Текст
К ИЗУЧЕНИЮ
ЗАКОНОВ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО
ТОКА
В X КЛАССЕ
СРЕДНЕЙ ШКОЛЫ
ГОСУДАРСТВЕННО Е
УЧЕБНО-ПЕДАГОГИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
МИНИСТЕРСТВА П РО С В ЕЩЕ Н ИЯ РСфСР
МОСКВА *953
А03555. Подписано к'печати 5/VIII 1953 г. Бумага 84ХЮ81/з2«
Бумажных листов 0,688. Печатных листов 2,25.
Уч.-изд. листов 1,96. Тираж 30.000 экз. Цена 55 к. Зак. 89
Типография треста Росполиграфпром, гор. Калуга, пл. Ленина, 5.
1. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ, НАПРЯЖЕННОСТЬ ПОЛЯ,
ПОТЕНЦИАЛ
Для сознательного усвоения законов электрическо¬
го тока учащиеся должны получить предварительно
чёткие представления по следующим вопросам:
1. Понятие электрического -поля.
2. Силовая и энергетическая характеристики поля.
3. Измерение потенциала.
При изложении первого вопроса следует обосно¬
вать -невозможность непосредственного взаимодей¬
ствия тел т расстоянии (дальнодействия). На ряде
простых примеров необходимо показать, что действие
одного тела на другое происходит только в том слу¬
чае, если это действие передаётся через промежуточ¬
ное тело или среду. Для иллюстрации этого положе¬
ния -можно показать -следующие простые опыты.
Опыт первый. Берём два шарика и между ними
укрепляем подвешенную на нитях палочку (рис. 1).
Отклонив первый шарик и предварительно убрав па¬
лочку, показываем отсутствие взаимодействия шари¬
ков. Поставив на место палочку и повторив опыт, мы
наблюдаем действие первого шарика на второй. Это
действие передалось через промежуточное тело —
палочку.
Опыт второй. Берём два камертона одинаковой ча¬
стоты на резонансных ящиках и, приведя один из них
в состояние звучания, наблюдаем звучание второго
камертона, предварительно погасив рукой колебания
первого.
3
Второй опыт интереснее для нас в том отношении,
что здесь мы не видим среды, передающей действие,
но каждый из учащихся отлично знает, что этой сре¬
дой является воздух. Вряд ли надо убеждать учащих¬
ся, что эта среда, передающая действие одного ка¬
мертона на другой, является материальной.
При переходе к опыту с взаимодействием электри¬
ческих зарядов учащимся становится более понятным,
что это взаимодействие не может происходить без
среды, передающей действие одного заряженного те¬
ла на другое. Правда, эта материальная среда не мо¬
жет быть обнаружена нами непосредственно при по¬
мощи наших органов чувств, но она обнаруживается
с помощью самого же электрического заряда и назы¬
вается электрическим полем.
Электрическое поле существует вокруг каждого
электрического заряда и действует только на электри¬
ческий заряд. Электрическое поле представляет собой
особую форму материи, отличную от вещества, но об¬
ладающую, как показывают научные исследования,
основными признаками материи: массой И энергией.
В заключение рассмотрения этого вопроса ещё раз
следует подчеркнуть, что материя существует в двух
основных формах: в виде вещества и в виде поля.
4
После установления понятия поля переходим к ха¬
рактеристикам поля, т. е. вводим понятие напряжён¬
ности и потенциала электрического поля.
Напряжённость поля вводим так,, как это преду¬
сматривает учебник; что же касается потенциала по¬
ля, то здесь приходится говорить подробнее, указы¬
вая на два принятых способа измерения потенциала.
Первый способ — измерение потенциала относительно
бесконечности (часто встречается в теоретической
физике). Второй способ получил распространение в
электротехнике и заключается в измерении потенциа¬
ла данной точки поля относительно земли. Второй
способ для нас (в школьном курсе физики) является
значительно более важным, чем первый, так как мы
производим измерения потенциалов электрометром
именно относительно земли.
Проводя аналогию с механическими явлениями,
необходимо показать учащимся условность выбора
точки нулевого потенциала и относительность потен¬
циала данной точки поля, т. е. потенциал данной точ¬
ки электрического поля не имеет абсолютного выра¬
жения, а его значение зависит от выбора точки нуле¬
вого потенциала. Вместе с тем учащиеся должны ясно
себе представлять, что независимо от выбора точки
нулевого потенциала разность потенциалов двух то¬
чек (равная работе перемещения единицы положи¬
тельного заряда из одной точки поля в другую) есть
величина вполне определённая.
Самая большая методическая трудность заклю¬
чается не в определении понятия потенциала, а в из¬
ложении способов его измерения. Известно, что для
измерения потенциала применяется прибор электро¬
метр, который учитель несколькими уроками раньше
использовал для измерения электрического заряда.
Это обстоятельство чрезвычайно путает учащихся и
вызывает у них недоверие к подобным измерениям.
Поэтому мы вынуждены именно здесь самым подроб¬
ным образом остановиться на принципе работы этого
прибора.
Для учащихся должно быть ясно, что для измере¬
ния потенциала данного заряженного проводника не-
5
обходимо определить величину той работы, которую
совершают силы электрического поля по перемеще¬
нию единицы положительного заряда с .поверхности
данного проводника до поверхности кулевого потен¬
циала. Так как в электротехнике принято поверхно¬
стью нулевого потенциала считать поверхность земли,
то, следовательно, потенциал данного заряженного
тела будет определяться величиной той работы, кото¬
рую совершают силы электрического поля, переме¬
щая единицу положительного заряда от поверхности
тела до поверхности земли. Но как измерить эту ра¬
боту? Практически эта задача решается с помощью
электрометра.
Успешные результаты при объяснении принципа
работы электрометра получаются при использовании в
этом объяснении самого определения потенциала. Та¬
кой метод интересен и тем, что он даёт конкретный
пример применения определения на практике, обеспе¬
чивая более глубокое его восприятие.
Электрометр, как известно, чрезвычайно' похож Ца
электроскоп и отличается от последнего наличием же¬
лезного кожуха, соединённого- с землёй. Если стер¬
жень электрометра соединить с заряженным телом,
то между ним и заземлённым корпусом создастся
электрическое поле, которое при достаточных разме¬
рах электрометра для простоты рассмотрения вопро¬
са можно считать однородным в средней его части.
Примерный вид этого поля дан на рисунке 2.
Прежде чем рассматривать конструкцию электро¬
метра, широко употребляемого в школьной практике,
с методической стороны целесообразно предваритель¬
но вообще обосновать возможность непосредственного
измерения потенциала приборам. Для этой цели рас¬
смотрим одну из принципиально возможных конструк¬
ций, которая больше всего способствует решению по¬
ставленной задачи. Отличительной чертой предлагае¬
мой для рассмотрения системы является конструкция
подвижной части прибора. Такой прибор является уп¬
рощённой моделью электрометра с постоянным за¬
рядом.
6
Как видно из рисунка 2а, на параллельной стерж¬
ню шелковинке висит маленький бузиновый шарик,
который близко подходит к стержню, но его не ка¬
сается *.
