети нужно включить вольтметр.
Тогда коэффициент полезного действия при нагревании воды
будет равен:
м (tj-tj) _
0,24 UIT
ГЛАВА ШЕСТАЯ
ТЕПЛОВЫЕ ДЕЙСТВИЯ ТОКА
§ 23. Нагревание проводника током
1. Обнаруживание нагревания проводника посредством мано-
метра. >) Никелиновый, жсл.'зный или нихромовый проводник (d=0,1—
0,2мм;1 = 15—21) см). 2) Два медных проводника (d^=l,5—2 мм; 1=5—8 см).
3) Стеклянная банка с широким горлом. 4) Резиновая пробка. 5) Стеклянная
трубка (d = 3—5 мм; I = 30—40 мм). 6) Один-два элемента, или аккумулятор.
Рис. 326. Крышка из на-
бора по электролизу.
Рис. 325. Обнару-
живание нагрева-
ния током по рас-
ширению воздуха.
В резиновой пробке проделывают три отверстия: два шилом
для прохода медных проводников Л и В и одно сверлом — для
стеклянной трубки С. Из никелиновой проволоки свёртывают на
карандаше спираль D и концы её припаивают к медным провод-
никам (рис. 325). Пробкой плотно закрывают стеклянную баноч-
ку с широким горлом и вставляют в отверстие стеклянную труб-
ку С, соединяемую с водяным манометром. При этом важно, что-
бы пробка герметически закрывала баночку и воздух также ‘не
мог проходить около проводников и трубки. Вместо резиновой
пробки можно взять обыкновенную корковую, залив её поверх-
ность менделеевской замазкой или сургучом. Через спираль про-
пускают ток от одного-двух элементов или аккумуляторов и на-
блюдают по манометру увеличение давления воздуха при нагре-
вании.
Описанный опыт интересен лишь тем, что позволяет обнару.
жить нагревание проводника слабыми токами.
2. Принцип устройства и действия простейшего кипятильника.
1) Спираль из никелинового или нихромового проводника. 2) Крышка для укреп-
ления спирали с медными проводниками. 3) Стакан сл водой. ,4) Термометр.
5) Два-три элемента или аккумулятор.
Опыт может служить для демонстрации принципа устройства
и действия простейшего нагревательного прибора. Если нет крыш-
ки из прибора Горячкина, изображённой на рисунке 326, спираль
ралька, смонтированная для
лабораторных работ.
укрепляют на какой-нибудь дощечке
или и пользуют спираль от прибора
Бакушинского, применяемую для ла-
бораторных работ (рис. 327). Её
сопротивление равно приблизитель-
но 0,7 ом, и она даёт уже достаточ-
ный эффект при включении на
два-три элемента Лекланше (сухих).
Вообще же, чем более сильный ток
использовать для опыта, тем боль-
шее нагревание будет получено и
притом за более короткое время.
Спираль погружают в воду, нали-
тую в стакан или металлический
сосуд, и пропускают через неё ток. По термометру наблюдают
увеличение температуры жидкости, нагреваемой проводником.
Керосин как жидкость, имеющую меньшую теплоёмкость, чем
вода, имеет смысл принять, если источник не может дать доста-
точно сильного тока.
Удобнее вместо батареи брать ток or сети освещения, включив
прибор через ламповый реостат. В качестве нагревательного то-
ком проводника можно использовать кусочек нихромовой спирали
от перегоревшей плитки. В этом случае воду легко можно довести ?
до кипения.
Проще же всего взять для опыта кипятильник «минутка»
с открытой спиралью (рис. 403).
3. Нагревание жидкого проводника током. 1) две свинцовые пла-
стинки или угольные палочки. 2) Ламповый реостат. 3) Термометр. 4) Стакан
с раствором серной кислоты. 5) Ток ог сегя огзгдгн ы .
В стакан с водой погружают два электрода из свинцовых пла-
стин или угольных палочек, например из прибора Горячкина
(рис. 448). Сосуд включают через ламповый реостат в сеть осве-
щения по схеме рисунка 328. В воду добавляют несколько капель
какой-нибудь кислоты (лучше серной) или щепотку соды, или в
крайнем случае поваренной соли 1. После размешивания раствора
лампы начнут гореть слабым красным накалом. По термометру
наблюдают, что температура жидкости быстро увеличивается, об-
1 Поваренная соль при электролизе выделяет хлор, который в случае
угольных электродов служит источником дурного запаха. При свинцовых
электродах хлор станет входить в соединение с металлом.
204
царуживая тем самым нагревание жидкого проводника. Ввиду
уменьшения сопротивдепия раствора накал ламп будет постепен-
но возрастать. При достаточно сильном токе (3—5 а) воду можно
быстро довести до кипения.
Рис. 328. Установка для демонстрации простейшего кипя-
тильника.
4. Обнаруживание нагревания проводника по его расширению.
1) Деревянный брусок (20исл*Х 10СЛХ2 см). 2) Никелиновый или нихромовый
проводник (d=0,5 —0,8 мм; I = 200 см). 3) Стальная пружинка. 4) Жесть.
5) Три гвоздя или шурупа. 6) Соломинка или деревянная палочка (/=25—30 см).
7) Ламповый реостат. 8) Ток от сети освещения.
На краю деревянного бруска укрепляют посредством шурупа
согнутую из жести трубочку А, в которую вставлена соломинка
Рис. 330. Прибор для обнаруживания нагревания проводника по
его расширению.
2Q^
или тонкая деревянная палочка (рис. 329 и 330). К трубке при-
крепляют сильную спиральную пружинку С, оттягивающую тру-
бочку со стрелкой влево. К трубке привязывают одним концом
никелиновый проводник М, другой конец которого укрепляют на
шурупе или гвозде. Проводник при этом сильно натягивают, что-
бы стрелка заняла положение, соответствующее нулю шкалы
(рис. 330). Никелиновый проводник включают в сеть освещения
через ламповый реостат.
Проводник под влиянием тока нагревается и расширяется,
что обнаруживает стрелка, отклоняясь от своего начального по-
ложения.
Прибор может служить также для демонстрации принципа
действия простейшего теплового амперметра. Для градуировки в
цепь включают амперметр, изменяют силу тока реостатом и отме-
чают отклонения стрелки, нанося на лист картона деления, соот-
ветствующие различным силам тока, через 0,5 а.
5. Принцип устройства и действия теплового амперметра
1) Модель теплового амперметра. 2) Амперметр. 3) Два-три элемента или
аккумулятор. 4) Реостат с ползуном.
На доске или толстой клеёной фанере (30 см X 20 см) между
клеммами А и В натягивают тонкий никелиновый проводник
С (d. = 0,1—0,2 мм) (рис. 331). Между серединой проводника
Рис. 331. Модель теплового ампер-
метра.
Рис. 332. Сжига-
ние проволочки
посредством эле-
мента Грене.
С и клеммой или гвоздём D привязывают тонкий провод (</ =
= 0,1 — 0,2 мм), к середине которого в свою очередь привязана
крепкая катушечная нить. Нить обвёртывают вокруг маленького
блока Е со стрелкой, способного вращаться около оси па булав-
206
ке. Конец нити привязывают к стальной плоской или спиральной
пружине F, оттягивающей пить вправо. Такой прибор является
моделью теплового амперметра. Для градуировки его включают в
цепь одного-двух элементов или аккумуляторов через амперметр
и реостат. Изменяя силу тока, отмечают на шкале деления, соот-
ветствующие силам тока до 2—3 а. Такая модель довольно точно
воспроизводит устройство технических тепловых приборов и обла-
дает большей чувствительностью, чем модель, описанная в опы-
те 4. Самодельный тепловой амперметр будет очень полезен при
работах с токами высокой частоты.
6. Накаливание проводника током от батареи. 1) Медный или же-
лезный проводник (d = 0,С8— 0,2 мм). 2) Два-три аккумулятора.
Накаливание проводника током и плавление можно получить
от одного, двух, трёх, лучше свежезаряжённых элементов Грене
или аккумуляторов. Возможно также для этой цели применить
сухие или сухоналивные элементы.
От одного, двух, трёх элементов Грене или аккумуляторов
можно раскалить также тонкий проводник a (rf = 0,l—0,2 мм) из
меди, железа (стали) или никелина (рис. 332). При выборе мате-
риала и размеров проводников будет очень полезна таблица, по-
мещённая в § 1,2. Накаливаемый проводник для лучшей видимо-
сти полезно подвесить на одном или между двумя штативами.
При этом важно подводящие ток проводники взять возможно тол-
ще. В общем можно всегда экспериментальным путём подобрать
длину и сечение накаливаемого проводника, обратив обязательно
внимание на то, чтобы сила тока не превышала наибольшей до-
пустимой для данных аккумуляторов величины.
7. Накаливание проводника от сети освещения. 1) Никелиновый
проводник (d=0,3—0,5 мм-, I = 50— 150 см). 2) Реостат. 3) Два штатива.
4) Амперметр. 5) Ток от сети освещения.
Никелиновый проводник ВС подвешивают, натянув между
лапками двух штативов, и включают его в цепь освещения через
реостат проволочный или, лучше, водяной (/?) на 15—20 ом
(рис. 333).
Выводя постепенно сопротивление реостата, наблюдают сна-
чала провес проводника от нагревания и затем его каление. При
жёлтом калении проводник обыкновенно перегорает.
Чем толще взятый проводник, тем большая для его накала
требуется сила тока, но тем эффектней становится опыт. Кроме
того, чем больше сечение, тем длиннее может быть взят провод-
ник, отчего опыт также выигрывает. Длинные проводники реко-
мендуется закручивать спиралью. Спираль из никелина, нагре-
ваемая током, под влиянием собственной тяжести сначала прови-
сает, а затем витки на ней распускаются. Во избежание порчи
стола на его крышку следует положить лист асбеста или влажно-
го картона.
Ещё проще и эффективней приобрести спираль для электро-
плитки, соответственно напряжению 120 в или 220 в. Спираль
207
следует укоротить процентов на десять. Небольшую часть этой
спирали растягивают, чтобы получить участок с прямым провод,
ником и участок со сравнительно редкими витками (рис. 334).
Рис. 333, Накаливание проводника от сети освещения.
Тогда, включив в есть освещения, получают наиболее силь-
ный накал там, где витки располагаются тесно, и более слабый
на участке с редкими витками. Участок прямолинейного провода
не раскаливается. Такой опыт показывает значение для раскали-
вания не только притока теплоты, но и теплоотдачи.
Рис. 334. Части спирали раскаливаются не в одинаковой
степени в зависимости от различия в теплоотдаче.
8. Зависимость нагрева проводника от его удельного сопротив-
ления и поперечного сечения (см. опыт § 12, 1).
9. Накаливание проводника током от трансформатора. 1) Трансфор-
матор. 2) Реостат па 3—5 ом. 3) Железные гвозди (d = 3— 5 льи). 4) Сеть
освещения.
Накаливание, плавление толстых проводников демонстрируют
при помощи понижающего (120 в) трансформатора в 0,5—1 кет
со вторичной обмоткой, выполненной из очень толстого проводни-
ка. Можно в крайнем случае пользоваться трансформатором, изо-
бражённым на рисунке 335 и получившим широкое распростране-
208
ние в школах. Первичной катушкой берётся обычная в 120 в или
в 220 в соответственно напряжению в сети. Вторичную катушку
изготавливают, сгибая медную полоску или ленту спиралью в
три-четыре витка (рис. 335).
Для изоляции от сердечника спираль необходимо обмотать
двумя-тремя слоями изолирующей ленты.
Раскаливаемые проводники с концами спирали должны иметь
очень плотный контакт с возможно меньшим сопротивлением
Лучше всего к концам опира-
ли присоединить (припаять)
две массивные клеммы с вин-
тами для закрепления рас-
каливаемых проводников.
Вместо
вторичную
изготовить
него многопроволочного про-
водника, намотав два-три
витка. На концы подобной
катушки необходимо поста-
вить массивные медные
клеммы.
Накал проводника демон-
стрируют, взяв железный
гвоздь или железный провод
толщиной 2—3 мм. Зажимая
(J=2—3 см), получают сначала красное, а затем жёлтое кале-
ние, заканчивающееся плавлением или перегар амием.
Рис. 335. Устройство катушки к школь-
ному трансформатору, служащей для
раскаливания толстых проволок.
полосовой меди
катушку можно
из толстого мед-
подобный гвоздь или проволоку
Рис. 336. Универсальный трансформатор с катушкой для раскаливания
толстых проволок.
14 Физический эксперимент в школе
209
На рисунке 336 показан универсальный трансформатор Глав-
учтехпрома, снабжённый специальной катушкой для раскалива-
ния толстых проволок.
§ 24. Закон Джоуля — Денца
1. Прибор для демонстрации закона Джоуля—Ленца. |) прибор!
2) Два аккумулятора.
Прибор состоит из деревянной доски (30 см X 30 см), вдоль
которой натянуты параллельно три голых проводника А, В и С,
присоединённых к двум аккумуляторам D и Е (рис. 337). Про-
водники служат для вклю-
чения при накладывании на
них лампочек от карманного
фонарика, снабжённых мед-
ными отростками b и е от
клемм патрона (рис. 338);
Сначала на какие-нибудь
два соединённых проводни-
ка, например АВ, наклады-
вают одну лампу 1, затем
две — 1 и 2.
Так как в первом и во
втором случае накал ламп
Риг. 337. Прибор для демонстрации закона Рис. 338. Монтаж патрона для
Джоуля-Ленца. лампочки.
будет одинаков, то можно считать, что количество выделенного ?
тепла при горении двух ламп будет в два раза больше, чем при
горении одной. Ввиду того что сила тока во втором случае в два
раза больше, чем в первом, то заключают, что количество выде-
ляющегося тепла при одном и том же напряжении пропорцио-
нально силе тока.
Затем отключают проводник В от аккумуляторов и включают
лампы 1 и 3, соединив их тем самым последовательно и дав вдвое
большее напряжение.
Наблюдая, что накал ламп остался таким же, каким был у
двух ламп при их параллельном включении, делают вывод: при
одной и той же силе тока количество выделяющегося тепла про-
порционально напряжению.
Сопоставляя результаты опытов, получают:
Q — q-V-1-t,
калории
где коэффициент q, как известно, равен 0,24 о ; .
210
2. Закон Джоуля—Ленца. А. 1) Калориметр с мешалкой. 2) Крышка для
подвешивапия спиральки. 3) Спиралька из никелиновой проволоки (<2=0,3—
—0,8 мм). 4) Два-три аккумулятора. 5) Реостат с ползуном. 6) Термометр.
7) Амперметр. 8) Часы с секундной стрелкой. 9) Керосин.
В минимальное количество воды или, лучше, керосина, нали-
тое в калориметр, погружают спиральку сопротивлением в 2—
4 ом, сделанную из никелиновой проволоки (d = 0,3—0,8 мм).
Сопротивление этой спиральки должно быть точно измерено. Спи-
ралька должна быть подвешена при помоши какой-нибудь крышки
(рис. 339) возможно глубже в воде. Для отсчётов температуры в
калориметр вводят термометр; для перемешивания воды служит
мешалка. Особенно удобна мешалка, снабжённая внизу крылыш-
ками, как у пропеллера (рис. 340). Такую мешалку укрепляют в
крышке и вращают во время опыта двумя пальцами. Спираль
включают в цепь двух-трёх аккумуляторов через реостат и ампер-
метр с делениями до десятых долей ампера.
Опыт сводится к измерению количества тепла, выделенного
током определённой силы (например, 1—Зп) в течение некоторого
определённого времени (например, 3—5 мин.) Ч Во время опыта
чрезвычайно важно следить за тем, чтобы сила тока оставалась
всё время неизменной, для чего изменяют в случае надобности
сопротивление реостата.
Перед опытом, как это обычно делается при калориметриче-
ских измерениях, определяют массу т сосуда калориметра и мас-
су М воды или керосина, а также измеряют температуру ti
жидкости. Затем, включив ток, поддерживают его силу I неиз-
менной в течение времени Т и измеряют температуру жидкости
t2 в конце опыта.
Из уравнения
(mc+McJ (t2 — t1) = qliRT,
где с — удельная теплоёмкость сосуда калориметра, С[ — удель-
ная теплоёмкость взятой жидкости (вода Ci = 1, керосин ct =
= 0,51) и R — сопротивление спиральки, обыкновенно вычисляют
величину коэффициента:
а = + МЧ) Оз —Ч)
4 I*RT
и сравнивают его с действительным значением, как известно,
равным 0,24.
Бакушинский В. Н. для проведения лабораторной работы
рекомендует применение спирали с сопротивлением 0,7 ом,
описанной в § 23, 2 (рис. 327) и рассчитанной на питание от
1 Наиболее рационально ток пропускать в течение такого времени, чтобы
жидкость в калориметре нагрелась на 3—4°.
14* 211
1
двух последовательно соединенных .между собой сухих элемен-
тов. Вместо калориметра возможно применять тонкостенный
чайный стакан Ч .?
Измерительные приборы могут5
быть взяты школьные лабораторные-’
341). Работа ставится как оравне-
количества теплоты, выделенного •;
и на опыте МС (h — tA} с ожидае-*
по расчёту (J2RT или ШТ). i
Рис. 339. Спираль, под-
вешенная на крышке
прибора по электролизу.
Рис. 340. Мешалка для калориметра.
патроном. 3) Вольтметр. 4) Амперметр.
5) Термометр. 6) Часы с секундной стрелкой. 7) Ток от сети освещения.
В. I) Калориметр. 2) Лампа с
Рис. 341. Установка для лабораторной работы на закон Джоуля и Ленца.
1 Для теплоизоляции стакан обвёртывают 1—2 слоями бумаги.
212
В общем работа проводится по тому
опыте 2 А. Вместо спирали в калориметр В
кую электрическую лампочку накалива-
ния мощностью в 60—100 в(г (рис. 342).
Во избежание всплывания лампы па-
трон Л следует зажать в лапке штатива
и,тн на дощечку а поставить какую-нибудь
гирю. Сосуд калориметра наполняется рас-
твором вещества, поглощающим лучи све-
та. Такими веществами могут служить ни-
грозин, хлористое железо (20—25%). Рас-
твора наливают столько, чтобы стеклян-
ная колба лампы до самого цоколя была
погружена в жидкость. Цепь для произ-
водства опыта собирается подобно схеме
рисунка 341 с заменой батареи сетью
электрического освещения.
Калориметрические измерения произ-
водят так же, как и в опыте 2. Энергия, из-
расходованная лампой, подсчитывается по
формуле:
W = Р . Т = U I • Т,
же плану, что и в
вводят газонаполнен-
Рис. 342. Калориметр с
электрической лампой в
качестве нагревателя.
где IJ — напряжение и / — сила тока,
определяемые соответственно по вольт-и
амперметрам, Т — время, отсчитываемое
ко часам (8—10 мин.).
Вычисление коэффициента q производится по формуле:
£mc + Mct) (J? — 0)
(J I Т
Представляет интерес произвести два опыта, используя в ка-
честве калориметра стеклянный прозрачный химический стакан.
Первый опыт с прозрачной жидкостью, второй — с непрозрач-
ной. Разность количеств тепла, полученного калориметром при
полном поглощении и при прозрачной жидкости, укажет на долю
энергии, выделяемой лампой в виде света.
§ 25. Плавкие предохранители
1. Типы предохранителей. Назначение предохранителей за-
ключается в автоматическом разрывании электрической цепи при
возникновении в ней величины тока, большей известной нормы.
Предохранители по принципу своего устройства могут быть раз-
делены на электромагнитные и плавкие. В электромагнитных
предохранителях электромагнит N, включённый в цепь последо-
вательно при достижении током известной нормы, освобождает
стопорный механизм С рубящего выключателя Л (рис. 343).
213
После устранения перегрузки цепи включение рубильника произ-
водится при помощи кнопки. В плавких предохранителях разрыв
цепи возникает благодаря плавлению тонкой (обычно медной,
реже серебряной) проволоки. Кроме этих двух типов, существует
Рис. 343. Схема устройства
электромагнитного предохранителя.
особый вид ограничителей тока, который лишь условно может
быть назван предохранителем (рис. 344). Биметаллический про1
водник АВ, включённый в цепь последовательно, при своём до-
Рис. 344. Термический ограничитель.
статочном нагревании изгибается и разрывает цепь. После своего
остывания он замыкает цепь и вновь разрывает её, если пере-
грузка, а тем более короткое замыкание не устранено (рис. 345).
Различного типа плавкие предохранители надо иметь в каби-
нете для демонстрации их устройства. Предохранители для силь-
214
НЬ(Х токов
пробочные
бывают двух типов: пластинчатые (рис.
(рис. 348 и 349). В свою очередь
346 и 347) и
пластинчатые
Рис. 346. Предохранители пластинчатые. 1 —одно-, 2 — двух- и
3 — трёхподюсные; 4 — плавкая вставка на большую силу тока.
предохранители разделяются па одно-, двух- и трёхполюсные.
Плавкие вставки делаются для сил токов от 10 и более ампер и
состоят из одной или нескольких
проволок. Наиболее удобен длз>
демонстрации предохранитель,
называемый иногда трубчатым
Он состоит из фарфоровой труб-
ки А, внутри которой натянута
между контактными пластинка-
ми В предохранительная прово-
лочка D. Эти пластинки вставля-
ются в пружинистые контакты С,
укреплённые обычно на мрамор-
ном или шиферном основании
(рис. 350). К этому же типу при-
надлежат весьма удобные предо-
хранители с плавкими вставками,
состоящими из стеклянной трубки
с латунными колпачками па кон-
цах. Предохранителем во встав-
ках служит проволочка, соответ-
ственно сгорающая при токе в 2,
6, 10, 20, 40 а.
Для слабых токов очень удоб-
ны так называемые телефонные
предохранители (Бозе) (рис. 351).
Они состоят из фарфорового ос-
Рис. 347 Установка пластинча-
тых предохранителей на распреде-
лительном щите.
нования А с пружинящими контактами В и С, между которыми
вставляется плавкая вставка.
Вставка представляет собой стеклянную трубочку, внутри кото-
21|
рой помещена или очень тонкая проволочка а или же две пру-
жинки Ь и с, спаянные в d легкоплавким припоем. У первого
типа вставок проволочка сгорает, у второго типа плавится при-
пой, и пружинки благодаря своим упругим свойствам разрывают
цепь. В продаже существуют плавкие вставки от 1/2 а и больше.
Подобные предохранители смонтированные на несгораемом кар-
Рис, 348. Пробочные предохранители. Групповой щиток. А — провода,
подводящие ток.
Вид спереди
Рис. 349. Пробочные предохранители нормального типа на групповом щитке.
тоне, применяются также в радиоприёмниках для зашиты транс-
форматоров (рис. 352).
Пробочные предохранители изготовляются для патронов
Миньон и нормального типа. Устройство их общеизвестно
(рис. 353), поэтому они здесь не описываются. Для установок на
216
Рис. 350, Трубчатые предохранители.
Рис. 351 и 352. Предохранители типа Бозе и предо-
хранитель для радиоприёмника.
Рис. 353. Разрез патрона с пробочным предохранителем.
щитах особенно ценны предохранители нормальные (рис. 34®
и 354), в патрон которых может быть ввёрнута пробка F обыч-
Рис. 354. Предохранители: В — установочные до 60 а 500 нс
квадратным основанием и подводом тока сзади для распре-
делительных щитов; Е — сменная часть вставки (предохра-
нитель); F— пробка нормального типа; /<—винт контактный.
>ного типа или посредством ввинчивающейся крышки С укреплена
сменная плавкая вставка Е.
О монтаже пробочных и других предохранителей (рис. 355)
Рис. 355. Установка пробочных
предохранителей на школьном
распределительном щите.
на распределительных щитах см.
т. 1.
2. О расчёте плавкого предо-
хранителя. Пробки в плавких
предохранителях
драйв ются так,
намеренно ус-
чтобы нельзя
было без приведения их в негод-
ность произвести замену сгорев-
шей проволочки. Практикуемый
иногда ремонт пробки посред-
ством напайки или накручивания
между резьбой и контактным вин-
том медной жилки а от шнура яв-
ляется недопустимым (рис. 356).
Рис. 356. Преступный
ремонт пробок.
218
Действительно, при коротком замыкании проволочка сгорает,
но цепь (127—220 в) может остаться замкнутой благодаря воз-
никновению здесь электрической дуги, которая вызовет разруше-
ние самого патрона, не говоря уже о гибели включённых в цепь
приборов. Подобный ремонт также недопустим в школе в прин-
ципиальном отношении, так как школа должна доказать уча-
щимся всю опасность таких починок. Поэтому рекомендуется
как в постоянных установках, так и на лабораторном столе
пользоваться пластинчатыми предохранителями. В лабораторных
установках дешевле всего смонтировать на дощечке пары клемм,
между которыми нужно натянуть тонкую проволочку (рис. 357).
Для определения диаметра d проволоки в мм, сгорающей при
токе в I а, служит следующая эмпирическая формула:
d = 0,005 + b I,
где коэффициент b зависит от материала и указан в следующей
табличке:
Медь ..................0,034 Манганин ............0,06
Латунь ................0,05 Нейзильбер ..........0,56
Железо ................0,127 Константан...........0,07
Сталь..................0,129
Никелин................0,059
Формула справедлива для проволок от 0,025 до 0,2 мм.
Вместо вычислений щ аметр проволоки можно определить по
таблице 4, приведённой в § 1,2.
Для определения силы тока, на которую должен быть постав-
лен предохранитель во всякого рода технических проводках и ус-
тановках освещения, служит таблица 5, приведённая в § 1, 2. По-
ставленный согласно этим нормам предохранитель гарантирует
нагревание не выше чем на 20°, по сравнению с температурой
• окружающего воздуха. Как пробочные, так и пластинчатые пре-
дохранители технического типа рассчитаны так, что выдержи-
вают кратковременную нагрузку, превышающую в ВД раза ука-
занную на них.
3. Измерение тока, сжигающего проволоку. 1) Проволоки из различ-
ных материалов (d < 0,2 мм). 2) Два рео'тата, один из них с ползуном.
3) Амперметр. 4) Дощечка с двумя клеммами. 5) Сеть освещения.
Сила тока, при которой происходит плавление проводника,
зависит от вещества, размеров и формы проводника, а также
условий теплоотдачи.
В настоящем опыте рекомендуется наблюдения производить
с проводниками из различных веществ (медь, сталь, никелин)
для экономии энергии не толще 0,2 мм (см. таблицу 4 в § 1, 2).
2Л
Проводник В (рис. 357), предназначенный для плавления, изоли-
рованный или голый, включают в сеть освещения через два реоста-
та: ламповый R (из ламп 50—100 от) и реостат с ползуном г
(250—-120 ом) и амперметр А (рис. 358). Сопротивление реоста-
я та г для получения плавно-
---------------даа _ го, без скачков изменения
---------------тока берут равным или не-
много более сопротивления
одной лампы лампового рео-
стата. Ввернув одну лампу,
Рис. 357. Самодельный предохраниточень медленно выводят со-
для лабораторных работ. противление реостата г, пе-
реметная для этого ползун,
и замечают силу тока, при которой проводник «перегорает».
Если проводник не расплавится при одной лампе сдвигают пол-
зун реостата г до получения на нём наибольшего сопротивле-
ния и ввёртывают вторую лампу. Далее поступают описанным
образом, ввёртывая в случае надобности третью, четвёртую и т. д.
лампы. Заметив силу тока, сжигающую проводник, повторяют опыт
с такой же проволокой; из результатов берут среднеарифметиче-
ское.
§ 26. Лампы накаливания
1. Виды ламп накаливания. Количество типов электрических
лампочек накаливания, выпускаемых нашими советскими завода-
ми, столь велико, что дать их сколько-нибудь полную характери-
стику не представляется возможным. Наибольшей по своей мот-
Рис. 358. Установка для измерения тока, сжигающего проволоку,
пости и размерам являются прожекторная лампа мощностью в
50 000 ет, наименьшая имеет мощность 0,4 вт и служит для вве-
дения в полость желудка при медицинском осмотре (рис. 359).
220 '
Приводим характеристику только тех ламп накаливания, на-
добность в которых может встретиться в кабинете физики.
2. Лампы накаливания нормальные осветительные. В настоя-
щее время на основании ГОСТ лампы всех мощностей изготов-
ляются исключительно с нитью накала в виде спирали (рис. 360, I
и 361). Поэтому пустотные лампы с волоском, подвешенным
зигзагом (рис. 362), если их только удастся достать, надо хра-
TJUUUom juuuoff»
Рис. 359. Диаграмма относительной величины различных по мощности
ламп накаливания.
нить, пользуясь ими только для тех важных опытов, где они яв-
ляются незаменимыми.
Лампы нормальные осветительные предназначаются для на-
пряжения ПО; 120; 127 и 220 в. Лампы различаются между собой
по форме расположения вольфрамовой спирали, а следователь-
но, и по кривым распределения света (рис. 363).
В лампах НО и 127 в любых мощностей спираль имеет фор-
му «кольца» (рис. 361, I). У ламп 220 в мощностью 750 и 1000 вт
спираль расположена «синусоидально» по цилиндрической по-
верхности (рис. 361, III). Лампы 220 в мощностью 25; 20 и 60 пт
имеют зигзагообразное расположение волоска по цилиндрической
221
wwwwwwv
Рис. 360. Вид волосков лампо-
чек накаливания обыкновен-
ных (нормальных) (I) н би-
спиральпых (II).
b /// IV
Рис. 361. Лампы накаливания нормальные, осветительные: I — 120 в
н II, III — 220 в, IV — биспиральяая.
Рис. 362. Пустотные лампы накали-
вания устаревшего типа с металли-
ческим волоском, подвешенным зиг-
I загом, и угольная лампочка.
2.30 220 210 200 190180 170 160 150 140 130
310 320 330 340 350 О Ю 20 30 40 50
Рис. 363. Характерные кривые светораспределения для ламп 120 в
(сплошная линия) и 220 в мощностью 750 и 1000 вт (пунктирная
линия).
__ _ _ Сопротиблен.Сбетоб. отдача
______Сила тока Пб^тпл поток
______Мощность ----.Срок служба
Рис. 364. Зависимость от изменения напряжения силы
тока, сопротивления, мощности, световых потока и от-
дачи и срок службы для нормальных осветительных
ламп (рис. 371, 1—III).
поверхности (рис. 361. II). Следует обратить внимание, что лам-
пы ПО и 127 в мощностью 15; 25 и 40 вт и 220 в мощностью 25;
40 и 60 вт — малых мощностей — являются пустотными, все
остальные более мощные лампы изготовляются газополными,
Кривые светораспределения мощных ламп приведены на рисун-
ке 363.
Световая и электрическая характеристика нормальных освети-
тельных ламп приведена в таблице, помещённой на стр. 223. На
рисунке 364 показаны кривые, характеризующие силу тока, све-
товой поток и другие данные в зависимости от напряжения для
нормальных осветительных ламп.
Лампы мощностью менее 300 вт изготавливаются с нормаль-
ным цоколем, более 300 вт — с цоколем «Голиаф». Лампы
300 вт имеются в продаже как с нормальным цоколем, так и с
цоколем «Голиаф».
В нижеследующей таблице приведены размеры нормальных
осветительных ламп.
Основные размеры нормальных осветительных ламп
Номинальная мощность в вт Диаметр колбы В .«.И Полная ! длина лампы в мм Номинальная мощность в вт Диаметр колбы в .«м Полная длина лампы в мм
15—25 60 103 300 110 235
40—60 65 120 400—500 130 250
100 75 155 750—1000 165 335
150 80 170
200 95 200
Кроме указанных нормальных осветительных ламп изготав-
ливаются ещё биспиральные (рис. 361, IV), волосок которых из-
готовлен в виде двойной спирали (рис. 360, II). Это позволяет
получить большую светоотдачу при том же сроке службы. Телу
накала биспиральной лампы придана форма полукольца. Во из-
бежание образования электрической дуги при перегорании би-
спиральной лампы в её цоколе заделан плавкий предохранитель,
перегорающий при увеличении тока выше известного предельно-
го. Характеристика и размеры биспиральных ламп даны в ниже-'
следующей таблице.
Электрические и световые характеристики биспиральных ламп
Напряжение 1мощноеть Световой поток в ли Световая отдача в лм’вт ! Диаметр колбУ в мм Полная длила лампы В AIM Срок службы в часах
В в в вт
127 55 650 11,8 I 60 110
71 900 12,7 65 127 1000
96 1300 13,5 1 65 127
. 220 82 109 900 1300 11,0 [ 11,9 | 65 65 127 127 1000
224
Биспиральные лампы по сравнению с нормальными являются
наилучшими для школьных проекционных фонарей.
Лампы с угольной нитью в настоящее время не изготавли-
ваются и поэтому являются редкостью в физическом кабинете
(рис. 362). Интересны они не только как образец первых элек-
трических лампочек, получивших широкое распространение, но и
для опытов со смещением проводника в магнитном поле
(см. т. V).
3. Кинопроекционные лампы. Эти лампы имеют наиболее
важное значение в физическом кабинете, применяясь в настоя-
щее время не только в кинопроекторах, но вместо электрической
дуги в оптических скамьях и
школьных проекционных фона-
рях (рис. 365—366). Для всех
этих ламп характерно, во-пер-
вых, такое расположение во-
лоска, что тело накала зани-
мает возможно меньшую пло-
щадь и, во-вторых, что темпе-
Рис. 365. Кинопроекционные лампы:
1 — 30—50 вт (12 в), II —300 вт (ПО в),
III —500 вт (ПО в).
ратура волоска берётся большей по сравнению с нормальными
и светильными лампами для получения большей светоотдачи
(несмотря на снижение срока службы).
Лампы (рис. 365, I) для кинопередвижек устаревшего ныне
типа изготавливались мощностью в 30 и 50 вт с малым двухкоп-
тактным цоколем Свана и имели светящееся тело, смещённое от-
носительно оси лампы. Эти лампы применялись также в проек-
ционных фонарях для проектирования диапозитивов, изготовлен-
ных на киноплёнке. Лампы изготавливались для напряжения
12 в и имели средний срок службы 50 часов. Питание этих ламп
производилось от трансформаторов 120/12 в. При пользовании
кинолампами 12 в следует обращать внимание на правильную
15 Физический эксперимент в школе
225
установку ламп и для этого располагать их в вертикальном по-
ложении цоколем вверх или вниз. Недопустимо горизонтальное
положение со спиралью, обращённой вверх, при кю1тором лампа
очень быстро сгорает.
В настоящее время для кинопроекторов и других проекцион-
ных устройств чаще применяются лампы с напряжением в ПО в
(на напряжение 220 в лампы не изготавливаются). Такие лампы
показаны на рисунке 365, II—III. Лампа 300 вт с двухконтакт-
ным цоколем Свана в
Рис. 366. Киполампа проекционная
700—1000 вт. При перегреве лампы
размягчённое стекло вспучивается.
основном применяется в
кинопроекторах УП-1 и
УЛ-2 (рис. 365, II). Лам-
па подобного же типа, но
д с мощностью в 500 вт,
снабжённая нормальным
цоколем (рис. 375, III),
предназначается для
школьных эпидиаскопов.
Расположение волоска у
этих ламп является оди-
наковым. Лампы для сов-
ременных кинопередвижек
как немых, так и звуко-
вых, имея мощность в 700
и 1000 вт, обычно снаб-
жены подвесом волоска в
двух плоскостях, почему
эти лампы носят название
биплан. Цоколь этих ламп
имеет особое устройство,
называемое фиксатором,
требующее специального
патрона и позволяющее
располагать светящееся
тело (для получения наи-
лучшего использования
света) в плоскости, параллельной конденсору. Эти лампы
(рис. 366) не могут использоваться при обычных условиях и тре-
буют для своего охлаждения продувания около них воздуха,
нагнетаемого в кинопроекторах посредством вентилятора. Для
поддержания напряжения неизменным и равным 110 в обычно
применяют или специальный трансформатор, который необходим
не только при напряжении в сети 220 в, но и 127 в1.
По отношению к лампам 300 вт и 500 вт (рис. 365, II и III),
не требующим особых мер для охлаждения, во избежание порчи
ламп надо указать следующее:
1 Кинопроекторы 17-НП снабжены для этой цели реостатом.
226
а) Если осветительная сеть имеет напряжение 127 в, то необ-
ходимо параллельно лампе ввести вольтметр и включить после-
довательно с ней реостат на 1 — 2 ом с ползуном, допускающим
нагрузку соответственно взятой мощности лампы около 3 или
5 а (рис. 367). При напряжении сети в 220 в для лампы НО в
Рис. 367. Включение кииолампы 300 вт в сеть освещения 127 в.
Рис. 368. Включение кииолампы в сеть освещения 220 в.
необходимо включить понижающий до 110 в трансформатор или
включить последовательно с кинолампой в качестве реостата
нормальную осветительную лампу на НО в одинаковой мощно-
сти, т. е. соответственно 300 или 500 вт (рис. 368). Весьма важ-
но не перекаливать лампу, т. е. не брать напряжения больше
НО в, так как при этом и без того малый срок службы лампы
сильно сокращается. Нормальный срок службы ламп в 300 и
1000 вт—100 часов, лампы в 500 вт — 50 часов.
б) Кинолампы при работе должны быть расположены только
вертикально и притом цоколем вниз. Как исключение может быть
15* 227 %
допущено небольшое отклонение от вертикали не более 15°. При
несоблюдении указанного правила лампа гибнет иногда через не-
сколько минут, вследствие плавления стеклянных частей лампы
(колба, ножки, мостики), расположенных вблизи от светящегося
тела.
в) При работе с мощными кинолампами во избежание порчи
зрения необходимо защищать глаза тёмными очками.
г) Следует иметь в виду, что мощные лампы дают весьма зна-
чительное количество тепла, благодаря чему баллон очень сильно
нагревается и может вызвать при прикосновении к нему ожог.
Горючие материалы (бума.га, дерево, картон и т. п.), приведён-
ные в соприкосновение с баллоном, обыкновенно воспламеняются.
4. Низковольтные осветительные лампы. Эти лампы изготав-
ливаются для местного освещения на производстве, когда напря-
жение 127 в может вызвать поражение током (рис. 370, IV). Эти
лампы называют иногда котельными. Напряжение ламп бывает
12 в или 36 в. Особенно удобны эти лампы тем, что они имеют
цоколь для ввёртывания в нормальный патрон. Питание ламп
12 в можно производить от батареи элементов или аккумулято-
ров; возможно использовать для этого также школьный разбор-
ный трансформатор (см. т. V).
Некоторые данные о этих лампах приведены в нижеследую-
щей таблице:
Световые и электрические характеристики для низковольтных (котельных) ламп
Напряжение в в Мощность В вт Световой поток в лм 1 Световап 1 отдача ' в лм;вт Диаметр колбы г» льи Полная длина в .«.и Срок службы в часах
15 140 9,3 50 78
12 25 40 250 480 10,0 12,0 50 60 78 108 1000
15 ПО 7,8 50 78
36 25 40 200 400 8,0 10,0 50 60 78 103 1000
5. Прожекторные лампы. Эти лампы предназначаются для
установки в прожекторах с параболическими зеркалами. Они
представляют значительный интерес для физического кабинета,
гак как их тело накала имеет весьма небольшую поверхность и
поэтому эти лампы незаменимы там, где источник света должен
быть и мощным, и в то же время приближающимся к точечному
(рис. 369, II). Напряжение их бывает 11 и 22 в; мощность де-
лается от 100 до 500 вт, почему эти лампы для своего питания
228
требуют токов порядка десятков ампер. Срок службы их весьма
невелик — от 10 до 30 часов. Некоторые из них не выдерживают
горения более 10 минут, требуя выключения для охлаждения.
6. Лампы автомобильные и тракторные (рис. 369, II—III).
Эти лампы делаются газонаполненными с вольфрамовой питью
закрученной спиралью. По действующему ОСТ 7867 (лампы на-
каливания автомобильные и трак-
торные) изготовляются для двух
различных напряжений: 6 — 8 в и
12—16 в, причём под рабочим
напряжением лампы стандарт
подразумевает обозначенные на
цоколе и выраженные в вольтах
напряжения, при которых лампы
предназначаются к работе. Таким
образом, для накала лампы мож-
но пользоваться различными на-
пряжениями в указанных преде-
лах, т. е. от 6 до 8 и от 12 до 16 в.
Очевидно, что сила света, давае-
мая лампой, её номинальная
удельная мощность, а также срок
службы будут зависеть от пода-
ваемого на лампу напряжения.
Стандарт вводит понятие ещё о
так называемом расчётном на-
пряжении подразумевая под ним
то напряжение (выраженное в
вольтах), при котором лампа ра-
ботает в соответствии с её харак-
теристикой и гарантирует указан-
ный срок службы лампы.
Один из типов автомобильных
ламп имеет две нити (рис. 369, I),
одна из которых оказывается сме-
щённой с оптической оси фары
(параболического зеркала) и по-
этому создаёт пучок света на рас-
стояние 30— 40 м. Другая нить
располагается по оси фары и слу-
Рис. 369. Различные виды спе-
циальных ламп 1 — автомо-
бильная двусветная лампа;
II — автомобильные 6 а и
12 в; III — прожекторные
(самолётные).
жит для освещения впереди автомобиля до 100 м.
В отличие от нормальных осветительных ламп автомобильные
лампы характеризуются не мощностью, а силой света в междуна-
родных свечах. Для ламп на рабочее напряжение 6—8 в поми-
нальная сила света равна 3. 10, 15, 21 -f- 21 свечи, на рабочее на-
пряжение 12—16 в: 3, 15 и 21 свечи. Лампы снабжены, за исклю-
чением ламп двойного света 21 -f- 21, малым одноконт зктным цо-
колем Свана.
229
7. Низковольтные лампы разные. Из этих лампочек для шко-
лы наибольшее значение прежде всего имеют лампочки для кар-
манного фонарика, применяемые как для лабораторных работ,
Рис. 370. Низковольтные маломощные лампочки.
I—лампа для карманного фонарика, II—рудничная,
III — софитная лампа, IV — котельная.
Рис. 371.
Патрон для
£ламп от
[карманного
t фонарика.
так и для некоторых демонстраций (рис. 370, 1). Напряжение
этих ламп бывает от 1 в до 3,5 в. Подобные лампы рудничные
(4 в) выпускаются с цоколем Свана (рис. 370, II). Наконец, сле-
Рис. 372. Различные виды патронов:
А — фарфоровый «Голиаф», В — фарфоровый нормальный, С—карболитовый
нормальный, D — с металлической оболочкой, Е—переходной.
дует упомянуть о лампах с софитной колбой, у которых волосок
расположен по прямой линии (рис. 370, III).
8. Патроны для ламп накаливания. Наиболее распространён-
ными являются общеизвестные патроны Эдисона (рис. 371—374).
Патроны Эдисона бывают для четырёх размеров цоколя: 1) лам-
пы карманного фонарика (рис. 371), 2) «Миньон», 3) нормаль-
ный (рис. 372, В— Е) и 4) «Голиаф» (рис. 372, А).
230
Кроме указанных патронов, следует упомянуть о патронах с
выключателем (рис. 373) и специальных, предназначенных для
установки в сырых местах (рис. 374).
Рис, 373. Патроны с выключателями:
А — поворотным и В— вытяжным
Так как патрон для карманного фонарика не всегда можно
найти в продаже, то на рисунке 375 показан способ его изготов-
Рис. 374. Патроны для сырых мест:
А — герметический, В —полугерметический
(монашка).
ления из голой медной, железной или латунной проволоки
(d = 1 — 2 мм). Подобным же образом можно изготовить пат-
рон для лампы с резьбой «Миньон».
231
В автомобилях, тракторах, железнодорожных вагонах, кино-
передвижках и т. д. употребляются патроны Свана. Патроны Сва-
на бывают одноконтактные и двухконтактные (рис. 376 и 377). В
лампе для одноконтактного патрона один из проводников от ни-
ти лампы присоединён к цоколю с двумя штифтами, другой —
к контактной пластинке. Штифты лампы вставляются в прорез
оболочки патрона, причём пластинка упирается в пружину. Про-
водники от цепи присоединяются к оболочке и пружинке. В лам-
Рис. 375. Самодельный патрон Рис. 376 и 377. Двухконтактный пат-
для лампы от карманного фо- рон Свана и его устройство.
нарика.
пе для двухконтактного патрона нить лампы присоединена к пла-
стинкам А и В (рис. 376 и 377). Внутри патрона имеются два
стерженька С и D, упирающиеся в пружиики, к которым приклю-
чены проводники Е и F цепи. Цоколь имеет два штифта, которые
вставляются в прорезы оболочки патрона. В двухконтактных
патронах в отличие от одноконтактных оболочка не находится
«под током». Патроны Свана делаются двух размеров — малые
и нормальные. Достать патроны Свана скорее можно в магази-
нах, торгующих частями для кино и автомобилей, чем в электро-
технических.
9. Лампа Лодыгина и её модель. На рисунках 378—379 пока-
заны лампы Лодыгина: одна из них, усовершенствованная Ди-
дрихсоном и допускавшая выкачивание воздуха из баллона
(рис. 379), и другая (без вакуума), изготавливавшаяся в Москве
одной из частных фирм (рис. 380).
Как известно, телами накала в лампе Лодыгина служили
угольные стерженьки толщиной от 1,25 до 2,5 мм, укрепляемые в
232
специальный механизм, переключавший эти стерженьки по .мере
их сгорания. Этот механизм состоял из трёх пластинок, из кото-
рых две а и b были укреплены на металлической стойке наглухо,
а третья с была способна поворачиваться вокруг оси о и стре-
милась под действием пружины d прижаться к пластинке в
(рис. 381). К пластинке а подводился ток от одного полюса ис-
точника тока (например другой полюс (—) из батареи при-
Рис. 378. Первые конструкции лампы Лодыгина. Рис. 379, Лампа
Лодыгииа-Дидрих-
соиа.
соединялся к пластинке с. Пластинка а состояла из двух частей
«1 и а, служащих для зажимания посредством винта с гайкой в
отверстиях четырёх угольных стержней 1, 2, 3 и 4 и пропущенных
через отверстия в пластинке Ь, которая, таким образом, служила
направляющей. В отверстия пластинки b для изолирования стерж-
ней были вставлены керамические фаянсовые бусы. Угольные
стержни /, 2, 3, 4 делались неравной длины, благодаря чему
в цепь оказывался включённым сначала наиболее длинный стер-
жень, после сгорания которого —следующий по своей величине
и т. д.
Для демонстрации принципа действия лампы Лодыгина мож-
но накалить от трансформатора 120/12 в графит от карандаша.
233
для чего нужен ток порядка нескольких ампер. Графит
(1 = 3—5 см) для его включения можно обмотать тонким медным
вставить между двумя пружиня-
проводом (d — 0.8—1 мм) или
П1ИМИ полосками (рис. 382).
Рис, 380. Одна из моделей
лампы Лодыгина.
Рис. 381. Устрой-
ство механизма,
переключающего
угольные стер-
женьки по мере
их сгорания.
Рис. 382. Два способа включе-
ния графита от карандаша для
накаливания током (принцип
лампы Лодыгина).
§ 27. Электрическая дуга
1. Общие сведения о дуге. Несмотря на применение в совре-
менных проекционных фонарях электрических ламп взамен дуги,
последняя не утратила своего значения для целого ряда важных
демонстраций. Из них укажем следующие:
1) получение дуги в связи с вопросом об открытии её Петро-
вым в 1802 г.;
2) демонстрация модели лампы Яблочкова;
234
3) применение дуги в электрических печах и в сварочном
деле;
4) получение линейчатых и полосатых спектров от дуги с фи-
тильными углями.
Кроме того, проекционные лампы
Cu/ia тока 6 амперах
Рис. 383. Зависимость силы тока и на-
пряжения электрической дуги с чистыми
углями (при её неизменной длине).
не всегда есть в кабинете и
стоят недёшево, в то вре-
мя как дугу преподава-
тель всегда сможет' соз-
дать хотя бы из старых
углей от гальванических
элементов.
Прежде чем говорить
о получении дуги и её
применении, следует ука-
зать, что дуга имеет так
называемую отрицатель-
ную характеристику, т. е.
по море увеличения тока
через дугу разность по-
тенциалов на её концах
убывает (а не возраста-
ет), так как сопротивление дуги уменьшается; это характеризует-
ся средней кривой на графике рисунка 383. Верхняя кривая даёт
характеристику дуги с последовательно включённым сопротивле-
нием R.
До тех пор, пока дуга
горит спокойно, напряжение
на ней постепенно падает, а
ток возрастает, затем насту-
пает зона неспокойного го-
рения с резким падением на-
пряжения, и, наконец, дуга
начинает шипеть вследствие
недостаточной ионизации,
однако напряжение стабили-
зируется, оставаясь неизмен-
ным. Поэтому для получе-
ния спокойного и устойчи-
вого горения дуги, характе-
ристика которой может
быть изображена кривой
(рис. 384), последователь-
Рис. 384. Характеристика дуги (с чисты-
ми углями) при включении её в сеть с
напряжением 80 в через добавочное со-
противление.
но с дугой включают проволочное сопротивление, имеющее,
как известно, характеристику, представленную прямой R.
(рис. 383). Это проволочное сопротивление, называемое иногда
успокоительным, подбирается по величине таким, чтобы падение
напряжения в нём было около 2СХ>/0 общего напряжения, которым
235
пользуются для питания дуги (60—80 в). Тогда характеристика
изменения тока через дугу и сопротивление выразится кривой
R + L, и дуга станет гореть спокойно.
Дугу переменного тока для экономии энергии следует вклю-
чать через трансформатор, снижающий напряжение до 60—80 8,
но и обязательно через сопротивление.
Различают дуги постоянного и переменного тока, дающие
неодинаковое распределение света. В дуге постоянного тока из
общего количества света дают: кратер — около 85%, катод —
10% и пламя — 5%. В дугах переменного тока оба угля дают по
47,5% света и пламя около 5%.
