ш
КСПЕрИМЕНТ
по курсу
ЭЛЕМЕНТАРНОЙ
фИЗИКИ
ЧАСТЬ
5

Гьорг Шпрокхоф
КСПЕрИМЕНТ
по курсу
ЭЛЕМЕНТАРНОЙ
(ризики
частЬ
5
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО
(ОСНОВНОЙ КУРС)
перевод с немецного
А. П. ЛОМАНА И Э. А. ЛОМАНА
под редакцией,
проф. ЖЛ.внаменского
проф.
ИЗДАТЕЛЬСТВО „ПРОСВЕЩЕНИЕ"
МОСКВА ~ 19 6 7

6-5
185-67

СОДЕРЖАНИЕ
От редакторов перевода и переводчиков 9
Введение 11
Глава I. Постоянное электрическое поле
§ 1. Методическая записка 15
§ 2. Напряжение. Заряд 20
1. Демонстрация напряжения (!) 20
2. Напряжение между двумя заряженными телами (!) . . 22
3. Импульс тока при разряде (!) 23
* 4. Действие баллистических измерительных приборов.
Импульс тока 25
* 5. Разделение зарядов 27
* 6. Перенос зарядов (!) 29
7. Моделирование процесса предгрозовой электризации туч 31
§ 3. Силы в электрическом поле 33
8. Силовое взаимодействие двух заряженных тел .... 33
9. Направление сил в электрическом поле 34
* 10. Демонстрация силовых линий электрического поля . . 37
* 11. Измерение при помощи маятника сил, действующих на
заряд, внесенный в поле 41
* 12. Вывод закона Кулона (в общем виде). Исследование сил
взаимодействия зарядов на крутильных весах Шюрхольца 43
13. Создание и разрушение электрического поля (!)... 47
14. Действие острия, выступающего на поверхности
заряженных тел (!) 49
15. Получение на ленточном генераторе регулируемого
высокого напряжения (!) 51
16. Модель электрофильтра для очистки воздуха от пыли
и дыма. Явление электрофореза (!) 52
17. Демонстрация при помощи зонда-пламени
электрического поля Земли 53
§ 4. Напряженность электрического поля 55
18. Зависимость напряженности поля от сил, действующих в
однородных полях (!) 55
19. Моделирование установки для определения величины
элементарного заряда (кванта электричества) .... 59
§ 5. Электроемкость. Диэлектрические постоянные 61
20. Зарядка и разрядка конденсатора (!).... 61
* 21. Зарядка конденсатора при постоянном напряжении и
определение величины нанесенного заряда (!).... 62
3

* 22. Электроемкость (!) 63
* 23. Определение электроемкости конденсатора при помощи
баллистического гальванометра 65
* 24. Зависимость электроемкости конденсатора от площади
взаимопокрытия пластин и расстояния между ними . . 69
* 25. Определение абсолютной диэлектрической
проницаемости (электрической постоянной) (!) 72
* 26. Определение относительной диэлектрической
проницаемости твердых и жидких диэлектриков (!) 75
* 27. Определение емкости конденсатора прямым измерением
и методом сравнения (!) 78
* 28. Сравнение емкости двух конденсаторов при помощи
мостика Уитстона (!) 80
* 29. Параллельное и последовательное соединение
конденсаторов (!) 83
§ 6. Электрическая индукция 84
30. Индукция пары металлических пластин в поле
плоского конденсатора 84
31. Явление индукции на полых металлических цилиндрах 87
32. Заряжение электроскопа через влияние 88
Глава И. Постоянное магнитное поле
§ 7. Методическая записка 90
§ 8. Техническое применение электромагнитов 93
33. Модель электромагнитного замка 93
34. Модель телефонного клапана-блинкера 94
35. Модель магнитного отделителя железных примесей . . 95
36. Модель электрического датчика, перемещающего
стрелки часов 96
37. Модель для демонстрации действия телефона .... 98
§ 9. Напряженность магнитного поля 100
* 38. Исследование напряженности магнитного поля внутри
катушки при помощи рычажных весов 100
39. Магнетометр для исследования напряженности
магнитного поля внутри катушки 102
* 40. Исследование напряженности магнитного поля внутри
катушки при помощи магнитного указателя 105
* 41. Определение горизонтальной составляющей магнитного
поля Земли 106
§ 10. Магнитная проницаемость 107
42. Моделирование доменов (ячеек Вейса) и их поведения в
кристалле железа (!) 107
43. Акустическое восприятие смещения границ доменов.
Эффект Баркгаузена 109
* 44. Приближенное определение относительной магнитной
проницаемости методом отрыва ПО
* 45. Определение магнитной проницаемости измерением
импульса тока 112
* 46. Экранирующее действие железа 114
* 47. Демонстрация остаточного магнетизма в замкнутых
железных сердечниках 115
* 48. Демонстрация точки Кюри 116
49. Исследование петли гистерезиса при помощи катодного
осциллографа (!) 116
4

Глава III. Электромагнитная индукция
§11. Методическая записка 119
§ 12. Процесс электромагнитной индукции 123
50. Возникновение э. д. с. индукции в проводнике,
движущемся в постоянном магнитном поле 123
51. Возникновение э. д. с. индукции в катушке при ее
перемещении в поле постоянного магнита 125
52. Возникновение индукционного тока в проводнике,
внесенном в переменное поле электромагнита 127
* 53. Зависимость э. д. с. индукции от скорости изменения
магнитного потока 128
* 54. Зависимость э. д. с. индукции от напряженности
магнитного поля, площади охвата поля витком и от числа
витков 131
* 55. Вывод основного закона индукции 134
* 56. Исследование закона Ленца 137
57. Эксперимент с катушкой и кольцами Томсона (!) . . 137
§ 13. Трансформаторы 138
* 58. Трансформаторы переменного тока низкой частоты . . 138
* 59. Условия трансформации тока 140
60. Повышающий трансформатор (!) 142
61. Понижающий трансформатор (!) 144
62. Изменение напряжения и силы тока при помощи
трансформатора 145
* 63. Коэффициент полезного действия трансформатора . . 147
* 64. Потеря энергии в трансформаторах без нагрузки . . 149
65. Автотрансформатор 150
* 66. Модель линии передач электрической энергии на
дальнее расстояние . 152
67. Точечная сварка. Моделирование установки (!) ... 153
68. Модель индукционной печи (!) 154
69. Трансформатор к измерительным приборам для
включения их в высоковольтные линии (!) 155
70. Модель свечи зажигания двигателей внутреннего
сгорания 156
71. Импульсивный датчик. Модель «электрического пастуха» 157
§ 14. Самоиндукция 161
72. Самоиндукция в цепи постоянного тока при включении в
нее вибропрерывателя (молоточка Вагнера) 161
73. Демонстрация при помощи лампочки тлеющего разряда
явления самоиндукции в момент размыкания цепи
постоянного тока 162
74. Демонстрация явления самоиндукции при включении и
выключении лампочек накаливания 163
75. Демонстрация явления самоиндукции при помощи
вольтметра 164
76. Влияние катушки индуктивности на горение
электрической дуги, включенной в цепь постоянного тока (!) 166
77. Модель индукционной катушки Румкорфа Гб8
78. Зажигание люминесцентных ламп (!) 168
§ 15. Вихревые токи 169
79. Взаимодействие магнитного поля магнита с магнитным
полем вихревых токов. Маятник Вальтенхофена . . . 169
80. Круг Араго 171
81. Круг Араго в модели тахометра 172
82. Модель демпфера, основанного на возникновении
вихревых токов 173
5

83. Вихревые токи в сплошных сердечниках и сердечниках,
собранных из изолированных пластин (!) 174
84. Модель электрического счетчика переменного тока (!) 175
Глава IV. Электрические генераторы и двигатели
§ 16. Методическая записка 177
§ 17. Генераторы и электрические двигатели постоянного и
переменного тока 181
* 85. Модель генератора тока с постоянным магнитом . . 181
* 86. Модель генератора с электромагнитом 184
* 87. Генератор переменного тока высокого напряжения с
вращающимся магнитным полем 185
* 88. Модель шунтового и сериес-генератора постоянного тока 186
* 89. Модель синхронного двигателя переменного тока . . 188
* 90. Модели двигателей постоянного тока 190
* 91. Двигатель постоянного тока как генератор 193
92. Модель коллектора из двух полуколец 194
§ 18. Генераторы и двигатели трехфазного тока 196
* 93. Получение трехфазного тока с симметричным смещением
фаз 196
94. Взаимодействие вращающегося магнитного поля с
замкнутым витком 197
* 95. Модель генератора трехфазного тока с посторонним
возбуждением 198
* 96. Соединение генератора трехфазного тока с потребителем
звездой и треугольником 199
* 97. Модель двигателя трехфазного тока 201
* 98. Переход от схемы звезды к схеме треугольника.
Рычажный и валиковый переключатель 203
§ 19. Демонстрационные модели генераторов и двигателей
трехфазного тока 206
99. Демонстрационная модель генератора трехфазного тока 206
* 100. Распределение напряжений в катушках генератора
трехфазного тока 209
101. Исследование генератора трехфазного тока 210
102. Возникновение вращающего магнитного поля.
Простейшая модель двигателя трехфазного тока 212
* 103. Демонстрация вращающего действия трехфазного тока
городской сети (!) 213
* 104. Модели роторов двигателей трехфазного тока (!). . . 214
Глава V. Цепи переменного тока
§ 20. Методическая записка 216
§21. Демонстрация цепей переменного тока 218
* 105. Получение переменного тока малой частоты 218
106. Демонстрация характера переменности тока при
помощи шлейфового осциллографа 220
107. Демонстрация переменного тока при помощи
осциллографа из лампочек тлеющего разряда. Трехфазный
осциллограф (!) 220
108. Сопоставление переменного тока неизвестной частоты с
током известной частоты 223
109. Модель частотомера переменного тока и
преобразователя Румкорфа 224
§ 22. Сопротивление цепей переменного тока 225
ПО. Активное (омическое) сопротивление в цепях
переменного тока 225
6

111. Реактивное (индуктивное) сопротивление в цепях
переменного тока 226
112. Дроссели в цепях постоянного и переменного тока . . 228
* 113. Зависимость индуктивного сопротивления в цепях
переменного тока от индуктивности катушек и частоты тока 230
* 114. Определение индуктивного сопротивления цепей
переменного тока и индуктивности катушек (!) 233
* 115. Включение конденсаторов в цепи постоянного и
переменного тока. Емкостное сопротивление (!) 234
* 116. Зависимость емкостного сопротивления цепей
переменного тока от включенных в них емкостей и от
частоты тока (!) 236
* 117. Определение емкостного сопротивления цепей
переменного тока (!) 237
* 118. Емкостное и индуктивное сопротивление в цепях
переменного тока (!) 238
§ 23. Сдвиг фаз в цепях переменного тока 242
* 119. Демонстрация сдвига фаз при помощи амперметра и
вольтметра (!) 242
* 120. Демонстрация сдвига фаз при помощи лампочек
тлеющего разряда при больших сопротивлениях (!). . . . 245
* 121. Демонстрация сдвига фаз при помощи лампочек
тлеющего разряда при малых сопротивлениях 246
* 122. Сдвиг фаз в резонирующих цепях 247
§ 24. Эффективное напряжение и эффективная сила тока в цепях
переменного тока. Работа и мощность в цепях переменного
тока 248
123. Поведение приборов магнитоэлектрической системы в
цепях переменного тока (!) 248
* 124. Измерение эффективной силы тока и эффективного
напряжения (!) 249
* 125. Сравнение максимального и эффективного значения
напряжения (!) 252
* 126. Расчет мощности по величинам эффективных значений
напряжения и силы тока (!) 254
* 127. Кажущаяся мощность переменного тока. Активная
мощность. Определение «косинуса фи» (!) 256
§ 25. Измерение частот и фазового угла. Частотография 259
* 128. Демонстрация переменности тока и измерение его
частоты при помощи пылевых фигур. Частотограф (!) . . 259
* 129. Демонстрация сдвига фаз между проводами сети
трехфазного тока (!) 262
* 130. Демонстрация и измерение частоты затухающих
колебаний при разрядке конденсатора (!) 264
* 131. Измерение частоты незатухающих колебаний. Условие
резонанса (!) 266
132. Измерение частоты импульсов радиоактивного
излучения (!) 268
* 133. Определение малых промежутков времени при падении
тел (!) 269
* 134. Измерение скорости (!) 270
Глава VI. Токи в электролитах, газах
и полупроводниках
§ 26. Методическая записка 273
§ 27. Токи в жидкостях 277
* 135. Электролиз водного раствора уксуснокислого свинца . . 277
7

* 136. Исследование процесса электролиза медного купороса
при помощи весов 277
* 137. Демонстрация движения ионов (!) 280
* 138. Вывод первого закона Фарадея 282
* 139. Определение электрохимического эквивалента водорода
и постоянной Фарадея 284
* 140. Определение электрохимического эквивалента меди и
нахождение постоянной Фарадея 287
* 141. Сравнение показаний амперметра с данными,
полученными на серебряном вольтаметре 288
* 142. Вывод второго закона Фарадея 291
* 143. Экспериментальное подтверждение второго закона
Фарадея 293
§ 28. Электрические процессы в газах 294
144. Серия экспериментов по несамостоятельному разряду в
газах (!) 294
145. Самостоятельный разряд в воздухе при нормальном
давлении (!) 297
146. Самостоятельный разряд в разрядных трубках при
пониженном давлении (!) 299
147. Свойства катодных лучей (!!) 300
148. Свойства каналовых лучей (!!) 303
§ 29. Электронная эмиссия 304
* 149. Эффект Эдисона (!) 304
* 150. Выпрямляющее действие двухэлектродной лампы (!) . . 305
* 151. Снятие характеристики двухэлектродной лампы (!) 309
* 152. Однополупериодный выпрямитель на двухэлектродной
лампе (!) 310
* 153. Двухполупериодный выпрямитель (!) 311
* 154. Снятие характеристики трехэлектродной лампы (!) . . 313
* 155. Трехэлектродная лампа в схеме усилителя (!).... 315
* 156. Демонстрация внешнего фотоэффекта — эффекта Галь-
вакса (!) 317
* 157. Фотореле для регулирования анодного тока (!).... 318
* 158. Фотореле как сигнал повышения силы тока в цепи (!) 319
159. Превращение световых импульсов в звуковые волны.
Моделирование установки воспроизведения звука с
записи на киноленте (!) 321
§ 30. Электрические процессы в граничном слое твердых тел .... 323
160. Демонстрация термоэлектронного эффекта (!) .... 323
161. Термоэлектрический магнит 324
162. Термостолб 325
* 163. Вентильное действие селеновых шайб (!) 325
* 164. Снятие характеристики полупроводникового
выпрямителя (!) 326
* 165. Действие одно- и двухпроводной цепи
полупроводникового выпрямителя (!) 327
* 166. Монтаж германиевых диодов и транзисторов 329
* 167. Вентильное действие германиевого диода и снятие его
характеристики (!) 331
* 168. Демонстрация выпрямляющего действия германиевого
диода П) 332
* 169. Двухполупериодный выпрямитель на германиевых
диодах (!) 334
* 170. Исследование цепей с транзисторами (!) 335
* 171. Усиление напряжения в схемах с транзисторами (!). 336
* 172. Усиление силы тока в схемах с транзисторами (!)... 338
Алфавитный указатель 341

ОТ РЕДАКТОРОВ ПЕРЕВОДА И ПЕРЕВОДЧИКОВ
Пятая часть руководства «Эксперимент по курсу
элементарной физики» — «Электричество», основной курс — является
продолжением выпущенной ранее четвертой части —
«Электричество», вводный курс. Напомним, что в четвертой части1 были
рассмотрены лишь два вопроса: цепи постоянного электрического тока
и электромагнетизм.
В настоящей, пятой части руководства описаны 172
эксперимента и при этом охвачены следующие разделы: Глава I.
Постоянное электрическое поле. Глава II. Постоянное магнитное поле.
Глава III. Электромагнитная индукция. Глава IV. Электрические
генераторы и двигатели. Глава V. Цепи переменного тока.
Глава VI. Токи в электролитах, газах и полупроводниках.
Книга написана группой преподавателей общеобразовательных
и высших школ ГДР. В состав коллектива, объединенного Георгом
Шпрокхофом, вошли: Вольфганг Брунштейн, Курт Вебер, д-р
Жан Грёнефельд, д-р ОттоЙеахим, Вольфган Мантэй, Генрих Па-
укер, Ганс Райхельт, Гельмут Роот, Йозеф Фишер и Гер хард Хай-
зе. Ряд экспериментов предложен самим редактором немецкого
издания Георгом Шпрокхофом.
В книге авторы по-прежнему выдерживают единый
методический принцип: проведение экспериментов по возможности на
простейшем и самодельном оборудовании, сборка которого
осуществляется большей частью учащимися под руководством учителя.
Следует, однако, иметь в виду, что в настоящее время учебная
1 Часть четвертая: «Электричество». Вводный курс, вышла в нашем
издательстве в 1961 г.
9

промышленность как наша, так и ГДР выпускает достаточное
количество наборов деталей из серии «Электроконструктор», из
которых можно легко собирать простейшие модели
электрогенераторов и электродвигателей. Авторы руководства в отдельных
случаях ссылаются на подобные наборы. Естественно, что
электроизмерительные приборы: амперметры, вольтметры, ваттметры
и пр.—необходимо иметь заводского изготовления, так же как и
источники тока.
В процессе подготовки русского издания переводчикам
пришлось приспособить руководство к условиям учебной программы
школ РСФСР. Авторы перевода, как и в предыдущих частях
руководства, оставили, однако, принятое в ГДР наименование
единицы силы — килопонд, соответствующее килограмму-силы, и торр
как единицу давления, равную давлению ртутного столба в один
миллиметр. Все другие принципиальные расхождения оговорены.
Выпускаемая пятая часть «Электричество», основной курс,
является очередной частью руководства. В 1959 г. вышли
первая и вторая части — «Механика твердого тела» и
«Жидкости и газы», в 1961 г. выпущена четвертая часть —
«Электричество», вводный курс, в 1963 г.—шестая часть — «Оптика»,
в 1965 г. третья часть — «Теплота».
Предпоследняя, седьмая часть, по сообщению издательства «Volk
und Wissen», выходит в ГДР в 1967 г., в нее будут включены
эксперименты по волновым процессам. Ее подготовка в печати была
закончена Георгом Шпрокхофом в последние дни его жизни.
Георг Шпрокхоф, крупнейший методист ГДР, скончался в
марте 1956 г., оставив богатое методическое наследие —
восьмитомное руководство по физическому эксперименту,
объединенное единой методической и методологической концепцией, целиком
созвучное методике советской политехнической школы.
Проф. Я. А. Знаменский,
проф. П. А. РымкевиЧу
А. Я. Ломан и Э. А. Ломан.

ВВЕДЕНИЕ
1. Если в четвертой части руководства рассматривались
эксперименты, демонстрирующие процессы в цепях постоянного
тока и освещающие вопросы электромагнетизма, то в настоящей,
пятой части собраны эксперименты по дальнейшим разделам
учения об электричестве. Однако вопросы радиотехники и
телевидения не рассматриваются. Они отнесены в седьмую часть
руководства, в раздел «Учение о колебаниях и волнах».
Все основные приборы, необходимые для проведения
экспериментов по разделу электричества, описаны в четвертой части (гл. I,
стр. 15—44). Здесь же только надо указать, что в ряде
экспериментов, вошедших в настоящую часть, необходимо высокое
напряжение. Следует пожелать, чтобы все школы имели в своем
распоряжении статитроны — ленточные электростатические генераторы
Ван-де-Граафа, школьная модель которого позволяет создавать
напряжение порядка 200 киловольт, а в некоторых случаях и до
5 мегавольт. Приводя такой генератор в движение
электродвигателем с регулируемым числом оборотов, можно в широких
пределах менять и создаваемое генератором напряжение. Это не значит,
однако, что для проведения описанных экспериментов необходим
только статитрон. Эксперименты могут быть проведены и при
помощи обычной электрофорной машины, которую нет надобности
снимать с вооружения физических кабинетов, как и
индукционную катушку Румкорфа. Следует также рекомендовать ламповые
генераторы высокого напряжения, а также высоковольтные транс-
11

форматоры. Именно такого типа генераторы, сочетание лампового
генератора с высоковольтным трансформатором, и положены в
основу схем больших агрегатов питания (см. часть 4, стр. 21). Такие
агрегаты создают напряжения в цепях постоянного тока порядка
500 в, а в цепях переменного тока до 700 в.
2. В этой части руководства для проведения ряда экспериментов
рекомендуются детали из наборов так называемых
«Электроконструкторов». Однако использование подобных деталей, ускоряя
процесс сборки установок, может создать впечатление, что только
из них и возможно собирать приборы, и, что еще более опасно,
создать впечатление, что из подобных деталей состоят и подлинные
промышленные машины и двигатели. Вот почему, используя
готовые детали «Электроконструкторов», не менее важно показать
учащимся и подлинные детали генераторов и двигателей,
применяемых в технике, показать и сами генераторы и двигатели или хотя
бы их рисунки, фотографии и схемы. Впрочем, приводимые в
руководстве ссылки на готовые детали установок совершенно не
означают, что без последних эксперимент провести невозможно.
Указания к проведению экспериментов не являются безоговорочными
инструкциями. Нам кажется, что данное руководство,
рассчитанное на преподавателей и подготовленных лаборантов,
должно лишь наметить основное направление, по которому
возможно экспериментальное решение поставленной задачи, и указать
хотя бы один из возможных вариантов проведения
эксперимента.
Следует иметь в виду, что применяемые нами условные
обозначения, особенно на полусхематических рисунках, также не
являются обязательными для воспроизведения, они не
стандартизированы и не рассчитаны на перечерчивание их в тетради учащихся.
В полусхематических рисунках мы в отдельных случаях
стремились создать зрительное представление о собираемых установках
в предлагаемом нами варианте. Совершенно по-другому должен
быть решен вопрос с вычерчиванием схем электрических цепей, в
этом случае следует идти за обозначениями, предусмотренными
соответствующими стандартами (о стандартах и обозначениях по
ГОСТу см. часть 4, стр. 45—46).
3. Несколько общих замечаний, а) Предлагаемое руководство
не является учебным пособием для студентов педвузов по
физическому эксперименту. Это руководство для преподавателей и подго-
12

товленных лаборантов по технике проведения эксперимента по
курсу физики общеобразовательных школ и средних учебных
заведений. Вот почему все теоретические вопросы методики
физического эксперимента нами опущены. Однако каждой главе
руководства предпослана методическая записка (сокращено в
ссылках. — М. 3.), в которой высказаны общие замечания о
проведении экспериментов по тому или иному разделу, а также частные
замечания по отдельным экспериментам.
б) Описание каждого эксперимента представляет собой
законченное целое. Все эксперименты в пределах книги имеют
сквозную нумерацию от номера 1 до 172. Ссылка на тот или иной
эксперимент делается знаком «Э-137». В том случае, если эксперимент,
на который ссылаются, описан в другой части руководства, то перед
литерой «Э» помещается указание на соответственную часть
руководства арабской цифрой. Так, например, «4-Э-137» означает, что
ссылка сделана на эксперимент номер 137, помещенный в ранее
вышедшей, четвертой части руководства.
в) После заголовка каждого эксперимента приводится перечень
оборудования и материалов, необходимых для его проведения.
В большинстве случаев сообщаются и параметры необходимых
деталей, причем линейные размеры даны в миллиметрах,
сопротивление — в омах. Но для включаемых в цепи приборов даны
средние параметры или параметры наиболее часто выпускаемых
образцов. Так, например, для реостатов дается указание на их
сопротивление — 130 ом\ это не означает, что необходимо взять именно
такой реостат, если это особо не
оговаривается, возможно взять
реостат с сопротивлением и в
150 ом или даже 200 ом.
г) На приводимых в тексте
рисунках-полусхемах
применены три обозначения, требующие
пояснения. На рисунке 1 под
литерой а дано условное
обозначение статитрона на
полусхемах, ПОД литерой б —штатива рис. 1. Нестандартные условные
На изолирующей подставке, в— обозначения, принятые в книге:
Torn -ж-р ттттятътя ня qttpk-тпм- а ~~ ленточный генератор; б — самодель-
ШГО Же ШТаТИВа На ЭЛеКТрИ- ный штатив На изолирующей подставке
ческих схемах. на полусхем рХи;Ческ^хТ°сх^махН0 на элект"
13

д) Эксперименты, представляющие хотя бы малейшую
опасность для здоровья и жизни учеников и экспериментатора,
отмечены в заголовке и оглавлении знаком восклицания,
поставленным в скобки, — (!). Следует иметь в виду, что при
проведении учащимися того или иного эксперимента ответственность
за соблюдение техники безопасности лежит на преподавателе,
вот почему сам преподаватель должен быть хорошо ознакомлен с
соответствующей инструкцией (см. часть 4, гл. I, § 7, стр. 38—39).
е) Предназначенные для лабораторных работ и
работ-практикумов эксперименты отмечены в содержании знаком*.

ГЛАВА I
ПОСТОЯННОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ
§ 1. МЕТОДИЧЕСКАЯ ЗАПИСКА
1. Первая глава настоящей части руководства названа
«Постоянное электрическое поле». И это название не случайно, так как
даже в самом элементарном курсе физики мы склонны
рассматривать этот раздел в несколько ином аспекте, чем это имело место
ранее, когда курс электричества начинался с традиционного
раздела «Электростатика». Это соответствует наметившемуся за
последние 20—30 лет изменению в методике преподавания всего
раздела электричества. Раздел «Электрические явления» приобретает
все большее и большее практическое значение. Изменился и
методологический принцип рассмотрения электростатических явлений,
в основу которого положено изучение электростатического поля.
Этот новый методологический взгляд позволяет более глубоко
показать учащимся происходящие процессы и вскрыть ряд новых и
чрезвычайно важных закономерностей. Однако совершенно ясно,
что для детального изучения этих вопросов учащиеся должны быть
уже достаточно подготовлены, вот почему и целесообразно этот
раздел дать на более высокой ступени обучения, после
прохождения раздела о постоянном электрическом токе1.
2. В § 2, охватывающем эксперименты по теме напряжение и
заряд, в первых двух экспериментах, Э-1 и Э-2, рассматривается
напряжение — разность потенциалов, создаваемая сторонним
генератором, как основное условие возникновения электростатического
поля. Одновременно рассматривается кратковременный
электрический ток — разряд — как следствие разрушения
электрического поля. Это особенно ясно выступает при проведении Э-3,
который, кроме того, позволяет дать первое представление о величине
заряда. В свою очередь представление о заряде подводит к
понятию об импульсе тока и необходимости соответствующих прибо*
ров для измерения последнего, так называемых баллистических
1 См. часть 4 настоящего руководства, стр. 12—13, и замечания редак
торов перевода на стр. 11.
15

приборов. Пример такого баллистического прибора
рассматривается в Э-4, где описывается применение баллистического
гальванометра в установке с падающим стальным шариком для
определения импульса тока в ампер-секундах (кулонах). Явление
электризации как процесс разделения разноименных зарядов
рассматривается в Э-5. В этом эксперименте снимается та завеса
таинственности, которая обычно окутывает процессы разделения
зарядов, появление тел, заряженных разноименно, «возникновение»
положительных и отрицательных зарядов. Кажущийся феномен
«электризация трением» после проведения эксперимента
становится в ряд обычных электрических процессов. В
заключительных экспериментах параграфа демонстрируются два процесса: в
Э-6 — перенос зарядов и в Э-7 — электризация частиц, падающих
в воздухе. Последний эксперимент моделирует электризацию в
атмосфере, приводящую к грозам.
3. Действие сил в электрическом поле и закон Кулона
рассматриваются в экспериментах, объединенных § 3. В первом
эксперименте Э-8 демонстрируется взаимодействие тел, несущих
одноименные и разноименные заряды. В Э-9 показана возможность
установить направление силовых линий электрического поля,
в Э-10 — вскрыть картины распределения линий в различных
полях. В Э-10 указываются разные приемы иллюминирования
силовых линий поля: внесением сухих древесных опилок,
кристалликов гипса, мелконастриженных волос или при помощи
электропроводящей бумаги.
Основными экспериментами этого параграфа являются Э-11 и
Э-12, в которых устанавливается зависимость величины
действующей силы от величины зарядов и расстояния между ними. В Э-12
описывается и модель крутильных весов (по Шюрхольцу). Оба
эксперимента направлены на подтверждение закона Кулона в его
общем виде. Проведение этих экспериментов требует от
экспериментатора определенного терпения и навыка, может быть, даже
сноровки, но все затраты времени окупаются удовлетворением от
проведения эксперимента. Полученные в этом эксперименте данные
должны быть сведены в таблицу, образец которой приводится в
тексте. Следует отметить, что оформление результатов
количественных экспериментов в таблицах, а где возможно и в графиках,
является, с нашей точки зрения, безусловно необходимым
методическим приемом, облегчающим исследование полученных
результатов.
Значительный интерес представляют и последующие
эксперименты этого параграфа — с Э-13 по Э-17. В Э-13 показана
возможность усиления и ослабления электрических полей до полного их
уничтожения путем переноса зарядов. В Э-14 демонстрируется
«электрический ветер», в Э-15 — явление электрофореза и модель
электрического очистителя воздуха. Совершенно особое место
занимает эксперимент Э-17, позволяющий продемонстрировать
(6

учащимся эквипотенциальные поверхности в поле нашей планеты
Земли.
4. В § 4 рассматриваются эксперименты, вскрывающие понятие
напряженности электрического тока. В этом параграфе всего два
эксперимента, Э-18 и Э-19, что объясняется трудностью создания
достаточно точных установок, позволяющих выяснить хотя бы
приближенно количественные закономерности напряженности
поля и отделить тем самым особую группу экспериментов от
аналогичных, демонстрирующих закон Кулона. Действительно, самым
легким путем является путь, по которому понятие напряженности
связывается с законом Кулона. В этом случае характеристика
напряженности сведется к характеристике силы, действующей на
внесенный в поле пробный заряд, и напряженность поля
выразится отношением:
п ~,
Я
ИЛИ
г2'
где qr — пробный заряд, внесенный в поле заряда q. Но такой
подход не вскроет самой существенной зависимости напряженности от
разности потенциалов и расстояния, выражаемой отношением:
d
А между тем эту зависимость представить экспериментально
сложно. Поэтому мы предлагаем несколько обходной путь,
проводимый в два этапа, который и дан в Э-18.
Из сопоставления данных, полученных на первом этапе Э-18 и
на втором, удается вывести необходимую нам закономерность. В
этом эксперименте, как и в Э-12, используются крутильные весы
(по Шюрхольцу). Пользование приборами, указанными в Э-18,
требует определенных навыков и тренировки, и все же эксперимент
дает лишь приближенное значение величины, поэтому он должен
проводиться не менее трех раз для получения средних данных.
Используя полученные зависимости напряженности от
разности потенциалов и расстояния, проводят эксперимент Э-19,
моделирующий установку Милликена, для определения величины
элементарного заряда, т. е. заряда электрона.
5. Сознательно большое место отводится экспериментам,
объединенным § 5, в которых вскрывается понятие электроемкости и
рассматриваются методы нахождения диэлектрических постоянных
среды. Это тем более понятно, так как указанные понятия
позволяют по-иному рассмотреть и закон Кулона, введя в него
важнейшие коэффициенты диэлектрической проницаемости. По данному
17

разделу приводятся разнообразные эксперименты, выбор которых
принадлежит преподавателю.
Эксперименты Э-20 и Э-21 демонстрируют электрические
явления, связанные с зарядкой и разрядкой конденсаторов. В Э-21
определяется величина заряда, накопленного конденсатором.
В Э-22 устанавливается зависимость между зарядом
конденсатора и напряжением между его пластинами, т. е. прямая
пропорциональность этих двух величин, что и позволяет установить само
понятие электроемкости. При проведении Э-21 следует
параллельно конденсатору подключить лампочку тлеющего разряда,
что позволит по характеру свечения электродов лампочки
продемонстрировать процесс разрядки конденсатора, происходящий
при достижении одного и того же напряжения. Последовательно
конденсатору в качестве «потребителя» подсоединяют многоомные
сопротивления, одно, два, три, это позволяет ступенями изменять
и время, за которое достигается нужное напряжение. В Э-22
ступенчатое нарастание процесса достигается включением в
параллельную конденсатору цепь последовательно одной, двух или трех
лампочек тлеющего разряда. Таким образом, в обоих
экспериментах, Э-21 и Э-22, устанавливаются количественные соотношения
напряжения и накопленных на конденсаторе зарядов при
ступенчатом возрастании обеих величин. Определение электроемкости
конденсатора в Э-23 проводится при помощи баллистического
гальванометра. В этом эксперименте интересное применение находит
камертон известной частоты для фиксации малых промежутков
времени, за которые происходит отброс стрелки баллистического
гальванометра. Этот метод перекликается с описанным ниже в Э-128
приемом фиксации малых промежутков времени при исследовании
емкостей в цепях переменного тока. В этом сопоставлении не
следует забывать, что в Э-23 идет разговор о зарядке конденсатора от
генератора постоянного тока, а в эксперименте 128 и последующих
рассматриваются цепи переменного тока.
Установление зависимости емкости конденсатора от площади
взаимопокрытия пластин, их числа и расстояния между ними
может быть проведено по методу, предложенному в эксперименте
Э-24. В этом эксперименте мы не можем рекомендовать
изготавливаемые учебной промышленностью конденсаторы переменной
емкости по тем соображениям, что во всех таких конденсаторах при
смещении пластин относительно друг друга не выдерживается в
достаточной мере расстояние между ними и получаемые в
экспериментах результаты слишком далеки от желаемых. Вот почему
целесообразнее в этом эксперименте использовать самодельные блоки
конденсаторов, указания к изготовлению которых даны в самом
тексте эксперимента. В таких блоках, с одной стороны, изменяется
соотношение площадей взаимопокрытия, а с другой — расстояний
между пластинами в отношении 1 : 2 : 3. Заряжая, а затем
разряжая на баллистический гальванометр подобные блоки, легко уста-
18

новить общую зависимость: емкость конденсатора
пропорциональна площади взаимопокрытия пластин и обратно пропорциональна
расстоянию между ними. Естественно, что возникает вопрос о
влиянии среды, разделяющей пластины. Исследованию этого вопроса
посвящены эксперименты Э-25 и Э-26. В этих экспериментах даны
методы определения как абсолютной (электрической постоянной),
так и относительной диэлектрической проницаемости среды — е0 и
гг. В Э-25 в цепь включается обычное телефонное реле, работающее
на частоте 50 гц, что в значительной мере повышает интерес к
эксперименту. В Э-26 рассматривается тот случай, когда
пространство между пластинами заполнено частично диэлектриком, в
остальной части пространства диэлектриком служит воздух.
Определение емкости подобного конденсатора не вызывает трудностей и
сводится к чисто математическим расчетам. В трех экспериментах:
Э-27, Э-28 и Э-29 — показаны способы определения емкостей
конденсаторов методом сопоставления. В Э-27 используется обычный
баллистический гальванометр, на который разряжают вначале
конденсатор с известной емкостью, а затем с неизвестной.
Сопоставления показаний прибора дает представление об искомой
емкости. В Э-28 применена мостовая схема для определения емкости
конденсатора, в плечи мостика включают конденсатор известной
и исследуемой емкости. Ток в мостике становится равным нулю при
обычном для мостовых схем соотношении:
Сх ', С = Hi ' /\2«
Особенностью этого эксперимента, выполняемого в двух вариантах,
является замена нульгальванометра акустическим или световым
индикатором. В качестве звукового — акустического индикатора
применяется сочетание зуммера и обычных телефонных наушников.
Исчезновение звука в наушниках указывает на нулевую разность
потенциалов в узлах моста, а значит, и на отсутствие тока в самом
мостике. В качестве светового индикатора применена электронная
лампа, так называемый «магический глазок» или «электронный
индикатор настройки» (лампа типа 6Е5С), обычно применяемая в
радиоприемниках. При таком индикаторе можно проводить
эксперимент в достаточно большой аудитории, так как свечение «глазка»
можно одновременно наблюдать учащимся со своих рабочих мест,
не подходя к установке. Впрочем, и применение акустического
индикатора в сочетании с усилительным устройством и
репродуктором позволят сделать эксперимент демонстрационным.
В заключительном эксперименте параграфа, в Э-29,
рассматривается методика определения электроемкости батареи
конденсаторов при их параллельном и последовательном включении.
Эксперименты этого параграфа обычно вызывают повышенный
интерес учащихся, так как среди них всегда находится
достаточное число радиолюбителей, для которых конденсаторы не просто
19

очередной вопрос учебной программы, но и «жизненно важная
проблема».
6. Первую главу заключает § 6, эксперименты которого
рассматривают классический вопрос электростатики —
электростатическую индукцию. В этом параграфе всего три эксперимента — с Э-30
по Э-32. Несложное оборудование и простота проведения
экспериментов позволяют опустить рассмотрение их в методической
записке.
§ 2. НАПРЯЖЕНИЕ. ЗАРЯД
/. Демонстрация напряжения (!)
Электрометр Брауна или самодельный электроскоп;
многоомное сопротивление (1 Мом)\ 2 лампочки
накаливания (25 вту 220 в)\ штатив на изолирующих
подставках; алюминиевые диски электрофора; коромысло
технических весов на подставке; набор грузиков «рейтеров»
(10 мг, 20 мг, 50 мг, 10 мг); разрядник; вольтметр (250 в)\
рубильник; соединительные провода1; ленточный
генератор, или индукционная катушка, или большой агрегат
питания.
Вариант А. Эксперимент с электрометром или электро-
скопом
Стержень электрометра Брауна соединяют через лампочку
накаливания с положительным полюсом источника тока (400 в), а
корпус также через лампочку и рубильник с отрицательным
полюсом (рис. 2). Как только будет включен рубильник, стрелка
электрометра отклонится, но лампочки накаливания не загорятся.
Отклонение стрелки электрометра —
результат наличия напряжения —
разности потенциалов — между стержнем и
корпусом прибора, а значит, и
полюсами источника тока.
Как только при помощи разрядника
стержень электрометра будет соединен
с корпусом прибора, лампочки
накаливания загорятся и тотчас же стрелка
электрометра опустится в нулевое
положение, что укажет на исчезновение
напряжения между стержнем и корпусом
прибора.
4006
U—*-0-
9 (gH
Рис. 2. Демонстрация
напряжения на участке цепи
при помощи электроскопа
1 В дальнейшем соединительные провода как обязательный для
сборки электрических цепей материал указывать не будем (кроме специальных,
которые необходимо оговорить).—А. Л.
20