При соответствующих условиях мы можем, прика¬
саясь наэлектризованным телом' к шарику, сообщать
ему одинаковые электрические заряды. При малых
размерах шарика и малых сообщаемых ему электриче¬
ских зарядах мы .можем считать, что присутствие ша¬
рика внутри прибора не изменит общей картины поля
между стержнем прибора и его корпусом.
Если бы заряженный шарик электрометра имел
возможность свободного движения в электрическом
поле, то он при своём перемещении вдоль силовых
линий электрического поля достиг бы корпуса электро¬
метра и при этом электрическое поле совершило бы
работу (Л), величина которой, отнесённая к заряду
1 Во избежание возможного прикосновения, шарика к стерж¬
ню, последний может быть покрыт слоем изоляционного лака.
7
шарика (д), явилась бы мерой разности потенциалов
между стержнем и корпусом прибора:
где V, — потенциал стержня, а У| — потенциал кор¬
пуса прибора, соединённого с землёй. Так как потен¬
циал земли принят за нуль .потенциала (VI =0), то
это выражение примет вид:
Осталось определить величину указанной работы.
Предварительно вспомним, что работа в однородном
электрическом поле определяется следующим обра¬
зам:
где Гэл—электрическая сила, действующая йа заряд
шарика, а / — расстояние от стержня до кожуха при¬
бора в оредней его части.
Из рассмотрения последнего уравнения видно, что
измерение работы может быть сведено к измерению
другой, пропорциональной ей величины — электриче¬
ской силы (/’эл), так как длину силовых линий (/.) в
средней части прибора, где поле приблизительно одно¬
родно, можно считать постоянной величиной. Следова¬
тельно, и измерение потенциала сводится также к из¬
мерению пропорциональной ему величины — электри¬
ческой силы, но только действующей на единицу за¬
ряда шарика прибора (д), т. е.
В силу того что наш шарик подвешен на шелко¬
винке и не имеет свободы перемещения вдоль элект¬
рического поля, измерение электрической силы, дейст¬
вующей на шарик, будет чрезвычайно простым. При
любом отклонении подвеса шарика электрическая си-
8
ла ГР9Л) всегда будет уравновешиваться составляю¬
щей силы тяжести (Рг, рис. 3).
Рая = Р2 — Р 51П а
т. е. потенциал измеряемого тела является функцией
угла отклонения нити подвеса:
V'2 *=/(*)
так как Р, I, д — постоянны.
Следовательно, чем больше угол отклонения подве¬
са с шариком, тем больше потенциал заряженного те¬
ла. А это даёт возможность по эталону проградуиро¬
вать шкалу прибора в вольтах.
Если снять с прибора металлический кожух, то мы
лишимся постоянного по своему характеру электриче-
9
ского поля, окружающего стержень прибора. В этом
случае поле, окружающее шарик, будет зависеть от
окружающих близких его предметов (стены, пол, пото¬
лок, сам экспериментатор и т. д., рис. 4). Отклонение
шарика, конечно, будет в каждом отдельном случае
зависеть от величины заряда проводника, но оно не
может быть пропорционально величине потенциала
проводника (так как величины Р2 и / могут теперь
иметь различные случайные значения), в чём легко
убедиться, поднося к прибору, соединённому с заря¬
женным телом, различные предметы.
При одном и том же заряде исследуемого тела
угол а отклонения шарика будет зависеть от присут¬
ствия окружающих тел, так как они изменяют харак¬
тер электрического поля вокруг стержня прибора, что
приводит к изменению электрической силы, действую¬
щей на заряженный шарик, хотя потенциал заряжен¬
ного тела и остаётся постоянным. Это схематически
показано на рисунке 4, где заряженное тело соедине¬
но с тремя электрометрами, лишёнными кожухов и
находящимися в разных условиях.
После рассмотрения принципов работы такого
электрометра я перехожу к работе с обычным стре¬
лочным прибором, предварительно указав, что для
10
увеличения чувствительности вместо шарика ставится
стрелочка, центр тяжести которой очень близок к оси
вращения. Показать влияние на обычный электрометр
окружающих его тел, даже тогда, когда он отъединён
от земли, можно только в том случае, если вынуть
стекло прибора и ввести внутрь его влияющее тело
(например, руку) или, ещё лучше, если вынуть всю
систему (стержень, листочек) из кожуха и укрепить
её на отдельном штативе.
Стремление некоторых .учителей раскрыть принцип
работы электрометра только после введения понятия
электрической ёмкости, как нам кажется, нельзя счи¬
тать правильным, так как для введения понятия элек¬
трической ёмкости уже необходимо чёткое знание по¬
тенциала проводника и способов его измерения.
Такой анализ работы электро-метра даёт значитель¬
ную экономию во времени при дальнейшей работе над
разделом электричества и обеспечивает более созна¬
тельное усвоение материала учащимися.
Конечно, вряд ли целесообразно принципы работы
электрометра подробно спрашивать с каждого учаще¬
гося, но, как показывает практика работы на протя¬
жении ряда лет, средние учащиеся этот материал хо¬
рошо усваивают, что же касается слабых учащихся,
то при их опросе достаточно ограничиться общими по¬
ложениями. Однако чрезвычайно ценным оказывается
убеждённость всех без исключения учащихся в том,
что наличие заземлённого кожуха даёт возможность
измерять потенциалы тел.
2. ПРИРОДА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
Переходя к выяснению природы электрического то¬
ка, как направленною движения электрических заря¬
дов, мы сначала рассматриваем на схеме поведение
проводника в электрическом поле и подчёркиваем, что
перемещение электрических зарядов в проводнике про¬
исходит под действием сил электрического поля, суще¬
ствующего в проводнике до тех пор, пока существует
разность потенциалов на концах этого проводника.
Правда, в проводнике это выравнивание потенциалов
И
происходит мгновенно, но если взять два шара, уста¬
новленных на электрометрах, и, предварительно заря¬
див один из них, соединить их полупроводником (опыт
хорошо получается со старой лентой от пишущей ма¬
шинки, а не с увлажнённой верёвочкой, как это часто
рекомендуется) (рис.5),то мы можем наблюдать срав¬
нительно медленное нарастание потенциала одного ша¬
ра и соответственное уменьшение потенциала другого.
Это объясняется тем, что в соединительной ленте—про¬
воднике — возникает электрическое поле, которое соз¬
даётся электрическими зарядами, сосредоточенными
на концах этой ленты (на шарах), и которое вызывает
направленное перемещение электрических зарядов по
нашему «проводнику». Скорость распространения поля
в проводнике около 300 000 ** , однако скорость пе¬
редвижения электрического заряда в нём составляет
десятые доли миллиметра в секунду. Поэтому вырав¬
нивание потенциалов шаров происходит не за счёт то¬
го, что заряды одного шара попадают на другой, а
за счёт притока на шар зарядов самого соединитель¬
ного проводника, убыль же зарядов в проводнике
(электронов) восполняется их поступлением с другого
шара.