Чтобы от дуги постоянного тока получить наилучшее исполь-
зование света, угли обычно располагают не в одной плоскости, а
Рис. 385. Влючение электрической дуги постоянного тока —
через реостат с коммутатором.
под некоторым углом друг к другу (рис. 385 и 388), причём
положительный кратер направлен прямо на освещаемый объект.
Для наилучшего использования света в дуге, питаемой пере-
менным током, оба угля кратерами обращают к освещаемому
объекту (рис. 386, IV). По указанным прицепам лампы для элек-
трических дуг постоянного и переменного тока получают различ-
ную конструкцию. Единственным видом лампы, используемой
Главучтехпромом, является изображённая на рисунке 389 и
предназначенная для оптической скамьи. При диаметре углей
в 7—8 мм лампа рассчитана на ток 5—6 а.
2. Угли для электрической дуги. Для дуги, питаемой постоян-
ным током, угли должны быть неодинаковыми по толщине, имен-
но для анода (-}-) примерно в два раза толще. Для стабилизации
процесса газовыделения и ионизации, приводящей к световой ус-
тойчивости дуги, угли как постоянного тока, так и переменного
устраиваются обычно с фитилями. Фитиль представляет собой
236
сквозной канал в твёрдом спрессованном угле, заполненный сме-
сью сажи и жидким стеклом.
Качества угля имеют большое значение для ровного и спокой-
ного горения дуги. Неравномерность в структуре углей приводит
к тому, что дуга «трещит», а иногда и гаснет.
Красное
каление
Светло -
пурпуровое
свечение
Желто -
белое -
каление
Красное
каление
~ /5мм
а_ ~ /С мм
Большой
белый
Маленький
белый
кратер
Пурпуровое
свечение
Белая
оболочка
Темно-фио-
летовое
пламя
Централь-
ная часть
ст светло-
желтого—
у положи-
тельного
конца до
фиолето-
вого—у
отрица-
тельного
Рис. 386. Схематическое изображение формы конной углей в
пламени для различного типа электрических дуг постоянного
тока;
/ — с электродами из чистого угля; II — с фитильными угольными
электродами, т. е. имеющими в центральной части какал, заполненный
особой угольной массой; III — с пропитанными солями металлов (нат-
рий) угольными электродами; IV — с углями, содержащими фитиль,
пропитанный солями натрия и обращенный вниз.
Угли «высокой интенсивности», применяемые в кинопроекто-
рах и прожекторах, требующие сравнительно сильного тока (от
75 а и выше), для школы интереса не представляют, но могут
быть использованы взамен обыкновенных.
Кроме углей обычного типа, следует упомянуть о пламенных
углях. В обычной дуге с электродами из ретортного угля, даже с
фитилём, источником света являются накалённые концы углей,
23 7
сама же дуга даёт сравнительно мало света. При применении уг-
лей, пропитанных солями различных металлов, сама дуга светит
очень ярко, с характерным для взятой соли отЧепком. Такие про-
питанные угли носят название пламенных. Пропитывание углей
Рис. 387 и 388. Графики в полярных координа-
тах, показывающие распределение света дуги по-
стоянного тока с расположением углей на одной
прямой линии и под углом друг к Другу.
Рис. 389. Лампа электрической
дуги для оптической скамьи.
Рис. 390. Простей-
ший способ для
получения дуги.
солями бария даёт зеленоватобелый свет, солями натрия — зо-
лотистожёлтый и солями стронция — красноватый свет. Изготов-
ляя такие пламенные угли-самоделки вместо пропитывания уг-
лей, соли металлов чаще вводят в виде фитиля, т. е. заполняют
ими сквозной канал, просверленный в угле в продольном направ-
лении.
238
При всяких работах с дугой, безусловно, необходимо защи-
щать глаза очками из дымчатого или синего стекла (рис. 391). В
крайнем случае можно пользоваться очками с простыми стёкла-
ми, слегка закоптив их на пламени скипидара. Важно заметить,
что для глаз не столько вреден сильный видимый свет, сколько
ультрафиолетовые лучи, вызывающие воспаление в глазах. Удоб-
ны также экраны из синего стекла, употребляемые на производ-
Рис. 391. Ручной экран и тёмные очки для зашиты
глаз от яркого света и ультрафиолетовых лучей.
стве при сварке (рис. 391). Для выбора толщины углей дуги мо-
гут служить следующие таблицы:
1 Табл ица 21
Дуга постоянного тока
Нижний уголь, диаметр | 4 5
В ММ I
I I
7 1 8 I 10
I I
12 13 1 13 | 14 j 18
I I I
Продолжительность горе-
ния в час. Длина угля
в мм 200, 250, 325
8,5, 10
И I 13
15 18
3. Демонстрация электрической дуги как источника света.
1) Лабораторный штатив. 2) Кусочки асбеста. 3) Два угля для дуги. 4) Рео-
стат (нагревательная плитка). 5) Сеть освещения.
Для демонстрации электрической дуги зажимают в лапках
штатива два угля (d = 8—10 мм), изолировав их посредством
асбеста (рис. 390).-Последовательно с дугой включают в цепь
тока бытовую электроплитку, служащую реостатом. Сводят, а
после получения искры разводят (на 3—4 мм) угли до получения
дуги. Если дуга окажется недостаточно интенсивной, берут рео-
239
Таблица 25
Дуга переменного тока
Сила тока в а 3 Ч 6 9 12 15 20 35
Диаметр угля в мм 7 8 1 9 10 12 14 16 20
Напряжение в в 30 30 30 30 30 30 32 34
Продолжительность горения в час угля длиной 250 мм 7 7 j 1 7 7 7 9 9 9
стат с меньшим сопротивлением. Дуга будет гореть также при
последовательном включении с пей лампочки 0,5—1 кет. Элек-
трическую дугу можно получить также между кусками древес-
ного угля (рисовального угля), что может служить иллюстрацией
опыта Петрова.
4. Лампа Яблочкова. О Два угля одинаковой (d = 5 — 8 мм) толщи-
ны. 2) Держатель для углей. 3) Проволока медная не толще 0,2 мм.
4) Трансформатор. 5) Реостат па 2 — 3 ом.
Рис. 392 и 393. Лампа (свеча) Яблочкова и её модель.
Воспроизведение лампы Яблочкова (рис. 392) не представля-
ет труда (рис. 393). Угли для опыта следует расположить верти-
240
кальио на расстоянии 4—6 мм друг от друга, закрепив их в мед-
ных трубках или согнутых из медной полоски соответствующих
обойм.
Разделение углей глиной или гипсом не обязательно. Для за-
жигания, перед включением, верхние части соединяют между со-
бой возможно более тонкой медной проволокой (d 0,2 мм), ко-
торая сгорает и устанавливает появление пламени.
Включение дуги через трансформатор было применено впер-
вые Яблочковым.
5. Электрическая дуга ПОД водой. О Стеклянный сосуд с водой.
2) Два угля. 3) Два штатива с лапками. 4) Реостат. 5) Сеть освещения.
Для демонстрации того, что электрическая дуга образуется и
горит под водой, угли зажимают наклонно в штативах и кон-
цы их погружают в воду. Угли во избежание поражения То'
ком необходимо заизолировать, например,' асбестом от лапок
штативов. Проводники к угля,м присоединяют, плотно обкрутив их
несколько раз около концов углей. Угли через реостат включают
в сеть освещения и приводят в соприкосновение под водой, на-
клонив для этого один из штативов. Штативы при этом заранее
надо поставить так, чтобы между концами углей было расстояние
всего лишь в несколько миллиметров. Вместо штативов угли мож-
но также держать в руках, обмотав их для изоляции кусками бу-
маги или изолирующей ленты. Следует иметь в виду, что при го-
рении дуги под водой на поверхности бурно поднимаются пузыри
пара, разбрызгивающие жидкость. Долгое время дугу жечь под
водой не следует, так как сосуд под влиянием неравномерного
нагревания может лопнуть. Смотреть на дугу через воду и стекло
более безопасно, так как ультрафиолетовые лучи поглощаются
стеклом, но всё же не нужно производить опыт долго. Много эф-
фектнее густо подкрасить воду марганцевокислым калием, фукси-
ном и т. п.
6. Проектирование дуги на экран. )) Проекционный фонарь. 2) Ре-
гулятор для дуги. 3) Щипцы. 4) Осколок кирпича. 5) Медная и железная
проволоки (d — 2 — 3 мм). 6) Соли (азотнокислые) бария, стронция и натрия.
Электрическую дугу для демонстрации лучше всего спроекти-
ровать на экран. Па экране будут отчётливо видны раскалённые
концы углей и кратер, в особенности если положительный уголь
расположен горизонтально. ?
Для проектирования берут обыкновенный проекционный фо-
нарь с дуговой лампой и удаляют у него объектив. Затем пере-
мещают горящую дугу вдоль фонаря до тех пор, пока на экране
не будет получено чёткое изображение концов углей. Можно
спроектировать дугу объективом или линзой,, просто поставив
дугу в непрозрачный ящик с отверстием.
Для демонстрации высокой температуры электрической дуги в
её пламя сбоку вводят, держа в тигельных щипцах, осколок кир-
пича. На экране ясно видно, что кирпич плавится, спекаясь в
16 Физический эксперимент р школе
241
стекловидную массу. Подобным же образом, вводя в дугу кусоч-
ки медной и железной проволок, демонстрируют плавление этих
металлов.
Внося в пламя соли металлов натрия, стронция и бария,, по-
лучают окрашивание пламени соответственно в жёлтый, зелено-
вато-белый ,и красный цвета.
7. Сварка электрической дугой. 1) Две полоски железа (1С0 мм х
X 30 — 40 мм х 2— 3 мм. 2) Угольная палочка. ,3) Лапка ст штатива
4) Реостат. 5) Тиски. 6) Песок. 7) Очки. 8) Источник постоянного тока.
Две железные полоски (Ь = 2—3 мм) накладываются друг
на друга и зажимаются в тиски (рис. 394). К ним присоединяется
проводник от положительного полюса динамо-машины. Уголь-
пую палочку обматывают на кон-
це проводником, приключенным
через водяной или проволочный
реостат к отрицательному полюсу
источника тока, и зажимают в
лапке штатива.
Уголь необходимо посредством
асбестового картона тщательно
заизолировать от лапки; конец
лапки, предназначенный для дер-
жания в руках, во избежание по-
ражения током, следует обернуть
бумагой или лучше всего снаб-
дить деревянной ручкой.
Рис. 394. Простейшая установ-
ка для сварки электрической
дугой.
При сварке двух тонких железных пластинок впритык концы
их отгибаются на 3—4 мм под углом 90°, указанным (с) на ри-
сунке 395 образом. При этом необходимо укрепить пластинки так,
чтобы отогнутые края на всём своём протяжении плотно прилега-
ли друг к другу. К пластинкам присоединяют положительный по-
а
Рис. 395. Образцы сварки.
люс от динамо-машины. Для успешной сварки весьма важно очи-
стить соответствующие места пластинок посредством напильника
от окислов и грязи. Для сварки пластинок толщиной в 1—2 мм
требуется ток в 10—15 а; сварка более толстых пластинок требу-
ет более сильного тока (рис. 395 а и Ь). Вместо постоянного тока,
правда, с несколько худшим эффектом, можно пользоваться пе-
242
ременным током, что более выгодно в экономическом отношении
при включении понижающего до 60 в трансформатора и успо-
коительного сопротивления (§ 27, 1).
Надев синие очки или держа перед глазами густо окрашенное
стекло, касаются углем края полосок, зажатых в тисках. Возник-
шую дугу медленно перемещаю1т вдоль свариваемого места. Ме-
талл при этом, плавится и свариваемые поверхности спиваются
между собой. При демонстрации процесса сварки необходимо
снабдить всех учащихся густо окрашенными лаком или закопчён-
ными стёклами. Можно также спроектировать при помощи линзы
Рис. 396. Щипцы для паяния электрической дугой.
сварку на экран. Сварку в этом случае следует производить под
ящиком с отверстиями для руки и окошечками для наблюдения и
прохода света от дуги.
8. Паяние электрической дугой. 1) Щипцы для дуги. 2) Две уголь-
ные палочки. 3) Две медные полоски или спаиваемые части. 4) Обрезки тон-
Хсй латуни или припой. 5) Бура. 6) Реостат. 7) Сеть освещения.
Посредством электрической дуги можно производить пайку
как легкоплавкими (олово и его сплавы со свинцом), так и туго-
плавкими припоями. Пайка легкоплавкими припоями, как изве-
стно, легко производится при помощи паяльника и поэтому ис-
пользование дуги здесь только усложняет процесс. Наоборот,
пайка тугоплавкими припоями посредством дуги после некоторо-
го, даже малого, опыта много проще пайки обычным способом.
Поэтому пайку дугой надо рекомендовать преподавателю. (Надо
помнить о глазах!).
Для пайки необходимо иметь щипцы, показанные на рисун-
ке 396. Сделать их в школе не представляет затруднений.
Щипцы необходимо отрегулировать так, чтобы концы А углей
приходили в соприкосновение под углом 30—35° при раздвину-
тых ручках В щипцов на расстоянии наибольшего захвата раз-
жатой руки. Тогда при сдвигании ручек между концами возник-
нет вольтова дуга. Угли через трансформатор и проволочный
реостат включают в цепь переменного тока и получают дугу при
силе тока 10—15 а.
Спаиваемые поверхности очищают от грязи и окислов и ук-
репляют внакладку или впритык (рис. 397). На месте спая С на-
кладывается небольшое количество кашицы, замешанной на воде
16*
243
буры. Пламенем дуги проводят медленно вдоль места спая и тем
самым нагревают его почти до белого каления. Затем на раска-
лённый шов щипчиками кладут обрезки латуни или какой-нибудь
другой тугоплавкий припой, который при этом плавится и зали-
вает шов. Если припой не плавится, его и место спая вновь нагре-
вают дугой. Описанным образом можно спаивать различный по-
ломанный инструмент (стамески, свёрла и т. п.).
9. Значение накалённого катода. 1) Медная или угольная пласт ин
ка. 2) Уголь для электрической дуги. 3) Лампа от штатива. 4) Реостат.
5) Источник постоянного тока.
В электрической дуге конец угля, соединённого с отрицатель-
ным полюсом, благодаря своему нагреву до высокой температу-
ры, испускает поток электронов, ионизирующий воздух в дуге.
Для существования дуги необходимо, чтобы конец отрицательно-
го угля был накалён, в то время как поло-
жительный уголь может оставаться холод-
ным. Чтобы показать это на опыте, посту-
пают следующим образом. Берут медную «
или угольную (плоский уголь от элемента)
пластинку безразлично какого размера и
Рис. 397. Спаива-
ние электриче-
ской дугой.
Рис. 398. Опыт, демонстрирующий
значение раскалённого катода.
соединяют её с положительным полюсом динамо-машины. Круг-
лый уголь, зажав его в лапку, через реостат присоединяют к
отрицательному полюсу. Коснувшись углем пластины, получают
дугу и перемещают её по какой-нибудь линии вдоль пластины
(рис. 398). Дуга при этом не будет гаснуть. Если же теперь
присоединить плюс к углю и минус к пластине, то всякая по-
пытка перемещать вольтову дугу будет оканчиваться неудачей:
дуга гаснет. ,
§ 28. Нагревательные приборы и электропечи
1. Нагревательные приборы. В физическом кабинете для де-
монстрации необходимо иметь образцы некоторых нагреватель-
ных приборов, употребляемых в быту, именно: чайник, плитку
й утюг (рис. 399—404). Чайник и плитка будут полезны также
для нагревания воды. Чайник весьма полезен при постановке
244
работы «Определение коэффициента полезного действия нагрева-
тельного прибора». Демонстрировать следует не столько работу
нагревательных приборов и обращение с ними, сколько их внут-
реннее устройство. Для этого один из приборов, чайник или утюг,
надо иметь в разобранном виде.
Рис. 399 и 400. Электрический чайник (в разрезе) мощностью в 660 в.
Рис. 401 и 402. Электрический чайник (в разрезе) с нагревательным
элементом в виде фехралевой спирали.
Описание устройства различного вида электропечей приведено
в т. I.
2. Отражательная электрическая печь. Для физического каби-
нета интересна имеющаяся в продаже так называемая отража-
тельная печь (рис. 405—406). Нагревательный элемент печи со-
стоит из конусообразного изолирующего основания, на которое
243
двойной спиралью навита проволока, раскаливающаяся докрасна
при включении в цепь освещения. Печь производит нагревание
двояким образом: во-первых, нагревая воздух, приходящий в со-
прикосновение со спиралью; во-вторых, инфракрасные лучи, исхо-
дящие от элемента А, падая на поверхность вогнутого зеркала В,
отражаются, идут слабо рас-
холящимся пучком и нагре-
вают все предметы, на кото-
рые они падают. Подобная
печь очень удобна для де-
монстраций с инфракрасны-
ми лучами.
Такие печи выпускаются
в продажу для напряжения
127 в и 220 в, мощность их
около 500 вт.
3. Терморегулятор. Глав-
учтехпром выпускает элек-
трические термостаты, тем-
пература внутри которых
может автоматически под-
держиваться избранной и
постоянной в пределе до 1°.
Для физического кабинета
подобные термостаты не ну-
жны, но одна из частей
их — терморегулятор—пред-
ставляет значительный ин-
терес для демонстраций
(рис. 407).
Терморегулятор состоит
из биметаллической полос-
ки Л, один конец которой с
укреплён наглухо на корпу-
се прибора. Другой, свобод-
ный конец снабжён контакт-
Рис. 403 и 404. Электронагреватель
«минутка» — одна из имеющихся
в продаже конструкций
и самодельный прибор.
ной пластинкой а (из воль-
фрама), прикасающейся к контактному винту В н включающей
таким образом сопротивление R в цепь тока освещения. При
повышении температуры выше известного предела в камере (тер-
мостате) биметаллическая пластинка Л деформируется так, что
цепь тока между концом винта В и контактом а прерывается.
При понижении температуры ниже нормы цепь тока вновь за-
мыкается и т. п. Регулируя винт В, можно получить, что в тер-
мостате станет поддерживаться температура строго определённой
величины. Терморегуляторы подобного устройства могут быть
использованы для пожарной сигнализации и других подобных
устройств.
246
Рис. 405 и 406. Отражательная электрическая печь и устройство её нагрева
тельного элемента.
Рис. 407. Устройство терморегу-
лятора с биметаллической по-
лоской.
4. Печь с угольным порош-
ком. 1) Уголь каменный. 2) Желез-
ный тигель. 3) Реостат с коммутато-
ром. 4) Железный гвоздь. 5) Пас-
сатижи. 6) Сеть освещения.
Каменный уголь раздробля-
ют в зёрна, по величине при-
мерно соответствующие перло-
вой крупе. Отсеивают уголь-
ную пыль и совсем крупные
частицы угля. Угольные зёрна
В насыпают в небольшой же-
лезный тигель Л и приключают
его через реостат с коммутатором (5—6 ом) к одному проводу
сети освещения (рис. 408).
Другой провод соединяют с пассатижами или плоскогубцами,
в которые захватывают железный гвоздь С, подлежащий накали-
ванию. Во избежание поражения током на ручки плоскогубцев
надевают резиновые (эбонитовые) трубки. Осторожно погружа-
ют конец гвоздя в уголь на глубину 1—3 см и наблюдают, что
зёрна раскаливаются. При этом возможно, что выделяющиеся га-
зы с лёгким «взрывом» загорятся небольшим пламенем. Вынув
гвоздь, обнаруживают, что его конец раскалился. Опыт выходит,
очень легко. Погружая гвоздь более глубоко, чем указано, важно
247
не. привести его в соприкосновение со стенками тигеля во избежа-
ние чересчур сильного тока.
5. Накаливание в ЖИДКОСТИ. 1) Стеклянный сосуд. 2) Металлическая
пластинка. 3) Насыщенный раствор поташа. 4) Пассатижи. 5) Железный
гвоздь. 6) Постоянный ток в 120 в.
В стеклянную круглую или прямоугольную банку от элемен-
та или аккумулятора наливают насыщенный раствор поташа или
Рис. 409. Электрическая печь
с жидкостью.
соды в воде и подвешивают металлическую пластинку А, приклю-
ченную к положительному полюсу источниками постоянного тока
120 в (рис. 409). Другой полюс (—) присоединяют к пассатижам
или плоскогубцам с ручками, изолированными резиной. В плоско-
губцы захватывают длинный и тонкий (d 2 мм) гвоздь и по-
гружают его кончик в раствор. После того как'конец раскалится,
погружают следующий участок гвоздя и т. д. и в конце концов
накаливают весь гвоздь.
Выделение тепла происходит благодаря сосредоточиванию все-
го напряжения на весьма значительном сопротивлении слоя газов,
выделяющихся вокруг гвоздя.
Описываемый опыт очень эффектен и легко выходит. Важно
обратить внимание на то, чтобы раскаливаемый гвоздь был при-
ключен к минусу источника постоянного тока в 120 в.
6. Индукционная печь (см. т. V).
ГЛАВА СЕДЬМАЯ
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСТВО
§ 29. Термоэлементы
1. Общие сведения о термоэлектрических явлениях. При по-
становке опытов по термоэлектричеству необходимо помнить, что
для получения термоэлектрического тока необходима раз-
ность температур двух спаев, двух разнородных металлов.
Термоэлектрическую цепь можно
рассматривать с термодинамиче-
ской точки зрения как своеобраз-
ную тепловую машину. Это при-
водит к необходимости иметь
обязательно в цепи два спая,
обладающих разными температу-
рами. В самом деле, если пред-
ставить себе только один спай,
состоящий из тесного! соединения
двух кусков разных металлов Л
и В (рис. 410), то между ними,
как известно, всегда существует
некоторая (контактная) разность
потенциалов. Однако эта раз-
Рис. 410 и 411. Схемы
термоэлементов.
ность потенциалов, являющаяся,
как указано, контактной разно-
стью потенциалов, не может слу-
жить для получения длительного
тока. Для получения тока нужна замкнутая цепь, содержащая в
себе второй спай тех же металлов и при том имеющий иную
температуру (tt =f= /2) (рис. 411). Во втором спае условия будут
обратными по отношению к условиям первого спая. Действи-
тельно, если, например, благодаря указанным выше причинам
металл А в первом спае заряжается положительно, а металл В
отрицательно, то во втором спае, наоборот, металл А заряжается
1 Под «тесным» соединением надо подразумевать настолько близкое со-
прикосновение одного металла с другим, что атомы этих металлов могут об-
мениваться своими электронами. Такое соединение лучше всего может быть
достигнуто сваркой или спаиванием легкоплавким припоем (металлом С).
Спаивающий металл не изменяет явления, так как все условия в первой
паре (металл А— спаивающий металл С) будут противоположны второй паре:
спаивающий металл С, и металл В. . •
249
отрицательно, а металл В положительно. Из термодинамических
соображений следует, что эти разности потенциалов будут пол-
ностью компенсироваться и при равенстве температур спаев
тока в цеци не будет, что было выяснено ещё А. Вольта.
Если же температуру спаев сделать различной и поэтому
электронные условия в спаенных металлах будут в температур-
ном отношении неодинаковы, то образуется ЭДС, поддер-
живающая длительный ток в цепи. Как известно, этот термоэлек-
трический ток, проходя
’ путь по цепи разнородных
проводников, в местах их
соединений вызывает теп-
ловой эффект (явление
Пельтье), причём горя-
чий спай будет ох-
лаждаться, а хо-
лодный, наоборот, «
,х нагреваться. Благо-
--А'\ даря этому процессу теп-
ло от горячего спая, т. е.
нагревателя, будет перехо-
дить к «холодильнику»,
т. е. спаю, имеющему бо-
методиче- лее низкую температуру1.
ском отношении демонстрация термо- Таким образом при
тока- экспериментах с термо-
электричеством, в том
числе и в их методических интерпретациях, при изучении фи-
зики необходимо иметь в виду следующее: ток в замкнутой цепи
с термоэлементом зависит от разности температур двух или не-
скольких пар спаев, из которых состоит цепь. Если же рассмат-
ривают термоэлемент как один спай, то это значит на дру-
гой спай, обязательно имеющийся в цепи, не обращают внимания
и забывают о нём. Такой второй спай всегда имеется в цепи, ино-
гда в замаскированном виде, например его образуют соединения
металлов термоэлемента с контактами электроизмерительного
прибора (рис. 412).
2. Термоэлектрический ряд. Чистые металлы 1 2 ио своим тер-
моэлектрическим свойствам располагаются в следующий термо-
электрический ряд:
4- сурьма, железо, цинк, медь, золото, серебро, свинец, олово,
алюминий, платина, никель, висмут —.
При составлении термоэлектрической цепи из двух любых ме-
таллов (для горячего спая) каждый предыдущий в списке будет
1 Изложение вопроса о термоэлектрическом токе см. «Элементарный
учебник физики», под ред. Г. С. Лапсберга, т. II, ч. 86, стр. 153.
2 Следует иметь в виду, что местоположение некоторых металлов в ряде
меняется не только в зависимости от примесей, но даже способов обработки.
250
электроположителен, каждый последующий — электроотрица-
телен. Это значит, что если термоэлементы, например, составле-
ны; 1) из железа и меди и 2) из меди и никеля, то в первом слу-
чае направление тока во внешней цепи 1 будет от железа к меди
л во втором — от меди к никелю.
Кроме того, ряд показывает, что чем дальше друг от друга
металлы стоят в списке, тем больше будет термоэлектродвижу-
щая сила.
Для практических целей возможно пользоваться нижеследую-
щей таблицей, где приведены металлы и сплавы, употребляемые
для термоэлементов. В таблице указаны термоэлектродвижущие
силы в милливольтах между чистой платиной и каждым из метал-
лов при 100° в горячем спае и 0° на холодном спае.
Металлы и сплавы
Термоэлектро-1
движущая
'ила |
в ate ;
Металлы л сплавы
Термоэ.тектр»-
двияищая
сила
в .«в
Висмут .* . .
Константан .
Никель . . .
Платина . . .
Уголь . . . .
Алюминий . .
Платинородий
I —7,3
: -3,3-3,5
| —-1,5
! °
, +0,3
I +о,4
i +0,6
Манганин..............
Серебро ..............
Золото ...............
Медь..................
Железо................
: Никель-хром ........
I Сурьма .............
+0,6—0,8
+0,7—0,8
+0,72
+0,7—0,8
+ 1,80
+2.2
++7
Пользуясь этой таблицей, легко приблизительно вычислить
электродвижущую силу любой термопары при разности темпера-
тур спаев 100° и 0°, для чего следует вычесть величины электро-
движущих сил, соответствующие взятым металлам. Так, напри-
мер, для термопар будем иметь:
Железо-константан ЭДС = 5,2 лв | Железо-платина -1,8
Медь-никель ЭДС = 2,25 мв
Наибольшую ЭДС дадут:
Сурьма-висмут 12,0 мв
Медь-платина +0,75
Никель-платина —1,5
Сурьма-платина +4,7
Висмут-платина —7,3
При этом электроположительными будут все последующие в
списке, электроотрицательными — предыдущие.
На рисунке 413 показана зависимость электродвижущих сил
от температуры для некоторых применяемых па практике тер-
мопар.
1 Считается, что горячий спай является рабочей частью цепи. Холодный
спай входит во внешнюю цепь.
251
Для школьной практики особенно рекомендуется пара желе-
зо-константан или медь-константан. Так как константановую
проволоку можно не достать, то константан можно заменить ни-
келином, дающим в указанных парах сравнительно значительную
Гр а дц сь>
Рис. 413. График для определения зависимости ЭДС для некоторых,
наиболее употребительных пар от температуры.
I медь-константан. 2 серебро-константан, з железо-константан. 1 ни-
кель-нихром. 5 платина-платинородий. Кривые температур отвечают
температуре холодных котлоп 0° С. При температуре холодных концов
20° С эти величины должны быть уменьшены для:
ме.чь-констаптан на 0,81
серсбро-константан > 0, 80 •
железо-константан » 1,05 »
никель-нихром » 0,60 »
платина-планиродий > 0,11 »
электродвижущую силу. Во всех последующих работах указана
никелиновая и константановая проволока, с константаном эф-
фект будет значительнее. ь
3. Паяние термоэлементов. Пайка термоэлементов для изме-
рения температур не выше 200—300° производится при помощи
обычных легкоплавких припоев, т. е. олова и его сплавов.
Для измерения высоких температур (до 900—950') папку
термоэлементов делают твёрдыми припоями. Наиболее удобной
является пайка термоэлементов из меди и константана или же-
леза и никеля серебряным припоем i. В качестве плавня приме-
няется бура. Спаиваемые проволоки очищают наждачной бума-
гой от окислов, обмазывают кашицей из буры, замешенной на
воде, и вносят в пламя паяльной лампы или газовой горелки. Бу-
1 Практически удобными материалами являются старые серебряные мо-
неты и обломки серебряных вещей.
252
ра, нагреваясь, сначала потрескивает, а затем плавится и рас-
текается по металлу. После этого на место спая кладут малень-
кие кусочки серебряного сплава. После того как серебро рас-
течётся по месту спая, проволоки удаляют из пламени и дают им
остынуть. Буру удаляют сначала соскабливанием, а затем по-
средством ударов молотка, так как место спая настолько прочно,
что его можно ковать. Среди преподавателей обыкновенно рас-
пространено убеждение, что пайка тугоплавкими припоями пред-
ставляет собой нечто сложное.
На самом деле, для проволок
она не труднее, чем пайка
оловом.
1При пайке термоэлементов
из тонких проволок (от 0,05 мм
и тоньше) применяются особые
приёмы, описанные в специаль-
ных руководствах. Здесь мы
укажем только главнейшие
особенности этой работы, тре-
бующие большой аккуратности
Рнс. 414 и 415. Простейший электри-
ческий паяльник для спайки термо-
элементов из тончайшей проволоки.
Заделка нихромовой проволочки.
и искусства.
1) Пайка тонких проволок должна производиться припоями,
плавящимися при достаточно низкой температуре (сплав Вуда,
Дарсе и в крайнем случае :— третник).
2) В качестве плавня лучше употреблять канифоль. Однако
при пайке сплавом Вуда и другими сплавами, температура плав-
ления которых низка, канифоль при такой низкой температуре
плохо очищает поверхность металлов. Тогда следует паять с
раствором химически чистого хлористого цинка, но после пайки
спай нужно хорошо промыть, всего лучше дистиллированной во-
дой.
3) Паяльник должен быть очень маленьким и не перегретым.
Удобнее всего сделать небольшой паяльничек с электрическим
подогревом; применять такой паяльник следует с реостатом, ре-
гулируя им температуру.
Если есть трансформатор на 12 в, лучше паяльник рассчитать
на это напряжение; если трансформатора нет, то можно при соот-
ветствующем реостате пользоваться и током в 120 в. Ток в 220 в
необходимо трансформировать.
Некоторые применяют пайку небольшой петлей из нихромовой
проволки; в этом случае в виду малого сопротивления петли нуж-
но подобрать напряжение и силу тока трансформатором и реоста-
том (рис. 414 и 415). Надо иметь в виду, что для нагрева петли
нужен достаточной силы ток.
Обращение с весьма тонкими проволоками требует яркого ос-
вещения источником с малой поверхностью (лучше на тёмном фо-
не). Само собой разумеется, непосредственно в глаза не должно
попадать яркого света.
253
4. Сварка термоэлементов. Много проще вместо пайки для
соединения термоэлементов пользоваться сваркой (рис. 394). Для
сварки толстых проволок концы их скручивают, зажимают в тис-
Рис. 416. Бумажные конденсаторы.
ки и присоединяют че-
рез реостат 1 к положи-
тельному полюсу источ-
ника тока с напряжени-
ем в 40—60 в. К сва-
риваемым концам под-
носят уголь от электри-
ческой дуги, соединён-
ный с отрицательным
полюсом. Возникающая
электрическая дуга вы-
зывает плавление про-
волок, и они свари-
ваются между собой.
Более простой спо-
соб: при наличии пе-
ременного тока зажечь
дугу (сила тока около
5—10 а) между углями
в
в ручном регуляторе от
проекционного фонаря
и скрученные концы проводов осторожно вносить в дугу. Металл
плавится уже в наружной атмосфере дуги.
Для сварки термоэлементов из
очень тонких проволок рекомен-
дуется пользоваться батареей из
трёх бумажных конденсаторов по ''s~
2 мкф (рис. 416). Батарею заря-
жают от источника тока с напря-
жением в 100—120 в (анодная ба-
тарея) и разряжают через свари-
ваемые проволоки. Возникающая
при разряде искра сплавляет кон- >
цы проводников. Вместо конден-
саторов можно также пользовать-
ся искрами от малых катушек Рум- Рис. 417. Термоэлемент Зее-
корфа, замыкая прерыватель от бека,
руки.
5. Термоэлемент Зеебека с магнитной стрелкой. 1) Термоэлемент.
2) Спиртовая или газовая горелки.
Термоэлемент Зеебека показан на рисунке 417. Он состоит из
пластинки сурьмы или висмута А, к которой припаяна медная
1 Сопротивление реостата нужно подобрать таким, чтобы сила тока при
коротком замыкании была не более 5—6 а.
254
чуга В.. На пластинке А укреплена магнитная стрелка. Для де-
монстрации прибор поворачивают так, чтобы магнитная стрелка
установилась под медной дугой. При нагревании на пламени од-
ного из спаев стрелка отклоняется, обнаруживая тем самым воз-
никновение тока. Судя по направлению отклонения стрелки, вы-
водят, что в взгретом месте ток течёт от сурьмы к меди или от ме-
ди к висмуту.
Подобные термоэлементы с парами медь-цинк, медь-никелин,
железо-никелин и т. п. можно изготовить своими силами. Наи-
больший же эффект может быть получен от пары сурьма-впс-
мут, что соответствует действительному устройству термоэлемен-
та Зеебека.
6. Термоэлементы, дающие сильные токи. Электродвижущие
силы, даваемые термоэлементами, очень невелики. Например,
термоэлемент из меди и никелина при разности температур в
100° С даёт ЭДС, равную около 2,5 мв. Однако эта малая ЭДС
при достаточно малом сопротивлении цепи может дать весьма
сильные токи. Так, при сопротивлении цепи в 0,001 *2 ток будет
равен 2,5 а, а при сопротивлении в 0,0001 Q, легко достижимом
на практике, уже — 25 а.
Такие сильные термоэлектрические токи очень эффективны
для некоторых опытов по электромагнетизму. В этом случае тер-
моэлементы можно использовать для получения магнитного поля
прямого тока и для питания электромагнитов. При этом надо
иметь в виду, что выгоднее получать усиление магнитного поля
за счёт увеличения силы тока, чем за счёт увели-
чения числа витков. Увеличение числа витков приводит к увели-
чению длины проводника, а следовательно, к увеличению его со-
противления. Поэтому термоэлементы удобнее всего для демон-
страции магнитного поля одного витка или поля одного
прямого проводника.
При конструировании подобных термоэлементов необходи-
мо также учитывать, что благодаря большой теплопроводности и
малой длине одного из металлов разность температур стремится
выравниться не столько благодаря явлению Пельтье, сколько пе-
редаче тепла по металлу (теплопроводимость).
На рисунке 418 изображён один из термоэлементов, служа-
щих для получения сильного тока. Он состоит из толстого (of=l5—
20 мм) круглого медного прута АС, изогнутого указанным на
рисунке 418 образом, к которому припаян железный стержень В
такого же или большего диаметра. На сильном пламени, напри-
мер паяльной лампы или газовой горелки, нагревают конец А
медного прута; отросток D при этом опускают в сосуд с холодной
водой или лучше со’ смесью воды и льда. При помощи магнитной
стрелки определяют, что термоток течёт в горячем спае от железа
к меди.
Преподаватель Шпаков предложил рациональную конструк-
цию термоэлемента (медь-никелин), заделав один из спаев в ко-
255-
робочку, в которую для охлаждения наливалась вода и клался
лёд (рис. 419).
Институт политехнического образования конструировал тер-
моэлементы для получения сильных токов из пары медь-никелин.
При этом никелиновая перемычка делалась не сплошной, а из от-
дельных, лежащих вблизи друг от друга, пластинок В (рис. 420).
Такое устройство позволяет получить много большую разность
температур спаев, чем при сплошной перемычке. Особенностью
этого термоэлемента являлось также наличие радиатора, пред-
назначенного для лучшей отдачи теплоты на холодном спае. Для
мент с охлажде-
нием одного из
спаев водой.
Рис. 420. Термоэлемент
ипо.
Рис. 418. Термоэлемент для
получения сильных токов.
этой цели был устроен ряд пластинок из меди (рис. 420). Маг-
нитный спектр прямого тока может быть показан на одном из та-
ких термоэлементов, однако тогда ему удобнее придать прямо-
угольную форму.
Для демонстрации можно в петлю термоэлемента ввести же-
лезный стержень и обнаружить, что он притягивает и удерживает
гвозди или другие железные предметы, можно заделать провод-
ники термоэлемента Л и В в железную оправу С и получить
электромагнит, способный удержать гирю весом в несколько ки-
лограммов (рис. 421).
Ещё проще воспользоваться, как это рекомендует преподава-
тель Шпаков, куском разрезанной вдоль железной трубы, надетой
вокруг одного из проводов (рис. 422). Железным сердечником
для термоэлектромагнита может явиться также оправа от круг-
лого электромагнита с целиком замкнутым магнитным полем
(рис. 423). Такие круглые электромагниты изготовлялись и изго-
товляются Главучтехпромом, и они легко могут быть переделаны
в термоэлектромагниты (рис. 424). Медный провод А, Ль Лг
делается из шины с сечением, зависящим от размера щели в же-
лезном сердечнике D.
• Общее сечение пластинок В из никелина или железа (никелин
лучше) должно превышать сечение меди. Пластинки могут быть
266
впаяны легкоплавким припоем. Такой круглый электромагнит
может удерживать якорь с грузом 10—20 кг.
7. Простейший термоэлемент для демонстраций. 1) Железная
нлп никелиновая проволока (d = 0,3— 1 мм; I - 20—40 см). 2) Два медных
проводника (d — 0,3—0,5 мм; I =30—50 см). 3) Гальванометр демонстрацион-
ный. 4) Спиртовая горелка. 5) Элемент. 6) Штатив или подставка.
Рис. 421. Устрой-
ство железной
оправы для термо-
элемента.
Рис. 423. Оправа (сердечник
и якорь) от круглого элек-
тромагнита.
Рис. 424. Заделка термоэле-
мента в оправу от круглого
электромагнита.
Простейший элемент для обнаруживания и определения на-
правления термотока можно создать, плотно скрутив щипцами
концы трёх проводников: двух медных и железного. Медные про-
водники присоединяют к клеммам демонстрационного гальвано-
метра. Для получения большой электродвижущей силы можно
17 Физический экспеоимеит в школе
257
взять вместо железного проводник из никелина. Место скрутки на
одном конце нагревают на спичке или пламени спиртовой горелки
и наблюдают отклонение гальванометра. Затем, отсоединив тер-
моэлемент, посредством элемента определяют направление тока,
который вызывает отклонение гальванометра в ту же сторону, и
убеждаются, что от термоэлемента ток течёт в направлении от
железа к меди или от меди к никелину.
Рис. 425. При нагревании левого спая гальвано-
метр отклоняется в одну сторону, при нагревании
правого — в противоположную.
Нагревают на пламени сначала один спай и затем, дав ему
остыть, второй. При этом наблюдают отклонение гальванометра в’
первом случае в одну сторону, во втором — в другую (рис. 425).
Судя по полюсам гальванометра, убеждаются, что ток в горячем
спае течёт вышеуказанным образом. Интересно также показать
постепенное исчезновение тока при нагревании другого спая.
Возможно также, оставив один из спаев при обычной комнатной
температуре, погрузить другой в смесь поваренной соли или на-
шатыря со снегом.
На таком самодельном термоэлементе и установке, показанной
на рисунке, удобно разъяснить, какой источник энергии является
причиной возбуждения в термоэлектрической цепи постоянного
электрического тока.. Необходимо’, конечно, ознакомление и с яв-
лением Пельтье.
§ 30. Термометрические измерения
1. Общие замечания о термоэлектрических измерениях. Тер-
моэлементы в настоящее время широко применяются для измере-
ния температур в самых разнообразных случаях. Удобства этого
способа очень велики. Они заключаются в возможности отдалить
258
место наблюдения, где находится электроизмерительный прибор
от места измерения температуры, где находится рабочий спай
термоэлемента, почти на любое расстояние, так как эти приборы
должны быть соединены только электропроводами. Термоэлемен-
тами из платины-платинородия можно измерять температуру
до 1500° С, что никак не доступно ртутным термолитрам.
Благодаря высокой чувствительности электроизмерительных
приборов чувствительность термоэлектрического термометра мо-
жет быть чрезвычайно высокой; кроме того, термоэлементы из
очень тонких проволок (d = 0,02 мм) обладают ничтожной теп-
ловой инерцией.
Самым существенным недостатком термометрического способа
измерения температуры является то, что ЭДС термоэлемента
зависит от разности температур спаев, а не является функцией
температуры одного горячего спая, как это часто ошибочно пола-
гают. В условиях преподавания и выявления правильной физиче-
ской основы измерений температур термоэлементами никогда
нельзя забывать об этом обстоятельстве и всегда надо явно забо-
титься о постоянстве температуры второго холодного спая термо
электрической цепи.
Таким образом, общие схемы измерений с помощью термоэле-
мента будут следующие:
1) Термоэлементы, в которые не входит медь. Так как клеммы
и провода электроизмерительных приборов по большей части мед-
ные, то цепь будет иметь три спая разных металлов (рис. 426).
Проволоки главного рабочего (горячего) спая М, например из
платины А и платинородия В, спаиваются в местах М, и М2 с мед-
ными проводами С, идущими к электроизмерительному прибору G.
Температуры спаев Af, и М2 должны оставаться всё время измере-
ний постоянными и проще всего одинаковыми, для чего их мож-
но, например, погрузить в сосуды с водой или охлаждающе.-
смесью.
2) Термоэлементы с медью (рис. 427). Для термоэлементов,^
которых одним металлом является медь, схема упрощается, так
как один из проводов С главного- (горячего) спая М может быть-
присоединён непосредственно к электроизмерительному прибору G.
Второй спай, например из константана D и меди С, должен под-
держиваться при постоянной температуре.
2. Требования к гальванометрам для термоэлектрических из-
мерений. При измерениях температуры с помощью термоэлемента
приходится пользоваться чувствительными электроизмерительны-
ми приборами. Какими параметрами они должны обладать для
получения наивыгоднейших условий измерений?
Электрической величиной, являющейся функцией разности
температур, является электродвижущая сила — на-
пряжение, даваемое термоэлементом. Это напряжение и дол-
жен измерять электроизмерительный прибор, а для этого внутрен-
нее сопротивление должно быть значительно больше (в 100 и бо-
250
лее раз), чем сопротивление проводов, образующих термоэлектри-
ческую цепь. При нагревании сопротивление проводов термоэле-
мента будет меняться, и это не должно значительно отражаться па
показаниях прибора. Следовательно, для термоэлементов, имею-
щих малое внутреннее сопротивление (толщина проволок
0,3—0,5—1 мм) можно применять электроизмерительные при-
боры с большим сопротивлением — милливольтметры. В том
случае, если проволоки термоэлемента очень тонкие (0,05—
0,02 мм) и их сопротивление очень значительно (более 100 2),
Рис. 426. Схема включения термо-
элемента без меди к гальвано-
метру.
Рис. 427. Схема включе-
ния термоэлемента с ме-
дью к гальванометру.
выгоднее применять гальванометр с малым сопротивлением
(3—10 12 ), так как иначе большое сопротивление гальванометра
значительно уменьшит силу тока при той же электродвижущей
силе, создаваемой термоэлементом.
При опытах с термоэлементами нужно всегда сообразить, ка-
ким электроизмерительным прибором выгоднее воспользоваться.
В технике при измерениях с термоэлементами всегда пользуют-
ся милливольтметрами. При градуировке термоэлемента для тер-
мометрических измерений надо выделить подходящий электроиз-
мерительный прибор и всегда производить измерения с этим при-
бором.
3. Измерение температуры термоэлементом нулевым методом.
1) Термоэлемент из проволок длинных: медной, константановой или никели-
новой и короткой медной. 2) Нулевой гальванометр1. 3) Сосуд с холодной
водой. 4) Термометр. 5) Спиртовая лампочка или сосуд с горячей водой.
6) Мешалка.
1 Гальванометр, имеющий шкалу с нулбм по середине, называется нулевым.
260
Составив термоэлемент из двух длинных проволок: медной А и
никелиновой Д и одной медной короткой С (рис. 428), полу-
чают два спая. / и 2. Концы медных проводов А и С при-
соединяют к чувствительному гальванометру G (Ю-7 ам). Если
температуры спаев 1 и 2 будут одинаковы, то стрелка гальвано-
метра будет показывать на нуль. При разнице температур спаев
;альвапсмстр будет показывать ток, направление которого зави-
сит от того, будет ли тем-
пература спая 1 выше или
ниже температуры спая 2.
Пусть требуется изме- д | у |с
рить температуру тела че- _ 1 I
ловека. Помещая спай / Xj г *
под мышку руки и тем 'А /
самым нагревая его, обна- ОГСЗ
руживаем, что через галь-
нанометр потечёт ток, ко- -ДТ-.ч
торый уменьшится, если ~ г '
второй спай 2 нагреть в 2
сосуде с водой. Добив- Рис. 428. Схема для измерения температуры
шись полного исчезнове- нулевым методом,
ния тока, определяем по
гермометру, опущенному в воду, тем самым температуру первого
спая, т. е. тела человека.
Очевидно, что для измерения температуры воздуха на улице,
куда помещают спай 1, летом придётся воду подогревать, зимой,
наоборот, охлаждать, смешивая снег с солью.
4. Принцип устройства и действия термоэлектрического пиро-
метра. 1) Термоэлемент железо пли медь-константан. 2) Гальванометр.
О Катушки или магазин сопротивления, ! — К.Ю ом. 4) Сосуд с тающим льдом.
.’>) Сосуд с водой, 6) Термометр. 7) Железная ложка или тигель. 8) Паяль-
ная лампа. 9) Металлы: алюминий, свинец, олово, сплав олова н свинца.
Опыт имеет целью ознакомить с принципами градуировки
термоэлектрического пирометра и методом измерений темпера-
тур. Для опыта следует изготовить термоэлемент из пары
железо-константап или медь-константан из проволок диаметром
в 1 —1,5 мм и длиной в 40—50 см. Концы В проволок скручивают
между собой, сваривают (§ 27,6) и отгибают указанным на ри-
сунке 429 образом. Присоединение термоэлемента к гальваномет-
ру производят при помощи медных проводников через соедини-
тельные клеммы или пайку. В цепь включаются также магазин
или катушка сопротивления для уменьшения чувствительности
гальванометра (§ 8,6). Вторые спаи термоэлемента следует по-
грузить в сосуд А, лучше всего с тающим льдом или, хуже, с во-
дой. Гальванометр берут демонстрационный или, лучше, хороший
милливольтметр.
На пламени паяльной лампы или газовой горелки в тигеле
плавят алюминий и погружают в него на момент сини гермоэле-
261
мента. Если гальванометр или миллиамперметр дают чересчур
сильное отклонение, вводят сопротивление в магазине или вклю-
чают катушку сопротивления. Величина сопротивления должна
быть подобрана опытным путём так, чтобы при погружении спая
в расплавленный алюминий стрелка давала отклонение прибли-
зительно на всю шкалу. Показание гальванометра записывают,
температуру алюминия принимают равной 660°. Затем спай по-
гружают сначала в расплавленный свинец, затем в олово и, нако-
нец, в кипящую воду, принимают температуры соответственно
равными 330°, 230° и 100° и записывают показания гальванометра
Рис. 429. Простейший термоэлектри-
ческий термометр.
в каждом отдельном случае. На
основании полученных резуль-
татов строят график, отклады-
вая на оси абсцисс температуру
и на оси ординат — показания
гальванометра. Для пар кон-
стантан-медь и железо-констан-
тан, как это видно из графика
(рис. 413), кривая должна быть,
близка к прямой.
Подобным же образом мож-
но проградуировать термоэле-
мент для температур в пределах
от нуля до 100°. Для градуиров-
ки надо погрузить спай в
воду В, постепенно нагревае-
мую до кипения на спиртовке
(рис. 429). Концы термоэлемен-
та необходимо в этом случае
держать в сосуде А со смесью
воды и льда (или ,в воде по- 1
стоянпой температуры, налитой
в термос). Перед градуировкой
следует убедиться, что при по-
гружении в кипящую воду от-
клонение стрелки достаточно
большое: если оно невелико,
необходимо взять более чув-
ствительный гальванометр.
Для демонстрации устройства градуированного термоэлемента
можно, например, воспользоваться расплавленной смесью олова
и свинца, температура плавления которой лежит в пределах
130—200°. Для измерения рабочий спай термоэлемента погру-
жают в исследуемую смесь и отсчитывают показания гальвано-
метра. По этой величине находят по графику, построенному при
градуировке данного термоэлемента с данным гальванометром,
искомую температуру.
262
§ 31. Термобатареи
1. Простейшие термоэлектрические батареи. Электродвижу-
щая сила термоэлемента очень мала. Для получения от термо-
элемента большего напряжения необходимо несколько термоэле-
ментов соединить последовательно. Однако при этом, конечно, уве-
личивается внутреннее сопротивление всей батареи. Практически
наиболее удобным металлом для батареи является никелин или
константан и медь.
Простейшая термобатарея изображена на рисунке 430. Со-
ставлена она из медных А и никелиновых В проводников, проде-
тых через широкую пробку, или зажатых между двумя дощечка-
ми (фанерками). Подобное же устройство имеет термобатарея,
изображённая на рисунке 431. Хороша также батарея без всякой
Рис. 430. Простейшая
гермобатарея.