Используя источник тока с напряжением более 400 в, можно
электрометр Брауна заменить самодельным электроскопом (см.
часть 4 настоящего руководства, рис. 36). Ленточный генератор
в этом опыте применять нельзя.
Вариант Б. Эксперимент с применением электрических весов
Для проведения этого варианта эксперимента собирают
установку, изображенную на рисунке 3. Из двух алюминиевых дисков
электрофора собирают конденсатор, для чего один диск
укрепляют в горизонтальном положении на штативе с изолирующей
подставкой, другой помещают над ним, укрепив на плече коромысла
весов. Коромысло устанавливают на призме, закрепленной также
на штативе с изолирующей подставкой, и уравновешивают
грузиками или перемещением рейтеров. На третьем штативе
устанавливают ограничитель, не позволяющий соприкасаться алюминиевым
дискам.
На диски подается напряжение порядка 200 в от большого
агрегата питания. Для этого отрицательный полюс источника тока
через рубильник и лампочку накаливания соединяют с коромыслом
весов, а положительный полюс — с диском, закрепленным на
штативе. Для контроля на подводящие провода параллельно дискам
включают вольтметр.
До включения рубильника диски конденсатора неподвижны, но,
как только рубильник включают, между дисками возникает
напряжение и под действием электрических сил взаимного притяжения
диск, укрепленный на коромысле весов, притянется к неподвижно
закрепленному диску.
Равновесие весов будет нарушено. Однако лампочка накаливания
не загорится. Лампочка загорится только в том случае, если диски
будут соединены разрядником.
Рис. 3. Демонстрация напряжения при помощи электростатических
весов Гримзеля
21

Примечания
1. Установку целесообразно дать в теневой проекции на
экран, что позволит всем учащимся класса следить за ходом
эксперимента (теневые проекции, см. часть 6 настоящего
руководства, стр. 45).
2. Целесообразно, соблюдая осторожность, корпус
электроскопа, а также цоколь ленточного генератора заземлить.
2. Напряжение между двумя заряженными
телами (!)
Электрометр Брауна или электростатический
вольтметр, или электроскоп; 2 стеклянных на изолирующих
ручках, оклеенных станиолем шара (0 40 мм)\ 2 на
изолирующих ручках алюминиевых диска или 2 диска от
электрофора, или раздвижной конденсатор; пробный шарик; 2
лампочки накаливания (25 вт, 220 в); лист плотной бумаги;
гибкие соединительные провода; большой агрегат
питания или ленточный генератор.
Вариант А. Напряжение в «несамостоятельном» поле
Установку собирают по полусхематическому рисунку 4.
Напряжение на шары, оклеенные станиолем, подают через лампочки
накаливания. Электрометр включают параллельно шарам.
В начале эксперимента шары, поместив между ними лист
плотной бумаги, сближают до соприкосновения через бумагу (рис. 4, а).
Как только будет подано напряжение, стрелка электрометра
отклонится. После этого постепенно шары раздвигают и бумагу убирают,
однако показание электрометра остается прежним. Наблюдение за
чоо д
а б
Рис. 4. Напряжение в «несамостоятельном» поле
22

показанием электрометра (рис. 4, б) позволяет сделать вывод, что
напряжение между шарами не зависит от расстояния между ними,
так как оно создается внешним источником.
Поле, созданное между двумя шарами или пластинами
конденсатора, соединенными с полюсами источника постоянного тока,
называется несамостоятельным.
Вариант Б. Напряжение в «самостоятельном» поле
Заменив шары в предыдущей установке алюминиевыми дисками,
последние соединяют через электрометр (рис. 5). Образуется
конденсатор. На диски конденсатора на короткое время подают
напряжение от внешнего источни- ^00&
ка постоянного тока пор яд- —
ка 400 в, заряжая тем
самым конденсатор (рис. 5, а).
Отключив источник тока,
меняют расстояние между
пластинами. При изменении
расстояния изменяется и
показание электрометра, что
указывает на изменение
напряжения между пластинами
(рис. 5, бив).
Поле, которое возникает
между пластинами
заряженного конденсатора и зависит
от расстояния между ними,
называется самостоятельным.
В пределах, ограниченных
размерами пластин, это поле
гомогенно, т. е. однородно. Разность потенциалов возрастает по
мере увеличения расстояния между пластинами.
- 11 +
§\Л>
а
Рис. 5.
6
Напряжение в
«самостоятельном» поле
Примечания
1. В первом варианте эксперимента вместо стеклянных
шаров можно использовать шары от пинг-понга.
2. Во втором варианте эксперимента зарядку конденсатора
желательно производить от ленточного генератора. Во всех
случаях пластины конденсатора нельзя сближать до
соприкосновения.
3. Импульс тока при разряде (!)
Большой кондуктор или металлический шар (0 100 мм)
на изолирующей подставке; батарея конденсаторов
(4 мкф)\ баллистический или зеркальный гальванометр;
23

низковольтная лампочка накаливания (2 в); разрядник;
рубильник; ленточный генератор или другой источник
высокого напряжения; большой агрегат питания.
Вариант А. Разрядка кондуктора
Металлический шар на изолирующей подставке или готовый
шаровой кондуктор заряжают при помощи разрядника от ленточного
генератора или другого источника высокого напряжения. При
помощи того же разрядника кондуктор разряжают на землю, для чего
его соединяют с хорошо
заземленным проводом.
Разряд длится
тысячные доли секунды, но его
все же удается
проследить, если разряд вести
через баллистический
гальванометр. При разрядке
кондуктора стрелка
гальванометра отбрасывается
по шкале. Отброс стрелки
длится значительно
большее время, чем сам
разряд, который
представляет собой кратковременный
ток. Величина отброса
стрелки гальванометра служит мерой импульса тока 1т и
соответственно количества прошедшего через гальванометр электричества
(рис. 6):
1т = IЛ а • сек (к).
Рис. 6. Установка для демонстрации
импульса тока при разрядке кондуктора
Л
Вариант Б. Разрядка конденсатора
Эксперимент может быть проведен и несколько в ином виде, с
использованием вместо шарового кондуктора конденсатора
достаточной емкости (порядка 4 мкф).
Чтобы зарядить конденсатор,
_^ следует один его полюс соединить
4006II— II Т ^ | с положительным полюсом
источника тока высокого напряжения
(400 в), например большого
агрегата питания. Другой полюс
конденсатора через лампочку
накаливания (2 в) заземлить. В момент
Рис. 7. Схема установки для включения лампочка накалива-
демонстрации импульса тока ния на короткое время ВСПЫХИ-
при разрядке конденсатора вает.
24

Лампочка накаливания вспыхивает и в момент разрядки
конденсатора. Разрядку конденсатора следует произвести на землю при
помощи разрядника после отключения источника питания (рис. 7).
4. Действие баллистических измерительных
приборов. Импульс тока
Баллистический гальванометр или зеркальный
гальванометр, или миллиамперметр магнитоэлектрической
системы; ползунковый реостат (300 ом); постоянное
сопротивление (10 ком); вольтметр (1 в); небольшой
электромагнит (на 4 в); стальной шарик; полоска латуни (100 ммХ
X 5 мм X 0,5 мм); ключ Морзе; 2 штатива на
изолирующей подставке; штатив с длинной штангой;
метровая линейка; малый агрегат питания или батарея
аккумуляторов (4 в).
Подготовка эксперимента
Общий вид установки приводится на рисунке 8. Небольшой
стальной шарик удерживается электромагнитом на высоте 250 мм
над латунным самодельным контактом, размыкающим цепь
измерительного прибора. Ключ Морзе включается таким образом,
чтобы до нажатия ключа цепь электромагнита была замкнута, что и
удерживает стальной шарик. В момент нажатия на ключ Морзе
размыкается цепь
электромагнита, но
одновременно включается цепь
измерительного
прибора, по которому
проходит ток лишь такое
время, за которое шарик
падает от
электромагнита до контактного
устройства. Таким
образом, измерительный
прибор испытывает
воздействие импульса тока.
Под действием
импульса тока стрелка
баллистического
гальванометра отбрасывается на
некоторый угол. Следует
заметить, ДО какого де- Рис. 8. Измерение импульса тока:
ЛеНИЯ ПрОИЗОШеЛ ОТ- / — баллистический гальванометр; 2 — делитель
finno Tov ггъгг ишгтпг ттг ^ напряжения; 3 — ключ Морзе; 4—электромагнита
ОрОС. 1аК Как ИМПулЬС 5 — стальной шарик; 6 - прерыватель
25

тока есть произведение величины тока на время его
прохождения
1т =14,
то нетрудно установить, что он измеряется в ампер-секундах и
соответственно равен величине прошедшего за то же время заряда
в кулонах (см. часть 4, стр. 33—34, и часть 1, стр. 177).
Измерительный прибор — баллистический гальванометр или зеркальный
гальванометр, или, наконец, миллиамперметр
магнитоэлектрической системы—включается через делитель напряжения
последовательно с постоянным многоомным сопротивлением (например,
10 ком). Подключенный параллельно им вольтметр служит для
контроля за напряжением.
Пример расчета
Напряжение, снимаемое с делителя
напряжения (по показанию вольтметра) U = 0,38 в.
Постоянное сопротивление R = 10 ком.
Сила тока, проходящего через измерительный прибор
(сопротивлением последнего можно пренебречь):
I=U= 0,38 *,= з,8.Ю-5 0.
R 10000 ом
Время прохождения тока, или, что то же самое, время падения
стального шарика, найдем из формулы
2
Так как h = 250 мм, то, принимая — ^5 м-сек"2, получим
t= \ 0,05 сек* ^0,22 сек.
Импульс тока:
Im =I-At = q,
Im = 3,8.10~5a.0,22 сек = 8,36-10~6 а-сек (к).
Отброс п = 4 делениям шкалы.
Постоянная баллистическая гальванометра ?=2,09 • 10 ~6^ ' сек .
деление
Применяя зеркальный гальванометр, «постоянная гальванометра»
может выражаться в , где в сантиметрах будет
выражаем
ться длина отрезка, на котором смещается световой «зайчик» от
зеркала гальванометра по шкале при заданном расстоянии от
прибора до шкалы.
26

Примечания
1. Для измерения импульса тока следует применять такие
приборы, в которых отброс стрелки на всю шкалу прибора
максимально растянут по времени и длится не менее 30 сек.
Впрочем, подавляющее большинство приборов магнитоэлектрической
системы удовлетворяет этому требованию.
2. Латунный контакт, применяемый в установке, следует
изготовить самим из полосок латуни. В замкнутом состоянии он
должен удерживаться только трением.
5. Разделение зарядов
Эбонитовая, стеклянная, полихлорвиниловая
палочки; кусок меха или сукна; кусок шелковой ткани; мелко-
истолченная пробка; мелконарезанная бумага;
электроскоп; электрометр Брауна; металлический стакан;
парафиновый шарик на стеклянной палочке; стакан Фарадея;
2 диска — латунный или алюминиевый диск и цинковый
на изолирующих рукоятках; 2 штатива на изолирующих
подставках; искатель полюсов.
Часть 1. Разделение зарядов при трении
Палочки из эбонита или полихлорвинила натирают кусочком
меха или сукна и подносят к мелконарезанной бумаге или
толченой пробке. Кусочки бумаги или зернышки пробки подпрыгивают,
на короткое время повисают на палочках, но тут же отскакивают
от них. Тот же эксперимент следует провести и со стеклянной
палочкой, натертой шелком. Эти элементарные опыты позволяют
утверждать, что палочки были наэлектризованы, т. е. на них
появились электрические заряды. Резкое отскакивание кусочков бумаги
или зернышек пробки от палочек после прилипания объясняется
тем, что при соприкосновении они получают от палочек заряды
того же знака и как одноименно заряженные тела отталкиваются.
При помощи электроскопа следует показать, что заряды на
эбоните и полихлорвиниле имеют знак, противоположный заряду,
возникшему на стеклянной палочке.
Часть 2. Разделение зарядов при погружении парафина в воду
Металлический стакан наполняют водой и соединяют с
корпусом электрометра. В воду многократно погружают парафиновый
шарик, укрепленный на стеклянной рукоятке (рис. 9, а). Каждый
раз, вынимая шарик из воды, им касаются внутренней стенки
стакана Фарадея, соединенного с кондуктором электрометра (рис. 9, б).
После многократного действия легко обнаружить, что стрелка
27

Рис. 9. Разделение зарядов при трении
парафинового шарика о воду:
а — погружение парафинового шарика в воду;
б — перенос зарядов на стакан Фарадея
электрометра отклонится. Это указывает, что стакан Фарадея
наэлектризовался — на нем появились заряды. Чем большее число
раз будет проведено погружение парафинового шарика в воду и
перенос возникающих зарядов на электрометр, тем больше
отклонится стрелка электрометра.
Часть 3. Разделение зарядов при соприкосновении
металлических дисков
Медный диск с напаенной на него клеммой укрепляют на
изолирующей подставке штатива (рис. 10, а) и соединяют с корпусом
электрометра Брауна или электроскопа. На медный диск ставят
цинковый диск такого же
размера. Клемму, напаянную на
цинковый диск, соединяют с
кондуктором электрометра. Как
только цинковый диск будет
приподнят за изолирующую
рукоятку над медным, стрелка
электрометра отклонится. Если в
эксперименте был применен
электроскоп, то его листочки
разойдутся. Это указывает на
электризацию дисков (рис. 10,6).
При помощи стеклянной
палочки, натертой шелком, или
эбонитовой, натертой шерстью,
можно установить знак заряда
на кондукторе электрометра.
Рис. 10. Электризация при
соприкосновении металлических дисков:
а — соприкосновение дисков;
ружение зарядов
б -< обна-
28

Поменяв местами медную и цинковую пластинки и проведя
определение знака заряда на кондукторе, легко установить, что
теперь на кондукторе накоплен заряд противоположного знака.
Примечания
1. В первом опыте трение играет только относительную роль.
При трении достигается максимальное сближение
соприкасающихся поверхностей. Сам же процесс электризации
представляет собой процесс разделения зарядов при соприкосновении двух
различных тел, при этом одно из них «теряет» электроны и
поэтому заряжается положительно, другое «приобретает»
электроны и поэтому заряжается отрицательно. Особенно четко
эксперимент проходит при применении полихлорвиниловых
палочек. Такие палочки электризуются даже при проведении по
их поверхности сухой рукой. Если такую наэлектризованную
палочку поднести к волосам, то волосы «встанут дыбом» —
притянутся к палочке. Вместо палочки можно воспользоваться
чертежным треугольником из хлорвинила.
2. Возникший заряд на полихлорвиниловой палочке можно
обнаружить и при помощи индикаторов полюсов с лампочкой
тлеющего разряда (часть 4, Э-8, стр. 66).
3. Стакан Фарадея представляет собой металлический,
обычно латунный, стакан, укрепленный дном на металлическом
стержне с клеммой.
Техническое значение процесса
электризации. При трении ременных передач, ременных трансмиссий
о шкивы наблюдается значительная электризация ремня,
приводящая в отдельных случаях к искрению. При истечении газа из дюз,
особенно если дюзы изолированы от общих трубопроводов, при
трении киноленты о салазки грейферного механизма также
наблюдается значительная электризация.
6. Перенос зарядов
Стакан Фарадея; шаровой кондуктор или
металлический шар (0 100 мм)\ 2 лампочки накаливания (15 вт,
220 в)\ пробный шарик и металлический шарик на
изолирующей рукоятке; 2 электрометра Брауна; 2
электроскопа; электростатический вольтметр; разрядник; 2 штатива
на изолирующих подставках; ленточный генератор или
электрофорная машина; большой агрегат питания.
Вариант А. Снятие зарядов со стакана Фарадея
Стакан Фарадея, укрепленный в штативе на изолирующей
подставке, заряжают от ленточного генератора или электрофорной
29

11 1
г Т
Рис. 11. Перенос зарядов с
поверхности стакана Фарадея на
электрометр
Рис. 12. Демонстрация
отсутствия заряда на
внутренней стенке стакана Фарадея
машины. Заряды со стакана Фарадея при помощи пробного
шарика переносят на стоящий на некотором расстоянии от стакана
электрометр, для чего сначала пробным шариком касаются внешней
поверхности стакана, а затем кондуктора электрометра (рис. 11).
Повторяя перенос несколько раз, можно установить, что стрелка
электрометра будет отклоняться все больше и больше.
Но если пробным шариком касаться не внешней, а внутренней
поверхности стакана (рис. 12), то снять заряд со стакана Фарадея
не удается. Эта часть эксперимента подтверждает наблюдение,
впервые сделанное Фарадеем, что заряды на полых предметах
располагаются только на их внешней поверхности.
Вариант Б. Перенос зарядов с заряженного кондуктора на
стакан Фарадея
Рис. 13. Переход зарядов с одного
проводника на другой до выравнивания
потенциалов
На клеммы двух
штативов на изолирующих
подставках подают через
лампочки накаливания
напряжение порядка 220 в от
большого агрегата
питания. Одну из клемм
заземляют. Между
штативами устанавливают два
электрометра Брауна или два
электроскопа, корпуса
которых соединяют между
собой и также заземляют.
На стержень одного из
электрометров вместо
кондуктора надевают стакан
30

Рис. 14. Перенос заряда с кон- Рис. 15. Исследование перене-
дуктора на стакан Фарадея сенного заряда при помощи
электростатического вольтметра
Фарадея, на другом электрометре оставляют шаровой
кондуктор (рис. 13).
Шаровой кондуктор и стакан Фарадея соединяют между собой
гибким проводом. Если затем на какое-то мгновение разрядником
соединить шаровой кондуктор электрометра с клеммой штатива на
изолирующей подставке (правый, на рис. 13), то на обоих
электрометрах стрелка отклонится одновременно и на одинаковый угол.
При применении электроскопов с алюминиевыми лепестками вместо
электрометров лепестки электроскопов одинаково разойдутся. Это
укажет на то, что стакан Фарадея и кондуктор электроскопа будут
иметь одинаковый потенциал относительно Земли.
Убрав провод, соединяющий стакан Фарадея, и кондуктор, но
так, чтобы электрометры не потеряли заряда, можно заряд с
шарового кондуктора перенести на стакан Фарадея. Заряды следует
переносить пробным шариком, касаясь им по очереди, то шарового
кондуктора, то внутренней поверхности стакана Фарадея. При
многократном переносе заряда угол отклонения стрелки электрометра
с кондуктором заметно уменьшится, а угол отклонения стрелки
электрометра со стаканом Фарадея соответственно увеличится
(рис. 14). Такой перенос зарядов можно показать и применяя
электростатический вольтметр, собрав установку, изображенную на
рисунке 15.
7. Моделирование процесса
предгрозовой электризации туч
Серный цвет (200 п мелкоистолченной серы);
мелкая свинцовая дробь (400 п)\ электрометр Брауна или
электроскоп; металлическая тарелка с напаянной
клеммой (0 150 мм)\ полихлорвиниловая палочка; кусок
шерстяной ткани; штатив на изолирующей подставке;
металлический или фарфоровый стакан; фен или малый
воздуходувный аппарат.
31

Рис. 16. Моделирование предгрозовой электризации туч:
а — падение пылинок в безветрие; б — электризация пылинок
при наличии ветра
В металлическом или фарфоровом стакане тщательно
перемешивают серный цвет и мелкую свинцовую дробь (бекасинник).
Металлическую тарелку укрепляют на штативе с изолирующей
подставкой и соединяют гибким проводом со стержнем электрометра
Брауна или электроскопа.
На тарелку ссыпают смесь серного цвета и свинцовой дроби,
подняв стакан со смесью примерно на полметра над тарелкой
(рис. 16, а). Стрелка электрометра остается в покое. Вновь насыпав
смесь в стакан, еще раз медленно высыпают ее на тарелку, но при
этом на падающую смесь направляют струю воздуха из фена или
воздуходувного аппаратах. Под действием струи воздуха в
падающем потоке происходит разделение: воздух относит серный цвет
в сторону, а свинцовая дробь падает по-прежнему на тарелку.
Взаимное трение частиц в потоке приводит к электризации их, и
стрелка электрометра отклоняется. По отклонению стрелки
электрометра можно установить, что возникающий потенциал относительно
Земли достигает нескольких тысяч вольт.
При помощи хлорвиниловой палочки, натертой о шерсть,
легко определить и знак заряда электрометра. Проведенное
наблюдение показывает, что падающая дробь несла положительный
заряд.
1 См. часть 2 «Жидкости и газы», стр. 255.
32

Примечание
Возникновению гроз и им предшествующему заряжению туч
способствуют восходящие потоки воздуха. Такие потоки
выдувают более мелкие капли воды из их смеси с более крупными,
унося мелкие капли в высокие слои атмосферы. При разделении
капель последние электризуются: мелкие — отрицательно,
более крупные — положительно. И чем большую область
захватывает процесс электризации, тем большая разность
потенциалов возникает между тучами и Землей.
§ 3. СИЛЫ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ
8. Силовое взаимодействие двух заряженных
тел
2 полихлорвиниловые, 2 стеклянные, сургучная и
эбонитовая палочки; кусок шерстяной и шелковой ткани;
кусок мягкой кожи; шелковые нитки; 2 бузиновых
шарика; полоски бумаги; проволока; высокий штатив на
изолирующей подставке.
До проведения эксперимента изготавливают из проволоки
специальный подвес для наэлектризованных палочек (рис. 17, деталь).
Такой подвес на шелковой нитке укрепляют на высоком штативе.
Эксперимент
Стеклянную палочку, держа ее за середину, натирают
шелковой тканью и помещают в подвес, укрепленный на штативе. К
наэлектризованной стеклянной палочке подносят натертую о шерсть
полихлорвиниловую палочку. Стеклянная палочка будет притяги-
Рис. 17. Притяжение (а) и отталкивание (б) заряженных тел
33

ваться к полихлорвиниловои, что является следствием
взаимодействия разноименно заряженных тел (рис. 17, а). То же произойдет,
если палочки поменять местами.
В том случае, если будут взяты две одинаковые палочки,
например полихлорвиниловые, то, будучи наэлектризованы, они
оттолкнутся друг от друга (рис. 17, б).
Эксперимент следует провести с
палочками из самых различных
материалов: смолы, эбонита,
стекла, полихлорвинила, сургуча.
Небезынтересно провести и
наиболее простой опыт с
бузиновыми шариками, подвесив их на
шелковых нитях к штативу на
изолирующих подставках так, чтобы
они соприкасались (рис. 18, а).
Наэлектризовав
полихлорвиниловую палочку, следует ею
коснуться подвешенных бузиновых
шариков. Получив одноименный заряд,
шарики тотчас же отскочат друг от друга. Вместо бузиновых
шариков можно взять сложенную вдвое бумажку — при сообщении ей
одноименного заряда ее половинки разойдутся (рис. 18, б).
Рис. 18.
Взаимодействие
женных тел
заря-
Примечание
Вместо подвешивания палочек их можно укрепить на острие
иглы, используя иглы компасных стрелок. Для этого строго по
середине палочки следует просверлить небольшое углубление,
которым и насадить палочку на острие. Чтобы уменьшить
трение, можно в углубление вставить кусок заплавленной
стеклянной трубки.
9. Направление сил в электрическом поле
2 алюминиевые пластины (300 мм X 400 мм)с
клеммой или ушком для укрепления соединительных
проводов; 2 металлических полых полушария на стержнях
(0 120 мм); шаровой кондуктор (0 100 мм); резиновое
кольцо (внутренний 0 100 мм); оконное стекло (400 мм X
X 400 мм); 20 иголок; 20 небольших деревянных
подставок для игл; 20 полосок чертежной бумаги (50 ммХ
X 10 мм); папиросная бумага; нитки; клей; 2 штатива на
изолирующих подставках; 2 лабораторных штатива;
длинный деревянный стержень (длина 1000 мм, 0 10 мм);
ленточный генератор или электрофорная машина.
34

50
rU
Вариант А. Бумажные флажки в однородном электрическом
(электростатическом) поле
Для проведения этого эксперимента необходимо предварительно
изготовить 20 бумажных флажков из полосок бумаги, сложенных
по продольной оси и насаженных на острие (рис. 19). Остриями
могут служить острия для маленьких компасных стрелок или они
могут быть изготовлены из иголок,
воткнутых в небольшие подставки.
Бумажные флажки должны быть на острие в
равновесии.
На двух лабораторных штативах
устанавливают в горизонтальном положении
лист оконного стекла (400 мм X 400 мм).
На листе стекла расставляют бумажные
флажки, например, рядами по четыре. По
обе стороны от торцов стекла помещают
закрепленные в вертикальной плоскости
на штативах с изолирующими
подставками две алюминиевые пластины,
образующие конденсатор (рис. 20, а). Пластины
конденсатора соединяют с кондукторами
г
Рис. 19. Изготовление
бумажного флажка
на острие
0 0 Q -О- 0
ф ф 0 ф 0
ф or § 0 т&
0 0 & -е- $
f
-е- -е- -е- -е- -е-
е- е- е- -е- -е-
-е- -е- -е- -е- -е-
-е- -е- -е- -е- -е-
в
Рис. 20. Установка для
демонстрации силовых линий однородного
электростатического поля и вид
сверху на расположение бумажных
флажков до создания поля и при
наличии поля
35

ленточного генератора или электрофорной машины. Как только
на пластинах будет создано достаточное напряжение, флажки,
находящиеся до того времени в самых различных положениях
(рис. 20, б), повернутся на своих остриях так, что их
продольные оси окажутся расположенными вдоль прямых,
перпендикулярных плоскости пластин конденсатора (рис. 20, в). Полученное
расположение флажков указывает направление силовых линий в
однородном электрическом поле.
Вариант Б. Бумажные флажки в неоднородном электрическом
поле
В этом варианте
эксперимента алюминиевые диски,
моделирующие пластины
конденсатора, заменяют полыми
металлическими
полушариями, укрепленными в штативах
на изолирующих
подставках, как показано на
рисунке 21, а. Полушария
должны быть закреплены на такой
высоте, чтобы линия,
соединяющая их центры,
проходила через плоскость
расположения бумажных флажков.
Как только на полушария
будет подано высокое
напряжение, бумажные флажки
повернутся на остриях и
расположатся так, что их
продольные оси окажутся
касательными к кривым, как бы
исходящим из вершины
одного полушария и входящим в
соответствующую точку другого полушария (рис. 21, б).
0
Гг
Й0
\±
0 -е- is Ы
-е- -е- «L &L
•е -е 0 0Ш
§ -е- 0 0\
Рис. 21. Установка для демонстрации
силовых линий неоднородного
электростатического поля и вид сверху на
расположение флажков в неоднородном
электростатическом поле
Вариант В. Нитки или бумажные полоски в радиальном поле
шарового кондуктора
При помощи пластилина или клея нитки длиной по 100 мм или
такой же длины полоски папиросной бумаги прикрепляются в
разных точках к шаровому кондуктору, однако так, чтобы концы ниток
или бумаги под слоем пластилина или клея касались металла. Под
действием собственного веса приклеенные нитки или полоски бумаги
свисают. Как только кондуктор будет соединен с одной из клемм
высоковольтного генератора или ленточного генератора и послед-
36

ний будет приведен в действие, нитки или бумажные полоски
выпрямятся и расположатся по радиусам шара; кондуктор
окажется в своеобразном ореоле. Наблюдаемая картина может выглядеть
очень эффектно, если использовать цветные нитки.
Не меньший интерес вызывает и несколько отличное проведение
эксперимента, при котором нитки не наклеиваются на
поверхность шара, а укрепляются на резиновое кольцо, надеваемое на
шаровой кондуктор. Резиновое кольцо должно держаться на
кондукторе только за счет трения. Его целесообразно надеть так, чтобы
оно держалось почти в вертикальной плоскости. Как только
кондуктор будет соединен с генератором и между ним и Землей
возникнет разность потенциалов, нитки выпрямятся и вокруг шара
образуется своеобразный нимб.
10. Демонстрация силовых линий
электрического поля
Мелкие кристаллики свежеразмельченного гипса;
древесные опилки; мелконастриженные волосы; латунная
фольга; электропроводящая бумага; 2 полоски латуни
(1 мм X 20 мм X 200 мм); чашка Петри; касторовое
масло; оконное стекло; нульгальванометр; реохорд; 2
зажима-крокодила; аппаратура для вертикальной проекции;
зеркало; ленточный генератор или электрофорная
машина; батарея аккумуляторов (4 в).
Для проведения этих экспериментов
следует предварительно изготовить специальные
электроды из латунной фольги, придавая им самую
различную форму: круга, кольца, фигуры,
напоминающую корпус электроскопа и его
кондуктора с разошедшимися лепестками, наконец,
просто линеек, но все вырезанные электроды
должны иметь специальный выступ, который
можно зажать зажимом-крокодилом для
присоединения провода. Кроме того, этот выступ
должен быть изогнутым так, чтобы его можно
было надеть на борт чашки Петри (рис. 22). Из
листовой латуни должны быть изготовлены
также прямые электроды, накладываемые на
электропроводящую бумагу.
Вариант А. Древесные опилки в электрическом поле
Две латунные прямые полоски, моделирующие пластины
конденсатора, помещают на некотором расстоянии друг от друга на
листе стекла. На них, применяя зажимы-крокодилы, соединенные с
Рис. 22.
Латунные
электроды
37

кондукторами генератора, подают высокое напряжение. Все
стекло с положенными на него латунными пластинками обсыпают
свежими и сухими древесными опилками. Под действием
электрического поля опилки приходят в движение, перескакивая от одной
латунной пластинки к другой, что и создает пространственное
представление об электрическом поле.
Вариант Б. Манная крупа в касторовом масле в электрическом
поле
В чашку Петри наливают касторовое масло слоем до 10 мм.
В масле взбалтывают немного крупы и в полученную взвесь
погружают электроды различной формы, навешивая их на борт чашки
Рис. 23. Силовые линии между
шаровым и кольцевым
электродами
М$г&^?жШ
Рис. 24. Силовые линии
однородного поля
между электродами,
моделирующими конденсатор
Рис. 25. Железное кольцо
в электростатическом поле
•::гж.'-.т
Рис. 26. Силовые линии
на модели электроскопа
38

Петри. На электроды подают
напряжение от ленточного генератора или
электрофорной машины, создавая
между электродами электрическое
поле. Под действием электрического
поля крупинки располагаются по его
силовым линиям. Чашку Петри
следует демонстрировать или в
потолочной проекции или при помощи
отражения в зеркале, укрепленном над
демонстрационным столом на высоте
около одного метра под углом 45°, что
позволит наблюдать картину
электрических полей всем учащимся
одновременно (потолочные проекции, см.
часть 6, стр. 53, часть 2, стр. 276).
Возникающая картина
электрического поля вокруг шарового
кондуктора приведена на рисунке 23; между
пластинками конденсатора — на
рисунке 24; экранирование
пространства от внешних электрических полей
при помощи железного кольца — на
рисунке 25; поле в электроскопе —
на рисунке 26; поля между
кондукторами, несущими разноименный заряд
и одноименный, — на рисунке 27.
Рис. 27. Силовые линии
между разноименно и одноименно
заряженными кондукторами
Вариант В. Свежие кристаллы гипса или мелконастриженные
волосы в электрическом поле
Картины электрических полей — спектры силовых линий,
изображенные на рисунках 23—27, можно продемонстрировать при
помощи свежеизмельченных кристаллов гипса или мелконастри-
женных волос. Для этого на сухой лист оконного стекла,
расположенный горизонтально над осветителем потолочной проекции
(рис. 28), помещают те же модели электродов, что и во втором
варианте данного эксперимента, и поверхность стекла с моделями
посыпают кристалликами гипса или мелконастриженными
волосами. Как только на электроды будет подано высокое напряжение,
кристаллики гипса или волосы сместятся и расположатся по
силовым линиям поля. Для устранения прилипания кристалликов
рекомендуется легкое постукивание по стеклу деревянной
палочкой или карандашом.
39

Вариант Г. Электропроводящая бумага как индикатор
силовых линий электрического поля
По прилагаемому рисунку 29 собирается мостовая схема.
Электродами-контактами с электропроводящей бумагой служат
полоски латуни, на которые и подается напряжение. Электропроводящая
бумага соединяется параллельно реохорду. Ползунок реохорда
через нульгальванометр соединяется со щупом, образуя мостик.
Для каждого положения ползунка реохорда находят на
электропроводящей бумаге при помощи щупа точки равного потенциала
(при контакте щупа с электропроводящей бумагой в таких точках
ток в мостике не проходит и стрелка гальванометра
устанавливается на нуле). Найденные точки фиксируются на бумаге карандашом.
То же проделывается и для других положений ползунка реохорда,
идя по нему, например, «шагами» по 10 см. Нанесенные точки
равного потенциала соединяют карандашной линией между собой.
Так воссоздаются картины изопотенциальных линий. Силовые
линии в каждой точке поля перпендикулярны изопотенциальным
линиям, а в пространстве — изопотенциальным поверхностям.
Взяв вдоль линейки-электрода точки, расположенные на равном
расстоянии друг от друга, и считая их началом силовых линий,
можно провести и сами силовые линии. Они будут идти от
положительного электрода к отрицательному, плавно обходя участки
диэлектрика — прорези в электропроводящей бумаге. Силовые
линии целесообразно наносить цветными карандашами или даже
краской «гуашь». Таким образом, можно создать серию настенных
таблиц с картинами силовых полей.
Рис. 28. Установка для де- Рис. 29. Опыт с электро-
монстрации объектов, рас- проводящей бумагой. Схе-
положекных горизонтально ма установки
40

Примечание
Метод изучения электрических полей при помощи
электропроводящей бумаги разработан советским ученым Г. А.
Рязановым. (См. также журнал «Физика в школе», 1961, № 3.—
А. Л.)
И. Измерение при помощи маятника сил,
действующих на заряд» внесенный в поле
2 посеребренных стеклянных шарика с ушком (010мм);
рукоятка из хорошо изолирующего материала
(например, с насадкой из полистирола); эбонитовая или
полихлорвиниловая палочка; кусок шерстяной ткани;
шелковые или капроновые нитки; осветитель; миллиметровая
бумага; высокий штатив.
Общий вид установки приведен на рисунке 30, а. Один из
стеклянных шариков 2 укрепляют клеем на хорошо изолирующей
рукоятке, зажатой в лапке штатива. Другой шарик / подвешивают би-
филярно в высоком штативе на шелковой или капроновой нити.
Высота подвеса должна быть не менее одного метра. Шарики
должны иметь одинаковые размеры. После сборки установки шарики
перемещением штатива с неподвижным шариком приводятся в
соприкосновение.
Рис. 30. Измерение сил, действующих на заряд, внесенный в поле:
/ — бифилярно подвешенный шарик, моделирующий «пробный» заряд;
2 — неподвижный шарик, моделирующий заряд, «создающий поле»?
3 — экран; 4 — осветитель
41

Перед шариками на некотором расстоянии от них
устанавливают осветитель 4 так, чтобы тень от шариков, увеличивающая
контур шариков примерно в два раза, падала на классную доску. На
доске в месте падения тени кнопками прикрепляют лист
миллиметровой бумаги 3, на которой предварительно тушью наносят шкалу
с сантиметровыми и полусантиметровыми делениями. Штрихи
шкалы должны быть нанесены достаточно жирными линиями, чтобы
они были видны всему классу. Условно одно из делений шкалы
принимают за нулевое и соответственно маркируют шкалу. Это
нулевое деление следует совместить с центром тени от
подвешенного на нитях шарика.
Эксперимент
Полихлорвиниловой палочкой, потертой о шерсть, касаются
одновременно обоих шариков, тем самым сообщая им одноименные
заряды. Шарик, подвешенный на нити, тотчас же отскакивает от
неподвижного и после нескольких колебаний останавливается. По
шкале фиксируют новое положение центра тени отклонившегося
шарика, расстояние г (рис. 30, б) по отношению к центру
тени неподвижного шарика, а затем определяют величину
смещения центра тени от прежнего ее положения — расстояние х
(рис. 30, б).
После этого ступенями по нескольку сантиметров, 6 см, 5 см,
4 см, отодвигают неподвижный шарик от его начального
положения влево, соответственно по шкале смещается и тень от этого
шарика. Перемещение неподвижного шарика приводит, естественно,
к смещению тени подвешенного шарика. Исследуя законы
колебания маятников, было установлено, что при малых изменениях
амплитуд величина действующей на подвешенный шарик
возвращающей силы пропорциональна смещению F~ х (см. часть 1, стр. 231),
следовательно, можно величину смещения принять за меру
действия сил на заряженный шарик.
Зависимость между величиной смещения и расстоянием между
центрами шариков, или, что то же самое, центрами их теней,
может быть установлена на основании сопоставления измерений
указанных величин при каждом новом положении неподвижного
шарика. Данные измерений целесообразно занести в таблицу, что
облегчает сопоставление.
Пример такого анализа приводится в помещенной ниже
таблице.
Из сопоставления данных, занесенных в таблицу, видно, что
произведение величины силы, взятой в условных единицах, на
квадрат расстояния между центрами шариков в хорошем
приближении постоянно:
F.r2 = const.
42

Позиция
—
—
1 1
2
3
1 4
Смещение
X
см
22
18
15
13
Сила
! F~x
условные
единицы
22
18
15
13
Перемещение
неподвижного
шарика
в
см
0
6
11
15
Расстояние,
между
центрами теней
шариков
Г
СМ
21
24
26
28
хг2
или
F-r2 |
—
—
10600 1
10400
10200
10200 1
Другими словами, сила, действующая в поле между двумя
заряженными шариками, обратно пропорциональна квадрату
расстояния между ними:
Г2
12. Вывод закона Кулона (в общем виде).
Исследование сил взаимодействия зарядов
на крутильных весах Шюрхольца
Крутильные весы Шюрхольца; 3 стеклянных
посеребренных шарика (0 30 мм); изолирующая рукоятка;
стальная проволока (0 0,5 мм); шелковые или капроновые
нитки, или тонкий шнур (длина 1 м)\ зеркальная шкала;
латунная фольга; машинное масло (0,5 л); стеклянный
прямоугольный сосуд (1 л); шарик металлический с
крючком (вес 1 /г); 2 высоких штатива; подставка; осветитель;
ленточный генератор или электрофорная машина.
В этом эксперименте используются крутильные весы
Шюрхольца. Подобные весы можно изготовить самим (рис. 31). На жесткой
металлической раме 1 вертикально натягивают тонкую стальную
проволочку диаметром не более 0,1 мм и длиной порядка 60 см.
Предварительно на проволоке в ее середине следует сделать петлю
для крепления коромысла. Коромысло из хорошо изолирующего
материала, например полихлорвинила, закрепляют в петле на
натянутой проволоке и на одно его плечо насаживают посеребренный
стеклянный шарик 2, на другое — изогнутую под прямым углом
книзу проволоку, на которую напаивают латунную пластинку 4.
Коромысло должно быть достаточно прочно закреплено в петле,
чтобы при его повороте проволока закручивалась не менее, чем на
30°. Рядом устанавливают на подставке стеклянный сосуд с мас-
43