12
Перемещение электрических зарядов выравнивает
потенциалы шаров, вследствие чего электрическое по¬
ле внутри проводника сначала ослабляется, а затем и
полностью исчезает; вместе с тем и электрический ток
также сначала ослабляется, а затем прекращается.
Таким образом, может быть сделан вывод, что для
существования тока в проводнике необходимо, чтобы
в нём существовало электрическое поле, для чего на
концах его всё время надо поддерживать разность по¬
тенциалов.
Действительно, если к первому шару подвести ещё
некоторый дополнительный заряд, то можно опять на¬
блюдать увеличение потенциала, а следовательно, и
заряда второго шара, т. е. опять имеет место направ¬
ленное движение электрического заряда в соединитель¬
ном проводнике, продолжающееся до тех пор, пока
опять не выравняются потенциалы шаров. Заземляя на
мгновение второй шар, мы наблюдаем то же самое
явление. При длительном заземлении направленное
движение заряда в соединительном проводнике будет
происходить до тех пор, пока потенциалы обоих шаров
не станут равны нулю.
Принципиально, для поддержания постоянной раз¬
ности потенциалов на шарах можно воспользоваться
двумя .натираемыми телами. Непрерывно соединяя
их — электризуя и затем разделяя электрические
заряды и передавая их шарам на электрометрах, —
мы можем в какой-то степени поддерживать разность
потенциалов на концах исследуемого проводника, одна¬
ко гораздо проще для этой цели воспользоваться элек¬
тростатической машиной, в которой происходят по су¬
ти дела процессы, аналогичные указанному выше.
Если соединить первый шар с кондуктором электро¬
статической машины, а второй с землёй через такой же
полупроводник (рис. 6), то будет иметь’ место не
только поступление заряда на второй шар, но и утечка
его в землю. При неизменном потенциале второго шара
(что возможно при вполне определённой скорости вра¬
щения машины) количество приходящих к нему и ухо¬
дящих от него электрических зарядов одинаково. Это
же самое можно сказать и о первом шаре, а следова-
13
тельно, если разность потенциалов .на концах 'Провод¬
ника АВ постоянна, то через сечение проводника в
каждую единицу времени проходит одно и то же коли¬
чество электричества, т. е. в проводнике АВ мы имеем
постоянный электрический ток.
Чондуетор
Вместо заземления второго шара можно .воспользо¬
ваться вторым кондуктором машины и всю установку
значительно упростить, используя для измерения по¬
тенциалов только один прибор, как схематически пока¬
зано на рисунке 7.
Воспользовавшись одним электрометром, можно по¬
казать, что каждая точка проводника (при* постоянном
и равномерном вращении машины) имеет свой собст¬
венный потенциал (см. потенциальную диаграмму,
рис. 7), отличный от потенциала других точек (либо
по величине, либо по знаку), и можно сделать вывод,
что между любыми точками проводника, существует
разность потенциалов. Здесь же очень удобно каче¬
ственно показать и логически обосновать ещё раз
ранее высказанную мысль, что, изменяя выбор точки
нулевого потенциала, мы изменяем абсолютное значе¬
ние потенциалов всех точек проводника, но разность
14
Потенциалов (напряжение) между любыми двумя точ¬
ками проводника сохраняется. Для этой цели соединим
корпус электрометра с отрицательным кондуктором
машины, как .показано на рисунке 8. На этом рисунке
дана и потенциальная диаграмма, где нижний график
соответствует значению .потенциалов точек проводника,
колла точкой нулевого потенциала являлась земля,
а верхней линией дан график для второго случая, ког¬
да точкой нулевого потенциала является точка, при¬
надлежащая отрицательному кондуктору электроста¬
тической машины.
Не следует ставить опыт по определению потенциа¬
лов различных точек проводника бумажными листоч¬
ками (рис. 9),' так как этот опыт имеет принципиаль¬
ный порок: бумажные листочки, подвешенные на про¬
воднике (ленте), не могут измерять потенциалов точек
проводника, к которым они подвешены.
Большое значение в вопросе развития физических
представлений у учащихся имеет именно измерение
15
потенциала одной точки проводника относительно дру¬
гой, как это показано на рисунке 8, так как этот метод
подводит учащихся к сознательному использованию
такого важнейшего измерительного прибора, как
Мы уже говорили, что для постоянной разности
потенциалов на исследуемом проводнике АВ мы вы¬
нуждены всё время подводить противоположные заря¬
ды к концам этого проводника. Но откуда их взять?
^пгтт^
Рис. 9
Известно, что существует закон сохранения элек¬
трического заряда, согласно которому электрические
заряды не могут создаваться или уничтожаться. Изве¬
стно также, что каждый атом вещества обладает как
16
положительным, так и отрицательным зарядом в рав¬
ном количестве. Поэтому очевидно, что в любом источ¬
нике тока (генераторе) происходит разделение элек¬
трических зарядов и подведение их к концам цепи,
подключённой к источнику. Между разноимёнными
электрическими зарядами существуют силы кулонов¬
ского взаимодействия, поэтому разделение зарядов в
источнике возможно только иод действием каких-то
внешних сил неэлектрического происхождения. Работа
этих внешних сил .переходит во взаимную потенциаль¬
ную энергию разделённых зарядов, которая (при зам¬
кнутой внешней цепи) переходит в другие виды
энергии.
Допустим, что мы привели в соприкосновение два
разнородных тела (металлический и эбонитовый дис¬
ки) ; они наэлектризовались. Если мы их теперь разве¬
дём, то затраченная нами механическая энергия пере¬
ходит в потенциальную энергию взаимно разведённых
зарядов. Заряд одного тела обладает потенциальной
энергией относительно другого, что можно показать на
опыте с электрометром, присоединяя одно заряженное
тело к стержню прибора, а другое к корпусу (корпус
надо предварительно изолировать от стола). Соединяя
два эти наэлектризованных тела проводником, мы по¬
лучим кратковременный ток.
3. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ИСТОЧНИКЕ ТОКА
Разберём энергетические процессы, происходящие в
источнике тока, несколько подробнее.
Представим себе схематически источник тока в ви¬
де прямоугольника АВСИ (рис. 10). В источнике тока
на каждый электрический заряд действуют две силы.
Одна сила сторонняя: РС1, а другая сила электриче¬
ская: Рэя. Для упрощения рассмотрим только силы,
действующие на отрицательный заряд. Под действием
внешних сил происходит процесс перемещения элек¬
трических зарядов в источнике тока и образования
избыточных зарядов на его полюсах. В результате
этого величина электрической силы возрастает по мере
2 Зак. $9
17
роста избыточного заряда на полюсах, так кай проис¬
ходит усиление электрического поля внутри источника
тока.
Если величина внешней силы, действующей на за¬
ряд, и величина электрической силы будут одинако¬
выми, то дальнейшее разделение электрических заря¬
дов в источнике тока прекратится, и на его клеммах
(при разомкнутой внешней цепи) будет существовать
постоянное напряжение, определяемое работой внеш¬
них сил по перемещению единицы электрического
заряда на участке источника тока.