Рис. 431. Термобатарея
оправы, показанная на рисунке 433. Наиболее удобна для нагре-
вания батарея, изображённая на рисунке 432. Для её изготовле-
ния выпиливают из клеёной фанеры два кольцу шириной в 1 см
с внутренним диаметром в 8 см. По окружностям кольца, пример-
но через каждый сантиметр, делают острым ножом зарубки так,
чтобы точки а и b лежали на направлении радиуса. Вокруг каж-
дой пары зарубок кольца обкручивают один раз, отрезки провод-
ников поочерёдно: медных с и никелиновых d.
Концы этих проводников внутри кольца и снаружи через один
скручивают между собой и сваривают. На это кольцо наклады-
вают второе и скрепляют их между собой маленькими шурупами.
Концы двух крайних термоэлементов для включения в цепь снаб-
жают клеммами. Для приведения в действие кольцо, снабжённое'
2G3
какой-нибудь ручкой, например из проволоки, держат так, чтобы
пламенем спиртовки нагревались спаи внутри кольца,
С термобатареями описанного типа, замкнув их на демонстра-
ционный гальванометр через соответственно подобранное сопро-
тивление, можно прежде всего показать, что электродвижущая
сила батареи примерно в п раз больше, чем у одного из элементов.
Для -лого у батареи сначала нагревают один спай, а затем всю
группу чётных или нечётных спаев. Гальванометр во втором слу-
чае даст значительно большее показание, чем в первом.
Рис. 432. Термобатарея и способ её
изготовления.
Наконец, нагревая сначала одни чётные спаи и затем одни не-
чётные, демонстрируют, что полюса батареи меняются своими
местами. Термобатарея с кольцом для этого последнего опыта
неудобна.
Коэффициент полезного действия описанных батарей по отно- .
шению к энергии, затраченной на нагревание, ничтожно мал. По-
лучить от них такой ток, который мог бы быть практически ис-
пользован, трудно.
2. Термобатарея, приводящая в действие электрический звонок.
;) Лепта никелиновая и медная (шириной в 10—15 мм и толщиной в 1 мму
2) Серебряный припой. 3) Звонок электрический. 4) Примус или газовая го-
релка.
Для пары медь-никелин электродвижущая сила одного эле-
мента будет около 2 мв, при разности температур в 100°. Из таких
элементов легко изготовить батарею, которая при соответствую-
щем нагреве будет давать до 0,25 в, т. е. будет достаточна для
приведения в действие хорошо отрегулированного электрического
звонка.
Такую термобатарею легко сделать, если имеется никелиновая
лента шириной около 10—15 мм и толщиной около 1 мм и такая
же или несколько более тонкая медная лента. Из той и другой
ленты нарезают по 20 кусочков длиной в 10 см и спаивают их кон-
цами серебряным припоем. Спаи делаются согласно рисунку 433
264
-рак, чтобы 1голучи,1оеь нечто подобное гармоники. После этого
гармонь развёртывают одним краем так, чтобы оказался круг.
В построенной батарее ряд спаев будет внутри и спаи будут ле-
жать близко друг от друга, а другой ряд будет снаружи.
Если есть возможность достать слюду, то можно между
Г11утрсппими спаями во избежании их соприкосновения проло-
жить кусочки слюды или сделать обмотку асбестовым шнур-
ком. При опытах внутренние спаи нагревают на примусе или
какой-либо другой сильной горелке; к концам батареи присоеди-
няют очень хорошо отрегулированный электрический звонок с
малым сопротивлением его обмотки. При сильном нагревании
спаев звонок начинает звонить.
Необходимо отметить очень малый коэффициент полезного
действия описанной и других термобатарей, достигающий едва
десятых долей процента. Это происходит главным образом от то-
го, что благодаря большой теплопроводности металлов теплота
Рис. 434. Устройство тер-
мостолбика Меллоии.
Рис. 433. Устройство термобатареи для при-
ведения в действие звонка.
распространяется от горячего спая к холодному и его нагревает,
уменьшая ЭДС и требуя особых мер и затраты энергии для под-
держания достаточной разности температур.
3. Термостолбики. Термостолбик служит для обнаружения на-
гревания лучами и представляет собой батарею очень маленьких
термоэлементов, соединённых последовательно. При этом чётные
спаи термоэлементов обращены в одну сторону, нечётные— в дру-
гую. При нагревании лучами Одной стороны столбика получается
электрический ток, регистрируемый чувствительным стрелочным
или зеркальным гальванометром. Несмотря на малую электродви-
жущую силу, даваемую термоэлементами, большая чувствитель-
ность гальванометров позволяет при помощи термостолбиков об-
наружить ничтожное нагревание одной стороны столбика но срав-
нению с другой.
1) Столбик Меллоии. Впервые термостолбики были
265-
Рис. 435. Внешний вид
термостолбика Меллони.
применены для исследования излучения Меллони (рис. 434 и
435). Столбики Меллони состояли из сурьмы и висмута; чувстви-
тельность столбика определялась числом (обычно от 25 до 64)
элементов. Столбик Меллони с внешней стороны представляет со-
бой латунную трубку с одним или двумя раструбами, закрываю-
щимися крышками. В середине трубки заключены термоэлемен-
ты. Спаи их обычно видны, если снять крышку со столбика. Спаи
окрашены в чёрный цвет и расположены в виде квадрата, со-
ставленного из нескольких рядов более мелких квадратиков. Со-
считав число последних, можно определить количество термоэле-
ментов. *
Столбик Меллони имеет обычно небольшое внутреннее сопро-
тивление и поэтому требует применения гальванометра с неболь-
шим сопротивлением (порядка 5—10 олг). Недостатком его яв-
ляется сравнительно большая масса,
почему он медленно нагревается.
Чувствительность столбика связана
с чувствительностью гальванометра и
вообще очень велика.
Столбик Меллони — дифференциаль-
ный, т. е. он показывает разность темпе-
ратур па двух сторонах столбика. Это
очень удобно при целом ряде опытов с
лучистой энергией.
* 2) Современные термостолбики де-
лаются по бол’ьшей части из очень тон-
ких проволок (медь-константан) тол-
щиной в 0,05—0,02 мм. Этот столбик
воспринимает излучение почти мгно-
венно, в чём и заключается его преиму-
щество. Столбик делается обычно ли-
нейчатым, т. е. спаи термоэлементов 1
располагаются на одной прямой. Ко-
робочка столбика снабжена крышкой
с раздвигающейся щелью и применяется для демонстрации раз-
личной интенсивности лучистой энергии в разных частях спектра.
Столбик бывает обычно односторонним и не допускает диффе-
ренциальной или компенсационной установки.
В особо чувствительных столбиках спаи помещаются внутри
стеклянного или кварцевого сосуда, из которого выкачан воздух.
Как известно, термоэлементы в вакууме обладают большей чув-
ствительностью благодаря тому, что энергия, нагревающая спаи,
не рассеивается конвекцией газа, а целиком идёт на повышение
температуры спаев.
3) Значительное распространение получили термостолбики
для физических кабинетов средних школ, сконструированные Ин-,
статутом школ и изготовляемые Главучтехпромом. На рисун-
ке 436 изображён внешний вид такого столбика. Столбик линейча-
266
тый односторонний, его вторые спаи помещены в теле коробки и
остаются не нагреваемыми. Столбик имеет конусный раструб,
предохраняющий спаи от нагревания «непрямыми» лучами.
Присоединённый' к зеркальному гальванометру обычной чув-
ствительности термостолбик этой конструкции даёт возможность
обнаружить излучение тела человека в одежде на расстоянии 3—
4 л1. Легко демонстрировать с ним также увеличение излучения,
если распахнуть, например, полы пиджака или уменьшение излу-
чения при надевании верхней одежды. Термостолбик даёт воз-
можность исследовать распределение энергии излучения по дли-
нам волн, для чего его помещают в разные места спектра, полу-
ченного с призмой при источнике света в виде электрической лам-
почки 300—500 вт. Опыты с термостолбиком описаны более под-
робно в т. VI.
Самодельный столбик сравнительно большой чувствительно-
сти можно сделать, имея медную и константановую проволоки
толщиной в 0,1 — 0,02 мм. Осно-
Рис. 436. Термостолбик
ипо.
вой термостолбика служит прямо-
угольный кусочек Л эбонита, кар-
болита, фибры или другого изо-
лирующего вещества размером
5 мм X 5 мм X 30—40 мм.
Рис. 437. Устрой-
ство чувствитель-
ного термостол-
бика.
Кусочек ровно опиливается и затем обматывается проволокой
из меди В, как показано на рисунке 437. Стороны, где проволоки
идут не наклонно, а перпендикулярно к рёбрам, смазываются ла-
ком, приклеивающим проволоку к основанию.
Затем обматывается константановая проволока С так, чтобы
она на двух противоположных гранях пересекала медную прово-
локу; константановая проволока также приклеивается лаком.
После того как лак высохнет и проволоки прочно пристанут,
их разрезают в тех местах, где они скрещиваются, маленькими
ножницами или лезвием безопасной бритвы.
Правые и левые концы образовавшихся уголков из проволок
267
скручивают и спаивают легкоплавким сплавом, употребляя
раствор канифоли в спирте в виде паяльной жидкости.
Получаются две независимые батареи последовательно соеди-
нённых спаев, которые соединяются или параллельно, или после-
довательно. Если проволока очень тонкая (0,02 мм), то больше
имеет смысла параллельное соединение; если проволока более
толстая (0,1 леи)- — последовательное. Спаи окрашивают чёрным
матовым лаком. Брусочек с термоэлементами вставляют при по-
мощи двух дощечек D, имеющих форму, указанную на рисунке
438, в трубку Е. Концы батареи выводят к двум клеммам К и F.
Трубку снабжают двумя крышечками (металлическими или
картонными) и укрепляют при помощи штатива или подставки.
Так как пайка (или сварка) тонких проволочек требует боль-
шой сноровки, то первый «опытный» экземпляр столбика нс надо
делать из очень большого числа
спаев (не более 10—12 спаев);
второй можно сделать из 30—40
спаев.
Важно в спаях оставить самое
минимальное количество припоя—
от этого сильно зависит чувстви-
тельность столбика.
Рис. 438. Устройство футляра для Рис. 439. Схема устройства термо-
термостолбика. креста.
С зеркальным гальванометром описанный столбик даже при
10—12 спаях вполне пригоден для большого количества опытов с
лучистой энергией.
4. Термопреобразователи. Для измерений слабых переменных
токов очень часто употребляется так называемый термокрест.
Термокрест представляет собой термоэлемент, образованный пет-
лей из двух проволок разных металлов (рис. 439). Если через
ветвь АОС пропускать переменный ток высокой частоты, то спай
О будет нагреваться, и между точками 13 и D образуется разность
потенциалов, которая может вызвать отклонение гальваноме-
тра G с подвижной катушкой.
Тсрмокрест (рис. 440) де,лается обычно из проволок меди и
268
константана, достаточно тонких (0,02—0,05 мм)\ на дощечке
укрепляют 4 клеммы, под которые подвёртывают кусочки толстых
медных проволок (б? = 0,5— 0,8 мм).
На отогнутые концы /1 и В проволок припаивают кусочек кон-
стантановой проволоки, а к концу D — кусочек медной. После
этого за петлю константановой проволоки захлёстывают медную
и натягивают последнюю к проволоке С, где её и припаивают. За-
тем острым маленьким паяльником и легкоплавким сплавом па
канифоли делают спай проволок АВ и DC. В месте спая О долж-
но остаться минимальное количество припоя. В продаже имеются
термокресты, помещённые в вакууме. Они обладают много боль-
шей чувствительностью, чем помещённые в воздухе. Таким обра-
зом, термокрест позволяет щ-
пользовать для измерений одну
из наиболее чувствительных
систем электроизмерительных
приборов, именно магнитоэлек-
трическую (§ 6, 3).
Для подобных же измерений
могут, кроме термокрестов, слу-
j
Рис. 440. Термокрест.
Рис. 441. Схемы устройства термо-
преобразователей.
жить и другие виды термопреобразователей, применяемых в тер-
моэлектрических приборах. Схема одного из таких термопреобра-
зователей показана на рисунке 441, верхнем. Измеряемый пере-
менный ток протекает по двум разнородным проводникам АВ и
CD (манганин-константан). Гальванометр С с подвижной катуш-
кой присоединяют к проводам EF и KI, состоящим из тех же ме-
таллов. Тогда в спаях Е и К образуется термоэлектрическая
ЭДС, действующая на гальванометр. Существуют также так на-
зываемые бесконтактные термопреобразователи, состоящие из
термобатареи, присоединённой к гальванометру С, спаи котово-
го нагреваются теплом, выделяемым проводником MN, по кото-
рому течёт переменный ток (рис. 441, нижний). Для изоляции
этот проводник помещён внутри теплопреводящей трубки Т.
269
ГЛАВА СЕДЬМАЯ
ЭЛЕКТРОЛИЗ
§ 32. Приборы для электролиза
Все опыты, применяемые при изучении явлений электролиза,
по своему назначению делятся на две группы. Опыты первой
группы имеют своей целью качественный показ явлений электро-
лиза без какого-либо измерения или определения количества
веществ, выделившихся или отложившихся на электродах. Опыты
второй группы носят количественный характер и сопровождаются
измерением или всецело сводятся к измерениям; по этой причине
такие опыты лишь частично применяются при демонстрациях,
показываемых учителем, а в большинстве случаев представляют
собой чисто лабораторные работы измерительного характера. Все
измерения, входящие в состав опытов второй группы, в свою
очередь подразделяются на два вида по агрегатному состоянию
выделяемых веществ и по применяемой аппаратуре. В первом
из них измеряется объём газа, выделяющегося на одном или
обоих электродах. Во втором определяется взвешиванием масса
твёрдого вещества, выделившегося на электроде. В соответствии
с трояким подразделением опытов по электролизу все применяе-
мые приборы тоже делятся на три типа. К первому типу отно-
сятся приборы для демонстрации качественной стороны электро-
лиза. Так как за исключением одного-двух случаев, могущих^
встретиться в практике школы, применения твёрдых тел
(см. § 37, 6), электролиз производится па водных растворах элек-
тролитов, то для показа явления необходимы сосуды из прозрач-
ного материала (преимущественно — из Отекла), чтобы были
видны явления, происходящие внутри раствора, форма сосуда
не должна мешать видимости происходящего внутри сосуда, что
имеет важное значение при проектировании явления на экран.
Приборы второго типа должны иметь газометрическую трубку
для измерения объёма газа. Такой трубкой может служить любой
цилиндрический стеклянный сосуд, разделённый на определённые
единицы объёма, обычно на кубические сантиметры и их десятые
доли. У приборов третьего типа должен иметься свободный
электрод, который можно взвешивать до и после пропускания
тока.
Дальше рассматриваются последовательно эти три группы
приборов, при этом приборы даются в большом числе вариантов
270
на тот случай, если представится возможность и желание изго-
товить тот или иной прибор, так как большинство из них.
допускает это. В продаже встречаются главным образом U-образ-
ные трубки (рис. 442 и 443) и прибор Гофмана (рис. 453).
Рассмотрим последовательно эти три группы приборов.
1. Приборы для демонстраций. Наиболее простым прибором
для электролиза является U-образная стеклянная (тонкостенная)
трубка (рис. 442). Достоинством такого сосуда является его не-
Рис. 443. V-образ-
ная трубка.
Рис. 444. Яшичек для
трубок.
большая вместимость, позволяющая ограничиваться малым коли-
чеством растворов (около 50 см3), и его сравнительно большое се-
чение (около 1,5—2 см2), что не создаёт слишком большого сопро-
тивления для прохождения тока; поэтому можно применять низкие
напряжения, не выше 12 в. Недостатком трубок служит их хруп-
кость, обусловленная тонкими стенками; поэтому малейший
нажим на свободные концы трубок приводит к поломке в месте
изгиба. Более прочными являются трубки, у которых два колена
не параллельны друг другу, а образуют между собой некото-
рый угол (рис. 443). Для укрепления трубок не следует приме-
271
нять особых подставок, так как всегда возможно проливание
растворов, портящее подставку и придающее им неприглядный
вид. Всего лучше одно из колен трубки или соединительную
часть зажимать в лапку штатива (рис. 445). Для хранения запас-
ных трубок и для смены их при опытах полезно иметь фанерный
ящичек с ячейками (рис. 444), куда устанавливаются отдельные
трубки.
2. 'Электроды. Электроды в трубку вставляются сверху и для
более 'прочного укрепления пропускаются через
пробки, закрывающие отверстие, но не вплот-
ную, чтобы дать выход для выделяющихся га-
зов. Электроды необходимо делать из вещества,
наименее подверженного химическому воздей-
ствию со стороны большинства других веществ.
Всего лучше иметь платиновые электроды: вы-
сокая цепа платины является большим препят-
ствием к её применению; однако надо заметит?),
что: 1) таких электродов надо иметь всего лишь
два и 2) размер каждого электрода весьма не-
значителен, например очень тонкая пластинка
размером примерно в 0,5 см X 2,5 см или кусо-
чек проволоки (диаметром в 0,5 мм) длиной
около 8 см. (Платиновые электроды можно
взять от пришедшего в негодность прибора Гоф-
мана.) Чтобы опустить электрод в раствор воз-
можно ниже, необходимо платиновый электрод
прикрепить (прикрутить или зажать) на конце
толстой медной проволоки, а эту проволоку
уже пропустить сквозь пробку; на наружном-
конце проволоки полезно укрепить клемму для
присоединения проводов. Ту часть медной про-
волоки, которая погружается в раствор, обяза-1
телыю надо изолировать от раствора; для этого
Рис. -116. Свобод-
ный электрод.
кой (рис. 446), в
проволоку покрывают кислотоупорным лаком
(можно взять асфальтовый) или окружают ре-
зиновой, или, что всего лучше, стеклянной труб-
последнем случае особенно удобно применить
платиповую проволоку, так как её можио впаять в конец стеклян-
ной '[рубки.
Впаивание платиновой проволоки в стекло делается так: на
пламени горелки нагревают конец стеклянной трубки почти до
полного затягивания отверстия и, не вынимая из пламени, встав-
ляют в отверстие платиновую проволоку; продолжая нагревать и
вращая трубку, добиваются, чтобы стекло со всех сторон прилипло
к проволоке; тогда немного оттягивают наружу проволоку вместе
с концом трубки; затем нагревание прекращают и спай посте-
пенно охлаждают в коптящем пламени, пока спай не покроется
слоем копоти. Впаивание удаётся ещё лучше, если платиновую
.272
лроволоку предварительно на месте будущего впая окружить
стеклом, намотав на проволоку размягчённую нить из того же
стекла, в какое будет впаиваться проволока. Чтобы можно
было держать в руках маленький кусочек проволоки, к ней при-
паивается на время держалка из стеклянной палочки, для чего
конец проволоки неглубоко вставляют в размягчённый на пла-
мени конец палочки. Не надо упускать из вида, что проволоку
можно впаивать лишь в те сорта стекла (например, в легкоплав-
кие), какие имеют одинаковый коэффициент расширения с пла-
тиной.
Платиновые электроды (особенно один из них, именно катод)
можно заменить никелевыми или серебряными; однако такая
замена, особенно серебром, не всегда допустима, ибо оба эти
металла подвержены химическим воздействиям и могут дать вто-
ричные химические реакции на своей поверхности (например, при
взаимодействии с серной кислотой). Наконец, можно заменить
платину угольными электродами; берутся тонкие (диаметр око-
ло 5 мм) угли, применяемые для электрической дуги; угли
не должны иметь внутренней начинки («фитиля»). Такие угли
имеют вполне достаточную длину. Если возможно ограничиться
небольшой длиной, то целесообразно взять угли из отработав-
шей батарейки для карманного фонаря; эти угли удобны тем, что
у них имеются металлические колпачки, позволяющие хорошо
осуществить контакт с проводом (хотя эти колпачки держатся
непрочно). Чтобы улучшить такой контакт у дуговых углей, концы
их гальваностегическим путём покрывают слоем меди и затем
поверх этого слоя обматывают плотно медной проволокой. Впол-
не пригодны графитовые стерженьки, например вынутые из
обыкновенного карандаша. Применение таких электродов тре-
бует особой осторожности, так как графит весьма хрупок. Части
графита, не погружаемые в раствор, можно не освобождать от
деревянной оболочки.
Провода, подводящие ток, не годится присоединять непосред-
ственно к электродам: тяжёлые провода могут сдёрнуть лёгкие
электроды; всего лучше провода привязать к штативу; можно
па двух лапках укрепить по клемме, которые будут служить
местом соединения проводов с тонкими (диаметр 0,5 мм) корот-
кими проволочками, идущими к электродам.
Если приходится одни и те же электроды применять в раз-
личных растворах, то после каждого опыта необходимо тщатель-
но промывать электроды чистой водой.
3. Набор для электролиза по Е. Н. Горячкину. Набор состоит
из стеклянного стакана с фарфоровой крышкой (рис. 447). На
крышке имеются 4 клеммы, попарно соединённые между собой.
Две клеммы служат для присоединения проводов; в двух дру-
гих укрепляются электроды. Иногда клеммы каждой пары поме-
щаются друг над другом и как бы сливаются в одну. В набор
18 Физические эксперимент в школе 273
электродов входят: два медных, два цинковых, два свинцовых,
два угольных и один алюминиевый (рис. 448).
Этот набор позволяет показать устройство элемента
(рис. 447, III), свинцового аккумулятора (рис. 447, I), алюми-
ниевого выпрямителя (рис. 447, II), измерить количество отло-
Рис. 447. Банка из набора Горячкина.
Рис. 448. Ящик с набором Горячкина.
1
женной меди и произвести любой электролиз с угольными элек-
тродами.
Набор этот не может заменись U-образных трубок, но слу-
жит дополнением к ним и является необходимым пособием
в физическом кабинете.
4. Приборы для собирания газов. Приборы, предназначенные
для собирания газов, сообразно со своим назначением должны,
удовлетворять следующим требованиям:
I) трубки наверху должны закрываться пробкой (стеклянной
274
притёртой или резиновой) или кончаться краном с газоотводной
трубкой, или б ы т ь з а п а я н ы;
2) электроды должны быть помещены внизу, электроды мож-
но впаять сбоку в трубки или пропустить через дно сосуда, или
погрузить в раствор сверху; в двух последних случаях газ соби-
рается в отдельных газометрических трубках, предварительно
наполняемых раствором и помещаемых над электродами. При
соблюдении отмеченных условий в самых различных комбина-
циях мы получим весьма большое число разнообразных приборов
для электролиза.
Рис. 449. Прибор
е пробкой вместо
дна и с пробир-
ками.
Рис. 450. Прибор
из банки без дна
с бюретками.
Рис. 451. Прибор со сво-
бодными электродами и
с газометрическими труб-
ками.
При пропускании электродов снизу сквозь дно сосуда дно
закрывается пробкой — корковой или резиновой (рис. 449, 450,
455, 460 и 461): угольные электроды или платиновая проволочка
(рис. 454) непосредственно пропускаются сквозь пробку; плати-
новая пластинка прикрепляется (зажимается в прорез) к медной
проволоке, которая проходит через пробку (рис. 449). Сосуд без
дна может быть получен из банки с отрезанным дном (рис. 450).
Неудобством приборов с пробкой вместо дна является недолго-
вечность пробочек: они высыхают, твердеют или разъедаются
растворами и начинают давать течь; просачивающиеся растворы
портят подставки, штативы, столы и вообще причиняют массу
неприятностей; замазывание и заливание пробок различными со-
ставами и замазками па некоторое время исправляет прибор, но
очень скоро опять появляется течь, и прибор выходит из строя.
По этой причине удобнее иметь свободные электроды (рис. 446),
но надо только придать им такой изгиб, чтобы их можно было у дна
сосуда подвести под трубку, собирающую газ (рис. 451 и 458).
18* 275
Сосуды для собирания газа могут быть разнообразны: это
или простые пробирки (рис. 449), или газомстрические трубки,
разделённые на кубические сантиметры и их десятые доли, за-
паянные на верхнем конце (рис. 451), или с краном и газоотвод-
ной трубкой (рис. 450), или закрытые пробкой (рис. 454);
последний тип очень удо-
бен тем, что испытание га-
за (например, опускание
тлеющей лучинки в кисло-
род) можно производить в
той же трубке, где собран
газ. Для подвешивания
пробирок и запаянных га-
зометрических трубок на
трубку надевается резино-
вое колечко (отрезанное
от резиновой трубки), при-
жимающее к трубке про-
волочную петельку для
подвеса (рис. 449). Иног-
да применяют стеклянные
колпачки с угольными
электродами (рис. 452) и
с боковой трубочкой для
отвода газа.
колпаком и уголь-
ными электро-
дами.
Рис. 453. Вольта-
метр Гофмана.
Рис. 454. Само-
дельный вольта-
метр.
Вторую группу приборов для электролиза с выделением газов
составляют стеклянные приборы с впаянными сквозь стенки
электродами. К этой группе принадлежит прежде всего самый
распространённый прибор Гофмана в виде трёх сообщающихся
трубок (рис. 453); две из них, предназначенные для собирания
выделяющихся газов, снабжены наверху кранами и градуиро-
ваны на кубические сантиметры и их десятые доли; третья трубка
имеет на верхнем конце резервуар, куда переходит раствор,
276
вытесняемый газами. Для испытания газов их приходится пере-
водить в пробирки, помещаемые над верхними газоотводными
трубочками; газы вытесняются раствором, накопляющимся в за-
пасном резервуаре; неподвижность этого резервуара .затрудняет
регулирование выхода газа: то оказывается слишком мало
раствора — и потому газ не вытесняется из трубки, то раствора
слишком много — и он выбрасывается из трубки наружу; поэтому
Рис. 45G. Вольта-
метр с запаянны-
ми трубками.
Рис. 457. Универсальный
вольтаметр.
Рис. 455. Вольта-
метр Кольбе.
большое удобство представляют приборы, у которых трубки,
собирающие газ, соединены с подвижным резервуаром с помо-
щью резиновой трубки (рис. 454, 455, 457, 460 и 461). Поднимая
и опуская резервуар, легко регулировать и прекращать вытесне-
ние газа из трубки. У приборов Гофмана, выпускаемых в про-
дажу за последнее время, только один из электродов делается
из платины. Это надо принимать во внимание, и при пользовании
прибором обязательно платиновый электрод делать анодом
(на нём происходит окисление), а второй (неплатиновый) элек-
трод — катодом.
Прибор Гофмана можно заменить самодельным (рис. 454),
где соединение двух градуированных трубок выполнено с по-
мощью тройника и кусочков резиновых трубок. Недостатком
этого прибора, как и вообще многих приборов Гофмана, является
Длинный и узкий путь, проходимый током, и потому — большое
277
внутреннее сопротивление, оказываемое току; в силу этого при-
ходится применять большие напряжения (до 50 и даже до 100 в);
в противном случае при слабых токах выделение газов проис-
ходит слишком медленно; с другой стороны, при сильных токах
раствор в соединительной трубке, по которой проходит ток, и сама
трубка довольно сильно нагреваются. Этот недостаток устранён
у прибора Кольбе (рис. 455), так как в нижней части сделано
расширение. В некоторых приборах (рис. 456) роль запасного
резервуара выполняет банка, в которую через пробку проходит
нижний отросток U-образной трубки.
Рис. 458. Вольтаметр со сво- Рис. 459. Вольта-
бедными электродами и с метр из воронки и
мензуркой. пробирки.
Рнс, 460. Вольта-
метр Кольбе для
смеси газов.
Весьма удобным и, можно сказать, универсальным является
простенький прибор (рис. 457), состоящий из короткой (вдвое
короче обычного прибора Гофмана) U-образной трубки с впаян-
ными электродами, с пробками (всего лучше стеклянными)
наверху и с отростком внизу. Этот прибор универсален тем, что
одинаково удобен как для собирания газов, так и для получения
любых веществ в растворе (кроме твёрдых осадков па электро-
дах).
В том случае, когда нужно собрать лишь один газ, выделяю-
щийся на одном электроде, применяют U-образную трубку,
у которой одно колено запаяно, а другое открыто.
Когда количество выделяющегося газа служит для измерения
количества протекшего электричества, обычно газы, выделяемые
на обоих электродах, не отделяют друг от друга, а измеряют
объём их смеси (такой смесью преимущественно является «гре-
мучий газ»); в таком случае оба электрода помещают в одном
278
колене или под одним общим газоприёмником (рис. 458 и 459);
все такие приборы носят название газовых кулометров; таков при-
бор Кольбе с одной трубкой (рис. 460), простой прибор для лабо-
раторных работ (рис. 461). Можно смесь газов по трубке отвести
в обычную ванну для собирания газов —так делается в щелоч-
ном вольтаметре с никелевыми цилиндрическими электродами
(рис. 462).
Слабым местом всех приборов с впаянными электродами
является отламывание при малейшей неосторожности небольшой
наружной проволочной петельки, составляющей внешнюю часть
Рис. 461. Вольта- Рис. 462. Никелевый вольта- Рис. 463. Защита
метр для лабора- метр. электродов.
торных работ.
электрода. После отламывания, почти неизбежного при длитель-
ном, хотя бы и аккуратном, обращении с прибором, контакт
г электродами становится невозможным, и прибор приходит
в негодность. Наклеивание снаружи (при помощи менделеевской
замазки) металлических колпачков не спасает положения, так
хак они отрываются вместе с наружным кончиком платиновой
проволочки. По этой причине необходимо, пока ещё это ушко
(и колпачок) цело, принять предохранительные меры. Самой
простой и легко выполнимой мерой служит прикладывание
•< ушку снаружи небольшой латунной полоски, которая удержи-
вается при помощи резинового кольца, надетого на стеклянную
трубку (рис. 463). К этой полоске присоединяются провода от
источника тока. Полезно перед накладыванием полоски немного
прижать ушко к трубке, чтобы оно не так сильно торчало; но
это прижимание надо делать крайне осторожно, чтобы не обло-
мать проволочки. Иногда резиновое кольцо- заменяют металличе-^
279
ской муфтой, надетой на трубку; от муфты -идёт пружинка, при-
касающаяся к ушку электрода (рис. 456).
5. Приборы для получения твёрдых осадков. К третьей груп-
пе приборов для электролиза относятся приборы для демонстра-
Рис. 464. Медный вольтаметр.
Рис. 465. Серебряный
вольтаметр с цилиндром.
на электродах.
оседающих
можно применить U-образ-
Рис. 466. Сереб-
ряный вольтаметр
со стержнем.
ции и измерения твёрдых осадков,
С такой целью из ранее описанных
ную трубку (рис. 442 и 443) или банку из набора Е. Н. Горяч-
кина (рис. 447) с угольными или медными
электродами. Для лабораторных работ
обычно применяется медный вольтаметр
(рис. 464), в котором катод и два анода
(расположенные по обе стороны катода)
сделаны из тонких листов красной меди;
листы имеют па верхней стороне выступы,
которые вкладываются в прорезы двух эбо-
нитовых брусочков, наложенных на узкие
стороны плоско параллельной банки. Оба
анода чаще делаются из одного общего
листа (рис. 464). Длинные выступы элект-
родов снабжаются клеммами для присоеди-
нения проводов.
Для точных измерений (например, силы
тока при градуировке амперметров) приме-
няется серебряный вольтаметр (рис. 465 в
466); анодом служит серебряный цилиндр
(рис. 465) или серебряный стержень
(рис. 466), катодом — платшювый тигель. Чтобы кусочки сереб-
ра, отпадающие от -анода при его растворении, не попали на
катод, или помещают под анодом стеклянную (или фарфоровую)
чашечку (рис. 465), или окружают анод чехлом из чистого по-
лотна (рис. 466).
280
6. Приборы для проектирования. В некоторых случаях необ-
ходимо явление электролиза спроектировать в увеличенном виде
на экран. Для этой цели надо иметь узкий плоско параллельный
сосуд. Такой сосуд довольно просто сделать следующим образом:
берутся два старых негатива размером 9 см X 12 см и после
долгого лежания в воде отмываются от желатина (рис. 467, С);,
затем из фанеры выпиливаются два куска по размеру негативов;
Рис. 467. Сосуд для проектиро-
вания явлений электролиза.
Рис. 468. Плоско
параллельный со-
суд из плекси-
гласса.
в этих кусках выпиливается отверстие (рис. 467, О), форма в
размеры которого соответствуют внутренней полости сосуда,
проектируемой на экран. Между стёклами вкладывается изогну-
тая дугой резиновая трубочка (рис. 467, £); трубка берётся
толстостенная, если такой не имеется, то внутрь тонкостенной
трубочки продевается при помощи проволоки кусок толстой
бечёвки. Чтобы придать трубке нужный изгиб, удобно пользо-
ваться картонным шаблоном (рис. 467, У7). Снаружи к стёк-
лам прикладываются куски фанеры, и затем весь полученный со-
суд перевязывается поперёк в двух местах тонкой бечёвкой
(рис. 467, А). Чем туже связать сосуд, тем менее возможно появ-
ление течи жидкости в промежутке между резиновой трубкой и
стёклами; однако при очень тугом затягивании бечввки часто ло-
паются стёкла; во всяком случае бечёвку надо помещать там, где
как раз проложена резиновая трубка.
Для помещения электродов в полученный сосуд берётся проб-
ка, с некоторым трением входящая в промежуток между стёкла-
ми; сквозь пробку пропускаются электроды (рис. 467, В).
Применяя такие сосуды, надо помнить, что они часто дают
течь, особенно когда раствор наливается в сосуд, долгое время
стоявший сухим.
2»к
Для изготовления плоско параллельных сосудов удобно, вме-
сто стёкол, применять плексигласе. Удобство заключается в том,
что скрепление двух пластинок из плексигласса с соответствую-
щей прокладкой между ними (например, из листовой резины)
производится при помощи маленьких болтиков, так как отвер-
стия в плсксиглассе без затруднения просверливаются обыкно-
венными свёрлами для металла. В случае плексигласса дело
упрощается в том отношении, что вместо U-образной прокладки
из резины помещают тршью пластинку из плексигласса и, делая
в пей соответствующий вырез, придают ей U-образную форму. Все
три пластинки скрепляются вместе (рис. 468), причём берутся
очень тонкие резиновые прокладки, например толщиной в i/2 —
1 мм.
Для показа явлений электролиза, в которых на электродах
выделяются твёрдые частицы, вместо вертикального проектирова-
ния лучше пользоваться горизонтальной проекцией. В таком слу-
чае берётся горизонтальный слой электролита, налитый в соот-
ветствующий сосуд в виде ванночки. Слой электролита выгодно
во многих отношениях брать по возможности тонкий, толщиной
до долей миллиметра. Правда, внутреннее сопротивление раство-
ра становится больше и требуется увеличение применяемого на-
пряжения или длительности опыта. -Зато выигрывает ясность и
чёткость проектируемого явления.
В качестве ванночки для проектирования можно взять неболь-
шую круглую (d = 8—10 см) кристаллизационную чашечку, как
для проектирования электрических полей (см. т. IV, § 3'7, 2).
Точно так же берутся плоские электроды; можно применить по-
лоски и кружочки из станиоля, к которым прикасаются провода,
идущие от источника тока. Ванночку можно сделать из круглой
пластинки плексигласса (/? = 3—5 мм), привинтив её тремя-
четырьмя шурупами к деревянному кольцу (Л = 6—10 мм)
с резиновой прокладкой. Дерево покрывается кислотоупорной
краской или лаком. *
Так как плексигласе при. нагревании над пламенем спиртовки
размягчается и легко поддаётся изгибу, то преподаватель с «уме-
лыми руками» может из полоски плексигласса (h = 3—5 мм,
b = 10—15 мм) согнуть в размягчённом виде кольцо, обвив пла-
стинку вокруг круглого предмета соответствующего диамшра и
удерживая её до остывания и отвердевания. Концы кольца
склеиваются друг с другом после выравнивания и точней пригон-
ки их друг к другу. Олин край кольца бархатным подпилком об-
рабатывается для придания ему плоской границы, которая затем
приклеивается к пластинке из плексигласса. Кольцо должно по
всей своей длине плотно прикасаться к пластинке без малейших
просветов. Место склейки должно быть совершенно чистым.
Клеем может служи:ь, как рекомендуют А. А. Покровский
и А. Г. Д у б о в, грушевая эссенция, известная в продаже в
аптекарских магазинах под названием «смывки для ногтей», в
282
которой растворяют плексигласе в виде мелких стружек (из рас-
чёта 1 —1,5 г на 50 емз растворителя).
Можно, наконец, выпилить лобзиком плоское кольцо из пла-
стинки плексигласса и, наложив это кольцо на пластинку плек-
сигласса, скрепить их друг с другом тем или иным способом,
т. е. склеить, склепать, свинтить болтиками; в двух последних
случаях полезно между пластинками проложить слой тонкой
резины (рис. 469).
После опытов сосуды необходимо тщательно промыть водой
и высушить; хранить сосуды лучше всего в разобранном виде.
7. Уход за приборами. При опы-
тах ПО электролизу ПОСТОЯННО при-
ходится применять растворы, вредно X
действующие на резиновые трубки,
подставки, металлические части и (Дк J
дающие твёрдые осадки в виде кри-
сталлических образований. Поэтому
необходимо после опытов подвергать -----
приборы самой тщательной промыв- Рис. 469. Плоская ванночка
ке. Всего лучше после применения из плексигласса.
растворов кислот промыть прибор
раствором щёлочи, например нашатырным спиртом или раство-
ром соды; после щелочей промывают слабым раствором соляной
кислоты. Можно, впрочем, этого и не делать, но во всяком
случае надо поставить прибор в раковину под водопроводный
кран и при слабой струе промыть прибор снаружи и внутри
проточной водой в течение продолжительного времени (не менее
2—3 час.). Чем тщательнее будет промывка, тем дольше будет
служить прибор.
Надо помнить, что очень сильная струя воды может сломать
нежные платиновые электроды. Всего удобнее струю воды направ-
лять в запасный резервуар, чтобы вода выливалась через верх-
ние концы обеих трубок и при этом обмывала весь прибор сна-
ружи.
8. Источники тока. При выборе источника тока для опытов
но электролизу прежде всего надо иметь в виду, что в подавляю-
щем большинстве случаев необходим постоянный ток. Только в
тех случаях, где продукты разложения не играют никакой роли
(§ 33, опыты 1 и 2) или вещества, выделяющиеся па обоих
электродах, могут быть смешаны друг с другом, например при
получении «гремучего газа» (§ 32, рис. 458—462), можно
применять переменный ток. Так, в приборе Гофмана переменный
юк выделит в обоих коленах одинаковую смесь газов (два объ-
ёма водорода и один объём кислорода) одинакового объёма.
Этот опыт полезно показать учащимся, так как обычно у них соз-
даётся ошибочное представление, что переменный ток вообще не
'производит никакого химического действия. При получении «гре-
мучего газа» пи в коем случае не следует его поджигать для до-
казательства его природы, так как вспышка газа сопровождается
весьма сильным взрывом, который разбивает прибор в мелкие
кусочки. Иногда прибор Гофмаиа при работе на переменном
токе начинает сам действовать как выпрямитель и даёт неожи-
данные результаты.
Далее, при выборе источника тока надо принимать в расчёт
форму и размеры сосуда, применяемого при электролизе. Дело в
том, что во многих приборах (рис. 449—451) и особенно в прибо-
ре Гофмана (рис. 453—454) имеется большое внутреннее сопро-
тивление. Поэтому для ускорения опыта приходится применять
сравнительно большие напряжения.
Наиболее подходящим источником постоянного тока надо
считать мотор-генератор, у которого динамо даёт ЭДС в 100 или
120 в. Часто встречающаяся динамо с ЭДС в 12 в во многих слу-
чаях вполне пригодна и только при больших сопротивлениях по-
требует большой продолжительности опыта.
Вместо динамо вполне возможно пользоваться батареей как
свинцовых аккумуляторов, так и железо-никелевых; у вторых
больше внутреннее сопротивление, но зато допустима большая си-
ла тока. В крайнем случае можно обойтись батареей гальваниче-
ских элементов (Лекланше или Грене), соединённых последова-
тельно для повышения ЭДС.
Весьма удобно применение выпрямителей переменного тока —
ртутных, газотронных, купроксных, кенотронных. Так как иногда
возможно при выпрямлении проскакивание, хотя бы частичное,
обратного тока, то при работе выпрямителя с прибором Гофмана
возможно образование небольших порций «гремучего газа». По-
этому при использовании выпрямителей лучше не прибегать к
поджиганию газов.
§ 33. Основные опыты по электролизу
1. Электролитическая диссоциация. 1) Банка. 2) Два медных (ла-
тунных) электрода. 3) Дистиллированная вода. 4) Кислота, соль, Jcaxap.
5) Стеклянная палочка. 6) Демонстрационный гальванометр или электриче-
ская лампочка. 7) Источник тока. 8) Провода. 9) Пипетка.
В банку наливается чистая дистиллированная вода и встав-
ляются два электрода; верхние концы их загибаются наружу
вниз за края банки (рис. 470); электроды соединяются провода-
ми с источником тока; в цепь включается демонстрационный
гальванометр (рис. 471), если ЭДС источника не более 12 в.
Если пользуются источником тока около 100 в, вместо гальва-
нометра берут электрическую лампочку.
Опыт показывает, что чистая вода не проводит тока. Ток по-
является и постепенно усиливается, если в воду по каплям ка-
пать пипеткой крепкую кислоту (например, серную) или понем-
ногу всыпать какой-нибудь соли (например, обычной поварен-
ной); при этом необходимо всё время помешивать воду стеклян-
ной палочкой. При растворении сахара тока не появляется.
284
С каждым новым веществом, конечно, надо брать свежую
чистую воду и споласкивать сосуд.
Прибор Горячкина (рис. 447) для этого опыта неудобен, так
как крышка мешает добавлению веществ.
При гальванометре обязательно
нужен постоянный ток; при лампоч-
ке можно взять переменный.
Опыт этот обнаруживает, что
с увеличением концентрации раство-
ра увеличивается число диссоцииро-
ванных молекул или ионов, т. е. рас-
тёт число носителей электричества.
Этот опыт можно рассматривать
с иной точки зрения, истолковывая
его как указание на зависимость
сопротивления раствора от концент-
рации; в такой форме аналогич- Рис' 47°- Ба11Ка с электродами
' „ ’ т г в ВИде полосок.
ныи опыт был описан раньше
(см. § 12, 3).
2. Зависимость диссоциации от температуры. По мере повы-
шения температуры количество диссоциированных молекул или
ионов в растворе увеличивается. Поэтому с повышением темпе-
ратуры должна увеличиваться и проводимость раствора (или
Рис. 471. Схема устаноики первого опыта ио электролизу.
уменьшаться его сопротивление). Это показывает описанный
раньше опыт (см. § 15,2). Такое же явление наблюдается у неко-
торых твёрдых тел, например у нагретого 'стекла (см. опыт
§ 15,8). Проводимость таких тел и растворов, обусловленная на-
личием ионов, носит название ионной.
3. Ток имеет определённое направление. 1) Банка. 2) Два уголь-
ных электрода. 3) Раствор медного купороса. 4) Источник постоянного и пе-
ременного тока. 5) Реостат на 30—50 ом. 6) Провода.
285
В банку (например, от набора Горячкина, рис. 447) с раство-
ром медного купороса погружают два угольных электрода и сое-
диняют их с источником постоянного тока. При напряжениях
около 100 в в цепь вводят реостат.
При постоянном токе покрывается слоем меди только один из
электродов. Различие в движении электрических зарядов в
местах соприкосновения электродов с раствором должно обусло-
вить различие в химических действиях. Различие в движении
можно понимать только так, что на одном из электродов заряд
переходит с электрода в раствор, тогда как па другом электроде
заряд из раствора переходит на электрод, т. е. электрический
ток, сохраняя неизменным одно и то же направление, на одном
электроде направлен от электрода в раствор, на другом — от
раствора к электроду. Необходимо подчеркнуть учащимся, что
совершенно произвольно и условно приняли такое направление,
при котором ток идёт через раствор от того электрода, где медь
не откладывается, к тому электроду, где она выделяется.
Соединяя электроды с источником переменного тока, обнару-
живают, что при переменном токе ни на одном электроде меди
не отлагается; эта одинаковость действий не даёт возможности
сделать какое-либо заключение об определённом направлении
тока.
4. Примеры электролиза. 1) Набор U-образпых трубок (не менее
трёх). 2) Электроды. 3) Штатив. 4) Растворы. 5) Источник тока (можно
до 12 в). 6) Провода. 7) Индикаторы. 8) Лучинка. 9) Спички.
Примечание. Выбор веществ для опытов по электроли-
зу весьма обширен; поэтому нет нужды перечислять все возмож-
ные случаи. В качестве примеров, которые дают указания на
принцип самого выбора, далее приведены четыре случая, причём
основанием для выбора служат вторичные реакции; в первом
примере вторичных реакций совсем нет; во втором они происхо-
дят па аноде; в третьем — на катоде и в четвёртом — и на аноде,
и на катоде.
Растворы готовятся заранее. Растворы берутся слабые, при-
мерно 5 или Юо/п. Количество раствора должно сообразовать с-
размерами применяемых сосудов (для U-образных трубок доста-
точно 50 см3). Растворы заготовляют в стаканчиках, на которые
надо налепить записочки с названиями растворённых веществ.
В каждом случае необходимо подобрать такой индикатор, кото-
рый резким изменением окраски указывал бы на появление опре-
делённого вещества.
1-й случай. Раствор соляной кислоты. На аноде
выделяется хлор, на катоде — водород. Чтобы обнаружить появ-
ление хлора, можно добавить в раствор какой-нибудь краски,
например лакмуса или индиго; хлор обесцвечивает краску; мож-
но взять в качестве индикатора раствор крахмала в йодистом
калии — получается темносинее окрашивание под действием,
йода, вытесняемого хлором.
28G
Вместо соляной кислоты можно взять некоторые хлористые-
соли металлов, например хлористый цинк (ZnCl2) или хлорную
медь (СпС12); последняя соль удобна тем, что красноватый
налёт меди очень хорошо заметен. Надо только помнить, что от-
ложение твёрдого осадка на платиновом электроде требует по-
следующего удаления этого осадка путём электролиза, причём
очищаемый электрод должен служить анодом; в качестве катода
берётся медная проволока. При твёрдых осадках удобнее поль-
зоваться угольными электродами.
2-й случай. Раствор серной кислоты. Опыт
производится в приборе Гофмана (рис. 453—454). На аноде вы-
деляется группа SO4, которая с водой даёт вторичную реакцию-
по уравнению:
SO4 + Н2О = H2SO4 + О;
в результате выделяется кислород О — по объёму вдвое меньше-
водорода Н2, выделяющегося на катоде.
Чтобы показать, какие именно газы выделяются, через верх-
ние краны газы переводят в пробирки. Уровень раствора в ре-
зервуаре должен быть выше, чем в трубках (не ниже уровня
кранов)’, чтобы газы в трубках находились под давлением, выше
атмосферного. Кислородом наполняют пробирку при помощи ре-
зиновой трубочки, а водород непосредственно выпускают в опро-
кинутую пробирку. Крапы надо открывать осторожно, чтобы не
выбросило раствора. Затем в пробирку с кислородом опускают
тлеющую лучинку — она ярко вспыхивает; водород поджигают
горячей лучинкой. Горение водорода часто сопровождается зву-
ком, т. е. слабым взрывом благодаря примеси кислорода из воз-
духа. Объём водорода должен быть вдвое больше объёма кисло-
рода; однако на практике наблюдаются значительные отклоне-
ния, причём кислорода оказывается меньше, чем нужно. Причин
такого отступления несколько. Наибольшее влияние оказывает
растворимость кислорода в воде (большая, чем у водорода); в.
начале опыта со свежим раствором первые порции выделяюще-
гося кислорода растворяются в воде; поэтому надо предваритель-
но пропустить некоторое время ток и, когда вода насытится кис-
лородом, только тогда приступать к измерению объёмов. Далее,
не следует производить это измерение тотчас же по прекраще-
нии тока, когда ещё пузырьки газов не успели подняться сквозь
раствор кверху. К дальнейшим причинам надо отнести: 1) появ-
ление озона; 2) образование надсерной кислоты; 3) образование
перекиси водорода и 4) азотной кислоты при участии растворён-
ного воздуха; всё это происходит на аноде за счёт выделяющего-
ся кислорода и уменьшает его объём. Если в этом случае приме-
нять медные электроды, то на аноде группа SO4 вступает в реак-
цию с электродом, даёт медный купорос (появляется голубая \
окраска) и постепенно уничтожает анод.
28Г
3-й с л у ч а й. Раствор йодистого калия. Па аноде
выделяется йод; на катоде — калий, который с водой даёт вто-
ричную реакцию по уравнению:
К2 + 2Н2О = 2КНО 4- Н2,
т. е. на катоде выделяется водород и образуется щёлочь — едкое
кали.
Чтобы обнаружить присутствие йода, в колено с анодом надо
добавить немного раствора крахмала или, ещё лучше, крахмаль-
ного клейстера. Чтобы обнаружить щёлочь около катода, надо
прилить несколько капель спиртового раствора фенолфталеина,
который при действии щёлочи даёт яркокрасное (малиновое)
окрашивание.
К третьему случаю относится и электролиз поваренной соли
(Nad).
4-й случай. Раствор глауберовой соли (сер-
нокислого натрия, NaSOi). Fla аноде группа SO4 в результате
вторичной реакции с водой образует серную кислоту H2SOj и
выделяет один объём кислорода О; на катоде металл натрий
вступает во вторичную реакцию с водой и даёт щёлочь — едкий
натр NaOH и два объёма водорода Н2. Таким образом, выделя-
ются два газа в пропорции, соответствующей составу воды, и
щёлочь — на катоде, кислота — на аноде.
Чтобы обнаружить присутствие щёлочи и кислоты, перед опы-
том к раствору добавляют нейтрального (фиолетового) раствора
лакмуса, который у анода покраснеет и у катода посинеет.