лом, в которое и погружают латунную пластинку 4, служащую
демпфером.
На некотором расстоянии от весов устанавливают два
штатива (рис. 31 и 32). В одном из них на хорошо изолирующей
рукоятке (рис. 31) закрепляют второй посеребренный шарик 3. На другом
высоком штативе (рис. 32) подвешивают нитяной маятник длиной
не менее 1 м с грузиком весом в 1 п. Шарик маятника / и шарик 2,
укрепленный на нити крутильных
весов, связывают шелковой или
капроновой нитью, и штативы
отставляют настолько, чтобы соединяющая
Рис. 31. Крутильные весы Шюрхольца:
/ — рама весов; 2 — шарик с противовесом,
закрепленный на закручиваемой нити; 3 —
неподвижный шарик; 4 — противовес —
демпфер
б р
1 ||||щ<4-цЯЦ.
Рис. 32. Весы Шюрхольца с
маятниковым подвесом:
1 — шарик маятника на нити;
2 — шарик весов Шюрхольца
шарики нить натянулась, но не выводила маятник из
положения равновесия. К штативу с подвешенным маятником
крепят на уровне шарика зеркальную шкалу, по которой можно
отсчитывать отклонения подвеса маятника от положения
равновесия. На рисунке 32, б показаны силы, действующие на маятник.
Это позволяет установить, что возвращающая сила является одной
из составляющих веса и равна:
F = P sina.
Если вес грузика маятника был равен 1 я, а при отклонении
нити произошел поворот на угол в 4°, то возвращающая сила
равна 35 мп. Расчет позволяет измерить силу, отклоняющую нить
маятника и вызывающую его смещение. Такой силой явится при
повороте шарика, укрепленного в коромысле крутильных
весов, сила натяжения нити, связывающей шарики, которая в свою
очередь равна силе, закручивающей проволоку весов.
44

Часть 1. Зависимость силы взаимодействия двух заряженных
шариков от расстояния между их центрами
Перемещая штатив (рис. 31) с неподвижным посеребренным
шариком 5, устанавливают его на строго определенном расстоянии от
второго шарика 2, например в 12 см, и сообщают обоим шарикам
одноименный заряд. Для этого кратковременно соединяют
разрядником оба шарика с одной и той же клеммой ленточного
генератора. Шарик крутильных весов тотчас же отклонится от
неподвижного шарика на некоторое расстояние, и тем самым нить крутильных
весов будет закручена. Но так как подвижный шарик связан нитью
с грузом маятника, то это вызовет соответствующее отклонение
последнего.
Как было указано, величина смещения маятника является
мерой силы, закручивающей нить крутильных весов, т. е. силы
взаимодействия заряженных шариков. Поэтому, как только в этой
части эксперимента будет меняться расстояние между шариками, то
по характеру изменения в отклонении маятника можно судить и
об изменении силы взаимодействия. Проводя эту часть
эксперимента, следует изменять расстояние между шариками ступенями по
2 см.
Сопоставляя результат эксперимента, легко установить первую
зависимость:
F-r2 = const,
или
F~±.
Г2
Сила взаимодействия двух одинаково заряженных шариков
обратно пропорциональна квадрату расстояния между их центрами.
Часть 2. Зависимость силы взаимодействия двух заряженных
шариков от величины их зарядов
В этой части эксперимента (рис. 31) штатив с неподвижным
шариком 3 устанавливают на постоянное расстояние от шарика
крутильных весов 2 и во все время проведения эксперимента его не
перемещают.
Обоим шарикам одновременно от ленточного генератора
сообщают одинаковые и достаточно большие заряды qY = q2 = q. При
этом шарик крутильных весов отклоняется от неподвижного
шарика. По зеркальной шкале определяют соответствующее смещение
маятника. После этого третьим таким же, но незаряженным
шариком, укрепленным на хорошо изолирующей рукоятке, касаются
неподвижного шарика, это вызывает перераспределение зарядов.
Убрав теперь поднесенный шарик, удаляют одновременно и
половину заряда, нанесенного первоначально на неподвижный шарик.
45

Наблюдая по зеркальной шкале за отклонением маятника,
легко установить, что его смещение уменьшилось в два раза.
Разрядив переносный шарик, им вновь касаются неподвижного
шарика, тем самым удаляют еще половину остаточного заряда.
Тотчас же еще в два раза уменьшается величина смещения
маятника. Наконец, вновь разрядив переносный шарик, в третий
раз касаются неподвижного шарика и еще раз снимают половину
остаточного заряда q/4, и вновь отклонение маятника
уменьшается в два раза. Теперь на шарике осталась всего одна восьмая
начального заряда. По зеркальной шкале видно, что также в восемь
раз уменьшилась и сила взаимодействия между шариками. В
результате проведения этой части эксперимента устанавливается
вторая закономерность:
Сила взаимодействия заряженных шариков прямо
пропорциональна величине зарядов.
Сопоставляя данные обеих частей эксперимента, нетрудно
вывести формулу, отражающую обе найденные закономерности:
р __ЯуЯ2
г2
В процессе преподавания следует указать на необходимость
введения в формулу коэффициентов пропорциональности, один из
которых должен характеризовать среду, разделяющую заряженные
тела.
Приводя известную формулу:
р __ <7i'?2
4яе0 егг2 '
следует указать, что величины е0 и ег могут быть найдены
экспериментально (Э-25, Э-26).
Примечания
1. При проведении второй части эксперимента можно
разряжать и шарик крутильных весов, однако каждое
прикосновение к шарику крутильных весов неизбежно вызовет механическое
воздействие на маятник, а этого следует избегать.
2. В этом эксперименте целесообразно использовать
крутильные весы Шюрхольца заводского изготовления, однако и
на самодельных весах эксперимент может дать достаточно
надежные результаты.
3. Установку целесообразно демонстрировать
классу в теневой проекции на экран. В этом случае на-
46

добность в зеркальной шкале отпадает. Все измерения можно
проводить непосредственно на экране, укрепив на нем
шкалу, на которую и следует спроектировать шарики.
13. Создание и разрушение электрического
поля (!)
Электрометр Брауна; зеркальный гальванометр или
миллиамперметр; лампочка накаливания (на 2 в) в
патроне на подставке; 2 алюминиевые пластинки (200 мм X
X 200 мм) с контактным ушком; блок-конденсатор (4 мкф);
2 разрядника; металлический шарик (0 2 мм) на
шелковой или капроновой нити; 2 штатива на изолирующих
подставках; деревянная рейка (0 10 мм, длина 300 мм);
большой агрегат питания или ленточный генератор.
Часть 1. Создание электрического (электростатического) поля
Две металлические, например, алюминиевые пластинки
укрепляют вертикально в лапках штативов на изолирующих
подставках. Расстояние между пластинками порядка 50 мм. Пластинки
образуют конденсатор. Параллельно пластинкам присоединяют
электрометр Брауна, соединив его кондуктор с одной пластинкой,
а корпус с другой. Пластинки через рубильники соединяют с
выходными клеммами большого агрегата питания или другого
источника постоянного тока (200 в). Можно также присоединить
пластинки и к ленточному генератору.
Как только на очень короткое время будут включены
рубильники, стрелка электрометра
отклоняется, это указывает на возникновение
поля между пластинками собранного
конденсатора (рис.33, а). В таком
варианте установки поле возникает
практически мгновенно.
Поле может создаваться и
постепенно, во всяком случае возрастание его
напряженности может идти ступенями.
Для этой цели заряды подают на уже
описанную установку путем
кратковременного касания пластин разрядником,
соединяющим пластины с клеммами
источника напряжения. Ступенчатое
возрастание напряженности поля наблюда- ^
ется по ступенчатому же возрастанию ^ ^
угла отклонения стрелки электрометра рис зз Создание элект-
(рис. 33, б), ростатического поля
2206 пНЗ\\220в
fir? fir?
ф
ф.
у
47

Часть 2. Разрушение поля
Блок-конденсатор емкостью не менее 4 мкф на короткое время
подключают к источнику постоянного тока порядка 400 в,
например к большому агрегату питания. После зарядки конденсатора 1
его разряжают на зеркальный гальванометр 5, последовательно с
которым в цепь введена деревянная рейка 2 длиной около 30 см,
играющая роль высокоомного сопротивления, укрепленная на двух
штативах с изолирующей подставкой (рис. 34). Гальванометр
показывает кратковременный ток. Впрочем, можно конденсатор
разряжать и на маловольтную лампочку накаливания, которая будет
вспыхивать в момент разрядки конденсатора (рис. 35).
Ч
=|-<2Н
Рис. 34. Разрядка конденсатора через высоко-
омное сопротивление. Разрушение
электростатического поля
w
ksm
Рис. 35. Разрядка
конденсатора на
лампочку накаливания.
Разрушение
электростатического поля
®-|:
Г?
h
V
Оба опыта позволяют сделать вывод, что
исчезновение (разрушение) электрического поля
связано с возникновением электрического тока.
Но электрическое поле можно разрушить и
постепенно. Для этого параллельно пластинам
конденсатора, собранного из двух больших
алюминиевых пластин, расположенных вертикально,
присоединяют электрометр Брауна. После зарядки
конденсатора, при кратковременном соединении
пластин с источником постоянного тока,
отклонение стрелки электрометра укажет на наличие
разности потенциалов между пластинами, а
значит, и на наличие электрического поля.
В пространство между пластинами
конденсатора вносят небольшой металлический шарик,
подвешенный на шелковой или капроновой нити, —
своеобразный маятник. Раскачивая такой маят-
Рис. 36. Ступенчатая разрядка конденсатора.
Ступенчатое разрушение электростатического поля
48

ник рукой, дают шарику поочередно касаться то одной, то другой
пластины конденсатора (рис. 36). После каждого такого касания
пластин стрелка электрометра будет постепенно опускаться, пока
не исчезнет поле. Так можно наблюдать постепенное ступенчатое
исчезновение, разрушение электрического поля конденсатора.
14. Действие острия, выступающего
на поверхности заряженных тел(!)
Алюминиевый диск (0 200 мм); шаровой кондуктор с
острием; заостренная металлическая спица (0 1 мм)\
легкая металлическая вертушка; свеча; чашка Петри;
манная крупа; касторовое масло; 2 латунных электрода
(кольцевой по внешним размерам чашки Петри и
квадратный); 2 штатива на изолирующих подставках;
аппаратура для потолочной проекции; ленточный генератор или
электрофорная машина, большой агрегат питания.
Часть 1. Электрический ветер
В клемме штатива на изолирующей подставке укрепляют в
горизонтальном положении заостренный металлический стержень или
спицу и соединяют с кондуктором ленточного генератора. На
стержень подают значительный заряд. Нанесенный заряд будет
«стекать» с острия, в чем легко убедиться, поместив перед острием
зажженную свечу. Пламя свечи отклоняется от острия под действием
стекающих зарядов, образующих «электрический ветер», который
и вызовет ионизацию и движение воздуха, отклоняющего пламя
(рис. 37, а).
Реактивное действие «электрического ветра» можно
продемонстрировать при помощи легкоподвижной вертушки (рис. 37, б),
установленной на острие, воткнутом в изолирующую подставку.
Это своеобразная электрическая модель «сегнерова колеса». На ме-
Рис. 37. Демонстрация «электрического ветра» у острия (а)
и «сегнерова колеса» (б)
49

таллическое острие такой вертушки подают отрицательные заряды
с ленточного генератора или электрофор ной машины. Стекающие
с каждого острия вертушки заряды вызовут реактивное ее
движение в противоположную сторону.
Часть 2. Электризация через влияние и отекание зарядов с
острия
Шаровой кондуктор с острием укрепляют в штативе с
изолирующей подставкой. Вблизи кондуктора помещают алюминиевый диск,
закрепив его в вертикальной плоскости так, чтобы острие
кондуктора было направлено на центр диска (рис. 38).
Алюминиевый диск соединяют с положительным кондуктором
ленточного генератора или электрофорной машины. Как только на
диск будет подан достаточно большой заряд, в силу индукции на
шаровом кондукторе произойдет разделение зарядов и на стороне,
обращенной к диску, будут накапливаться отрицательные заряды,
электроны, которые и начнут стекать с острия. Уже через короткое
время можно установить, что шаровой кондуктор зарядится
положительно.
Часть 3. Силовые линии электрического поля квадратного
кондуктора
Металлический электрод, имеющий форму квадрата, погружают
в чашку Петри, в которую предварительно наливают взвесь
манной крупы в касторовом масле (см. Э-10, вариант 2). Чашку
окружают кольцевым электродом или кольцевой электрод погружают
также в чашку Петри так, чтобы квадратный электрод был в
центре кольцевого.
Чашку Петри с двумя электродами устанавливают на столике
аппарата для вертикальной проекции (см. рис. 28, а также часть 2,
стр. 276). На электроды от источника постоянного тока, например
от большого агрегата питания, подают высокое напряжение
порядка 400 е. Под действием электрического поля крупинки
располагаются вдоль силовых линий поля. Неравномерное их
распределение позволит судить и о неоднородности поля — наибольшая
густота силовых линий будет у вершин квадрата (рис. 39).
Примечания
1. Резкое повышение напряженности поля у острия приводит
к ударной ионизации молекул воздуха, окружающего острие,
а это в свою очередь способствует образованию электрического
ветра.
2. При работе ленточного генератора в затемненном
помещении наблюдается свечение кондукторов генератора. Иногда
50

такое свечение наблюдается и на резких изгибах проводов,
идущих от генератора. Наблюдается также возникновение свечения
на заостренных деталях в высоковольтных линиях
электропередач, на радиомачтах, на молниеотводах, свечение концов рей
на судах, свечение остроконечных выступов зданий (огни
св. Эльма), появление голубовато-сиреневых кисточек на
вершинах деревьев, особенно хвойных. Все эти явления вызываются
ударной ионизацией воздуха, при которой и воз-никает
голубовато-сиреневое до малинового свечение, аналогичное описанному в
эксперименте.
15. Получение на ленточном генераторе
регулируемого высокого напряжения (!)
Ленточный генератор; 6 булавок с металлическими
головками; лейденская банка; электрометр Брауна;
лейкопласт; электродвигатель с регулируемым числом
оборотов.
На откидном кондукторе ленточного генератора при помощи
лейкопласта укрепляют несколько булавок с металлическими
головками так, чтобы своими головками булавки касались
поверхности кондуктора, а острия булавок были обращены в сторону
большого неподвижного кондуктора генератора. Оба кондуктора
соединяют через лейденскую банку. Параллельно лейденской
банке присоединяют электрометр Брауна. Для вращения генератора
применяют электрический двигатель с регулируемым числом
оборотов (рис. 40).
51

Как только лента генератора
будет приведена в движение,
между шаровыми кондукторами
установится определенное
напряжение, постоянство которого будет
поддерживаться включенным
конденсатором — лейденской банкой.
Ёи | m [JIN I—'ll Изменяя скорость вращения элект-
» p4-Jl ' ^^ш родвигателя и меняя расстояние
' между кондукторами, можно
получить произвольно выбранные
напряжения, контролируемые
электрометром Брауна. При помощи
обычного ленточного генератора
можно получать напряжения до 5 кв. Закрепив кондуктора,
выбранное напряжение можно достаточно стабилизировать, для чего
следует сохранять равномерность вращения двигателя.
Для получения того или иного заданного напряжения
целесообразно для имеющихся в распоряжении ленточных генераторов
заранее составить таблицы с указанием режима работы генератора.
Величины, определяющие напряжение генератора: число оборотов
электродвигателя и расстояние между кондукторами. Эти
таблицы по желанию можно заменить графиками или номограммами.
Рис. 40. Регулирование
снимаемого с ленточного генератора
высокого напряжения
16. Модель электрофильтра для очистки воздуха
от пыли и дыма. Явление электрофореза (!)
<фЩ=ш=>
«нкин
Рис. 41. Дымовой
электрический фильтр
%
2 широкие трубки
(металлическая и стеклянная, каждая 0
4 мму длиной по 400 мм)\ лист
латунной или медной фольги;
упругая прямая проволока (0 1 мм,
длиной 600 мм)\ 2
зажима-крокодила; высокий штатив на
изолирующей подставке с зажимом
для крепления широких трубок
и 2 лапками на изолирующих
стержнях; ленточный генератор
или электрофорная машина.
Широкую металлическую трубку
устанавливают в вертикальном положении,
зажав ее в лапке штатива на изолирующей
подставке. Сквозь трубку пропускают
упругую проволоку и укрепляют ее в двух
других лапках штатива с изолирующими
рукоятками так, чтобы проволока распо-
52

лагалась по осевой линии трубки. При помощи зажимов-крокодилов
один конец проволоки и трубку соединяют соответственно с
отрицательным и положительным полюсом источника высокого
напряжения, например с кондукторами ленточного генератора (рис. 41).
Как только генератор будет приведен в действие, в трубке между ее
стенками и проволокой создастся электрическое поле.
Если в собранную и находящуюся под напряжением установку
через нижнее отверстие трубки ввести дым, например от
зажженной папиросы, то воздух, выходящий из верхнего отверстия
трубки, будет очищен от дыма. Под действием электрического поля
частицы дыма, наэлектризовавшись при трении о воздух в
восходящей струе, будут осаждаться на проволоке.
Для большей наглядности можно металлическую трубку
заменить широкой стеклянной, в нижнюю часть которой в этом случае
следует ввести кусок латунной или медной фольги, согнутой в
неполный цилиндр, высотой несколько меньшей, чем сама трубка.
Соединив проволоку с отрицательным кондуктором ленточного
генератора, фольгу соединяют с положительным.
Примечание
Эксперимент моделирует очистные сооружения, помещаемые
в дымовые и заводские трубы для очистки выбрасываемого через
них воздуха.
17. Демонстрация при помощи зонда-пламени
электрического поля Земли
Длинная бамбуковая или деревянная рейка (длиной
не менее 5 м); деревянный диск с укрепленным по центру
подсвечником (80 мм); широкая стеклянная трубка
(внутренний 0 80 мм, длина 150 мм) или ламповое стекло;
свеча; медная изолированная проволока (0 0,8 мм, длина
5000 мм); резиновая трубка (внутренний 01,2 мм,
длина 5000 мм); электрометр Брауна; полихлорвиниловая
палочка; кусок шерстяной ткани.
На торце длинной, не менее 5 м, бамбуковой рейки
перпендикулярно ее продольной оси укрепляют деревянный диск с
подсвечником. Предварительно в диске эксцентрически просверливают
отверстие, в которое и пропускают конец длинной медной проволоки.
Выступающий над диском конец проволоки изгибают под прямым
углом и, как только в подсвечнике будет закреплена свеча, конец
проволоки направляют так, чтобы он попадал в горячую часть
пламени свечи. Проволоку, свисающую ниже диска, следует закрепить,
чтобы она не выскользнула из-диска под действием собственного
веса. Это нужно сделать тем более, что проволоку для большей изо-
53

ляции продевают в резиновый шланг такой же длины. Проволоку
в этом случае можно крепить не только к диску, но и к самой рейке.
Нижний конец проволоки, зачищенный от изоляции, соединяют с
кондуктором электрометра Брауна. Корпус электрометра в начале
эксперимента не заземляют, а заземление делают после первого
наблюдения.
После подготовки прибора зажигают свечу и рейку переводят
в вертикальное положение (рис. 42, а). Едва рейка будет поднята,
стрелка электрометра отклонится от положения равновесия.
Отклонение стрелки будет тем больше, чем
выше поднята над землей свеча с
введенным в ее пламя концом проволоки,
соединенной с кондуктором электрометра.
В развитие эксперимента следует
продемонстрировать и влияние заземления
корпуса электрометра.
При помощи натертой о шерсть
полихлорвиниловой палочки нетрудно уста-
а
Рис. 42. Исследование
электрического поля
Земли
Рис. 43. Эквипотенциальные
линии электрического поля Земли
вблизи здания
новить, что на кондукторе электрометра возникает
положительный заряд.
Так как эквипотенциальные поверхности Земли значительно
деформируются деревьями и постройками, целесообразно
эксперимент проводить на открытой местности. Впрочем, эксперимент можно
провести и в помещении, желательно расположенном в верхнем
этаже здания. В этом случае крепление диска со свечой следует
изменить. Диск нужно закрепить не на торец рейки, а сбоку (рис.
42, б). Все остальное крепление то же. Подготовленный таким
образом прибор на рейке выносится через окно по возможности дальше
от стен (рис. 43). При таком положении рейки она как бы
пересекает эквипотенциальные поверхности, направленные вблизи
здания почти вертикально.
54

§ 4. НАПРЯЖЕННОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ
18. Зависимость напряженности поля от сил,
действующих в однородных полях (!)
Крутильные весы Шюрхольца; электрометр Брауна;
2 металлических диска (0 200 мм); тонкая металлическая
пластинка к весам (30 мм X 20 мм X 0,2 мм)\ 3 штатива
на изолирующих подставках; ленточный генератор или
электрофорная машина; большой агрегат питания.
Пояснение
Напряженность однородного электрического поля измеряется
отношением разности потенциалов между электродами, создавшими
поле, к расстоянию между ними, взятому вдоль силовых линий:
U
Е =
d
Напряженность поля Е измеряется вв-м~г, если разность
потенциалов U измерена в вольтах и расстояние d—в метрах.
Подготовка эксперимента
Перед крутильными весами Шюрхольца на изолирующих
подставках устанавливают два металлических диска так, чтобы
образовался конденсатор. Диски своими центрами должны быть
закреплены строго против шарика крутильных весов по обеим его
сторонам (рис. 44, а — общий вид, и рис. 44, б — вид сбоку). Для этого
эксперимента шарик крутильных весов заменяют металлической
0^3
а б
Рис. 44: Поведение заряженного тела в поле конденсатора
55

пластинкой того же веса. Параллельно дискам присоединяют
электрометр Брауна, при этом один диск (на рис. 44, левый) соединяют
с кондуктором электрометра, другой — с его корпусом, но через
клемму штатива на изолирующей подставке. Эта клемма должна
быть заземлена, тем самым заземляется и корпус электрометра.
Часть 1. Зависимость сил, действующих в однородном
электрическом поле, от разности потенциалов пластин
конденсатора
При проведении этой части эксперимента диски сближают до
расстояния 100 мм и это расстояние не меняют.
Незаземленный диск, соединенный с кондуктором электрометра,
соединяют с ленточным генератором, установленным
предварительно на напряжение относительно земли в 1 кв, как это
указано в Э-15. Пластинку крутильных весов, заменяющую шарик,
на очень короткое время соединяют разрядником с
отрицательным полюсом большого агрегата питания, установленного на
200 в. Под действием сил электрического поля пластинка выйдет
из состояния покоя и повернется на некоторый угол. Затем на
диск конденсатора последовательно подают напряжение в 2 кв,
3 mt 4 кв и, наконец, 5 кв. По мере увеличения напряжения между
дисками конденсатора угол поворота пластинки крутильных весов
будет возрастать.
Наблюдение позволит сделать первый вывод: сила,
действующая в поле, пропорциональна напряжению:
В том случае, если установка проектируется на экран, можно
определить углы поворота пластинки крутильных весов. По
отклонению стрелки электрометра определяют разность потенциалов
между дисками, образующими конденсатор. Эксперимент, оставаясь
качественным, приобретает некоторый количественный характер,
что и позволяет данные эксперимента свести в таблицу и представить
графически.
Форму таблицы можно предложить следующую:
Напряжение
на
конденсаторе
в
Отклонение
пластинки
весов
градусы или
деления
шкалы
Сила,
действующая на
пластинку
условные
единицы
F-U—l
—
56

Часть 2. Зависимость сил, действующих в однородном поле,
от расстояния между пластинами конденсатора
Если в первой части эксперимента постоянным выдерживалось
расстояние между электродами, т. е. создающими поле пластинами
конденсатора, то во второй части постоянной поддерживается
разность потенциалов между пластинами, а расстояние между ними
меняется.
На конденсатор, пластины-диски которого отодвинуты в начале
на 100 мм, подается напряжение с ленточного генератора вЗ/св.
Фиксируется угол поворота пластинки крутильных весов. Затем,
ступенями по 20 мм, расстояние увеличивается сначала до 120 мм,
затем 140 мм и т. д. до 200 мм. Для каждой ступени определяется
угол поворота пластинки крутильных весов. Нетрудно заметить,
что по мере раздвижения пластин конденсатора угол поворота
крутильных весов уменьшается, но при количественных измерениях,
проведенных даже приближенно, нетрудно установить, что
произведение величины действующей силы на расстояние остается
постоянным:
F-d = const,
откуда следует, что
F--L.
d
Данные наблюдений, как и в первой части, целесообразно
свести в таблицу, по которой можно построить и график.
Расстояние между
пластинами
конденсатора
СМ
Отклонение пластинки
крутильных весов
градусы или
деления шкалы
Величина
силы
условные
единицы
F-d
"—
Результаты наблюдений, проведенных в обеих частях
эксперимента, позволяют сделать вывод: величина силы, действующей в
однородном электрическом поле на внесенный в поле заряд,
пропорциональна разности потенциалов на электродах, между которыми
создано поле, и обратно пропорциональна расстоянию между ними:
В пояснении, предваряющем эксперимент, указано, что это
отношение U : d в то же время и рассматривается как величина, ха-
57

рактеризующая напряженность поля, отсюда можно сделать
вывод, что величина силы, действующей в однородном электрическом
поле на внесенный в поле заряд, пропорциональна напряженности
поля:
F — E.
Следует иметь в виду, что напряженность есть величина
векторная.
Часть 3. Зависимость силы, действующей в однородном
электрическом поле на внесенный в него заряд, от величины
этого внесенного заряда
Диски, образующие конденсатор, устанавливают на
расстоянии 100 мм друг от друга и заряжают от ленточного генератора
до напряжения в 2 кв. Установив выход большого агрегата питания
на 100 в, кратковременно при помощи разрядника соединяют
отрицательную клемму агрегата с пластинкой крутильных весов.
Наблюдают за ее отклонением. Сняв с пластинки заряд, ее вновь
соединяют разрядником с отрицательной клеммой большого
агрегата питания, на выход которого подают уже не 100 в, а только 75 в.
После нового наблюдения эксперимент продолжают в том же
порядке, каждый раз ступенями по 25 в уменьшая напряжение на
выходных клеммах агрегата питания. На основании наблюдения
устанавливается прямая пропорциональность силы, действующей
на пластинку от величины ее заряда:
F^q.
Но ранее было установлено, что F~ ?, следовательно,
F^q.E,
или
F^±M
d
Полученные на основании эксперимента данные приводят к
выводу, что
F.d = q.U.
В последнем уравнении нетрудно подсчитать, что в обеих частях
уравнения единицей измерения является единица работы; так, в
системе СИ это джоуль, если измеренную силу выразить в ньютонах.
Уравнение справедливо и в том случае, если все единицы будут
взяты в системе СГСЕ, но работа, естественно, в этом случае будет
измеряться в эргах. Решая эти уравнения в системе СИ, следует
58

напряженность поля измерять в в • мг1. Действительно, из
уравнения:
следует, что
и тогда
р с и
а
п U F
Е = 7 = -'
d q
j-p, \F] н __ й'в'Сек в
[q] а*сек а*сеК'М м
Примечания
1. Проведение этого эксперимента дает наилучшие
результаты при обязательном соблюдении достаточной изоляции
всех деталей, которым сообщается заряд. Большое значение
имеет сухость воздуха в помещении; чем воздух суше, тем лучше
проходит эксперимент. Необходимо также просушивать
прогревом и детали установки.
2. На результат эксперимента влияет также и явление
индукции между дисками конденсатора и пробным телом, в
данном эксперименте пластинками крутильных весов. Для
устранения этого затруднения следует перед каждым новым этапом
проведения эксперимента с пробного тела снимать остаточные
заряды, для этого достаточно пластинку крутильных весов на
короткое время внести в пламя газовой или спиртовой горелки.
19. Моделирование установки для определения
величины элементарного заряда
(кванта электричества)
2 металлические пластины (400 мм X 400 мм х 1 мм)
на изолирующих рукоятках; 2 зажима-крокодила;
стеклянная трубка (0 3 мм, длина 500 мм)\ тонкая шелковая
или капроновая нитка; кусочек шерстяной ткани;
коллодиум; мыло; ленточный генератор или электрофорная
машина.
Держа за изолирующие рукоятки, располагают две
металлические пластины горизонтально, одну над другой. При помощи
зажимов-крокодилов пластины соединяют с кондукторами
ленточного генератора (рис. 45).
Выдув из коллодиума небольшой шарик (0 15 мм) (рис. 46)
и дав ему несколько затвердеть, перевязывают его у самой
стеклянной трубки длинной шелковой или капроновой ниткой. Затем его
59

электризуют, потерев о кусочек шерстяной ткани, и, держа за
нитку, вносят в пространство между пластинами конденсатора (рис. 45).
Как только пластины будут соединены с ленточным генератором и
между ними возникает электрическое поле, шарик начнет парить
в пространстве между пластинами. Следует обратить внимание,
чтобы и шарик и нижняя пластина конденсатора были заряжены
одноименно. В том случае, если шарик начнет опускаться, следует
несколько опустить верхнюю
пластину конденсатора; если же
шарик начнет всплывать вверх,
нужно приподнять верхнюю
пластину.
Вместо шарика из
коллодиума можно взять и мыльный
пузырь.
Воздух
<D
Рис. 45. Моделирование опыта
Милликена
Рис. 46. Выдувание шарика
из коллодиума
Теоретические предпосылки
Этот эксперимент моделирует установку американского
физика Милликена, при помощи которой он измерял величину
элементарного заряда — кванта электричества, т. е. наименьшей
возможной порции электричества. В установке Милликена регулировалось
напряжение, подаваемое на пластины конденсатора, помещенного
в вакуум. В пространство между пластинами вводилась капля
масла, которая заряжалась от трения о воздух. Капля парила в
пространстве между пластинами, когда ее вес Р уравновешивался
силой F, действующей на нее в электрическом поле:
D П U
и тогда
P-d
U
Вес капли масла определялся по ее размерам, измеренным под
микроскопом, и по удельному весу масла.
При изменении величины заряда в результате ионизации
каждое Aq было кратно указанному отношению, что и позволило
найти величину элементарного заряда — кванта электричества.
60

Полученный Милликеном результат дает право предположить,
что заряд электрона, или элементарный заряд, квант электричества,
постоянен и равен:
ё= 1,60-10'19 а-сек (к),
1 /с = 6,25.1018ё.
§ 5. ЭЛЕКТРОЕМКОСТЬ. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОСТОЯННЫЕ
20. Зарядка и разрядка конденсатора (!)
Конденсатор (10 мкф)\ миллиамперметр
магнитоэлектрической системы (нуль по середине шкалы, до 5 ма)\
ключ Морзе; высокоомное сопротивление (2 Мом)\
штатив на изолирующей подставке; малый агрегат питания
или другой источник постоянного тока (20 в)у
большой агрегат питания.
Собирают электрическую цепь,
изображенную на рисунке 47. Миллиамперметр
включают без шунта, он служит
баллистическим прибором, по отклонению стрелки
которого можно судить об импульсе тока
при зарядке и разрядке конденсатора.
Переключателем служит ключ Морзе,
которым включают либо источник тока,
либо цепь, на которую разряжается
конденсатор.
Переключив ключ Морзе в положение
а, подают ток на последовательно
собранную цепь из миллиамперметра и
конденсатора. Отклонение стрелки
миллиамперметра покажет величину импульса
зарядного тока. Через некоторое время ключ
Морзе переключают в положение б, при этом происходит
разрядка конденсатора на миллиамперметр, отклонение стрелки
которого позволит судить об импульсе разрядного тока. Сопоставляя
характер отклонения стрелки миллиамперметра, можно сделать
вывод: импульсы зарядного и разрядного тока равны по величине,
но противоположны по направлению.
В том случае, если экспериментатор поставит задачу построить
кривые разрядного и зарядного токов, следует последовательно с
миллиамперметром включить высокоомное сопротивление,
зарядку же конденсатора провести от большого агрегата питания,
дающего напряжение не менее 300 в.
*«¦***
206 ^
|[+~5 1
||„ 9 I
(mA) |
/;
VJ
ft 1
У
Рис. 47. Определение
зарядного и разрядного
тока конденсатора
61

21. Зарядка конденсатора при постоянном
напряжении и определение величины
нанесенного заряда (!)
Конденсатор (4 мкф)\ лампочка тлеющего разряда;
4 сопротивления (3 по 2 Мом и 1 на 200 ком); ключ
Морзе; секундомер; реостат (100 ком, 1 вт)\ вольтметр (500 в);
миллиамперметр (5 ма)\ большой агрегат питания.
Предварительный эксперимент
В задачу предварительного эксперимента входит нахождение
минимального напряжения, при котором начинают светиться
электроды лампочки тлеющего разряда. Для этого собирают схему,
указанную на рисунке 48. Последовательно с лампочкой тлеющего
разряда включают сопротивление в 200 ком, а
параллельно—вольтметр, которым и контролируют искомое напряжение. Ток на
лампочку от большого агрегата питания снимают с делителя напряжения.
-$-
2006
+6
-9
Jcri
-ф
Рис. 48. Определение
минимального напряжения, вызывающего
свечение электродов лампочек
тлеющего разряда
200-
4006
Рис. 49. Установка для определения
величины заряда, сообщенного
конденсатору
Перемещая ползунок реостата, служащего делителем напряжения,
так, чтобы напряжение нарастало, фиксируют показания
вольтметра в момент начала свечения электродов лампочки. Условно
такое напряжение будем называть напряжением зажигания. Затем,
вводя реостат, определяют момент, при котором электроды
лампочки тлеющего разряда перестают светиться. Такое напряжение будем
называть напряжением гашения.
Основной эксперимент
Для проведения эксперимента собирают установку,
изображенную на рисунке 49. В этой установке индикатором напряжения
служит лампочка тлеющего разряда, включаемая параллельно
конденсатору. Последовательно конденсатору включают вначале один,
62

затем два и, наконец, три высокоомных сопротивления.
Конденсатор заряжают от большого агрегата питания, дающего ток с
напряжением порядка 400 в. В зарядную цепь включают
миллиамперметр.
Для зарядки конденсатора переключают ключ Морзе в
положение а. Время от момента включения ключа до момента зажигания
лампочки тлеющего разряда определяют по секундомеру.
Переведя ключ Морзе в положение б и разряжая конденсатор на
включенное последовательно с ним многоомное сопротивление, вновь
определяют время от момента переключения ключа Морзе до
момента угасания свечения электродов лампочки тлеющего разряда.
Эксперимент проводят при включении последовательно с
конденсатором одного, двух, трех сопротивлений.
Нетрудно установить, что по мере включения сопротивлений в
цепь конденсатора времяг зарядки конденсатора возрастает.
Измеренные промежутки времени при каждом новом включении
сопротивлений относятся как 1 : 2 : 3, т. е. так же, как и величины
включаемых сопротивлений.
Так как при зарядке конденсатора фиксируются также и
показания миллиамперметра, то из этих показаний видно, что величины
зарядных токов постепенно уменьшаются и относятся как— : — : —.
1 А о
При разрядке конденсатора наблюдается та же закономерность
в изменении времени разрядки.
Сопоставляя величины зарядных токов со временем зарядки,
происходящей при постоянном напряжении, что обусловлено
зажиганием лампочки тлеющего разряда, нетрудно установить, что
14 = const.
Так как произведение / • / есть импульс тока, т. е.
14 = 1т,
в то же время, как это показано в Э-4, импульс тока соответствует
количеству электричества, накопленного на конденсаторе, то
Im = q,
что и соответствует заряду, сообщенному конденсатору, или, как
принято говорить, «заряду конденсатора».
22. Электроемкость (!)
Приборы те же, что и для Э-21, но вместо трех
сопротивлений по 2 Мом — 3 лампочки тлеющего разряда.
63

Часть 1. Зависимость между величиной заряда, сообщенного
конденсатору, и напряжением
Эту часть эксперимента проводят аналогично Э-21 по схеме,
изображенной на рисунке 48. Но если в Э-21 исследуется
напряжение, при котором зажигаются электроды лампочки тлеющего
разряда, то в этой части эксперимента исследуется напряжение
зажигания, при котором зажигается не одна, а две и, наконец, три
последовательно соединенные
лампочки. Найдя эти
величины напряжений, схему
видоизменяют, как показано
на рисунке 50. В цепь
параллельно конденсатору
включают вначале одну,
затем две и, наконец, три
одинаковые лампочки
тлеющего разряда, соединяемые
последовательно. И в каждом
случае, следуя описанию Э-21,
измеряют время зарядки
конденсатора, а, значит, по
импульсу тока и величину
сообщаемого конденсатору
заряда.
Результат эксперимента позволяет сделать вывод: чем больше
сообщаемый конденсатору заряд, тем больше и напряжение или
отношение величины заряда, сообщаемого конденсатору, к
величине напряжения есть величина постоянная:
Рис. 50. Исследование зависимости
между величиной заряда, сообщенного
конденсатору, и напряжением
или
?Л
- = const.
и
Часть 2. Определение электроемкости конденсатора
Собранная для проведения первой части эксперимента схема
служит и для проведения второй части.
Используя ключ Морзе, проводят зарядку конденсатора,
определяя величину зарядного тока (Л). Для этого ключ Морзе
должен быть переведен в положение а. Затем конденсатор разряжают
на сопротивление в 6 Мом, переведя ключ Морзе в положение б.
Параллельно конденсатору включают при этом вначале одну,
затем две и, наконец, три лампочки тлеющего разряда. Во время
разрядки определяют как величину разрядного тока (/2), так и время
от момента переключения ключа Морзе до момента зажигания
64

электродов лампочки тлеющего разряда. Измерение времени по
секундомеру должно быть произведено и при зарядке конденсатора.
Эта часть эксперимента уточняет полученную в первой части
закономерность тем, что для определения заряда, сообщенного
конденсатору, берется не один зарядный ток, а среднее значение
зарядного и разрядного токов.
Исходя из того, что
? = /.*,
а среднее значение тока
2 '
тогда
,-(i±*).«.
При таком проведении эксперимента полученное в первой его
части соотношение еще более убедительно, что и позволяет написать:
- = const.
U
Но именно это соотношение и является величиной,
характеризующей электроемкость конденсатора, т. е.
С = 2-.
и
Результаты эксперимента можно свести в таблицу, образец
которой и приводится ниже:
1 Токи

зарядный
Л
1 С1

разрядный
/.
а
Среднее значение
тока
fJi±b
2
а
Время
t
сек
Импульс тока
l-t = q
а*сек (к)

Напряжение
и
в
Электроемкость
С-Ь
фарада j
Эксперимент дает вполне убедительные результаты.
23. Определение электроемкости
конденсатора при помощи баллистического
гальванометра
Баллистический гальванометр или зеркальный
гальванометр с большим периодом колебаний; конденсатор
(300 пф)\ металлическая пластина (300 мм X 100 мм X
X 2 мм); электрический секундомер; камертон;
вольтметр (3 в); декадный реостат (100 ом X 10); однополюс-
65

ный рубильник; 2 зажима-крокодила; ключ Морзе; 2
постоянных сопротивления (1 Мом и 0,1 Мом)\ скипидар
или терпентин; лак; целлофан; батарейка карманного
фонарика; малый агрегат питания или батарея
аккумуляторов (6 в).
Ф-
-Л ф ^
Определение баллистической
постоянной гальванометра
Здесь мы рассматриваем три различных способа определения
баллистической постоянной гальванометра:
п
где п — число делении шкалы, на которые отклонилась стрелка
гальванометра или световой зайчик зеркального гальванометра.
Определение постоянной гальванометра следует провести до
проведения основного эксперимента, и эта работа может
рассматриваться как самостоятельный опыт по электричеству.
1. На рисунках 51, а и 51, б
*~*\ приведены принципиальные схемы
r\S/ < f—| установок для определения посто-
I I JL янной гальванометра при помощи
электрического секундомера. В
схеме, изображенной на рисунке 51, а,
в цепь вводят постоянное
сопротивление в 1 Мом при
нерегулируемом напряжении. Импульс тока
создается кратковременным
включением однополюсного рубильника.
Источником тока является
батарейка карманного фонарика. В
схеме, изображенной на рисунке
51, б, постоянное сопротивление
всего в 0,1 Мом, но введением
декадного реостата как делителя
напряжения можно ступенями
менять напряжение на участке цепи
с включенным гальванометром.
Источником тока и здесь служит
батарейка карманного фонарика.
Определение времени зарядки
конденсатора производится при
помощи электрического секундомера,
включаемого одновременно с вклю-
а
1,58
г€Ь?
Рис. 51. Определение
баллистической постоянной гальванометра:
а — при ПОСТОЯННОМ Напряжении; б— «irrtwTTiLTXWVO
при регулируемом напряжении ЧеНИеМ руОИЛЬНИКа.
66

2. Простым приемом определения времени включения и
выключения цепи является метод включения цепи при помощи камертона,
который за время прохождения тока вычерчивает кривую на
закопченной металлической пластинке.
Включение цепи происходит в
момент касания ножкой камертона
металла, и выключение наступает
как только ножка камертона
оторвется от пластинки (рис. 52).
Металлическую пластинку следует
покрыть тонким слоем копоти от
горящего скипидара или
терпентина (см. часть 3, стр. 142 и 200).
Камертон включают в цепь
последовательно с гальванометром и много-
омным сопротивлением. Рукоятку
камертона хорошо изолируют,
обернув ее несколькими слоями изоляционной ленты.
Металлическую пластинку зажимают в зажим-крокодил и через него
соединяют с одним из полюсов источника тока.
Время прохождения тока определяют по числу записанных на
пластинке колебаний. Действительно, зная частоту колебаний
камертона и сосчитав число записанных полных колебаний, находят
время прохождения тока как частное от деления числа записанных
колебаний на частоту камертона:
Рис. 52. Определение
баллистической постоянной гальванометра,
применяя камертон
? = n:v.
Следует иметь в виду, что время касания камертоном
металлической пластинки должно быть меньше времени, идущего на
максимальное отклонение стрелки гальванометра. Измерение должно
быть повторено не менее пяти раз, и постоянная гальванометра
берется из среднего значения полученных величин. Целесообразно
все данные измерений и расчетов4 свести в таблицу.
опыта

Напряжение
и
в


тивление
R
ом
<3ила
тока
/
а
Число

колебаний
Ч
—
Частота

камертона
V
сек'1
Время
прохождения
тока
V
сек
Кол-во
ярошед.