Замыкая внешнюю цепь, мы создаём в соединительном
проводнике электрическое поле, которое (при круговом
обходе цепи) будет направлено навстречу электриче¬
скому полю внутри источника тока (рис. 11). Электри¬
ческие заряды внешней цепи (электроны) придут в
движение, что и обусловит явление тока, а избыточ¬
ные заряды отрицательного полюса источника начнут
стекать во внешнюю цепь, в то время как на другом
полюсе происходит нейтрализация его положительного
заряда.
При малейшей убыли избыточного электрического
заряда на полюсах источника тока нарушается указан¬
ное выше равновесие электрических и сторонних сил,
действующих на заряды, находящиеся в источнике
тока, и начинается новое их разделение в источнике.
Процесс этого разделения происходит тем интенсивнее,
чем интенсивнее происходит стенание электрического
заряда во внешнюю цепь. Чем сильнее ток в цепи, тем
18
интенсивнее происходит в источнике тока процесс пре¬
образования одного из видов энергии (в электростати¬
ческой машине — механической) в энергию электри¬
ческого тока.
Это положение прекрасно можно иллюстрировать
ца опыте с той же самой электростатической машиной.
Соединяя кондукторы машины полупроводящими лен¬
тами различной ширины (или длины), мы можем наб¬
людать, что если проводимость ленты хорошая, то для
поддержания той же самой разности потенциалов на
концах .исследуемого проводника приходится машину
вращать значительно быстрее, т. е. в этом случае не¬
обходимо увеличить скорость преобразования энергии
в источнике тока. При вращении же машины с неиз¬
менной скоростью мы наблюдаем меньшее значение
напряжения на полюсах источника.
Это явление можно просто объяснить, если опять
обратиться к рисунку 11.
Известно, что работа сил электрического поля не
зависит от формы пути, по которому происходит пере¬
мещение электрического заряда. Поэтому работа сил
электрического поля при перемещении электрического
заряда между точками Л и В во внешней цепи будет
2*
19
равно работе сил электрического поля при перемеще¬
нии электрическою заряда между теми же тачками на
участке источника тока и отличается от последней
только знаком. Поэтому работа сил электрического
поля при перемещении заряда по замкнутой цепи равна
нулю. Таким образом, перемещение электрического
заряда по замкнутой цепи в конечном счёте опреде¬
ляется только работой внешних сил.
При разомкнутой внешней цепи, когда мы имели
равновесную картину распределения электрического
заряда в источнике тока, электрометр измерял потен¬
циал одного полюса источника относительно другого,
т. е. измерял величину, численно равную работе внеш¬
них сил по перемещению единицы электрического заря¬
да на участке источника тока и называемую электро¬
движущей силой источника. При замкнутой
внешней цепи мы имеем процесс движения электриче¬
ских зарядов не только во внешней цепи (в сторону
сил электрического поля),,но и в самом источнике тока
навстречу силам электрического, поля. Теперь уже не
вся работа внешних сил по перемещению единицы за¬
рядом, на участке источника тока перейдёт в потен¬
циальную энергию взаимно разделённых зарядов на
полюсах источника, а часть её будет израсходована на
преодоление сопротивления, возникающего при движе¬
нии заряда в источнике. Поэтому теперь потенциаль¬
ная энергия разделённых зарядов окажется меньше на
величину указанных потерь. Если раньше показания
прибора соответствовали той энергии, которую мог из¬
расходовать источник при перемещении единицы элек¬
трического заряда по всей замкнутой цепи, то теперь
его показания соответствуют той энергии, которую рас
ходует источник тока при перемещении единицы заря¬
да только на внешней цепи. Как видно, в случае замк¬
нутой цепи прибор показывает принципиально иную
величину, которая, вообще говоря, переменна для дан¬
ного источника и зависит от проводимости внешней
цепи. Эта величина называется напряжением.
Следовательно, э. д. с. источника больше напряжения
на его полюсах на величину внутренних потерь в ис¬
точнике тока.
20
Всё •сказанное об источнике электрического тока
можно иллюстрировать гидродинамической схемой,
представленной на рисунке 12. Мотор М вращает с по¬
стоянной скоростью насос N. Насос стоит в замкнутой
кольцевой системе с краном К. У .входного и выходно¬
го отверстий насоса стоят две манометрические труб¬
ки 1 и 2. При закрытом кране К (рис. 12, а) разность
уровней жидкости в .манометрических трубках (Н)
будет наибольшая; если кран открыть (рис. 12, б), то
разность уровней в манометрических трубках умень¬
шится. Разность потенциальных энергий столбиков
жидкости в манометрических трубках на рисунке 12, а
соответствует электродвижущей силе источника тока, а
разность потенциальных энергий столбиков жидкости
в .манометрических трубках на рисунке 12, 6 соответ¬
ствует напряжению на клеммах источника при замкну¬
той внешней цепи.
Такая упрощённая схема работы электрической
цепи даёт в общих чертах правильное представление
учащимся об этом чрезвычайно важном вопросе. Уче-
21
никам становится совершенно ясно, что в источнике
тока не происходит создание электрических зарядов, а
только их разъединение, связанное с процессом превра¬
щения механической (или какой-либо другой) энергии
в энергию электрическую.
С другой стороны, эта схема даёт возможность
отчётливее разобраться в процессах преобразования
энергии на различных участках электрической цепи: на
участке источника тока происходит преобразование,
вообще говоря, любого вида энергии в энергию элек¬
трическую, а во внешней цепи имеет место преобразо¬
вание электрической энергии в энергию тепловую, ме¬
ханическую и т. д.
4. ЗАКОН ОМА ДЛЯ ВСЕЙ ЦЕПИ
Переходя к законам электрического тока, остано¬
вимся несколько подробнее на законе Ома для всей
цепи, так как он вызывает наибольшие затруднения
при изучении.
Если попытаться ответить на вопрос: «В чём труд¬
ность усвоения закона Ома для всей цепи?», то нам
кажется, что вся трудность усвоения этого закона свя¬
зана с отсутствием достаточно наглядной эксперимен¬
тальной основы при его прохождении. Все наиболее
распространённые методические приёмы в школе, в
том числе и методические приёмы, указанные как
В. В. Крауклисо-м! в его статье «Закон Ома в средней
школе», опубликованной в журнале «Физика в школе»
№ 5 за 1950 г., так и Д. И. Сахаровым в
статье «Ещё раз о законе Ома в средней школе»,
опубликованной в журнале «Физика в школе» № 3 за
1951 г., базируются на косвенных методах доказатель¬
ства, что чрезвычайно' трудно для учащихся и препят¬
ствует восприятию глубокой сущности этого закона.
На какую же экспериментальную базу можно опе¬
реться при изложении этого вопроса? Как показывает
опыт работы на протяжении ряда лет, такой базой яв¬
ляется следующий эксперимент.