Раствор лакмуса можно с тем же результатом заменить со-
ком красной капусты. С этой целью кусочки листьев капусты
(свежей или сушёной) держат в небольшом количестве воды до
получения сильно окрашенного раствора. Каждый раз раствор
надо готовить заново, так как долгое время он сохраняться Hf
может.
Вместо глауберовой соли можно взять соль азотной кислоты,
например любую селитру (KNO3 иди NaNO3).
5. Выделение веществ на электродах. Ч) Плоско параллельный
сосуд (рис. 467—468). 2) Медные электроды. 3) Раствор. 4) Проекционный
фонарь, 5) Источник тока. 6) Провода.
Чтобы показать, что выделение веществ при электролизе про-
исходит лишь на поверхности электродов, необходимо явле-
ние в увеличенном виде спроектировать на экран. Для этого бе-
рётся плоский сосуд (рис. 467—468) с медными электродами.
В сосуд наливают слабый раствор поваренной соли (NaC!)
с несколькими каплями спиртового раствора фенолфталеина. При
большом количестве фенолфталеина раствор становится мутным
и неудобным для проектирования. При пропускании тока ярко-
красная окраска появляется лишь на поверхности электрода.
Ток должен быть слабый (например, от аккумулятора на
4 в), иначе происходит бурное окрашивание, и краска, быстро
288
для проектирования нали-
свипца [свинцового сахара
Рис. 472. Электроды для са-
турнова дерева.
распространяясь.по раствору, затемняет явление; по этой же при-
чине не следует пропускать ток долгое время. Необходимо при-
влечь внимание учащихся па момент включения тока и предва-
рительно отметить, что изображение на экране обратное (если
только оно не повёрнуто специальным приспособлением, см. т. I).
Укрепление сосуда в фонаре зависит от устройства фонаря.
Лёгкость сосуда и электродов требует осторожности; по этой же
причине основные провода надо привязать к фонарю и от их
концов протянуть тонкие проволочки (диаметр около 0,5 мм) к
электродам.
6. Отложение металлов на катоде. 1) Плоско параллельный сосуд.
2) Свинцовые электроды. 3) Раствор свинцового сахара. 4) Проекционный
ф >нарь. 5) Источник тока. 6) Провода.
В плоский сосуд (рис. 467—468)
вают слабый раствор уксуснокислого
(СН3СОО)2 РЬ-ЗН2О] и берут
свинцовые электроды особой фор-
мы (рис. 472); один электрод (из
проволоки или узкой полоски)—
з виде дуги, другой — в виде ве-
ера из проволочек или в виде рас-
топыренных пальцев, вырезанный
из пластинки. При пропускании
;ока на катоде наблюдается на-
растание свинцовых кристалли-
ков. Надо, изменяя направление
тока, показать отложение и на
другом электроде, при этом ясно
видно исчезновение кристалликов
(вследствие их соединения с ани-
оном) на аноде (часть их падает
на дно).
Так как даже слабый раствор ci
мутным от выделения осадка основной соли, то надо добавить
несколько капель уксусной кислоты до просветления. Слишком
большая добавка создаёт большое сопротивление и потому по-
требность в большом напряжении (не менее 12 в). Для умень-
шения мути надо для раствора применять дистиллированную
воду. Полезно раствор профильтровать или приготовить его на-
кануне и дать ему отстояться.
Отложение металла на катоде, который обычно тоже является
металлом, можно показать с солями и других металлов, кроме
свинца, например цинка, олова, меди, серебра и т. д. Надо толь-
ко подбирать оба металла (катод и осаждающийся на нём) так.
чтобы они имели различный цвет; так, например, подходит пара
металлов цинк и медь и подобные им.
Этот опыт 6, так же, как и опыт 5, можно продемонстриро-
19 Физический эксперимент в школе 289
является
вать и в горизонтальной проекции, причём чем тоньше будет
взят слой раствора, тем лучше.
Рис. 473. Опыт первый.
оставшиеся в нижнем
§ 34. Движение ионов
I. Опыт первый. 1) Прибор (рис. 473). 2) Два раствора. 3) Вязкое
вещество. 4) Источник тока. 5)«Провода.
Для опыта берётся прибор из U-образной трубки с отростком
внизу и с верхними свободными электродами (рис. 473). Нижний
отросток через стеклянный кран соеди-
няется резиновой трубкой с воронкой.
Трубка и воронка зажимаются в лапки
штатива.
Заранее приготовляются два раствора.
Первый содержит 0,03 г азотнокислого
калия (селитры KNO3) па 100 смз воды;
второй состоит из 0,05 а марганцовокис-
лого калия (KMnO.i) и 5 г мочевины
(urea рига) на 1000 емз воды. Мочевина
добавляется для увеличения вязкости
раствора. В воронку наливают второй
раствор так, чтобы он дошёл до крана и
заполнил без единого пузырька воздуха
всю резиновую трубку и самый ход в
кране; после этого кран тотчас же закры-
вают. Затем в U-образпую трубку нали-
вают первый раствор немного ниже, чем
до половины высоты обеих трубок, и тща-
тельно выгоняют все пузырьки воздуха,
отростке над краном; это достигается
сдвиганием и сдавливанием соединительной резиновой трубочки
(над краном). _
Чуть приоткрывая кран, пускают очень медленно второй рас-
твор в U-образную трубку; это надо проделать настолько осто-
рожно, чтобы второй раствор не перемешался с первым и, со-
храняя резкую границу, поднял первый раствор в обоих коленах
настолько, чтобы электроды оказались погруженными в раствор.
При пропускании постоянного тока (напряжение по менее
50—60 в, иначе опыт идёт слишком медленно) граница между
двумя растворами поднимается у анода (примерно на 1 см в
30 мин.). Чтобы яснее была видна эта граница, надо сзади при-
бора поместить лист белой бумаги.
Чтобы наблюдать движение одновременно двух ионов, берут
в качестве второго раствора раствор медного купороса (6 а) и
двухромокислого калия (хромпика 7,5 г) в 100 с.и3 воды; как и
в первом случае, добавляется мочевина. В качестве первого рас-
твора берут слабый раствор (5%) серной кислоты или серпо-
кислого калия. При пропускании постоянного тока к катоду под-
нимаются синие ионы меди, к аноду — оранжевые ионы хрома.
.90
2. Опыт второй. 1) U-сбразная трубка. 2). Медный купорос. 3) Агар-
агар 1. 4) Угольный порошок. .5) Два электрода. 6) Источник тока. 7) Провода.
Приготовляют раствор медного купороса в горячей воде и до-
бавляют (не менее 5 г на 100 слР) агар-агара. Полученный рас-
твор, пока ещё он не остыл, выливают в U-образную трубку в
таком количестве, чтобы было заполнено по высоте немного
менее половины обоих колен. Когда
стится в студень, на него сверху на-
сыпают тонкие слои угольного по-
рошка. Затем сверху доливают в
оба колена какой-нибудь бесцветный
электролит (например, NaCl, KNO3
и т. д.). Полезно, но необязательно,
нижнюю половину этого раствора
тоже сделать более густой с по-
мощью добавки агар-агара.
При пропускании постоянного
тока (напряжение около 100 s) че-
рез раствор синяя окраска подни-
мается на катоде и опускается на аноде.
Чтобы студень нс размягчился вследствие нагревания током,
прибор погружают в сосуд с ледяной водой.
3. Опыт третий. 1) U-сбразная трубка. 2) Два электрода. 3) Хлори-
стый калий; едкое кали; соляная кислота; хлорная медь; фенолфталеин.
4) Источник тока. 5) Провода,
Нижняя часть U-образной трубки наполняется сгустившимся
раствором агар-агара, содержащим немного хлористого калия и
несколько капель раствора фенолфталеина; при этом в колено
с анодом (левое на рис. 474) добавлено чуть-чуть раствора едкого
калия до получения в этом колене розовой окраски; в колено
с катодом влито несколько капель слабой соляной кислоты для
сохранения бесцветноеги. Поверх раствора в обоих коленах" на-
сыпаны тонкие слои угольного порошка и затем налиты раство-
ры: у анода — соляной кислоты и хлорной меди, у катода — ед-
кого кали.
При пропускании постоянного тока (около 100 в) по измене-
нию красок заметно перемещение одновременно трёх ионов:
1) иона водорода — уничтожает розовую окраску (ниже угольно-
го слоя) в колене с анодом; 2) иона меди — даёт в том же ко-
лене (под угольным слоем) синее окрашивание иа месте исчез-
нувшего возового; 3) иона гидроксила — создаёт розовый слой
(под угольным 'слоем) в колене с катодом.
Все три наблюдаемые изменения окраски оказываются раз-
личными по занимаемой ими длине; это обстоятельство даёт воз-
можность судить об относительной скорости движения различных
ионов. В таблице приведены скорости передвижения некоторых
1 Листья морских водорослей. Применяется как растительный студень,
взамен желатина, при изготовлении мармелада, пастилы и т. п.
19* 291
ионов (в миллиметрах в минуту) при падении напряжения в 1 а
на протяжении 1 см:
Ион i П к Na Cl
Скорость | 2,00 0,40 0,27 0,41
1 Ag i Ou i Zn 1 OH ; SOI
Nos । МпО(
0,29 0,29 1,08( 0,43 0,38 0,34
4*. Опыты по Ю. В. Ходакову. • ) Раствор. 2) Индикатор. 3) Филь-
тровальная бумага. 4) Белые нитки, Г>) Кусок стекла. 6) Две медные плас-
тинки. 7) Источник постоянного тока, 8) Провода.
Данный опыт является не только самым простым по выполне-
нию, но вполне применим для самостоятельной лабораторной
работы, выполняемой учащимися.
Берётся раствор какого-нибудь бесцветного электролита, на-
пример глауберовой соли (Na2SO4), поваренной соли (NaCi)
и т. п. с добавкой индикатора, который изменением своей окраски
должен показать передвижение ионов; так, например, для ионов
гидроксила (ОН) применяется фенолфталеин, для ионов водоро-
да (Н2)—метилоранж. В приготовленный раствор погружают
полоску фильтровальной бумаги (размером примерно 4 см X
Х9 см); если у бумаги ясно выражено одно определённое на-
правление волокон, то полоску вырезают вдоль волокон. Вынув
полоску из раствора, её кладут на кусок стекла. Посередине по-
лоски поперёк её накладывают белую нитку, намоченную в рас-
творе или едкого кали (для получения ионов гидроксила), или
соляной кислоты (для получения ионов водорода). По обе сто-
роны от нитки (па расстоянии 3—4 см ог неё) кладут поперёк
бумаги (т. с. параллельно нитке) две медные пластинкп, настоль-
ко ровные, чтобы они по всей длине плотно прилегали к бумаге*
для этой цели полезно их прижать к бумаге, надавливая руками
гри посредстве деревянных палочек. К пластинкам подводят кон-
цы проводов, идущих от источника постоянного тока на 100—
120 в. •
Во время прохождения тока будет видно распространение ок-
раски от нитки по направлению к электроду* В первом случае
(ионы гидроксила и фенолфталеин) малиновая окраска будет
двигаться к аноду, во втором случае (ионы водорода и .метил-
оранж) розовая окраска будет распространяться от нитки к ка-
тоду.
Окраска вследствие диффузии несколько перемещается от
нитки в сторону, противоположную движению ионов, но это пе-
ремещение незначительно.
5. Опыты по С. А. Арцыбышеву и В. А. Вильдзюкевич. 1)Два
куска стекла 2) Бумага. 3) Плоские электроды. 4) Две латунные полоски
с клеммами. 5) Растворы. 6) Индикаторы. 7) Источник постоянного тока.
8) Провода.
292
Особенностью этих опытов является применение весьма тон-
кого горизонтального слоя электролита, примерно в толщину ли-
ста бумаги. Показ ведётся в горизонтальной проекции. Для .полу-
чения надлежащего тонкого слоя авторы рекомендуют на стеклян-
ную пластинку (размером в обычный диапозитив) положить рамку
из фильтровальной бумаги с внутренним вырезом примерно 2 см X
X 3 см. Поперёк рамки на её короткие стороны кладутся ме-
таллические полоски в качестве электродов. Они должны частич-
но закрывать вырез рамки (не более, чем на 5 мм). Электроды
полезно прижать к стеклу пружинками, на которых укрепить
клеммы для присоединения проводов.
Самый опыт авторы советуют производить так. Мелкая ван-
ночка, которая образуется в пределах выреза бумаги, заполняет-
ся тонким слоем электролита (водный раствор селитры, KNO3) и
сверху закрывается стеклом, не доходящим на 1 мм до катода.
В эту, не закрытую стеклом, полоску электролита перед самым
началом опыта (перед включением тока) вносятся пипеткой
одна-две капли водного раствора марганцовокислого калия
(КМпО,1). На экране видно движение резко окрашенных ионов
МпО4.
Удобно применять рамку из чёрной фотографической бумаги,
приклеивая её к стеклу лаком или клеем (можно синдетиконом,
но лучше водоупорным). Второе стекло, накладываемое на рам-
ку, имеет своей целью придать слою раствора одинаковую тол-
щину па всей занятой им площади. Можно взять растворы и ин-
дикаторы, упоминаемые в предыдущих опытах.
Если опыт повторяется с различными электролитами, то для
каждого отдельного опыта необходимо брать новое стекло с бу-
мажной рамкой, так как во время опыта бумага пропитывается
раствором. Вместо бумажной рамки можно сделать на стекле
рамку из воска, парафина и других подобных веществ. Для этого
стекло с одной стороны заливается целиком слоем расплавлен-
ного вещества (толщиной не более мм). После застывания
вещества в середине стекла при помощи лезвия безопасной брит-
вы прорезаются границы будущей рамки и тем же лезвием внут-
ри этих границ срезается дочиста весь слой вещества. Получает-
ся мелкая ванночка, более прочная, чем из бумаги.
Надо помнить, что тонкие слои, применяемые в этом опыте,
обладают большим сопротивлением; поэтому требуется источник
тока не менее 10—20 в. Иначе при очень слабом токе количество
движущихся ионов может быть так незначительно, что их движе-
ние будет едва заметно.
§ 35. Законы электролиза
L Первый закон Фарадея. 1) Три газовых вольтаметра. 2) Раствор
серной кислоты. 3) Источник тока. 4) Провода.
Берут три любых прибора для измерения выделяющихся га-
зов, наполняют их слабым (10о/о) раствором серной кислоты и
293
меряют во всех трех приоорах
Рис. 475. Схема опыта по пер-
вому закону Фарадея.
включают их в цепь постоянного тока так, чтобы два прибора
были параллельно друг другу включены последовательно
с третьим прибором (рис. 475). После пропускания постоянного
тока (напряжение около 100 б) в течение нескольких минут из-,
количество одного и того же газа,
например водорода или гремучей
смеси (если оба электрода поме-
щены в одной трубке). При изме-
рении надо соблюдать предосто-
рожности, описанные в опыте
§ 33, 4, с электролизом серной
кислоты.
Измерения обнаружат, что
сумма объёма газа в двух парал-
лельно соединённых приборах
равна объёму газа в третьем при-
боре; этот факт служит доказа-
тельством первого закона Фара-
дея, т. е., что количество выделяющегося вещества пропорцио-
нально количеству прошедшего электричества.
Этот закон выразится формулой:
j М = mlt,
где т — электрохимический эквивалент
ство, выделяемое 1 кулоном).
Ещё убедительнее взять шесть
приборов и соединить их по схеме,
изображённой на рисунке 476. В
этом случае сумма двух или сумма
трёх объёмов равна объёму газа,
выделяющегося в среднем,приборе.
2. Второй закон Фарадея. Чтобы
продемонстрировать второй закон
Фарадея, надо показать, что коли-
вещества (т. е. количе-
чества различных веществ, выделив- Рис. 476. Схема опыта с шестью
шихся при одинаковых условиях, сосудами,
пропорциональны химическим экви-
валентам, т. с., что коэффициент т в формуле первого закона
выражается в свою очередь формулой:
т — а е — а. — ,
п
294
где е — химический эквивалент, равный атомному весу А, де-
лённому на валентность п вещества в том соединении, которое
подвергается электролизу; а—коэффициент пропорциональности
между электрохимическим и химическим эквивалентами одного и
того же вещества, причем а имеет постоянное числовое значение
.тля любого вещества, именно:
а = ----J---= 0,00001036 -----!---
9 6500 кулон
Всего проще показать второй закон на измерении количества
выделяющихся газов. Один такой опыт был описан — это элект-
ролиз серной кислоты или глауберовой соли (§ 33,4), в этом
опыте количества водорода и кислорода, выделяемые током,
подтверждают второй закон, так как количество водорода отно-
сится к количеству кислорода по объёму, как 2 к 1, или по весу,
как 8 к 1, т. е. пропорционально химическим эквивалентам, как
это и следует по закону.
Интересно бы подтвердить это в отношении нескольких газов,
хотя бы добавить ещё хлор, выделяющийся при электролизе
соляной кислоты; однако сделать это крайне трудно, так как
хлор в значительном количестве растворяется в воде (при ком-
натной температуре более двух .объёмов в одном объёме воды);
поэтому измерение можно производить только после насыщения
поды хлором. Никакой четвёртый газ при электролизе свободно
ле выделяется; поэтому становится необходимым прибегнуть к
измерению количества твёрдых осадков на электродах; однако
рекомендовать такой опыт для демонстраций нельзя: он годится
лишь для лабораторных работ. Были попытки сконструировать
прибор в виде рычажных весов (с противовесом, подобно весам
Вестфаля, см. т. II) для подвешивания катода, погружённого в
электролит; весы должны были прямо показывать количе-
ство осадка, оседаемопо на катоде; однако все такие прибо-
ры оказались непригодными для мало-мальски точных измерений,
так как пузырьки выделяющихся газов всё время нарушают рав-
новесие; во всяком случае нет никакого смысла применять такой
приём для получения каких-либо количественных соотношений.
§ 36. Электрохимические измерения
I*. Определение электрохимического эквивалента? ' 1) Медный
вольтаметр (рис. 464). 2) Раствор медного купороса (16%). 3) Источник по-
стоянного тока (12 в). 4) Провода. 5) Реостат (8 ом). 6) Амперметр (до 2 а).
7) Весы техпохимические. 8) Разновес. 9) Банка с водой такого же размера,
как у вольтаметра. 10) Секундомер или часы. 11) Рубильник. 12) Наждачная
бумага. 13) Фильтровальная бумага. 14) Горелка. 15) Спички.
п о рядок работы. 1) Медную пластинку, служащую ка-
тодом в вольтаметре, хорошо (до блеска) вычистить наждачной
295
бумагой и после этого не касаться пальцами её поверхности;
брать её за верхний край, не погружаемый в раствор.
2) Взвесить пластинку на технических весах (с точностью до
0,1 г).
3) Поставить пластинку на её место в вольтаметр, следя, что- 1
бы она (во всё время опыта) не касалась анодных пластинок;
составить цепь по схеме (рис. 477); реостат ввести полностью.
4) После проверки схемы преподавателем включить рубиль-
ником ток и быстро при помощи реостата установить должную
силу тока (например, 1,5 а) и сейчас же заметить по часам
время. Сила тока выбирается приближён-
но из расчёта 1 а на 1 дм* поверхности
катода.
Во всё время пропускания тока необ-
ходимо внимательно и неотступно еле-
дить за амперметром и поддерживать при
помощи реостата выбранную силу тока.
Это особенно необходимо, когда несколь-
Рис. 477. Схема соеди-
нений для определения
электрохимического
эквивалента. ко групп учащихся пользуются одним
обшцм источником тока (динамо) и в
разное время включают и выключают ток. После пропускания
тока в течение 20—30 мин. (чем больше, тем лучше) ток выклю-
чить и заметить по часам время выключения тока.
5) Катод осторожно вынуть из вольтаметра и смыть остатки
раствора, опуская пластинку медленно и плавно в банку с чистой
водой два-три раза; затем осушить пластинку, осторожно при-
кладывая к ней фильтровальную бумагу (отнюдь не тереть, что-
бы не содрать налёта) и окончательно высушить над пламенем
горелки, но только не в самом пламени, до .полного исчезновения
влаги.
6) Взвесить катод снова на весах.
7) Запись найденных числовых данных должна содержать:
время включения тока,
время выключения тока,
время пропускания тока t сек.,
сила тока I а,
начальный вес катода,
конечный вес катода,
количество отложившейся меди М г.
296
Отсюда по формуле первого закона Фарадея вычисляется
искомый электрохимический эквивалент меди:
м
I t
т
Можно расчёт ещё немного продолжить и по формуле второго^
закона Фарадея вычислить а — электрохимический эквивалент
водорода по равенству:
где А — атомный вес меди; п — её валентность в медном купо-
росе.
В таблице приведены электрохимические эквиваленты (в миллиграммах на кулон)
некоторых металлов:
Название Знак Атомный все Примеры соединений Валент- ность Электрохимический эквивалент
Алюминий . . А1 27,0 А1С1Э 3 0,093
Железо .... Fe 55,8 FeCI2 • 2 0,289
Золото .... Au 197,2 AuCl3 3 0,681
Медь Си 63,6 CuSO4 2 0,329
Никель .... Ni 58,7 NiSO4 2 0,304
Олово .... Sn 118,7 SnCl2 2 0,615
Свинец .... Pb 207,2 PbCOs 2 1,072
Серебро . . . Ag 107,9 AgNOs 1 1,118
Цинк Zn 65,4 ZnSO4 2 0,339
При пользовании этой таблицей надо иметь в виду, что ва-
лентности в некоторых соединениях могут быть иные. Полезно
во всех случаях не давать учащимся готовых значений электро-
химических эквивалентов т, а требовать от них вычисления этих
значений, исходя из числового значения коэффициента а.
2*. Градуирование амперметра весовым вольтаметром, то же,
что и в предыдущем опыте.
Лабораторная работа на градуирование амперметра по суще-
ству (по обстановке и по приёмам измерения) тождественна’ с
работой определения электрохимического эквивалента; разница
лишь в расчёте. В данной работе электрохимический эквивалент
меди считается известным, и его числовое значение берётся из
таблицы, а показание амперметра проверяется; верное показа-
29?
.ние вычисляется по формуле первого закона Фарадея:
г = М I
т • t |
Таким путем проверяются или градуируются амперметры.
В этой работе особенно важно поддерживать неизменное пока-
зание амперметра. Поверку производят в нескольких местах
шкалы, например в начале, в конце и в середине.
В данной работе медный вольтаметр для большей точности
заменяют серебряным (рис. 465 и 466); можно заменить и газо-
вым; как это делается, описано в следующем опыте.
3*. Градуирование амперметра газовым вольтаметром. I) газо-
вый вольтаметр. 2) Раствор. 3) Источник постоянного тока (12 в). 4) Провода.
5) Реостат (на 12 ом). 6) Амперметр. 7) Секундомер или часы (с секундной
стрелкой). 8) Рубильник.
В качестве газового вольтаметра можно взять любой из опи-
санных раньше (рис. 450, 451, 453 •— 456, 458, 460, 461 и 462).
Электролитом служит обычно 10 -20-проце1ггпый раствор серной
кислоты; в щелочном вольтаметре (рис. 462) применяется 15-про-
центный раствор едкого кали. При производстве опыта измеряют
объём или водорода (необходимо это делать при слабых токах),
или «гремучего газа». При расчёте пользуются такими данными.
1 кулон выделяет 0,1740 елг3 «гремучего газа»
или 0,1160 см* водорода
1 а выделяет в минуту 10,440 см* «гремучего газа»
или 6,960 см* водорода,
причём объёмы приведены к нормальным условиям. Обозначим
объём выделившегося газа при нормальных условиях через Vo
(сл13) и время прохождения тока через т (сек.); тогда искомая
сила тока (в случае «гремучего газа») вычислнтся по формуле: •
Приведение измеренного в вольтаметре объёма V газа, нахо-
дящегося под давлением р (мм ртути) и при температуре t°, к
объёму Vo при нормальных условиях производится по формуле
объединённого закона Мариотта — Гей-Люссака:
(1 4-а/) • 760
где а = ~= 0,00367 —-Давление р равно показанию В
273 град.
298
барометра, приведённому к нулю градусов и исправленному, во-
первых, на давление столба раствора, находящегося в трубке с
газом, и, во-вторых, на давление паров воды над раствором сер-
ной кислоты в этой трубке. Если в трубке, где собран газ, уро-
вень раствора расположен выше, чем в открытом колене, на вы-
соту h миллиметров, то из показания барометра надо вычесть
давление этого столба /г, перечисленное на миллиметры ртутного
столба; принимая удельный вес раствора за 1,10, а удельный
зес ртути за 13,6, получим перечисленную на ртуть высоту.
Л-1,10
——’ =0,081 h.
Если в трубке с газом уровень жидкости ниже уровня в от-
крытом сосуде, то поправку надо прибавлять. Поправка на дав-
ление паров воды, так как имеем дело с раствором серной кисло-
ты (10—2Оо/о), составляет 0,9 е, где е — давление (в миллимет-
рах ртутного столба) насыщающего водяного пара при темпера-
туре t° опыта. Собирая вместе все поправки, получим для нахо-
ждения давления р формулу:
р = 8 — 0,081 Л — 0,9 е.
Далее приведены три таблицы: удельный вес растворов сер-
ной кислоты; приведение показания барометра к 0:> и давление
водяного пара при разных температурах. t
I. Удельный вес раствора серной кислоты (при 15—18°):
Процент раствора 5 10 15 20 25
Удельный вес 1,03 1,07 1,10 1,14 1,18
И. Приведение показания барометра В к 0°:
Из показания барометра поправки (при температуре выше 0°)
всегда вычитаются.
Поправки вычисляются по формуле:
поправка = (0,000182 — a) Bt,
где В — показание барометра при температуре С; а —коэффи-
циент линейного расширения шкалы. В столбцах I даны поправки
для латунной шкалы (а 0,000019); в столбцах II — поправки
для бумажной шкалы, наклеенной на дерево (а = 0,000006).
В случае стеклянной шкалы достаточно к числам столбца I
прибавить 0,008• t.
299
в 710 720 730 740 750 760 770
t I II I II I II I II I II I II I II
14 | 1.62 1,811,64 1,8 1,67 1,8 1,69 1,8 1,71 1,8 1,73 1,9 1,76 1,9
15 1,74 1,9 1,76 1,9 1,78 1,9 1,81 2,0 1,83 2,0 1,86 2,0 1,88 2,0
16 1,85 2,0 1,88 2,0 1,90 2,1 1,93 2,1 1,96 2,1 1,98 2,1 2,01| 2,2
17 1.97 2,1 2,00 2,2 2,02^ 2,2 2,05 2,2 2,08 2,2 2,11! 2,3 2,1 з| 2,3
18 2,08 2,2 2,11 2,3 2,141 2,3 2,17 2,3 2,20 2,4 2,23 2,4 2,26’ 2,4
19 2,20 2,4 2,23 2,4 2,26| 2,4 2,29 2,5 2,32 2,5 2,35) 2,5 2,38, 2,6
20 2,31 2,5 2,35 2,5 2,38 2,6 2,41 2,6 2,45 2,6 2,18 2,7 2,51! 2,7
21 2,43 2,6 2,46 2,7 2,50 2,7 2,53! 2,7 2,57 2,8 2,60 2,8 2,64 2.8
22 2,55 2,8 2,58 2,8 2,62 2,8 2,65| 2,9 2,69 2,9 2,73 2,9 2,76 3,0
23 2,66 2,9 2,70 2,9 2,74! 3,0 2,77 3,0 2,81 3,0 2,85 3,1 2,89 3,1
24 2,78 3,0 2,82 3,0 2,8б! 3,1 2,89 3,1 2,93 3,2 2,97 3,2 3,01 3,3-
25 2,89 3,1 2,93 3,2 2,971 3,2 1 3,02 3,3 । 3,06 3,3 3,10 3,3 3,14 3,4 1
III. Давление е насыщающего водяного пара.
(В миллиметрах ртутного столба)
1° С /° е /° Ж Iе Ж t° е
6 7,01 . 11 9,84 16 13,63 21 18,65 26 25,21
7 7,51 12 10,52 17 14,53 22 19,83 27 26,74
8 8,04 13 11,23 18 15,48 23 21,07 28 28,35
9 8,61 14 11,99 19 16,48 24 22,38 29 30,04
10 9,21 15 12,79 20 17,53 25 23,76 30 31,82 Т
§ 37. Применение электролиза
Примечание. Применения электролиза настолько обшир-'
ны и разнообразны, что дать их полную картину не представ-
ляется возможным. Поэтому в этом параграфе приведены лишь,
опыты, не требующие сложной аппаратуры и редких веществ.
1. Полюсоискатели. Полюсоискателем называют приспособле-
ние, которое позволяет при помощи явлений электролиза опреде-
лить знаки полюсов у источника тока. Принцип действия любого
полюсоискателя заключается в том, что, пропуская ток через,
раствор, получают такие химические явления, которые безоши-
бочно и наглядно показывают, какой полюс является положи-
тельным, какой — отрицательным. На основании рассмотренных
выше примеров электролиза можно наметить следующие способы
определения полюсов:
300
Рис. 478. Полюсоискатели.
1) Раствор соли, дающей на катоде щёлочь (например, пова-
ренная соль, селитра), и в качестве индикатора фенолфталеин1;
яркокрасная окраска указывает отрицательный полюс.
2) Раствор йодистого калия и в качестве индикатора крах-
мальный клейстер; темносинее (почти чёрное) окрашивание по-
кажет положительный полюс.
3) Во всех тех случаях (а их большинство), когда на катоде
выделяется водород или непосредственно, или в результате вто-
ричной реакции с водой, обильное (го-
раздо более сильное, чем на аноде)
выделение пузырьков газа служит при-
знаком отрицательного полюса.
4) При медных электродах на ано-
де почти всегда происходит окисление
меди, и потому появление голубой или
синей окраски около медного электро-
да обнаруживает положительный по-
люс.
5) Специальные полюсоискатели
делаются или из трубочки, закрытой пробками па обоих концах
(рис. 478, I), или из небольшой баночки с пробкой (рис. 478, II);
электроды из серебряной проволочки пропускаются через пробки;
внутрь наливается первый из описанных растворов (красная
окраска указывает знак минус). Ток пропускается очень короткое
время и затем появившаяся окраска уничтожается взбалтыва-
нием раствора.
Полезно предоставить учащимся возможность самим на прак-
тике применить несколько раз полюсоискатель.
2. Рафинировка меди. 1) Банка с крышкой из набора Гюрячкина
(рис. 447). 2) Два тонких листовых электрода (размером 3 см X 8 см) из
меди и латуни с припаянными проволоками для укрепления в клеммах крыш-
ки. 3) Медный купорос и серная кислота. 4) Источник постоянного тока
(12 в). 5) Провода. 6) Реостат. 7) Наждачная бумага.
В качестве электролита берут 10—15-процентный раствор
серной кислоты и на 100 сан раствора добавляют 12—16 г мед-
ного купороса. Анодом служит латунная пластинка; катодом —
медная, предварительно очищенная до блеска наждачной бума-
гой.
Так как опыт имеет целью показать лишь принцип рафи-
ннровки, а не получение прочного осадка на катоде, то можно не
обращать особого внимания на величину плотности тока и на ве-
личину напряжения на электродах ванны; во всяком случае луч-
ше ограничиваться малыми значениями и плотности тока (около
2 о па 1 дти2), и напряжения (около 1—2 в).
При пропускании постоянного тока через ванну на катоде от-
лагается почти химически чистая медь, .так называемая электро-
1 Применяется в качестве слабительного лекарства под названием «пур- •
ген».
301
литическая, применяемая для изготовления электрических прово-
дов. Анод разлагается; медь из него переходит в раствор в виде
медного купороса; остальные примеси оседают на дно ванны в
виде осадка, называемого анодным шламом.
3. Рафинировка серебра. 1) Небольшой химический стаканчик (на
100 сл3). 2) Крышка в виде деревянного кружка. 3) Какое-нибудь ненужнее
серебряное изделие, например серебряная монета (в 15 или 2(1 коп.) старого,
дореволюционного чекана, припаянная к медной проволоке. 4) Кусок толстой
медной проволоки (в качестве катода). 5) Азотнокислое серебро (AgNO3) и
азотная кислота (HN03). 6) Источник постоянного тока (12 в). 7) Провода.
8) Наждачная бумага.
В качестве электролита применяется 1—2-процентный раствор
азотнокислого серебра с небольшой добавкой 1-процентного рас-
твора азотной кислоты. Анодом служит серебряная монета; ка-
тодом — медная проволока, предварительно хорошо очищенная
наждачной бумагой; оба электрода укрепляются в отверстиях,
просверленных в деревянной крышке.
При пропускании слабого тока медный катод покрывается
слоем чистого серебра; остальные примеси, бывшие в монете
(лигатура), выпадают на дно стаканчика в виде осадка.
Этот опыт, кроме рафинировки серебра (при этом собствен-
но надо брать серебряный катод), показывает принцип серебре-
ния, применяемого, например, для покрывания серебром медных
проводов для монтажа радиоустановок.
4. Получение олова из жестяных отбросов. 1) Чайный или хими-
ческий стакан (па 250 сл3). 2) Кусок банки из-под консервов (размером 4смХ
Х1О с.«). 3) Кусок железа (такого же размера, как и жесть). 4) Едкий натр;
хлористое олово (ZnCU). 5) Источник постоянного тока (i2 в). 6) Провода.
Из старой консервной банки, сделанной из лужёного железа,
вырезается кусок указанных выше размеров; полученный кусок
жести служит анодом. В качестве катода берётся полоска желе-
за. Верхние концы обоих электродов загибаются вниз за верх-
ние края стакана (рис. 470). В дырочки, просверленные на на-
ружных концах электродов, продеты провода и закручены узлом.
Электролитом служит 6—9-процентный раствор едкого натра
(NaOH); при этом происходит растворение олова, так что рас-
твор оказывается содержащим оловяннокислую соль (например,,
станнит Na2SnO2 и стапнат Na2SnOs). Рекомендуют добавить хло-
ристого олова в таком же количестве, сколько взято щелочи. Во-
время опыта раствор должен иметь температуру 60—80А
При-пропускании тока олово сходит с анода и покрывает ка-
тод довольно рыхлым слоем.
Если желательно приблизиться к обычным промышленным
условиям, то можно взять мелкие обрезки жести и погружать их
в раствор при посредстве железной сетки, плотно облегающей
обрезки.
5. Получение металлов из водных растворов солей. Несколь-*
ко примеров такого добывания металлов было описано, именно:
получение меди (опыт 2, § 37), свинца (опыт 6, § 33), серебра
(опыт 3, § 37).
302
С одинаковым успехом можно применить раствор соли цинка
(хлористый цинк ZnCl2; цинковый купорос ZnSO4), соли олова
(хлористое олово SnCU) и др. Для металлов цинка и олова
удобно применять медный катод, на котором отложение метал-
ла ясно заметно по различию в окраске.
6. Опыт Деви. |) Свинцовая или угольная пластинка, 2) Медная про-
волока. 3) Едкий натр. 4) Ртуть. 5) Источник постоянного тока (не менее-
50 в). 6) Провода,
Опыт Деви (1807 г.), когда впервые щёлочи были разложены
на составные части и был получен ряд металлов — калий, натрий,
кальций и др., имеет в истории пауки громадное значение. Ввиду
этого имеет смысл воспроизвести этот опыт.
Берут кусочек палочки едкого натра длиной около 2 см и но-
жом соскабливают с двух сторон так, чтобы получилась пластин-
ка толщиной примерно в 0,5 см. Ввиду сильного действия едкого
ыатра на кожу рук, его нельзя брать голыми руками, а надо дер-
жать при помощи щипцов. На верхней стороне пластинки надо
ножом сделать небольшое углубление. Пластинка кладётся на
кусок угля или свинца и углубление заполняется с избытком
ртутью 1 (рис. 479).
Уголь (или свинец) соединяют с плюсом источника тока; ртуть
с помощью медной проволоки соединяют с минусом. При прохож-
дении тока через едкий натр, который делается проводящим под
влиянием влаги, поглощённой из воздуха, выделяется на катоде
металлический натрий, образующий сейчас же с ртутью амальга-
му натрия. Эта амальгама сохраняет свойства натрия, например
его способность разлагать воду; этим можно воспользоваться,
чтобы доказать присутствие натрия.
Если не применять ртути, а непосредственно дотронуться мед-
ной проволокой до поверхности едкого натра, то натрий выделяет-
ся в виде маленьких крупинок. Полученный натрий надо спустить
в воду, — замечается выделение водорода.
7. Получение металлов из расплавленных солей. 1) Небольшой
фарфоровый тигилёк. 2) Два тонких угольных электрода. 3) Горелка, газовая
или спиртовая. 4) Штатив с кольцом для тигля и лапкой для укрепления,
электродов. 5) Хлористое олово (SnCl2). 6) Источник постоянного тока (12 в).
7) Спички.
Выбор подходящей соли для данного опыта определяется лег-
коплавкостью вещества, так как при температурах плавления
выше 500'-' обычными средствами не удаётся достигнуть плавле-
ния.
К числу легкоплавких можно отнести хлористые соли метал-
лов, например:
Хлористое олово SnCI2
Хлористый свинец РЬС12
Хлористый цинк ZnCl2
температура плавления 247°
» >> 501 °
» >> 365°
1 При опытах с ртутью необходимо всегда помнить о сильной ядовитости
ее паров. Не проливать ртуть! Всегда держать ртуть в наглухо закрытой
303.
Наиболее подходящим веществом является хлористое олово.
Электроды делаются из тонких углей (для электрической дуги)
и при помощи изолирующей прокладки (из дерева или фарфоро-
вых роликов, рис. 480) связываются друг с другом; в таком ваде
они зажимаются в лапку штатива.
Когда соль, положенная в тигель, расплавится, в полученную
жидкость погружают электроды и продолжают нагревание, так
как прикосновение холодных электродов обычно вызывает мест-
ное затвердевание; достигнув полного плавления, включают по-
стоянный ток; на катоде осаждается металл (олово), но так как
температура плавления металла (олова 230°) ниже температуры
Рис. 479. Опыт Деви.
Рис. 480. Свободные угольные электроды. .
плавления его соли, то металл осаждается в жидком состоянии и
стекает на дно тигля. Чтобы металл отделить, надо содержимое
тигля, пока оно ещё не затвердело, вылить на металлическую
сковородку и после затвердевания разбить молотком на мелкие
куски; среди них легко выделить комочки твёрдого металла.
8. Гальваностегия. Процесс покрывания электролитическим
путём вещества каким-либо металлом носит название гальва-
но с т е г и и.
Для успеха работы, т. е. получения ровного, плотного и прочн?
держащегося осадка металла, очень важно тщательно подгото-
вить предмет, предназначенный для покрывания. Если подготовка
сделана небрежно, то не только предмет будет плохо покрыт ме-
таллом, но при этом может быть испорчен раствор в гальвапосте-
гической ванне. Подготовка металлических предметов разделяет-
ся на следующие операции: 1) механическую очистку, 2) травле-
ние (химическая очистка) и 3) обезжиривание.
1) Механическая очистка производится при помощи на-
пильников, наждачной бумаги, металлических щёток и т. п.
для удаления с поверхности предмета окислов и грязи, покрываю-
щих его. Если предмет сильно покрыт окислами, то поверхность
его опиливают напильником и затем обрабатывают наждачной
бумагой сначала крупной, а затем самой мелкой. Все углубления
должны точно так же быть очищены до «здорового места». По-
верх раковины, заполненной окислами, металл совершенно не от-
ложится, или будет держаться очень непрочно, или, наконец, обра-
304
и полировкой.
Рис. 481. Тряпичный
круг.
на 3 — 4 см более
зует заметное грязное пятно. Предметы с неровной поверхностью,
которые не поддаются обработке напильником и бумагой или не
могут быть во избежание порчи подвергнуты такому способу
чистки (например, художественные вещи), очищаются при помо-
щи специальных круглых щёток со щетиной из стальных или мед-
ных проволок. Такую щётку приводят в быстрое вращение на то-
карном станке или при помощи небольшого электромотора.
Много проще подвергнуть предмет вместо механической чист-
ки травлению.
В школьной практике предмет обыкновенно имеет незначи-
тельное количество окислов, поэтому его очистка ограничивается
обработкой самой тонкой наждачной бумагой " ~
но отполировать предмет так, чтобы он не
содержал заметных для глаз царапин, так
как после покрывания следы их будут ясно
видны. Самый эффективный способ — это
полировка ровных предметов при помощи
войлочных кругов, которые имеются в про-
даже. Для предметов с неровной поверх-
ностью круг делается из тряпок (рис. 481).
Для его изготовления вырезают из металла
или клеёной фанеры два кружка A (d =
10— 15 см), в центре которых для укрепле-
ния оси просверливают отверстие по раз-
меру имеющегося в распоряжении болта В
с гайкой. Надев на болт шайбу С, зажима-
ют между деревянными кружками пачку D
(толщиной В/а—3 см) вырезанных из ма-
терии (лучше сукна) кружков. размером
диаметра кружков А. Для работы болт с резьбой нужно при-
вести в быстрое вращение при помощи мотора. Подобным же
образом можно изготовить войлочный круг, сложив в два-три
слоя кружки, вырезанные из голенища старого валенка.
Мастику для полировки можно приготовить из окиси железа
(сухая краска мумия), венской извести или крокуса, замешивая
их с машинным или стеариновым маслом в кашицу. Крокус лучше
всего смешать с расплавленным стеарином и вылить в какую-ни-
будь форму, например картонную коробку. После отвердения
стенки коробки ломают и получают удобный для нанесения на
круг кусок мастики. Приводя круг во вращение, касаются его
слегка куском мастики так, чтобы поверхность войлока или тря-
пок слегка напиталась составом. Много наносить мастики не сле-
дует, в противном случае круг будет мазать, а нс полировать. По-
лируемый предмет, постоянно двигая, надавливают на полиро-
вальный круг. В течение нескольких секунд (если, конечно, по-
верхность не слишком окислена) обрабатываемая часть медного
предмета начинает блестеть, «как солнце'». При этом все мелкие
20 Физический эксперимент в шкале
305
царапины совершенно исчезнут. Труднее полируется железо и, в
особенности сталь.
Описанная полировальная установка важна в кабинете не
только для гальваностегии, но и вообще для быстрой чистки
клемм, проводников и любых предметов. Преподаватель, раз ис-
пробовав этот способ чистки, вряд ли когда-нибудь будет пользо-
ваться другими способами. Полировка возможна также от руки
при помощи суконки, но она чрезвычайно утомительна и продол-
жительна. После полировки предмет должен быть подвергнут
обезжириванию.
2) Травление. Предметы, не имеющие ровной поверхно-
сти, например художественные изделия, очищаются химическим
путём посредством травления. Так как при травлении по большей
части выделяются едкие и ядовитые газы, то его следует произво-
дить в вытяжном шкафу, в крайнем случае при открытом окне
или на воздухе. Для травления предмет, привязав его на проволо-
ку, погружают в тот или иной раствор, налитый в химический ста-
кан или стеклянную банку. Перед травлением следует произве-
сти, насколько это возможно, механическую очистку, лучше всего
при помощи металлических щёток.
Для травления употребляют следующие составы:
Железо травят в 5—Ю-процентном растворе серной или соля-
ной кислоты.
Цинк и алюминий травят 10-процентным раствором серной
кислоты.
Никель травят 10-процентным раствором соляной кислоты.
Медь и медные сплавы (латунь, бронза, нейзильбер) травятся
сначала в течение нескольких секунд в составе: 100 частей азот-
ной кислоты, 1 часть сажи и 1 часть поваренной соли. Затем пред-
мет поливают горячей водой и опускают на несколько секунд для^
травления под «глянец» в следующий состав: 100 частей крепкой
серной кислоты, 75 частей азотной кислоты и 1 часть поваренной
соли.
После травления предмет промывают горячей водой и осматри-
вают. В случае, если остались непротравленные места, травление
повторяют. К предмету после его травления нельзя прикасаться
руками. Руки всегда покрыты жиром и при прикосновении этот
жир пристанет к предмету. После промывки травленый предмет
переносится в раствор ванны или погружается в чистую воду.
3) Обезжиривание. После очистки и полировки поверх-
ности предмета с неё надо удалить всякие следы жира, в против-
ном случае на эти места металл или совсем не ляжет, или впо-
следствии отвалится. г
Жир удаляют с подлежащего никелированию предмета снача-
ла промыванием в чистом бензине, бензоле, ацетоне, которые рас-
творяют жиры, а затем чисткой особым обезжиривающим веще-
306
ством— венской известью* 1. Венская известь — белый порошок,
который перед употреблением разводится с водой до образования
кашицы, напоминающей по густоте сметану. Эта кашица берётся
на .мягкую щётку (можно воспользоваться зубной щёткой, пред-
варительно размягчив щетину в горячей воде) и наносится на
предмет. Щёткой с известью следует прочистить всю поверхность
предмета. Венская известь при этом удаляет последние следы жи-
ров и, кроме того, даёт окончательную полировку. После обезжи-
ривания предмета венской известью касаться его руками, безус-
Рис. 482. Банка для нике-
лирования.
Рис. 483. Подвешивание пред-
метов.
ловно, нельзя. Поэтому заранее следует привязать к предмету
медные проволоки, которые будут служить для подвешивания его
в ванне, и браться руками только за концы этих проволок. При-
знаком того, что поверхность достаточно обезжирена, служит яв-
ление прилипания воды к пей по всей сё площади. Если же на
поверхности после её смачивания водой вода собирается в от-
дельные капли, то это указывает,’ что жиры ещё не удалены. Пос-
ле промывания водой погружают предмет в воду, налитую в ка-
кой-нибудь чистый сосуд, и держат его там до перенесения в элек-
тролитическую ванну.
Очень хорошо обезжиривание происходит при погружении
предмета в 10—20-процентный раствор едкого кали или натра2.
Если предмет сильно загрязнён, то раствор рекомендуется нагреть
до 50—80°. При этом надо быть осторожным, чтобы не пролить
раствор едких щелочей, в особенности горячий. Раствор действует
разрушающим образом на многие органические вещества: ткани,
дерево, кожу и т. п. В случае, если это произошло, на залитое ме-
сто следует прибавить слабого раствора серной кислоты.
4) Устройство гальваностегической ванны. В качестве сосуда
для гальваностегической ванны может быть использована любая
1 Венской известью или венским тестом называется смесь едкого кали и
едкой (негашёной) извести (в отношении 3: 1).
1 Едкие щёлочи омыливают лишь животные и растительные жиры, но не
минеральные масла; для удаления последних необходимо пользоваться бензи-
ном.
20*
307
стеклянная банка такого размера, чтобы покрываемый никелем 1
предмет в ней свободно умещался и при этом не находился бы
слишком близко от анодных пластин; удобнее всего пользоваться
четырехугольными стеклянными банками, применяемыми для
аквариумов или для аккумуляторов (рис. 482). Из толстой мед-
ной проволоки делают поперечные перекладины, из которых од-
на А служит для подвешивания никелевых пластин — анодов и
другая В — для никелируемых предметов. Способы подвешива-
ния предметов на проволоках показаны на рисунке 483. Анодных
пластин следует брать две, а в случае предметов со значитель-
ным объёмом или резкими контурами — четыре. Важно, чтобы
никелируемые предметы были обращены к анодам своими наи-
большими гранями и лежали бы с ними примерно в параллель-
ных плоскостях. Те же стороны предмета, которые содержат ка- .
кие-нибудь острия или резкие контуры, должны быть обращены
к свободным стенкам сосуда.
Перекладины, к которым подвешиваются аноды и никелируе-
мые предметы, необходимо снабдить клеммами для удобства и
надёжности соединений. Аноды для никелировочной ванны де-
лаются из пластины никеля по размеру банки или из красной
меди — для омеднения. Проволоки, на которых укреплены аноды
к перекладинам, должны находиться выше уровня электролита, в
особенности если они сделаны из другого металла. Анодные пла-
стины включаются между собой параллельно и присоединяются
обязательно к клемме плюс (+) батареи.
Аноды следует приобретать по размерам имеющейся в распо-
ряжении банки в электротехнических магазинах 2. Аноды перед
погружением должны быть тщательно очищены от окислов и
грязи и обезжирены описанным выше способом.
Одной из важнейших предпосылок успеха никелирования яв-
ляется чистота. Поэтому в школьных условиях после работы элек-
тролит во избежание его загрязнения следует сливать в бутыли, дв
закрываемые корковыми или резиновыми пробками, аноды и бан-
ку промывать водой и вытирать досуха чистой тряпкой. При не-
больших перерывах ванну следует закрывать от пыли и для умень-
шения испарения лучше всего клеёнчатым чехлом. Если через
некоторое время в электролите появилась лёгкая муть или образо-
вался осадок, жидкость профильтровывают обычным способом.
На рисунке 484 изображена схема соединения ванны С с ба-
тареей В. Источник тока составляют из нескольких элементов или
аккумуляторов, чтобы напряжение на клеммах батареи (а не ван-
ны) было около 4 в. Лучше всего пользоваться двумя-тремя акку-
муляторами или, за неимением их, тремя-четырьмя сухими эле-
1 В дальнейшем описании имеет в виду исключительно никелирование как
наиболее распространённый гальваностегический процесс. *
! Небольшой никелевый электрод можно достать из старой электронной
лампы, где анодный цилиндр обычно делался из никеля. Никель можно узнать
по слабому притяжению его магнитом.
308
Рис. 484. Схема соединений для
никелирования.
ментами (в крайнем случае можно применить батарейку от кар-
манного фонарика). Для регулировки силы тока в цепь включают
реостат R с ползуном. Для измерения напряжения на клеммах
ванны к её электродам включают параллельно вольтметр, позво-
ляющий отсчитывать десятые доли вольта.
Необходимым условием для получения ровного плотного осад-
ка никеля, помимо описанной выше подготовки предмета, являет-
ся малая величина тока, не превосходящая известного предела и
зависящая от величины поверхности предмета. На выполнение
этого условия нередко обращают
недостаточное внимание, вслед-
ствие чего никелировка удаётся
плохо.