электричества
q^I-t
к
Число
делений
шкалы
п
—
Постоянная
прибора
*--
П J
К
п
67

Определение электроемкости
Конденсатор, электроемкость которого надлежит определить,
заряжают под контролем вольтметра от источника тока,
напряжение на котором можно изменять ступенями по 0,5 в в пределах от
2,0 до 6,0 в (рис. 53).
Переключением ключа Морзе производят
разрядку конденсатора на
баллистический гальванометр, для чего
ключ переводят в положение б.
Данные эксперимента сводят в
таблицу, приведенную ниже.
Эксперимент проводят с
баллистическим гальванометром, по-
Рис. 53. Определение электро- стоянная которого заранее опре-
емкости делена.
опыта

Напряжение
и
в
Отклонение
стрелки
прибора
п
—
Количество
сообщенного электричества
q = ht
к (а*сек)
Электроемкость
конденсатора
и и \
а-сек к
в в 1
Сопоставление данных эксперимента позволяет утверждать,
что электроемкость конденсатора есть величина постоянная.
Ход рассуждения таков.
Так как п ~ U, но q =- В • п, то q^->U.
Введя в это отношение коэффициент пропорциональности,
значение которого, как видно из эксперимента, постоянно, можно
записать, что
q = CU
и отсюда
и
При измерении напряжения в вольтах, импульса тока в а -сек,
или, что то же самое, в кулонах, наименование электроемкости как
коэффициента пропорциональйости будет выражаться в ^^
т. е. соответствующее наименованию единицы электроемкости в
системе СИ — фараде.
68

24. Зависимость электроемкости
конденсатора от площади взаимопокрытия
пластин и расстояния между ними
Бумажный конденсатор (с шириной фольги 50 мм);
2 листа текстолита (800 мм X 300 мм х 5 мм); 12
телефонных гнезд; латунная фольга; ключ Морзе;
баллистический гальванометр; большой агрегат питания или
батарея аккумуляторов (30 в); электрический или
другой утюг.
Изготовление бло к-к онденсаторов
Для изготовления блок-конденсаторов раскручивают старый
бумажный конденсатор и отрезают от него двойные ленты (фольга—
парафинированная бумага): восемь лент по 640 мм, две по 440 мм
и две по 240 мм. Взяв по две ленты каждой длины, счищают с их
концов по 20 мм металлической фольги. Так получается первая
партия полосок-лент, в которых бумажная прослойка на 40 мм
длиннее металлической обкладки, и тогда длины металлических
обкладок будут: 600 мм, 400 мм и 200 мм. Каждую пару лент
одинаковой длины покрывают с обеих сторон парафинированной
бумагой, под которую поджимают узкие контактные полоски латуни.
Полоски латуни должны касаться металлической фольги. Таким
образом собирают блок-конденсаторы (рис. 54, а, б). Собранные
блок-конденсаторы проглаживают достаточно горячим утюгом и
после остывания наклеивают на демонстрационную доску — лист
Рис. 54. Изготовление блок-конденсатора:
/ — металлическая фольга; 2 — парафинированная
бумажная прокладка; 3 — л атунные контакты
текстолита или гетинакса, в которую заранее вмонтированы
телефонные гнезда. Латунные контактные полоски поджимают под
гайки телефонных гнезд (рис. 55). Площади взаимопокрытия
пластин в блок-конденсатор ах будут относиться как 1:2:3.
69

?
^
a
10-306
-$-
Рис. 55. Демонстрационная
доска с укрепленными блок-
конденсаторами
Рис. 56. Исследование
конденсатора
Из оставшихся шести отрезанных лент длиной по 640 мм
собирают новую систему блок-конденсаторов. Снова взяв по две ленты,
собирают три пары: в первой — две ленты, наложенные друг на
друга, следовательно, между фольгой в этой паре будет только одна
парафинированная бумажная прослойка, во второй паре — между
лентами прокладывают дополнительно еще одну полоску
парафинированной бумаги и в третьей паре — прокладывают две
дополнительные полоски бумаги. Так же, как и в первой системе блок-
конденсаторов, поверх блока накладывают с обеих сторон
парафинированную бумагу, подложив контактные латунные полоски. Одна
из таких полосок должна касаться нижней фольги конденсатора,
другая — верхней. Прогладив горячим утюгом систему
блок-конденсаторов, их наклеивают на вторую демонстрационную доску.
Контактные латунные полоски и здесь поджимают под гайки
телефонных гнезд. В этой системе блок-конденсаторов при одинаковой
площади взаимопокрытия пластин толщины диэлектрика относится
как 1:2:3.
Демонстрационные доски с укрепленными
блок-конденсаторами устанавливают вертикально на демонстрационном столе.
Впрочем, можно воспользоваться и одной демонстрационной доской,
наклеив на нее блок-конденсаторы с обеих сторон, но в этом
случае следует для каждой системы конденсаторов вмонтировать свои
телефонные гнезда.
Часть 1. Влияние площади взаимопокрытия
электроемкость конденсатора
пластин на
Для проведения эксперимента собирают электрическую цепь,
схема которой приведена на рисунке 56. Зарядка конденсатора
производится от источника тока с постоянным напряжением,
например 30 в. Разрядка конденсатора идет на баллистический галь-
70

вайометр, постоянная которого известна. Переключателем служит
ключ Морзе.
В указанную цепь по очереди включают блок-конденсаторы из
первой серии, площади взаимного покрытия пластин которых
относятся как 1 : 2 : 3.
После зарядки конденсаторов их разряжают на баллистический
гальванометр и фиксируют величину отброса стрелки прибора.
Наблюдения показывают,что величина отброса стрелки прибора
тем больше, чем больше площадь взаимопокрытия. Проведя
многократные наблюдения при различном напряжении зарядного тока,
легко установить, что величина отброса стрелки прибора
возрастает в том же соотношении, в каком возрастает площадь
взаимопокрытия, т. е. если
отношение площадей взаимопокрытия 1:2:3,
то и
отношение величины отброса стрелки 1 : 2 : 3.
Так как величина отброса пропорциональна импульсу прошедшего
через прибор тока:
или, что то же самое, величине сообщенного конденсатору заряда,
то можно утверждать, что и электроемкости конденсаторов
пропорциональны площадям взаимопокрытия пластин этих
конденсаторов:
Часть 2. Влияние толщины диэлектрика на электроемкость
конденсатора
На той же установке и тем же методом исследуется вторая
серия блок-конденсаторов, у которых толщина диэлектрика
возрастает в отношении 1 : 2 : 3.
Наблюдая за отбросом стрелки баллистического гальванометра
при разрядке блок-конденсаторов на прибор, нетрудно установить,
что, чем толще диэлектрик, тем меньше электроемкость
конденсатора. При многократном проведении эксперимента легко
обнаружить, что величины отброса стрелки гальванометра постепенно
убывают и относятся как— : — : —. Это и позволяет сделать вывод,
12 3
что электроемкость конденсатора обратно пропорциональна
толщине диэлектрика:
с~1-.
d
71

В результате проведения обеих частей эксперимента можно
утверждать, что электроемкость конденсатора прямо
пропорциональна площади взаимопокрытия пластин и обратно
пропорциональна толщине диэлектрика:
С d'
а если ввести диэлектрическую проницаемость диэлектрика
(диэлектрическую постоянную) е, формула примет вид:
eS
d
где е = е0.ег.
Так как диэлектрическая постоянная диэлектрика имеет
наименование к2-н~~х-м 2, то
п -
^J
ф
к2
• сек2-
• «-1«ж-
м
а-1-е-1
м
¦*.м2
-сект1
'М
к2-н~*
м
а
• сек
в
а2
=
•сек2
м
к __
в
• н'1
фарада,
Впрочем, наименование диэлектрической постоянной может быть
и иным, а именно ф • лг1. Тогда в системе СИ вывод наименования
электроемкости еще проще:
[С] = - = фарада.
25. Определение абсолютной диэлектрической
проницаемости (электрической
постоянной) (!)
Конденсатор воздушный измерительный (500 пф) с
известным расстоянием между пластинами, которое
можно менять на совершенно определенную величину, и
известной площадью взаимопокрытия пластин; две
металлические пластины (площадь 500 см2, толщина 1 мм)
с контактными клеммами; баллистический гальванометр;
вольтметр магнитоэлектрической системы (50 в);
электродвигатель с регулируемым числом оборотов;
коллектор с кольцами от динамо-машины (из набора по
электротехнике); 3 латунных контакта к коллектору;
стробоскопический круг; лампочка тлеющего разряда в
патроне; телефонное реле (24 в); селеновый
выпрямитель (2 шайбы; 0,5 а); тахометр для определения числа
оборотов двигателя; 2 штатива на изолирующих
подставках; большой и малый агрегаты питания.
72

Пояснение
Для нахождения абсолютной диэлектрической постоянной, т. е.
постоянной вакуума, получившей в последнее время название
«электрической постоянной», обычно пользуются исследованием
многократной зарядки и разрядки конденсатора при достаточно
большой частоте включений.
Среднее значение силы тока в этом случае может быть
найдено по формуле:
/cp = C/.Cv,
где U — напряжение постоянного зарядного тока в в, С — емкость
конденсатора в 0, v — частота включений конденсатора в гц.
Так как емкость конденсатора в вакууме или в очень
хорошем приближении в воздухе определяется формулой:
то в этом случае среднее значение тока определяется уравнением,
Уср *" d '
где е0 — диэлектрическая постоянная вакуума (или Еоздуха)
S — площадь взаимопокрытия пластин конденсатора и d —
расстояние между пластинами.
Таким образом, определение электрической постоянной в
конечном счете сводится к определению среднего значения силы тока,
действительно:
___ /cp-d
Но именно эту величину среднего значения тока определяют:
напряжение зарядного тока (что легко замерить вольтметром),
емкость конденсатора (а значит, нужно взять конденсатор с
заранее известной емкостью) и, наконец, частота зарядки и
разрядки конденсатора. Вот почему в этом эксперименте указаны не
только установки для определения электрической постоянной, но
и приемы измерения частоты зарядки и разрядки.
Эксперимент
Вариант А
В этом варианте эксперимента переключателем для зарядки и
разрядки конденсатора является коллектор динамо-машины
переменного тока, насаженный на ось электрического двигателя с ре-
73

Рис. 57. Вспомогательные устройства в схеме
исследования электрической постоянной
гулируемой частотой вращения ротора (рис. 57). Для определения
частот вращения ротора, а значит, и коллектора можно
воспользоваться стробоскопическим диском, освещенным лампочкой
тлеющего разряда (см. часть 1, стр. 205—207). К вращающемуся
коллектору подведены три щетки: средняя 1 соединена с
конденсатором, а крайние 2 и 3 — с зарядной и разрядной цепью.
Вариант Б
Переключение выключателя зарядной и разрядной цепи
осуществляется в этом варианте телефонным реле (рис. 58), включенным
в цепь переменного тока через однополу пер йодный селеновый
выпрямитель. Средняя клемма реле 1 соединяется с конденсатором,
две другие — 2 и 3 — с зарядной и разрядной цепью. Частота
переключений в такой установке постоянна и равна частоте
городского переменного тока, т. е. равна 50 гц.
Принципиальные схемы установок для исследования
электрической постоянной приведены для переключателя с электродвига-
Рис. 58. Телефонное реле как Рис. 59. Схема электрической цепи
вспомогательное устройство в установки для определения электричес-
схеме исследования электри- кой постоянной при использовании
ческой постоянной электрического двигателя
74

тел ем на рисунке 59 и для
переключателя с реле на
рисунке 60.
В той и другой
установке разрядку
конденсатора ведут на
баллистический гальванометр.
Контроль за напряжением
зарядного тока
осуществляется при помощи
вольтметра. Зарядный ток
должен иметь напряжение
порядка 20 е.
Пользуясь той или иной
схемой, необходимо
произвести измерение величин,
входящих в рассмотренную
в пояснении окончательную формулу. Все измерения нужно
провести не менее пяти раз и взять средние значения величин.
Рис. 60. Схема электрической цепи
установки для определения электрической
постоянной при использовании реле
Примечания
1. Описанные установки можно использовать и для
определения емкости неизвестного воздушного конденсатора. Из
приведенных в пояснении формул очевидно, что
t/.v
Другие приемы определения емкости даны в Э-27 и Э-28.
2. В этом эксперименте целесообразно использовать
самодельный конденсатор, укрепленный на подставке с
микрометрическим винтом, при помощи которого можно с достаточной
точностью изменять расстояние между пластинами. Можно
использовать и так называемый измерительный конденсатор,
снабженный также микрометрическим винтом для регулирования
расстояния между пластинами. В том и другом случае
необходимо знать площадь взаимопокрытия пластин.
26. Определение относительной
диэлектрической проницаемости твердых
и жидких диэлектриков (!)
Приборы те же, что и для Э-25, кроме того,
различные твердые диэлектрики — пластинки (толщина 2 мм):
картон, стекло, целлулоид, полихлорвинил, полисти-
75

рол, текстолит, гексолит, эбонит, резина; жидкие
диэлектрики: вода, ацетон, глицерин, этиловый спирт;
алюминиевая тарелочка с плоским дном (0 100 мм);
плоская круглая алюминиевая пластинка (0 80 мм);
покровные стекла; микрометр, пипетка, 2
зажима-крокодила.
Для проведения эксперимента используется установка,
описанная в Э-25 и изображенная на рисунке 60 с применением
телефонного реле.
При определении относительной диэлектрической
проницаемости диэлектрика гг следует расчет вести по следующему уравнению:
р = /cP'd (I)
?/.S.v.e0
Это уравнение и определит порядок проведения эксперимента.
Очевидно, что при заполнении пространства между пластинами
диэлектриком необходимо знать толщину слоя диэлектрика d и
площадь взаимпокрытия пластин «S. Остальные величины, входящие в
формулу, могут быть найдены в процессе проведения
эксперимента по показаниям приборов, а диэлектрическая постоянная
берется из таблиц (ео =8,85 • 10"12 к2 • н*1 • м~2).
Впрочем, указанное уравнение может быть значительно
упрощено, если будет проведено исследование конденсатора с
пространством, полностью заполненным диэлектриком, а затем с
заполнением только половины пространства (рис. 61).
Действительно, электроемкость конденсатора, пространство
между пластинами которого полностью заполнено диэлектриком,
определяется уравнением:
С = — = 8°'8г п\\
d d
Электроемкость конденсатора с половинным заполнением
пространства определяется другим уравнением, а именно:
Гг __ 80.S- (1+Cf)
или
2 С = У5-(1 + ег) ^ ^Ш)
Из сопоставления уравнений следует:
откуда
2С
ео =
d>
с =
. (2С -
S
5
V
-о
*
(IV)
76

Но в то же время
С = —^- и соответственно
в этом случае:
__ d'(2I'c? — /cp) >у.
Подставив значение ео из уравнения (V) в уравнение (II), получаем:
г> ^* (2/'ср—^ср) _ «5 (2/'ср^ср)**
L* — • Ь_» — — ¦
Но так как
то имеем:
'ср
?/.v'
* ср (2 /'ср — /ср)' ег
и тогда формула расчета относительной диэлектрической
проницаемости диэлектрика принимает наиболее простой вид:
8Г = —^ . (VI)
г 9/' 1
м Ср—/Ср
Как видно из полученной формулы, нахождение величины
относительной проницаемости данного диэлектрика сводится к
измерениям зарядных токов при полном и половинном заполнении
диэлектриком пространства между пластинами. Очевидно, что этим
уравнением можно пользоваться только для твердых диэлектриков.
Часть 1. Определение относительной диэлектрической
проницаемости твердых диэлектриков
В описанной в Э-25 установке с телефонным реле (рис. 60)
следует использрвать самодельный воздушный конденсатор, между
пластинами которого и ввести диэлектрик в виде слоя с точно
измеренной толщиной. Пластины конденсатора должны плотно
прилегать к слою диэлектрика. Первые измерения среднего значения
зарядного тока производятся при полном заполнении
пространства между пластинами конденсатора диэлектриком. Для
следующих измерений следует диэлектрик сместить так, чтобы он
заполнял пространство между пластиками лишь на половину. И тогда,
пользуясь уравнением (VI), определяют относительную
диэлектрическую постоянную данного диэлектрика.
Зарядку конденсатора следует вести от источника тока на 30 в,
используя малый агрегат питания. Разрядка ведется на баллис-
77

тический гальванометр. Величина напряжения ?/, а также
частоты тока v и vi остаются во время проведения эксперимента
постоянными.
Часть 2. Определение относительной диэлектрической
постоянной жидкостного диэлектрика
Принципиальная схема установки та же,
что и в первой части. В качестве
конденсатора используется алюминиевая
тарелка, служащая одной из пластин
конденсатора, второй пластиной конденсатора служит
алюминиевая пластинка, помещаемая над
дном тарелки. Под пластинку следует
подложить небольшие кусочки покровных
стекол, используемых в микроскопической
технике. Толщина покровных стекол
должна быть предварительно измерена при
помощи микрометра. Размеры кусочков
должны быть минимальны, и во всяком случае
Рис. 61. Различное за- их поверхность должна составлять не более
полнение простран- 0,01 от площади верхней пластины конденса-
ства между пластина- ТОра. Пространство между пластинкой и дном
ми конденсатора ело- тарелки при помощи пипетки заполняют
исследуемой жидкостью (рис. 61, в).
Определение относительной
диэлектрической проницаемости жидкости ведется по
уравнению:
/
Д.
Т
7
б
ем диэлектрика:
а — полное заполнение
твердым диэлектриком;
б — половинное
заполнение твердым,
диэлектриком? в — заполнение
жидким диэлектриком: 1—
алюминиевая тарелка?
2— алюминиевый диск;
3 — покровные стекла,
служащие подкладкой
алюминиевому диску;
4 - контактный провод где d — толщина слоя жидкости (по толщине
алюминиевого диска; 5— \ о
латунная фольга, на ко- ПОКрОВНЫХ СТеКОЛ), S — ПЛОЩаДЬ Верхней
торую^вят^^алюминие- пластины конденсатора (алюминиевой
пластинки).
Сам ход работы в этой части эксперимента тот же, что и при
определении относительной диэлектрической постоянной твердого
диэлектрика.
27. Определение емкости конденсатора
прямым измерением и методом сравнения (!)
2 конденсатора (близкой по величине емкости, один
из которых «нормальный»); баллистический
гальванометр; вольтметр (100 в); ключ Морзе; переключатель
однополюсный; 3 штатива на изолирующих подставках;
большой агрегат питания.
78

Часть 1. Определение емкости прямым измерением
Конденсатор, емкость которого надлежит определить,
заряжают под контролем вольтметра и затем разряжают на
баллистический гальванометр. Для этого используют схему цепи, уже
описанную в Э-23 и изображенную на рисунке 53. Величина
напряжения при зарядке берется или по указанному в паспорте
конденсатора, или в 20 в и затем увеличивается ступенями по 20 в и до
100 в, но так, чтобы отброс стрелки гальванометра был в
пределах шкалы. При зарядке ключ Морзе переводится на положение
а, при разрядке — в положение б. Постоянная гальванометра
должна быть известна.
Зная постоянную гальванометра и число делений шкалы во
время отброса стрелки, величину заряда определяют из
уравнения:
q = п • В,
и тогда электроемкость конденсатора определяется по формуле:
~~ и ~й'
Часть 2. Определение емкости методом сравнения
Более точное определение емкости конденсатора достигается
при использовании метода сравнения или сопоставления. В этом
случае собирают установку, изображенную на рисунке 62.
Исследуемый конденсатор включают
параллельно «нормальному»,
т. е. такому, емкость которого
известна с достаточной
точностью.
Вначале заряжают и
разряжают «нормальный»
конденсатор и определяют величину
отброса стрелки
баллистического гальванометра, затем,
переведя переключатель, заряжают
под тем же напряжением
исследуемый конденсатор И также Рис. 62. Определение емкости кон-
разряжают его на гальванометр, денсатора методом сравнения
измеряя величину отброса
стрелки при разрядке. Постоянная гальванометра должна быть
известна.
В этом случае:
и
79

и
но тогда
и
ИЛИ
Г — Пх'С
28. Сравнение емкости двух конденсаторов
при помощи мостика Уитстона(!)
2 конденсатора (один исследуемый, другой
«нормальный»); реохорд (1000 мм); зуммер с трансформатором;
телефонные наушники; оптический индикатор
«магический глазок» (электронная лампа типа 6Е5С); 4
сопротивления (по 500 ком); ползунковый реостат (300 ом);
5 телефонных гнезд; 2 рубильника; штатив на
изолирующей подставке; лабораторный штатив; полоска
полихлорвинила (160 ммХ40 ммХЗ мм); большой и малый
агрегат питания.
Часть 1. Мостик Уитстона с акустическим индикатором
Так как конденсаторы в цепях переменного тока действуют
как многоомные сопротивления, то измерение емкости
конденсатора можно проводить
методом сопоставления,
используя обычную схему
мостика Уитстона.
В плечи мостовой
схемы на места сопротивлений
помещают исследуемый и
«нормальный»
конденсаторы (рис. 63). На
установку подают постоянный ток
через зуммер с
вмонтированным в него
трансформатором. При работе
зуммера ток становится
пульсирующим, частота
пульсации при этом
определяется частотой колебания
зуммера. В мостик
включают в качестве звукового
Рис. 63. Определение емкости
конденсатора при помощи мостика Уитстона
индикатора телефонные наушники, параллельно которым включа
ют рубильник или кнопочный выключатель. Перемещая движок
80

200-
300 б
Рис. 64. Монтаж «магического глазка»:
а — монтажная планка; б — общий вид крепления; в — схема
включения индикаторной лампы; г — вводы лампы «магический
глазок»
реохорда, добиваются такого его положения, при котором в
мостике исчезает ток, что и обнаруживается по исчезновению
звука в наушниках. Из обычной формулы мостика известно, что ток в
мостике исчезает, если
Ri __ R3
#2 #4
но так как
то
*i =
1
со-С
С
и Я2 =
со-С,
Так как в эксперименте применяют реохорд с длиной
проволоки 100 см, то, обозначив R3 через a, R выражается 100 — а; и
тогда
а
С 100—а
81

отсюда
р С*а
х~ 100—а
Так как электроемкость «нормального» конденсатора
известна, то нахождение емкости неизвестного конденсатора по
указанной формуле сводится к простым арифметическим
подсчетам.
Часть 2. Мостик Уитстона с оптическим индикатором
Для проведения этой части эксперимента в мостик мостовой
схемы в качестве индикатора на отсутствие тока в мостике вводят
«магический глазок»—электронную лампу типа 6Е5С, укрепленную
на специальной подставке. Монтажная схема крепления лампы и
изготовление подставки
указаны на рисунке 64.
Подставка для лампы
изготавливается из
хлорвиниловой или полистироловой
пластинки, изогнутой С-об-
разно. На пластинке
заранее просверливают
отверстия для панели лампы,
телефонных гнезд и
крепежного болта. На
монтажной схеме буквами «М»
Рис. 65. Определение емкости конденсато- Указаны узлы включения
ра по мостовой схеме с использованием Проводов МОСТа. Четыре
индикаторной лампы «магического глазка» сопротивления ПО 500 КОМ
целесообразно укрепить на
подставке лампы. Накал катода осуществляется подключением
катода к малому агрегату питания, от которого питается и вся
установка. Анодный ток снимают с большого агрегата питания,
подавая напряжение порядка 300 в (рис. 65).
После того как на установку подан ток и «магический глазок»
начинает светиться, перемещают движок реохорда до тех пор, пока
не исчезнет ток в мостике, что и приведет к сужению темного
сектора на светящемся поле оптического индикатора до щели или
полного исчезновения.
Расчет емкости исследуемого конденсатора в этом случае
проводится по уже известной формуле:
С = С'а
х 100—а
П^-г
г-^1
h^—1
ч-к
13
ЮО-а
-^
^п
82

29. Параллельное и последовательное
соединение конденсаторов (!)
3 конденсатора (1 мкф, 2 мкф и 4 мкф);
баллистический гальванометр или гальванометр
магнитоэлектрической системы (до 10 в); ключ Морзе; монтажная доска из
текстолита или гетинакса (300 ммХ 150 ммХ5 мм);
6 клемм; 4 металлические планки (100 ммХ 10 ммх2 мм);
большой агрегат питания.
J
700
-9
1_
СО1©
I
I L
4
б
Рис. 66. Исследование батареи конденсаторов
Для проведения эксперимента следует предварительно
подготовить монтажную доску. На монтажной доске необходимо
укрепить три конденсатора и шесть клемм так, чтобы переключением
металлических планок обеспечить либо последовательное, либо
параллельное включение конденсаторов (рис. 66).
Часть 1. Параллельное включение конденсаторов
Три конденсатора переключением металлических планок
соединяют параллельно (рис. 66) и при помощи ключа Морзе, переведя
его в положение а, подключают зарядную цепь. Зарядку
конденсаторов целесообразно вести под напряжением в 70 в. Переведя
ключ Морзе в положение б, разряжают конденсаторы на
баллистический гальванометр и измеряют величину отброса стрелки
прибора. Затем то же проводят при включении параллельно только
двух конденсаторов, например, в 1 мкф и 2 мкф или в 2 мкф и
4 мкф, наконец, заряжают и разряжают только один конденсатор.
Величины-отброса стрелки прибора заносят в таблицу. Сопоставляя
полученные результаты, устанавливают* что величина отброса
83

стрелки гальванометра возрастает по мере увеличения
включенных параллельно емкостей, что и позволяет сделать вывод: при
параллельном соединении конденсаторов общая емкость батареи
равна сумме емкостей:
^обш == ^1 ~Г ^2 ~Г Сз*
Часть 2. Последовательное соединение конденсаторов
Переключением металлической планки включают на зарядку и
разрядку сначала один конденсатор, затем два, соединенные
последовательно, например, в 1 мкф и 2 мкф, после этого включают
другую пару, например, в 1 мкф и 4 мкф или 2 мкф и 4 мкф и,
наконец, включают последовательно все три конденсатора (рис. 66).
При каждом включении производят зарядку и разрядку.
Зарядку ведут при постоянном напряжении. В таблицу вносят
величины отброса стрелки баллистического гальванометра для
каждого включения.
Полученные данные показывают, что по мере
последовательного включения все новых и новых емкостей величина отброса
стрелки прибора уменьшается. Сопоставление результатов
эксперимента дает право утверждать, что величина, обратная общей емкости
батареи последовательно соединенных конденсаторов, равна
сумме обратных величин включенных емкостей:
— = 1+1+1-
^Общ ^1 ^2 ^3
§ 6. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ИНДУКЦИЯ
30. Индукция пары металлических пластин
в поле плоского конденсатора
2 алюминиевых диска (200 мм X 200 мм X Ъ мм) с
лапками для крепления к клемме штатива; 2 латунных
круга на изолирующих рукоятках; электрометр Брауна;
стеклянная палочка; хлорвиниловая палочка; кусок
шерстяной и шелковой ткани; сургуч; 2 штатива на
изолирующих подставках; газовая или спиртовая горелка;
ленточный генератор или электрофорная машина.
Часть 1. Поведение двух соприкасающихся металлических
пластин при введении и выведении их из электрического поля
Две соприкасающиеся металлические пластины вносят в поле
плоского конденсатора, образованного двумя алюминиевыми дис-
84

ками, заряженными от ленточного
генератора (рис. 67). Не
прерывая соприкосновения,
металлические пластины выносятся из поля
и только после вынесения
разъединяются. Касаясь вынесенными
пластинами по очереди кондуктора
электрометра Брауна, убеждаются в
отсутствии заряда наг них.
Часть 2. Электризация
соприкасающихся пластин при
внесении их в поле плоского
конденсатора
Так же как и в первой части
эксперимента, соприкасающиеся
металлические пластины вносят в поле
плоского конденсатора, но на этот раз, не
вынося пластины из поля, их
разъединяют и только после этого выносят.
Если теперь коснуться одной из
пластин кондуктора электрометра Брауна, то стрелка прибора
отклонится, что укажет на то, что пластина была заряжена. Сняв заряд с
электрометра, для чего достаточно коснуться рукой его кондуктора,
подносят вторую пластину, вынесенную из поля. Стрелка прибора
вновь отклонится, что укажет на наличие заряда и на второй
вынесенной из поля пластине.
Эксперимент повторяют еще раз, но после того, как будет
вынесена первая пластина из поля и от нее будет заряжен электрометр
Брауна, заряд, полученный электрометром, не снимают, а, вынеся
вторую пластину, ею также касаются кондуктора электрометра,
стрелка которого оставалась отклоненной. Стрелка прибора при
касании второй пластиной тотчас же возвращается в нулевое
положение. Это указывает, что вторая пластина несла заряд, равный
по абсолютной величине заряду первой, но противоположного
знака. В момент касания кондуктора второй пластиной происходит
нейтрализация зарядов.
Часть 3. Определение знака заряда пластин, внесенных в поле
плоского конденсатора и наэлектризовавшихся в ре
зультате индукции
Две соприкасающиеся металлические пластины вносят в поле
конденсатора и, не вынося из поля, отдаляют одну от другой. Затем
одну из пластин выносят из поля и касаются ею кондуктора элек-
f
т
и и
и
Рис. 67. Индукция пары
металлических пластин в поле
конденсатора
85

трометра. Стрелка электрометра отклонится на некоторый угол.
Наэлектризовав хлорвиниловую палочку трением о кусок
шерстяной ткани, касаются наэлектризованной палочкой кондуктора
заряженного электрометра. В том случае, если угол отклонения
стрелки увеличится, можно утверждать, что заряд электрометра
увеличился, а, следовательно, знак заряда, нанесенного на
электрометр от металлической пластины, и знак заряда, снятого с
хлорвиниловой палочки, один и тот же, т. е. оба заряда отрицательные.
Если же при касании наэлектризованной хлорвиниловой палочкой
кондуктора заряженного электрометра его стрелка возвращается в
нулевое положение, то, очевидно, заряд электрометра был
противоположен знаку заряда наэлектризованной палочки, т. е. заряд
электрометра, заряженного от пластины, вынесенной из поля, был
положителен.
Также исследуется и вторая пластина, вынесенная из
поля.
Эта часть эксперимента убедительно показывает, что при
внесении в поле соприкасающихся металлических пластин на них в
силу индукции происходит разделение зарядов. Одна из пластин
электризуется положительно, другая — отрицательно. Такие
пластины, отделенные одна от другой в поле, после их вынесения из
поля сохраняют возникшие на них заряды. Полученные заряды равны
по величине, но противоположны по знаку.
Примечания
1. Вносимые в поле конденсатора пластины должны иметь
хорошо изолирующие рукоятки, лучше из полихлорвинила.
Стеклянные рукоятки нежелательны.
Такие пластины можно изготовить
самим из латунной фольги. Диаметр
пластины около 50 мм, толщина
фольги порядка 0,6 мм. Пластины
должны иметь ушки для укрепления
их в изолирующих рукоятках.
Крепление лучше вести при помощи сургуча.
Ушки пластин следует слегка изогнуть,
чтобы при соприкосновении
пластин рукоятки не мешали (рис. 68,
а и б).
2. Для повторного внесения
пластин в поле конденсатора следует пред-
Рис. 68. Крепление ме- варительно полностью удалить с них
изоли;Гющ^ПЛарСуТкоятВ заРяд> для этого Достаточно провести
ках для опытов по ин- пластины через пламя газовой или спи-
дукции ртовой горелки.
86

31. Явления индукции на полых
металлических цилиндрах
2 металлических полых цилиндра (0 100 мм, длина
образующей 150 мм) на изолирующих подставках;
стеклянная палочка; полихлорвиниловая палочка; сургучная
палочка; кусок шерстяной и шелковой ткани; проволока;
полоски папиросной бумаги; бузиновые шарики;
универсальный клей.
На концах металлических цилиндров, ближе к их торцам, при
помощи универсального клея приклеивают небольшие проволочные
крючки для подвеса бумажных
полосок или бузиновых шариков.
Проволочные крючки можно припаять к
цилиндрам (рис. 69). Цилиндры с
укрепленными крючками и
подвешенными на них полосками папиросной
бумаги или бузиновыми шариками
на шелковых нитях,
образующими небольшие электроскопы,
устанавливают горизонтально и
сближают ДО соприкосновения ИХ ТОр- рис. б9. Индукция на по-
[^ ГП ГО Pfa
т
цев.
лых металлических цилиндрах
Если теперь приблизить к
полости цилиндров наэлектризованную
трением о шерсть хлорвиниловую палочку, бумажные полоски
или бузиновые шарики, укрепленные у противоположных концов
цилиндров, разойдутся (рис. 69). Однако полоски бумаги или
бузиновые шарики, подвешенные в средней части соприкасающихся
цилиндров, остаются в покое. Цилиндры электризуются через
влияние (электрическая индукция), и противоположные концы
соприкасающихся цилиндров в силу разделения зарядов оказываются
заряженными противоположно.
Эксперимент можно продолжить, внеся в полость цилиндра
наэлектризованную хлорвиниловую палочку, и, не удаляя ее,
отодвинуть цилиндры на некоторое расстояние друг от друга.
Теперь все четыре своеобразных электроскопа покажут появление
зарядов, так как полоски бумаги или бузиновые шарики на всех
крючках разойдутся на некоторый угол.
Эксперимент следует повторить, поднося к цилиндрам
наэлектризованную стеклянную палочку. Наблюдаемая картина внешне
не изменится.
В заключение эксперимента следует установить характер
возникших на электроскопах зарядов. Для этого надо после
отклонения полосок бумаги или расхождения бузиновых шариков
приблизить к ним по очереди наэлектризованную хлорвиниловую или
87

стеклянную палочки. Нетрудно установить, что заряды
электроскопов, находящихся на противоположных концах цилиндра,
имеют различные знаки.
Примечание
Изготовление небольших демонстрационных электроскопов
см. также в Э-8. Вместо специальных цилиндров можно
использовать высокие консервные банки, тщательно срезав с них дно
и крышку и завальцевав края.
32. Заряжение электроскопа через влияние
Электроскоп или электрометр Брауна; стеклянная
палочка; хлорвиниловая палочка; куски шерстяной и
шелковой ткани.
Электроскоп заряжают натертой о шерсть хлорвиниловой
палочкой,не касаясь его кондуктора, а лишь приближая к
кондуктору наэлектризованную палочку (рис. 70, а). Наведение заряда
происходит через влияние поля палочки на свободные электроны
кондуктора электроскопа (индукция). Не изменяя положения палочки
относительно кондуктора электроскопа, снимают с него
электрический заряд. Для этого достаточно коснуться кондуктора рукой
(рис. 70, б). Убрав руку, т. е. разрушив заземление кондуктора,
отодвигают хлорвиниловую палочку (рис. 70, в), электроскоп вновь
показывает наличие на нем заряда, возникшего через индукцию.
Отклонение листочков электроскопа увеличивается при
приближении к нему наэлектризованной стеклянной палочки и
убывает при ее удалении, соответственно убывает при приближении
наэлектризованной хлорвинилЬвой палочки и возрастает при ее
удалении. Это позволяет сделать вывод: индуцированный заряд
имеет положительный знак.
Рис. 70. Исследование индукционных явлений при помощи
электрометра
88

Для получения отрицательного индуцированного заряда
следует провести подобный же эксперимент, но с наэлектризованной
стеклянной палочкой.
Примечания
1. Целесообразно для сравнения индуцированного заряда с
обычным зарядом провести предварительное наблюдение за
заряжением электроскопа путем касания его кондуктора
наэлектризованной хлорвиниловой палочкой и исследовать знак
нанесенного заряда. Такой заряд окажется отрицательным. Заряд же
индуцированный положителен.
2. Если стеклянная палочка плохо электризуется, ее
следует, обмакнув предварительно в дистиллированную воду,
провести осторожно несколько раз через пламя спиртовой или
газовой горелки.
3. Вместо стеклянной палочки можно воспользоваться
запаянной с двух концов стеклянной трубкой. Вместо
хлорвиниловой палочки можно применить обычный школьный
пластмассовый чертежный треугольник или даже гребенку для
расчесывания волос или, наконец, пластмассовый корпус авторучки.