Берётся элемент специального типа, состоящий из
медной и цинковой пластинок достаточно больших раз¬
меров (например, от набора по электролизу Е. Н. Го-
22
рячкина), опущенных в раствор серной кислоты с до¬
бавлением двухромовокислого калия в качестве депо¬
ляризатора. В процессе эксперимента, если он будет
довольно длительным, деполяризатор придётся добав¬
лять по мере 'необходимости. Проводить эксперимент
с поляризующимся элементом довольно трудно, так
как приходится включать цепь только в момент изме¬
рений. Более удобным оказывается работа с неполя-
ризующимся элементом типа Лекланше, который надо
переделать таким образом, чтобы расстояние между
его электродами было значительно больше, чем тол¬
щина агломерата. Ещё удобнее вместо медной и Цин¬
ковой пластинок воспользоваться отформованными
пластинками аккумулятора, так как в этом случав не
придётся преждевременно говорить о поляризации и
способах борьбы с ней.
Стеклянный прозрачный сосуд для элемента бе-
рётоя таких размеров, чтобы была возможность рас¬
положить электроды на расстоянии 120—150 мм.
В качестве нагрузки для элемента используется
обычный реостат с подвижным контактом.
Ниже мы приведём результат контрольного экспе¬
римента с приборами магнитоэлектрической системы
класса 1. При постановке этого эксперимента в школе
могут быть использованы школьные демонстрационные
универсальные гальванометры, которые необходимо
соответствующим образом переградуировать с тем,
чтобы можно было использовать всю шкалу при изме¬
рениях и тем самым повысить точность измерений.
Общая схема установки показана на рисунке 13, где
ясно видно, что во внешнюю цепь элемента включён
миллиамперметр, на клеммы элемента включён пер¬
вый вольтметр (V,), а второй вольтметр приключён к
точкам электролита, находящимся в непосредственной
близости от электродов. Такое включение осуществ¬
ляется с помощью двух щупов, выполненных из оди¬
накового химически чистого металла (например, из
электролитической меди), или просто двух одинаковых
проводов, опущенных в раствор.
Надо обратить особое внимание на то, чтобы эти
щупы не касались электродных пластинок, но были в
23
непосредственной к ним близости. При такого рода
измерениях могут возникнуть два основных вопроса:
1. Не будут ли оказывать влияние на показания
второго вольтметра э.д.с., существующие в контуре
второго вольтметра (У2) (вольтметр, соединительные
провода, раствор).
2. Не будут ли влиять на показания первого вольт¬
метра щупы, находящиеся в растворе, которые в ка¬
кой-то степени изменят условия работы элемента.
Конечно, все эти влияния имеют место и на это
не следует закрывать глаза, но разве любой опыт, ко¬
торый 'МЫ ставим в школе, лишён побочных влияний,
мешающих измерениям? Дело в том, что необходимо
24
эт,й влияния предвидеть и стараться, если они заранее
не могут быть точно определены, скомпенсировать их
или свести к минимуму с тем, чтобы они практически
не отражались на показаниях наших приборов.
Вернёмся к эксперименту. Собрав схему установ¬
ки, измеряем напряжение ((/1) на клеммах элемента
при разомкнутой внешней цепи, а затем опускаем щу¬
пы второго вольтметра (Уа) и, прежде чем измерить
им напряжение, обращаем внимание на то, что пока¬
зания первого вольтметра от внесении двух щупов в
раствор электролита не изменяются, т. е. внесение в
раствор щупов, которые несоизмеримо меньше разме¬
ров электродных пластин, практически не отражается
на условиях работы элемента. В этом мы убеждаемся
и при всём дальнейшем ходе демонстрации. Показа¬
ния второго вольтметра (V2) будут равны нулю при
любом положении щупов в растворе, лишь бы они
не касались электродных пластинок. В этом мы убеж¬
даемся путём перемещении щупов в растворе. Произ¬
ведённые измерения говорят о том, что падение на¬
пряжения 1 на внутреннем сопротивлении элемента
при разомкнутой внешней цепи отсутствует.
1 Необходимо напомнить, что вольтметр измеряет разность
потенциалов двух точек цепи, которую принято в школьных учеб¬
никах называть напряжением.
Напряжение на участке цепи, не содержащем э. д. с., может
так же быть определено произведением / • и Если данный учас¬
ток цепи содержит э. д. с., то показания вольтметра (т. е. напря¬
жение) уже не будут совпадать с произведением / Р.
Действительно, если в участок цепи, на концах которого мы
измеряем разность потенциалов, включить источник тока так,
чтобы его э. д. с. совпадала с направлением тока на данном уча¬
стке, то показания вольтметра при соответствующем токе на¬
грузки обратятся в нуль, однако совершенно очевидно, что ток
в цепи не равен нулю (о чём можно судить по показаниям ам¬
перметра), а следовательно, и произведение ' Р не равно нулю.
Поэтому в настоящей статье употребляется термин «падение
напряжения», под которым понимается физическая величина,
определяемая тепловыми потерями, связанными с прохождением
единицы электрического заряда на участке данного сопротивле¬
ния, т. е. падение напряжения определяется произведением '•/?.
В частном случае для участка цепи, не содержащем э. д; с.,
значение напряжения и падение напряжения совпадают, а следо¬
вательно, падение напряжения может быть измерено вольтметром.
25
Установив щупы второго вольтметра у самых элект¬
родов, замыкаем внешнюю цепь и, плавно изменяя
нагрузку, записываем показания всех приборов.
При таком расположении щупов выпадают из рас¬
смотрения небольшие участки внутренней цепи в об¬
ласти двойных электрических слоёв, расположенных
у электродов элемента, однако, ввиду того что тол¬
щина этих двойных слоёв имеет величину порядка
10~6 см, а площадь поперечного сечения их сравни¬
тельно опромна, то ошибка при измерении падения
напряжения на внутреннем сопротивлении источника
практически обнаружена быть не может.
Проводимые здесь измерения силы тока играют
второстепенную, служебную роль. Они дают возмож¬
ность графически обработать результаты измерений,
т. е. дают возможность построить график изменения
напряжений в функции тока нагрузки. При коротком
замыкании внешней цепи приходится ограничиться
показаниями одних только вольтметров, так как от¬
носительно значительное сопротивление миллиампер¬
метра сравнительно с сопротивлением цепи застав¬
ляет выключить его из охемы. Величина тока «корот¬
кого замыкания» может быть найдена из графика по
соответствующему значению напряжения методом ин¬
терполяции.
Приводим результаты измерений
№
п/п
Сила тока в
т А
и2
1
0
1,06
0
1,06
2
130
0,88
0.15
1,03
3
175
0,80
0,22
1,02
4
230
0,71
0,29
1,00
5
290
0,65
0,35
1,00
6
кор. зам.
0,21
0,81
1,02
Из анализа этой таблицы очевидно, что сумма па¬
дений напряжений на внешнем и внутреннем сопро¬
тивлениях элемента равна некоторой постоянной ве¬
личине, незначительные колебания которой лежат
26
(как показывают расчёты) б пределах погрешности
при измерениях.
Эта таблица показывает также закон перераопре*
деления напряжений в цепи с изменением нагрузки.
Обозначая указанную постоянную величину (1!{ + (/2)
буквой а, можем написать, что 1/г + ^2 = Я-
Вскроем физический смысл этой постоянной вели¬
чины. Если сумма внешнего и внутреннего падений
напряжений остаётся постоянной величиной при лю¬
бом режиме работы цепи, то эта величина, следова¬
тельно, является энергетической характеристикой дан¬
ного элемента. Она определяет способность элемента
к расходу энергии при передвижении каждой едини¬
цы заряда по замкнутой цепи, т. е. является мерой
энергетических превращений внутри источника тока.