В нижеприведённых рецептах
указаны плотность тока в расчё-
те на 1 поверхности.
Так, например, если норма
равна 0,5 а на 1 сЪи2 и предмет
по приблизительному расчёту
имеет поверхность, считая её со
всех сторон около 5 Ди2, то сила
тока не должна превышать 5 — ХД5 Ли2=2,5 а. При более силь-
ном токе никель будет откладываться тёмным непрочным, легко
отделяемым слоем.
Если предмет имеет резкие контуры или ^содержит на своей
поверхности острия, норму тока следует уменьшить в 2—3 раза.
Погружение предметов в ванну должно делаться под током ’, для
чего их сначала подвешивают па медных голых проволоках (d =
=0,5— 1 мм) к перекладине В (рис. 483—484), производят соеди-
нение всей схемы к батарее и, взяв наибольшее сопротивление
реостата, опускают в электролит. Затем, уменьшая сопротивление,
доводят ток до нормы. Во время процесса следует два-три раза
вынимать вещь па короткое время для осмотра и,'если отложение
(побеление) идёт неравномерно, изменить положение предмета,
повернув его к аноду той стороной, где никель откладывается сла-
бее. В ванне с одной анодной пластинкой поворачивание предмета
особенно необходимо.
При правильно происходящем процессе никель откладывается
матовым, повсюду ровным, серебристым слоем. Появление тём-
ных пятен указывает на плохое обезжиривание. Процесс для по-
лучения тонкого слоя длится 20—30 мин. Для осаждения толстого
слоя электролиз ведут несколько часов.
Предмет, вынутый из ванны, как бы хорошо он ни был пред-
варительно отполирован, имеет матовую поверхность; для прида-
ния обычного блеска полируют венской известью или тончайшим
1 Это необходимо, чтобы растворением металлов, из которых сделан ни-
келируемый предмет, не засорить раствора.
309
мелом (зубной порошок) посредством суконки. Можно также
полировать войлочным кругом, но при этом надо быть осторож-
ным, чтобы не стереть слоя никеля. Так как в школе предметы
никелируются не столько для красоты, сколько для предохране-
ния от окисления, то полировку никеля можно не делать и ограни-
читься промыванием его в воде.
Предметы из гипса, дерева и других пористых материалов
прежде всего следует пропитать веществами, не допускающими
проникновения электролита в поры, и затем сделать поверхность
проводящей, подобно тому, как это указано ниже при описании
изготовления гипсовых форм.
5) Рецепты растворов для ванн. Меднение. Большинство
рецептов меднения содержит в себе чрезвычайно ядовитый
цианистый кали. Употребление подобных ванн в средней
школе недопустимо.
С успехом можно применять следующий состав:
1) Сернокислая медь — Зч.; крепкая серная кислота — 1 ч.;
винный спирт—1 ч.; вода — 20 ч. Плотность тока 0,2—2 а на
1 дл<2. Температура 16—20°.
Несколько худшие результаты даёт следующий раствор:
2) Сернокислая медь — Зч.; сегнетова соль — 15ч.; едкий
натр — 8 ч.; вода — 100 ч.
Никелирование. 1) Двойная соль сернокислого никеля
и аммония — 8 ч.; вода— 100 ч.
Напряжение при расстояниях (предмета от анодных пластин):
15 см — 3,5 в, 10 см — 3 в. Плотность тока 0,3 а на 1 дм?. Толщи-
на слоя, осаждённого за один час, 0,0034 мм.
2) Сернокислый никель — 2 ч.; хлористый аммоний — 1 ч.;
вода — 40 ч.
Напряжение при расстоянии 15 см — 2,3 в. Плотность тока —
0,5 а на 1 дм2. Толщина осадка в течение одного часа 0,0059 мм.
Состав применим и для цинковых предметов. В этом случае
плотность тока берут 1 а на 1 дм? и напряжение при расстоянии в
15 см — 3,6 в.
3) Двойная сернокислая соль никеля и аммония— 10 ч.; бор-
ная кислота — 4 ч.; хлористый аммоний — 3 ч.; вода — 20 ч. Рас-
твор пригоден для никелирования свинцовых и оловянных пред-
метов.
Следует иметь в виду, что по мере работы содержание кислоты
в ванне постепенно увеличивается, что нежелательно, так как отло-
жение металла делается непрочным и отслаивающимся. Для ча-
стичной нейтрализации до необходимой слабой кислотности в рас-
твор прибавляют по мере надобности небольшие количества соды
или углекислого аммония.
Цинкование. Серпокислый цинк — 40 ч.; глауберова
соль — 8 ч.; хлористый цинк — 2 ч.; борная кислота — 1 ч.; во-
да— 200 ч. Плотность тока 0,55—1,9 а на 1 дм?. Напряжение
310
1,1—3,7 в. Температура 18°. (При температуре 45° плотность тока
0,7—2,7 а, напряжение 0,9—3,5 в.)
Раствор подогревают для уменьшения сопротивления.
Покрывание железом. Сернокислое железо — 10 ч.; сернокис-
лый магний— 10 ч.; вода — 100 ч. Плотность тока 0,2 — 0,25 а
на 1 Ди2.
9. Гальванопластика. Гальванопластикой называется снятие
электролитическим путём копий с каких-либо предметов, напри-
мер медалей, монет, художественных скульптурных изделий и т. п.
Прежде всего с копируемого предмета снимают форму, сделанную
из металла, воска или гипса.
Металлические формы делают из легкоплавких сплавов: ме-
талла Вуда (66—71°), Арсе и Розе (94°) и Бетхера (108°) (см.
том I). Копируемый предмет, например монету, кладут на глад-
кий лист фанеры и окружают бортиком из картона. Бортик кру-
гом заделывают в сухой песок, в противном случае при наливании
металла бортик всплывёт и металл разольётся во все стороны.
После отливки вынимают предмет и полученную форму подвер-
гают меднению в электролитической ванне. Для того чтобы ме-
талл не откладывался на тех сторонах формы, где пет оттиска, их
покрывают при помощи кисточки расплавленным воском или ука-
занным ниже восковым сплавом.
Проще всего изготовить восковую форму. Восковая масса для
формы составляется из 24 ч. воска, 8 ч. асфальта, 8—12 ч. стеари-
новой кислоты, 6 ч. сала и 1 ч. графита.
В простейших случаях можно пользоваться одним воском или
парафином, прибавив к ним 4—5% графита. Можно также поль-
зоваться для получения формы гипсом.
Отливка восковых и гипсовых форм производится так же, как
и металлических. Копируемый предмет во избежание прилипания
его к форме необходимо перед отливкой натереть графитом.
Гипсовая форма менее удобна, так как её труднее-удалить с
изготовленной копии, чем растопить воск.
Гипсовую форму во избежание пропитывания её раствором
лучше всего покрыть при помощи кисточки спиртовым лаком, оли-
фой или восковой массой. В последнем случае после покрытия
поверхность формы по частям очень осторожно и слегка нагре-
вают на небольшом пламени спиртовки.
Поверхность формы (кроме металлической) должна быть для
придания ей проводимости покрыта графитом. Чистый графито-
вый порошок, замешав с водой, наносят на форму при помо-
щи кисточки.
Для проведения тока форму обматывают в различных направ-
лениях возможно более тонкой медной проволокой и вешают в
ванну.
Н. А. Изгарышев рекомендует для гальванопластических
работ следующие составы для меднения:
зи
Сернокислая медь — 340 я.; серная кислота — 2 ч.; вода —
1000 ч. Температура 26—28°. Плотность тока 6—8 а на 1 дм2.
В случаях, когда форма имеет значительные углубления, берут
состав: сернокислая медь — 260 ч.; серная кислота — 8 ч.; вода —
1000 ч. Температура не менее 24°. Плотность тока 5а на 1 д№.
§ 38. Источники тока
1. Гальванические элементы. О гальванических элементах
можно говорить в двух местах курса: или в самом начале уче-
ния об электрическом токе, или после разбора явлений электро-
лиза. В том и другом случаях подход к вопросу о действии эле-
мента должен быть по существу совершенно различный, потому
и подбор опытов будет иной.
В первом случае элемент рассматривается в роли источника
тока и выясняется лишь выбор составных частей для получения
элемента; подробности химических явлений внутри элемента не
разбираются совсем; в этом случае демонстрируются опыты,
позволяющие выяснить лишь те условия, при которых собранный
прибор может служить источником тока; таковы опыты 2. Эти
опыты и соответствующий раздел часто при прохождении учения,
об электричестве пропускаются совсем.
Во втором случае речь идёт главным образом о химических
действиях внутри элемента, о поляризации электродов, о деполя-
ризаторах и т. п.; относящиеся сюда опыты описаны под номе-
ром 3.
2. Составные части гальванического элемента. 1) Набор Горяч-
кина. 2) Раствор (10-процснтный) серной кислоты. 3) Денатурированный спирт.
4) Демонстрационный вольтметр (до 2 в). 5) Провода. 6) Стакан.
Опыты имеют целью показать, какие условия надо выполнить
при составлении элемента из отдельных частей, чтобы элемент
стал источником тока. Эти условия можно формулировать так: в
банку с жидкостью надо погрузить два таких электрода, чтобы
жидкость оказывала на электроды различные химические дейст-
вия. Появление тока и качество полученного источника тока пока-
зывает вольтметр, причём источник тока считается тем лучше,
чем сильнее отклоняется стрелка. Вольтметр желательно иметь
до 2 в\ так как чаще встречаются вольтметры до 1 в, то полезно
добавить сопротивление, чтобы показания расширить примерно
до 2 щ при этом абсолютные значения показаний не играют ника-
кой роли.
1-й случай. В раствор серной кислоты в банке погружаются
пары двух различных электродов и с помощью вольтметра изме-
ряется получаемая разность потенциалов. Пары берутся такие:
цинк-уголь; цинк-медь; цинк-свинец; медь-свинёц; медь-уголь;
свинец-уголь. Наилучшими являются условия, когда на один
электрод (уголь) никакого химического действия раствор не ока-
зывает, а на другой (цинк) — действие наиболее сильное.
2-й случай. Берётся жидкость (например, денатурирован-
312
спирт), пс оказывающая на электроды никакого химического
действия, — источник тока не получается.
3-й случай. При двух одинаковых электродах, хотя бы и
подверженных химическому действию со стороны жидкости, при-
бор тока не даёт. Можно взять два цинковых электрода и раствор
серной кислоты; однако не всегда удаётся добиться полной тож-
дественности обоих электродов; для получения такого тождества
надо предварительно оба электрода продержать некоторое время
в растворе серной кислоты (в отдельном стакане).
4-й случай. Цинковый и угольный электроды помещаются в
раствор серной кислоты, но в двух разных сосудах. Ввиду разомк-
нутости цепи тока не получается.
При этих опытах вместо вольтметра для обнаруживания тока
можно применить электрический звонок; однако такой способ об-
ладает меньшей чувствительностью.
3. Поляризация и деполяризация элемента. 1) Набор Горячкина.
2) Раствор (10-процентный) серной кислоты. 3) Раствор медного купороса или
двухромокислого калия (хромпика). 4) Электрический звонок. 5) Провода
6) Тряпка или кисточка.
Чтобы наблюдать явление поляризации элемента, берут пару
электродов медь-цинк в растворе серной кислоты и замыкают по-
лученный элемент на электрический звонок. Вследствие поляри-
зации звон постепенно ослабевает и вскоре совсем прекращается.
Вынув из раствора медную пластинку, её вытирают тряпочкой
или кисточкой и вновь ставят на место; звон опять возобнов-
ляется на некоторое время, а потом снова прекращается.
Уничтожить поляризацию удаётся также путём механического
сотрясения медного электрода или продуванием через раствор
(посредством резиновой груши) воздуха, поднимающегося пу-
зырьками вдоль поверхности положительного электрода.
Чтобы осуществить деполяризацию, к раствору серной кисло-
ты добавляют в качестве деполяризатора медный купорос или
двухромокислый калий (хромпик). При замыкании полученного
теперь элемента на электрический звонок получается длитель-
ный, непрерывный звон.
4. Явления на электродах в элементе. 1) дВа плоско параллель-
ных сосуда (рис. 467). 2) Три пары электродов на пробках (рис. 485).
3) Раствор (10-процентпый) серной кислоты. 4) Жидкость для элемента Гре-
не. 5) Проекционный фонарь. 6) Источник тока (для фонаря). 7) Провода.
На трёх пробках, срезанных так, чтобы они могли плотно вхо-
дить между стенками плоско параллельного сосуда, укрепляются
три пары электродов (рис. 485); каждую пару составляют: цин-
ковая полоска (длина 8 см, ширина 0,5 см) и медная проволока'
(диаметр 1 мм, длина 8 см). Различие между этими парами сле-
дующее:
первая—цинк не амальгамирован . . 1 не замкпуты
вторая—цинк амальгамирован . . . J и " -
третья—то же.................. электроды замкнуты
313
Чтобы замкнуть электроды, верхний конец медной проволоки
(рис. 485, III) загнут в сторону цинковой полоски, обёрнут вокруг
неё и плотно к ней прижат с помощью плоскогубцев.
Чтобы амальгамировать цинк, его чистят наждачной бумагой
и погружают па очень короткое время в раствор серной кислоты;
затем (в ванночке)с,помощью чистой тряпочки берут каплю ртути
и растирают сё очень тонким слоем по всей цинковой полоске
так, чтобы она вся получила блестящую металлическую поверх-
гальванического элемен-
та для проектирования.
ния цинка; на медном
2. Случай. Тот же
НОСТЬ 1.
Опыты проектируются в увеличен-
ном виде на экран; для этого
плоско параллельный сосуд с рас-
твором и соответствующей парой
электродов помещают между конден-
•сором и объективом проекционного
фонаря. Если изображение не по-
вёрнуто призмой и потому является об-
ратным, то на это обстоятельство не-
пременно надо обратить внимание уча-
щихся. Опыты производятся в такой
последовательности:
1-й случай. Раствор серной кис-
лоты; электроды с неамальгамирован-
ным цинком и незамкнутые.
На цинке видно выделение пузырь-
ков водорода как результат растворе-
электроде •—ничего.
раствор; электроды с амальгамирован-
ным цинком и незамкнутые.
На цинке пузырьков совсем или почти совсем не видно; на
меди — опять ничего.
3-й случай. Раствор тот же; электроды с амальгамирован-
ным цинком и замкнутые.
При замкнутой цепи наблюдаем элемент в работе при нали-
чии в цепи электрического тока. На цинке совсем или почти ни-
чего не заметно (как во втором случае). При очень отчётливом
изображении видны потоки, получающиеся при растворении сер-
нокислого цинка.
На медном электроде видно обильное выделение пузырьков
водорода. Происходит как бы замена медного электрода другим,
что создаёт противодействующую электродвижущую силу, ослаб-
ляющую действие элемента; это явление в элементе носит назва-
ние поляризации электродов.
4-й случай. В сосуд наливается жидкость для элемента
Грене (свежая, только что приготовленная) (см. т. I);
электроды — те же, что и в третьем случае.
1 Преподаватель не должен забывать, что ртуть крайне ядовита, и не
должен поручать учащимся амальгамирование цинка. Не проливать ртуть!
.'Хранить ртуть в герметически закрытой банке.
314
Ввиду наличия в растворе двухромокислого калия (хромпи-
ка), поглощающего водород, на медном электроде выделения пу-
зырьков водорода не происходит. Но спустя короткое время, при-
легающий к медному электроду слой раствора хромпика оказы-
вается использованным; поэтому опять начинается и постепенно
усиливается выделение водорода; встряска электродов произво-
дит смену раствора, и выделение водорода прекращается. Наблю-
даемое явление называется деполяризацией, а вызывающее её
вещество (хромпик в этом опыте) называется деполяризатором.
Примечание. Влияние амальгамирования цинка на выде-
ление пузырьков водорода можно наблюдать непосредственно в
элементе из набора Горячкина.
/
Рис. 486. Определение знака заряда на полюсах элемента.
5. Определение знака заряда на полюсах элемента. 1) Несколь-
ко (например, 6) одинаковых элементов (Лекланше, сухих) или две карман-
ные батарейки. 2) Электрометр с конденсатором. 3) Эбонитовая и стеклянная
палочки, материя для натирания. 4) Разрядник. 5) Провода. ,
Один полюс батареи и оправу электрометра соединяют с зем-
лёй (с крапом водопровода); другой полюс батареи с помощью
разрядника соединяют с нижней пластинкой конденсатора, на-
винченной на стержень электрометра (рис. 486); вторая (верх-
няя) пластинка конденсатора пока лежит на столе, но прокладка
между пластинками в виде кусочка слюды может быть положена
на своё место в электрометре.
Затем накладывают па конденсатор электрометра верхнюю
пластинку, дотрагиваются до неё пальцем и, отняв палец, уда-
ляют разрядник.
После удаления верхней пластинки конденсатора листочек
электрометра отклоняется от стержня на угол, примерно в
10—15°.
315
Поднося теперь к заряженному электрометру натёртые эбо-
нитовую и стеклянную палочки, можно обнаружить знак заряда»
Заряд будет положительным, если листочек спадает при подне-
сении эбонитовой палочки (знак её заряда минус), и листочек от-
клоняется ещё сильнее в случае приближения стеклянной палоч-
ки (знак её заряда плюс).
Опыт надо проделать с обоими 'полюсами батареи.
Цинковый электрод заряжен всегда отрицательно.
6. Типы гальванических элементов. Примечание. Элемен-
ты Лекланше, сухие и Грене описаны в томе I.
7. Столб Замбони. ]) Сухой столб. 2) Электрометр. 3) Провода.
Рис. 487. Столб
Вольта.
Одним из самых простых способов получе-
ния большого напряжения (до 500 в) является?
применение столба Вольта (рис. 487); он со-
стоит из ряда кружков, наложенных друг на
друга в такой последовательности: медный, су-
конный, цинковый, медный и т. д., кончая цин-
ковым.
Кружки укладываются между тремя стек-
лянными трубками, укреплёнными в стойке,.
Суконные кружочки пропитываются слабым
раствором серной кислоты. Диаметр металли-
ческих кружков примерно в 3—5 см\ диаметр
прокладки на 0,5 см меньше. Сукно можно за-
менить бумагой. Толщина металлических
кружков берётся незначительная (околет
0,5 мм). Серную кислоту можно заменить на-
шатырём или поваренной солью.
Вольтов столб в настоящее время заменяют так называемым
сухим столбом Замбони. Название «сухой» так же неправильно,
как и название «сухой элемент»; правильнее сказать: «влажный».
Столб Замбони делается из кружков так называемой золотой и
серебряной бумаги (применяется при изготовлении картонажей и
игрушек); золотая бумага, собственно, покрыта слоем меди, а се-
ребряная — слоем сплава олова с цинком.
В стеклянную трубку, покрытую внутри сургучным или шел-
лачным лаком, кладут одну па другую пары кружков из золотой
и серебряной бумаги, сложенные металлизированными сторонами
друг к другу. Диаметр кружков берёгся от I до. 3 см. По концам:
столба кладутся тонкие металлические (медные или оловянные)
кружки с припаянными пповолоками; эти проволоки проходят на-
ружу через пробки, закрывающие концы трубки (рис. 488).
Бумажные кружки специально ничем не смачиваются, но их
нельзя и сушить; они содержат в себе ту влагу, какую они впита-
ли, находясь во влажном воздухе. Столб надо оберегать от высы-
хания и хранить во влажном воздухе. Хорошее действие прибора
зависит от качества бумаги.
Каждая пара кружков даёт напряжение примерно в 1 в. Мож-
316
но ограничиться одной серебряной бумагой, но тогда надо её бе-
лую сторону покрыть очень тонким слоем перекиси марганца,
размолотого в мельчайший порошок; в качестве связующего ве-
щества применяется водный раствор гуммиарабика.
8. Аккумуляторы. Устройство аккумуляторов, обращение с ни-
ми и уход за ними описаны в томе I. Кроме собранных и действую-
щих аккумуляторов, в кабинете необходимо
иметь сухой разобранный аккумулятор, напри-
мер старый, пришедший в негодность; такой
аккумулятор нужен, чтобы показать учащимся
строение пластин и вообще внутреннее устрой-
ство аккумулятора.
Из опытов далее приведён лишь один, по-
казывающий 'принцип действия свинцового ак-
кумулятора. Что касается подробностей относи-
тельно химических явлений, происходящих в
.аккумуляторе, то ввиду сложности и неполной
ясности этого вопроса приходится придержи-
ваться одной из двух крайностей: первая со-
стоит в том, что явления внутри аккумулятора
упрощаются до последней степени (как это ча-
<сто делается в элементарных учебниках) и
Рис. 488. Столб
Замбони.
представляются в таком виде:
НЗ “р
До зарядки РЬО
После зарядки РЬО-рО=РЬО2
двуокись свинца
на —
РЬО
РЬО+Н2=Н2О+РЬ
свинец
Такое представление явно не соответствует действительности,
так как 1) серная кислота не принимает в явлении никакого
участия и 2) появляется вода, которая должна бы ослаблять кон-
центрацию раствора, чего не наблюдается; однако такое изобра-
жение явлений подкупает своей простотой.
Если не бояться второй крайности и разобрать явление
со всей полнотой, то всего целесообразнее придерживаться теории
аккумулятора, предложенной нс так давно Фери; по этой теории
явления при заряде и разряде свинцового аккумулятора пред-
ставляются в таком виде:
+ — заряд
2РЬО2 + Н2О + Pb2SO4
двуокись, закисная соль, разряд
бурого цвета сероватого
цвета
+
РЬ2О5
перекись,
чернонатого
цвета
+ H2SO4 -р Pb2
губчатый свинец,
светлосерого
цвета
317
Хотя теория Фери является в настоящее время почти обще-
принятой и приводится во многих современных книгах и учебни-
ках, например, физический словарь (т. I, 1936, стр. 83),
В. А. Михельсон, Физика (т. I, 1940, стр. 134), Курс физики,
под ред. акад. Папалекси (т. И, 1947, стр. 135), Н. Н. Ма-
лов, Курс электротехники и радиотехники (1948, стр. 139); одна-
ко считают, что и эта теория ещё окончательно не решила во-
проса о химических реакциях, происходящих в свинцовом,
аккумуляторе. Недостатком этой теории, вообще достаточно
точно описывающей наблюдаемые явления, считают тот факт,
что теория Фери приписывает перекиси свинца состав РЬ2ОБ,
реально, повидимому, не установленный. Действительно, обычна
учебники химии о таком соединении свинца не упоминают вовсе.
Только Д. И. Менделеев в «Основах химии» писал: «Истин-
ная перекись свинца, если будет получена, вероятно, представит
состав РЬ2О,5» (1906, стр. 172). Другие теории свинцового акку-
мулятора среди химических реакций отводят слишком много
места сернокислому свинцу PbSO4, присутствие которого в акку-
муляторе крайне вредно. При чрезмерной разрядке на обоих
электродах появляется PbSO4, сернокислый свинец, беловатого
цвета; эта соль обладает большим сопротивлением и почти нерас-
творима; её отложение на электродах приводит аккумулятор
в негодность.
Химические явления в щелочных аккумуляторах (железо-
кадмиево-пикелевые) выражаются формулой:
+ — заряд + —
2Ni(OH)2 + Fe(OH)2 2Ni(OH)3 -f- Fc.
разряд
9. Принцип действия аккумулятора. 1) Банка с крышкой из набора
Горячкина. 2) Два свинцовых электрода. 3) Раствор (15—2(.’-процснтпый>
серной кислоты. 4) Демонстрационный вольтметр. 5) Источник постоянного
тока (12 в). 6) Провода. 7) Электрический звонок.
Два свинцовых электрода в их обычном виде укрепляются
на крышке и погружаются в раствор серной кислоты, налитой
в банку. Предварительно надо обратить внимание учащихся на
одинаковый тсмносиний цвет обеих электродов и показать, что
собранный элемент не даёт тока. Электроды соединяются с полю-
сами источника постоянного тока и через прибор пропускается
достаточно сильный ток (2—3 а) в течение нескольких (2—3)
минут. Если напряжение больше 12 в, в цепь надо ввести рео-
стат. По прекращении тока электроды соединяются с вольтмет-
ром, при этом надо иметь возможность по вольтметру узнать
знаки полюсов у данного аккумулятора. Необходимо отметить
учащимся, что аккумулятор имеет положительный полюс на том
электроде, который был соединён тоже с положительным полю-
сом источника тока, зарядившего аккумулятор. Затем надо вынуть
электроды из раствора и показать учащимся изменения в окраске
318
у электродов и различие в цвете (светлосерый-—на минусе и
шоколадный — на плюсе).
Вместо вольтметра можно взять прямо гальванометр, но тог-
да нужно ввести соответствующий реостат. С целью быстрого
переключения аккумулятора от источника тока к гальванометру
можно применить коммутатор или просто переключатель и соста-
вить цепь по схеме рисунка 489.
Наконец, чтобы обнаружить ток, даваемый аккумулятором,
можно применить электрический звонок,’который перестаёт зво-
нить, как только аккумулятор раз-
рядится. Звонок можно заменить
двухвольтовой лампочкой.
Далее, чтобы быстро разрядить
аккумулятор, его полюсы замы-
каются накоротко проводом; спу-
стя несколько минут, когда вольт-
метр покажет нуль, надо опять Рис. 439 Схема соединений
вынуть пластины и снова пока- для опыта с поляризацией элек-
зать их учащимся. тродов.
Чтобы ознакомить учащихся с
формовкой пластин аккумулятора, -можно сделать модель акку-
мулятора Планте. Для этого берутся свинцовые полосы шириной
в % (высоты банки, длиной в 5—6 раз больше. К пластинам по
углам прикрепляется проволока (пластина зажимается в разрез
па конце проволоки). Пластины накладываются друг на друга, но-
между ними кладётся один слой от фанеры, вымоченной ib воде до
полного исчезновения клея; волокна этого слоя должны лежать
поперёк длинных сторон свинцовых полос. В качестве прокладки
можно применить тонкий слой асбеста. Все три -сложенные вместе
полосы скатываются вокруг стеклянной трубки в цилиндр и в та-
ком виде закрепляются с помощью надетых резиновых -колец; сте-
клянная трубка удаляется. Пластины помещаются в раствор сер-
ной кислоты, и через них пропускается ток до заметного выделе-
ния газа; тогда меняют направление тока и опять его пропускают
до появления пузырьков газа и т. д.; повторяя такое попеременное
пропускание тока, формуют пластины, т. е. увеличивают толщину
и массу слоя, подвергающегося химическому изменению; поэтому
с каждым разом увеличивается промежуток времени прохождения
тока до обильного выделения газа; такая формовка значительно
увеличивает ёмкость пластин.
10. Алюминиевый выпрямитель. iJ Банка с крышкой из на-
бора Горячкина. 2) Свинцовый и алюминиевый электроды. 3) Раствор »
углекислого аммония. 4) Ламповый реостат (не менее 3—4 ламп). 5) Демон-
страционный гальванометр. 6) Источник переменного тока (120 в). 7) Провода.
Примечание. Устройство, действие и изготовление выпрямителя
описаны в томе I. Здесь приводится лишь один опыт, выясняющий прин-
цип работы выпрямителя.
В цепь переменного тока последовательно включаются: выпря-
митель, ламповый реостат и демонстрационный амперметр. Этот
3I&
прибор нужен с той целью, чтобы удостоверить наличие в цепа
постоянного тока и определить направление этого тока. Надо при
•помощи прибора показать учащимся, что ток через выпрямитель
идёт по направлению от свинца к алюминию.
Необязательно пользоваться демонстрационным гальваномет-
ром, необходимо лишь применить такой приёмник тока, который
позволил бы обнаружить направление тока; поэтому можно ис-
пользовать любое химическое или магнитное действие тока.
*
РАЗРЯД В ГАЗАХ
§ 39. Разряд при атмосферном давлении
1. Введение. В этой главе описаны опыты, относящиеся к явле-
ниям, связанным с прохождением электрического тока через
газы или с разрядом в газах. Все эти опыты весьма многочис-
ленны и разнообразны в соответствии с тем многообразием и
с той сложностью, которые присущи явлениям, объединённым
под общим названием «разряд в газах». Перечисление опытов,
которое даётся в данном месте, нельзя рассматривать как опре-
делённую систему; это — простой перечень опытов с общей физи-
ческой сущностью, показываемых раздельно в разное время в раз-
ных местах курса физики. Сложность явлений газового разряда
обусловлена молекулярно-кинетическим строением газа и разно-
образием носителей электричества; это будут не только электро-
ны (как в металлах) и не только ионы обоих знаков (подобно
вполне определённым ионам при электролизе водных растворов),
но вообще заряженные молекулы и такие соединения их частей
и атомов, которые не встречаются при обычных химических
реакциях. Под влиянием электрического поля все эти носители
движутся прямолинейно от одного столкновения до другого
и могут как возникать в процессе разряда, так и исчезать, обра1’
зуя нейтральные атомы.
В отличие от электролиза все эти носители после потери
заряда на электродах возвращаются обратно в газ и не создают
выделения веществ на электродах.
Весьма важным является опыт, который доказывает ролЪ
носителей электричества в процессе прохождения электричества
через газ и необходимость наличия этих носителей для разряда
в газе. Только газ, тщательно изолированный от постоянных воз-
действий, можно считать совершенно лишённым носителей элек-
тричества; такой газ действительно является непроводником
(диэлектриком), наравне с вакуумом. Обычно газ, например
воздух, является более или менее ионизированным; ионизация
газа, т. е. появление в нём электронов и ионов, происходит»
в естественных условиях или благодаря радиоактивным газам,
выделяющимся из почвы, или благодаря космическим излучениям
из мирового пространства. По этой причине в воздухе вследствие
320
неизбежной ионизации его возникает разряд под действием прило-
женного напряжения. Такой разряд, при котором носители элек-
тричества появились под влиянием посторонних источников (а не
только приложенного напряжения), получил название несамостоя-
тельного. Если под действием электрического поля свободные
пены в газе получают большую скорость, так что их кинетическая
энергия, возрастая па пути их свободного пробега, становится
равной ионизационной, т. е. достаточной для того, чтобы ион мог
выбить электрон из встреченной на пути молекулы, то при таких
условиях число электронов и ионов в газе будет само собой
быстро расти; таким образом, несамостоятельный разряд пере-
ходит в самостоятельный.
Если энергия движущегося иона меньше ионизационной, то
он может, не выбивая электрона из молекулы, лишь нарушить
расположение электронов в молекуле и «возбудить» её, сообщив
ей некоторое количество энергии. Затем при возвращении молеку-
лы в прежнее состояние это избыточное количество энергии будет
отдано молекулой или атомом в виде излучения определённого
кванта. Чем больше энергия, несомая квантом, тем больше частота
излучения и т^м меньше соответствующая ей длина волны. Когда
энергия кванта превышает определенную величину (примерно
1,5 электрон-вольта), тогда излучение становится видимым, и бу-
дет наблюдаться свечение газа (см. § 42, 1, 2). Энергия, приобре-
таемая ионом или электроном при их движении в электрическом
поле, зависит от напряжённости поля и от длины свободного
пробега, на котором действует поле. Длина пробега растёт
по мере повышения вакуума.
Самостоятельный разряд сопровождается характерными для
него явлениями: 1) свечением (см. § 39, 2, 3, 4, 5, 6; § 41);
2) звуковыми эффектами (треск искры, гром, шипение разряда
с проводов и остриёв); 3) особыми химическими реакциями
(см. § 40, 5). На опытах можно показать учащимся следующие
виды самостоятельного разряда:
1) тихий разряд, характеризующийся малой силой тока и сла-
бым свечением (см. §39,2); 2) коронный разряд (см. рис. 490,1);
3) тлеющий разряд (см. § 46, 2); 4) искровой разряд (см. § 39,
3, 4); 5) дуговой разряд (см. § 39, 5, 6); 6) разряд в разрежён-
ных газах (см. § 42).
Несамостоятельный разряд может быть не только началом
самостоятельного, но и может продолжаться сколь угодно дли-
тельное время; в таком случае необходимо наличие постороннего
источника, непрерывно создающего приток носителей электриче-
ства, обычно электронов. С видами несамостоятельного разряда
учащиеся знакомятся па следующих опытах: 1) опыты с элек-
тронной лампой (термоэлектроны) (см. т. V); 2) опыты но фото- ,
эффекту (см. § 29, 1; т. VI); 3) опыт с Рентгеновыми лучами'
(см. § 45, 5). Для несамостоятельного разряда характерно явле-
ние тока насыщения.
21 Физический эксперимент в школе 321
На опытах с электронной лампой удобно показать, что при
отсутствии носителей электричества в баллоне лампы (при холод-
ном катоде) разряд не происходит и начинается при появлении
электронов, вылетающих из накалённого катода; аналогичный
опыт для явления электролиза см. § 33, 1 и 2. Необходимо пока-
зать ток насыщения (см. т. V, § 24, 5) и возможно также показать
«зажигание» газового разряда, или переход в самостоятельный, хо-
тя этот опыт обычно губит лампу; он особенно легко удаётся с при-
меняемой в старых телевизорах неоновой лампой (см. § 46,
рис. 568, II) при её включении в сеть городского тока, так как
у этой лампы в отличие
от обычных неоновых
ламп нет внутри успо-
каивающего сопротив-
ления.
Форма и характер
разряда
зависимости от давле-
ния, под которым нахо-
дится газ, вследствие
увеличения длины сво-
бодного пробега частиц;
поэтому необходимо
рассмотреть отдельно:
1) разряд в воздухе при
Рис. 490. Формы разряда при атмосферном обычном атмосферном
давлении. давлении; 2) разряд
ионного характера при
пониженном давлении (в трубках с разрежённым газом) и 3) раз-
ряд в виде потока электронов в высоком вакууме (в радиолам-
пах).
меняются в
к s
ш г
В воздухе при атмосферном давлении в зависимости от рас-
стояния между электродами (или, что то же самое, в зависи-
мости от напряжённости поля, т. е. от величины напряжения
на единице длины) наблюдаются три формы разряда (рис. 490):
I) свечение электродов; 2) типичный искровой разряд; 3) мощ- .
пая, или, как говорят, «жирная» искра, переходящая часто, когда
накалятся электроды и слой газа между ними, в дуговой разряд.
В разрежённом газе характер свечения меняется по мере
уменьшения давления; при сильном разрежении число ионов ста-
новится незначительным и наблюдается поток электронов, или
катодные лучи, наконец, при «торможении» электронов возни-
кают вторичные лучи, или Рентгеновы, — электромагнитное излу-
чение с короткой длиной волны. j
Такова общая схема явлений, сопровождающих разряд в газах;
описание опытов, демонстрирующих все эти явления, и состав-
ляет предмет изложения данной главы.
322
2. Свечение у электродов. 1) Электрическая машина. 2) Большая
лейденская банка. 3) Высокочастотный трансформатор. 4) Высоковольтный
индуктор. 5) Источник тока.
Опыт, который должен показать учащимся свечение у электро-
дов как один из видов разряда в газах, необходимо производить
в полной темноте. При вращении электростатической машины
с раздвинутыми электродами видно свечение в виде сияния, по-
крывающего все выдающиеся и острые части машины — шарики
электродов, острия гребёнок, концы кисточек и т. д. Надо обра-
тить внимание на различие в форме свечения положительно
и отрицательно заряженных частей (рис. 491, I). На положитель-
ном электроде сияние имеет форму светящей кисти, соединённой
с электродом при помощи светящей ножки (рис. 491, II, слева).
I п
Рис. 491. Положительное (+) и отрицательное (—) свечение у полюсов
электростатической машины (I) и на электродах.
На отрицательном электроде наблюдается лишь светлое пятныш-
ко с очень коротким сиянием (рис. 491, II, справа).
Чтобы получить более мощное и яркое сияние, надо взять
большую лейденскую банку и, соединив обе её обкладки с полю-
сами электростатической машины, заряжать банку в полной тем-
ноте. Тогда видно свечение как у шарика банки, так и вдоль
края её обкладок.
Ещё лучше наблюдать свечение на токах высокой частоты
(см. т. V) при помощи высокочастотного трансформатора
(рис. 492). Обе обкладки конденсатора переменной ёмкости А со-
единяются с полюсами индуктора, дающего искру длиной около
10—12 см. Банка разряжается через искровой промежуток В
(коробочкой) и через первичную катушку С трансформатора.
На полюсах вторичной катушки возникает высокое напряжение,
которое вызывает свечение между прямолинейными электрода-
ми Е или между кольцевыми электродами. Верхний конец катуш-
ки D (ни с чем не соединённой) испускает целый сноп искр.
В природе подобный разряд, или, как его называют, тихий
разряд, наблюдается в виде огней св. Эльма (светящие кисти
на острых концах и углах предметов на море и в горах), в виде
зарницы (свечение между облаками или в пределах одного
облака, не сопровождаемое громом даже на близком расстоянии
21*
323
от наблюдателя) и свечения проводов сверхвы соковой ьтных
линий.
3. Искра.
Искра создаёт временный путь для электричества в воздухе
между электродами; поэтому искру можно применить как автома-
тический замыкатель и размыкатель тока для возбуждения
колебаний в колебательном контуре; этим явлением мы пользо-
f
Рис. 492. Высокочастотный трансформатор.
вались в предыдущем опыте, когда получали на приборе в пер-
вичной катушке высокочастотного трансформатора колебатель-
ный разряд лейденской банки через искровый промежуток.
Искры применяются для возбуждения электромагнитных колеба-
ний в искровых радиостанциях.
4. Искровой разряд высоковольтного индуктора. I) Индуктор.
2) Источник тока.
Полюсы вторичной катушки индуктора снабжены двумя раз-
личными подвижными электродами. Один из них оканчивается
остриём, другой имеет на конце диск; электрод с остриём можно
перемещать и тем самым удалять остриё от диска па определён-
ное расстояние; это расстояние (в сантиметрах) отмечается деле-
ниями, нанесёнными на самом электроде (см. т. IV). Иногда
такие электроды помещаются не «а катушке, а на отдель-
ных стойках (рис. 501). Искровой промежуток играет роль
предохранителя вторичной катушки индуктора от пробоя при
чересчур высоком напряжении. При работе индуктора электроды
устанавливают на расстоянии, соответствующем максимальной
предельной длине искры, даваемой данным прибором. Этот макси-
мальный искровой промежуток для каждого индуктора должен
324
быть известен; on указывается в каталогах фирм; на самом элек-
троде он иногда отмечается красной чертой.
Установив искровой промежуток почти на максимальное зна-
чение, приводят индуктор в действие при наибольшей, допусти-
мей для данного прибора, силе тока и пабл.юдают искрообразо-
вание между электродами. Интересно показать, как повышение
напряжения па вторичной обмотке индуктора влияет на длину
и характер искр. Для повышения напряжения надо по возмож-
ности уменьшить промежуток времени, затрачиваемый на замы-
кание и особенно размыкание
первичной цепи. Это достигается | I *
изменением (увеличением) часто- _„=_и+^,—______,-jL -Д—,
ты колебаний прерывателя. У мо- Я » В
лоточкового прерывателя сделать ад 8 ®
это невозможно, так как, ме-
няя нажим контактного винта у
прерывателя, мы не изменяем ча-
стоты колебаний его пружинки.
У некоторых прерывателей ко-
леблющаяся пластинка снабжена
дополнительной пружинкой, на
которую нажимает или контакт-
ный винт, или особый нажимной
винт. У таких прерывателей на-
жим винта на дополнительную
пружинку меняет упругие свойства
самым изменяет период колебания.
Необходимо обратить внимание
Рис. 493. Правильный (I) и
неправильный (II) искровой
разряд индуктора.
колеблющегося тела и тем
на расположение полюсов
на электродах искров ?го промежутка. В том случае, если диск
является отрицательным полюсом (рис. 493, вверху), искры попа-
дают в середину диска и не разбрасываются в стороны. В случае,
когда диск служит положительным полюсом (рис. 493, внизу),
искры бьют в края диска и всё время перескакивают с места
на место по этому краю. Это свойство искры даёт возможность
судить о знак’' заряда на электродах индуктора. Изменить подно-
сы на диске и остриё разрядника можно, изменив направление
тока в первичной спирале индуктора. С этой целью индуктор
обычно снабжается особым переключателем.
5. Дуговой разряд высоковольтного индуктора. I) Индуктор.
2) Электроды в виде рогов. 3) Источник тока.
На клеммах вторичной обмотки индуктора, или, как называли
его раньше, катушки Румкорфа, укрепляют в вертикальной пло-
скости два электрода из толстой медной проволоки (d = 2—
3 мм), изогнутой в форме рогов (рис. 494); в нижней части
электроды отстоят друг от друга на 3—5 см; по мере повышения
электроды отходят друг от друга всё дальше.
При разряде индуктора в узком месте рогового разрядника
возникает мощная «жирная» искра в виде небольшой дуги; по-
325
током горячего воздуха эта искра увлекается кверху; она посте-
пенно удлиняется по мере расширения рогов и, наконец, затухает
в верхней части разрядника; за первой искрой следует вторая,
третья и т. д., причём каждая проделывает один и тот же путь.
На рисунке 494 изображены одновременные положения несколь-
ких искр, следующих друг за другом.
Для этого опыта нужен мощный индуктор, дающий искру
не менее 10—12 см.
Очень легко и хорошо получается дуговой разряд у вторич-
ной катушки из так называемого большого набора по электро-
магнетизму, если собрать транс-
форматор и питать первичную
катушку переменным током. С
успехом можно воспользовать-
ся трансформатором, применяе-
мым для приведения в дей-
ствие газосветных трубок (см.
рис. 522). . Такой трансформа-
тор повышает напряжение сети
до 10 и более тысяч вольт. С
таким трансформатором надо
обращаться крайне осторожно,
Рис. 494. «Дуговой» разряд индук- так как при даваемом им вы-
тора. . соком напряжении он обладает
значительной мощностью (не-
сравнимо большей, чем электростатическая машина или даже
индуктор). По этой причине прикосновение к проводам высокого
напряжения может оказаться смертельным. В связи с этим
не следует подпускать учащихся близко к работающему транс-
форматору.
6. Ионизация воздуха. ]) Искровой разрядник. 2) Спиртовая лампоч-
ка. 3) Спички. 4) Индуктор. 5) Источник постоянного тока (6—8 в). 6) Про-
вода.
Опыт имеет целью, во-первых, показать, что возникновение
проводимости воздуха обусловливается появлением в воздухе но-
сителей электричества в виде ионов и электронов; это явление но-
сит название ионизации. В частном случае проводимость воз-
духа растёт по мере увеличения в воздухе числа носителей элек-
тричества. Во-вторых, опыт показывает, какие причины могут вы-
зывать ионизацию воздуха. Из таких причин легко обнаружить на
опыте две: повышение температуры воздуха и прохождение Рент-
геновых лучей как одного из видов коротковолнового излучения.
У небольшого индуктора (длина искры 5 см} первичную об-
мотку соединяют с источником постоянного тока (батарея акку-
муляторов на 6—8 в}, вторичную обмотку замыкают на искро-
вой промежуток разрядника (рис. 495) с электродами в форме
небольших шариков. Пустив индуктор в действие и получив
искровой разряд в искровом промежутке разрядника, начинают
326
раздвигать электроды, удлиняя искровой промежуток. Когда
искровой разряд прекратится и искры перестанут проскакивать,
ещё немного увеличивают промежуток, так что не наблюдается
проскакивания даже отдельных редких искр.
Тогда, не прекращая работы индуктора, зажигают спиртовую
горелку и подносят её снизу к искровому промежутку, чтобы
пламя нагревало воздух ниже и внутри искрового промежутка.
Немедленно возобновляется искровой разряд (рис. 495).
Отодвинув в сторону спиртовую лампочку, обнаруживают, что
искровой разряд сейчас же прекращается. Снова поднося лам-
почку к искровому промежутку, возобновляют разряд.
Рис. 495. Ионизация пламенем.
Аналогично показывают опыт с Рентгеновыми лучами, на-
правляя поток лучей па искровой промежуток, совершенно так
же, как это делается в опыте с разрядом заряженного электро-
скопа под влиянием Рентгеновых лучей (см. § 45,6, рис. 567).
7. Явление, обратное ионизации (молизация). 1) Труба с элект-
родами. 2) Штатив к ней. 3) Спиртовая горелка. 4) Спички. 5) Два электро-
скопа. 6) Эбонитовая и стеклянная палочки, мел, резина. 7) Провода.
Ионизация воздуха одновременно сопровождается обратным
явлением, т. е. воссоединением, или рекомбинацией, ионов в ней-
тральные молекулы. Это явление возникновения молекул полу-
чило название молизации. Какое из этих явлений — ионизация
или молизация — преобладает, от этого зависит, будет ли прово-
димость воздуха расти или падать.
Предыдущий опыт показал, что при повышении температуры
перевес получается па стороне ионизации. Там же можно было
видеть, что после прекращения нагревания перевес берёт моли-
зация. Более наглядно это покажет следующий опыт.
Берётся железная труба, применяемая для печей-времянок
(диаметр около 9 см). Сбоку вдоль одной и той же образующей
просверливаются два отверстия недалеко от концов трубы. Диа-
метр отверстия подбирается в соответствии с толщиной имею-
щихся пробок из диэлектрика (эбонита, серы, плексигласса),
которые необходимо вставить в отверстия. Для удобства полезно
е отверстиях укрепить или припаять (что особенно просто,.если
327
труба сделана из оцинкованного железа наподобие водосточной)
жестяные или латунные втулочки, куда уже вставить пробки.
В пробках вдоль их осей просверливаются узкие отверстия, сквозь
которые просовываются латунные проволочки в форме буквы Г
или Т, причём короткие колена этих букв должны быть располо-
жены вдоль оси трубы (рис. 496). В случае буквы Т придётся
пропускать проволочку сквозь отверстие изнутри трубы. Наруж-
ные концы проволочек загибаются в виде колец для более удоб-
Рис. 496. Рекомбинация ионов.
ного присоединения проводов. По середине, трубы снаружи к ней
приделывается тем или иным способом (приклёпывается, удер-
живается при помощи металлического кольца, плотно охватыва-
ющего трубу) боковой выступ, который зажимается в лапку
штатива для вертикальной установки трубы. Под трубой поме-
щается спиртовая лампочка; её пламя должно примерно на 10 см
не доходить до нижнего края трубы. Оба внутренних электрода
соединяются проводами с шариками двух электроскопов, оправы
которых заземляются.
Опыт состоит в следующем. Оба электроскопа (вместе с элек-
тродами внутри трубы) заряжаются. Лампочку зажигают и на-
блюдают постепенно потерю зарядов на электроскопах вследствие
протекания внутри трубы мимо электродов нагретого и потому
ионизированного воздуха. При этом окажется, что на верхнем
электроде потеря заряда происходит медленнее, чем на нижнем.
328
Это явление объясняется тем, что на пути от нижнего электрода
до верхнего часть ионов успевает вновь соединиться в молекулы.
8. Электрическая дуга (см. § 27).
§ 40. Свойства искры
1. Продолжительность искры. 1) Большая лейденская банка. 2) Элек-
тростатическая машина. 3) Диск с чёрными секторами. 4) Мотор, 5) Источ-
ник тока. 6) Счётчик оборотов. 7) Секундомер.
Чтобы показать малую продолжительность искры (примерно
около 0.00001 или 0,000001 сек.), берут белый картонный круг,
Рис. 497. Вращающийся диск с чёрными
секторами при освещении дневным светом (I)
и электрической искрой (II).
Рис. 498. Приспособление для укрепления вращаю-
щегося диска на оси С электромотора.
разделенный па несколько (примерно 32) равных секторов
(рис. 497, II); через один секторы окрашиваются в чёрный цвет
(тушью) или заклеиваются чёрной бумагой (в какую завёрты-
вают фотографические пластинки). Этот круг -надо насадить
па ось электрического мотора (например, от вентилятора).
Для укрепления круга па оси надо сделать специальное при-
способление (рис. 498), состоящее из трубки А с зажимным вин-
том В, надеваемой одним концом на ось мотора С. В другой
конец трубки впаивается стержень D с винтовой нарезкой и
с ганкой F. Шайба F припаивается к трубке и к. стержню;
шайба И остаётся свободной. Между двумя шайбами F -и Н
зажимается картонный круг. Описанное приспособление приго-
329'
дится во многих опытах. В данном случае нужно столь быстрое
вращение, что центробежная машина не годится.
Круг с секторами приводят при помощи мотора в очень быст-
рое вращение (не менее 1000 оборотов в минуту). Сперва наблю-
дают круг при дневном освещении или при лампах накалива-
ния — круг кажется окрашенным в ровный оерый цвет (рис. 497,1).
Затем наблюдают круг при освещении иокрой от электри-
Рис. 499. Фотографирование водяной струи при
освещении электрической искрой. Фотоснимок с уста-
новки.
ческой машины или от лейденской банки (её разряд производят
при помощи разрядника) — круг кажется стоящим на месте
(рис. 497, II). Это объясняется тем, что за время освеще-
ния искрой каждый сектор не успевает заметно сдвинуться
и имеет резкие границы. Поэтому можно во всяком случае
утверждать, что продолжительность искры меньше того проме-
жутка времени, за который сектор успел бы сместиться на одну
четверть своей ширины (т. е. на — окружности). Этот проме-
128
жуток просто подсчитать, если при помощи счётчика оборотов
и секундомера определить число оборотов в одну минуту.
Пример. Пусть число оборотов в минуту равно 1200; тогда за 1 сек.
1200
круг делает —-— = 20 оборотов, или даёт 20 • 128 указанных смещений сек-
60
1
тора на четверть его ширины, отсюда искомый промежуток равен ---------- =
20 • 128
— 0,00039 сек.
330
2. Фотографирование при помощи искры.
1) Воронка па штативе; стеклянная ки резиновые тру-
бочки и зажим. 2) Ведро. 3) Большая лейденская бан-
ка (лучше батарея из 4 банок). 4) Электро-
форная машина. 5) Разрядник. G) Фотографическая
бумага. 7) Кнопки. 8) Принадлежности для проявле-
ния и закрепления.