ГЛАВА II
ПОСТОЯННОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ
§ 7. МЕТОДИЧЕСКАЯ ЗАПИСКА
1. В развитие учения о полях обычно за главой о постоянном
электрическом поле следует глава о постоянном магнитном поле. При
подборе экспериментов по этой главе мы исходили из того, что
учащиеся уже знакомы в общих чертах с самим понятием «магнитное
поле», знакомы и с экспериментами, в которых показывается
действие магнитных полей, а также с явлениями электромагнетизма
(см. часть 4, гл. IV, § 22—23, 26—27). Вот почему в настоящей
части руководства в первом параграфе этой главы, § 8,
рассматриваются только несколько наиболее интересных и ранее не
описанных установок с применением электромагнитов. Электромагнит для
подъема тяжестей был рассмотрен ранее (часть 4, Э-111), так же
как и молоточек Вагнера и электрический звонок (часть 4, Э-240),
телеграф (часть 4, Э-116), телефон (часть 4, Э-118) и приборы
магнитоэлектрической системы (часть 4, Э-123). Сборка описываемых
здесь установок и проведение экспериментов не вызывает особых
трудностей, вот почему надобности в специальных указаниях нет.
Следует отметить, что подобные установки учащиеся собирают
наиболее охотно, так как в них воспроизводятся конструкции,
принадлежащие к числу действующих, и на долю преподавателя остается
только поощрение детского технического творчества. Если
подготовка к проведению Э-33 и Э 34 незначительна, то сборка всей
установки для Э-35 требует затраты значительного времени и некоторых
слесарных навыков, однако все затраченное время компенсируется
тем истинным удовлетворением, которое получает экспериментатор-
учитель и его ассистент-ученик при самой демонстрации.
Большое значение имеет эксперимент с простейшей моделью
«электрических часов», Э-36. И хотя в описываемой конструкции
только перевод стрелок часов производится за счет применения
электромагнита, ход же маятника не поддерживается
электрическим двигателем, подобная модель имеет большое значение, так
как в ней демонстрируется один из узлов подлинной технической
установки. В ней особое внимание следует обратить на верхний
узел, в котором применен пружинный контакт, что в значительной
мере уменьшает потери энергии, а следовательно, и увеличивает
90

время качания маятника. Конечно, можно использовать
выпускаемые учебной промышленностью маятники, в которых для
компенсации потерь и создания незатухающего колебания применен тот же
принцип, что и в часах-ходиках, энергия восполняется за счет тяги
гири, поднятой на некоторую высоту, но в этом случае внимание
учащихся на основной узел установки, в котором демонстрируется
действие электромагнита, будет отвлечено усложнением
конструкции. Вот почему мы склонны использовать в описанной установке
обычный деревянный реечный маятник.
В Э-3_7 показывается возбуждение колебания сопротивления, а
значит, и силы тока в электрической цепи при помощи звуковых
колебаний. В этом же эксперименте демонстрируется и обратный
процесс — возникновение звуковых колебаний за счет колебаний
электрических. Таким образом, Э-37 является экспериментом,
воссоздающим процессы в цепи микрофон — телефон.
2. В экспериментах, объединенных в § 9, рассматривается
напряженность магнитного поля1. Расчет напряженности вполне
доступен учащимся. В руководстве приводится три эксперимента по
этой теме и тем самым указываются три различных пути для
нахождения напряженности. Каждый из путей своеобразен и возможен
только при соблюдении определенных условий, но все они являются
ступенями дальнейших исследований и уже по одному этому
представляют интерес. Во всех случаях, однако, напряженность
магнитного поля исследуется для полей внутри катушек, по которым
идет ток. В первом из предложенных экспериментов, Э-38, в
качестве измерительного устройства используются обычные
лабораторные рычажные весы. Проведение эксперимента кажется
чрезвычайно простым, однако проверка его велась несколько лет в
небольшой методической лаборатории при издательстве «Народ и знание».
Эксперимент был признан не только методистами, но и физиками-
экспериментаторами как эксперимент, обеспечивающий достаточную
точность и надежность результатов. Следующий эксперимент, Э-39,
для исследования напряженности магнитного поля требует
применения «магнетометра». Нам кажется нецелесообразным
применять магнетометры, выпускаемые учебной промышленностью, во
всяком случае в данном эксперименте. Вот почему мы предлагаем
изготовить этот прибор самим. Изготовление магнетометра не
вызывает трудностей и требует самых элементарных навыков работы
с простейшим слесарным инструментом. Прибор может быть
изготовлен в любой школьной мастерской или в подсобной мастерской
при кабинете физики и только рамку магнетометра следует изгото-
1 Методисты Советского Союза, однако, считают, что целесообразно
уже в элементарном курсе физики ввести понятие о векторе В— индукции
магнитного поля. Это, впрочем, не уменьшает значения приводимых
экспериментов, так как вектор В дает также силовую характеристику поля, а
следовательно, определяется на тех же экспериментах. —Ред.
91

вить на токарном станке по металлу. В этом эксперименте можно
такжй проследить зависимость напряженности магнитного поля
катушки от диаметра ее витков, что невозможно провести в Э-38.
В следующем эксперименте, Э-40, указан третий путь
определения напряженности магнитного поля. И этот эксперимент
проверялся несколько лет автором руководствам дает вполне надежный
результат. При его проведении используется магнитный указатель
специальной конструкции, описание которого дано в тексте.
Эксперимент можно демонстрировать в проекции на экран. В
заключение параграфа приведен эксперимент по определению
горизонтальной составляющей магнитного поля Земли (Э-41).
3. Магнитная проницаемость, остаточный магнетизм и петля
гистерезиса, вопросы, которые реже других являлись предметом
изучения в общеобразовательных школах, вот почему эти вопросы,
объединенные в § 10, должны заинтересовать преподавателей, тем
более что экспериментальных трудностей они не вызывают.
Первые два эксперимента, Э-42 и Э-43, предназначены для того, чтобы
создать некоторое представление о характере структуры
постоянных магнитов и о поведении ячеек Вейса — доменов в стороннем
магнитном поле. В Э-42 домены моделируются как элементарные
частицы магнита при помощи небольших компасных стрелок,
изготовленных из лезвий безопасной бритвы. Применяя только
лезвия безопасных бритв или маленькие компасные стрелки, мы
погрешили бы против истинной структуры, хотя бы потому, что
домены не плоскостные, а объемные образования. Чтобы избежать
неверного представления, следует к лезвиям с обеих сторон
прикрепить при помощи клея или тонких резиновых колец кусочки
пробки или даже дерева, придав им неправильные объемные формы; при
этом следует уравновесить стрелки, насаженные на острие,
кусочками пластилина так, чтобы они при любом положении оставались в
равновесии. Такие модели доменов целесообразно окрасить в
темно-серый цвет.
В Э-43 демонстрируется явление магнитострикции —
перераспределение и изменение ориентации ячеек Вейса под воздействием
внешних магнитных полей. Это явление обнаруживается по
звуковому эффекту. Сам эксперимент не требует особых указаний, он прост.
В Э-44 и Э-45 указываются методы определения относительной
магнитной проницаемости среды. Если Э-44 не требует особого
оборудования и прост по проведению, то результат его недостаточно точен
и потому эксперимент следует рассматривать как предварительный.
В то же время Э-45 требует значительной затраты времени на
подготовку, оборудование его более сложно, однако полученный
результат значительна надежнее и точнее.
В Э-46 рассматривается экранирующее действие железа,
внесенного в магнитное поле. Эксперимент не требует разъяснений,
как не требует их и Э-47 и Э-48. Первый из них, Э-47, позволяет
продемонстрировать остаточный магнетизм в железных сердечни-
92

ках, второй, Э-48, позволяет продемонстрировать «точку Кюри» и
является развитием аналогичного эксперимента, описанного в 4-й
части руководства (см. часть 4, стр. 41, Э-86, и стр. 203). Для
демонстрации явления гистерезиса необходимо иметь катодный
осциллограф, без которого показать это явление сложнее. Поэтому
соответствующий эксперимент, Э-49-, заключительный не только в
параграфе, но и во всей главе, целесообразно проводить лишь при
наличии этого прибора. В том случае, если осциллографа нет в
данной школе, следует не отказываться от проведения эксперимента,
а попытаться достать прибор в других учебных заведениях.
Затраты времени вполне компенсируются исключительной наглядностью
и убедительностью эксперимента.
§ 8. ТЕХНИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТОВ
33. Модель электромагнитного замка
Катушка (500 витков); прямой сердечник к катушке;
кнопочный выключатель; кусок плоской стальной
пружины (150 мм X 12 мм) с напаянной на один конец
металлической планкой — «регелем» и второй планкой,
напаянной на середину пружины; пластина из пластмассы или
фанеры (300 мм X 200 мм X 3 мм), служащая дверцей;
2 лабораторных штатива; малый агрегат питания или
батарея аккумуляторов (4 в).
Пластину из пластмассы или фанеры устанавливают в
вертикальном положении на лабораторном столе и крепят в лапках
штатива, однако сами лапки должны легко поворачиваться вокруг
стержня штатива так, чтобы и пластина, моделирующая дверцу, или
калитку, могла поворачиваться. Перед пластиной-дверцей
устанавливают электромагнит, собрав его из катушки и железного
прямого сердечника. Электромагнит через кнопочный выключатель
присоединяют к источнику тока с напряжением порядка 4 в.
Стебель замка представляет собой стальную пружину, на конце
которой напаян регель — «бородка замка». На середину пружины
напаивается кусок железной пластинки, служащей якорем (рис. 71, а —
общий вид, б — вид сверху). Стальная пружина укрепляется в
лапке штатива так, чтобы напаянная на нее планка-якорь
приходилась перед сердечником электромагнита, а регель заходил за
модель дверцы. При нажатии кнопочного выключателя и тем самым
включении электромагнита в действие сердечник электромагнита
должен притягивать к себе пружину и тогда регель должен
отходить от дверцы, позволяя повернуть ее на некоторый угол — открыть
дверцу. Впрочем, дверца- сама не откроется, это нужно сделать от
руки. Закрыв-дверцу от руки и прервав ток в цепи электромагнита,
93

щн
Рис. 71. Моделирование электромагнитного «замка»:
1 — лист стекла, моделирующий дверь; 2 — стальная пластинка?
3 — «бородка» замка; 4 — железный якорек
снова можно дверцу закрыть на «замок». При прерывании тока в
цепи электромагнита пружина перестанет притягиваться и отойдет
от сердечника, а регель затвора вернется в первоначальное
положение, т. е. зайдет за дверцу.
Этот простой эксперимент, нам кажется, следует провести, так
как сочетание электромагнита с пружиной, оснащенной якорем,
используется в целом ряде установок, и в первую очередь в
электромагнитном реле.
34. Модель телефонного клапана—-блинкера
Катушка (500 витков); прямой сердечник к ней;
полоска жести (70 мм X 10 мм); полоска картона (100 мм X
X 80 мм)\ кнопка телефонного звонка; батарея
аккумуляторов (4 в) или малый агрегат питания.
Модель блинкера собирают из катушки с железным
сердечником, установленной вертикально. Полоску жести дважды
перегибают и один из ее концов зажимают
в зазор между сердечником и
внутренней стенкой катушки. Второй
конец пластинки, изогнутый в виде
«зуба», вводят в прорезанное в
картоне окошко (рис. 72). Сам лист
картона устанавливают наклонно перед
катушкой. В момент замыкания цепи
сердечник притягивает полоску
жести, «зуб» выходит из окошка и
картонка падает. Этот лист картона, собст-
Рие. 72. Падающий кла- венно, и моделирует откидной клапан
пан-блинкер блинкера.
94

Примечание
См. также часть 4, стр. 242—243, Э-117.
35. Модель магнитного отделителя железных
примесей
Катушка (500 витков); длинный прямой железный
сердечник к ней; полоска жести (300 мм X 50 мм); 2
железных цилиндрических стержня (0 20 мм, длина 40 мм);
деревянный ролик с круглым осевым каналом (внешний
0 20 мм, внутренний 0 5 мм, длина 50 мм); резиновая
лента (ширина 50 мм, длина 1000 мм) или велосипедная
камера; стеклянная воронка; рубильник; смесь мелких
железных опилок с сухим песком; 3 лабораторных штатива;
2 чашки или тарелки; резиновый клей; малый агрегат
питания или батарея аккумуляторов (6 в).
Задача эксперимента —создать модель установки для отделения
от немагнитных сыпучих веществ (муки, зерна, опилок и пр.)
железных примесей.
Из резиновой ленты, склеив ее резиновым клеем в кольцо, или
из велосипедной камеры изготавливают бесконечную
ленту-транспортер. Ленту натягивают горизонтально, набрасывая ее на свободно
вращающийся деревянный ролик, укрепленный в штативе, и на
железный стержень-цилиндр, прикрепленный полоской жести к
сердечнику электромагнита (рис. 73, а). Лента должна быть слегка
натянута, что достигается относительным перемещением штатива с
деревянным роликом и электромагнита. Над лентой в кольце
штатива располагают воронку. На электромагнит, собранный из
катушки и сердечника, подают через рубильник ток напряжением
Рис. 73. Модель сортировочного устройства
95

порядка 6 в. Крепление электромагнита и вспомогательных деталей
осуществляется на деревянной полочке, установленной на штативе
(рис. 73, б). Соприкасающийся с сердечником электромагнита
железный цилиндр, намагничиваясь, увеличивает пространство, в
котором действуют силы магнитного поля на железные частицы,
ссыпающиеся в смеси с ленты транспортера. Следует и края железного
цилиндра и жести обработать напильником, чтобы они не резали
резину. Под электромагнитом устанавливают две тарелки, в
которые и будет ссыпаться сортируемый материал.
После сборки всей установки в воронку насыпают смесь
железных опилок с сухим песком, и когда смесь начнет высыпаться, от
руки приводят в движение ленту транспортера в таком
направлении, чтобы смесь перемещалась на ленте в сторону электромагнита.
Смесь, попадая в магнитное поле электромагнита, разделяется:
песок, двигаясь по инерции, будет ссыпаться в тарелку, стоящую
дальше по ходу движения ленты (на рис. 73, правую), а железные
опилки под действием магнитного поля, повисая на резиновой
ленте, окажутся на ее нижней части и будут отваливаться от ленты
уже на значительном удалении от электромагнита, ссыпаясь в
другую тарелку.
36. Модель электрического датчика,
перемещающего стрелки часов
Катушка (500 витков); цилиндрический сердечник к
ней; кусок плоской стальной пружины с напаянным
небольшим якорьком и рычагом-зубом (см. рис. 74);
зубчатый фанерный или картонный круг (0300 мм);
деревянная рейка (1300 мм X 25 мм X 10 мм); свинцовый груз
(1 кп); полоска листовой латуни (200 мм X 10 мм X 1 мм);
3 клеммы на изолирующих планках; 2 куска медной
проволоки (0 1 мм9 длина по 200 мм); гибкий провод;
полоски картона; рубильник; 2 коротких штатива; штатив
с удлиненной штангой; малый агрегат питания или батарея
аккумуляторов (10 в).
В этом эксперименте моделируется установка для перемещения
стрелки часов при помощи включаемого импульсивно
электромагнита. Импульсы тока создаются при включении и выключении
источника тока качающимся маятником. В описываемой установке
качания маятника затухающие, так как потеря энергии не
компенсируется, вот почему следует обратить самое большое внимание
на устройство подвеса маятника. Конечно, можно воспользоваться
и готовой моделью маятника с компенсирующим грузом, однако
такая модель будет отвлекать учащихся от основного
демонстрируемого процесса. Вместо стрелки часов в установке
поворачивается зубчатый круг с изображенной на нем одной стрелкой.
96

Побернуто на 90°
Рис. 74. Модель электрического датчика,
перемещающего стрелку часов
Общий вид установки приведен на рисунке 74. В установке две
части: первая — импульсивный маятниковый датчик и вторая —
электромагнитный двигатель, вращающий круг с нарисованной
стрелкой.
Маятниковый импульсивный датчик (его детали приведены на
рис. 75) представляет собой реечный маятник с контактным
устройством, обеспечивающим включение и выключение
электромагнита. Реечный маятник утяжелен подвязанным к нему грузом,
высоту подвязки которого можно менять, а значит, можно менять и
период качания маятника. На верхнем конце рейки маятника
укреплена латунная или медная дужка, которая при качании маят-
Рис. 75. Детали крепления маятникового подвеса
датчика:
а — крепление маятника-рейки и клеммника; б — контактные
дужки маятника и клеммника; в — контактные дужки маятника (вид
сверху); г — клеммник
97

ника то правой, то левой щекой касается контактов. На дужку
подан провод от одной клеммы электромагнита. Контакты соединены
параллельно, и к ним подан провод от одного полюса источника тока.
Второй полюс источника тока соединен со второй клеммой
электромагнита.
Как только маятник будет приведен в движение, при каждом
его качании дужка будет касаться по очереди контактов и замыкать
цепь электромагнита. Электромагнит в момент прохождения по
нему тока притягивает к себе стальную пружину с зубом, который,
опускаясь, будет входить в зуб круга, моделирующего стрелку
часов, и поворачивать круг на один «шаг». Скорость вращения круга
будет тем больше, чем меньше период качания маятника. По мере
уменьшения амплитуды колебания маятника контакты будут
ослабевать и, наконец, подача импульсов тока на электромагнит
прекратится. Чтобы этого избежать, следует время от времени
подталкивать рейку маятника от руки.
37. Модель для демонстрации действия
телефона
2 катушки (по 1500 витков); U-образный сердечник;
2 угольных стержня (от батарейки карманного фонарика);
картонный круг (0 60 мм)\ кусок стальной плоской
пружины с напаянным телефонным гнездом под угольный
стержень; полоска жести (300 мм X 25 мм)\ изолирующая
планка с клеммой и телефонным гнездом под угольный
стержень; вольтметр (6 в)\ рубильник; полоска
чертежной бумаги; 2 штатива на изолирующих подставках;
штатив лабораторный; грузик-рейтер (20 я); малый
агрегат питания или батарея аккумуляторов (6 в).
Сборка установки
Микрофон моделируют из двух угольных стержней /, один из
которых заострен (рис. 76). Тупой стержень укрепляют в
изолирующей планке в вертикальном положении, а заостренный
стержень — на конце стальной пружины так, чтобы концы стержней
едва соприкасались. На стальную пружину насаживают грузик-
рейтер 2, перемещением которого можно менять расстояние между
концами стержней. На конец стальной пружины наклеивают
небольшой картонный круг 3 в горизонтальной плоскости, служащий
своеобразной мембраной микрофона.
Модель же телефонного наушника собирают из двух катушек
по 1500 витков каждая, соединенных последовательно и надетых
на U-образный сердечник. Параллельно катушкам к их входным
клеммам присоединяют вольтметр. Над сердечником помещают
полоску жести 4, укрепленную на двух штативах с изолирующими
98

Рис. 76. Общий вид установки, моделирующей телефонную связь:
; _ угольные стержни; 2 — стальная пластинка с насаженным рейтером; 3 —
картонный круг, моделирующий мембрану микрофона; 4 — полоска жести,
моделирующая мембрану наушников
подставками. Эта полоска
жести выполняет роль
мембраны наушника. На
корпус катушек сверху
наклеивают полоску картона
и изгибают так, чтобы ее
свободный конец лежал на
полоске жести, слегка
опираясь на нее (рис. 77, а и б).
Модели микрофона и
наушника соединяют
последовательно, и на
установку подают ток от
малого агрегата питания.
Рис.
/ — полоска
Модель наушников:
жести, моделирующая мембрану?
2— полоска картона
Действие модели
На картонный круг, моделирующий мембрану микрофона,
слегка дуют или вблизи нее ударяют в ладоши. Под действием
колебания воздуха верхний заостренный угольный стержень по-разному
прижимается к нижнему тупому стержню. В месте контакта
меняется сопротивление и соответственно магнитное поле катушек, а,
следовательно, сердечник по-разному притягивает к себе жестяную
полоску, моделирующую мембрану наушника: полоска колеблет-
99

ся, а вместе с ней колеблется и опирающаяся на нее полоска
картона, что хорошо видно даже из аудитории. Кроме того, можно
наблюдать и колебание стрелки вольтметра, присоединенного к
катушкам. Все это позволяет воссоздать действие телефонной связи
на системе микрофон—наушники.
§ 9. НАПРЯЖЕННОСТЬ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
38. Исследование напряженности магнитного
поля внутри, катушки при помощи
рычажных весов
5 катушек (2 — на 125/250 витков, 1 — на 500 витков
и 2 — на 750/1500 витков); рычажные весы типа
аптечных с крючками, укрепленными на чашках;
намагниченная спица; деревянная рейка (300 мм X 20 мм X 5 мм)\
реостат (300 ом); миллиамперметр (500 ма)\ рубильник;
шелковые нитки; штатив; набор разновесок; малый
агрегат питания или батарея аккумуляторов (12 в).
Сборка установки
Рис. 78. Установка для исследования
напряженности магнитного поля
катушки при помощи весов
На высоком штативе
подвешивают рычажные
весы, чашки которых имеют
снизу крючок для подвеса.
Под весами устанавливают
на столе катушку со 125/250
витками так, чтобы ее
полость была расположена
горизонтально и
параллельна коромыслу весов.
В полость катушки вводят
деревянную рейку, в
середину которой
перпендикулярно продольной оси
воткнут кусок
намагниченной спицы. Рейку
подвешивают на шелковых
нитях к чашкам весов
(рис. 78). В цепь
катушки последовательно
включают реостат и
миллиамперметр. На установку
подают постоянный ток с
напряжением порядка 12 в,
100

Опыт 1. Зависимость величины напряженности магнитного поля
от силы тока в катушке
Перемещением ползунка реостата устанавливают в цепи ток в
40 ма. Намагниченная спица под действием магнитного поля
катушки отклоняется от вертикального положения, а вместе с ней
изменяет свое положение и деревянная рейка, а значит, нарушается
и равновесие весов. Помещая на чашку весов разновесы, весы вновь
приводят в равновесие. Записывают величину помещенного груза.
При помощи реостата увеличивают силу тока сначала до 80 ма,
затем до 120 ма, каждый раз уравновешивая весы. Нетрудно
установить, что вес помещаемых разновесок при этом приходится
сначала удвоить, а затем утроить.
Так как напряженность магнитного поля отражает его силовую
характеристику, то вес помещенных на чашку весов разновесов
можно принять за меру напряженности поля. В этом случае очевидно,
что напряженность поля катушки пропорциональна силе тока в
ней:
Я~/.
Опыт 2. Зависимость напряженности магнитного поля катушки
от числа витков
В цепь включают обмотку катушки со 125 витками и,установив
силу тока в 80 ма, уравновешивают весы. Записывают величину
помещенного на чашку весов груза. Затем включают обмотку с 250
витками и, установив ту же силу тока, вновь уравновешивают весы.
Меняют катушку и включают теперь обмотку в 500 витков, затем
750 витков и, наконец, 1500 витков, каждый раз устанавливая при
помощи реостата ту же силу тока 80 ма и записывая
соответствующие величины веса помещаемых на весы грузов.
Сопоставляя вес грузов и соответственно число витков в
катушке, устанавливают прямую пропорциональность между
напряженностью магнитного поля и числом витков в катушке:
Н~п.
В этом опыте должны быть использованы катушки, имеющие
одинаковую длину намотки.
Опыт 3. Зависимость напряо\сенности магнитного поля от
длины катушки при том же числе витков и постоянной
силе тока
В цепь включают катушку с 500 витками и, установив силу тока
в 80 ма, уравновешивают весы. Затем катушку заменяют двумя
катушками по 250 витков, соединив обмотки последовательно, а
сами катушки расположив так, чтобы полость одной продолжала
полость другой, т. е. составляют их торцами. Деревянную рейку
101

вводят в общую полость катушек. Установив ту же силу тока в
80 ма, уравновешивают весы. То же проводят с катушкой с 1500
витками, заменив ее двумя катушками по 750 витков. Сопоставляя
данные опыта, легко прийти к выводу, что напряженность магнитного
поля обратно пропорциональна длине намотки катушек (при том
же числе витков):
/
Общий вывод: напряженность магнитного поля прямо
пропорциональна силе тока в катушке и числу витков в ней и обратно
пропорциональна длине намотки:
Примечание
В том случае, если сила тока была измерена в амперах, а
длина намотки — в метрах, напряженность магнитного поля
может быть выражена в а/м.
39. Магнетометр для исследования
напряженности магнитного поля
внутри катушки
Магнетометр (может быть применен самодельный); 5
цилиндрических катушек с двойной намоткой, каждый
слой с самостоятельным включением (2 — 100 мм,
длина 400 мм] 2 — 100 мм, длина 300 мм; 1 — 80 мм, длина
400 мм-, все катушки по 400 витков в слое);
миллиамперметр (500 ма); реостат (110 ом); осветитель; настенная
шкала с сантиметровыми делениями (длина 1000 мм);
рубильник; подставка; штатив; малый агрегат питания
или батарея аккумуляторов (4 в).
Сборка установки
Цилиндрическую катушку устанавливают на подставку в
горизонтальном положении и последовательно с миллиамперметром и
реостатом через рубильник включают в цепь постоянного тока
(рис. 79). В полость катушки примерно на ее середину вводят
магнетометр так, чтобы его тетива располагалась вертикально, а
плоскость намагниченной пластинки — перпендикулярно продольной
оси катушки. Луч от осветителя направляют на зеркальце
магнетометра так, чтобы он отражался на укрепленную на стене или
классной доске шкалу.
102

Рис. 79. Установка для исследования напряженности
магнитного поля катушки при помощи магнетометра
Опыт 1. Влияние величины силы тока в катушке на
напряженность магнитного поля
На одну из обмоток катушки подают ток и при помощи реостата
доводят силу тока до такого минимального значения, при котором
световой луч отклонится не более чем на 2—3 деления шкалы.
В пределах угла поворота зеркала магнетометра на 10° можно
считать, что угол поворота пропорционален силе, действующей на
магнетометр, и, следовательно, угол поворота может быть мерой
напряженности магнитного поля.
Выводя реостат, увеличивают силу тока в два, а затем в три
раза, при этом в два, затем в три раза увеличивается отклонение
светового луча. Этим устанавливается прямая пропорциональность
величины напряженности магнитного поля катушки от силы тока
в ней.
Опыт 2. Влияние числа витков катушки на напряженность ее
магнитного поля
Перемещением ползунка реостата устанавливают в цепи ту же
силу тока, что и в начале первого опыта, т. е. такую, при которой
световой луч отклоняется от нулевого положения на 2—3 деления
шкалы. После этого параллельно первой обмотке катушки
включают вторую обмотку и тем самым увеличивают вдвое число витков.
Это приводит к увеличению вдвое и величины отклонения светового
луча по шкале. Можно утверждать, что напряженность
магнитного поля пропорциональна числу витков катушки.
Опыт 3. Влияние длины катушки на напряженность магнитного
поля
Ранее установленную катушку длиной 400 мм заменяют
катушкой меньшей длины, например 300 мм. По положению светового
луча легко заметить, что отклонение его возросло примерно в 1,33
103

раза, что позволяет сделать вывод: напряженность магнитного
поля обратно пропорциональна длине катушки (при той же силе
тока и том же числе витков).
Опыт 4. Исследование постоянства напряженности магнитного
поля в катушках разного диаметра
Сравнивается напряженность магнитного поля катушек
разного диаметра, для этого вначале магнетометр устанавливают внутри
катушки с диаметром 100 мм, а затем при той же величине тока в
катушке с диаметром 80 мм. На основании наблюдения можно
прийти к выводу, что при таком изменении диаметра катушки
напряженность магнитного поля остается постоянной.
Общий вывод из всей серии опытов этого эксперимента
совпадает с результатами опытов, описанных в Э-38.
Примечания
1. См. примечание к Э-38.
2. Магнетометр (рис. 80, а и б) может быть изготовлен самими
учащимися. На деревянном держателе / укрепляют полукруглую
вилку 2, к которой крепят неподвижно латунное кольцо 3
диаметром 40 мм. По диаметру кольца напаивают тонкую стальную
проволоку-тетиву 4. Из слюды или тонкого прессшпана
вырезают кружок 5, диаметр которого на 1 мм меньше внутреннего
диаметра кольца, и на этот круг приклеивают намагниченную
стальную пластинку 6 из куска стальной плоской пружины
(размером 30 X 10 мм). Такой круг с наклеенным магнитом
подводят под тетиву кольца и, нанеся в средней части тетивы
каплю клея, склеивают круг с тетивой. Не давая засохнуть
клею, на эту же каплю накладывают небольшое зеркальце 7
диаметром около 10 мм. Изготовленный таким образом
магнетометр не уступает магнетометрам заводского изготовления.
а д
Рис. 80. Магнетометр
104

40. Исследование напряженности магнитного
поля внутри катушки при помощи магнитного
указателя
8 катушек (4 — по 250 витков, 2 — по 500 витков и
2 — по 750 витков); самодельный магнитный указатель;
миллиамперметр (50 ма)\ реостат (1300 ом)\ рубильник;
осветитель; собирающая линза (F =¦ 150 мм); шкала из
бумажной ленты с сантиметровыми делениями; малый
агрегат питания или аккумулятор (2 в).
Для изготовления указателя: стальная спица,
латунная проволока (0 2 мм, длина 400 мм)\ полоска жести;
деревянный брусок (200 мм X 100 мм X 60 мм).
Две катушки с 250 витками устанавливают в горизонтальном
положении на столе на расстоянии 30 мм друг от друга. Через
рубильник, миллиамперметр и реостат катушки, включенные
последовательно, соединяют с источником тока с напряжением порядка 2 в
(рис. 81). Перед катушками устанавливают осветитель и линзу так,
чтобы стрелка магнитного указателя, помещенного между
катушками, проектировалась на шкалу, укрепленную на классной доске
или на стене. На собранной установке проводят ту же серию
опытов, что и в Э-38 и Э-39. О величине напряженности магнитного
поля судят по отклонению тени от стрелки магнитного указателя.
Эксперимент следует начинать, установив в цепи ток порядка 20 ма.
Так как в магнитном указателе в качестве индикатора
напряженности магнитного поля используется намагниченная спица, то
в этом эксперименте, как и в Э-39, имеет место взаимодействие
поля спицы с полем катушки, что и приводит к отклонению спицы
на тем больший угол, чем больше напряженность магнитного поля
катушки.
Проведенный эксперимент позволяет найти те же
закономерности, что и при проведении Э-38 и Э-39.
Рис. 81. Установка для исследования напряженности
магнитного поля при помощи магнитного указателя
105

Изготовление магнитного указателя
Стальную спицу 1 (рис. 82) напаивают на дважды изогнутую
толстую латунную проволоку 2 и намагничивают. На деревянный
брусок прибивают две жестяные полоски 3, слегка выступающие за тор-
цем бруска. Выступающие концы полосок
вырезают полукругом. На эти полоски и
помещают изогнутую проволоку так, чтобы она
могла на них покачиваться. Верхняя часть
изогнутой проволоки служит
стрелкой-указателем прибора, а намагниченная спица
служит индикатором напряженности
исследуемого поля. Для того чтобы спица находилась
в устойчивом равновесии, ее нижний конец
утяжеляют кусочком пластилина 4.
Магнитный указатель устанавливают позади
катушек так, чтобы в магнитное поле попадала
только намагниченная спица.
Рис. 82. Магнитный указатель
Л/
41. Определение горизонтальной составляющей
магнитного поля Земли
Небольшой компас; медная изолированная проволока
(0 1 лш, длина 12 м)\ миллиамперметр (50 ма)\ реостат
(300 ом); 2 зажима-крокодила; рубильник; картон;
изоляционная лента или лейкопласт; стеклянный цилиндр
(0 70 мм, высота 300 мм);
подставка; малый
агрегат питания или батарея
аккумуляторов (10 в).
На стеклянный цилиндр
наматывают 50 витков медной
изолированной проволоки и крайние
витки закрепляют изоляционной
лентой. Витки распределяют
равномерно по всей длине цилиндра,
примерно на протяжении 250 мм. При
помощи зажимов-крокодилов на
полученную таким образом
катушку подают ток через
миллиамперметр, реостат и рубильник с
напряжением порядка 10 в. Цилиндр
располагают горизонтально на
подставке и в полость цилиндра вво-
И и in ill Tii in и
Щб
ЦпД-(
7
2^-1
Т
Рис. 83. Схема установки для
определения горизонтальной
составляющей магнитного
поля Земли
106

дят полоску картона, поперечник которой соответствует
внутреннему диаметру цилиндра. На эту полоску картона и помещают
компас, введя его в полость цилиндра примерно на половину ее
длины (рис. 83).
До включения рубильника цилиндр располагают так, чтобы его
большая ось была перпендикулярна магнитному меридиану
Земли, т. е. была направлена по оси W — О. Положение оси цилиндра
проверяют по компасу, не вынимая последний
из цилиндра.
После включения рубильника при помощи
реостата регулируют силу тока таким образом,
чтобы стрелка компаса отклонилась от ее
нормального положения на 45° и установилась на
оси NW — SO или NO—SW. В этом случае
напряженность горизонтальной составляющей
магнитного поля Земли равна напряженности
катушки. Поворот стрелки в ту или иную сторону
будет зависеть от направления тока в катушке, Рис. 84. Векторы
а угол поворота стрелки определяется отноше- напряженности ка-
г-х- г >^ тушки и Земли
нием напряженности магнитного поля Земли и J
магнитного поля катушки (рис. 84).
При приведенных для данного эксперимента параметрах и силе
тока в катушке порядка 70 ма горизонтальная составляющая поля
Земли будет иметь напряженности порядка 14 а/м.
§ 10. МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ
42. Моделирование доменов (ячеек Вейса)
и их поведения в кристалле железа (!)
30 магнитных стрелок на острие или 30 лезвий
безопасной бритвы, 30 иголок и 30 стеклянных, запаянных
с одного конца трубок (0 1 мм, длина 20мм); лист
фанеры (300 мм X 250 мм X 3 мм); рамка из реек (270 мм X
X 80 мм; рейки шириной 120 мм, толщина 6мм);
подставка из реек (250 мм X 200 мм); 2 клеммы; медная или
алюминиевая проволока (0 1 мм, длина 35 м); реостат
(250 ом, 2 а); переключатель; малый агрегат питания или
батарея аккумуляторов (6 в).
Подготовка эксперимента
Эксперимент может быть проведен как с готовыми магнитными
стрелками, насаженными на острие, так и на самодельных
стрелках, насаженных на обычные иголки, воткнутые ушком в фанеру
107

I I I I I I
^z
Рис. 85. Моделирование кристалла металла:
а — демонстрационная доска; б — самодельная
магнитная стрелка
(рис. 85, а). Самодельные стрелки изготавливают из лезвий
безопасных бритв. Лезвие разламывают по продольной оси на две
половинки и эти половинки связывают вместе ниткой, просунув между
ними короткую, запаянную с одного конца стеклянную трубку
(рис. 85, б). Подготовленную стрелку намагничивают, проводя по
ней несколько раз полосовым магнитом (см. часть 4, стр. 186, Э-70).
Целесообразно такие стрелки раскрасить, северный полюс окрасив
в синий цвет, южный — в красный.
Стрелки стеклянными трубками
насаживаются на иголки, вбитые в
фанеру.
На рамку размером 270 мм X
X 80 мм наматывают 20 витков
изолированной проволоки, концы
которой укрепляют в клеммы,
помещенные на одной из сторон
рамки (рис. 86). В рамку с намоткой
помещают подставку, собранную
~ ос „ из реек, на которую и устанавли-
Рис. 86. Рамки для установки, \ л*
моделирующей ячейки Вейса - вают лист фанеры с магнитными
домены стрелками.
Эксперимент
Магнитные стрелки следует расположить на фанере в пять рядов,
по шесть стрелок в каждом ряду, но так, чтобы между стрелками
выдержать расстояние не менее 50 мм. Так как стрелки
намагничены, они могут расположиться либо строго ориентировано, либо
в силу взаимного притяжения собраться в группы. В том и другом
случае следует стрелки расположить в порядке, указанном на
рисунке 87, а и только после этого на катушку подать ток. Под
действием внешнего магнитного поля магнитные стрелки перестроятся
и установятся параллельными рядами (рис. 87, б) по направлению
силовых линий поля. Затем следует при помощи переключателя
изменить направление тока в катушке, при этом стрелки
повернутся на 180°.
108

Магнитное
поле
Г"
&
я
в
«=¦
У
У
У
в
<=¦
ВЕ
В У
В У
В У
=¦=-
КЗ
в
в
в
в
¦°1
в
в
в
JJ
с 5
Рис. 87. Положение ячеек Вейса во
внешнем магнитном поле:
а — модель расположения ячеек Вейса до
появления внешнего магнитного поля; б—модель
расположения ячеек Вейса при наличии внешнего
магнитного поля
Пояснение
Все магнитные стрелки вместе моделируют кристалл железа,
каждая стрелка в отдельности моделирует домен (ячейку Вейса).
До намагничивания кристалла железа он не обладает внешним
магнитным эффектом, так как домены в нем расположены хаотично.
Под воздействием внешнего магнитного поля кристалл
намагничивается, так как его домены располагаются вдоль силовых линий
поля. В том случае, если взято мягкое железо, то, как только
исчезнет внешнее магнитное поле, железо размагнитится—его домены
под воздействием теплового движения вновь расположатся хаотично.
Но если взята сталь, которая собственно и моделируется в
настоящем эксперименте, то она не потеряетполученныхмагнитных свойств.
43. Акустическое восприятие смещения границ
доменов. Эффект Баркгаузена
Куски проволок из различных материалов: разных
сортов стали, мягкого железа, меди, сплавов (0 1 мм,
длина 200 мм); катушка (15 000 витков); пробка; сильный
полосовой магнит; усилитель с громкоговорителем;
источник тока для усилителя (по паспорту усилителя).
Катушка с большим числом витков
устанавливается в вертикальном
положении на стол. В полость катушки вводят
кусок той или иной проволоки, укреплен-
ный в пробке. Клеммы катушки соединя- Ш I Ш №-
ют с входными (микрофонными) клеммами
радиоусилительного устройства,
соединенного с громкоговорителем.
К введенному в катушку куску
проволоки медленно подносят полосовой
магнит (рис. 88). Тотчас же в громкоговорите-
Рис. 88. Установка для
демонстрации эффекта
Баркгаузена
109