Учащимся должно быть известно, что в источнике
тока происходит процесс превращения химической,
механической и других видов энергий неэлектричеоко-
го происхождения в энергию электрическую, кото¬
рая в свою очередь превращается (расходуется) в
другие виды энергии на участках электрической цепи.
В давнем случае на участке источника тока проис¬
ходит процесс разделения электрических зарядов в
результате химического взаимодействия и образова¬
ние избыточного заряда на клеммах источника тока.
Мы уже знаем, что избыточный электрический заряд
в случае отсутствия внешней цепи создаёт внутри
источника электрическое поле, которое сначала пре¬
пятствует разделению электрических зарядов, а затем
и полностью прекращает дальнейшее их разделение.
В случае химического источника тока этот процесс
имеет место только в непосредственной, близости к
электродам (в области двойных электрических слоёв),
т. е. в толщине слоя электролита, непосредственно
прилегающего к электроду и имеющего толщину по¬
рядка КГ6 см. В остальной массе электролита (если,
конечно, он однороден по плотности и концентрации)
никаких энергетических превращений нет и никакого
электрического поля не существует (при разомкнутой
цепи), о чём и говорят показания второго вольтметра,
равные нулю. Эта масса электролита, в которой соз-
27
даётся электрическое поле и движение электрического
заряда только при замыкании цепи, по существу иг¬
рает роль внешнего сопротивления, но так как на ве¬
личину этою сопротивления при работе источника
тока мы влиять не можем и в энергетическом балансе
всей цепи энергию, расходуемую на продвижение элек¬
трических зарядов через электролит, «мы не можем ис¬
пользовать полезно, то сопротивление электролита
принято относить к внутреннему сопротивлению источ¬
ника тока.
Следовательно, передвижение единицы электриче¬
ского заряда -по замкнутой цепи с гальваническим ис¬
точником тока в конечном «счёте определяется также
работой внешних сил, которая совершается только на
участке источника и которая превращается в энер¬
гию электрического тока. Электрический ток, проходя
по замкнутой цепи, создаёт падение напряжения на
отдельных участках цепи, определяемое только тепло¬
выми потерями (//?), возникающими при прохождении
единицы заряда через эти участки. Следователь¬
но, постоянная величина я, равная сумме падений на¬
пряжений в замкнутом контуре, численно равна э.д.с.
источника тока, т. е.
Так как = и С72 = /г,
где /? — внешнее сопротивление,
г — внутреннее сопротивление,
то
Е=1В-\-/г = 1(В+г)
или
а это и есть выражение закона Ома для всей цепи.
Рассмотрение цепи с гальваническим элементом
осложняется тем обстоятельством, что в этой цепи
мы имеем! не один, а два участка, где происходит
превращение химической энергии в энергию электри¬
ческую. Известно, что всегда при соприкосновении
твёрдого проводника с жидким происходит образова¬
ние на соприкасающихся поверхностях двух слоёв
28
электрических зарядов; на одйом теле появляется по¬
ложительный электрический заряд, а «а другом — от¬
рицательный. Известно также, что эти электрические
заряды не могут нейтрализовать друг друга, так как
их разделение поддерживается внешними силами.
При всякой нейтрализации зарядов этих слоёв, кото¬
рое возможно только через внешнюю цепь, происходит
новое их разделение, которое и поддерживает по¬
стоянное напряжение на клеммах источника при не¬
изменной нагрузке. Поэтому всякий гальванический
элемент состоит как бы из двух элементов, или, го¬
воря точнее, из двух полуэлементов: медь — серная
кислота, серная кислота—цинк. В каждом из этих по¬
луэлементов имеет место вышеуказанный 'энергети¬
ческий процесс, о чём качественно можно судить, из¬
меряя разность потенциалов с помощью щупов между
раствором и медью и между раствором! и цинком. Из¬
мерения следует произвести так, чтобы концы щупав
в момент измерения находились в растворе. Схема
для этих измерений показана на рисунке 14.
Чрезвычайно плодотворной оказывается графиче¬
ская обработка измерений (рис. 15), так как она на>-
глядно вскрывает закон перераспределения напряже¬
ний в замкнутой цепи.
Если каждый ученик увидит, что напряжение на
клеммах элемента в случае замкнутой цепи есть паде-
29
нме наорйжёния йо Внешней цепи, а э.д.с. элемента
есть мера особого энергетического процесса в элемен¬
те, независящего от нагрузки элемента, и измеряется
суммой внешнего и внутреннего падений напряжений,
то тем самым будет положен конец распространённой
ошибке совмещения понятий э.д.с. и напряжения на
клеммах элемента.
Рис. 15
Остаётся разобрать случай' непосредственного из¬
мерения э.д.с. вольтметром на клеммах «разомкнуто¬
го» элемента. Какое мы имеем право производить эти
измерения и что мы в действительности измеряем
этим методом? Обратимся опять к опыту.
Включим вольтметр (У2) опять таким образом,
чтобы он измерял падение напряжения внутри элемен¬
та, а вольтметр (У О включим на клеммы элемента
при отсутствии внешней нагрузки. Напомним, что
внутреннее сопротивление элемента порядка одного
ома, а сопротивление вольтметра порядка 1000—
1500 омов. Естественно, что включённый вольтметр
замкнёт цепь элемента через своё собственное сопро¬
тивление и будет измерять падение напряжения на
своём собственном сопротивлении. Измеряя сумму
падений напряжений во всей цепи, мы видим, что вто¬
рое слагаемое суммы (падение напряжения на внут¬
реннем сопротивлении элемента) очень близко к нулю
30
й им практически можно пренебречь. Такое распреде¬
ление напряжений в замкнутой цепи вызвано соответ¬
ствующим рас прсделением сопротивления цепи. Сле¬
довательно, с достаточной для практики точностью
мы говорим, что напряжение «а клеммах разомкну¬
того элемента равно его э.д.с. Конечно, это соотноше¬
ние справедливо тем в большей степени, чем больше
сопротивление вольтметра или, говоря точнее, чем
меньше потребляемая им мощность. Оно становится
точным только при электростатических метода» изме¬
рения напряжения.
Метод экспериментального определения суммы па¬
дений напряжений в замкнутой цепи может быть рас¬
пространён и на электромагнитный источник тока'.
Для этой цели воспользуемся рисунком 16. На этой
схеме представлены два источника тока:
Я,
Е\—исследуемый электромагнитный источник тока,
Е2—вспомогательный источник тока е любой э.д.с.
В качестве нагрузки используется ползунковый
реостат.
Изменяя положение ползункового реостата при
неподвижном якоре генератора, измеряют падение
1 Этот метод был разработан совместно с Ю. В. Басовым.
31
напряжения «а нём при различных токах нагрузки.
Результаты измерений заносят в таблицу:
/ нагр.
17 ген.
Л
17х ген.
^2
(/* ген.
/З
1/ь ген.