К воронке при помощи резиновой перемыч-
ки присоединяют стеклянную трубочку с оття-
нутым концом (до диаметра в 2 — 4 мм); ре-
зиновую трубочку запирают винтовым зажи-
мом. Воронку при помощи штатива устанавли-
вают около стены (или деревянного шкапа)
так, чтобы струя воды, налитой в воронку, вы-
текала из трубочки параллельно стене на рас-
стоянии 2—5 см от неё. Струя должна стекать
в ведро. На расстоянии нескольких (1—3) мет-
ров от стрУи помещают лейденскую банку (или
батарею банок) так, чтобы искра при разряде
давала резкую тень (рис. 499) струи на стене
(как раз сзади струи).
Зарядив (возможно сильнее) банку при по-
мощи электрофорной машины, в темноте (при
красном свете) укрепляют (кнопками) полоску
{можно из нескольких кусков) фотографиче-
ской бумаги в таком месте стены, чтобы тень
от струи пришлась по средней линии бумаги.
Разрядником производят разряд лейденской
банки; искра освещает фотографическую бума-
гу, кроме тех мест, где получается тень от струи.
После проявления и фиксирования будем иметь
на чёрном фоне белое изображение капель во-
ды, на которые распадается струя при своём
движении (рис. 500). Чтобы тень струи на бу-
маге была наиболее резкой, необходимо рас-
стояние между струёй и бумагой сделать воз-
можно малым, лишь бы только капли воды не
попадали на бумагу.
Чтобы отпечаток струи оказался чётким,
надо применять очень яркую искру и очень чув-
ствительную фотографическую бумагу. Часто
лейденская банка при малом её размере
даёт менее яркую искру, чем электрическая
машина; поэтому вместо машины применять
целесообразно лишь банки большого размера.
За неимением чувствительной фотобумаги при-
ходится брать плёнки -самой высокой чувстви-
тельности; пластинки менее удобны в отноше-
Рис. 500. Фото-
снимок с водяной
струи, разбившей-
ся на отдельные
капли. На рисунке
дан позитивный
отпечаток с нега-
тива.
нии их укрепления на стене, нежели бумага и плёнка.
331
Кроме струи, так можно сфотографировать фонтан, парабо-
лическую струю, образование капли ь i д.; вообще объекты для
съемки можно разнообразить в больших пределах. Описанным
способом можно сфотографировать очень много быстро движу-
щихся тел. Конечно, вместо фотографирования всегда можно
ограничиться одним наблюдением. Фотографирование при помо-
щи искры применяют при исследовании сгущений воздуха, обра-
зующихся при взрывных и звуковых волнах.
3. Искра как измеритель напряжения. ]) Разрядник с делениями.
2) Электруфорная машина. 3) Высоковольтный индуктор. 4) Источник тока.
Длина искры, пробивающей слой воздуха между электродами,
зависит от формы и размеров электродов и от величины прило-
женного к ним напряжения:
Длина искри в мм (при атмо’<Герно.ч .1авленпи)
Напряжение .. ! между о трилми между шариками диаметра между ПЛО: НО тями
I 5 с к 30 сч
20 ООО 15,5 1 5,8 j 6,0 6,0
40 000 45,0 13,0 13,3 13,7
100 000 220,0 55,0 . 35,7 36,7
200 000 410,0 262,0 I 75,3 75,3
300 000 600,0 530,0 ; 126,0 114,0
Ес.’ти всегда применять одни и те же электроды (например,
два шарика определённого диаметра), то длина искры будет зави-
Рис. 501. Искровой разрядник для
измерения длины искры.
вижиой электрод перемещается
сеть только от величины напря-
жения; поэтому в этом случае
длина искры может служить
мерой напряжения на электро-
дах.
С этой целью берут разряд-
ник с шариками на конце элек-
тродов, один из которых может
перемещаться (рис. 501), и его
расстояние от другого электро-
да может быть измерено при по-
мощи нанесённых делений. Для
более точного определения рас-
стояния между шариками под-
при помощи микрометрического
винта, а отсчёт длины искры производится таким же способом,
как на микрометре.
Чтобы таким прибором можно было пользоваться как измери-
телем больших напряжений, необходимо знать величины раз-
рядных напряжений в зависимости от расстояния между
332
электродами. Эта зависимость от электродов в виде шариков
диаметром в 22 мм приведена в следующей таблице:
Расстояние | Разрядное , Расстояние Разрядное
шариков в ' и । паиря.неиие в в шаци ов в си ! напряжение в в
0,1
0,5
1,0
! ,5
5 500
26 700
48 600
57 000
2
5
1о
15
65 ooi >
95 000
1 i 9 000
128 000
Удобно пользоваться раздвижным конденсатором Глав>чтех-
прома. К прибору прилагаются специальные электроды в виде
остриёв и шариков разного диаметра для получения искрового
промежутка. Длина этого промежутка измеряется при помощи
миллиметровой шкалы, укреплённой на подставке прибора. Там
же имеется таблица, указывающая длину искры в зависимости
от применяемого напряжения при определённых электродах.
4. Искра 'как колебательный разряд. 1) Две лейденские банки.
2) Индуктор. 3) Источник тока.
Что искра, сопровождающая заряд лейденской банки, пред-
ставляет ^бой колебательный разряд (т. с. состоит из ряда после-
довательных разрядов с переменой знаков у электродов), непо-
средственно доказал Феддерсен (около
1860 г.), наблюдая и фотографируя искро-
вой разряд во вращающемся .зеркале. Этот
способ недоступен школе, так как вслед-
ствие очень малой продолжительности все-
го искрового разряда (см. опыт 1), а тем
более отдельных искр требуется весьма
быстрое вращение зеркала. Поэтому при-
бегают к иному способу доказательства
колебательного характера искрового раз-
ряда, основываясь на том, что при всяком
колебательном явлении должен иметь ме-
сто резонанс; следовательно, явление резо-
нанса при искровом разряде служит до-
казательством колебательного характера
этого разряда. При этом надо вспомнить
опыт с колебаниями уровня жидкости,Рис- 5021 Банки л°-тжа
где было отмечено, что колебания наблю-
даются лишь при малом сопротивлении; это же условие должно
быть выполнено для получения колебательного искрового раз-
ряда.
Чтобы наблюдать явление резонанса при колебательном раз-
ряде, берут две одинаковые лейденские банки (так называемые
банки Лоджа), снабжённые одинаковыми (по форме и по размеру)
самоиндукциями — контурами из толстой латунной проволоки
(рис. 502 и 503). У одной банки (Л) контур имеет неизменные
ззз
размеры и снабжён искровым промежутком С между двумя шари-
ками; эта банка заряжается при помощи индуктора (или электро-
фориой машины). У второй банки (В) контур замыкается
подвижным латунным стержнем D и содержит очень короткий
искровой промежуток Е между двумя шариками или полосками
станиоля, наклеенными на банку снаружи.
Банки ставят на небольшом расстоянии (не более 1 м) друг
от друга так, чтобы оба контура были расположены параллельно
друг другу. Затем обкладки банки А соединяются с полюсами
источника электричества и заряжаются, причём через искровой
Рис. 503. Фотоснимок с банок Лоджа с самодельными
контурами.
промежуток С происходит колебательный разряд. Под влиянием
этого разряда в соседнем контуре банки В возникают колебания;
перемещая подвижную часть контура, отыскивают такое положе-
ние, чтобы в искровом промежутке Е проскакивали наиболее
яркие искорки. Меняя размеры вторичного контура, мы настраи-
ваем его в резонанс с первым.
Чтобы опыт выходил хорошо, необходимо иметь достаточно'
острую настройку на резонанс; для этого надо получить действи-
тельно колебательный разряд, а не апериодический; последний
может наступить, если сопротивления в подвижных контактах,
у стержня D слишком велики. Поэтому на уменьшение этих
сопротивлений (тщательная очистка поверхности, сильный
нажим) надо обратить особое внимание. Такие два колебательных
контура нетрудно сделать своими средствами, но если банки
не вполне одинаковы, то явление резонанса будет наступать при
различных размерах контуров (т. е. положение движка D при
резонансе не будет соответствовать положению границ первого
контура).
Вместо искры можно применить вспышку неоновой лампы
(ом. § 49, 5), которая включается в искровой промежуток. Для
этого патрон неоновой лампы обоими своими электродами (т. е. на-
резной оболочкой и контактной пластинкой) припаивается к прово-
334
Рис. 504. Присоедине-
ние неоновой лампы к
лейденской банке.
ду, идущему от внутренней обкладки лейденской банки. Наружная5
обкладка соединяется посредством звонкового провода со станио-
левым кольцом, окружающим баллон лампы (рис. 504). При на-
стройке контура в резонанс в лампе появляется свечение газа.
5. Химические действия искры: 1) Получение озона. 1) Озонатор.
2) Индуктор. 3) Источник тока. 4) Стакан с водой. 5) Резиновая груша-
3) йодокрахмальная бумага.
После продолжительной работы
электростатической, машины воздух в
комнате приобретает характерный за-
пах «свежего воздуха», наблюдаемый в
атмосфере после грозы, — это запах
озона. Озон образуется из кислорода
воздуха под действием тихого разряда
(не искры).
Для получения озона в лаборатории
применяют специальные приборы —
озонизаторы, или озонаторы (более ча-
сто применяемое второе — искажённое
название) (рис. 505). В упрощённом
виде прибор состоит из стеклянной
грубки (диаметром около 2 см, длиной
около 40 см), закрытой на концах проб-
ками (корковыми). Через пробки по
середине трубки проходит медная про-
волока. Вокруг трубки навита спираль из медной проволоки. Один
конец каждой из проволок соединяется с полюсом вторичной об-
мотки небольшого индуктора (дающего искру около 2 см длиной);,
другой конец проволок остаётся свободным.
Рис. 505. Получение озоиа при помощи тихого разряда.
835-
При работе катушки происходит через стекло тихий разряд
между обеими проволоками; в результате внутри трубки обра-
зуется озон. Для получения озона в большом количестве через
трубку пропускают из газометра или баллона (для сжатых газов)
медленную струю кислорода, который в виде отдельных пузырьков
проходит через воду в стакане; при этом озон растворяется в воде.
Присутствие озона в растворе можно обнаружить при помощи
йодокрахмальной бумаги — от действия озона выделяется свобод--
ный йод и окрашивает крахмал бумаги в темносиний цвет.
Если вместо кислорода продувать через трубку воздух при
помощи резиновой груши, то образуется лишь незначительное
количество озона.
йодокрахмальная бумага получается пропитыванием поло-
сок фильтровальной бумаги 10-процеитным раствором йодистого
калия с крахмальным клейстером. Бумагу можно приготовить
заранее; такую высушенную бумажку перед применением её надо
намочить водой.
Вместо обматывания трубки снаружи проволочной спиралью
можно обклеить трубку листом станиоля.
2) Получение окислов азота. I) Прибор для искрового разряда.
2) Индуктор. 3) Источник тока. 4) Стакан с водой. 5) Резиновая груша
или 4) Двугорлая склянка с водой. 5) Водоструйный насос. 6) Два ведра.
После долгой работы электрической дуги в комнате ощу-
щается тяжёлый запах, принадлежащий окислам азота (главным
образом двуокиси, NO2). Эти окислы образуются в воздухе
от соединения азота с кислородом под влиянием электрической
дуги. Вместо электрической дуги достаточно ограничиться искрой,
но только искра должна быть мощной, или, как говорят, жирной;
для этой цели необходимо применять достаточно солидный индую
тор, дающий искру не менее 10 см длиной (при искровом проме-
жутке для искры около 1 см).
Всего удобнее применить стеклянный шар с четырьмя тубу-
сами (на концах двух взаимно перпендикулярных диаметров).
Через два тубуса на пробках проводят два медных электрод», об-
разующих искровой промежуток в центре шара (рис. 506); через
третий идёт вертикально вниз стеклянная трубка, погружённая
нижним концом в воду; через четвёртое отверстие в шар нагнетают
воздух при помощи резиновой груши. Наружные концы электродов
соединяют с полюсами вторичной обмотки индуктора.
При работе индуктора в искровом промежутке происходит
мощный искровой (почти дуговой) разряд; под его влиянием вну-
три шара образуются окислы азота; присутствие их заметно благо-
даря их темнолиловому или бурому цвету; чтобы окраска
была заметнее, надо сзади шара поместить кусок белой бумаги.
Продуваемый через шар воздух уносит с собой окислы азота,
которые затем растворяются в воде; в результате получается
раствор азотистой и азотной кислот. Наличие кислоты подтверж-
дается покраснением синей лакмусовой бумаги.
336
в таком случае
Рис. 507, Упро-
щённый прибор
для получения
окислов азота.
Рис. 506. Получение окислов азота при помощи электрической искры.
Шар можно'заменить банкой с тубусом у дна (рис. 507); но
невозможно продувать воздух и почти нельзя
получить кислоту; образование окислов азота
обнаруживается только появлением бурой
окраски.
Продувание воздуха можно заменить его
просасыванием при помощи аспиратора, где
воздух засасывается благодаря вытеканию во-
ды (рис. 508), или при помощи водоструйного
насоса. Если нельзя воспользоваться водопро-
водом, то струю воды можно получить, застав-
ляя воду вытекать из ведра, поставленного па
шкафу.
Приведённый опыт получения окислов азота
из воздуха при помощи электрической искры
представляет модель промышленного получе-
ния азотистых удобрений из воздуха в больших
количествах. В основном способ этот заклю-
чается в просасывании воздуха через мощную
электрическую дугу, где под действием высокой температуры об-
разуются окислы азота. Дальше необходимо возможно быстрее
XI Физический эксперимент и школе
337
охладить полученные соединения, пока они ещё не успели рас-
пасться. Обычно не ограничиваются получением кислот, а про-
должают реакции дальше, так что окончательным продуктом яв-
ляется селитра, применяемая в качестве удобрения.
§ 41. Атмосферные разряды
1. МОЛНИЯ. I) Диапозитив
с фотоснимком линейной молнии.
Молния представляет собой
явление, аналогичное громад-
ной электрической искре, по-
добной искре, даваемой элек-
трофорной машиной; поэтому
форма молнии в общем подоб-
на форме такой искры; эту фор-
му можно получить на закоп-
чённом стекле. Молния такой
формы носит название линей-
ной. Кроме такой мцлнии, на-
блюдается ещё- чёточная мол-
ния (в виде ряда отдельных
светящих масс или чёток, подоб-
но бусам, нанизанным на об-
щую нитку) и шаровая молния.
Фотографические снимки об-
наруживают, что линейная мол-
ния состоит из ряда отдельных
Рис. 508. Самодельный аспиратор.
искр (одного направления), из
которых каждая следующая пробивает в воздухе более длинный
Рис. 509. Схема-
тическое, условное
изображение мол-
НИИ.
предотвращение
путь, пока, наконец, не достигнет противопо-
ложного полюса (например, от облака до
земли).
Снимки линейной молнии показывают так-
же, что молния является сильно разветвлённой
и не имеет тех острых перегибов, какие рисуют
на схематических изображениях молнии
(рис. 509).
2. Защита от молнии. Образцы грозовых
разрядников.
Обычным приёмом защиты от молнии яв-
ляется молниеотвод. Если представится слу-
чай, полезно показать учащимся устройство
молниеотвода, острия на его верхнем конце
и его заземление; необходимо напомнить о
действии острия. Надо обратить внимание уча-
щихся, что назначением молниеотвода служит
удара молнии постепенным разрядом, а не
прием на себя этих ударов, хотя каждый молниеотвод должен
338
быть так устроен, чтобы он мог выдержать удар молнии без вре-
да для здания и людей (но обычно с гибелью для самого молние-
отвода); для этого должно быть устроено очень хорошее зазем-
ление во влажном слое почвы, взят толстый провод и располо-
жен далеко от горючих материалов. Надо помнить, что плохо
устроенный молниеотвод гораздо опаснее, чем его отсутствие.
Очень хорошим средством для защиты от молнии служит
металлическая клетка, соединённая с землёй; такую клетку пред-
ставляют современные железобетонные дома.
Подобные металлические клетки применяют сейчас в лабора-
ториях при работе с весьма высокими напряжениями и при ис-
следовании атмосферных разрядов.
Все воздушные проводники (телеграфные и телефонные ли-
нии, провода электрических станций, трамвайный провод, антен-
ны), сильно распространённые в настоящее время, всегда
защищаются грозовыми разрядниками. Так называются два
металлических тела, разъединённых промежутком (искровым);
одно тело соединяется с защищаемым проводом, другое — с зем-
лёй. Металлические проводники приходится защищать не только
от непосредственного'удара молнии в проводник, но и от послед-
ствий индуктивного воздействия па проводник со стороны как
зарядов па облаках, так и грозовых разрядов. В случае грозового
разряда в провод молния выбирает кратчайший путь через искро-
вой промежуток, перескакивает через него в виде искры и уходит
в землю.
Для защиты воздушных проводов от грозовых разрядов при-
меняются роговые разрядники, состоящие из двух отдельных
электродов в виде рогов (форма рогов изображена на рисун-
ке 494); один рог соединён с защищаемой им линией воздуш-
ной сети; другой рог заземлён. При грозовом разряде иск’щ
избирает кратчайший путь в землю через разрядник, и между
рогами в нижней части происходит разряд в виде электрической
дуги, сдуваемой потоком нагретого воздуха кверху вдоль рогов
и затухающей (рис. 494) на самом верху. На крыше каждого
трамвайного вагона имеется такой рогообразный разрядник.
Сдувание электрической дуги в любую сторону от электродов
(нс только кверху, как у разрядника), а также полное гашение
дуги можно вызвать при помощи сильного электромагнита, поме-
щённого около дуги и питаемого постоянным током. Такое сдува-
ние электрической дуги применяется у контактов, подвергают!-;"
ея частому размыканию (например, в контроллере трамвай
пых вагонов). Явление сдувания дуги тождественно с движением
г, магнитном поле проводника, по которому идёт ток (см. § 9.
3 и 5).
О грозовом рубильнике для антенны см. рис. 64—65. О плав-
ких предохранителях для линий, идущих к телефонным аппара-
там и к радиоприёмникам, см. § 25, 1, рис. 351 и 352.
3. Тепловое действие молнии. 1) фульгурит. 2) Белемнит.
22*
339
Молния обладает большим тепловым действием и, попадая
в песок, оплавляет его в трубку
налом и с грубо шероховатой
наружной поверхностью, покры-
той выступающими наружу пес-
чинками (рис. 510).
Так, сплавленное тело носит
название фульгурита. Очень по-
лезно показать его учащимся, что-
бы рассеять заблуждение, благо-
даря которому за результат грозо-
вого удара считают окаменелые
скелеты головоногих моллюсков—
белемнитов (рис. 511), называя
их «громовыми стрелами» и «пор-
товыми пальцами».
§ 42. Разряд в газах при пони-
женном давлении
с гладким внутренним ка-
1. Зависимость разряда от Рис. 510. фуль. Рис. 511. Белем-
давления. 1) Шкала пустот. 2) Инлук- гурит. нит.
тор. 3) Провода.
Рис. 512. Элек-
трическое яйцо.
на выкачивается
' Свечение газов при пониженном давлении
в искусственных условиях стало известным с
того времени, когда был изобретён ртутный ба-
рометр и был таким путём получен вакуум,
получивший название торичеллиевой пустоты.
Свечение в этой пустоте появляется при встря-
хивании ртути, что наблюдал ещё М. В. Л о-
моносов, и при пропускании электрического
тока от электростатической машины. В послед-
нем случае две барометрические трубки, рас-
положенные рядом параллельно друг другу с
двумя отдельными резервуарами для ртути,
спаивают друг с другом верхними концами и
получают торичеллиевую пустоту в форме дуги,
опирающейся своими концами на два столба
ртути. Эти два столба служат электродами.
Когда был изобретён воздушный насос, по-
зволяющий создавать пониженное давление,
появился прибор для наблюдения над свечени-
ем воздуха в вакууме. Такой прибор, известный
под названием «электрического яйца», изобра-
жён на рисунке 512. Прибор ставится на тарел-
ку воздушного насоса, и из стеклянного балло-
воздух. Два электрода, входящие в баллон свер-
ху и снизу, соединяются с полюсами электростатической машины.
340
Чтобы показать зависимость формы разряда от давления,
можно взять разрядную трубку с двумя электродами (рис. 513)
и, соединив сё с вакуумным насосом, выкачивать из трубки воз-
дух. При постепенном разрежении будет соответственно меняться
вид разряда в газе. Трубка соединяется с насосом или на стек-
лянном шлифе Л, или при помощи толстостенной резиновой труб-
ки, надеваемой на рифлёный отросток В трубки. Чтобы получить
полную картину явления, необходимо разрежение доводить до
0,01 мм ртути. Этого можно достигнуть только с очень хорошим
насосом (например, с вращающимсй масленым).
Обычные школьные насосы (напри-
мер, Комовского, масляные и т. п.)
требуемого давления дать не могут, так
как по большей части они не дают
давления ниже нескольких миллимет-
ров (а иногда и сантиметров) ртутного
столба. При таких условиях опыт с
разрежением воздуха в разрядной труб-
ке теряет всякий смысл потому не
следует вообще к нему прибегать.
Рис. 514. Фотоснимок со
шкалы пустот (школьный
тип).
Рис 513. Разрядная трубка, присоеди-
няемая к вакуумному насосу.
Гораздо лучше в таком случае воспользоваться шкалой пустот-
ных трубок или, короче, шкалой пустот (рис. 514).
Под именем шкалы пустот разумеют набор (на общей подстав-
ке) шести или пяти трубок, содержащих воздух при различных
степенях разрежения. Значения разрежений обыкновенно указа-
ны в каталоге или на самих трубках. Обычно применяют такие
степени разрежений Ч
№ трубки 1 2 3 4 5 б
Давление в миллиметрах
ртути .................
1 Трубки, бывшие долго в употреблении, приобретают более высокий
вакуум. Для его снижения можно трубку осторожно прогреть. Тогда погло-
щённый стеклом и электродами газ снова наполнит трубку.
341
При таких значениях давления в трубках разряд имеет такой
вид:
•Nb 1. Разряд теряет форму ветвистой искры, наблюдаемой при
атмосферном давлении, и приобретает вид светящей нити или тон-
кого шнура.
№ 2. Ширина светящей полосы увеличивается и занимает поч-
ти всю ширину трубки; вокруг катода намечается (пока ещё сла-
бое) свечение иной окраски.
№ 3. Явно уже заметна разница в цвете свечения у анода и
катода: вокруг катода имеется голубоватое свечение; от анода-
во всю ширину трубки идёт красноватое свечение; между положи-
тельным и отрицательным свечениями ясно видно тёмное про-
странство, названное Фарадеевым.
ДЬ 4. Тёмное катодное пространство становится более длин-
ным; синеватое катодное свечение делается более ярким; положи-
тельное розоватое свечение разбивается на отдельные слои (стра-
ты), обращённые резким, выпуклым краем к катоде.
До 5. Тёмное катодное пространство занимает почти всю труб-
ку; около катода видно голубоватое свечение, отделённое тём-
ным промежутком от свечения, непосредственно прилегающего к
катоду; этот тёмный промежуток носит название второго, Крук-
сова, тёмного пространства. Страты положительного свечения,
уменьшившись в числе, стали более широкими, более бледными и
расплывчатыми; они иногда перемещаются, как бы дрожат. По-
является зеленоватое свечение стекла.
№ 6, Положительное свечение исчезло совсем; около катода
слабый голубоватый свет; все стенки трубки, лежащие против
катода, светятся зелёным светом.
Чтобы обратить внимание па различие в свечении у анода и
катода, надо при демонстрации несколько раз переменить знаки
полюсов у трубок.
Трубки с давлением в 1—3 мм ртути являются трубками с
«низким вакуумом» и были известны под названием Гейслеровых.
Трубки с очень значительным разрежением (от 0,01 до 0,001 мм
ртути) содержат «средний вакуум» (давление больше 10"4 и мень-
ше IO’2 мм Hg) и называются Круксовыми, или катодными, так
как служат для изучения свойств катодных лучей.
Полная картина разряда в разрежённом газе представлена
на рисунке 515. Здесь указано, что па практике положительное
свечение используется в Гейслеровых трубках, в трубках со све-
тящими инертными газами (световая реклама) и в дуговых лам-
пах (ртутные выпрямители); отрицательное свечение — в лампах
тлеющего разряда (неоновые лампы). Кривая линия, приведённая
на рисунке, изображает падение напряжения внутри трубки при
разряде. Как видно по форме кривой, наибольшее падение напря-
жения происходит вблизи катода.
Все опыты с разрядом в разрежённых газах производятся при
полном затемнении.
342
Для питания шкалы пустот вполне достаточен индуктор, даю-
щий искру длиной в 5 cjh. Для получения разряда в трубке, изо-
бражённой на рисунке 513, особенно с самого начала откачки та-
кой небольшой индуктор годится только при условии, если трубка
достаточно коротка (примерно как у шкалы пустот). Если же,
как чаще бывает, берут длинную трубку — длиной почти до
Круксово
генное
Пространство
•гейслеровы трубки ; лампы j
; газосветные | тлеющего !
[рекламные] грудки ' разряда I
'дуговые лампы', (неоновые)',
!
Рис. 515,- Строение свечения в разрежен-
ном газе и падение напряжения внутри
трубки при разряде.
100 см, то необходимо применить большой индуктор с искрой до
15 см. Если такой индуктор питается переменным током с электро-
литическим прерывателем, то ток в трубке тоже является пере-
менным; в таком случае в трубке не наблюдается различия в све-
чении электродов, и оба они светятся одинаково.
Не следует заставлять трубки работать при разряде слишком
долго, так как при длительной работе наблюдается излишнее по-
вышение температуры.
2. Трубки низкого вакуума. 1) Набор различных Гейслеровых тру-
бок. 2) Трубки Плюкера. 3) Станок для трубок. 4) Мотор для вращения тру-
бок. 5) Индуктор (достаточен с искрой до 3—5 см). 6) Источник тока. 7) Про-
вода. 8) Спектроскоп.
1) Типы трубок низкого вакуума. Такие трубки
бывают весьма разнообразной формы и самого затейливого строе-
ния (рис. 516). Они наполняются разными газами, содержат внут-
ри части из стёкол разных сортов и, наконец, имеют иногда наруж-
ный стеклянный футляр, наполненный разными жидкостями
343
Рис. 516. Типы трубок низкого вакуума.
Рис. 517. Гейслерова трубка, окру-
жённая слоем флюоресцирующей
жидкости.
Рис. 518. Штативы для
укрепления Гейслеровых
трубок.
344
Рис. 519. Трубка с магнитом (I)
и с электромагнитом (II).
(рис. 517), —всё это создаёт красивую картину самых разнооб-
разных красок свечения, так как различные газы, стёкла и жид-
кости светятся различными цветами.
2) Установка трубок. Большие трубки имеют каждая-
особую деревянную подставку (рис. 527); маленькие трубочки-
приходится укреплять в штативе, зажимая в держатель. Сущест-
вуют специальные стойки, где смена трубок производится быстро-
(рис. 518). Неудобством металлических штативов является про-
скакивание искры помимо трубки через металлические части; по-
этому гораздо целесообразнее применять штативы из изоляторов^
(например, из стекла, дерева, эбонита). Слабое место всех ваку-
умных трубок представляют
металлические колпачки, на-
клеенные на концы трубок, где
электроды выходят из трубок
наружу; неосторожное обраще-
ние с таким колпачком, когда
к нему прикрепляются наруж-
ные провода, может повлечь
отрыв колпачка, часто вместе
с выступающим наружу кончи-
ком электрода; в таком случае
трубка может выбыть из строя.
Поэтому с колпачками и с
присоединением к ним прово-
дов надо быть осторожным.
3) Движение проводника с
током в магнитном поле можно
показать при помощи трубки
с разреженным воздухом; в данном случае таким проводником
служит лента положительного свечения в трубке. Трубке при-
даётся особая форма, чтобы трубку можно было- надеть на сталь-
ной цилиндрический стержень (рис. 519,1). Стержень является
постоянным магнитом.
Для получения более сильного магнитного поля стержень у
прибора делают просто железным; в таком случае нижняя поло-
вина стержня помещается внутри катушки, по которой можно
пропускать (постоянный) ток (рис. 519,11), или весь прибор
(рис. 519,1) ставят на полюс сильного электромагнита.
При работе трубки светящая лента положительного свечения
между верхним и нижним (кольцевым) электродами является как.
бы лёгким подвижным проводником, по которому идёт электриче-
ский ток, и потому вращается вокруг магнитного стержня в ту или
другую сторону, в зависимости от направления тока в трубке и от
расположения полюсов в стержне.
4) Прерывистость свечения Гейслеровой трубки можно наблю-
дать, если её поместить на особый станочек, который можно при-
вести в быстрое вращение. С этой целью полезно сделать специе-
345
Ё’ис. 520. Станочек для
вращения Гейслеровой
трубки.
альное приспособление для вращения Гейслоровых трубок, приво-
димое в движение при помощи центробежной машины. Главное
затруднение заключается в подводке тока к полюсам вращаемой
трубки. На коническом стержне, зажимаемом в муфте центробеж-
ной машины (см. т. II), наглухо или при помощи винта с гайкой
(см. рис. 498) укрепляется планка (например, из фанеры) с рас-
ширением по середине и с двумя ползунками, закрепляемыми за-
жимными винтами. Ползунки можно сделать из кусков дерева,
продолбив отверстие для надевания на планку (рис. 520), или из
жести, применяя пайку. К ползункам приделываются (привинчи-
ваются или припаиваются) электроды из жести для укрепления
трубки. Каждый электрод должен быть двойной; одна его пла-
стинка (внутренняя) имеет отверстие
(диаметром около 6 мм), в него
вставляется конец трубки; вторая
(наружная) служит упором и вместе
с тем осуществляет контакт с элект-
родом трубки. Один подвижной
электрод соединяют проволочкой с
металлической шайбочкой, припаян-
ной к коническому стержню или
подложенной под гайку, закрепляю-
щую этот стержень во вращаемом
приспособлении. Таким путём через
ось и через весь остов центробежной
машины один электрод трубки сое-
диняется с одним из полюсов источ-
соединяется с металлической поло-
изоляторе устанавливается недалеко
своим свободным концом всё время
касается металлического (жестяного) кольца, концентрично при-
креплённого к вращающейся планке (рис. 520).
Так как все металлические части центробежной машины при
описываемом опыте находятся под высоким напряжением, буду-
чи соединены с одним полюсом вторичной обмотки индуктора, то
надо вращать машину за ручку из диэлектрика и не касаться
металлических частей. Всего лучше, конечно, взять электрический
моторчик и всё приспособление надеть на ось мотора (см.
рис. 498),
При вращении трубка не сливается в сплошной светящий круг,
как это было бы при непрерывном свечении, а видна в виде ряда
отдельных положений; число их и перемещение в ту или иную сто-
рону или остановка на месте зависят от соотношения между ско-
ростью вращения и периодичностью свечения.
5) Спектры газов. Наблюдая свечение Гейслеровой трубки в
спектроскоп, мы увидим спектр того газа, которым наполнена
трубка. Чтобы получить более яркое свечение, среднюю часть
трубки делают более узкой (рис. 521 и 522). Трубки такой формы
ника тока. Другой полюс
ской—-щёткой, которая на
от оси вращения прибора и
346
назвали Плюккеровыми. Станочек специально для этих трубок
изображён на рисунке 518.
В продаже существуют Плюккеровы трубки с газами: О2, Н.2,
Na, СО, СОа, Нс, Ne, Ar, С12, Н2О, NO, воздух и др. Наиболее от-
чётливые спектры дают Н2, NO и Н2О. Необходимо показать уча-
щимся спектр Н2.
Для наблюдения спектров газов неона и гелия можно приме-
нить неоновую лампу. Далее, можно взять газосветные трубки,
применяемые для рекламы,
3. Практические применения свечения газов. 1) Газосветная труб-
ка. 2) Трансформатор для питания трубки. 3) Люминесцентная лампа.
•1) Кнопка. 5) Дроссель. 6) Источник тока.
1) Самым распространённым являет- ______
ся применение газосветных тру- ав“—
бок, используемых в целях световой
рекламы и разных световых украшений и
эффектов. Трубкам придают самую разно-
образную форму; для надписей делают
трубки в виде букв. Такие трубки рабо-
тают как трубки низкого вакуума (дав-
ление около 10 мм ртутного столба),
используя положительное свечение, и на-
полняются различными разрежёнными
газами — неоном (красный свет), смесью
Рис. 521 и 522.
Трубки Плюккера
для наблюдения
спектра газа.
аргона или неона и паров ртути (голубой и синий). У газо-
светных трубок обычно оба конца загнуты под прямым углом
и на этих концах внутрь трубок входят проволоки, которые
внутри соединены с железными цилиндрическими электродами;
снаружи проволоки заканчиваются клеммами в виде колпачков,
укреплённых на концах трубок (рис. 523).
Рис. 523. Электроды газосветной трубки.
В зависимости от длины и сечения трубки требуют для работы
определённого напряжения, примерно от 500 в до 1000 в на каж-
дую трубку длиной в 1 м; для длинной рекламы несколько трубок
соединяются последовательно. На практике для приведения тру-
бок в действие применяют переменный ток и специальные транс-
форматоры, однофазные с масляным охлаждением, дающие во
вторичной обмотке напряжение до 7000 в и до 11 000 в; в случае
надобности берут несколько трансформаторов и их вторичные об-
мотки соединяют последовательно (при параллельном соединении
первичных обмоток).' В школьной практике удобно воспользо-
ваться индуктором; если он достаточно мощен (искра до 10 см),
то можно через первичную обмотку пропустить обычный перемен-
ный ток (120 в) без прерывателя.
347
2) Фотолюминесцентные газосветные лампы.
В этих лампах используется свойство некоторых твёрдых тел, на-
зываемых люминофорами (светоносители), светиться под дейст-
вием падающих на них ультрафиолетовых лучей. Источником
Рис. 524. Фотолюминесцентная лампа.
этих лучей служит свечение,
даваемое парами ртути при
низком давлении (около
10~2 мм Ир) и при невысо-
кой температуре (около
40°С). Таким образом, в сво-
ей основе люминесцентные лампы являются ртутными, содержа-
щими, кроме паров ртути, инертный разрежённый газ (аргон или
неон), вводимый в целях облегчения зажигания лампы.
Лампа представляет собой стеклянную цилиндрическую труб-
ку, диаметр которой значительно (примерно в 20—30 раз)
меньше длины (рис. 524). С обоих концов трубки входят по два
провода, подводящих ток к электродам лампы, состоящим из спи-
рального вольфрамового волоска, покрытого оксидами. Процесс
зажигания лампы начинается с включения в осветительную сеть
(напряжение 120—220 в) электродов лампы на 2—3 сек,, после
чего ток через элект-
роды должен быть
выключен. При выклю-
чении тока возникает
само индуктивный ток
(экстраток), создавае-
мый благодаря наличию
дросселя D (ряс. 525),
включённого в цепь по-
следовательно с лам-
пой. Предварительный
накал электродов по-
зволяет пользоваться
для зажигания лампы
обычным низким напря-
жением городской сети.
Рис. 525. Схемы вклю-
чения фотолюминесцепт-
ной лампы.
Замыкание и размыкание тока, накаливающего электроды,
всего проще, но практически не совсем удобно можно выполнять
при помощи ключа или кнопки К (рис. 525,1). Гораздо лучше
применять автоматическое приспособление, называемое старте-
ром L (рис. 525, II). Стартером чаще всего служит небольшая лам-
почка L, в которой при включении тока возникает газовый разряд,
нагревающий биметаллическую пластинку (рис. 526). При изгибе
от нагревания пластинка замыкает ток. После загорания лампы и
включения в цепь дросселя D напряжение в лампочке L пони-
жается и разряд через неё прекращается. Электроды, хотя ток на-
кала выключен, продолжают оставаться нагретыми за счёт энер-
гии ртутного разряда. •
348
Внутренняя поверхность трубки у люминесцентной лампы по-
крыта тонким слоем порошка, состоящего из нескольких люми-
нофоров. Каждый из них под действием ультрафиолетового излу-
чения паров ртути светится каким-нибудь одним, свойственным
ему цветом, но смесь люминофоров подбирают так, чтобы общее
их суммарное свечение было по возможности близко к составу
дневного солнечного света. В этом
заключается главное достоинство та-
ких ламп, называемых лампами
дневного света. Благодаря „этому
свойству оказалось возможным при-
менять искусственное освещение там,
где по той или иной причине необ-
ходим дневной свет, например в кар-
тинных галереях (Эрмитаж в Ленин-
граде, Третьяковская галерея в
Москве), в некоторых производ-
ствах, где имеют дело с красками
и т. д. Так как светится ровно вся
поверхность лампы, то получается
рассеянный свет, не создающий те-
ней. Люминесцентные лампы пример-
но вдвое экономнее обычных ламп
накаливания.
Люминесцентные лампы являются
Рис. 527. Сравнение формы
свечения в Гейслеровой (I) и
в Круксовой (II) трубках.
наиболее совершенными современ-
ными источниками освещения. Производство этих ламп в Совет-
ском Союзе обязано исследованиям и работам акад. С. И. В а в и-
л о в а и проф. В. А. Фабриканта.
Лампы выпускаются различных размеров (длина от 22 см до
1,5 м) и разной мощности (от 6 вт до 100 вт). Световая отдача
около 40 люмен на ватт.
Недостатком ламп, не считая необходимости иметь автомат
для зажигания и дроссель, является требование иметь опреде-
лённую температуру внутри лампы, как было уже указано. По-
этому лампы нельзя применять в холодных помещениях.
§ 43. Катодные и анодные лучи
1) Катодные трубки. 2) Индуктор (для большинства трубок с искрой не
менее 10—12 см). 3) Источник тока. 4) Подковообразный магнит. 5) Шаблон
правила левой руки. 6) Электрофорная машина. 7) Демонстрационный галь-
ванометр. 8) Аккумулятор или гальванический элемент. 9) Ключ. 10) Реостат
на 1000 ом или сопротивление в 1—2 мегома. 11) Провода.
1. Прямолинейное распространение катодных лучей. Две
трубки (рис. 527): одна (левая) с низким вакуумом и вторая
(правая) со средним вакуумом (часто называемая Круксовой),
показывают, что положительное свечение изгибается в зависимо-
349
сти от расположения анода и катода, тогда как катодные лучи
идут от катода по прямым линиям, перпендикулярным к поверх-
ности катода, независимо от положения анода; в случае катода
вогнутой формы катодные лучи сходятся в одной точке — в гео-
метрическом центре шаровой поверхности катода и дальше дают
свечение стекла в месте, диаметрально противоположном катоду.
Трубка (рис. 528), состоящая из двух колен, образующих ост-
рый угол между собой, имеет катод внизу и два анода наверху.
Катодные лучи пойдут вдоль того колена, ось которого перпенди-
кулярна к плоскости катода, неза-
висимо от положения анода на
конце того или другого колена.
2. Свечение тел под действием
катодных лучей. Чтобы наблюдать
свечение под
электронов, на
чей помешают
лы, предметы
действием ударов
пути катодных лу-
различные минера-
различной формы
деи-
Рис. 528. Прямолиней-
ное распространение ка-
тодных лучей.
Рис. 529.
Трубка с минералами,
светящимися под
ствием катодных лучей
(прибор школьного типа).
Рис. 530, Свечение минералов и солей
металлов под действием катодных лучей.
из металла (бабочки, листья, цветы, жучки и т. д.), по-
крытые разными солями. Все эти тела под действием катодных
лучей светятся яркими и весьма разнообразными оттенками
(рис. 529—530). Многие вещества продолжают светиться после
прекращения действия лучей. *
350
3. Нагревание тел под действием катодных лучей. Если катод-
ные лучи при помощи вогнутого катода собрать на металличе-
ской (платиновой) пластинке (рис. 531), то она очень быстро, на-
каливается докрасна и даже добела. Если её долго держать под
действием лучей, то пластинка прогорает и в ней появляется ды-
рочка; поэтому трубка с такой пластинкой не должна долго ра-
ботать без перерыва. В Рентгеновых трубках (см. § 44, 4) при
длительной работе антикатод накаливается докрасна. В радио-
лампах аноды сильно нагреваются под ударами электронов. Это
Рис. 533. Вращение и катание
мельнички под действием ка-
тодных лучей.
Рис. 531. Нака-
ливание металли-
ческой пластинки
под действием ка-
тодных лучей.
Рис. 532. Враще-
ние крылышек под
действием катод-
ных лучей.
особенно заметно в мощных или в генераторных лампах, где ано-
ды охлаждаются или радиаторами или проточной водой. Накал
анода можно показать па мощной (выходной) лампе, если на
неё дать повышенное анодное напряжение, но после такого экспе-
римента лампа не может работать попрежнему нормально.
4. Движение тел под ударами электронов. На пути катодных
лучей помещают в трубках (рис. 532—533) лёгкие подвижные те-
ла, например крылышки из тонких листиков слюды. Под действием
лучей такие крылышки приходят во вращение (рис. 532); направ-
ление вращения зависит от наклона крыльев. Если па пути лучей
поместить подвижное колёсико с крылышками (мельницу —
рис; 533, верхний) так, чтобы катодные лучи падали лишь на
верхние крылышки, то вместе с вращением крыльев вся мельница»
351
Г'
Рис. 534. Получение тени от металли-
ческой пластинки при освещении катод-
ными лучами. Фотоснимок с трубки
школьного тина.
вследствие вращения своей оси, опирающейся на горизонтальные
стерженьки, будет перемещаться в ту или другую сторону в зави-
симости от направления вращения; меняя направление тока в
трубке (для быстроты полезно взять коммутатор — см. рис. 66),
мы будем менять направление вращения и потому направление
•перемещения мельницы; так можно заставить её перебегать из
одного конца трубки в другой
и обратно; трубка требует
мощного потока электронов и
потому солидного индуктора
(длина искры не менее 10—
15 см). Мельница при ката-
нии должна встречать наи-
меньшее сопротивление; по-
этому трубку надо устано-
вить так, чтобы ось мельницы
и стерженьки, по которым ка-
тается эта ось, были располо-
жены горизонтально.
Иногда мельницу' с за-
креплённой осью помещают
на одном уровне с катодом
(рис. 533, нижний); в таком
случае катодные лучи па-
дают как на верхние, так и
на нижние крылья, поэтому
вся мельница в целом вра-
щаться не будет; если же те-
перь с помощью магнита от-
клонить лучи так, чтобы они
упали, или только на верх-
ние, или только на нижние
крылья, то мельница придёт
во вращение в ту или дру-
гую сторону.
Вращение мельницы в
трубке объясняется ударами электронов о ту сторону крылы-
шек, на которую лучи падают.
5. Получение тени при помощи катодных лучей. Если на пути
катодных лучей поместить металлическую пластинку (только не
очень тонкую), например алюминиевую звезду, то лучи через
неё не пройдут (рис. 534), и потому на стекле, светящемся под
действием катодных лучей, будет видна тёмная тень того тела,
которое стоит на пути лучей.
Вследствие прямолинейного распространения лучей тень бу-
дет соответствовать форме тела.
Если после продолжительной работы трубки убрать звезду
(дать ей упасть, встряхнув трубку), то на месте тени стекло будет
352
светиться ярче, чем в окружающих местах; это явление объяс-
няется «усталостью» стекла в тех местах, где оно перед этим дол-
гое время светилось, и его «свежестью» там, где была тень. Более
слабое свечение стекла, предварительно подвергавшегося действию
катодных лучей, отчасти объясняется появлением на стекле от-
рицательного заряда, принесённого сюда электронами. Этот за-
ряд, отталкивая подлетающие электроны, уменьшает их скорость,
с какой они ударяют в стекло, и тем самым ослабляет свечение.
6. Отклонение катодных лучей в магнитном поле. Катодные
лучи пропускаются через горизонтальную щель, - помещённую
внутри трубки (рис. 535); полученный пучок лучей направляет-
Рис. 535. Отклонение катодных лу-
чей в магнитном поле по правилу
левой руки.
Рис. 536. Шаблон.4
ся под небольшим углом на вертикальный экран, помещённый
внутри трубки; экран покрывается веществом (обычно сернистым
кадмием), флюоресцирующим под действием катодных лучей.
При работе трубки па экране видна светлая горизонтальная
прямая узкая полоска. Если к трубке поднести (сверху) подково-
образный магнит так, чтобы силовая линия, соединяющая полю-
сы, была перпендикулярна к длине трубки, то полоска на экране
загибается книзу или кверху, в зависимости от расположения по-
люсов магнита. Отклонение катодных лучей в магнитном поле
подчиняется тому же правилу левой руки, как и движение про-
водника с током в магнитном поле. Для применения этого прави-
ла в данном случае необходимо иметь (картонный или из фане-
ры) шаблон (рис. 536), изображающий применение правила левой
руки (§ 9, 5). При этом не надо забывать, что направление тока,
упоминаемое в этом правиле, и направление катодных лучей про-
тивоположны друг другу.
Отклонение катодных лучей в магнитном поле можно пока-
зать при помощи трубки со звездой (рис. 534), смещая тень маг-
нитом в ту или иную сторону.
23 Физический эксперимент в школе 353
Опыт с отклонением катодных лучей в магнитном поле (как
постоянном, так и особенно переменном) весьма удобно наблю-
дать при помощи старинной трубки (рис. 537), известной в ин-
вентаре физических кабинетов под названием трубки Брауна. Эта
трубка имеет то историческое значение, что является прообразом
современного катодного осциллоскопа (рис. 539) и телевизионной
трубки. Электрод на конце трубки соединяют с отрицательным
Рис. 537. Трубка Брауна.
Рис. 538. Отклонение катодных .ту-
чей в переменном магнитном поле.
полюсом вторичной обмотки индуктора, дающего искру не короче
10—12 см (более слабый не годится); второй (боковой) электрод
присоединяют к положительному полюсу. В трубке катодные лу-
чи пропускаются через небольшое круглое отверстие (изображено
на.ч трубкой) так, что полу-
чается очень узкий прямоли-
нейный пучок катодных лу-
чей; этот пучок на круглом
прозрачном (из слюды) эк-
ране (покрытом сернистым
кадмием, флюоресцирующим
под действием катодных лу-
чей) даёт небольшое светлое
пятнышко. При отклонении
катодных лучей магнитом это
пятнышко чётко и ясно сме-
щается в определённую сто- '
рону.
Если около трубки поме-
стить проволочную катушку
и по ней пропустить пере-
менный ток, то пятнышко на
экране, колеблясь в такт с
током, начертит прямую по-
лоску. Помещая две катушки под прямым углом друг к другу
(рис. 538), мы на экране получим сложение двух взаимно пер-
пендикулярных колебаний; пятнышко будет описывать при двух
одинаковых периодах прямую линию или эллипс (фигуры Лисса-
жу, т. II), в зависимости от разности фаз двух слагаемых коле-
баний. Наконец, можно взять три катушки, расположить их кру-
гом трубки под углами в 120° между собой и через эти катушки
пропустить три фазы трёхфазного тока.
На современной аппаратуре отклонение катодных лучей в
магнитном и электрическом полях можно видеть в электронно-
354
. лучевых трубках (рис. 539), применяемых для наблюдения элек-
трических колебаний (электронный осциллоскоп. I) и при приёме
телевизионных передач (кинескоп, II). Оба эти прибора — осцил-
лоскоп и телевизионная трубка — работают в сущности одинако-
во и отличаются лишь способом управления. В устройстве этих
приборов можно выделить четыре части: I) источник электронно-
го потока; 2) фокусировка и управление потоком; 3) отклонение
электронов в электрическом или магнитном поле и 4) флюоресци-
рующий экран.
Источником потока или пучка электронов в обоих приборах
служит подогревный катод. Он состоит из никелевого цилиндри-
Рис. 539. Электронно-лучевые трубки — с элек
тростатическим управлением, нли осциллоскоп (I),
и с электромагнитным управлением, или телеви-
зионная трубка (II).
ка с донышком на одном конце (рис. 539). Внутри цилиндрика
помещается спиральная проволока (нить накала, рис. 539), на-
каливаемая током'и нагревающая цилиндрик, особенно его до-
нышко. Накалённое донышко с наружной своей поверхности ис-
пускает поток электронов (термо-электронная эмиссия). Для уси-
ления эмиссии поверхность донышка покрывается оксидным
слоем.
Электронный пучок должен дать на экране светящееся пят-
нышко возможно меньшего размера, что особенно важно для те-
левидения. Недостаточно пропустить пучок сквозь узкое отвер-
стие в диафрагме. Пучок летящих электронов всегда стремится к
рассеянию вследствие сил взаимного отталкивания и вследствие
встреч с молекулами газа. Поэтому необходимо принимать, спе-
23*
355
циальные меры для. сужения катодного пучка, или для его фо- •
кусировки. Прежде всего с этой целью катод помещают внутри
металлического цилиндра (цилиндр Венсльта), заряжённого
отрицательно, т. е. одноимённо, с летящими электронами. Оттал-
кивая электроны от стенок к оси, цилиндр заставляет элек-
троны концентрироваться вдоль оси цилиндра в возможно
более узкий пучок, который выходит через отверстие в дне цилин-
дра. Этот цилиндр получил название управляющего электрода,
так как, меняя отрицательное напряжение на нём, можно изме-
нять количество летящих электронов, а следовательно, и яркость
светящегося пятнышка па экране.