ле появится шуршащий звук. То же наблюдается и при
удалении магнита.
При приближении или удалении магнита в проволоке
происходит перестройка доменов, а это в свою очередь приводит к
изменению магнитной характеристики проволоки, что и вызывает
импульсивный индукционный ток в катушке, последний порождает
звуковой эффект, названный эффектом Баркгаузена.
Эффект наблюдается в проволоках из желаза, стали,
ферромагнитных материалов и не наблюдается при внесении в катушку
медной проволоки.
Целесообразно эксперимент повторить с различными сортами
стали и ферромагнитных сплавов, что позволит по звуковому
эффекту судить в какой-то мере о характере процесса намагничивания.
Следует иметь в виду, что эффект в этом случае наблюдается только
при первом приближении магнита, при его удалении либо вовсе не
появляется звуковой эффект, либо он возникает значительно
ослабленным. Однако если уже к намагниченному материалу
поднести другой полюс магнита, то в момент поднесения вновь будет
наблюдаться эффект, так как в это время будет происходить
поворот доменов на 180°.
Примечание
Катушка должна быть достаточно удалена от усилителя,
чтобы исключить взаимное влияние.
44. Приближенное определение относительной
магнитной проницаемости методом отрыва
Катушка (125 витков); U-образный сердечник из
сплошного куска железа; 2 железные гири (по 1 кп)\
тарелочные рычажные весы (весы Беранже); разновесы;
миллиамперметр (100ма)\ амперметр (10 а); реостат (25 ом)\
дощечка или толстая фанера (150 ммх80 мм)\ струбцинка;
малый агрегат питания или батарея аккумуляторов (4 в).
Подготовка эксперимента
Из дощечки или фанеры выпиливают вилку-держатель (рис. 89,
деталь) с таким просветом, чтобы в него входила шейка гири в 1 кп.
Вилку при помощи струбцинки прикрепляют к одной из чашек весов
и на вилку подвешивают гирю. На другую чашку весов
устанавливают такую же гирю и при помощи разновесов весы приводят в
равновесие. Под гирю подводят надетую на одно из плеч U-образного
сердечника из сплошного куска железа катушку со 125 витками так,
чтобы ее торец был вровень с верхним концом сердечника. Под
сердечник подкладывают тонкие прокладки, добиваясь такой
высоты его верхнего конца, чтобы между ним и гирей оставался про-
110

Щ .Д^ЧЙр^
jm:
ЩЁ г©
-ЫЯШ—\
o-l I-
бб
3-
Рис. 89. Установка для определения
относительной магнитной проницаемости методом отрыва
свет не более 1 мм. На катушку через реостат и миллиамперметр
подается ток с напряжением порядка 6 в (рис. 89).
Эксперимент
Постепенно выводят реостат и тем самым повышают силу тока в
цепи катушки до тех пор, пока гиря не притянется к сердечнику
катушки. По миллиамперметру определяют силу тока в цепи /.
При помощи разновесов весы приводят в равновесие и, выключив
ток, осторожно отводят катушку из-под гири. Сняв катушку с
сердечника, ее вновь, но уже без сердечника подводят под гирю и,
подкладывая подставки, приподнимают настолько, чтобы между
верхним торцем и гирей остался минимальный зазор. Затем
заменяют в цепи миллиамперметр на амперметр и включают цепь.
Выведением реостата изменяют силу тока в цепи, повышая ее до тех
пор, пока гиря не окажется притянутой к катушке, лишенной
сердечника.
Записывают показания амперметра /0.
Целесообразно каждый из замеров сделать не менее трех раз,
что позволит взять среднее значение токов.
(На описанной установке, при соблюдении указанных
параметров, силы тока соответственно равны 70 ма и 8 я!)
Относительная магнитная проницаемость железа может быть
найдена путем расчета по уравнению:
и =-^
rr j •
Примечания
1. На величину относительной магнитной проницаемости
железа влияют примеси, и она колеблется в широких пределах в
зависимости от величины внешнего поля.
2. Перед проведением эксперимента следует, применив
железные опилки, убедиться в том, что гиря и сердечник не
намагничены, в противном случае будет получен результат, по
которому трудно будет судить даже приближенно о величине
относительной магнитной проницаемости.
3. При использовании катушки без сердечника сила тока в
цепи будет близка к 10 а и поэтому установку не следует
включать на длительное время.
Ш

45. Определение магнитной проницаемости
измерением импульса тока
Железное кольцо (внешний 0 120 мм из мягкого
круглого железа 0 12 мм); деревянное кольцо (тех же
размеров, что и железное); медная изолированная проволока
(0 0,5 мм, длина 25 ж и 0 0,25 мм, длина 100 м)\
амперметр (5 а)\ баллистический гальванометр или
милливольтметр; 2 реостата (на 25 ом и 300 ом); рубильник;
изоляционная лента; картон; клей; малый агрегат питания или
батарея аккумуляторов (8 в).
Сборка установки и изготовление колец
Железное кольцо целесообразно заказать в кузнице или
изогнуть его из мягкого арматурного круглого железа (0 12 мм).
Внешний диаметр кольца должен быть не менее 120 мм. Для того
чтобы на это железное кольцо можно было надеть так называемую
индукционную катушку (см. ниже), в готовом железном кольце
следует выпилить кусок длиной 25 мм, однако выпиленный кусок
нужно сохранить и, как только будет надета индукционная
катушка, вырезанный кусок вновь плотно вставить на место.
Такое же кольцо следует изготовить и из дерева, что можно
сделать в столярной мастерской или склеить из выпиленных
фанерных колец, обработав их затем грубым напильником. В
деревянном кольце для тех же целей следует сделать вырез.
На каждое из колец наматывают по 300 витков медной
изолированной проволоки (0 0,5 мм), концы которой по обеим
сторонам выреза обматывают изоляционной лентой.
Индукционную катушку изготавливают на картонном каркасе.
Каркас склеивают с широкими бортами для намотки 600 витков
медной изолированной проволоки 0 0,25 мм. Внутренний диаметр
индукционной катушки — 20 мм. Концы проволоки выводятся
наружу катушки. Готовую индукционную катушку через вырез
надевают в начале эксперимента на железное кольцо и собирают цепь,
изображенную на рисунке 90. В цепь железного кольца последова-
Рис. 90. Установка для определения относительной магнитной
проницаемости при помощи баллистического гальванометра
112

тельно с его обмоткой включают амперметр и реостат на 25 ом,
В цепь индукционной катушки включают баллистический
гальванометр и реостат на 300 ом. Вместо баллистического гальванометра
можно поставить и милливольтметр с нулем по середине шкалы.
Эксперимент
Включением рубильника на короткое время замыкают
первичную цепь железного кольца и, регулируя реостат, устанавливают
силу тока в 0,5 а. После этого вновь включают рубильник и
наблюдают за отбросом стрелки гальванометра во вторичной цепи.
Затем, идя ступенями по 0,5 а, доводят ток в первичной цепи до 5 а,
Сила тока в
первичной
цепи
/
а
Напряженность
магнитного поля
Н
а-мг1
Импульс тока или напряжения во
вторичной цепи
железное
кольцо
1т
деления
шкалы
деревянное
кольцо
1т0
деления
шкалы
Относительная
магнитная
проницаемость
Нт
—
при каждом включении первичной цепи записывают отброс стрелки
баллистического гальванометра или милливольтметра в делениях
шкалы. Все данные заносят в таблицу, приведенную ниже.
Затем железное кольцо заменяют деревянным и проводят те же
наблюдения. Надо иметь в виду, что при деревянном кольце
величина отброса стрелки
баллистического прибора значительно
меньше, но все же измерима.
Относительная магнитная
проницаемость железа
определяется из отношения:
то
_ 1200
1^ юоо
3 *
Иг
= lis.
Im
На основании полученных
данных можно составить график
зависимости величины
магнитной проницаемости от
напряженности1 магнитного поля или,
что находится в прямой
пропорциональности, от силы тока в
$Е
з: з
I*
I
800
600
400
200
0
12 3 4 5 6
Сила тока (J)
О 900 1800 2700 3600 4500 а/м
Напряженность магнитного поля (Н)
Рис. 91. График зависимости отно-
катушке Обпяяртт тякпгп гпя~ сительной магнитной проницаемос-
катушке. иоразец такого Гра- ти от напряженности внешнего маг-
фика приводится на рисунке 91.
ряженности внешнего
магнитного поля
113

46. Экранирующее действие железа
2 полосовых магнита; железное кольцо (внешний
0 60мм, внутренний 0 55 мм)\ 2 катушки (250 витков и
750 витков); прямой сердечник из трансформаторного
железа; железная коробка (размером по внешним размерам
катушки в 250 витков); лампочка накаливания (1,8 в) в
патроне; рубильник; белый картон или листовое стекло
(300 мм X 300 мм); железные опилки; малый агрегат
питания.
Опыт 1. Демонстрация при помощи железных опилок
Под лист тонкого картона или стеклянную пластинку помещают
два полосовых магнита разноименными полюсами навстречу так,
чтобы между полюсами было расстояние порядка 100 мм. Между
полюсами магнита устанавливают железное кольцо и на картон или
стекло насыпают железные
опилки. Если после этого
слегка ударить по картону или
стеклу, железные опилки
сместятся и расположатся до
силовым линиям магнитного
поля магнитов, однако внутри
железного кольца они останут-
Рис. 92. Экранирующее действие же- СЯ ПО-прежнему В беспорядке
лезного кольца в магнитном поле
(рис. 92).
Рис. 93. Экранирующее действие железных
каркасов в магнитном поле:
а — до установки железного каркаса; б — после
установки железного каркаса вокруг вторичной катушки
ш

Опыт 2. Демонстрация при помощи лампочки накаливания
На катушку с 750 витками и вставленным железным
сердечником подают переменный ток с напряжением порядка 6 в. Рядом с
первой катушкой устанавливают вторую с 250 витками, к клеммам
которой присоединена лампочка накаливания. Создается
своеобразный трансформатор, и, как только будет включен рубильник
первичной катушки (750 витков), лампочка накаливания вспыхнет и
будет гореть (рис. 93, а). Если теперь вторичную катушку с 250
витками накрыть железной коробкой, лампочка накаливания
перестанет гореть (рис. 93, б). Железная коробка экранирует катушку от
магнитного поля.
\
U6
6+
47. Демонстрация остаточного магнетизма
в замкнутых железных сердечниках
Катушка (1500 витков); U-образный сердечник и
прямой сердечник; лампочка накаливания (6 в, 0,05 а) в
патроне; рубильник; 2 коротких штатива на изолирующей
подставке; малый агрегат питания или батарея
аккумуляторов (6 в).
Схема установки изображена на рисунке 94. При включении
рубильника лампочка загорается, но горит с несколько ослабленной
яркостью. Прямой
сердечник настолько сильно
притянут к U-образному, что
его трудно снять, так как,
пока по катушке идет ток,
оба сердечника
намагничены. В момент выключения
рубильника лампочка ярко
вспыхивает, что
вызывается явлением
самоиндукции, но затем гаснет.
Однако, если сразу же после
выключения рубильника с
L1-образного сердечника снять прямой, лампочка еще раз
вспыхивает.
Эту вторичную вспышку лампочки можно объяснить тем, что
при снятии прямого сердечника изменяется магнитное поле
U-образного сердечника, а это изменение магнитного поля вызывает
появление в катушке импульса индукционного тока, под действием
которого и происходит вспышка лампочки.
-©-
-@-
Рис. 94.
Исследование явлений
остаточного магнетизма
115

48. Демонстрация точки Кюри
Подковообразный магнит, гвоздь 1,5" или иголка;
бунзеновская горелка.
В просвет ножек подковообразного магнита у самого их конца
вводят железный гвоздь или иголку.
Гвоздь будет тотчас же притянут одной
из ножек и расположится вдоль силовой
линии (рис. 95). Если после этого
нагреть гвоздь в пламени бунзеновской
горелки, то при определенной степени
нагрева гвоздь опустится. Для железа это
происходит при температуре нагрева,
близкой к 750°С. Однако, как только
пламя будет удалено, гвоздь снова
поднимется и примет прежнее положение.
Температура, при которой
ферромагнитные тела теряют магнитные свойства,
называется точкой Кюри.
Рис. 95. Исследование
точки Кюри
Примечание
См. часть 4, стр. 203—204, Э-86.
49. Исследование петли гистерезиса
при помощи катодного осциллографа (!)
Катодный осциллограф; однокаскадное
радиоусилительное устройство; 2 катушки (125 витков и 1500
витков); ? -образный сердечник из трансформаторного
железа и такой же из сплошного куска железа, оба разборные;
реостат (300 ом); регулируемое сопротивление (500 ком',
0,5 вт)\ 3 сопротивления (200 ком, 3 ком и 1 ком);
конденсатор (1 мкф; 250 в); блок-конденсатор (20 000 пф);
розетка городской электросети и большой агрегат питания.
Собирают понижающий трансформатор из ? -образного
разборного сердечника и двух катушек 1500 витков и 125 витков. В первой
части эксперимента берут сердечник из трансформаторного железа.
Гистерезис исследуется на сердечнике трансформатора.
В том случае, если в распоряжении учебного заведения имеется
катодный осциллограф с усилителем, следует собрать схему,
пользуясь рисунком 96. В том же случае, если имеется осциллограф без
усилителя, следует самим собрать усилитель, для чего и приводится
схема, изображенная на рисунке 97.
При включении осциллографа на его экране возникает петля
гистерезиса. Площадь фигуры, образованной петлей, пропорцио-
116

-220 в
Рис. 96. Установка с усилителем для исследования
петли гистерезиса
-2206
Рис. 97. Установка с самодельным усилителем для
исследования петли гистерезиса
нальна потерям энергии при размагничивании. Вот почему
целесообразно сопоставить потери энергии при различных сердечниках.
Как уже было указано, в начале эксперимента используется сердеч-
Рис. 98. Вид
петли гистерезиса
при пластинчатом
сердечнике
Рис. 99. Вид
петли гистерезиса при
сердечнике из
сплошного куска
железа
117

ник, собранный из трансформаторного железа. Полученную петлю
гистерезиса (рис. 98) целесообразно сфотографировать, что вполне
возможно, беря пленку чувствительностью в 130 единиц и
экспозицию в 1 сек. Затем сердечник заменяют и ставят сердечник,
изготовленный из сплошного куска железа. Уже на глаз можно заметить,
что новая петля занимает большую площадь (рис. 99). Сделав новый
фотографический снимок, можно сопоставить размеры площадей, что
позволит сделать вывод об увеличении потерь энергии при
пользовании сплошными сердечниками.
Примечания
1. Необходимо до демонстрации
провести проверку установки и, если нужно,
подобрать наиболее целесообразное
сочетание сопротивлений и емкостей.
2. Не следует добиваться
максимальной яркости свечения петли, так как при
этом ускоряется износ трубки
осциллографа.
3. На рисунке 100 приводится
условное* Хзначениё ное обозначение осциллографа,
электронного
(катодного)
осциллографа
л

ГЛАВА III
ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ
§ 11. МЕТОДИЧЕСКАЯ ЗАПИСКА
1. Электромагнитная индукция по своему значению является
одним из основных процессов в области электричества. Это не
только основа действия электрических машин, генераторов и
электрических двигателей, но в прямой связи с этим процессом
находятся и законы передачи переменного тока, а также получение и
распространение электрических колебаний и волн. Вот почему в
курсе физики особенно важно дать наиболее четкие и прочные
знания законов электромагнитной индукции.
Для наглядного представления об электрическом поле обычно
вводится понятие о силовых линиях поля. До последнего времени
причину возникновения индукционного тока поясняли как
результат пересечения проводником силовых линий магнитного поля.
Это объяснение, однако, имеет смысл лишь при относительном
перемещении проводника в постоянном магнитном поле. Но если
рассматривать индукционные явления в катушке в переменном
магнитном поле электромагнита, то модель поля, представленная
силовыми линиями, должна быть заменена представлением о
подвижных в пространстве и времени самих силовых линиях. Это вызывает
значительные методические трудности в рамках элементарного
курса физики. Вот почему удобнее процесс электромагнитной индукции
связывать с изменением силового потока. Однако, чтобы не
увеличивать расчетные работы учащихся введением новых формул, мы
считаем возможным, во всяком случае в пределах программы
элементарного курса, ограничиться лишь качественными
экспериментами, рассматривая процессы при пересечении витками катушки
замкнутых силовых полей.
Следует иметь в виду, что в этой главе руководства, как это,
видимо, будет иметь место в самое ближайшее время и в других
учебных пособиях и учебниках, во всех случаях в твердых проводниках
рассматривается физическое направление тока, соответствующее
реальному движению электронов, т. е. от минуса к плюсу. Все
119

правила, носящие название правила рук, остаются справедливы,
но там, где ранее указывалась правая рука, следует указывать
левую руку и наоборот1 .
Эксперименты, объединенные § 12, позволяющие
продемонстрировать проявление электромагнитной индукции, в большинстве
своем исходят из высказанных представлений. Эксперимент Э-50
состоит из серии опытов, демонстрирующих возникновение
индукционного тока. Особое значение имеют опыты второй и третий, так
как в них рассматривается пересечение проводником замкнутого
магнитного потока. Эти эксперименты следует повторить при
определении полярности индукционного тоКа, тем более что они не
занимают много времени. В Э-51 рассматривается возникновение
индукционного тока при взаимном перемещении катушки и
постоянного магнита. Этот эксперимент является пропедевтическим для
более сложных экспериментов, в которых будет рассмотрена
зависимость величины э. д. с. индукции от напряженности магнитного
поля, скорости взаимоперемещения магнита и катушки и числа
витков. Возникновение индукционного тока в катушке при ее
перемещении в поле электромагнита рассматривается в Э-52.
Эксперименты Э-53, Э-54 и Э-55 позволяют установить
количественную зависимость величины индукционного тока от ряда
факторов, вызывающих возникновение тока. В Э-53 и Э-55
рассматривается изменение силового потока в линейной зависимости от
времени, а в Э-54 — от глубины погружения постоянного магнита в
полость катушки, а также от глубины и скорости погружения
свинцового шарика в водный раствор NH4C1 (Э-55) и вызванного этим
изменение напряженности магнитного поля. Измеряя в этих
экспериментах величину э. д. с. индукции, можно вывести основной
закон в наиболее общем виде:
где п — число витков.
В Э-54 предлагается использовать самодельные катушки,
которые позволят установить изменение силового потока от изменения
напряженности магнитного поля и площади поперечного сечения,
что подтвердит известную формулу:
ДФ = |10.Д#.5,
1 Высказанное Г. Шпрокхофом положение о переходе во всех
случаях от технического направления тока к физическому находит
поддержку среди широких кругов физиков, однако до сего времени решение
этого вопроса нашло себе место только в учебной литературе ГДР, как и
применение термина «силовой поток» (Kraft fluss) fmccto «магнитный поток»,
по аналогии с термином «силоЕые линии». — Прим, перев.
120

где S — площадь поперечного сечения, jjlo — магнитная
проницаемость. Определение величины э. д. с. в этом случае явится задачей
чисто математической.
Закон Ленца — направление индукционного тока всегда таково,
что он своим магнитным полем противодействует причине своего
возникновения — выводится в трех последовательно проводимых
экспериментах. Проведя эксперименты Э-50 и Э-51, можно уже
сделать вывод, подтверждающий высказанное правило, так как
в этих экспериментах рассматривается направление индукционного
тока в связи с направлением взаимного перемещения катушки и
магнита, вот почему повторное проведение этих экспериментов
нами и было рекомендовано выше. Из наблюдений при проведении
Э-56 нетрудно установить, что индукционный ток всегда
препятствует движению магнитного поля, а значит, и движению самого
магнита, вызывающего ток. Следовательно, для получения
электрической энергии необходима затрата механической энергии в
эквивалентном количестве. Это и есть наиболее важный вывод из закона
Ленца.
Эксперимент с катушкой Томсона и кольцами, надеваемыми на
ее сердечник, является также подтверждением закона Ленца.
Следует указать, что большинство экспериментов, описанных ниже
в § 14, позволяет еще раз рассмотреть этот закон.
2. Эксперименты, объединенные § 13, рассматривают
трансформацию тока. Трансформаторы — это устройства, нашедшие самое
широкое применение при использовании переменного тока.
Методически правильнее начинать изучение нового явления с
простейшего эксперимента, каковым является Э-58. В этом эксперименте
демонстрируется возникновение индукционного тока во вторичной
катушке при изменении с малой частотой магнитного поля первичной
катушки. Получение переменного тока малой частоты описывается
в целом ряде экспериментов, в Э-58, Э-71, Э-72 и Э-105. Выяснение
факторов, влияющих на трансформацию тока, следует показать на
ряде опытов, описанных в Э-59. В то же время Э-60, Э-61 и Э-62
позволяют вывести законы трансформации. Если Э-60 и Э-61
являются качественными экспериментами, то Э-62—эксперимент
количественный. Следует, однако, иметь в виду, что коэффициенты
полезного действия самодельных трансформаторов или
трансформаторов, собранных из деталей «Электроконструкторов», обычно
11 п
низки. Вот почему основной закон — = — удается вывести только
приближенно. Как правило, при наличии нагрузки во вторичной
цепи трансформатора расчетное значение Ич оказывается всегда
выше фактически измеренного в эксперименте. Впрочем, при
подключении к выходным клеммам вторичной катушки
вольтметра, при отсутствии другой нагрузки вольтметр фактически
измеряет э. д. с. катушки как источника тока во вторичной це-
121

пи и в этом случае коэффициент трансформации определяется
по формуле:
^1 = ^1.
^ п2
Для того чтобы показать причины потери энергии на
трансформаторе, следует, вслед за Э-64, обязательно провести Э-65.
Желательно еще до проведения эксперимента рассмотреть этот вопрос в
лекционной части курса физики, отметив, что коэффициент
полезного действия определяется как отношение активных мощностей
вторичной и первичной цепи, измеряемых ваттметрами.
Произведение эффективного напряжения на эффективное значение силы
тока дает так называемую кажущуюся мощность, эти измерения
производятся по включенным в цепи вольтметрам и амперметрам.
Следовательно, результат эксперимента во всех случаях дает лишь
приближенное значение коэффициента полезного действия
трансформатора. Более точное рассмотрение этих зависимостей
возможно, если будет учитываться фазовое смещение. Но этот вопрос
служит предметом изучения при проведении экспериментов,
объединенных § 22, 23 и 24. Исследование автотрансформатора
предлагается в Э-65, который проводится на катушке с двойной обмоткой
750/1500 витков. Принципиальная схема автотрансформатора
напоминает схему делителя напряжения. Можно было бы провести
параллель в их работе, но надо иметь в виду, что в работе обычного
делителя напряжения (потенциометра) никакой трансформации тока нет.
Эксперименты с Э-66 по Э-71 позволяют продемонстрировать
техническое применение трансформаторов, что имеет значение в
связи с политехническим характером обучения в рамках
элементарного курса. Особенно важен в этом отношении Э-66,
моделирующий линию дальней передачи электроэнергии и позволяющий
показать принцип устройства подобных линий. Впрочем, не менее
важны и Э-67 — точечная сварка и Э-68 — индукционная печь,
тем более что выпускаемые учебной промышленностью детали для
этих экспериментов позволяют провести их интересно и
убедительно. Измерительный трансформатор рассматривается вЭ-69, а
электрическая автомобильная «свеча» — в Э-70. Эксперимент Э-71
моделирует «электрического пастуха», не позволяющего разбегаться
стаду. Последние два эксперимента, как правило, вызывают
повышенный интерес учащихся, в связи с этим было бы крайне
желательно построить самим эксперименты на комплексных моделях:
«свечу» вмонтировать в контурную модель цилиндра автомобиля, а
«электрического пастуха» представить как элемент муляжа загона
для скота, на котором из дерева, папье-маше, ваты, мха, картона и
краски следует воссоздать своеобразный сельский пейзаж. В
классах всегда найдутся учащиеся, обладающие художественным вкусом
и навыками, они охотно выполнят подобный «действующий» муляж.
Явление самоиндукции рассматривается в ряде экспериментов,
122

объединенных § 14. Вводным экспериментом является Э-72. В
последующих экспериментах этого параграфа, в которых
применяется лампочка тлеющего разряда, определяется и направление тока
самоиндукции. В Э-75 и Э-78 демонстрируется техническое
применение этого явления.
В заключительном, 15-м параграфе рассматриваются
эксперименты с вихревыми токами Фуко, основанными также на явлении
электромагнитной индукции. С одной стороны, вихревые токи
используются в технике, с другой — в целом ряде случаев они
являются «паразитарными» и с ними приходится вести борьбу. Нельзя
не показать учащимся и не включить в настоящее руководство
достаточно известный эксперимент с маятником Вальтенхофена. Этот
эксперимент позволяет показать как проявление вихревых токов,
так и возможности их устранения. Изучение вихревых токов
связано также с именем Араго, вот почему и алюминиевый круг,
используемый в Э-80, Э-81 и Э-82, носит его имя. Интересна модель
простейшего тахометра для определения частоты вращения
магнитов, описанная в Э-81. Работа такого тахометра основана на
взаимодействии магнитного поля вращающегося магнита с полем
вихревых токов, возникающих в круге Араго. Большое практическое
значение имеет Э-83, проведение которого убеждает учащихся в
необходимости применять рассеченные изолированные друг от
друга отдельные пластины при изготовлении сердечников
трансформаторов, электромашин и других устройств.
В заключительном эксперименте этой главы, в Э-84, описана
оригинальная модель счетчика электрической энергии.
§ 12. ПРОЦЕСС ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ
50. Возникновение э. д. с. индукции в проводнике,
движущемся в постоянном магнитном поле
Подковообразный магнит; зеркальный гальванометр
или милливольтметр магнитоэлектрической системы;
изолирующая планка с контактными винтами; высокоомное
сопротивление (1 Мом)\ четырехугольная рамка из
медной проволоки (0 Змм) на маятниковом подвесе; 2
штатива на изолирующей подставке; 3 куска толстой медной
проволоки (0 3 мм, длина каждого 200 мм) или 3 спицы;
аккумулятор (2 в).
Этот эксперимент состоит из трех последовательно проводимых
опытов, которые позволяют установить условия возникновения
индукционного тока.
Первый опыт (рис. 101, а) проводится с качающейся в поле
постоянного подковообразного магнита проволочной рамкой. Концы
рамки из толстой медной проволоки через контактные винты, ук-
123

репленные на изолирующей
планке, соединяются с
зеркальным гальванометром. При
качании рамки она пересекает
силовые линии магнитного поля
магнита, что и вызывает
возникновение в рамке э. д. с.
индукции, а в цепи
рамка—гальванометр — индукционного тока.
Вторые два опыта (рис. 101, б
и в), в них проводник вводится
в пространство между
полюсами подковообразного магнита
либо путем внесения
четырехугольной рамки, либо путем
перекатывания по медным шинам
прямого проводника,
позволяют показать возникновение
э. д. с. в проводнике в
результате изменения силового
магнитного потока.
Так как возникающая э. д. с.
индукции мала, порядка 100 мв,
то целесообразно
воспользоваться для ее измерения
зеркальным гальванометром или в
крайнем случае милливольтметром
ма гнитоэлектр ической системы.
В этих экспериментах
следует предварительно определить
полюса подковообразного магнита при помощи компасной стрелки
(если полюса магнита не маркированы краской). Направление же
индукционного тока можно определить по отклонению светового
«зайчика» от зеркала гальванометра. Для этого надо
предварительно определить, при каком направлении тока в гальванометре
происходит отклонение «зайчика» вправо и при каком — влево,
подключив гальванометр через многоомное сопротивление
порядка 1 мегома к аккумулятору (рис. 102).
Четыре случая взаимоперемещения проводника и магнита, при
которых в проводнике возникает индукционный ток, представлены
в схемах, изображенных на рисунке 103. На этих схемах
направление силовых линий поля, направление перемещения проводника и
направление индукционного тока обозначены различными
линиями (см. пояснение к рисунку). Направление индукционного тока
может быть определено и по правилу левой руки.
Рассматривая опыты бив, следует их результат обосновать
законом Ленца. Из закона Ленца следует, что при увеличении охвата
Рис. 101.
Возникновение
индукции:
э. д.
¦ качающая рамка; б — перемещаемая
рамка; в—скользящий проводник
124

Рис. 102. Определение
направления
индукционного тока при помощи
гальванометра
Движение
Ток
Движение
¦ Ток
Поле
Рис. 103. Определение
направления индукционного тока по
правилу левой руки.
Направление движения
проводника указано штриховой линией,
направление силовых линий
магнитного поля — пунктиром, а
направление возникающего
индукционного тока — сплошной
линией
силового потока индукционный ток противоположен направлению
магнитного поля, а при уменьшении — совпадает с ним по
направлению.
51. Возникновение э. д. с. индукции в катушке
при ее перемещении в пом
постоянного магнита
2 полосовых магнита; подковообразный магнит; 5
катушек (с числом витков: 125, 250, 500, 750 и 1500);
милливольтметр магнитоэлектрической системы;
легкоподвижная тележка; отрезки стеклянных трубок (0 4 мм,
длина каждого 100 мм); деревянные подставки; штатив.
Магниты и катушки должны быть расположены так, чтобы при
их взаимном перемещении магниты могли легко входить в полость
катушек. Для этого перед проведением эксперимента следует всю
установку выверить и при надобности под магниты подложить
подставки. То же нужно сделать и с легкоподвижной тележкой,
которую, впрочем, можно заменить стеклянными трубками, подкла-
дываемыми под магниты.
В эксперименте предусматриваются две серии опытов:
1 серия — катушка неподвижна — магнит перемещается (рис.
104):
а) магнит приближают и вводят в полость катушки так, чтобы его
продольная ось совпала с осью полости катушки;
б) магнит перемещают перпендикулярно оси полости катушки;
125

*¦
$
'7
Рис. 104. Возникновение индукционного тока при
перемещении магнита относительно катушки
Рис. 105. Возникновение индукционного тока
при перемещении катушки в магнитном поле
постоянного магнита
в) магнит, частично выведенный в полость катушки, вращают
вокруг его продольной оси.
2 серия — катушка перемещается — магнит неподвижен (рис.
105).
Исследуются такие
же перемещения, как и
в первой серии опытов,
но уже для катушки.
При проведении всех
опытов величина э. д. с.
^ ^w ,. 6 ц , измеряется при помощи
^^Ш ^g ejr^^ милливольтметра, при-
Ш соединенного к
выходным клеммам катушки.
Следует иметь в виду,
что при вращении
магнита или соответственно
катушки вокруг их
продольных осей все же наблюдается возникновение э. д. с, что
объясняется невозможностью получить точно центрированное
вращение, производя его от руки.
Сопоставление полученных данных позволяет утверждать, что
индукционный ток в катушке возникает при относительном
перемещении катушки и магнита. Следует во всех случаях определить и
записать, какова зависимость между направлением магнитного
поля, направлением движения магнита и направлением
возникающего индукционного тока.
Эти две серии опытов следует рассматривать как
предварительные для последующего количественного исследования процесса.
Величину изменения силового потока можно в какой-то мере
оценивать и варьировать изменением длины пути и скорости взаимного
перемещения. Уже в этих опытах можно проследить зависимость
индукционного тока от скорости перемещения, а последовательно
сменяя катушки с различным числом витков, показать зависимость
индукционного тока от числа витков.
126

Рис. 106. Влияние напряженности Рис. 107. Катушка в поле подково-
магнитного поля на величину э. д.с. образного магнита
индукционного тока
Изменение напряженности магнитного поля достигается в этих
опытах последовательным применением сначала одного, затем двух
или трех магнитов, положенных друг на друга (рис. 106).
Можно этот эксперимент проводить и с подковообразным
магнитом, расположив катушку и магнит так, как это указано на
рисунке 107. При таком взаиморасположении удобнее показывать,
как изменяется силовой поток при перемещении катушки.
Примечание
В этом эксперименте можно вместо полосового магнита
применить и электромагнит с катушкой в 500 витков и прямым
сердечником, подав напряжение порядка 10 е. Однако в этом случае
следует применять для питания цепи аккумулятор, а не малый
агрегат питания, так как последний дает пульсирующий ток,
способный возбудить индукционный ток в катушке и в том
случае, когда она неподвижна. При включении и выключении цепи
следует также катушку, в которой должен быть возбужден
индукционный ток, по возможности удалить от электромагнита.
52. Возникновение индукционного тока
в проводнике, внесенном в переменное поле
электромагнита
4 катушки (125/250 витков, 500 витков и две 750/1500
витков); прямой сердечник из трансформаторного
железа; ползунковый реостат (110 ом); вольтметр
магнитоэлектрической системы (10 в)\ рубильник; малый агрегат
питания или батарея аккумуляторов (12 в).
Схема установки приведена на рисунке 108. В качестве
источника питания электромагнита целесообразнее применить батарею
аккумуляторов на 12 в и только в крайнем случае малый агрегат
питания, так как последний дает пульсирующий ток (см.
примечание к Э-51).
127

Рис. 108. Катушка в переменном магнитном
поле электромагнита
При помощи реостата, включенного по схеме делителя
напряжения, изменяют напряжение на катушке электромагнита, а значит,
и силу тока в ее цепи. Изменение силы тока, протекающего по
катушке, приводит к изменению силового потока, а изменение
последнего вызывает возникновение индукционного тока во второй
катушке.
При проведении эксперимента необходимо установить
следующие зависимости:
а) как меняется величина э. д. с. индукции во вторичной
катушке в зависимости от величины изменения силового потока
(изменения силы тока в первичной цепи) и от времени, за которое
происходит это изменение;
б) как меняется величина э. д. с. индукции в зависимости от
соотношения числа витков катушек (для чего последовательно
сменяются катушки вторичной цепи из указанного ассортимента);
в) как меняется направление индукционного тока в зависимости
от полярности электромагнита, т. е. от направления тока в его
обмотке.
При включении и выключении цепи электромагнита
целесообразно предварительно передвинуть движок реостата таким образом,
чтобы через катушку электромагнита вообще не проходил ток.
53. Зависимость э. д. с. индукции
от скорости изменения магнитного потока
2 катушки (125/250 витков, 500 витков); полосовой
магнит; милливольтметр (30 же); блок на подвеске; 2
легкие чашечки от весов; 5 гирек (по 20 п)\ тонкий, прочный
шнур (1500 мм)\ деревянная подставка (высота 30 мм);
штатив с удлиненной штангой; струбцинка для крепления
штатива к столу.
Общий вид установки приведен на рисунке 109. Изменение
магнитного потока происходит при падении полосового магнита в
полости катушки. Полосовой магнит укрепляют на конце тонкого
шнура, перекинутого через блок, и уравновешивают гирьками, по-
128

мещенными на чашечку весов, подвешенную
к другому концу шнура. На тот конец
шнура, к которому прикреплен магнит,
подвешивают вторую чашечку весов.
Помещая на нее гирьки, вызывают
ускоренное движение магнита вниз. Под
полосовым магнитом в лапке штатива зажимают
катушку со 125/250 витками и к выходным
клеммам обмотки катушки со 125 витками
подсоединяют милливольтметр. Катушку
располагают так, чтобы при падении
магнита он свободно проходил через ее
полость.
Перед проведением эксперимента на
верхний кант катушки помещают
деревянную подставку высотой 30 мм, в самый
край которой и упирают нижний конец
магнита, предотвращая его
преждевременное падение. Чашечка, подвешенная под
магнит, должна при этом находиться
также на высоте 30 мм над поверхностью
стола. Эта высота определяет путь магнита
в его равноускоренном движении под
действием перегрузка, как только из-под него
будет выбита подставка. Но так как
чашечка подвешена на высоте 30 мм над
поверхностью стола, то, как только она коснется
этой поверхности, перестает действовать
вес перегрузка, а, следовательно,
дальнейшее движение магнита становится
равномерным, так как его вес был
уравновешен гирьками на другой чашке весов. Путь, проходимый
магнитом равномерно, должен быть порядка 300 мм, что и
обеспечивается специальным шнуром-ограничителем длиной 330 мм. Один конец
шнура-ограничителя крепится к поперечной планке, зажатой в
верхней лапке штатива, на которой укреплен блок, другой конец
шнура привязан к верхней части магнита так, чтобы при падении
последнего проходимый им равномерно путь был строго равен
300 мм.
Рис. 109. Установка для
исследования
зависимости э. д. с. индукции от
скорости изменения
магнитного потока
Часть 1. Зависимость э. д. с. индукции от скорости паденик
магнита
Чтобы вызвать падение магнита, достаточно резким движением
отодвинуть подставку, стоящую на канте катушки, на которую
опирается магнит. В этом случае первые 30 мм пути магнит будет
падать равноускоренно под воздействием перегрузка, помещенного
129

на чашку весов. Однако как только чашка весов коснется стола,
дальнейшее движение магнита станет равномерным. Скорость этого
равномерного движения и будет той скоростью, с которой магнит
будет проходить полость катушки. Ее нахождение сводится к
решению уравнения:
v = Y~2aS.
Но для этого должно быть известно ускорение, которое можно
определить по 2-му закону Ньютона:
т
где F — вес перегрузка, выраженный в ньютонах, т — общая
масса тел, приводимых в движение этим перегрузком, т. е. масса
магнита, двух чашечек, масса грузов, шнура и масса колесика блока
в кг. Из приведенных двух уравнений составляется общее:
Меняя массу перегрузка, можно изменять и скорость падения
магнита, что и позволит установить прямую пропорциональность
э. д. с. индукции тока, возникающего в катушке, от скорости
пересечения катушкой магнитного поля прямого магнита.
Результат эксперимента целесообразно свести в таблицу.
Вес перегрузка
F
понды
ньютоны
Скорость
падения магнита
1 v
М'секг1
э- д. с.
индукции
*
в
1 1
V
Для этой части эксперимента целесообразно взять перегрузки
в 20 п, 40 п, 60 /г, 80 п, 100 п.
Часть 2. Зависимость э. д. с. индукции от числа витков катушки
Эксперимент проводится при постоянной скорости падения
магнита, что обеспечивается применением одного и того же перегрузка
в 20 я, но на катушках с различным числом витков, но
одинаковой длиной намотки. Берутся катушки со 125 витками, 250 витками
и, наконец, с 500 витками. Для каждой катушки по
милливольтметру определяют возникающую э. д. с. индукции. Все данные
заносят в таблицу.
130