Затем, выключив вспомогательный источник тока,
собирают схему по рисунку 17. Изменяя нагрузку на
генератор, создают в цепи те же самые токи, которые
были созданы при предыдущих измерениях. Очевид¬
но, что внутренние падения напряжения в генераторе
будут опять прежними, а внешние падения напряже¬
ния измеряются непосредственно. Результаты измере¬
ний сводят в таблицу:
^нагр.
^геи.
| ^нагр.
^ген.-^ ^нагр.
17> ген.
17} нагр.
17\ нагр. ген. = а
/«
ген.
(Л нагр.
172 нагр. + Пч ген. = а
к
С/ъ ген.
17д нагр.
1/8нагр. + 17з ген. = а
т. е. сумма падений напряжений во внешней и внут¬
ренней цепи генератора есть величина постоянная,
равная э.д.с. генератора.
32
Конечно, не? необходимости перегружать этот раз¬
дел экспериментом и показывать работу различных
видов источников, но работу одного из источников
(в зависимости от оборудования кабинета) следует
дать основательно.
5. ПЕРЕМЕННЫЙ ОДНОФАЗНЫЙ ТОК
Не останавливаясь на таких чрезвычайно важных
разделах, как электромагнетизм и электромагнитная
индукция, требующие специального и подробного рас¬
смотрения, упомянем! только, что в этих разделах мы
даём понятие магнитного потока, а закон электромаг¬
нитной индукции формулируем не только относитель¬
но скорости пересечения магнитного поля, но и отно¬
сительно скорости изменения магнитного потока, про¬
низывающего контур. Это даёт нем возможность
оильно облегчить изучение ряда последующих разде¬
лов и в то же время даст возможность вести изложе¬
ние не более высоком теоретическом уровне. Без по¬
нятия магнитного потока немыслимо рассмотрение ра¬
боты такого важного прибора, которым является
трансформатор.
Переходим теперь к рассмотрению переменною од¬
нофазного тока. Изучение этого раздела мы начинаем
с равномерного вращения рамки в однородном маг¬
нитном поле, создаваемом между плоскими полюсами
N и 5 (рис. 18).
Напоминаем! учащимся закон электромагнитной
индукции в виде:
Е=В • I • Уп,
где Е — э.д.с. индукции,
/ —длина проводника,
Уп — скорость пересечения магнитносилового
поля проводником, т. е. нормальная отно¬
сительно поля составляющая линейкой ско¬
рости вращающейся активной стороны
рамки.
3 Зак. 89
33
Из геометрических соображений нетрудно опреде¬
лить, что
Уп = V • соз Р = V • соз (90—а) = V • згп а;
подставляя это значение в ' уравнение электромагнит-
•юй индукции, получим:
Е = В ■ I • V 51П а,
О
откуда видно, что если а — 0°, то и Е = 0, а если
а =90° то и Е достигает по абсолютной величине
своего наибольшего значения, равною произведению
В 'I - V Следовательно, обозначая наибольшее значе¬
ние э.д.с. через Е т можно написать:
Ет — В ■ I ■ V,
и, делая подстановку, окончательно получаем для
электромагнитной индукции выражение вида:
Е = Ет зш а,
т. е. мгновенное значение электродвижущей силы,
возникающей при равномерном вращении рамки в од¬
нородном магнитном поле, равно произведению мак¬
симального значения э.д.с. на синус угла поворота
34
рамки. Закон изменения э. д. с. в функции угла поворо¬
та рамки относительно нейтральной плоскости 00'
можно представить графиком, изображённом на рисун¬
ке 19. Если мы вращающуюся рамку замкнём на
внешнее сопротивление, то в цепи возникнет ток, зна¬
чение которого в каждый момент времени будет про¬
порционально э.д.с. согласно закону Ома для всей це¬
пи, т. е.
1~ Я + г’
где Я — внешнее сопротивление цепи,
г —внутреннее сопротивление источника тока.
Подставляя в последнее уравнение значение э.д.с.,
получим:
I:
Е„
а __Е„
- 51П а.
Я-\-г Я+г
Величина для данной цепи есть постоянная,
равная наибольшему значению тока; обозначая её че¬
рев /,„, можно написать:
I = 1т 31П а.
Вспоминая из раздела механики, что
а = а>{,
где <о—угловая скорость,
I —время вращения,
окончательно получим уравнение, определяющее
закон изменения тока во времени:
I = 1т 31П <о 1,
3*
35
т. е. мы получим уравнение, которое показывает,
что в нашей цепи ток с течением времени изменяется
по синусоидальному закону. Такой ток получил в тех¬
нике название синусоидального переменного тока и
графиком такого тока будет синусоида (рис. 20).
Время, в течение которого переменный ток прини¬
мает все свои значения и по истечении которого про¬
цесс повторяется в том же порядке, называется пе¬
риодом и обозначается буквой Т. Очевидно, что при
данной схеме один оборот рамки соответствует одно¬
му периоду тока.
Число периодов тока в одну секунду определяет
частоту переменного тока, которую принято обозна¬
чать буквой /. Следовательно, период и частота свя¬
заны соотношением:
Было бы очень желательным показать осцилло¬
грамму переменного тока городской сети, но перемен¬
ный ток можно продемонстрировать и с помощью
очень скромных средств. Для этого надо иметь источ¬
ник постоянного тока (элемент или аккумулятор),
реостат с ползунковым контактом, любое нагрузочное
сопротивление и два демонстрационных универсаль¬
ных гальванометра, один из которых надо использо¬
вать в качестве амперметра, а другой — вольтметра.
36
Собрав схему, как указано на рисунке 21 (где вид¬
но, что от средней точки реостата О идёт дополни¬
тельный отвод), и плавно перемещая ползунок реоста¬
та Я по всей шкале, мы в цепи нагрузки получим пе¬
ременный ток. Правда, этот переменный ток не будет
синусоидальным, но учащиеся увидят, что закон из¬
менения тока соответствует закону изменения прило¬
женного к цепи напряжения.
Гораздо целесообразнее воспользоваться для по¬
лучения переменного тока действующей моделью ге¬
нератора переменного тока, как это показано на ри¬
сунке 22.
Модель генератора состоит из укреплённого на
оси витка В, концы которого оканчиваются на сколь¬
зящих кольцах. Скользящие кольца через посредство
щёток и гибких проводов соединены с клеммами К мо¬
дели генератора. Виток вращается в пространстве
между двумя брусками (Л и 5), символизирующими
собой полюсы генератора.
На оси витка О с задней стороны прибора закреп¬
лён скользящий контакт С/С и ползунок Я, скользя¬
щий по сопротивлению /?, намотанному на тонкую
пластинку. Кольцо скользящего контакта С/С и ползу¬
нок Я соединены между собой проводничком, изобра¬
жённым на схеме в виде спирали.
37
От середины сопротивления /? в точке О имеется
отпайка; таким образом, между скользящим контак¬
том СК и средней точкой О сопротивления Р будет
существовать 'напряжение, которое при равномерном
вращении рамки за ручку Р будет изменяться почти
строго по синусоидальному закону (незначительные
отклонения напряжения от синусоидального закона
не имеют здесь практического значения). Это напря¬
жение и подаётся на клеммы модели генератора. Вся >пе-
38
редняя сторона представляет собой модель витка в
магнитном поле, и надо 'Предусмотреть, чтобы не по¬
лучилось закорачивания клемм -генератора.