Дальнейшее приспособление для фокусировки бывает двух ти-
пов. В катодных осциллоскопах применяется электростатическая
фокусировка. Она выполняется при помощи двух или трёх ано-
дов в виде цилиндров с одной или несколькими диафрагмами,
причём диаметр последнего анода больше предыдущих. Эти
аноды, с одной стороны, увеличивают скорость летящих элект-
ронов, что ослабляет рассеяние пучка, с другой — придают
электронным орбитам определённую форму. Аноды создают не-
однородные электрические поля, в которых изогнутые эквипотен-
циальные поверхности обращены выпуклостью частично к като-
ду, частично — в противоположную сторону. В первом случае
пути электронов собираются, во втором — рассеиваются, так как
электроны стремятся лететь по путям, перпендикулярным к экви-
потенциальным поверхностям. Суммарное действие анодов сво-
дится как бы к действию двух собирательных электростатиче-
ских линз (коротко- и длиннофокусной), 'которые заставляют
весь пучок электронов сойтись на экране в виде небольшого пят-
нышка. Регулируя величину напряжения на анодах, можно
сконцентрировать пучок электронов как раз на экране.
В телевизионных трубках (рис. 539, II) оставляют один анод,
а далее помещают кольцеобразную короткую катушку, ок-
ружающую трубку снаружи непосредственно у её поверхности.
По катушке пропускается постоянный ток, проходящий кольцевой
путь вокруг потока электронов. Создаваемое током магнитное по-
ле, закручивая электронные траектории вокруг силовой линии,
совпадающей с осью трубки, собирает катодный пучок в одну точ-
ку на экране.
Чтобы электронно-лучевая трубка работала согласно своему
назначению, необходимо заставить светящееся пятнышко па эк-
ране колебаться по двум взаимно перпендикулярным направле-
ниям. Для этой цели используется явление отклонения электро-
нов или в электрическом поле (в осциллоскопах), или в магнит-
нохМ (в кинескопах).
В первом случае на пути летящих от катода электронов поме-
щают два конденсатора (рис. 539, I), получающие перемен-
ные напряжения. У одного из них пластины расположены верти-
356
кально, Под действием такого конденсатора пятнышко на экране
растягивается (развёртывается) в горизонтальную.полоску. Пла-
стины второго конденсатора направлены горизонтально и потому
развёртывают пятнышко на экране в вертикальную полоску.
Такой же результат достигается в кинескопах при посредстве
двух пар соединённых последовательно катушек, размещённых в
двух взаимно перпендикулярных плоскостях (рис. 539, II) —вер-
тикальной и горизонтальной. Через катушки пропускается пере-
менные токи, создаваемые переменными э. д. с.
Под ударами электронов об экран с его поверхности вылетают
(вторичные) электроны, которые или движутся навстречу основ-
ному электронному потоку, пли оседают на стенках трубки.
В обоих случаях нарушается или искажается фокусировка. Для
Рис. 540. Отклонение катодных лучей в электри-
ческом поле.
предохранения от этого внутреннюю поверхность трубки покры-
вают проводящим слоем (металла или графита), заряжаемого
положительно. •
Расширенный конец электронно-лучевой трубки покрывают
внутри слоем вещества, светящегося под ударами электронов и
образующего «экран». В осциллоскопах применяется искусствен-
ный виллимит (Zn2 SiO4), дающий зелёное свечение, к которому
глаз наиболее чувствителен. В осциллографах, где непосредст-
венно сзади экрана помешают фотоплёнку и потому нужно си-
нее или сине-фиолетовое свечение, экран состоит из вольфрамово-
кислого кальция (шеелит, CaWO4) или сернистого цинка (ZnS),
активированного серебром. В телевизионных трубках предпочи-
тают белое свечение, для чего берут смесь двух веществ, создаю-
щих при своём свечении дополнительные цвета.
7. Отклонение катодных лучей в электрическом поле. Для это-
го опыта необходимо иметь специальную трубку (рис. 540), у ко-
торой плоский конденсатор помещён внутри трубки, и от него про-
вода выведены наружу, или катодный осциллоскоп (рис. 539).
Трубки этого типа одинаково пригодны для наблюдения отклоне-
ния как в электрическом поле, так и в магнитном. Такая трубка
(с одним конденсатором) имеет четыре электрода (рис. 540).
Электрод, находящийся на конце трубки (противоположном эк-
рану), соединяется с отрицательным полюсом (катодом) индук-
тория (с искрой не менее 10—12 см); второй соседний (боковой)
электрод, сое,чинённый внутри трубки с диафрагмой, приключают
к аноду индуктория. Два остальных электрода, ведущих внутри
трубки к пластинам конденсатора, надо соединить с полюсами.
357
Рис. 541. Трубка
Вина.
источника постоянного тока. Ввиду довольно близкого расстояния
между пластинами конденсатора для отклонения электронов до-
статочно довольно низкое напряжение, например от динамо или
анодной батареи на 1-00 в.
При заряде конденсатора пучок катодных лучей отталкивает-
ся от пластины, заряженной отрицательно, и загибается в сторону
пластины, заряженной положительно (рис. 540): это явление до-
казывает наличие отрицательного заряда у частиц, образующих
поток катодных лучей.
Это же самое обстоятельство можно подтвердить при помощи
трубки Вина (рис. 541). Трубка имеет четыре электрода, из кото-
рых один представляет собой перегородку
внутри трубки, снабжённую рядом небольших
отверстий (перегородка изображена рядом с
трубкой).
Для опыта нужен не очень чувствительный
гальванометр (например, так называемый де-
монстрационный), который бы мог показывать
не только появление тока, но и его направле-
ние; другими словами, стрелка гальванометра
должна иметь возможность отклоняться в обе
стороны от положения равновесия. Прежде
всего необходимо «а глазах учащихся опреде-
лить знаки зажимов гальванометра при.откло-
нении стрелки в ту и другую сторону. Для
этого берут гальванометр, аккумулятор (или
элемент), ключ и реостат (самое меньшее на
1000 ом, ещё лучше взять сопротивления в
1—2 мегома) и составляют цепь по схеме I
(рис. 542). Замыкая ключ на одно мгновенье,
устанавливают искомые знаки зажимов и ре-
зультат записывают на доске, хотя бы в такой
гальванометра отклоняется в сторону отрица-
нии на р.ис. 542).
Затем из трубки Вина, гальванометра и индуктория состав-
ляется пепь по схеме II (рис. 542). В таком случае через перегород-
ку в трубке проходят катодные лучи, и потому в левой половине
трубки между двумя электродами, соединёнными с клеммами
гальванометра, будет нестись поток отрицательно заряженных
частиц (на рисунке справа палево); это равнозначно существо-
ванию электрического тока, имеющего противоположное направ-
ление (т. е. слева направо); этот ток и будет обнаружен гальва-
нометром. При этом не надо забывать, что трубка Вина в данном
опыте играет роль источника тока, а внутри источника ток идёт от
минуса к плюсу.
В трубке Перрена (рис. 543) на пути катодных лучей поме-
щён «цилиндр Фарадея», окружённый цилиндрическим анодом.
От цилиндра Фарадея выходит наружу трубки провод, соединяе-
форме: «Стрелке!
тельной клеммы»
358
мый с электроскопом. Оправа электроскопа соединяется с землёй.
При попадании катодных лучей в цилиндр Фарадея электроскоп
заряжается отрицательно.
8. Замечание. В школьных физических кабинетах зачастую
имеется только одна катодная трубка, именно специально пред-
назначенная для наблюдения отклонения катодных лучей в маг-
нитном поле (рис. 535). При таких условиях преподаватель при-
Рис. 542. Схемы опытов с трубкой Вина для обнаружения
знака заряда у катодных и у анодных лучей.
Рис. 543. Трубка Перрена.
нуждён все свойства катодных лучей показывать при помощи
только этой одной трубки. Конечно, все свойства катодных лучен
таким способом показать нельзя, но многое можно разъяснить.
Прямолинейность лучей и перпендикулярность к поверхности
катода видны потому, что лучи, пройдя сквозь щель, дают на эк-
ране прямолинейную полоску одинаковой ширины по всей длине.
Получение светлой полоски одновременно знаменует образование
тени по обе стороны полоски. Свечение тел' под действием катод-
ных лучей явно обнаруживается свечением экрана. Об отношении
35я
лучей в магнитном поле см. опыт б. Дальнейшие свойства (опы-
ты 3, 4 и 7), конечно, показать не удастся. Нагревание тел катод-
ными лучами обычно возможно показать на работе Рентгеновой
трубки, где антикатод накаливается при продолжительном её
действии.
9. Возникновение вторичных лучей под действием катодных.
Такими вторичными лучами являются главным образом Рентге-
новы лучи. Об этих лучах см. § 45.
10. Анодные лучи. 1) Трубки для анодных лучей. 2) Трубка Вина.
3) Демонстрационный гальванометр. 4) Индуктор. 5) Подковообразный маг-
нит. 6) Провода.
Трубка, применяемая для
демонстрации анодных лу-
чей, в виде двух сообщаю-
щихся трубок (рис,544), со-
держит в начале одной из
них катод в виде решётки, а
в конце другой — анод. Ча-
стицы, летящие от анода по
направлению к катоду, про-
летают через щели катода и
образуют в пространстве за
катодом поток анодных, или
Рис. 544. Трубка для наблюдения аиод- каналовых, лучей (т. е. про-
ных лучей. ходящих через каналы в ка-
тоде). Так как анодные лучи
представляют собой поток положительно заряженных ионов газа,
наполняющего трубку, то цвет свечения этих частиц зависит от
природы газа. Так как лучи эти проходят через ряд щелей (изо-
бражены над трубкой), то лучи видны в виде нескольких отдель-
ных полос.
Проба отклонить анодные лучи магнитом успеха иметь не бу-
дет, так как частицы этих лучей, как ионы газов, слишком мас-
сивны, чтобы их могло отклонить поле обычного стального ма-
гнита.
Чтобы обнаружить положительный заряд анодных лучей, берут
трубку Вина (рис. 541), гальванометр и индуктор, составляют
цепь по схеме III (рис. 542), аналогичную схеме И для катодных
лучей. Отклонение стрелки гальванометра обнаружит в левой по-
ловине трубки В появление тока, направленного по движению
анодных лучей (па рисунке справа налево). Это совпадение двух
таких направлений и служит доказательством того, что анодные
лучи образованы потоком положительно заряженных частиц.
§ 44. Рентгеновы трубки
1. Принцип действия Рентгеновых трубок заключается в том,
что поток электронов, летящих с большой скоростью от катода К
360
(рис. 545), попадает на металлическую поверхности, антикатода В
и вызывает образование Рентгеновых лучей, распространяющихся
от антикатода во все стороны.
Наибольшей интенсивностью обладает луч N, нормальный к
поверхности антикатода, однако этот луч более толстым местом
стеклянной стенки ослабляется сильнее, нежели луч Н; поэтому
луч Н называют главным, центральным, основным направле-
нием Рентгеновых лучей; этим направлением пользуются при
практическом применении лучей, и по этой прямой Н надо на-
правлять лучи на просвечиваемый пред-
мет; это направление образует прямой
угол с осью трубки (линия катод —
анод на рис. 545) и потому наклонено
под углом 45° к плоскости антикатода
(см. стрелку Н на рисунке 545), Слу-
чайно в трубке главное направление
может оказаться несколько смещён-
ным; его можно найти по наиболее яр-
кому свечению экрана (см. § 45, 2).
По характеру электрического разряда
трубки делятся на две группы.
2. Ионные трубки. К первой группе
относятся трубки с разрежённым га-
зом, ионные (рис. 545, 549); в этих
трубках давление воздуха доведено до
10-2—10-3 мм ртутного столба (сред-
Рис. 545. Рентгенова
трубка школьного типа.
ний вакуум).
Источником катодных лучей является самостоятельный раз-
ряд в газе внутри трубки, при Этом катод остаётся холодным.
3. Электронные трубки. В трубках второй группы источником
электронов служит накалённый катод, нагреваемый током
(рис. 546). Трубки этой группы называются электронными и
обезгажеппыми; давление в них не превышает Ю~3—10-8 мм
ртутного столба (высокий вакуум); при таком давлении газ в
трубке является изолятором. Так как поток электронов идёт
лишь от накалённого катода, то такие трубки не могут пропус-
кать тока иного направления, т. е. они являются односторонними,
вентильными или выпрямителями и потому допускают примене-
ние переменного тока для их питания.
Трубки второй группы, названные при их появлении трубка-
ми Кулидж!, являются исторически более поздними и более со-
вершенными. В последнее время шарообразную форму заменили
цилиндрической с небольшим расширением по середине (рис. 547.
верхний), что позволило окружать трубку сплошной (кроме око-
шечка для выхода лучей) металлической защитой (рис. 547, ниж-
ний). Различие в устройстве катода в двух типах трубок изобра-
жено на рисунке 548.
Катод в электронной трубке представляет собой накалнвае-
361
«ую током проволочку, свитую в виде спиральки подобно воло-
ску электролампы. Эта проволочка укрепляется или в форме пря-
мой линии, или в форме спирали.
4. Охлаждение. Так как катодные лучи сильно нагревают те-
ла, на которые падают, то в Рентгеновых трубках (особенно в
больших и при длительной работе) антикатод накаливается и
требует непрерывного охлаждения. На нагревание антикатода
уходит большая часть всей энергии, так что коэффициент полез-
Рис. 546, Трубка Кулиджа.
ного действия Рентгеновой трубки достигает всего 0,1%.
Применяются три способа охлаждения: 1) антикатод прикре-
пляется к толстому медному стержню, который на наружном кон-
це (вне трубки) снабжён ребристым радиатором для охлаждения
(рис. 549), 2) антикатод соприкасается с водой, налитой в сосуд,
вделанный в трубку (рис. 547,нижний); 3) антикатод охлаждает-
Рпс. 517. Новейшие модели Рентгеновых трубок.
Верхняя заключена в металлический футляр с одним
окошечком.
ся проточной водой, при этом, особенно в случае применения
очень высокого напряжения, пользоваться непосредственно водой
из водопровода можно только при условии, если анод трубки за-
землён. Если такого заземления нет, то необходимо иметь особый
резервуар с водой или, что встречается чаще, с маслом, изолиро-
ванно подвешенный около трубки, и насос, создающий проточный
ток жидкости.
5. Расположение электродов. В трубках Кулиджа обычно ка-
тод и анод расположены вдоль общей оси трубки (рис. 546 и 547);
362
антикатод совмещён с анодом. В ионных трубках имеются три
электрода: катод, антикатод и анод; располагают их двояко: или
вдоль оси трубки помещены катод и анод, а антикатод — под уг-
лом 45° к этой оси (рис. 545 и 549), или вдоль оси укреплены ка-
тод и антикатод, а анод — под углом 45° к ней. В ионных трубках
антикатод всегда снаружи соединяется проволокой с анодом.
6. Жёсткие и мягкие трубки. От степени разрежения (вакуу-
ма) в ионной Рентгеновой трубке зависят величина напряжения,
необходимого для питания трубки, и свойства Рентгеновых лучей,
Рис. 548, Катод (слева) и антика-
тод (справа) в ионной (I) и в элек-
тронной (II) Рентгеновых трубках.
Рис. 549. Ионная Рентгенова трубка
с радиаторным охлаждением и реге-
нерацией при помощи вещества,
выделяющего газ.
испускаемых трубкой. В соответствии с этим различают трубки
мягкие и жёсткие.
Мягкой называется трубка с относительно повышенным дав-
лением, работающая при более низком напряжении и дающая
мягкие Рентгеновы лучи; такие лучи обладают слабой проницае-
мостью и пригодны для просвечивания и съемки лишь тонких
предметов (например, рук); мягкие лучи сильно поглощаются те-
лами; если трубка чересчур мягка, она совсем не годится для ра-
боты. Трубка с высокой степенью разрежения называется жёст-
кой; она требует для своего действия высокого напряжения и даёт
жёсткие Рентгеновы лучи, обладающие сильной проницаемостью;
такие лучи не задерживаются телами и нужны для просвечивания
и съёмки толстых и твёрдых частей тела (например, черепа) и
для исследования внутреннего строения металлов; трубка с чрез-
мерно большой жёсткостью перестаёт пропускать ток и выходит
из строя.
В ионных трубках постоянно происходит распыление катода, а
также антикатода, особенно в те моменты, когда трубка включена
неправильно или проскакивает обратный ток и антикатод испол-
няет роль кауода.
С целью уменьшить распыление катод делают из алюминия
(мало распыляется); антикатоды делаются из тугоплавких метал-
лов — чаще всего вольфрама. При распылении частицы металлов
оседают на внутренней стенке трубки (давая чёрный или бурый
налёт). Этот налёт не надо смешивать с фиолетовой окраской той
363
половины трубки, через которую проходят Рентгеновы лучи; эта
окраска происходит от внутренних изменений в стекле и служит
признаком длительной правильной работы трубки.
Во время работы трубки при сильной нагрузке (т. е. под силь-
ным током), когда происходит значительное распыление электро-
дов и выделение адсорбированных электродами частиц газа, вну-
три трубки повышается давление и трубка становится мягкой; од-
Рис. 550. Регенерация при помощи уголь-
ного кружочка, выделяющего газ при искро-
вом разряде через отросток с этим кружоч-
ком.
ионной трубки вследствие её работы
личивается; напротив, чтобы вернуть
нако (по прекращении ра-
боты распылённые части-
цы оседают на стекле, при
этом забирают с собой
молекулы газа, имеющие-
ся внутри трубки, и тем
самым значительно повы-
шают степень разреже-
ния; в результате трубка
становится более жёсткой,
чем она была раньше, до
работы.
Таким образом, с тече-
нием времени у всякой
жёсткость сама собой уве-
жёсткость трубке к преж-
нему значению, необход imo прибегнуть к специальному приёму.
7. Регенерация. Чтобы ионную трубку из жёсткой сделать
мягкой, применяют регенерацию; так называют приём, при помо-
щи которого увеличивается содержание газа в трубке.
Способ регенерации, применяемый в школьных трубках, со-
стоит в том, что в особый отросток у трубки помещают вещество
(уголь, слюду, стекло особого сорта), которое при разряде и со-
провождающее.! его нагревании выделяет из себя поглощённый
газ. Для получения разряда отросток снабжается одним или дву-
мя электродами, которые можно приближать к наружным элек-
тродам трубки настолько, чтобы могла перескочить искра и мог
произойти разряд через регенератор. Такой вид регенерации изо-
бражён на рисунках 459 и (в большом масштабе) 550. На рисун-
ке 550 в отростке помещён небольшой диск из угля.
Трубки
Длина искры
в см
Жёсткие ...............I более 25
Средние................( 25—16
Мягкие.................! ! 5— 12
Весьма .мягкие.............. 11—6
8. Измерение жёсткости.
Жёсткость трубки можно оп-
ределить тремя способами.
Во-первых, это можно сде-
лать по длине той искры,
какую должен давать источ-
ник тока, приводящий труб-
ку в работу. Примерно мож-
но по длине искры разли-
чать следующие степени
жёсткости (для трубки обыч-
364
них размеров диаметром около 20 см), приведённые в таблице
на стр. 364.
Во-вторых, жёсткость трубки можно оценить по снимку, на-
пример руки, полученному при помощи этой трубки. При жёсткой
трубке снимок получается не контрастный; кости и ткани дают
одинаковый топ. При очень мягкой трубке кости не видны со-
всем, и снимок передаёт лишь одни контуры снимаемого предмета.
В-третьих, наиболее чёткое определение жёсткости достигается
при помощи специального прибора. Приборы эти различаются
деталями своего устройства и строятся по различным шкалам, но
принцип их действия один и тот же. В общих чертах прибор со-
стоит из свинцовой пластинки (толщиной в 2—3 мм и непрозрач-
ной для Рентгеновых лучей), имеющей несколько (6—9) неболь-
ших отверстий; отверстия закрыты металлическими (алюминие-
выми) пластинками различной, постепенно увеличивающейся,
толщины (примерно от 2 до 10 мм). Если вместо алюминия брать
серебро или медь, то толщина будет меньше. При прохождении
Рентгеновых лучей через измеритель жёсткости на экране часть
отверстий даёт светлые, постепенно более слабые пятнышки; чис-
ло их и показывает жёсткость по той шкале, по которой построен
прибор.
Для школьных целей такой измеритель жёсткости не лужен в
качестве измерительного прибора, но интересен как показатель
проникающего действия лучей; для такой цели прибор легко сде-
лать самим, произвольно подобрав толщину алюминиевых пла-
стинок и увеличивая её в арифметической прогрессии.
9. Типы трубок. По своему назначению Рентгеновы трубки де-
лятся на три группы: 1) медицинские трубки — диагностические,
для просвечивания и для съёмок, с острым резким фокусом ка-
тодных лучей на антикатоде; 2) медицинские — терапевтические,
для лечения, с тупым широким фокусом; 3) физические — для ис-
следования материалов и спектроскопии, дающие однородное
излучение, часто со сменным антикатодом (при каждой смене
трубка вновь откачивается), с малым расстоянием антикатода от
стенок.
В физических школьных кабинетах перечисленные типы тру-
бок встречаются крайне редко, в виде счастливых исключений.
Обычно в кабинетах имеются трубки четвёртого типа — специаль-
но для школьной практики — это самые простые (часто без реге-
нерации) ионные трубки (рис. 545) небольшого размера (диаметр
шара — тела трубки — от 8 до 15 см) с естественным охлажде-
нием (т. е. без всякого добавочного приспособления для охлажде-
ния). Достоинствами таких трубок являются их малый размер и
мягкость, позволяющие применять индукторы, сравнительно ма-
ломощные— длина искры 10—12 см.
Главучтехпром выпустил специально для школьных физиче-
ских кабинетов электронную трубку системы Кулиджа (рис. 551)
небольшого размера (длина 26 см, наибольший диаметр средней
365
Рис. 551. Школь-
ная электронная
Рентгенова трубка.
части трубки 6 см). Катод имеет форму плоской спиральки из
вольфрама, которая накаливается током до высокой температуры
(примерно около 2500°). Провода, подводящие ток к спи-
ральке, выведены наружу трубки и заканчива-
ются двумя металлическими клеммами, поме-
щёнными на карболитО'Вом (чёрном) цилиндри-
ческом цоколе, надетом на один из концов
трубки. Спиральный катод окружён металли-
ческим цилиндром, соединённым с одним из
концов спиральки; этот цилиндр имеет своей
целью сузить поток электронов, вылетающих
из накалённого катода, и направить этот поток
почти в одну точку на поверхности анода,
играющего ту же роль, что и антикатод в ион-
ной трубке (см. рис. 548), Указанное условие
создаёт почти точечный источник Рентгеновых
лучей и потому позволяет получать более
резкие границы изображений как при просве-
чивании, так и при фотографировании. В ион-
ных трубках указанное условие выполняет во-
гнутый катод.
Для накала спиральки катода нужен источ-
ник тока нс более 6 в (например, батарея
аккумуляторов или гальванических элементов,
низковольтный трансформатор). Весьма важно
подобрать на опыте накал катода, чтобы дан-
ная трубка работала наилучшим образом при пользовании
школьным индукторием. С этой целью перед каждой демонстра-
цией трубки Кулиджа необходимо предварительно составить
Рис. 552. Схема цепи для включения электронной трубки.
366
цепь по схеме рисунка 552. В эту цепь включаются источник
тока, трубка, реостат, выдерживающий ток силой нс менее
2 ампер, амперметр па 2 — 3 а, вольтметр до 6 — 8 в, изме-
ряющий напряжение на клеммах нити накала, и рубильник.
Трубка укрепляется па штативе, причём в лапку зажимается кар-
болитовый цоколь трубки; вместо металлического лучше приме-
нять деревянный штатив. Трубка, как всегда при её работе, за-
крывается прилагаемым к ней картонным чёрным футляром, ко-
торый вставляется в картонное кольцо, надетое на конец трубки
с карболитовым цоколем. Футляр нужен, чтобы свет от накалён-
ного катода нс мешал при наблюдении светящегося экрана.
Верхний металлический (никелированный) цоколь трубки и
одна из клемм нити накала соединяются с полюсами вторичной
обмотки индуктора, питаемого особым источником постоянного то-
ка с э. д. с. не более 6 в. Злаки полюсов вторичной обмотки не име-
ют значения, так как трубка пропускает чепез себя только ток
одного направления (от анода к нити накала). Однако, чтобы ис-
пользовать наиболее высокое напряжение, даваемое вторичной об-
моткой при размыкании первичной цепи, надо знать знаки полю-
сов вторичной обмотки в зависимости от положения ручки комму-
татора при определённом расположении полюсов источника тока.
Катод, т. е. нить накала, соединяют с отрицательным полюсом
вторичной обмотки, т. е. с тем, который при правильной работе
катушки (см. рис. 493) должен иметь диск искрового разрядника.
Пользуясь флюоресцирующим экраном, подбирают, переме-
щая движок реостата, напряжение (в пределах 4,5 — 5,5 в) и
силу тока (в пределах 1,5 — 1,8 а), при которых получается наи-
более яркое свечение экрана. Найденные значения напряжения и
силы тока записывают и стараются их осуществить при показе
трубки учащимся, при этом все прочие условия в цепи должны
сохраняться без изменения.
Хотя трубка системы Кулиджа специально предназначена для
питания от малого индуктория (длина искры 50 мм), однако
весьма малая мощность этого прибора оказывается недостаточной
для нормальной работы трубки. С другой стороны, второй тип
крупных индукториев, выпускаемых промышленностью,’именно с
длиной искры в 150 мм, по своей мощности слишком велик для
трубки системы Кулиджа и может погубить трубку. Наиболее
подходящим оказывается индуктор с длиной искры около 10 £М-,
такие катушки можно встретить в старинных физических кабине-
тах.
В современных установках, где применяются весьма высокие
гапряжения и достаточно мощные трансформаторы, создающие
эти напряжения, прикосновение к проводам, подводящим ток к
трубке, явлутется смертельным. Между тем эти провода доходят
до трубки, которая по необходимости находится вблизи обслу-
живающего и обслуживаемого персонала. Поэтому приходится
применять специальные меры для защиты от высокого напряже-
367
пия. К тому же необходимо направлять пучок Рентгеновых лучей
лишь по его назначению и не давать ему рассеиваться в стороны.
Всё это достигается помещением Рентгеновых трубок в солидные
особые футляры. В результате внешний вид трубки, заключённой
в футляре, приобретает своеобразный облик (рис. 553).
10. Генераторы для трубок. 1) Индуктор. Обычным источни-
ком для питания Рентгеновых трубок, особенно небольшого раз-
мера (школьный тип), служит индуктор. Первичная обмотка его
соединяется с источником постоянного тока небольшого напря-
жения (примерно 10—12 в); напряжение и сила тока не должны
превышать пределов, указанных фирмой. Разрядник (рис. 554)
устанавливается на длину
Большой индуктор
(длина иокры 15 см)
обычно применяется с
электролитическим пре-
рывателем и питается
переменным током; в
искры катушки.
Рис. 553. Внешний вид
Рентгеновой трубки в
современной установке.
Рис. 554. Искровой разрядник для ка-
тушки Румкорфа с установкой на опреде-
лённую длину искры.
таком случае ток, даваемый вторичной обмоткой, тоже яв-
ляется переменным. При таких условиях индуктор не пригоден
для питания Рентгеновых ионных трубок без надёжного вентиля.
2) Трансформатор. В мощных рентгеновских установках при-
меняют выпрямленный переменный ток, напряжение которого
предварительно повышают до требуемой величины (100—400 кв
и более) при помощи трансформатора. В школьных условиях на
такую установку рассчитывать вряд ли можно, поэтому лишь ко-
ротко упоминаем о ней. Выпрямление тока производится посред-
ством кенотронов.
Электронный выпрямитель, или кенотрон (рис. 555), имеет
устройство, близкое к трубке Кулиджа; он имеет накаливаемый
током катод /С и недалеко от пего анод А; в трубке разрежённый
воздух (давление 10~6 — 10“8 мм ртути); через трубку ток может
368
проходить только в одном направлении (от А к /(); накаливание
анода допускать нельзя. Накаливаемый катод имеет форму спи-
рального волоска, как в мощных лампах накаливания; иногда эта
спиралька окружается медным цилиндром. Схема установки с
кенотроном представлена на рисунке 556, где А и В — первичная
Рис. 555. Электронный выпрямитель или кено-
трон. Трубка Кулиджа по внешности отличается
от кенотрона срезанным наискось концом анода.
и вторичная обмотки трансформатора высокого напряжения,
D — Рентгенова трубка, К — кенотрон. Чтобы использовать обе
фазы переменного тока, применяют четыре кенотрона (рис. 557
и 558).
3) Переменный ток. Как было указано раньше, трубки Кулид-
жа, пропуская ток лишь в одном направлении, сами являются вы-
Рис. 556. Схема соеди-
нений кенотрона К и
Рентгеновой трубки с се-
тью переменного тока
через трансформаторы
А, В, F и F.
Рис. 557. Схема соедине-
ний четырёх кенотронов
Kt, Кз и и Рентгеновой
трубки D.
ьрямителями и потому допускают питание непосредственно пере-
менным током, но в таком случае антикатод должен оставаться
холодным, т. е. трубка должна иметь хорошее охлаждение проточ-
ной водой.
24 Физический эксперимент в школе
369
Рис. 558. Установка четырёх кенотронов но схеме рисунка 557.
§ 45. Рентгеновы лучи
1) Рентгенова трубка. 2) Штативы. 3) Индуктор. 4) Экран. 5) Разные тела
для просвечивания. 6) Фотографические пластинки или плёнки. 7) Электро-
скоп. 8) Эбонитовая и стеклянная палочки. 9) Источник тока. 10) Провода.
1. Защита от лучей Рентгена. Лучи оказывают сильное физио-
логическое действие, вредно сказывающееся при продолжитель-
ном их влиянии. При этом надо помнить, что мягкие лучи, как
более поглощаемые телами, являются более вредными, чем лучи
жёсткие, которые мало задерживаются телами. В школьной прак-
тике, когда лучи Рентгена наблюдаются учащимися один-два раза
на протяжении всего курса и притом в продолжение лишь не-
скольких минут, вредным действием их можно пренебречь. Одна-
ко если преподавателю и учащимся приходится более часто и бо-
лее длительно подвергаться действию лучей, то необходимо при-
бегать к тем же мерам защиты, какие применяются в рентгенов-
ских установках по отношению к обслуживающему персоналу. К
таким мерам относятся:
1) самим не подвергать себя без надобности действию лучей;
2) долго не смотреть на трубку, особенно на антикатод, при
её работе;
3) не подвергать себя и учащихся длительным просвечиваниям
и съёмкам, особенно тех органов, для которых действие лучей
370
Оказывается весьма вредным, например головы и половых орга-
нов;
4) между экраном и наблюдателем помещается свинцовое
стекло, не пропускающее лучей;
5) трубка (кроме главного направления) окружается футля-
ром из свинца, и потому лучи Рентгена, не расходясь во все сторо-
ны по комнате, идут только по месту своего назначения; часто
сама трубка помещается в особый металлический футляр с окош-
ком на пути главного направления лучей (рис. 547, нижний);
Рис. 559. Деревянный штатив для Рентге-
новой трубки.
Рис. 560. Схема
соединения Рентге-
новой трубки с по-
люсами индуктора.
6) управление источником тока удаляется от трубки и защи-
щается свинцовым стеклом;
7) наконец, все степы комнаты с рентгеновской установкой
обиваются листовым свинцом для защиты людей, находящихся в
соседних помещениях.
2. Установка. Рентгенова трубка укрепляется в штативе. Для
этой цели в больших установках имеются специальные штативы
солидной конструкции, стоящие прямо на полу; такой штатив в
школьной практике не встретится; поэтому его приходится чем-
либо заменить. Самой неудачной является замена обычным лабо-
раторным штативом, так как близко расположенные металличе-
ские час!и представляют удобный путь, по которому искра обыч-
но обходит трубку. Ввиду этого надо признать целесообразным
штатив, целиком сделанный из непр01водящего материала, напри-
мер из дерева, эбонита, плексигласса. Изображённый на рисунке
24* Физический эксперимент в школе
371
559 деревянный штатив приведён как пример, но отнюдь не как ре-
комендуемый образец. Если штатив очень лёгок, то для устой-
чивости необходимо или положить груз на доску штатива или ук-
репить его на столе при помощи струбцинок. Можно также Рент-
генову трубку подвесить на двух-трёх верёвочках к деревянной
раме, применяемой в механике. Рентгенова трубка устанавливает-
ся так, чтобы главное направление лучей Н (рис. 545) было гори-
зонтальным и было направлено к наблюдателям.
При помощи звонковой проволоки (не мягких шнурков, кото-
рые провисают) электроды трубки соединяются с полюсами вто-
ричной обмотки .индуктора (рис. 560), при этом катод соединяет-
ся с диском, антикатод и анод — с остриём. Правильное располо-
жение полюсов у вторичной обмотки устанавливается заранее по
Рис. л61. Схема соединения вентиля К. и Рентгеновой трубки D.
виду искр (рис. 493, вверху — правильно), и тогда записываются
знаки клемм у первичной обмотки и соответствующее положе-
ние ручки коммутатора; всегда можно, переставляя остриё и диск,
подобрать их положения так, чтобы положение ручки коммутато-
ра и знаки клемм легко запоминались. Можно также определить
правильность соединений по работе трубки, по только в темноте—
при правильной работе вся половина трубки, расположенная
перед антикатодом, светится зелёным светом (с резкой границей)
под действием «вторичных» электронов, выброшенных из антика-
тода ударами электронов катодных лучей. Если трубка светится
неправильно, надо коммутатором изменить направление тока.
Так как индуктор может давать иногда через трубку токи обоих
направлений и так как обратный ток вреден для трубки, он вы-
зывает усиленное распыление электродов, то для надёжности ра-
боты трубки часто в цепь последовательно вводят вентиль или
дроссель (рис. 561).
На рисунке 562 изображён вентиль в виде искрового проме-
жутка; вентильное действие получается благодаря искровому
разряду между остриём и пластинкой.
Не следует давать Рентгеновой трубке работать долго без
перерыва.
372
3. Свечение тел. Свечение тел под действием Рентгеновых лу-
чей прежде всего приходится наблюдать на флюоресцирующем
экране, без которого вообще невозможно обойтись при опытах с
этими лучами. Экран представляет собой лист картона (самого
различного размера, не меньше 13 см X 18 см), чёрный с одной
стороны и покрытый слоем сильно измельчённого порошка, со-
стоящего из смеси сернистого цинка' (ZnS) и сернистого кадмия
(CdS),--c другой. Экран вставляется в деревянную рамку вместе
с толстым (свинцовым) стеклом и при помощи штатива (лучше
деревянного) устанавливается или подвешивается вертикально
перед трубкой со стороны наблю-
дателей так, чтобы светящийся
слой с прилегающим к нему стек-
лом были обращены к наблюда-
телям; центр экрана должен ле-
жать на главном направлении лу-
чей; вообще центр должен све-
титься всего сильнее; по яркости
Рис. 562. Вентиль для Рент-
геновых трубок.
Рис. 563, Футляр для защи-
ты глаз от постороннего
света при рассматривании
светящегося экрана.
свечения можно судить о хорошей работе трубки. Под действием
Рентгеновых лучей экран светится зелёным светом. Между труб-
кой и задней (чёрной) стороной экрана должно оставаться
свободное пространство (около 5—10 см) для помещения просве-
чиваемых предметов; маленькое расстояние приходится выбирать
при слабой трубке. При этом надо помнить, что в руку, близко
поднесённую к трубке, легко может попасть искровой разряд; это
явление может причинить неприятность, так как человек, (особен-
но учащийся) при проскакивании искры в руку может её дёрнуть
и повалить трубку или повредить экран; поэтому надо быть осто-
рожным. При пользовании экраном нужно хорошее, полное (без
щелей) затемнение; если это осуществить нельзя, то прибе-
гают к защите глаз от постороннего света при помощи особого
картонного футляра (рис. 563). Футляр имеет форму усечённой
прямоугольной пирамиды; в широкое основание её вделана рамка
с экраном; узкое основание прикладывается к глазам. Примене-
ние футляра имеет то неудобство, что связано с индивидуальным
наблюдением по одному человеку.
Под действием Рентгеновых лучей светятся многие минералы,
драгоценные камни (этим их отличают от стеклянных подделок)
373
и т. д. Можно для опыта со свечением взять катодную трубку с
минералами (рис. 529 и 530) и подвергнуть их действию Рентге-
новых лучей (иногда в этом случае свечения не получается).
4. Просвечивание. Между трубкой и экраном помещают самые
разнообразные тела; на экране видна тень предметов (чуть боль-
ше натуральной величины), по форме повторяющая предмет
вследствие прямолинейного распространения Рентгеновых лучей.
Причём тень тем темнее, чем менее проницаем предмет для Рент-
геновых лучей; поэтому, если хотят одновременно показать не-
сколько предметов, например коробку и её содержимое, то надо
подбирать так, чтобы стенки коробки и помещённые в неё предме-
ты имели различную проницаемость; для получения наибольшего
эффекта желательно, чтобы внутреннее содержимое оказывалось
наиболее неожиданным или во всяком случае не предполагаемым.
В качестве примера назовём: доска с длинным гвоздём и шуру-
пом, вделанным в торец; готовальня, кошелёк с монетами; алюми-
ниевая коробочка с ключом, пером и т. д.; карандаш; футляр с
очками; ящичек с каким-нибудь прибором; рука и т. п. Хорошо
показать внутреннее устройство неизвестного механизма.
Чтобы показать зависимость проницаемости различных ве-
ществ от их плотности, полезно укрепить па картоне несколько
пластинок одинаковой толщины (2—5 мм зависимости от мощ-
ности трубки) из различных веществ, например алюминия, желе-
за, меди, свинца, дерева, разного стекла (туго- и легкоплавкого,
или свинцового), резины, эбонита, кости, серебра, линолеума
и др. Если имеется самодельный измеритель жёсткости (см.
§ 44, 8), то необходимо на этом приборе показать зависимость про-
ницаемости от толщины тела.
5. Фотографирование. Для получения фотоснимков при помо-
щи Рентгеновых лучей применяются специальные плёнки; за не-
имением таковых надо взять пластинки высшей чувствительности.
Плёнка в тёмной комнате (при слабом красном свете) завёрты-
вается аккуратно в чёрную бумагу так, чтобы к желатине приле-
гал ровный слой бумаги, а на обратную сторону бумага загибает-
ся. Плёнка до момента съёмки оставляется в тёмной комнате.
Над столом на высоте 25—-60 см устанавливается Рентге-
нова трубка так, чтобы главное направление лучей отвесно пада-
ло на определённое место стола. Когда действие трубки испробо-
вано, приносят плёнку, завёрнутую в бумагу, и кладут её на стол
(желатином кверху) на то место, куда должны падать лучи. Па
плёнку кладётся снимаемый предмет. Когда всё установлено,
пускают в действие трубку, замыкая коммутатором ток (рис. 564).
Продолжительность съёмки можно указать лишь очень при-
ближённо, если с данной трубкой раньше снимков не производи-
лось, так как эта продолжительность зависит от мощности
трубки (силы проходящего тока), от жёсткости лучей, от вы-
соты трубки над плёнкой и от проницаемости предмета для
лучей. Для небольших трубок (диаметр шара 12 — 15 см) школь-
374
кого типа продолжительность экспозиции для руки примерно рав-
на 1—2 мин. При мощных трубках это время сводится к долям
секунды (при токе в 10 ма). Всего лучше, приступая к работе с
неизвестной трубкой и не имея возможности измерить силу тока
в ней, сделать пробный снимок руки и по снимку решить, недо-
держан он (видны лишь контуры и не видно костей) или передер-
Рис. 564. Фотоснимок с Рентгеновой установки для съёмки руки.
жап (видны кости и не видно контуров тела совсем); тогда можно
узнать, в какую сторону надо изменить время экспозиции.
Проявление и фиксирование производятся таким же путём,
как и при обычном фотографировании. Чтобы не отнимать време-
ни от занятий на обработку негатива, лучше её производить во
внеурочное время. На практике (например, в медицине) обычно
ограничиваются получением негатива; учащимся полезпц пока-
зать и позитив. На каждом снимке (кроме даты) надо точно ука-
зать снятый объект и условия съёмки: 1) какая трубка; 2) её рас-
стояние от плёнки или пластинки; 3) какие пленки или пластин-
ки; 4) продолжительность экспозиции; 5) источник питания труб-
ки; 6) сила тока (если нельзя во вторичной цепи, то указать в пер-
вичной) и напряжение первичной; 7) длина искры у источника.
375-
Все эти записи позволят с течением времени выработать условия
хороших снимков.
Выбор объектов для снимания неограничен; можно взять лю-
бой предмет из той группы, которая была подобрана для просве-
чивания. Из частей человеческого тела наиболее подходящей яв-
ляются кисть руки и ступня ноги. Интересно получить снимок с
трупа животных — мышь, крыса, кролик, рыба, голубь и т. п. Для
самого толстого из перечисленных животных экспозиция нужна
раза в 1,5—2 больше, чем для руки. Если за образец принять ру-
ку, то экспозиция для других частей тела и соответствующих им
предметов увеличивается в число раз, указанных в следующей
таблице:
Рука ?............ 1
Локоть..........1,5
Плечевой сустав . 3—4
Шея 3
Череп...........5—7
j Грудная клетка . 3—4
1 Нога ............1,8
: Голень .........2—2,8
1 Колено..........2—3
| Бедро...........3—5
Если при каждой демонстрации Рентгеновых лучей произво-
дить один снимок и разнообразить объекты, то с течением време-
ни в школе накопится большая и интересна^ коллекция.
Время экспозиции можно уменьшить
при помощи усиливающего экрана. Так
называется лист картона, покрытый бело-
го цвета веществом (вольфрамовокислый
кальций), которое после воздействия Репт-
еновых лучей долгое время фосфоресци-
рует фиолетово-синим цветом. Такой
экран чувствительным слоем плотно при-
жимают к светочувствительному слою
фотоплёнки (в особой кассете; можно сё
заменить копировальной рамкой, но тог-
да надо завернуть в чёрную бумагу плён-
ку и экран). Лучи должны встречать
прежде плёнку, а потом экран. Для боль-
шего эффекта применяют два экрана, по-
мещая их с обеих сторон плёнки. В этом
Рис. 565. Миллиампер-
метр для измерения тока,
проходящего через Рент-
генову трубку.
случае плёнка кладётся светочувствительным слоем к снимаемо-
му предмету. После воздействия лучей на плёнку и экран послед-
ний продолжает светиться и добавляет со своей стороны действие
на фотоплёнку, т. е. увеличивает как бы продолжительность экс-
позиции; по этой причине применение усиливающего экрана по-
зволяет уменьшить время съёмки в 8—10 раз.
Более определённо можно подбирать продолжительность
съёмки, если имеется возможность мерить силу тока, проходящего
через Рентгенову трубку. Для этой цели существуют специальные
миллиамперметры. Прибор укрепляется на отдельной стойке
376
(рис. 565), где-либо на пути, по которому идёт к трубке один из
проводов цепи высокого напряжения. При снимании руки (на рас-
стоянии 60 см антикатода от плёнки) произведение силы тока (в
миллиамперах) на продолжительность экспозиции (в секундах)
имеет примерно такие значения:
Трубки | Без усилива- 1 ющего экрана С усиливаю- щим экраном
Средней жёсткости 1 • 1 80 .5—10
Жёсткие
50—30
Сила тока обычно колеблется около нескольких миллиампер
(до 5); вполне допустима сила в 10 ма и в редких случаях опа до-
ходит до 20 ма, при этом нагрузка в 10 ма не допускается более
5—8 сек.
Рис. 566. Применение диафрагмы А и тубуса В для устране-
ния вторичных Рентгеновых лучей.
Тела под действием Рентгеновых лучей начинают излучать
так называемые вторичные Рентгеновы лучи; такие вторичные
лучи, испускаемые главным образом стенками трубки, оказывают
вредное действие на фотографическую плёнку, так как уничто-
жают чёткость и ясность снимка и вуалируют те места плёнки,
куда основные лучи и не попадают. Для борьбы со вторичными
лучами на пути лучей от трубки к снимаемому предмету Поме-
щают диафрагму А (рис. 566) и цилиндрическую трубку В; то и
другое делается из свинца и задерживает почти все лучи, кроме
основного пучка. Задержка будет ещё лучше, если в трубку В
поместить решётку с прямоугольными ячейками в длину всей
трубки.
377
6. Ионизация. Рентгеновы лучи, проходя по воздуху, вызывают
сильную ионизацию, а создавая ионы в воздухе, сообщают
ему проводимость; появление этой проводимости легко увидеть,
так как благодаря ей всякое заряженное тело под действием Рент-
геновых лучей очень быстро (почти мгновенно) теряет свой заряд.
Чтобы увидеть это явление., устанавливают Рентгенову труб-
ку так, чтобы сё главный луч шёл горизонтально вдоль стола
Рис. 567. Разряд электроскопа (ионизирующее действие под влия-
нием Рентгеновых лучей). Фотоснимок с установки.
(рис. 567), на пути этого луча (на расстоянии 1 -1,5 м от трубки)»
помещают шарик электроскопа, поставленного на подставке.
Зарядив электроскоп натёртой палочкой (как эбонитовой, так
и стеклянной), пускают в действие Рентгенову трубку; в то же
мгновение листочки электроскопа спадают. Такое же ионизирую-
щее действие Рентгеновых лучей можно наблюдать при помощи
неоновой лампы (см. § 47, 4).
Ионизация воздуха под действием Рентгеновых лучей будет
происходить и в том случае, если электроскоп закрыть стеклян-
ным колпаком, например колоколом воздушного насоса, конечно,
при условии, что стекло, из которого сделан колокол, пропускает
Рентгеновы лучи, хотя и с некоторым ослаблением. Если же, по-
местив электроскоп под колокол воздушного насоса, выкачать
378
насосом воздух из-под колокола, то вследствие уменьшения числа1
молекул газа, окружающего электроскоп, а следовательно, и
уменьшения числа образующихся ионов ионизирующее действие-
Рентгеновых лучей будет ещё более ослаблено в той или иной
степени в зависимости от степени разрежения воздуха под коло-
колом; это ослабление скажется в том, что электроскоп станет
разряжаться не сразу, а более или менее медленно; в безвоздуш-
ном пространстве электроскоп разряжаться совсем не будет.
Опыт удаётся эффектно лишь с насосом, дающим очень хоро-
шее разрежение (до долей миллиметра ртутного столба).
В описанном опыте воздух под колоколом должен быть сухим;
поэтому для поглощения влаги полезно под колокол поставить ча-
шечку с серной кислотой.
Если же поступить наоборот и насытить воздух водяными па-
рами, поместив под колокол чашечку с водой, то при быстром
разрежении воздуха под колоколом при помощи насоса происхо-
дит конденсация водяных паров, вызванная охлаждением возду-
ха при разрежении; пары оседают в виде мельчайших капелек на
частицах пыли, и под колоколом образуется ту м а н. Однако в
чистом воздухе, лишённом пыли, образования тумана не происхо-
дит, но стоит только направить на колокол поток Рентгеновых
лучей, как при быстром разрежении воздуха под колоколом по-
является густой туман; усиление тумана объясняется усиленной
ионизацией воздуха, вызванной Рентгеновыми лучами; на обра-
зующихся многочисленных ионах и оседают капельки влаги. Для
этого опыта требуется насос, дающий хотя бы и не очень сильное,
по б ы с т р о е разрежение.
§ 46. Неоновая лампа
1. Типы ламп. Неоновые лампы появились в двадцатых годах
текущего столетия и сразу же обратили на себя внимание препо-
давателей физики как интересный физический прибор, которому
суждено занять прочное место в инвентаре физического кабинета.
Лампы наполняются обычно смесью газов, из которых но количе-
ству на первом месте стоит неон (Ne), затем идёт гелий (Не)
и в небольшом количестве пары ртути; примерный состав смеси
(по объёму): 75% неона и 25% гелия; особый подбор газов, а
также активирование электродов, т. е. покрывание их особыми ве-
ществами (подобно нитям накала у катодных ламп), имеют целью
понизить напряжение, при котором работает лампа. Давление
внутри лампы доводится до 10—15 мм ртутного столба. В неоно-
вых лампах имеет место отрицательное свечение при поии-
женномсдавлении (рис. 515); по этой причине лампы эти назы-
ваются лампами с тлеющим разрядом. Чтобы это свече-
ние было длительным, но не могло перейти в дуговой разряд, в
цоколе лампы внутри стеклянной ножки, поддерживающей элск-
37» '
гроды, помещено так называемое успокаивающее сопро-
тивление; оно делается в форме катушки из очень тонкой эмали-
рованной проволочки; у ламп для напряжения в 220 в это сопро-
тивление достигает 5000 ом, у ламп на 120 в оно составляет
1500 ом. При большом превышении напряжения сверх указанного
на лампе (например, вдвое) катушка успокаивающего сопротивле-
ния может перегореть; превышение напряжения на 29—ЗО»/о сов-
сем безвредно. Мощность ламп очень мала, в среднем около 3,5 вт,
и даваемое ими освещение очень слабо (менее 1 свечи); лампы не
экономичны, так как они требуют до 10—50 вт на свечу. Срои
Рис. 568. Типы неоновых ламп.
Фотоснимок.
службы неоновой лампы более
1000 час. По слабости испускае-
мого света неоновые лампы не
могут служить для целей освеще-
ния и применяются лишь как с и-
г н ал ын ые лампы. Электроды
в лампах делаются из алюминия
или из железа (как веществ, сла-
бо поглощающих газ) и имеют
разнообразную форму. На рисун-
ке 568 представлены два типа
ламп.
Лампа I изготовлялась рус-
ским заводом (например, Москов-
ским электроламповым). В этой лампе электродами служат два
одинаковых кружка, расположенных параллельно друг другу на
расстоянии около 3—4 мм. Лампа II — импортная (фирмы Osram)
и продаётся в магазине «Элейтросбыт». Её электроды имеют фор-
му проволочных спиралей, вложенных друг в друга, так что сосед-
ние витки, идущие параллельно друг другу, принадлежат к раз-
ным электродам. Обе лампы имеют тот же цоколь, как и у обыч-
ных калильных электроламп, и внутри цоколя содержат добавоч-
ные сопротивления. Благодаря им лампы можно непосредствен-
но включать в цепь мощного источника тока (например, в элек-
тросеть), не опасаясь возникновения внутри лампы электрической
дуги, влекущей за собой гибель лампы.