Число
витков
п
—
а д. с.
индукции
*
мв
1 1
п
—
Сопоставляя результат эксперимента, нетрудно установить,
что величина э. д. с. пропорциональна числу витков в катушке:
се
а отношение — постоянно.
п
Общий вывод
При падении магнита с постоянной скоростью в полости
катушки происходит равномерное изменение магнитного потока —
пересечение его витками катушки. На основании эксперимента можно
утверждать, что
At V'
а так как э. д. с. индукции пропорциональна скорости падения
магнита, то
в свою очередь э. д. с. индукции пропорциональна и числу витков
катушки, и в этом случае:
At
где п — число витков.
Введя коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора
единиц, формула принимает вид:
АФ
f = ?./l.-
At
54. Зависимость э. д. с. индукции
от напряженности магнитного поля,
площади охвата поля витком
и от числа витков
Катушка (500 витков); амперметр (10 а);
милливольтметр (200 мв) или зеркальный гальванометр; ползунко-
вый реостат (100 ом); ключ Морзе; лист винипласта или
текстолита (толщина 4 мм); 10 телефонных гнезд; медная
131

г $
Г Ф6
30
\ш
30
н
1
А
я
65
Ш
^ ^— ^
C\j
i
изолированная
проволока (0 0,2 мм,
длина 5000 лш);
клей;
изоляционная лента; малый
агрегат питания
(аккумулятор
применять нельзя!).
Из винипласта или
текстолита выпиливают пять пар
торцевых пластин 40 мм X
Х40 мм, пять пластин 28 ммХ
X 65 мм и двадцать пластин
28 мм X 50 мм. На пяти
торцевых пластинках
выпиливают по два отверстия (0 6 мм)
для телефонных гнезд
(рис. 110).
Из выпиленных пластин
универсальным клеем
склеивают каркасы катушек (рис. ПО,
низ) и наматывают обмотку, пользуясь приводимой таблицей.
Рис.
110. Изготовление катушек
различных параметров
Номера катушек
Число склеиваемых пластин для попе-
i
2
200
2
4
200
3
6
200
4
6
100
5
6
300 |
Часть 1. Зависимость э. д. с. индукции от напряженности
магнитного поля
Собирают установку, изображенную на рисунке 111. На
катушку с 500 витками подают через реостат и амперметр напряжение от
малого агрегата питания. В полость катушки вводят
изготовленную катушку № 5, соеди-
ненную с
милливольтметром. Во вторичной
катушке, каковой является
катушка № 5, при
включении и выключении ключа
Морзе возникает импульс
напряжения U • At,
который целесообразно
измерить просто в деленр^ях
Рис. 111. Исследование законов индукции шкалы милливольтметра.
132

Если в цепи первичной катушки перемещением ползунка
реостата изменять сопротивление, то соответственно будет меняться и
напряженность магнитного поля первичной катушки, при этом
Д// — Д/.
Для каждого положения движка реостата, измеряя импульс
напряжения и соответствующее значение силы тока в первичной
цепи, нетрудно установить, что в хорошем приближении оста-
U-At
ется постоянным, а следовательно, постоянно и отношение ,
что позволяет утверждать, что и U • At~ АЯ, а так как U - At
пропорционально так же величине возникающей во вторичной цепи
э. д. с. индукции, то и
2 — ДЯ.
Данные целесообразно представить в виде таблицы:
Сопротивление
Сила тока в
первичной цепи
| R \ J
\в долях длины
намотки реостата
а
Импульс напряжения
во вторичной цепи
U-At
в делениях шкалы
милливольтметра
U-At
I
—
Часть 2. Зависимость в. 3. с. индукции от площади магнитного
потока, охватываемой витками вторичной катушки
На той же установке проводится и серия опытов второй части
эксперимента. В полость катушки первичной цепи вводят по
очереди изготовленные катушки № 1, № 2 и, наконец, № 3 с
одинаковым числом витков, но различной площадью, охватываемой
витком, так как поперечники каркаса катушек сложены из разного
числа пластин. Как и в первой части эксперимента в момент
включения и выключения ключа Морзе, прерывающего первичную
цепь, во вторичной цепи возникают импульсы напряжения. Из
проведенных наблюдений за этой серией опытов можно сделать
вывод, что импульсы напряжения, а значит, и величина э. д. с.
индукции пропорциональны площади охвата витком магнитного
потока:
U.M — S.
Это позволяет сделать и более общий вывод, что
U.M~\ir.AH.S,
133

или
t/.Д^ — ЛФ и %~^-
Часть 3. Зависимость э. д. с. индукции от числа витков
вторичной катушки
На этот раз в полость первичной катушки при неизменном
положении ползунка реостата, а значит, и неизменной силе тока в
первичной цепи следует вводить катушки с различным числом
витков, но одинаковой площадью, охватываемой витками, в
следующей последовательности: вначале катушку № 4, затем № 3
и, наконец, № 5.
Наблюдение за показанием вольтметра позволяет утверждать,
что
и тогда
или окончательно
<<§=k-n- —.
А*
55. Вывод основного закона индукции
2 катушки (500 витков и 1500 витков); ? -образный
сердечник из трансформаторного железа; ползунковый
реостат (300 ом); широкая стеклянная трубка (0 25 мм\
длина 800 мм)\ свинцовый шарик (0 15 мм); резиновая
пробка; гибкий провод (длина 2000 мм);
зажим-крокодил; амперметр (0,5 а); милливольтметр (100 мв);
секундомер; рубильник; штатив с трубкодержателем; водный
раствор NH4C1 (10-процентный); малый агрегат питания
(аккумулятор применять нельзя!).
Широкую стеклянную трубку длиной порядка 800 мм, с
внутренним диаметром 22 мм закрепляют в лапке штатива в наклонном
положении (рис. 112).Нижний конец трубки закрывают резиновой
пробкой, через которую введен металлический электрод—медный
провод. Этот электрод соединяют с выходной клеммой катушки с
500 витками, надетой на одно из плеч трансформатора. Трубку
почти до верхнего края наполняют 10-процентным водным
раствором NH4C1 и в раствор погружают свинцовый шарик,
привязанный к гибкому проводу, переброшенному через блок. Свинцовый
шарик служит вторым электродом. Гибкий провод свинцового ша-
134

Рис. 112. Установка для вывода основного закона
индукции
рика присоединяют к одной из клемм источника тока — малого
агрегата питания. Другую клемму агрегата питания через
амперметр и реостат соединяют со второй клеммой первичной катушки
трансформатора.
Вторичная катушка трансформатора с 1500 витками
соединена с вольтметром.
До проведения эксперимента на стеклянную трубку надевают
два резиновых или бумажных колечка. При длине трубки в 800 мм
и при полном ее заполнении раствором верхнее кольцо должно
быть на 200 мм ниже верхнего края трубки, нижнее — на 100 мм
от нижнего края. Если медный гибкий провод покрыт шелковой
или другой тканой изоляцией, его следует перед погружением в
раствор обязательно пропитать маслом.
Предварительное наблюдение
Подтянув за гибкий провод свинцовый шарик к самому
верхнему краю трубки, но не вынимая его из раствора, шарик
отпускают. Первое время он падает ускоренно, но под воздействием
сопротивления раствора или, точнее, струй, образующихся вокруг
шарика, падение переходит в равномерное. Это происходит
примерно на 200 мм от верхнего края трубки, где и закреплено
резиновое или бумажное кольцо.Но это расстояние должно быть в
предварительном наблюдении уточнено и соответственно смещено кольцо.
Тогда расстояние между двумя кольцами будет
соответствовать расстоянию, проходимому шариком равномерно. Но при та-
135

ком движении столь же равномерно будет изменяться, уменьшаясь,
и омическое сопротивление раствора, а, значит, в первичной цепи
будет равномерно возрастать сила тока. С возрастанием силы тока
в первичной цепи будет возрастать и напряженность магнитного
поля первичной катушки. Собственно, всю установку и собирают
для получения равномерного возрастания напряженности
магнитного поля катушки.
Часть 1. Зависимость э. д. с. индукции от изменений магнит-
ного потока
Эта часть эксперимента проводится при неизменном угле
наклона трубки.
Свинцовый шарик поднимают за гибкий провод до верхнего
края трубки и отпускают. В момент прохождения шариком
верхнего кольца пускают секундомер и одновременно измеряют силу
тока в первичной цепи. Секундомер останавливают, как только
шарик пройдет отметку нижнего кольца. В тот же момент измеряют
новую силу тока. Как было указано, сила тока возрастает.
Параллельно с измерением силы тока в первичной цепи
измеряют и э. д. с. индукционного тока по показанию вольтметра,
включенного во вторичную цепь, беря среднее значение э. д. с.
в делениях шкалы вольтметра.
Из сопоставления полученных данных можно установить, что
отношение А/ к Д$ в хорошем приближении постоянно, а так
как А/ — АФ,
то и
Часть 2. Зависимость э.д.с. индукции от скорости изменения
магнитного потока
В этой части эксперимента следует величину изменения силы
тока А/ в первичной цепи за время падения шарика поддерживать
постоянным, что достигается неизменным положением ползунка
реостата, но время падения шарика следует менять. Для изменения
времени падения шарика надлежит изменять угол наклона трубки,
начиная с угла в 90°, т. е. вертикального положения трубки, и
постепенно по 15° уменьшая угол до 45°. В этом случае будет
меняться и скорость изменения магнитного потока первичной цепи.
Наблюдения позволяют прийти к выводу, что
Таким образом, Э-55 подтвердит все выводы Э-54, но более
последовательно и строго обоснованно.
136

56. Исследование закона Ленца
Катушка (500 витков); прямой сердечник изтрансфор-
маторного железа; алюминиевое кольцо (0 50 мм);
полосовой магнит; тонкий шнур; штатив; малый агрегат
питания.
Легкое алюминиевое кольцо подвешивают бифилярно к
поперечной планке, укрепленной в лапке штатива (рис. 113). Вводя
(или выводя) полосовой магнит в
просвет кольца, убеждаются, что кольцо
следует за магнитом.
Затем кольцо подносят достаточно
близко к сердечнику электромагнита,
собранного из катушки и прямого
сердечника (рис. 114). В момент
включена6 I
— \8в
4?U
1 А
Рис. 113. Взаимодействия
алюминиевого кольца с
полем постоянного магнита.
Демонстрация к закону
Ленца
Рис. 114. Взаимодействие
алюминиевого кольца с полем
электромагнита
ния цепи электромагнита кольцо отскакивает от сердечника, а в
момент выключения притягивается к нему.
Оба наблюдения показывают, что поле индукционного тока в
кольце при увеличении магнитного потока, пронизывающего
кольцо, имеет направление, противоположное направлению поля
возбудителя, а при уменьшении магнитного потока направление
полей совпадает.
Примечание
Вместо алюминиевого кольца можно взять коротко-
замкнутую катушку с небольшим числом витков.
57. Эксперимент с катушкой и кольцами
Томсона (!)
Катушка (750 витков); прямой сердечник из
трансформаторного железа; 2 алюминиевых и 2 медных
кольца (0 40 мм); ключ Морзе; вилка для включения в
городскую электросеть.
137

^2206
Этот эксперимент
общеизвестен, и поэтому мы ограничимся
его упоминанием и необходимыми,
на наш взгляд, пояснениями.
Следует показать учащимся, что
кольца подскакивают в момент
включения катушки в цепь на
значительную высоту под действием
возникающего импульса
индукционного тока (рис. 115), но затем, если
их придержать рукой и не дать
соскочить, кольца повиснут в
воздухе и будут «парить» на
некотором расстоянии от верхнего края
катушки. Если в это время их
рукой несколько опустить, то они
под действием циркулирующих в
них индукционных токов, переменных по направлению, но
значительных по величине, начнут разогреваться, так как
сопротивление колец мало.
В момент подскока колец имеет место сдвиг фаз на 90° между
индукционным током и током катушки.
Примечание
Эксперимент может быть проведен и при постоянном токе,
так как в момент подачи его на катушку возникнут те же
индукционные явления, однако высота подскока колец будет
значительно меньше.
Рис. 115. Катушка Томсона
§ 13. ТРАНСФОРМАТОРЫ
58. Трансформаторы переменного тока
низкой частоты
4 катушки (2 — по 500 витков и 2 — по 1500 витков);
? -образный разборный сердечник; 3 вольтметра с нулем
по середине шкалы (2 — на 6 в и 1 —на 50 в)\ 2 ползун-
ковых реостата (ПО ом и 300 ом)\ рубильник; 2 штатива
на изолирующих подставках; батарея аккумуляторов
(6 в).
Эксперимент А
Обмотки двух реостатов Ri и R2 соединяют параллельно по
схеме моста с источником тока в 6 в. В цепь включают рубильник.
Ползунки реостатов соединяют с выходными клеммами катушки
138

Рис. 116. Генератор тока малой частоты,
Смещение фаз при трансформации тока
с 500 витками (первичной катушки), насаженной на одно из
колен ? -образного сердечника. К тем же клеммам присоединяют
вольтметр l/j. На другое колено сердечника надевают катушку с таким
же количеством витков — «вторичную» катушку, к выходным
клеммам которой присоединяют вольтметр V2 (рис. 116).
Ползунок реостата R± устанавливают на середину обмотки,
в то же время ползунок реостата R2 перемещают вправо и влево от
среднего положения. При таком перемещении ползунка на
реостате вольтметр Vi показывает, что подаваемое на первую катушку
напряжение меняется по величине с частотой, соответствующей
частоте перемещения ползунка. Вольтметр Уг, присоединенный
ко вторичной катушке, показывает соответствующие колебания
индукционного тока в ней.
Эксперимент демонстрирует не только медленно протекающий
процесс трансформации тока, но и смещение в фазах тока во
вторичной цепи, относительно первичной.
Эксперимент Б
Для этой части эксперимента собирают цепь, изображенную
на рисунке 117. В этой цепи целесообразно взять катушку с 1500
витками. Перемещением
ползунка реостата, вклю- у
ченного последовательно с r—i s к
первичной катушкой, меня- ' L
ют силу тока в первичной
цепи, а значит, и
напряженность магнитного поля
катушки. Переменное по
величине поле первичной Рис И7> Трансформация тока ПрИ перемен-
катушки вызывает индук- ном сопротивлении первичной цепи
139

ционный ток во вторичной катушке. Включенный в цепь
вторичной катушки вольтметр показывает изменение э. д. с.
индукционного тока. Периодическое смещение ползунка вправо и влево от
среднего положения вызывает переменный индукционный ток во
вторичной катушке той же частоты.
Примечания
1. В этом эксперименте использовать малый агрегат
питания нельзя.
2. Получение переменного тока низкой частоты см. также
в Э-105.
59. Условия трансформации тока
2 катушки (500 витков и 1500 витков); ползунковый
реостат (20 ом)\ ? -образный сердечник; U-образный
сердечник из трансформаторного железа; 2 вольтметра
электромагнитной системы (10 в и 30 в); 2 штатива
на изолирующей подставке; малый агрегат питания
(аккумуляторы применять нельзя!).
В этом эксперименте рассматривается серия опытов,
последовательно демонстрирующих шесть основных факторов, влияющих
па процесс трансформации тока.
В первичную цепь трансформатора вводят реостат (рис. 118, 2),
подключенный к источнику тока / по схеме делителя напряже-
Рис. \\8. Условия трансформации тока
140

ния — потенциометра. Ток с делителя напряжения снимается на
первичную катушку с 500 витками 4, параллельно которой
подключен вольтметр Vt на 10 в. При проведении всей серии опытов
следует поддерживать на первичной катушке постоянное
напряжение порядка 4 в, что достигается перемещением ползунка
реостата.
Вторичная цепь состоит из катушки с 1500 витками 3 и
соединенного с ней вольтметра V2 на 30 е.
Опыт А (рис. 118, а)
Катушки располагают так, чтобы их оси были параллельны.
По мере сближения катушек вольтметр, включенный во вторичную
цепь, показывает увеличение э. д. с. индукционного тока.
Максимальное значение э. д. с. возникает при сближении катушек до
соприкосновения.
Опыт Б (рис. 118, б)
Изменяют расположение катушек и помещают их так, чтобы
ось вторичной катушки была перпендикулярна оси первичной
катушки. При любом сближении катушек вольтметр, включенный
во вторичную цепь, не отмечает возникновения э. д. с. во вторичной
цепи. И это понятно — силовые линии первичной катушки
скользят вдоль плоскости витков вторичной катушки, а значит, витки не
пересекают силового потока.
Опыт В (рис. 118, в)
В этом опыте катушки располагают так, чтобы ось вторичной
катушки как бы продолжала ось первичной катушки. По мере
сближения катушек возрастает величина э. д. с. во вторичной катушке,
что и фиксирует включенный во вторичную цепь вольтметр.
Максимальное значение э. д. с. индуцированного тока достигается при
соприкосновении катушек.
Опыт Г (рис. 118, г)
Первичную и вторичную катушку насаживают на колена U-
образного сердечника, изготовленного из сплошного куска железа.
Величина э. д. с. индукционного тока во вторичной катушке выше,
чем в предыдущих трех опытах.
Опыт Д (рис. 118, д)
U -образный сердечник с насаженными на его колена
катушками замыкают прямым сердечником — якорем из трансформатор-
141

ного железа. Наблюдается дальнейшее увеличение э. д. с.
индукционного тока во вторичной цепи.
Опыт Е (рис. 118, е)
Сердечник, изготовленный из сплошного куска железа,
заменяют ? -образным сердечником из трансформаторного железа.
Величинаэ. д. с. во вторичной катушке резко возрастает, и так как
отношение числа витков первичной катушки к числу витков
вторичной катушки равно 1 : 3, то и величина э. д. с. вторичной
катушки примерно в три раза больше, чем напряжение на клеммах
первичной катушки.
60. Повышающий трансформатор (!)
4 катушки (125/250 витков, 750/1500 витков и 2 —
по 15 000 витков); 2 ? -образных разборных сердечника
из трансформаторного железа; лампочка тлеющего
разряда (на 220 в)\ трубка Гейслера; 2 металлических
тонких заостренных стержня (0 3 мм, длина 150 мм)\
рубильник; 2 штатива на изолирующих подставках;
дымчатые очки; малый и большой агрегаты питания.
Вариант А. Загорание лампочки тлеющего разряда
Для этого варианта эксперимента собирают цепь, схема
которой приведена на рисунке 119. Как только на первичную
катушку (125 витков) будет подан
токе напряжением порядка
12 в, лампочка тлеющего
разряда, включенная в цепь
вторичной катушки (1500
витков), загорится.
Следует предварительно
подключить лампочку
тлеющего разряда
непосредственно к источнику тока
с напряжением 12 в и
показать учащимся, что при
свечения электродов лампочки не наблю-
Рис. 119. Повышающий трансформатор.
Индикатором служит лампочка тлеющего
разряда
таком напряжении
дается.
Вариант Б. Зажигание электрической дуги с металлическими
стержнями
Схема установки дана на рисунке 120. Первичную катушку
целесообразно взять с 750 витками, вторичную — с 15000 витками.
После подачи тока на первичную катушку металлические стержни
142

j, I . J^^t^^M | J |—ft > ft—I
Рис. 120. Электрическая дуга между металлическими
стержнями во вторичной цепи повышающего трансформатора
приводят в соприкосновение и тотчас же отодвигают примерно на
2 мм друг от друга. Между ними возникает электрическая дуга.
В этом эксперименте следует изолирующие подставки штати-
бов дополнительно заземлить, чтобы предотвратить поражение
током экспериментатора (ток во вторичной цепи на стержнях
высокого напряжения!).
Горение дуги не следует проводить слишком долго, так как
при горении дуги первичная катушка находится в значительной
перегрузке. Учащимся следует выдать дымчатые очки для
наблюдения за горением дуги или перед дугой со стороны аудитории
поставить темное стекло.
Вариант В. Свечение трубки Гейслера
Установка изображена на рисунке 121. Если в первичной цепи
взята катушка с 1500 витками, то во вторичной цепи следует взять
две катушки по 15 000 витков, соединив их последовательно. Но в
этом случае сердечник следует собрать из двух U -образных
сердечников, поставив их лапками друг на друга (рис. 121). При
подаче на первичную катушку напряжения в 220 в на выходных
клеммах вторичной катушки возникает напряжение порядка 5000 в,
что и обеспечит свечение трубки Гейслера.
Рис. 121. Повышающий трансформатор.
Индикатором служит трубка Гейслера
143

61. Понижающий трансформатор(!)
3 катушки (10 витков, 125/250 витков и 750/1500
витков); ? -образный сердечник из трансформаторного
железа; лампочка накаливания (18 в) в патроне; 2 угольных
стержня для электрической дуги; гвоздь (0 3 мм,
длина 100 мм)\ кусок листового асбеста; дымчатые стекла;
2 штатива на изолирующих подставках; рубильник;
вилка для включения в городскую электросеть.
Часть 1. Зажигание низковольтной лампочки накаливания
Схема установки приведена на рисунке 122. Первичную
катушку с 1500 витками включают через рубильник в городскую
электросеть. Ко вторичной катушке
со 125 витками
подключают лампочку накаливания,
рассчитанную на 18 е. При
включении цепи убеждают-
Рис. 122. Понижающий трансформа- СЯ В Т0М' ЧТ0 лампочка
тор. Индикатором служит маловоль- зажигается и горит нормаль-
тная лампочка накаливания НЫМ накалом.
^2206
Часть 2. Зажигание электрической дуги с угольными стержнями
Собирают установку, схема которой приведена на рисунке 123.
В этой части эксперимента используют две катушки: первичную —
на 750 витков и вторичную — на 250 витков. Подав на установку
ток, угольные стержни сближают до соприкосновения и затем
разводят на 3—5 мм. Между ними возникает яркая дуга, которая,
однако, при значительном удалении стержней или сильном
продувании воздуха гаснет. Если для возникновения дуги между
металлическими стержнями нужно было высокое напряжение (см. Э-60),
то при угольных стержнях достаточно напряжения в 40 в.
Рис. 123. Электрическая дуга с угольными стержнями во
вторичной цепи понижающего трансформатора
144

Наблюдение за горением дуги в этом эксперименте следует
вести только через дымчатые стекла или установив перед углями со
стороны аудитории дымчатое или цветное стекло.
Часть 3. Раскаливание железного гвоздя
При первичной катушке с 750 витками вторичная катушка
должна иметь 10 витков. Вторичную катушку замыкают
накоротко гвоздем, для чего гвоздь поджимают под гайки выходных клемм
катушки. На первичную катушку
подают ток от городской
электросети. Уже через несколько секунд
гвоздь раскаливается до яркого
свечения (рис. 124).
Следует предусмотреть
возможность такого нагрева, при
котором гвоздь расплавится.
Расплавление ГВОЗДЯ обычно СОПрОВОЖДа- Рис. 124. Раскаливание гвоздя
ется разлетом снопов искр. Кроме при помощи понижающего транс-
того, под гвоздь следует на обмот- форматора
ку катушки подложить кусочек
листового асбеста, чтобы предотвратить излишнее прогревание
катушки.
62. Изменение напряжения и силы тока
при помощи трансформатора
3 катушки (125 витков, 250 витков и 500 витков);
? -образный разборный сердечник; ползунковый реостат
(20 ом); 2 вольтметра (по 5 в) или два авометра; 2
штатива на изолирующих подставках; рубильник; малый
агрегат питания (аккумуляторы применять нельзя!).
Часть 1. Изменение напряжения
Схема установки приведена на рисунке 125. Во время
проведения эксперимента следует на первичной катушке со 125 витками
поддерживать постоянное напряжение, для чего катушку присоеди-
101
Ф-
tUi
Q\
к>
-©-
Рис. 125. Изменение напряжения при помощи трансформатора
145

няют к агрегату питания через реостат, включенный по схеме
делителя напряжения (потенциометра). Вторичная катушка сменная,
вначале берут катушку со 125 витками, затем с 250 витками и,
наконец, с 500 витками. Первичную катушку не меняют.
Для каждой пары катушек, например 125 витков и 250 витков,
ток подается ступенями по 1 в: вначале 1 в, затем 2 в, 3 в, 4 в и,
наконец, 5 в. Для каждой пары катушек и каждой ступени
напряжения, поданного на первичную катушку, производят измерение
напряжения по вольтметру, включенному в первичную цепь — Vu
и вольтметру, включенному во вторичную цепь — Vr Результаты
измерений заносят в таблицу, приведенную ниже.
Данные эксперимента позволяют утверждать, что отношение
напряжений на первичной катушке к напряжению на вторичной
катушке равно, в хорошем приближении, отношению числа витков
первичной катушки к числу витков вторичной:
Ui:U2 = n1:n2.
Число витков
на первичной
катушке
ч
—
125
125
125
на вторичной
катушке
п2
—
125
250
500
Отношение
числа
витков
п^.п2
—
1:1
1:2
1:4
Напряжение
на первичной
катушке
t>i
в
1
3
5
1
3
5
1
3
5
на вторичной
катушке
и2
в
1
3
5
2
6
10
4
12
20
Отношение
напряжений
или
коэффициент
трансформации
k = U1:U2
—
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1 1
1
1
2
2
:2
4
:4
:4
Надо иметь в виду, что при измерении напряжения на
вторичной катушке подключением вольтметра к выходным ее клеммам,
когда другой нагрузки на вторичной катушке нет, мы измеряем
фактически э.д.с. индукционного тока.
Часть 2. Изменение силы тока
Регулирование силы тока во вторичной цепи происходит за счет
изменения силы тока в первичной цепи при помощи введенного в
нее ползункового реостата (рис. 126).
Вначале ведется исследование на установке с двумя катушками
с одинаковым числом витков, изменяя в первичной цепи ток сту-
146

юз
<^
.Qy^j н2н
Рис. 126. Изменение силы тока при помощи
трансформатора
пенями: 1 а, 2 а, 3 а. Каждый раз соответственно измеряют ток во
вторичной цепи. Затем исследуют другие пары катушек: 125 и 250
витков и, наконец, 125 и 500 витков. Для каждой пары берут те же
ступени силы тока в первичной цепи.
Результаты эксперимента сводят в таблицу, составленную по
приводимой форме.
1 Число витков
в первичной
катушке
пг
—
во вторичной
катушке
п2
—
Отношение
числа
витков
пх\пг
—
Сила тока
в первичной
катушке
h
а
во вторичной
катушке
/.
а
Отношение
силы тока в
первичной и
вторичной
катушке
Wh \
—
Полученные данные позволяют установить, что отношение
силы тока в первичной катушке к силе тока во вторичной катушке
в хорошем приближении обратно пропорционально отношению
числа витков первичной катушки к числу витков вторичной:
/2 н
Примечание
См. М. 3., § 11, п. 2.
63. Коэффициент полезного действия
трансформатора
2 катушки (по 250 витков); ? -образный сердечник;
реостат (ПО ом)\ 2 ваттметра (20 в, 5 а); амперметр (2 а);
2 штатива на изолирующих подставках; рубильник;
малый агрегат питания (аккумулятор применять нельзя!).
Пояснение
Коэффициентом полезного действия трансформатора
называется отношение активной мощности во вторичной цепи к мощности в
147

первичной цепи. Задача эксперимента состоит в том, чтобы
установить зависимость коэффициента полезного действия
трансформатора от изменения силы тока во вторичной цепи.
Эксперимент
Установка для проведения эксперимента схематично
изображена на рисунке 127. Ваттметр в начале эксперимента следует
включить в первичную цепь, а затем по окончании первой серии
206
<3h—I гт©—0~~]
L^-o
250
250
-®-
х\
v
®-
Рис. 127. Схема установки для исследования коэффициента полезного
действия трансформатора
наблюдений перенести его во вторичную цепь. В том случае,
если имеется два ваттметра, нет надобности в таком переносе, в
каждую из цепей включается свой ваттметр.
После сборки
установки перемещением
ползунка реостата
устанавливают во вторичной цепи ток,
например,в 0,25 а и
соответственно снимают
показания ваттметров. Затем
ток во вторичной цепи тем
же способом увеличивают
до 0,50 а и далее
ступенями по 0,25 а до 2 а. Для
каждой степени находят
соответствующие значения
мощностей в первичной и
вторичной цепи. Данные
заносят в
таблицу и представляют
графически (рис. 128). На
графике дается зависимость коэффициента полезного действия
трансформатора от силы тока во вторичной цепи.
Из анализа таблицы, и особенно графика, становится очевидно,
что наиболее высокий коэффициент полезного действия данного
трансформатора может быть получен при совершенно определенном
|<§ 0.6-
18 0,1-
о-* _
а * м\
* о
0t25 0,50 0,75 100 /,25 J.50 175 2,00
Сала тока{Iг)
Рис. 128. График зависимости коэффициен
та полезного действия трансформатора от эксперимента
силы тока во вторичной цепи ^
148

Сила тока во
вторичной цепи
и
1 а
Мощи ость
первичной
Рг
вт
вторичной
цепи
Р2
вт
Коэффициент
полезного действия
Рг
^р!
—
значении силы тока во вторичной цепи,что и подсказывает режим
работы трансформаторов.
64. Потеря энергии в трансформаторах
без нагрузки
5 катушек (125 витков, 250 витков, 500 витков, 750
витков и 1500 витков); ? -образный сердечник из
трансформаторного железа; ползунковый реостат (20 ом);
ваттметр (25 в, 5 а); амперметр (2 а); вольтметр (25 в)\ 2
штатива на изолирующих подставках; рубильник; малый
агрегат питания (аккумуляторы применять нельзя!).
206
р0-0-^:
Lo^o-
¦Ф
125 Ж 250
©
Рис. 129. Исследование потерь энергии на
трансформаторе без нагрузки
На одно из колен ? -образного сердечника надевают катушку
со 125 витками, такая катушка будет служить первичной обмоткой.
На другое колено сердечника надевают любую катушку, так как
вторичная цепь во время эксперимента остается без нагрузки и не
исследуется. В первичную цепь включают вольтметр, амперметр и
ваттметр (рис. 129). Целесообразно, в отличие от приведенной
схемы, снимать ток через делитель напряжения, что позволяет во
время эксперимента поддерживать постоянным напряжение.
Собрав схему, снимают показание приборов и данные
заносят в таблицу. Затем катушку заменяют, взяв другую с
большим числом витков, например с 250 витками, и проводят те
149

же измерения. И также последовательно производят измерения,
беря все новые и новые катушки: с 500 витками, с 750 витками и,
наконец, с 1500 витками.
Число витков
первичной
катушки
П
—
Сила тока
/
а
Напряжение
и
в
Мощность
р
вт
Как было указано, целесообразно при смене катушек
поддерживать одно и то же напряжение, например 25 в.
Результат эксперимента убедительно показывает, что при
малом числе витков в первичной катушке и соответственно большой
силе тока в первичной цепи имеет место потеря энергии, так как
включенный в цепь ваттметр показывает затрачиваемую мощность.
Однако по мере увеличения числа витков, а значит, и увеличения
сопротивления первичной цепи соответственно уменьшается сила
тока в ней, уменьшается потеря энергии при холостом ходе
трансформатора, т. е. тогда, когда во вторичной цепи нет нагрузки.
Следует иметь в виду, что между мощностью, силой тока и
напряжением существует следующая закономерность:
Р = I-U-cosy,
отсюда
Р
cos Ф = .
В идеальном трансформаторе при отсутствии нагрузки ф = 90°,
а значит, cos ф = 0.
65. Автотрансформатор
2 катушки (750/1500 витков); ? -образный
сердечник из трансформаторного железа; 2 вольтметра (50 в);
3 штатива на изолирующих подставках; рубильник;
малый агрегат питания (аккумуляторы применять нельзя!).
Часть 1. Понижение напряжения
На одно из колен ? -образного сердечника надевают катушку
с 750/1500 витками. На клеммы А± и Е2 обмотки в 1500 витков через
рубильник подают ток порядка 20 в. К тем же клеммам
присоединяют вольтметр. Второй вольтметр присоединяет к клеммам Л2 и
Е2, т. е. к обмотке в 750 витков. Сравнивая показания вольтметров,
нетрудно установить, что снимаемое напряжение в два раза мень-
150

Рис. 130. Многосекционный понижающий
трансформатор
ше поданного на катушку с 1500 витками и равно всего 10 в. Таким
образом, понижающий трансформатор работает как делитель
напряжения (рис. 130).
Часть 2. Повышение напряжения
Схему изменяют. Источник тока через рубильник соединяют с
обмоткой в 750 витков, присоединяя провода и вольтметр к
клеммам At и Е^ Второй вольтметр присоединяют к клеммам обмотки
с 1500 витками Ai и Е2. Сравнивая показания вольтметров, видно,
что в этом случае снимаемое напряжение в два раза выше, чем
поданное на обмотку с вдвое меньшим числом витков. Трансформатор
работает как повышающее напряжение устройство (рис. 131).
Рис. 131. Многосекционный повышающий
трансформатор
Часть 3. Автотрансформатор
Теперь на оба колена П -образного сердечника надевают
катушки с 1500 витками и соединяют их обмотки последовательно.
Для этого коротким проводником соединяют клеммы Е2 и Е2'.
Источник тока присоединяют к началу обмоток к клеммам А± и
Л/ и параллельно присоединяют на те же клеммы первый
вольтметр, показывающий подаваемое на трансформатор напряжение.
Одну из клемм второго вольтметра соединяют также с входной
клеммой второй катушки —- с клеммой Л/, а вторую клемму прибо-
151

Рис. 132. Автотрансформатор
pa оснащают гибким проводом с зажимом-крокодилом и им по
очереди исследуют все свободные клеммы Л2, А\ и ?2' (рис. 132).
При различных комбинациях включения можно с одного и
того же трансформатора снять самые различные напряжения, как
ниже, так и выше поданного на первичную катушку.
Примеры: подав напряжение в 20 в на клеммы Ai и Л/, т. е.
на общую обмотку с 3000 витками, можно снять всего 5 в, для чего
нужно воспользоваться клеммами Ai и Eit или А2 и ?2, или Л2'
и Е2\ или, наконец, Л/ и Е±'. С клемм А± и Е2 и Л2 и Л2' или Л/
и Е2' можно снять 10 в, а между клеммами ЛА и Л2' или Л/ и Л2 —
15 е. Такие трансформаторы, с которых, путем переключений,
можно снимать различные напряжения, называются
автотрансформаторами.
66. Модель линии передач электрической
энергии на дальнее расстояние
4 катушки (2 — по 125 витков и 2 — по 1500 витков);
? -образный сердечник из трансформаторного железа
или 2 трансформатора (220 в/18 в); 2 высокоомных
сопротивления (по 50 ком); лампочка тлеющего разряда
(220 в); лампочка накаливания (18 в); рубильник; малый
агрегат питания.
Модель линии дальней передачи электроэнергии собирают,
пользуясь схемой, изображенной на рисунке 133. Но вначале не
включают лампочку тлеющего разряда. Сопротивление дальних
нроводов моделируется включением высокоомных сопротивлений
в каждый из проводов.
Рис. 133. Схема установки, моделирующей линию дальних передач
152

Ток от источника подается на первичную обмотку
повышающего трансформатора, собранного из катушек в 125 витков и 1500
витков, надетых на ? -образный сердечник. Вторичная обмотка
повышающего трансформатора (катушка с 1500 витками)
соединяется через высокоомное сопротивление с первичной обмоткой
понижающего
трансформатора, собранного из катушек в
1500 витков и 125 витков.
Во вторичную обмотку
понижающего трансформатора —
катушку со 125 витками —
ВКЛЮЧают лампочку накали- Рис. 134. Падение напряжения на вы-
вания сокоомных сопротивлениях, модели-
Tjr * рующих провода линии дальней пере-
Как только на повышаю- VJ r дачи г
щий трансформатор будет
подано переменное напряжение в 18 в, лампочка
накаливания,включенная во вторичную цепь понижающего трансформатора, загорится и
будет гореть с яркостью, близкой к нормальной. Незначительное
понижение яркости объясняется потерей энергии как на обоих
трансформаторах, так и на высокоомных сопротивлениях. Чтобы
продемонстрировать высокое напряжение на участке цепи между
трансформаторами, достаточно высоковольтные провода после
высокоомных сопротивлений на короткое время замкнуть через лампочку
тлеющего разряда, рассчитанную на 220 в. Во время включения
лампочки тлеющего разряда лампочка накаливания гаснет.
Из методических соображений следует также провести и
контрольный эксперимент: включить непосредственно к источнику
тока через высокоомные сопротивления лампочку накаливания,
рассчитанную на 18 в (рис. 134). Такая лампочка не загорится, так
как при напряжении источника тока 18 в слишком велики потери
на высокоомных сопротивлениях.
67. Точечная сварка. Моделирование установки(1)
2 катушки (750 витков и 10 витков); ? -образный
сердечник; 2 металлических стержня с изолирующими
рукоятками и конусными насадками; лезвия безопасных
бритв; рубильник; вилка для включения в городскую
электросеть.
Из двух катушек в 750 витков и 10 витков собирают
понижающий трансформатор на ? -образном сердечнике. Первичную
катушку через рубильник соединяют со штепсельной розеткой
городской электросети (рис. 135).
К клеммам вторичной катушки с 10 витками присоединяют
металлические стержни с изолирующими рукоятками. Концы
153

^2206
Рис. 135. Точечная сварка
стержней расплющены и превращены в вилки для зажимания под
клеммы. На стержни должны быть насажены конусные медные
насадки, между которыми можно было бы зажать два лезвия для
безопасных бритв.
Как только на первичную обмотку трансформатора будет
подан ток, металлические стержни слегка сжимают, лишь едва
прижимая друг к другу лезвия. При этом из-за недостаточного
контакта в месте соприкосновения лезвий возникает значительное
сопротивление и место контакта начнет разогреваться. После того
как от нагревания начнется раскаливание лезвий, силу сжатия
стержней увеличивают до предела. Лезвия свариваются.
Примечание
Вместо лезвий можно взять два куска жести. Вместо
самодельной установки можно, конечно, использовать и
соответствующую модель, выпускаемую учебной промышленностью.
68. Модель индукционной печи(!)
Катушка (750 щитков); на изолирующей рукоятке
металлическое кольцо с желобом; ? -образный
сердечник; любой легкоплавкий сплав, свинец или олово;
сосуд с водой; гипсовая форма для литья.
На одно из колен ? -образного сердечника надевают катушку
с 750 витками, которая является первичной катушкой
трансформатора и включается в сеть переменного тока городской
электросети. Вторичной
обмоткой трансформатора
служит металлическое кольцо
с желобом, т. е. всего один
короткозамкнутый виток
(рис. 136). В желоб
металлического кольца
насыпают измельченный сплав,
Рис. 136, Модель индукционной печи для свинец или олово. Уже
плавки металлов через короткое время пос-
'220 В
154