Вполне очевидно, что этот прибор является преоб¬
разователем постоянного тока в переменный. Также
очевидно, что во вращающемся витке не индуктиру¬
ются никакие токи, но зато этот прибор обладает и
преимуществами, которых лишены все другие прибо¬
ры. Эта модель обладает хорошими демонстрацион¬
ными качествами, оставляет у учащихся 'чёткий зри¬
тельный образ и даёт возможность простыми средст¬
вами исследовать характер переменного тока, что ра¬
нее было возможно только с применением! осциллоира-
фических методов и было совершенно недоступно для
школ, лишённых электрического тока.
Основным недостатком прибора я.вляется наличие
э.д.с. на клеммах генератора при отсутствии враще¬
ния витка, но этот недостаток одновременно являет¬
ся источником его важнейшего преимущества: вели¬
чина э.д.с. -на клеммах точно равна мгновенному зна¬
чению э.д.с., которая должна существовать в витке
при его прохождении через данное 'положение. Мгно¬
венное значение э.д.с. переменного тока становится
как бы доступно измерению обычным вольтметром.
Чтобы избежать неправильных представлений, могу¬
щих возникнуть у учащихся в связи с этим положе¬
нием, учитель должен непременно раскрыть принци¬
пы работы этой действующей модели генератора пе¬
ременного синусоидального тока.
Включим на клеммы генератора вольтметр и, по¬
ворачивая виток -В, станем записывать показан»:!я
вольтметра в функции угла поворота витка. Углы из¬
меряются по шкале Ш, нанесённой на передней сто¬
роне прибора. По полученным результатам можно
построить график э.д.с. (Е) в функции угла поворота
витка (а) и убедиться (конечно, с известной степенью
точности), что любое мгновенное значение э.д.с. (Е)
равно максимальному её значению (Ет ), умноженно¬
му на синус угла попорота витка.:
Е = Ет $ш а.
Включая во внешнюю цепь нагрузку и амперметр,
можно точно так -же проверить и закон изменения
тока:
1 = 7т8ш а.
Настоящий прибор находит себе чрезвычайно по¬
лезное применение при исследовании различных вы¬
прямительных схем -без применения осциллографа.
Для этой же цели, правда, с меньшим эффектом, мож¬
но воспользоваться одним реостатом со средней точ¬
кой, как это показано на рисунке 21. В последнем
случае явление можно наблюдать только качественно,
так как будет невозможно построить график выпрям¬
ленного тока.
Собирая схему купроксного выпрямителя (или со¬
дового) по рисунку 23 и подавая на клеммы А и В
переменное напряжение от генератора, можно опять
вышеуказанным способом произвести измерения тока
и напряжения в функции угла поворота рамки и по¬
строить графики напряжения и тока, доказав тем са¬
мым характер односторонней проводимости выпрями¬
тельного элемента.
Построение графиков выполнено на том же самом
рисунке 23. По оси абсцисс вместо угла поворота
рамки ( о.) можно откладывать время (/), так как
угол поворота рамки при равномерном её вращении
пропорционален времени.
Аналогичным образом можно исследовать и схему
купроксного (или любого другого) двухполупериодно-
го выпрямителя, изображённою та рисунке 24, где
графически представлены и результаты исследования.
В этой схеме, как и во всех '.последующих, напряже¬
ние от генератора подаётся опять на входные клеммы
А и В. Схему не поясняем, так как её работа ясна из
Заменяя в схеме рисунка 24 купроксный выпрями¬
тель двухэлектродной лампой, как показано на ри¬
сунке 25, можно детально исследовать её односторон*-
41
нюю проводимость и результаты исследования опять
представить графически.
На рисунке 26 представлен двухполупериодны 11
электронный выпрямитель, только вместо трансфор¬
матора используется некоторое сопротивление г, вели¬
чина которого порядка нескольких сотен омов. Это
необходимо сделать потому, что э.д.с., индуктируемая^
во вторичной обмотке трансформатора (Е2)у при низ¬
кой частоте тока очень мала (Ег=4,44 Ф •/•■&*, 10“6
вольт, где Ф — магнитный поток, пронизывающий вто¬
ричную обмотку трансформатора, /—частота тока, до2—
число витков вторичной обмотки трансформатора). Кро¬
ме того, применяя трансформатор, мы теряем возмож¬
ность измерять мгновенные значения тока и напряже¬
ния. Сопротивление нагрузки (/?) включено между
катодами ламп и средней точкой сопротивления г. Ра-
42
бота схемы тоже чрезвычайно проста и не требует
пояснений. Результаты исследования аналогичны
графикам рисунка 24.
Эта же модель генератора может оказаться чрез¬
вычайно удобной и при различных видах других ис¬
следований, например: при исследовании усилитель¬
ного каскада, представленного на рисунке 27. Пода¬
ваемое от генератора слабое напряжение на проме¬
жуток сетка-катод трёхэлектродкой лампы непрерыв¬
но измеряется вольтметром \Л. Амперметр, стоящий в
цепи анода, измеряет силу тока, а вольтметр Уг изме¬
ряет величину падения напряжения /на анодном со¬
противлении. Результаты наблюдений представле/ны
графически соответственно около каждого прибора.
При желании демонстрировать на описанном при¬
боре зависимость величины э.д.с. от скорости враще¬
ния витка, необходимо данную модель дополнить
трансформатором, укрепляемым) с задней стороны па¬
нели. На первичную обмотку этого трансформатора
следует подать напряжение от потенциометра, а вто¬
ричную обмотку надо соединить с клеммами К генера-
43
тора. Теперь э.д.с. на клеммах генератора будет про¬
порциональна скорости вращения витка и полностью
исчезать при его остановке. Для использования при¬
бора в обоих указанных случаях необходимо поста¬
вить переключатель, используя для этой цели трёх¬
полюсный рубильник, как это показано на рисунке 28.
Правое положение рубильника соответствует работе с
трансформатором, левое — без трансформатора.
Действующую модель генератора очень хорошо
можно использовать на внеклассных электротехниче¬
ских занятиях, где с её помощью можно показать
углы сдвига фаз между током и напряжением на ин¬
дуктивном и ёмкостном сопротивлениях, используя
для этой цели те же самые универсальные демонстра¬
ционные гальванометры. При равномерном вращении
генератора мы будем наблюдать неоднювременяость
движения стрелок приборов. Например: на индуктив¬
ном сопротивлении стрелка вольтметра достигает
наибольшего омещения, тогда как стрелка ампермет¬
ра проходит через нуль, а это значит, что ток на ин¬
дуктивном сопротивлении отстаёт по фазе от создаю¬
щего его напряжения на периода, или на 90°.
Вопросы трёхфазиого тока мы не рассматриваем,
так как они не предусмотрены действующей про¬
граммой.
Цсйа 55 коп.
л1±1 3-1