Выпущена в продажу ещё третья неоновая лампа небольшого
размера (длина цилиндрического баллона около 3 см, диаметр
около 1,5 см) с цоколем размера миньон, она имеет один электрод
в виде кольца, второй—в виде диска. Эта лампа применяется в ка-
честве указателя (индикатора) напряжения в различных местах
электромагнитной волны в диполях и в проволоках, например в
системах Лехера. Добавочного сопротивления лампа не имеет.
Мы предполагаем, что для дальнейших опытов применяется
лампа типа I на 120 в. В случае лампы на 220 в надо иметь источ-
ник постоянного тока на 220 в.
Опыты с неоновыми лампами выходят за пределы школьных
программ и потому не являются обязательными в курсе физики.
380
Однако ввиду особого интереса, который вызывают неоновые
лампы у преподавателей и учащихся, дальше приведён довольно
длинный ряд опытов с неоновой лампой. Из этих опытов препода-
вателю предоставляется выбрать те или иные, сообразно' с обстоя-
тельствами. Большинство из этих опытов (§ 47, 48, 1) наиболее
целесообразно отнести на кружковую работу учащихся. Для
классных демонстраций удобны опыты, показывающие различие
между постоянным и переменным токами (§ 48, 2); для этой цели
применение неоновой лампы особенно удобно. Неоновая лампа с
успехом заменяет Плюккерову трубку для наблюдения спектра
газов, так как позволяет иметь сколь угодно длительное горение
лампы. Весьма поучителен опыт с получением колебаний при по-
мощи неоновой лампы (§ 48, 3). Заслуживает внимания примене-
ние неоновой лампы в качестве сигнальной (§49, 1,2, 4, 5).
2. Свечение неоновой лампы. 1) Неоновая лампа. 2) Потолочный па-
трон на подставке. 3) Источник постоянного тока на 120 в. 4) Источник
переменного тока па 120 в. 5) Телефонный индуктор. 6) Школьный транс-
форматор. 7) Провода.
Клеммы патрона, в который ввинчена неоновая лампа
на 120 в, соединяют проводами с источником постоянного тока
на 120 в-, таким источником может служить или динамо-ма-
шина, или анодная радиобатарея на 120 в (из аккумуляторов или
из сухих элементов). В случае возможного выбора необходимо
предпочесть анодную батарею, так как динамо часто даёт столь
сильные пульсации тока, что неоновая лампа периодически гас-
нет. В некоторых опытах это недопустимо.
При постоянном токе у лампы свечением покрывается лишь
один электрод, именно катод. На этом опыте для дальней-
шего надо заметить и записать расположение знаков у клемм в
том случае, когда у данной лампы (не смешать её с другими) све-
тится определённый электрод, например верхний.
При переменном токе у лампы светятся оба электрода; глаз не
может заметить попеременного вспыхивания того или другого
электрода, так как вспышки происходят 100 раз в секунду.
Если имеется неоновая лампа на 220 в, а источник переменного
тока на 120 в, то надо взять обычный школьный трансформатор
(рис. 118). Берутся две катушки — одна на 120 в, другая на
220 в. Крайние клеммы первой из них соединяются с источником
переменного тока в 120 в, а клеммы второй катушки соединяются
с клеммами лампы.
При наличии лампы на 120 в, а переменного тока на 220 в
надо применить трансформатор с теми же катушками, но в обрат-
ном порядке, т. е. источник тока соединить с катушкой4 на 220 в.
В качестве источника переменного тока можно взять телефон-
ный Индуктор или магнето. В этом случае ввиду не очень боль-
шого числа перемен тока в секунду мигания лампы становятся
заметными для глаза.
381
§ 47. Измерения с неоновыми лампами
1) Несколько неоновых ламп (типа I) на 120 в. 2) Амперметр до 0,03 а
(с сотыми долями ампера) постоянного и переменного тока. 3) Вольтметр до
140 в постоянного и переменного тока. 4) Реостат с ползунком на
1000 ом (не менее). 5) Калильная электролампа на 100—200 вт. 6) Рент-
генова трубка. 7) Индуктор. 8) Источник постоянного тока на 120 в. 9) То
же переменного тока на 120 в. 10) То же постоянного тока на 12 в (для
пндуктория). 11) Спектроскоп. 12) Провода.
Измерения с неоновыми лампами состоят в определении:
1) силы тока, проходящего через лампу при постоянном и
при переменном токе; 2) напряжения загорания и напряже-
ния погасания у разных ламп при постоянном токе для обоих
Рис. 569. Схемы для определения напряжения (I) загорания и пога-
сания и силы тока (II) неоновой лампы.
электродов отдельно и при переменном токе; 3) то же, что и в
п. 2, при ярком освещении электролампой; 4) то же, что и в п. 2,
иод действием лучей Рентгена; 5) спектра газов, напол-
няющих баллон лампы.
Эти измерения можно использовать не только для демонстра-
ции, но главным образом для самостоятельной работы учащихся.
1. Напряжение загорания и погасания. По схеме рисунка 569,1
составляется цепь; в ней источник тока (сперва постоянного, а
затем переменного') на 120 в замыкается на весь реостат в
1000 ом (можно взять большее сопротивление, но не следует брать
меньшее). Неоновая лампа присоединяется к одной из крайних
точек реостата и к его ползунку (подвижному контакту). Парал-
лельно лампе включается вольтметр (до 140 в) (рис. 570). Так
как при измерениях приходится применять как постоянный, так
и переменный ток, то необходимо не перепутать приборов, если
они пригодны только для одного какого-нибудь тока; у приборов
постоянного тока надо обращать внимание на знаки клемм.
382
Введение в схему большого сопротивления (реостата) или и о-
те нцио метра позволяет передвижением контакта менять на-
пряжение па зажимах лампы от 0 до 120 в. Реостат можно заме-
нить потенциометром, применяемым в радиотехнике, если только
сопротивление его окажется подходящим.
В начале каждого опыта на лампу даётся малое напряжение
сдвигом ползунка (налево па рисунке 569), и лампа не горит.-
Затем начинают ползунок медленно двигать (направо) и оста-
Рис. 570. Фотоснимок с установки по схеме I рис. 569.
павливают его в самый момент загорания лампы; если этот
момент прозевали, опыт повторяют снова. Записывают показание
вольтметра; запись даёт напряжение зажигания неоно-
вой лампы.
Далее, начинают медленно двигать ползунок назад (налево)
,и стараются уловить момент полного погасания лампы. Запись
показаний прибора в этот момент укажет напряжение по-
гасания неоновой лампы.
2. Сила тока. Удалив из цепи вольтметр, включают в цепь
амперметр А (или миллиамперметр, до 0,03 а, рис. 569, II) и
повторяют опыты, но измеряют и записывают теперь силу
тока при зажигании лампы и при полном её свечении (под
полным напряженного в 120 о, когда ползунок реостата сдвинут
вправо до отказа). s
При постоянном токе все эти измерения надо проделать от-
дег^ьно с верхним и нижним электродами, так как значения на-
блюдаемых величин окажутся разными для обоих электродов.
383.
В случае переменного тока можно обойтись без реостата на
1000 ом, если его заменить двумя трансформаторами (рис. 571
и 572), один из них понижает напряжение, например до 6—
12 в, а второй Та снова повышает до начального значения.
Рис. 571. Схема для измерения напряжения загорания и погасания
неоновой лампы при переменном токе.
В цепь II включён реостат R (до 45 ом), который позволяет
с большой постепенностью менять напряжение на лампе N
в цепи III.
3. Фотоэффект. Измерения, относящиеся к моменту загорания
лампы, повторяют, освещая электроды лампы сильным источ-
ником света, например калильной лампочкой в 100 вт. Эту лам-
• Рис. 572. Фотоснимок с установки по схеме рис. 571.
почку ставят недалеко (на расстоянии 15—20 см) от неоновой.
Для усиления освещения можно применить собирательное стекло,
при помощи которого собирают лучи на электродах лампы. Инте-
ресно бы иметь такое расположение электродов, при котором
384
можно осветить лишь один из электродов (в случае постоянного
тока); у лампы типа I это сделать невозможно.
Понижение напряжения зажигания и погасания неоновой
лампы (примерно на 2 в) является следствием и доказательством
фотоэффекта.
4. Ионизация Рентгеновыми лучами. На расстоянии 60 —
100 см от неоновой лампы устанавливают Рентгенову трубку
так, чтобы главное направление лучей (см. § 44, 1) падало на
лампу (рис. 573), и производят в момент загорания лампы опи-
санные выше измерения при воздействии на лампу Рентгеновых
Рпс. 573. Влияние Рентгеновых лучей на загорание неоновой лампы.
Фотоснимок с установки.
лучей. Рентгенову трубку пускают работать только на время
установки ползунка и отсчёта и сейчас же её выключают.
Понижение напряжения загорания и погасания неоновой лам-
пы (на 5—10 в) обусловлено сильным ионизирующим
действием Рентгеновых лучей (ам. § 45, 6).
Все измеряемые величины у каждой лампы имеют свои осо-
бые числовые значения, которые у разных ламп могут колебаться
в довольно широких пределах; например, при постоянном токе
сила тока (при полном напряжении) —от 0,01 до 0,03 а, напря-
жение зажигания для верхнего электрода — от 80 до 95 в, для
нижнего — от 92 до 98 в; напряжение погасания для верхнего —
*
25 Физический эксперимент в школе 385
от 72 до 82 в, для нижнего — от 78 до 90 в, (Эти данные при-
ведены на основании нескольких конкретных измерений; не
исключена возможность 'получения значений вне этих пределов.)
Если имеется в распоряжении несколько неоновых ламп, надо
все измерения проделать с каждой лампой отдельно.
Пример. Результаты измерений с неоновой лампой Московского эле-
ктролампового завода (120 в, 3,5 вт) приведены в следующей таблице:
1—при слабом освещении 2—при ярком освещении 2—при действии Рентгено- вых лучей При ваягигании При КОЛПОМ свечении Перед потуха- нием напря- жение
напря- | женив i сила тока
напря- жение сила тока
В в в а в в в а в в
Верхний 1 81 ‘ 0,0055 115 0,016 72
I электрод 2 79 I 0,0040 — 72
Постоям- I 3 73 1 0,0013 — 72
,,ь,й Т(1К | Нижний 1 98 0,0047 115 0,009 78
I электрод 2 86 I 0,0040 — 77
। 3 78 1 0,0005 - 60
Переменный ток 1 2 58 57 i 0,0256 0,0250 | 120 0,0667 51
3 52 | 0,0233 — — —
Примечание. Числовые значения напряжения переменного тока, как
показания вольтметра, являются эффективными. Действительные максимальные
значения напряжения будут в / 2= 1,41 раза больше, т. е. 76 вместо 54,
82 вместо 58.
§ 48. Опыты с неоновыми лампами
1. Несамостоятельный разряд. I)—9) См. предыдущий опыт. К)) Эбо-
нитовая и стеклянная палочки; материал для натирания их. 11) Электрофор.
12) Плоский конденсатор.213) Электрофориая машина. 14) Провода.
Составляется цепь по схеме рисунка 574 (аналогично схеме
рисунка 569, но без измерительных приборов). Передвигая мед-
ленно передвижной контакт (направо на рисунке 574), отыски-
вают сто положение, соответствующее моменту загорания .неоно-
вой лампы; чтобы отметить это положение, вплотную к ползунку
впереди него (справа) кладут на продольный стержень реостата
палец левой руки и, двигая контакт правой рукой, вместе с
ползунком перемещают приложенный палец. Когда положение
контакта при зажигании лампы найдено, палец должен остаться
на том месте, где остановился ползунок. Затем, сдвигая ползу-
нок назад (налево), лампу гасят и снова двигают контакт (иапра-
386
во) к положению его при загорания лампы, но не доводят до
этого положения, т. е. до оставленного на месте пальца, при-
мерно на % см. Очень удобно палец заменить муфтой от лабо-
раторного штатива. Муфта надевается на стержень, по которому
перемещается ползунок, и закрепляется винтом на том месте,
на котором надо остановить движок, не вызывая загорания лам-
пы. Лампа не вспыхивает, так как приложенное к ней напряже-
ние оказывается меньше напряжения зажигания (например, на
1—2 в). Если теперь каким-либо способом вызвать путём внеш-
него воздействия и о н и з а-
ци ю газа внутри лампы между
элеюродами, лампа загорится.
Можно применить три та-
ких внешних воздействия:
1) Фотоэффект — см.
§ 47, опыт 3.
2) Р е н т г е н о в ы л у ч и —
см. § 47, опыт 4.
3) Искровой разряд.
Достаточно сильное влияние на
ионизацию оказывает искровой
разряд. Всего лучше разряд по-
лучать при помощи э л е к т р о-
фора. Заряженный металли-
ческий кружок электрофора
держат на расстоянии 50 —60 см
Рис. 574. Схема для наблюде-
ния „ад загоранием неоновой
лампы под внешним воздейст-
вием.
от лампы. Стоит только разрядить
круг, поднеся к ному палец,
лампа тотчас же вспыхивает. Такую же вспышку можно, но не
так уверенно, как с электрофором, вызвать разрядом лейденской
банки и электрофорной машины. Наконец, можно применить
натёртую палочку (эбонитовую или стеклянную) и поднести её
к лампе так близко, чтобы с палочки перескочила искорка на
баллон лампы. Можно, конечно, нс подносить палочку очень
близко, но тогда надо вызвать искру, поднеся к палочке руку.
Искорки, которые проскакивают иногда в руку при натирании
палочки, достаточны, чтобы вызвать загорание лампы.
При питании лампы постоянным током лампа после загора-
ния остаётся гореть; это обусловлено тем, что благодаря
большой ра нице (около 10 в) между напряжением зажигания и
погасания нетрудно держать лампу под промежуточным напря-
жением. В случае переменного тока этого достигнуть обычно не
удаётся вследствие довольно узких границ (2—3 в) между на-
пряжением загорания и потухания; по этой причине при пере-
менном токе лампа чаще всего находится под напряжением,
меньшим напряжения погасания; поэтому после внешнего воз-
действия ионизация падает (происходит молизания Йонов),
и лампа после вспышки тухнет.
25’
387-
2. Различие между постоянным и переменным токами. 1) Три
одинаковые неоновые лампы (на 120 в). 2) Патрон на длинном шнуре. 3) При-
способление для вращения ламп. 4) Центробежная машина. 5) Картонный
круг с прорезами (обтюратор, рис. 576). 6) Электромотор постоянного тока.
7) Реостат. 8) Конденсатор (2 кф). 9) Переключатель. 10) Два патрона.
И) Нитка; вода.
Так как неоновая лампа имеет вполне определённые напря-
жения зажигания и погасания и ниже этих напряжений не даёт
никакого свечения, то при питании лампы переменным током не-
оновая лампа горит не всё время, а лишь в те части периода.
Рис. 575. Продолжительность свечения неоновой лампы при
питании её переменным током с 50 периодами в секунду.
когда напряжение переменного тока, начиная от напряжения за-
жигания, доходит до максимального (положительного и отрица-
тельного) значения и затем спускается до напряжения погаса-
ния (рис. 575 — для лампы, для которой составлена таблица в
опыте 3). При этом важную роль играет отсутствие у не-
оновой лампы инертности при загорании и при погасании
(чего нет, например, у калильной лампочки, у которой волосок
не успевает полностью терять накал при быстрых переменах
тока). У неоновой лампы загорание и потухание практически без
всякого запоздания наступают в те моменты, когда напряжение
доходит до соответствующих значений.
388
Если смотреть на неоновую лампу сверху, откуда виден лишь
один верхний электрод (а нижний им закрыт), то свечение и его
отсутствие чередуются примерно через половину периода (т. е.
через 0,01 сек.). При такой быстроте глаз не может заметить ми-
гания лампы. Но это мигание можно заметить при помощи не-
скольких приёмов; некоторые из них далее описаны.
1) Быстрое вращение лампы. Для этого берут
обычный патрон на длинном шнуре, соединённом с источником
тока; в патрон ввинчивают неоновую лампу и, взяв шпур в руку
на расстоянии около 1 м от патрона, приводят его во вращение
в вертикальной плоскости (следя за тем, чтобы не ударить лам-
пой по какому-нибудь предмету).
Рис. 576. Фотоснимок с установки для наблюдения над свечением неоновой
лампы через вращающийся диск с прорезами (обтюратор).
При постоянном токе видны два сплошных светящих тонких
кольца (от двух электродов); при переменном—каждое кольцо
разбивается на ряд отдельных дуг.
2) Диск с прорезами (рис. 576). Из картона выре-
зается круг с диаметром около 25 см, имеющий три равных про-
реза на равных расстояниях друг от друга. Диск приводится в
быстрое вращение при помощи электромотора постоянного тока,
скорость вращения которого регулируют с помощью реостата.
Сзади диска (на расстоянии 1—2 см от него) ставят неоновую
лампу так, чтобы она приходилась как раз за прорезом.
При вращении диска при постоянном токе видно непрерывное
свечение одного из электродов, при переменном—видно попере-
менное свечение то одного; то другого электрода. Прщ подборе
26 Физический эксперимент в школе 389
«
соответствующей скорости вращения можно добиться очень мед-
ленного перехода свечения от одного электрода к другому (в ред-
ких случаях наблюдается свечение только одного электрода);
при этом ясно видно перед погасанием постепенное уменьшение
площади, занятой свечением.
3) Конденсатор в цепи тока. Составляется цепь
из соединённых последовательно неоновой лампы (на 120 в),
конденсатора (на 2 мкф, телефонного типа), источника постоян-
ного тока (100—120 в) и прерывателя тока. Если взять грозовой
переключатель (от радио), то удобно применить схему I,
изображённую на рисунке 577. Повернув ручку переключа-
теля на левую сторону, замыкаем источник тока на цепь из не-
оновой лампы и конденсатора. Лампа на мгновение вспыхива-
ет— это проявление зарядного тока, заряжающего конден-
сатор. Когда на пластинах конденсатора получится напряжение,
равное разности между э.д.с. источника (120 в) и напряжением
погасания (примерно 70 е), то на долю лампы придётся напря-
жение, при котором она погаснет; на этом всё явление закон-
чится. Выключаем ток и снова его включаем; на этот раз лампа
не загорается, так как конденсатор остаётся заряженным до
наибольшего возможного напряжения, и зарядный ток не возни-
кает.
Выключаем ток и разряжаем конденсатор, переводя ручку пе-
реключателя направо- (рис. 577, I) и тем самым замыкая конден-
сатор накоротко. Затем включаем ток, переводя ручку налево, —
и лампа вспыхивает снова.
Если имеется ист,очник постоянного тока с э.д.с. не менее
150 в (например, четыре сорокавольтовые батареи), то можно
обнаружить по вспышке лампы как зарядный, так и разрядный
ток разного направления, что видно по свечению то одного, то
другого электрода. Схема соединения немного изменяется
(рис. 577, II). При положении ручки переключателя на левой
стороне происходит заряд конденсатора, и лампа вспыхйЬает,
обнаруживая зарядный ток. Конденсатор заряжается до на-
пряжения выше напряжения загорания (примерно до 160—70 =
= 90 в). При переключении ручки направо конденсатор разря-
жается через лампу, и она на мгновение вспыхивает, обнаружи-
вая разрядный ток. Наконец, разрядный ток можно наблю-
дать при источнике тока с э.д.с. в 100—120 в, если заряжать
конденсатор помимо лампы (рис. 577, схема III) и разряжать его
(положение ручки направо) через лампу; лампа при разряде
вспыхивает.
Для опытов с конденсатором выпрямленный механиче-
ски прерывистый ток не годится, но можно применить ток, вы-
прямленный кенотроном’, например сделанным из трансфор-
матора ТС-12 и лампы ВО-188 (без конденсаторов).
Если вместо постоянного тока взять переменный ток (120 в)
и применить вторую схему (рис. 577, II),’ то при замыкании на
390
источник тока (ручка налево) лампа будет гореть всё время, по-
казывая прохождение переменного тока через конденсатор; при
переключении цепи (ручка направо) конденсатор разрядится че-
рез лампу, если случайно удалось произвести выключение в тот
момент, когда конденсатор был заряжен до напряжения выше
напряжения зажигания (примерно более 80 в); поэтому при
разряде конденсатора иногда лампа совсем не будет вспыхивать,
иногда будет вспыхивать, при этом яркость вспышки (площадь,
Рис. 577. Схемы для наблюдения при
помощи неоновой лампы тока при за-
ряде и разряде конденсатора.
Рис. 578. Схемы для получения
периодических вспышек неоновой
лампы.
занятая свечением) будет разная и будет светиться то верхний,
то нижний электрод (разрядный ток постоянного направления) в
зависимости от знаков зарядов на пластинах конденсатора в мо-
мент выключения.
Если лампа не будет вспыхивать при разряде конденсатора
(ручка направо), значит или мало напряжение переменного тока,
или велика ёмкость взятого конденсатора. Иногда удаётся подо-
брать лампу с более низким напряжением загорания. Повысить
напряжение можно с помощью трансформатора, например
школьного. Можно также вместо повышения напряжения приме-
нить схему III (рис. 577, III), но в таком случае при заряде кон-
денсатора лампа загораться не будет.
3. Получение колебаний, t) Неоновая лампа. 2) Два-три конденса-
тора (по 2 мкф). 3) Набор сопротивлений (из радиодеталей), пять-шесть пр
391
120 000—200 000 ом, в 1; 1,5; 2; 2,5; 3,5 мегома. 4) Источник постоянного
тока (120 в). 5) Набор постоянных конденсаторов (для радио) от 100 до
4000 см. 6) Ламповый усилитель. 7) Питание для усилителя (для накала
и анода). 8) Громкоговоритель. 9) Переменный конденсатор. 10) Верёвочка
и вода в стакане. 11) Секундомер. 12) Провода.
К цепи, состоящей из последовательно соединённых неоновой
лампы N и сопротивления R (рис. 578), присоединяется парал-
лельно конденсатор С; его можно присоединить двояко — или
к лампе (схема I), или к сопротивлению (схема II). Предпочесть
надо схему I, так как она позволяет более удобно изменять сопро-
тивления R. В качестве конденсатора берётся телефонный кон-
денсатор на 2 мкф\ сопротивление приходится подбирать; с этой
целью берут несколько (5- 6) отдельных больших сопротивлений
для радио (порядка 100 000 — 200 000 ом) и соединяют их по-
следовательно (с помощью проволочек или контактных винтов);
в цепь вводят то или иное число отдельных сопротивлений, при-
касаясь проводом к разным точкам их соединений.
Включив в цепь источник постоянного тока (120 в), меняем
сопротивление до тех пор, пока не возникнут периодические вспы-
хивания и потухания лампы. Если опа горит непрерывно, надо
сопротивление увеличивать; если опа не вспыхивает совсем,—
уменьшать.
В цепи по схеме I конденсатор медленно заряжается через
сопротивление R и, когда напряжение достигает напряжения
загорания лампы, конденсатор разряжается через лампу.
В цепи по схеме II конденсатор заряжается через лампу
до того момента, когда его напряжение будет равно разности
между 120 в и напряжением потухания лампы; тогда лампа тух-
нет и конденсатор начинает медленно .разряжаться через сопро-
тивление R; таким образом, в первом случае лампа обнаружи-
вает разрядный ток, а во втором з а р я д н ы й.
Время Т разрядки и зарядки конденсатора (или промежуток
времени между двумя соседними вспышками лампы) определит-
ся равенством:
T = KRC,
где Т — период в секундах, R — сопротивление в омах (или ме-
гомах), С — ёмкость в фарадах (или микрофарадах), К — коэф-
фициент пропорциональности, зависящий от свойств применяемой
лампы.
Чтобы подтвердить справедливость приведённого соотноше-
ния, надо изменить по отдельности сопротивление R (перемещая
контакт) и ёмкость С (присоединяя параллельно с первым вто-
рой и третий конденсаторы).
Для получения точного соотношения надо при помощи секун-
домера (или часов с секундной стрелкой) определять промежу-
392
ток времени Т; для этого отмеряют продолжительность в 10—
20 промежутков Т.
Приведённую выше формулу можно применить для предвари-
тельного учёта условий опыта, но в таком случае надо для взя-
той лампы найти коэффициент К. Из двух-трёх наблюдений над
миганием лампы определяют время Т в секундах; зная ёмкость
С (в микрофарадах) и сопротивление R (в мегомах), вычисляют
коэффициент Д’; полученное числовое значение применяют для
дальнейших расчётов.
Пример. При С = 2 мкф и 7? = 2 мегомам на
7*= 1,3 сек., тогда
опыте найдено время
1,3
в 25 000 см и сопро-
сек.,
мкф =
К = — = —= 0,32;
RC 2-2
отсюда можно найти, например, время Т при ёмкости
тивление в один мегом; находим:
„ „ „ 0,32 • 25 • ООО • 1
Т = KRC = — -——-------------= 0,01
900 000
т. е. получается 100 вспышек в секунду.
Или можно вычислить, какую надо взять ёмкость С, чтобы при сопро-
тивлении в 2 мегома получить 2000 вспышек в секунду; имеем:
„ Т 1 1 900 000
С“ЙГ '2000.0,32. 2 “TST см^ЮОсм.
Последний пример показывает, что с неоновой лампой можно
получить столь большое число вспышек в секунду, что они уже
совсем не будут заметны глазом, — будет казаться, что лампа
светится непрерывно. Однако если в цепь включить телефон Т
(схема III, рис. 583), то в телефоне перерывы тока сольются в
один непрерывный тон. Таким .путём имеется возможность полу-
чить с помощью неоновой лампы колебания звуковой
частоты.
Для получения колебаний звуковой частоты надо взять со-
противление R в пределах от 1,5 до 3,5 мегома и ёмкость С в пре-
делах от 100 до 4000 см; в качестве ёмкости очень удобно взять
обычный переменный (воздушный) конденсатор от радиоприём-
ника на 1000—1500 см; вращение ручки конденсатора меняет
высоту тона. Сопротивление можно заменить намоченной в воде
ниткой. Вместо телефона можно применить ламповый усилитель
и громкоговоритель; тогда звуковые колебания будут слышны на
*всю комнату.
Описанные незатухающие колебания получили название р е-
лаксац ионных; колебания эти не синусоидальные, и период
их не подчиняется формуле Томсона (содержащей ёмкость
и самоиндукцию колебательного контура). Период релаксацион-
ных колебаний зависит от сопротивления (и ёмкости) и
называется временем релаксации; это название взято
из теории упругости, где так называют время, в течение которо-
4 393
го в теле убывает или исчезает упругое натяжение, после того
как прекращается вызвавшая его причина.
Получение колебаний иногда удаётся не сразу; часто прихо-
дится изменить направление тока в лампе. Опыт требует пред-
варительной пробы. Хотя приведённый выше расчёт даёт указа-
ния относительно приближённого размера требуемых величин,
но сами конденсаторы и сопротивления для радио очень часто
не соответствуют тем числовым данным, какие на них указаны.
§ 49. Применение неоновой лампы
В этом разделе перечислено несколько случаев, где примене-
ние неоновой лампы с той или иной целью является особенно
удобным.
1. Лампа-полюсоискатель. ') Неоновая лампа. 2) Источник постоян-
ного тока (не менее 80в). Например, динамо, анодная батарея, механический
выпрямитель, ламповый выпрямитель (кенотрон) и др. 3) Провода.
Присоединяя неоновую лампу к полюсам источника постоян-
ного тока, замечают, какой электрод светится, и сообразно с
этим определяют знаки полюсов, исходя из того, что должен
светиться катод.
К сожалению, снаружи лампы не видно, какой электрод сое-
динён с нарезной оболочкой цоколя и какой — с контактной
пластинкой; к тому же никакого правила в порядке соединения
нет: у одной лампы с пластинкой соединён верхний электрод, у
другой — нижний, поэтому необходимо предварительно путём
зажигания лампы от источника тока, у которого знаки полюсов
заведомо известны, точно установить и записать, как электроды
лампы присоединены к цоколю.
2. Лампа—указатель напряжения. 1) Неоновая лампа. 2) Две анод-
ные батареи—заряженная и разряженная.
Неоновая лампа может точно указывать, когда напряжение
превышает её напряжение зажигания и когда оно опустилось
ниже напряжения погасания. Так, например, лампа, приведён-
ная в качестве примера (см. § 47, 4), имеет напряжение зажи-
гания 81 в, поэтому может всегда определённо показать, когда
анодная батарея заряжена и имеет э.д.с. не ниже 81 в. u
Так как неоновая лампа горит при введении в цепь даже
очень большого сопротивления (до 1 мегома), то лампа может
служить указателем наличия напряжения в цепи при любой
длине соединительных проводов и позволяет обнаружить разрыв
цепи.
Присоединяя неоновую лампу через большое сопротивление
(около 150 000 ом) к любому приёмнику тока (трансформатор,
выпрямитель, распределительная доска и т. п.), мы будем иметь
сигнальный прибор, практически не потребляющий энергии,
но дающий верное сведение о наличии или отсутствии напряже-
ния на клеммах приёмника. Это весьма полезно, чтобы по забыв-
чивости не оставлять приборов под током.
394
ля. 3) Лампа накаливания. 4) Источ-
3. Лампа — указатель слабых токов. Ввиду очень большого
сопротивления самой лампы, она может работать в цепях, содер-
жащих большие сопротивления порядка тысячи и более омов;
такими сопротивлениями обладают: намоченная водой нитка,
чистая вода, черта, проведённая графитом или тушью, и т. д.,
при этом неоновая лампа показывает своим свечение,м не только
наличие тока, но и его силу, так как площадь электрода, покры-
тая свечением, пропорциональна силе тока.
4. Лампа—указатель перегоревшего предохранителя. ]) 'Две
неоновые лампы. 2) Два предохраните
ник тока. 5) Провода.
Параллельно каждому плав-
кому предохранителю присое-
диняется неоновая лампа по
схеме I (рис. 584). Пока пре-
дохранитель невредим и рабо-
тает исправно, неоновая лампа
не светится; но как только
пробка перегорает или вывин-
чивается и прерывает контакт,
соответствующая неоновая лам-
па загорается (если только
дальнейшая цепь замкнута, т. е.
лампа L не выключена); таким
образом, вспьшгувшие неоно-
вые лампы сразу укажут места
перегоревших пробок.
Можно взять несколько
иную схему II (рис. 579); тог-
да неоновые лампы горят всё
время, пока целы предохранители. При перегорании предохрани-
теля неоновая лампа, находящаяся рядом, тухнет независимо от
того, замкнута или разомкнута дальнейшая цепь.
5. Лампа — указатель разряда лейденской банки. 1) Неонова я
лампа. 2)—4) См. опыт 4, > 40.
Рис. 579. Схемы для получения при
помощи неоновых ламп сигнала о
перегорании предохранителя.
ОГЛАВЛЕНИЕ
ГЛАВА ПЕРВАЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ
§ 1. Проводники и клеммы
Стр.
1. Марки проводов высокой изоляции ................................. 5
2. Марки проводов низкой изоляции.................................. 8
3. Некоторые данные о проводах..................................... 9
4. Монтаж проводов.................................................14
5. Проводники для соединений лабораторной аппаратуры...............17
6. Клеммы..........................................................22
7. Ртутные контакты................................................25
§ 2. Выключатели, переключатели, коммутаторы
1. Ключи ...........................................................25
2. Штепсельные выключатели ........................................27
3. Выключатели, переключатели для напряжения 120—220 в..............—
4. Выключатели и переключатели низкого напряжения..................32
5. Коммутаторы ....................................................33
§ 3. Составление простейших электрических цепей
1. Набор приборов для составления простейших электрических цепей . . 35
2. Простейшая цепь звонка .........................................36
3. Звонковая цепь с вызовом из нескольких пунктов ..................—
4. Звонковая цепь с вызовом нескольких пунктов ................. S —
5. Звонковая цепь для связи между двумя пунктами....................—
6. Простейшая цепь освещения с выключателем.........................—
7. Цепь освещения с выключателем и двумя лампами................—
8. Цепь освещения с люстровым переключателем...................... 37
9. Цепь освещения с коридорными переключателями..........: . . . 38
10. Цепь освещения, иллюстрирующая установку па две группы .... —
11. Цепь с параллельным и последовательным включением приёмников . 39
§ 4. Параллельное и последовательное соединение элементов
1. Последовательное соединение .....................................40
2. Параллельное соединение.........................................41
3. Смешанное соединение..................................... . . 42
4. Выбор соединений............................................. —
396
§ 5. Аналогии электрической цепи
Сг/х.
1. Гидродинамическая аналогия Цепи.................................43
2. Аэродинамическая аналогия цепи ................................44
ГЛАВА ВТОРАЯ
ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
§ 6. Классификация и системы электроизмерительных приборов
1. Классификация по роду измеряемой величины .....................46
2. Классы точности.................................................48
3. Системы электроизмерительных приборов...........................49
4. Обозначение на шкалах измерительных приборов...................51
§ 7. Гальваноскопы
1. Назначение и принцип действия гальваноскопов ...................51
2. Чувствительный гальваноскоп с плавающей иголкой ..............53-
3. Гальваноскоп-инклинатор.........................................—
4. Гальваноскоп с компасом........................................54
5. Демонстрационный гальваноскоп................................. —
6. Телеграфный гальваноскоп .......................................—
§ 8. Общие сведения о гальванометрах
1, Гальванометры стрелочные и зеркальные...........................55
2. Классификация гальванометров...................................58
3. Отсчёт положения стрелки на шкале у гальванометров ...........60'
4. Чувствительность гальванометра ................................61
5. Критическое сопротивление и его значение..................... 62
6. Уменьшение чувствительности гальванометра......................63
7. Установка зеркального гальванометра .......................... 66
8. Осветительные устройства.......................................70
9. Повышение видимости показаний стрелочных гальванометров .... 73
10. Основные опыты с чувствительным гальванометром.................75
§ 9. Гальванометры
1. Гальванометр с подвижной магнитной системой (стрелкой) .........77
2. Устройство приборов с подвижной катушкой . . ;.................78
3. Демонстрационный школьный гальванометр со стрелкой.............80
4. Зеркальный гальванометр Ленинградского физического института . . 84
5. Зеркальный гальванометр «ФИ» системы Улитовского...............86
6. Зеркальный гальванометр с открытым механизмом..................90
§ 10. Вольтметры и амперметры
1. Обозначение систем приборов.....................................91
2. Значение сопротивления вольт- и амперметров ...................92
.3. Способы включения амперметров и вольтметров в иепь.............93
4. Вольтметры реагирующие на ток и напряжение.....................94
5. Изменение чувствительности вольтметра ......................... —
6. Изменение чувствительности амперметра..........................97
7. Магнитоэлектрические приборы .................................100
8. Магнитоэлектрические приборы с преобразователями, «Тестер ТТ-1» . 103
9. Электромагнитные приборы......................................106
10. Электромагнитные приборы завода «Конструктор».................108
11. Тепловые приборы..............................................109
12. Электростатические вольтметры................................ 112
13. Электроизмерительные приборы разные...........................115
397
Стр.
14, Градуирование амперметра при помощи вольтметра...................116
15. Проверка (градуировка) амперметра..................................—
16. Проверка (градуировка) вольтметра................................118
17. Градуирование милливольтметра .................................. 120
ГЛАВА ТРЕТЬЯ
СОПРОТИВЛЕНИЕ ПРОВОДНИКОВ
§11. Сплавы н провода высокого сопротивления
§ 12. Законы сопротивления
1. Зависимость сопротивления металлических проводников от поперечного
сечения и материала ................................................ 122
2. Зависимость сопротивления металлических проводников от длины по-
перечного сечения и материала ...................................... 124
-3. Зависимость сопротивления жидких проводников от концентрации раст-
вора и величины поверхности электродов............................125
4. Зависимость сопротивления растворов от длины и поперечного сечения
столбика жидкости....................................................126
5. Величина удельного сопротивления ................................127
6. Измерение удельного сопротивления твёрдых проводников ............ —
7. Измерение удельного сопротивления растворов .................... 129
§ 13. Эталоны сопротивления. Измерение сопротивлений
1. Модель ртутного эталона сопротивления в 1 ом .....................130
2. Назначение катушек и магазинов сопротивления и общие требования
к ним..................................................................—
3. Катушки сопротивления ...........................................131
4. Изготовление катушек сопротивления...............................132
5. Магазины сопротивления...........................................134
6. Магазины сопротивлений, нужные для кабинета .....................135
7. Декадные магазины................................................139
8.. Реохорд..........................................................140
9. Вычисление отношения плеч у реохорда.............................144
10. Замечания к измерениям сопротивлений ............................. —
11. Модель для объяснения принципа действия мостика Уитстона .... 146
12. Измерение сопротивления мостиком Уитстона с реохордом и магази-
ном (................................................................147
13. Измерение сопротивления мостиком Уитстона с реохордом и катушками
сопротивлений....................................................... 149
14. Измерение сопротивлений мостиком Уитстона (на переменном токе)
с телефоном..........................................................150
15. Измерение сопротивлений мостиком Кольрауша....................< . 152
16. Измерение сопротивлений вольтметром и амперметром................155
17. Измерение сопротивления способом вольтметра и эталона сопротивле-
ния .................................................................157
18. Измерение сопротивления омметром.................................158
19. Измерение сопротивления изоляции электрической проводки освеще-
ния .................................................................159
.20. хЧегометр с индуктором (логометр) .............................162
§ 14. Измерение внутреннего сопротивления
1. Измерение внутреннего сопротивления элемента вольтметром и ампер-
метром ..............................................................163
2. Измерение внутреннего сопротивления элемента мостиком с телефо-
ном .................................................................164
39 8
§ 15. Температурный коэффициент сопротивления
Стр.
1. Величина коэффициента ........................................164
2. Уменьшение сопротивления растворов кислот и солей при увеличении
температуры.......................................................165
5. Увеличение сопротивления металлических проводников при увеличе-
нии температуры.....................................................—
4. Сравнение изменения сопротивлений железного и никелинового провод-
ников от нагревания .............................................. 166
5. Изменение сопротивления железной проволоки от нагревания .... —
6. Сравнение изменений сопротивления от нагревания лампочек с вольфра-
мовой нитью и угольной............................................167
7. Измерение температурного коэффициента сопротивления.............—
8. Стекло при нагревании становится проводником .................169
§ 16. Включение сопротивлений
I. Назначение сопротивлений ............................... .... 170
2. Демонстрация последовательного соединения сопротивления.......173
3. Измерение сопротивления группы сопротивлений, включённых после-
довательно .......................................................174
4. Параллельное соединение сопротивлений ....................... 175
ГЛАВА ЧЕТВЁРТАЯ
ЗАКОН ОМА
§ 17. Механические аналогии
1. Гидродинамическая аналогия падения потенциала ............... 176
2. Аэродинамическая аналогия падения потенциала .................177
§ 18. Падеине напряжения
1. Падение потенциала в цепи с электрической машиной .............178
2. Обнаруживание падения напряжения при помощи лампочки..........179
3. Демонстрация падения напряжения-.............................182
§ 19. Закон Ома
1. Зависимость падения напряжения от сопротивления при постоянной
силе тока.........................................................182
2. Зависимость падения напряжения от сопротивления в цепочке про-
водов ..............................................................—
3. Зависимость силы тока от напряжения при постоянном сопротивле-
нии ..............................................................184
4. Зависимость силы тока от сопротивлений при постоянном напряже-
нии ..............................................................—
5. Обнаруживание падения напряжения внутри источника тока (гальвани-
ческого элемента) ................................................185
6. Демонстрация падения напряжения внутри элемента при помощи
лампочки ...........................................................—
7. Парадокс высоковольтного генератора ........................... —
§ 20. Измерение электродвижущей силы
1. Измерение электродвижущей силы вольтметром ...................187
2. Измерение электродвижущей силы при помощи амперметра и вольт-
метра......................................•...................188
3. Измерение электродвижущей силы элемента методом компенсации . . —
399
ГЛАВА ПЯТАЯ
РАБОТА И МОЩНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
§ 21. Ваттметры (электродинамометры)
Стр.
1. Общие замечания ..............................................191
2. Крутильный экектродинамометр.................................192
§ 22. Счётчики электрической энергии
1. Счётчик постоянного тока .....................................196
2. Счётчик переменного тока ....................................197
3. Измерение работы и мощности тока вольтметром и амперметром . . . 200
4. Проверка электрического счётчика.............................201
5. Коэффициент полезного действия электромотора...................—
6. Коэффициент полезного действия кипятильника .................202
ГЛАВА ШЕСТАЯ
ТЕПЛОВЫЕ ДЕЙСТВИЯ ТОКА
§ 23. Нагревание проводников током
1. Обнаруживание нагревания проводника посредством манометра . . . 203
2. Принцип устройства и действия простейшего кипятильника......204
3. Нагревание жидкого проводника током............................—
4. Обнаруживание нагревания проводника по его расширению........205
5. Принцип устройства и действия теплового амперметра ..........206
6. Накаливание проводника током от батареи .................... 207
7. Накаливание проводника от сети освещения.......................—
8. Зависимость нагревания проводника от его удельного сопротивления
и поперечного сечения........................................ 208
9. Накаливание проводника током от трансформатора ................—
§ 24. Закон Джоуля-Ленца
1. Прибор для демонстрации закона Джоу ля-Ленца..................210
2. Закон Джоуля-Ленца...........................................211
§ 25. Плавкие предохранители
1. Типы предохранителей.....................................*. . 213
2. О расчёте плавкого предохранителя .......................... 218
3. Измерение тока, сжигающего проволоку.........................219
§ 26. Лампы накаливания
1, Виды ламп накаливания .......................................220
2. Лампы накаливания нормальные осветительные...................221
3. Кинопроекционные лампы ......................................225
4. Низковольтные осветительные лампы.....................с . . . 228
5. Прожекторные лампы ............................................—
6. Лампы автомобильные и тракторные.............................229
7. Низковольтные лампы разные...................................230
8. Патроны для ламп накаливания...................................—
9. Лампа Лодыгина и её модель ..........................232
§ 27. Электрическая дуга
1. Общие сведения о дуге ........................................234
2. Угли для электрической дуги..................................236
3. Демонстрация электрической дуги как источника света..........239
4. Лампа Яблочкова..............................................240
400
Стр.
5. Электрическая дуга под водой . . . ...........................241
6. Проектирование дуги на экран....................................—
7. Сварка электрической дугой ....................................242
8. Паяние электрической дугой.....................................243
9. Значение накалённого катода .................................. 244
§ 28. Нагревательные приборы и электропечи
1. Нагревательные приборы................................• . . . 244
2. Отражательная электрическая печь •........................ . 245
3. Терморегулятор (биметаллический)..............................246
4. Печь с угольным порошком......................................247
5. Печь для накаливания с жидкостью.............' . ............248
6. Индукционная печь ..............................................—
ГЛАВА СЕДЬМАЯ
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСТВО
§ 29. Термоэлементы
1. Общие сведения о термоэлектрических явлениях...................249
2. Термоэлектрический ряд........................................250
3. Паяние термоэлементов.........................................252
4. Сварка термоэлементов •...................................... 254
5. Термоэлемент с магнитной стрелкой.............................. —
6. Термоэлементы, даюшие сильные токи ...........................255
7. Простейший термоэлемейт для демонстраций...........‘..........257
§ 30. Термоэлектрические измерения
1. Общие замечания о термоэлектрических измерениях ...............258
2. Требования к гальванометрам для термоэлектрических измерений , . 259
3. Измерение температуры термоэлементом нулевым методом..........260
4. Принцип устройства действия термоэлектрического пирометра .... 261
§ 31. Термобатареи (термостолбики)
1. Простейшие термометрические батареи ...........................263
2. Термобатарея, приводящая в действие электрический звонок .... 264
3. Термостолбики.................................................265
4. Термопреобразователи .........................................268
ЭЛЕКТРОЛИЗ
§ 32. Приборы для электролиза
1. Приборы для демонстраций ....................................271
Я Электроды ....................................................272
3. Набор для электролиза по Е. Н. Горячкину..................... 273-
4. Приборы для собирания газов................ ...................274
5. Приборы для получения твёрдых осадков........................280
в. Приборы для проектирования....................................281
7. Уход за приборами .............................................283
8. Источники тока.........’........................................—
§ 33. Основные опыты по электролизу
1. Электролитическая диссоциация ............................... 284
2. Зависимость диссоциации от температуры....................... 285
401
г
Стр.
3. Ток имеет определённое направление .......................... 285
4. Примеры электролиза ..........................................286
5. Выделение веществ на электродах...............................288
6. Отложение металлов на катоде..................................289
§ 34. Движение ионов
1. Опыт первый ..................................................290
2. Опыт второй...................................................291
3. Опыт третий ...................................................—
4. Опыты по Ю. В. Ходакову......................................292
5. Опыты по С. А. Арцыбашеву и И. А. Бильдзюкевич..................—
§ 35. Законы электролиза
1. Первый закон Фарадея..........................................293
2. Второй закон Фарадея .........................................294
§ 36. Электрохимические измерения
1. Определение электрохимического эквивалента ....................295
2. Градуирование амперметра весовым вольтаметром.................297
3. Градуирование амперметра газовым вольтаметром ................298
§ 37. Применение электролиза
1. Полюсоискатели.................................................300
2. Раффинировка меди ............................................301
3. Раффинировка серебра.....................,....................302
4. Получение олова из жестяных отбросов............................—
5. Получение металлов из водных растворов солей....................—
6. Опыт Деви.....................................................303
7. Получение металлов из расплавленных солей ......................—
8. Гальваностегия ...............................................304
9. Гальванопластика .............................................311
§ 38. Источники тока
1. Гальванические элементы .......................................312
2. Составные части гальванического элемента .......................—
3. Поляризация и деполяризация элемента..........................313
4. Явления на электродах в элементе ..............................—-
5. Определение знака заряда на полюсах элемента .................315
6. Типы гальванических элементов .'.............................316-
7. Столб Замбони ..................................................—
8. Аккумуляторы..................................................317
9. Принцип действия аккумулятора ................................318
10. Алюминиевый выпрямитель......................................319
РАЗРЯД В ГАЗАХ
§ 39. Разряд при атмосферном давление
1. Введение....................................................... 320-
2. Свечение у электродов..........................................323
3. Искра................................-........................ 324,
4. Искровой разряд высоковольтного индуктора....................... —
5. Дуговой разряд высоковольтного индуктора ...................... 325 :
6. Ионизация воздуха..............................................326
7. Явление, обратное ионизации (молизация) ... 327
8. Электрическая дуга ........................................ . 329 ,
402
§ 40. Свойства искры
1. Продолжительность искры .......................................329
2. Фотографирование при помощи искры.............................331
3. Искра как измеритель напряжения...............................332
4. Искра как колебательный разряд ...............................333
5. Химические действия искры............’........................335
§ 41. Атмосферные разряды
1. Молния.........................................................338
2. Защита от молнии................................................—
3. Тепловое действие молнии.................................... 339-
§ 42. Разряд в газах при пониженном давлении
1. Зависимость разряда от давления................................340
2. Трубки низкого вакуума....................................... 343
3. Практические применения свечения газов .......................347
§ 43. Катодные и анодные лучи
1. Прямолинейное распространение катодных лучей................. 3491
2. Свечение тел под действием катодных лучей ....................350
3. Нагревание тел под действием катодных лучей...................351
4. Движение тел под ударами электронов ............................—
5. Получение тени при помощи катодных лучей......................352
6. Отклонение катодных лучей в магнитном поле....................353
7. Отклонение катодных лучей в электрическом поле.............. 357'
8. Замечание................. . .............................. 359-
9. Возникновение вторичных лучей под действием катодных..........360
10. Анодные лучи....................................................—
§ 44. Рентгеновы трубки
1. Принцип действия рентгеновых трубок ...........................360
2. Ионные трубки ................................................361
3. Электронные трубки............................................. —
4. Охлаждение................................................... 362
5. Расположение электродов.........................................—
6. «Жёсткие и мягкие трубки .................................... 363
7. Регенерация ................................................. 364
8. Измерение жёсткости.............................................~
9. Типы трубок ..................................................365
10. Генераторы для трубок.........................................368
§ 45. Рентгеновы лучи
1. Защита от лучей рентгена...................................... 370
2. Установка'.....................................................371
3. Свечение тел ..................................................373
4. Просвечивание ............................................... 374-
5. Фотографирование ............................................,—
6. Ионизация.................................................... 378;
§ 46. Неоновая лампа
1. Типы ламп......................................................379
2. Свечение неоновой лампы........................................381
§ 47. Измерения с неоновыми лампами
1. Напряжение загорания и погасания...............................382
2. Сила тока.................................................... 383
403
Стр.
3. Фотоэффект.....................................................384
4. Ионизация рентгеновыми лучами .................................385
§ 48. Опыты с неоновыми лампами
1. Несамостоятельный разряд .......................................386
2. Различие между постоянным и переменным токами .................388
3. Получение колебаний............................................391
§ 49. Применение неоновой лампы
1. Лампа — полюсоискатель........................................ 394
2. Лампа — указатель напряжения.....................................—
3. Лампа — указатель слабых токов ................................395
4 . Лампа — указатель перегоревшего предохранителя ................—
. Лампа — указатель разряда лейденской банки ......................—
Д. Д. 1 аланин, Е. Н. Горячкин, С. Н. Жарков, Д. И. Сахаров, А. В. Павши
Физический эксперимент в школе том Ш
& * «
Редактор Ю. В. Басов
Технический редактор С. Г. Джатиев
Сдаио в набор 3/VII 1953 г. ^“Подписано к печати 26/III 1954 г.
60Х921/!». Печ. л. 25,25. Уч.-изд. л. 24,42. Тираж 30 000 экз. А-03Н2.
Учпедгиз. Москва, Чистые пруды, 6.
Заказ 3264
* * «и
Цена без переплёта 6 руб. 60 к. Переплёт бум. 80 коп., коленкор I р. 50 к.
Типография Металлургиздата. Москва, Цветной бульвар, 30.