ле включения трансформатора в цепь металл, насыпанный в желоб,
начинает плавиться. Так как металлическое кольцо снабжено
рукояткой с изолирующей прокладкой, то расплавленный металл
можно из желоба вылить в заранее подготовленную гипсовую или
песчаную форму произвольно выбранной конфигурации или
просто вылить в воду. Для этого следует, выключив ток, снять
поперечину с сердечника трансформатора, что позволит вынуть кольцо с
желобом.
Эксперимент моделирует так называемую индукционную печь
для плавки металла.
69. Трансформатор к измерительным приборам
для включения их в высоковольтные линии(!)
2 катушки (125 витков и 1500 витков); П-образный
сердечник; 2 вольтметра (на 250 б и 50 в); реостат
(20 ом); рубильник; 3 штатива на изолирующих
подставках; вилка для включения в городскую
электросеть; малый агрегат питания (аккумуляторы применять
нельзя!).
Пояснение
Для измерения высоких напряжений и больших сил тока
между высоковольтной линией и измерительным прибором обычно
помещают трансформатор. При измерении высокого напряжения
ставят понижающий трансформатор, во вторичной цепи которого
и производится измерение напряжения, а по нему рассчитывают
напряжение первичной цепи. Для измерения больших сил тока
ставят повышающий трансформатор, и сила тока измеряется в его
вторичной цепи, и тогда расчетом находят силу тока в первичной
цепи.
Часть 1. Трансформатор в цепи вольтметра
Принципиальная схема приведена на рисунке 137. В цепь с
напряжением 220 в, питавшую лампочку накаливания,
параллельно лампочке присоединяют контрольный вольтметр и первичную
катушку трансформатора, например катушку с 1500 витками. При
помощи второго вольтметра измеряют напряжение во вторичной
цепи на катушке с меньшим числом витков, например со 125
витками.
В целях предосторожности следует вторичную катушку и
сердечник заземлить.
Расчет напряжения первичной цепи производится по уравнению:
п2
155

Часть 2. Трансформатор в цепи амперметра
В этой части эксперимента применяют источник переменного
тока с напряжением порядка 20 в, например малый агрегат
питания. В первичной цепи последовательно соединены контрольный
амперметр на 5 а, реостат и
первичная катушка трансформатора со 125
витками. При помощи реостата
устанавливают в цепи ток порядка 4 а.
^2206
§1
ф~
-$-
3>й
го в
^-G-
и
V
\juj
Рис. 137. Трансформатор в цепи Рис. 138. Трансформатор в цепи изме-
измерителя высокого напряжения рителя больших сил тока
Во вторичной катушке трансформатора с 1500 витками
присоединяют амперметр на 1 а (рис. 138).
Расчет силы тока в первичной цепи ведется по уравнению:
/ — П2 г
т?
70. Модель свеча зажигания двигателей
внутреннего сгорания
2 катушки (125 витков и 15 000 витков); П-образный
сердечник; конденсатор (4 мкф); ключ Морзе; 2 стальные
спицы; 4 штатива на изолирующих подставках; бунзе-
новская горелка, соединенная с краном газопровода
или газовым баллоном; длинная металлическая штанга
(0 10 мм, дли-
4* на 1000 лш);
аккумулятор.
Принципиальная схема
электрической цепи
автомобильной свечи
зажигания приведена на рисунке
139. Общий вид установки
для проведения
эксперимента дан на рисунке 140.
-&*~li**©—1
Ф-
Рис. 139. Схема цепи свечи зажигания в
двигателях внутреннего сгорания
156

Рис. 140. Модель свечи зажигания в двигателях
внутреннего сгорания
Установка воссоздает настоящую техническую цепь свечи
зажигания в двигателях внутреннего сгорания, при этом, как и в
автомобилях и мотоциклах, источником тока является аккумулятор.
Искра проскакивает между концами спиц, укрепленных в
штативах на изолирующих подставках. Для этого спицы должны быть
закреплены так, чтобы между их концами был промежуток
порядка 2 мм.
При помощи полученной искры можно зажечь газ, для чего
под искровой промежуток помещают бунзеновскую горелку и за
несколько секунд до получения искры открывают газовый кран.
Газ загорится.
71. Импульсивный датчик.
Модель „электрического пастуха"
2 катушки (15000 витков и 125/250 витков); U-образ-
ный сердечник; стальная пластинка с напаянным
якорьком (120 мм X 6 мм X 0,4 мм); изолирующая планка
с клеммами; контактный винт; деревянный круг
(0 120 мм, толщина 6 мм); железная полоска (80 мм X
X 15 мм X 1,5 мм); ртутный перекидной выключатель;
2 деревянных штырька (0 4 мм, длина 30 мм и 0 8 мм,
длина 20 мм); часовая пружина будильника; крепежное
кольцо металлическое (0 А мм, ширина 12 мм, на нем
эксцентрическое отверстие 0 4 мм); доска (180 мм X
X 50 мм X 10 мм); металлический стержень (0 4 мм,
длина 100 мм); штепсельное гнездо; 2 зажима-крокодила;
гибкий тонкий провод; стеклянные или фарфоровые
бусы; сопротивление (500 ком); провод медный оголенный
(0.3 мм, длина 2 м); металлический стержень без
изолирующей окраски (0 3 мм, длина 1 м); 2 лабораторных
штатива; штатив на изолирующей подставке; батарея
аккумуляторов (4 в) или малый агрегат питания.
157

А. Простейшая модель датчика с молоточком Вагнера
Пользуясь рисунком 141, собирают модель импульсивного
датчика, используемого для работы модели «электрического
пастуха» — модель загона для скота, обнесенного проволокой, по
которой проходит ток. На одно из колен и-образного сердечника /
надевают катушку 3 с 250 витками (рис. 141), на которую через
рубильник и молоточек Вагнера 2 подают напряжение 4 в. Конец
колена U-образного сердечника служит магнитом молоточка
Вагнера. На второе колено сердечника надевают катушку 4 с 15 000
витков. К выходным клеммам катушки присоединяют два длинных,
Рис. 141. Модель «электрического пастуха»
лишенных изоляции провода, один из которых присоединяют
через сопротивление 5 в 500 ком. Этот провод закрепляют на
штативе с изолирующей подставкой, он служит «верхним проводом
пастуха». Другой провод соединяют с железным неизолированным
стержнем 6, лежащим на лабораторном столе. Между верхним
проводом и стержнем должен быть зазор порядка 400 мм. Нижний
провод и стержень служат «землей».
Как только на катушку с 250 витками будет подан ток,
молоточек Вагнера придет в действие и будет то замыкать, то размыкать
цепь. Меняя длину выступающего конца контактной пружины
и высоту контактного винта над ней, можно менять частоту
прерывания тока. В силу индукции в катушке с 15 000 витков, а значит,
и в присоединенных к ней проводах будут возникать значительные
импульсы тока. Для того чтобы продемонстрировать действие
модели «электрического пастуха», или, что то же самое, показать
наличие импульсов тока во внешней цепи, достаточно между
неизолированным проводом и стержнем включить неоновую лампочку.
Она будет вспыхивать с частотой, соответствующей частоте
прерывания тока молоточком Вагнера. Можно использовать и обычную
лампочку накаливания. Импульсы тока будут ощущаться и
человеком, коснувшимся одной рукой верхнего провода «пастуха»,
а другой стержня, выполняющего роль «земли». Ощущение безбо-
158

Рис. 142. Модель импульсивного датчика с качающимся кругом
лезненно при включенном сопротивлении в 500 ком, но все же
учеников можно допустить только после того, как сам учитель
испытает это ощущение на себе.
Можно воспользоваться и одной катушкой с двойной намоткой
125/250 витков. В этом случае в первичную цепь с молоточком
Вагнера включается катушка со 125 витками, а внешняя цепь
присоединяется к выходным клеммам катушки с 250 витками. В такой
схеме сопротивление в 500 ком включать нет надобности, а
проверку действия можно вести с неоновой лампочкой.
Б. Модель датчика с качающимся кругом
Описываемая модель сложнее, но значительно нагляднее.
Основной ее деталью является деревянный качающийся круг а (рис. 142).
В центре круга просверливается отверстие для
штепсельного гнезда или специальной втулки б, через которую и
продевается ось с. Гнездо или втулка укрепляется винтами с плоской
головкой так, чтобы крепежное устройство по возможности незначитель-
159

но выступало с оборотной стороны круга. По ободу круга —
примерно на одну четвертую длины окружности укрепляют
изогнутую дугой железную полоску в, служащую якорем
датчика. На оборотной стороне круга, на противоположном якорю
крае, укрепляют ртутный качающийся выключатель г, от которого
идут гибкие тонкие провода (я4 и я2). Ртутный выключатель
следует брать заводского изготовления. Эксцентрично, на оборотной
стороне круга, перпендикулярно его плоскости в специальное
отверстие вставляют выступающий на 15 мм деревянный штырек д,
ограничивающий качание круга. Второй штырек е вставляется в
отверстие на лицевой стороне круга, против якоря. На этот
штырек затем набрасывается внешняя петля часовой пружины ж. На
той же внешней стороне делается несколько углублений у края,
противоположного якорю, в которые вбивают свинцовые
дробинки к в таком количестве, чтобы уравновесить железный якорь-
дугу, так как круг при любом положении должен находиться в
равновесии.
На достаточно высоком штативе укрепляют в горизонтальном
положении металлический стержень с, служащий осью круга. Но
прежде чем насаживать круг а, на этот стержень надевают
монтажную доску и, в которой заранее просверливают отверстие для
оси. На монтажной доске закрепляют контактные планки л с
клеммами щ и н2 для присоединения соответствующих проводов,
идущих от ртутного выключателя, и двумя клеммами ж, к которым
присоединяют провода от источника тока и катушки со 125
витками (см. общий вид установки). К торцу монтажной доски
перпендикулярно ее плоскости крепится дощечка о с
пружинкой-ограничителем п. Эта пружинка при покачивании круга должна
упираться в деревянный штырек-ограничитель д, укрепленный на самом
круге так, чтобы круг мог поворачиваться при качании не больше,
чем на четверть оборота.
После того как монтажная доска будет закреплена на оси и
штативе, на ось надевают первое крепежное кольцо /?, плотно
скрепив его винтом с осью на таком расстоянии, чтобы надетый затем
круг не мог скользить на оси в сторону монтажной доски, а
находился от нее на расстоянии порядка 30 мм. Закрепив крепежное
кольцо, надевают круг и за ним второе крепежное кольцо з.
Второе крепежное кольцо-ограничитель эксцентрическое (рис. 142,
деталь), и в нем два отверстия: одно — для крепежного винта,
второе — для металлического штырька, выступающего из кольца
на 4 мм. На этот штырек накидывается внутренняя петля часовой
пружины. После сборки установки на круг надевают пружину,
внутренняя петля которой набрасывается на штырек в крепежном
кольце з, другая петля—внешняя, на штырек е, укрепленный в самом
качающемся круге. После этого гибкие провода nt и я2, идущие от
ртутного выключателя, присоединяют к клеммам л на монтажной
доске. Целесообразно на один из гибких проводов нанизать стек-
160

лянные или фарфоровые бусы, чтобы при качании доски избежать
короткого замыкания.
Качающийся круг помещают над U-образным сердечником с
насаженными на него катушками. На одно колено должна быть
насажена катушка с 250 витками, на другое — с 15 000 витков.
Затем по приведенной схеме собирают электрическую цепь, внешняя
часть которой повторяет описанную в варианте А. Качающийся
круг должен быть опущен как можно ниже, чтобы он почти
касался концов колен U-образного сердечника.
Как только на установку будет подан ток, магнитное поле
сердечника катушки с 250 витками притянет к себе якорь в,
укрепленный в виде дуги на ободе круга. Круг повернется на некоторый
угол, но при этом опрокинется колба ртутного
выключателя-прерывателя и цепь разомкнётся. Под действием часовой пружины
круг вернется в прежнее положение, ртутный выключатель
займет горизонтальное положение и замкнет цепь. Весь
процесс повторится вновь. Круг будет качаться. Каждое
прерывание тока во внутренней цепи приведет к возникновению
импульса тока во внешней цепи модели «электрического пастуха», как и в
варианте А настоящего эксперимента.
Примечание
В «электрическом пастухе», применяемом в сельском
хозяйстве, один из проводов вторичной цепи присоединяют к
оголенному проводу, укрепленному на шестах вокруг пастбища на
высоте около 1 м, другой провод заземляют.
§ 14. САМОИНДУКЦИЯ
72. Самоиндукция в цепи постоянного тока
при включении в нее вибропрерывателя
(молоточка Вагнера)
Катушка (1500 витков); прямой сердечник;
стальная пластинка с напаянным якорьком (120 мм X 6 ммХ
X 0,4 мм)\ контактный винт; изолирующая планка с
клеммами; вольтметр (10 в)\ рубильник; штатив; 2
штатива на изолирующих подставках; батарея
аккумуляторов (4 в) или малый агрегат питания.
Собирают электрическую цепь, приведенную на рисунке 143.
Ток на установку подают через рубильник. Вибропрерывателем
служит молоточек Вагнера, собранный из стальной пластинки и
контактного винта, прижатого достаточно плотно к пластинке,
что обеспечивает большую частоту прерывания тока. Стальная
пластинка укрепляется над сердечником катушки на высоте порядка
161

Рис. 143. Явление самоиндукции при включении вибропрерывателя
в цепь постоянного тока
5 мм. После подачи тока на установку при помощи вольтметра
измеряют напряжение на клеммах источника тока, а затем на
выходных клеммах катушки с вставленным в нее сердечником. При
достаточной частоте прерывания тока измеренное на клеммах катушки
напряжение на 2—3 в выше, чем на клеммах источника тока. Эта
разница в величине напряжения объясняется возникновением
э.д.с. самоиндукции в катушке.
Примечание
Вместо молоточка Вагнера можно в цепь включить электри*
ческий звонок или зуммер.
73. Демонстрация при помощи цампочки
тлеющего разряда явления самоиндукции
в момент размыкания цепи
постоянного тока
2 катушки (по 1500 витков); ? -образный сердечник;
лампочка тлеющего разряда в патроне с обозначением
полюсности электродов или готовый полюсоискатель;
рубильник; 2 штатива на изолирующих подставках;
малый агрегат питания или батарея аккумуляторов (10 в).
На рисунке 144 приведена принципиальная схема установки.
Минусовый электрод лампочки тлеющего разряда, включенной
параллельно катушке, должен быть соединен с отрицательным
полюсом источника тока. На установку подается напряжение порядка
10 в. При включении тока свечения лампочки тлеющего разряда
не наблюдается, так как приложенного напряжения для свечения
недостаточно. Однако в момент выключения рубильника, т. е. в
момент размыкания цепи, лампочка вспыхивает, что является
следствием возникновения э.д.с. самоиндукции.
162

Следует точно пронаблюдать, который из электродов лампочки
будет светиться. Это позволит установить полярность тока
самоиндукции, совпадающего в момент размыкания цепи с полярностью
источника тока.
74. Демонстрация явления самоиндукции
при включении и выключении лампочек
накаливания
2 катушки (по 1500 витков); U-образный сердечник;
2 ползунковых реостата (110 ом к 20 ом)\ 2 лампочки
накаливания в патронах, укрепленных на панельках (на
6 в)\ рубильник; 2 штатива на изолирующих подставках;
малый агрегат питания или батарея аккумуляторов.
Вариант А
Собирают цепь, изображенную на рисунке 145. Напряжение
источника тока должно соответствовать нормальному горению
лампочек накаливания. После подачи тока перемещением
ползунка реостата добиваются одинаковой яркости горения лампочек.
При включении рубильника отчетливо видно, что лампочка,
включенная в разветвление цепи с катушкой и соединенная
последовательно с последней, загорается с некоторым опозданием по
сравнению с другой лампочкой. Наблюдаемое явление позволяет
утверждать, что направление тока самоиндукции
противоположно направлению тока, поданного на катушку. В катушке создается
реактивное сопротивление.
На подобной установке, однако, трудно заметить разницу в
характере гашения лампочек в момент размыкания тока. Для демон-
Рис. 144. Явление самоиндук- Рис. 145. Явление самоиндукции
ции в момент размыкания це- при включении цепи постоянного
пи постоянного тока тока
163

страции этого явления должен быть проведен второй вариант
эксперимента.
Вариант Б
Пользуясь схемой, приведенной на рисунке 146, собирают
новую цепь с одной лампочкой накаливания. В цепь включают
реостат на 20 ом.
После подачи тока на установку перемещением ползунка
реостата снижают яркость горения
лампочки почти до ее угасания.
Выключают рубильник. Установка
готова для демонстрации.
В момент включения рубильника,
т. е. подачи тока на установку,
лампочка достаточно ярко вспыхивает,
а затем вновь угасает до едва
заметного свечения нити. Вспыхивание
лампочки в момент включения цепи
может быть объяснено
возникновением в катушке реактивного
сопротивления, так как ток самоиндукции в
катушке направлен против тока
источника. Лампочка некоторое время
находится под напряжением более
высоким, чем установленное
введенным реостатом.
При выключении рубильника
лампочка вновь вспыхивает на
некоторое время и затем быстро гаснет. В момент выключения
направление тока самоиндукции совпадает с направлением тока,
поступающего от источника, и это приводит к кратковременному
повышению напряжения на лампочке.
Рис. 146. Явление
самоиндукции при включении и
выключении цепи постоянного тока
75. Демонстрация явления самоиндукции
при помощи вольтметра
2 катушки (по 1500 витков); вольтметр с нулем
посередине шкалы (25 в)\ ключ Морзе; малый агрегат
питания или батарея аккумуляторов (8 в).
Предварительный эксперимент
Вольтметр через ключ Морзе присоединяют к источнику тока.
Проводят наблюдение за стрелкой прибора при включении и
выключении ключа. В момент включения стрелка прибора обычно
проходит несколько дальше окончательного ее положения, наблюдаемо-
164

Рис. 147. Исследование направления тока самоиндукции
в момент включения цепи постоянного тока
го при длительном замыкании цепи. Так же и в момент
выключения стрелка не сразу останавливается на нулевом делении шкалы,
а проходит больше или меньше, но при всех случаях за нулевое
деление.
Часть 1
Собирают цепь, в которой вольтметр включают
последовательно с катушкой (рис. 147). При включении цепи при помощи ключа
Морзе стрелка вольтметра отклоняется заметно медленнее, чем в
предварительном эксперименте, и не проходит дальше того
деления, которое соответствует ее окончательному положению.
Объясняется это явление тем, что в момент включения цепи направление
тока самоиндукции противоположно направлению тока от источника.
При выключении цепи, однако, заметной разницы в
поведении стрелки, наблюдаемом в предварительном эксперименте,
нет.
Часть 2
Для проведения второй части эксперимента цепь изменяют,
собирая ее по схеме, приведенной на рисунке 148. Теперь вольтметр
включают параллельно катушкам. Сами катушки соединяют
последовательно, как и в первой части эксперимента.
Рис. 148. Исследование направления тока самоиндукции
в момент выключения цепи постоянного тока
165

В момент включения цепи стрелка вольтметра быстро
отклоняется в сторону деления, соответствующего ее окончательному
положению, определенному в предварительном эксперименте,
проходит его и некоторое время колеблется вокруг этого деления.
При выключении цепи стрелка резко отклоняется еще
дальше за это деление, после чего быстро возвращается в нулевое
положение. Наблюдаемое дополнительное отклонение стрелки
объясняется тем, что при выключении цепи направление тока
самоиндукции совпадает с направлением тока от источника.
Примечание
Для того чтобы во
время демонстрации
быстро перейти от
одной схемы к другой,
целесообразно
воспользоваться двухполюсным
переключателем и
собрать общую схему,
помещенную на рисунке
149. При левом
положении переключателя,
позиция I, вольтметр
включается
последовательно катушкам, а при
правом, позиция II,
параллельно катушкам.
Ufdlg^
Рис. 149. Переключатель для перехода от
последовательного к параллельному
соединению:
I -последовательное соединение; II-параллельное
соединение
76. Влияние катушки индуктивности
на горение электрической дуги,
включенной в цепь постоянного тока(!)
2 катушки (по 1500 витков); ? -образный сердечник;
2 тонких заостренных угольных или латунных стержня
(длина по 150 мм); рычажный реостат (25 ом);
конденсатор постоянной емкости (4 мкф); 2 штатива на
изолирующих подставках; рубильник; малый агрегат питания или
другой источник постоянного тока (до 100 в).
Предварительный эксперимент
Собирают последовательную цепь (рис. 150) из рычажного
реостата и угольных или латунных стержней, между которыми
должна возникнуть электрическая дуга. Для этого стержни,
укрепленные в штативах на изолирующих подставках, сближают до сопри-
166

Рис. 150. Схема установки для сопоставления активного и
индуктивного сопротивлений
косновения, подав на установку постоянный ток порядка 20 в.
Тотчас же после соприкосновения стержней их разводят на 1—2 мм.
Между углями вспыхивает дуга с достаточно длительным
временем горения.
Сопротивление реостата, указанного на рисунке 150 как деталь,
должно соответствовать сопротивлению двух последовательно
соединенных катушек по 1500 витков.
Основной эксперимент
Проведя наблюдение за горением дуги, для чего учащимся
следует выдать темные стекла, через которые и вести наблюдение,
выключают рубильник и рычажный реостат заменяют на две
последовательно соединенные катушки. Новым сближением стержней
добиваются зажигания дуги, которая, вспыхивая, тут же гаснет.
Это наблюдение проводят несколько раз и убеждаются, что при
наличии в цепи катушек, обладающих индуктивным (реактивным)
сопротивлением, стойкого горения дуги достичь невозможно.
Примечание
1. Эксперимент проводится при напряжении порядка 20 я,
но можно воспользоваться и более высоким напряжением до
100 в, при этом горение дуги будет более ярким.
2. Если параллельно со стержнем включить конденсатор
емкостью порядка 4 мкф, то характер горения дуги изменится.
Вместо плавного горения возникнет сноп искр,
сопровождающихся резким треском, напоминающим выстрелы. В такой
разновидности эксперимента еще отчетливее выступает влияние
катушек с их реактивным сопротивлением. Напряжение в этом
случае не следует повышать более 20 в.
167

77. Модель индукционной катушки Румкорфа
2 катушки (15 000 витков и 500 витков); П-образный
разборный сердечник; 2 заостренных металлических
стержня (0 Злш, длина 100 мм); стальная пластинка с
напаянным якорьком (150 мм X 6 мм X 0,3 мм); контактный
винт, укрепленный на изолирующей планке; лейденская
банка; 4 зажима-крокодила; 2 штатива на изолирующей
подставке; лабораторный штатив; малый агрегат
питания или батарея аккумуляторов (20 в).
Пользуясь рисунком 151, собирают установку, в которой
катушку с 500 витками соединяют последовательно с молоточком
Вагнера из стальной пластинки и контактного винта.
Рис. 151. Модель индукционной катушки Румкорфа
Не подсоединяя лейденской банки, сближают металлические
стержни, включенные в цепь катушки с 15 000 витков, до
расстояния между их остриями порядка 2 мм, после чего на установку
подают ток. Между остриями стержней возникает электрическая
дуга. После возникновения дуги расстояние между стержнями
можно увеличить до 5—7 мм.
Выключив рубильник, подсоединяют параллельно молоточку
Вагнера лейденскую банку. Включают цепь и устанавливают, что
характер искр и их частота резко изменились. Искры становятся
крупнее, и проскок искры вызывает звуковой эффект,
напоминающий выстрелы.
78. Зажигание люминесцентных ламп(!)
Люминесцентная лампа «дневного света»;2 катушки
(по 750 витков); П-образный разборный сердечник;
ключ Морзе; лабораторный штатив с лапкой-держателем
для лампы; 4 зажима-крокодила; электрическая вилка
для включения в городскую сеть.
Люминесцентную лампу — лампу «дневного света» —
укрепляют в горизонтальном положении в специальной лапке штатива.
168

Рис. 152. Катушка индуктивности в цепи
люминесцентной лампы
Дросселем служат две катушки по 750 витков, насаженные на
D-образный сердечник. Вся схема включения изображена на
рисунке 152. Соединительные провода при помощи
зажимов-крокодилов присоединяют к контактным штырькам лампы. Вместо
неонового пускателя «стартера» включают в цепь ключ Морзе.
Включив рубильник на 20—30 сек., включают ключ Морзетак,
чтобы успели достаточно раскалиться вольфрамовые волоски
лампы. В момент размыкания ключа Морзе под действием импульса
тока самоиндукции, возникающего в катушках, загорается лампа.
При новом включении ключа Морзе лампа гаснет.
В случае возникновения мечущегося по лампе светящегося
столбика следует вторично включить ключ, лампа погаснет и при
новом включении ключа загорится нормальным свечением.
§ 15. ВИХРЕВЫЕ ТОКИ
79. Взаимодействие магнитного поля магнита
с магнитным полем вихревых токов.
Маятник Вальтенхофена
2 маятниковых подвеса, один со сплошным
телом-сектором, другой с рассеченным на доли: U-образный
сердечник; 2 железных массивных полюсных наконечника;
2 катушки (по 1500 витков); ползунковый реостат
(ПО ом); амперметр (5 а); динамометр (на 3 /с/г);
секундомер или часы с секундной стрелкой; рубильник;
штатив; малый агрегат питания или батарея
аккумуляторов (20 в).
169

Рис. 153. Маятник Вальтенхофена
Общая схема установки приведена на рисунке 153. Катушки
по 1500 витков соединяют между собой последовательно. В цепь
также последовательно включают реостат и амперметр.
Маятниковые подвесы (рис. 153, детали 1 и 2) должны свободно качаться в
просвете между полюсными наконечниками электромагнита.
Часть 1
Не включая цепь, подвешивают маятниковый подвес со
сплошным телом (рис. 153, /) и отводят его в горизонтальное положение.
Отпустив подвес и одновременно включив секундомер, дают
подвесу свободно качаться. Определяют время, за которое подвес
придет в состояние покоя.
Вновь отведя подвес и включив цепь с полностью введенным
реостатом, подвес отпускают и измеряют новое время качания до
полной остановки. Постепенно ступенями выводят реостат,
увеличивая соответственно силу тока в цепи. Для каждой ступени
определяют время качания. Данные эксперимента сводят в
таблицу и строят график зависимости времени качания от силы тока
в цепи. Такой график убедительно показывает обратно
пропорциональную зависимость времени качания от силы тока. Чем
больше сила тока в цепи катушек, тем интенсивнее их магнитное поле,
тем меньше время качания подвеса. Демпфирующее действие
объясняется взаимодействием поля катушек с полями вихревых
токов, возникающих в сплошном теле подвеса.
Выведя полностью реостат, тем самым создав максимальный
ток в цепи, подвес со сплошным телом, свободно висящий между
170

полюсными наконечниками, пытаются от руки вытянуть из
пространства между наконечниками, т. е. из положения равновесия.
Оказывается, это требует приложения значительной силы, которую
можно измерить при помощи динамометра.
Часть 2
Совершенно подобный же эксперимент проводят с подвесом,
имеющим рассеченное на доли тело (рис. 153, 2). Уже первое
наблюдение приводит к выводу, что демпфирующее действие
магнитного поля магнита едва сказывается на времени качания подвеса.
Это объясняется тем, что в рассеченном на доли теле подвеса
возникают лишь незначительные вихревые токи Фуко.
80. Круг Арагд
2 алюминиевых диска (0 120 мм, толщина 2 мм), в
центре одного из них небольшое углубление, в центре
другого отверстие (0 4 мм) под шпиндель
центробежной машины; подковообразный магнит; центробежная
машина; стремечко для подвеса магнита; стержень с
рукояткой; острие на подставке (от магнитных стрелок);
штатив; нитки.
Часть 1. Вращение круга Араго
Алюминиевый круг 1 — круг Араго — насаживается
углублением в центре на острие иглы, укрепленной на подставке. Над
кругом подвешивают подковообразный магнит 2 в специальном
подвесе 3 (рис. 154, а и деталь).
Подковообразный магнит при помощи рукоятки приводят во
вращение вокруг вертикальной оси (рис. 154, а). Вращение магнита
вызывает вращение алюминиевого круга в том же направлении,
однако скорость вращения круга меньше скорости вращения
магнита. Изменив направление вращения магнита, изменяют и
направление вращения алюминиевого круга.
Часть 2. Вращение подковообразного магнита
Круг Араго, в центре которого просверлено отверстие,
надевают на шпиндель центробежной машины. Строго над центром
круга и над самой его поверхностью подвешивают на, тонкой нити
подковообразный магнит (рис. 154, б).
Как только при помощи центробежной машины круг будет
приведен во вращение, начнет вращаться и подвешенный над ним
магнит (до начала эксперимента он должен быть в покое). Направле-
171

Рис. 154. Взаимодействие магнита с кругом Араго
ние вращения магнита совпадает с направлением вращения круга,
но скорость магнита меньше.
При резком торможении круга магнит будет еще продолжать
некоторое время вращаться. Аналогичное явление наблюдается
и в первой части эксперимента, при остановке магнита круг
продолжает вращаться по инерции.
81. Круг Араго в модели тахометра
Алюминиевый круг (0 120 мм, толщина 2 мм) с
небольшим углублением в центре; подковообразный
магнит; стремечко для подвеса магнита; стержень с
рукояткой; острие на подставке; штатив; полоска чертежной
бумаги (150 мм X 6 мм)\ лист чертежной бумаги (120 мм X
X 40 мм).
Собирается установка, изображенная на рисунке 154, а,
подготовленная для проведения первой части предыдущего
эксперимента Э-80. Предварительно, однако, на алюминиевый круг — круг
Араго — наклеивают узкую полоску чертежной бумаги. Один
конец полоски срезают в виде острия и отгибают под прямым углом
вниз, второй, выступающий за край круга на 30 мм, изгибают в
плоскости круга под прямым углом к оси полоски. Круг Араго
устанавливают настолько близко к штативу, чтобы выступающая
полоска бумаги при повороте круга задевала за штангу штатива,
172

препятствуя его вращению (рис. 155). Перед кругом устанавливают
на стол шкалу из чертежной бумаги, изогнутой полукругом.
Приведя во вращение подковообразный магнит, вызывают
вращение круга Араго. Однако вращению
последнего препятствует, как указано,
полоска бумаги, трущаяся о штангу
штатива. Видимо, чем больше будет скорость
вращения магнита, тем больше будет
увлечен круг Араго и стрелка-указатель,
перемещающаяся вдоль шкалы, повернется на
больший угол. Таково устройство
простейшего тахометра, основанного на
взаимодействии вращающегося поля магнита с
полями вихревых токов, возникающих в
круге Араго. Рис- 155- м<>Дель
rj r тахометра
82. Модель демпфера, основанного
на возникновении вихревых токов
Алюминиевый круг (0 200 мм, толщина 2 мм) с
отверстием по центру и закрепленным на нем также по
центру колесиком блока, служащего шкивом; и
-образный сердечник; 2 полюсных наконечника; 2 катушки
(по 1500 витков); ползунковый реостат (110 ом)\
рубильник; блок на струбцинке; набор грузов с крючками (по
50 /г); шнур; штатив; малый
агрегат питания или батарея
аккумуляторов (20 в).
Для проведения эксперимента
собирают установку, описанную в Э-79
(рис. 153), но вместо маятникового
подвеса в зазор между полюсными
наконечниками помещают алюминиевый круг
1, свободно вращающийся на оси,
закрепленной в лапке штатива. Общий вид
установки сверху приведен на
рисунке 156.
На колесико блока, служащее
шкивом, наматывают несколько витков
шнура 2, на свободный конец которого,
переброшенный через блок на
струбцинке 3, подвешивают грузик с крючком
(50 п).
Как только под действием
подвешенного груза диск придет во вращение, рис. 156. Модель демпфера
включают электрическую цепь, выведя с кругом Араго
173

полностью реостат. В результате взаимодействия поля магнита и
поля вихревых токов, возникающих в алюминиевом круге, круг
будет заторможен и остановится.
Изменяя при помощи реостата силу тока в цепи, можно
получить различные степени демпфирования алюминиевого круга,
придавая ему разную скорость вращения до полной его остановки.
Целесообразно вести наблюдение за характером движения
подвешенного груза, который при разной степени демпфирования
будет двигаться либо ускоренно, либо равномерно, либо замедленно,
или, наконец, остановится.
Чтобы удобнее следить за скоростью вращения круга,
следует по его диаметру провести яркую полоску краски или наклеить
полоску цветной бумаги.
83. Вихревые токи в сплошных сердечниках
и сердечниках, собранных из изолированных
пластин (!)
Катушка (750 витков); 2 U-образных сердечника:
один — из сплошного куска железа, другой —
собранный из трансформаторного железа; прямой сердечник-
якорь из трансформаторного железа; ползунковый
реостат (110 ом)\ рубильник;
вилка для включения в
городскую электросеть;
термометр (до 100° С).
На рисунке 157 приводится
общий вид установки. Катушку с
750 витками надевают на одно из
колен Ll-образного сердечника,
изготовленного из сплошного куска
железа, и подключают к
городской электросети через
ползунковый реостат. Сердечник замыкают
якорем из трансформаторного
железа.
После включения цепи через
несколько минут сначала на ощупь,
а затем прикладывая термометр
определяют нагревание якоря,
замыкающего U-образный сердечник. Как только его температура
достигнет 40—50° С, эксперимент прекращают.
Заменяют U-образный сердечник. Катушку помещают на
колено сердечника, собранного из трансформаторного железа.
Сердечник замыкают якорем и установку включают в сеть. Даже по
истечении значительного времени, порядка 15 мин, нагревание
якоря едва ощутимо.
2206
о о
Рис. 157. Исследование
сердечников из сплошного куска металла
и рассеченного на пластины
174

84. Модель электрического счетчика
переменного тока (!)
Счетчик оборотов с нумератором (заводского
изготовления); 3 катушки (2 — по 250 витков и 1 — 1500
витков); алюминиевый круг (0 200 мм, толщина 2 мм) с
отверстием в центре и закрепленным колесиком блока,
служащего шкивом; и -образный сердечник из
трансформаторного железа; прямой сердечник-якорь; 3 лампочки
накаливания (100 вт), соединенные параллельно и
укрепленные в патронах на общей панели; амперметр (5 а)\
вольтметр (220 в)\ вилка для включения в городскую
электросеть; шнур; 2 струбцинки; 2 лабораторных
штатива; 2 штатива на изолирующей подставке.
Общий вид установки приведен на рисунке 158. Катушки с
250 витками соединяются последовательно с электрическими
лампочками. Катушку с 1500 витками включают параллельно
электрическим лампочкам. Все соединительные провода должны быть рас-
Рис. 158. Модель электрического счетчика
175

положены так, чтобы характер включения элементов схемы был
хорошо виден учащимся.
Алюминиевый круг располагают в вертикальной плоскости
между полюсами сердечников катушек так, чтобы он мог свободно
вращаться. Шнур, соединенный в кольцо, перебрасывают через
колесико, укрепленное на алюминиевом круге и служащее шкивом
последнего, и через шкив счетчика оборотов. Шнур должен быть
достаточно плотно натянут, чтобы избежать его скольжения по
поверхности шкивов.
В этой установке катушки по 250 витков служат токовыми
счетчиками переменного тока, а катушка с 1500 витками — катушкой
напряжения счетчика. Совместно эти три элемента установки
моделируют ваттметр, измеряющий мощность включенных
электрических лампочек. Соединение ваттметра со счетчиком оборотов
моделирует прибор, измеряющий потребляемую лампочками
энергию (работу тока).
Эксперимент следует начинать с включения всего одной
лампочки. По счетчику числа оборотов определяют число оборотов
круга за одну минуту. Затем включают вторую лампочку.
Производят новый замер при более быстром вращении круга. Наконец,
включают третью лампочку. Движение круга еще более
ускоряется.
Одновременно с каждым замером числа оборотов круга за
равные промежутки времени определяют для каждого включения силу
тока по амперметру и напряжение по вольтметру. Сопоставление
данных позволяет рассчитать работу тока, или, что то же самое,
расход электрической энергии на горение одной лампочки, двух и,
наконец, трех за одно и то же время.

ГЛАВА IV
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ И ДВИГАТЕЛИ
§ 16. МЕТОДИЧЕСКАЯ ЗАПИСКА
1. Эксперименты, в которых демонстрируются электрические
машины-генераторы и двигатели, подобраны таким образом,
чтобы можно было сборку установок свести главным образом к
монтажным работам из готовых конструктивных деталей,
выпускаемых в учебных наборах по электротехнике. В этом случае
большинство экспериментов требует незначительного времени на
подготовку и, что особенно важно, сборка установок может быть
выполнена самими учащимися непосредственно во время урока.
Правда, использование таких деталей создает ряд неудобств
для демонстрации эксперимента:
а) детали мелки по размерам и демонстрация их всему классу
затруднительна;
б) как правило, скорость вращения роторов достаточно высока,
а это затрудняет исследование процессов, рассматриваемых в том
или ином эксперименте;
в) поведение моделей, собранных из таких деталей, особенно
при торможении двигателей или при изучении влияния нагрузок,
не соответствует поведению двигателей, применяемых в технике.
И несмотря на это, подобные эксперименты все же следует
рекомендовать, и, на наш взгляд, попытки изготовления самих
деталей в учебных мастерских школ вряд ли будут оправданы, так
как отнимут очень много времени, не создав значительного
преимущества в проведении опытов.
Кроме того, следует иметь в виду, что по каждой из тем:
указаны вводные эксперименты, проводимые на наиболее простом и
самодельном оборудовании, в которых вскрывается сущность
изучаемого явления. Так, при изучении генераторов и двигателей в
Э-85 и Э-89 приводятся простейшие установки, собранные из
катушек с сердечником, полосовых магнитов или магнитных стрелок,
позволяющие продемонстрировать сущность процессов,
положенных в основу действия электрических машин.
Рассмотрев эти простейшие эксперименты, учащимся легче
будет разобраться в действии установок, собранных из готовых
177

деталей электротехнического набора. При проведении Э-89
целесообразно вернуться к Э-80 и Э-81 с кругом Араго, для того чтобы
показать общее в поведении ротора двигателя и круга Араго и
принципиальное различие в наблюдаемом процессе.
Естественно, что останавливаться на демонстрации только
простейших экспериментов нельзя. И здесь демонстрация
экспериментов на установках, собранных из готовых деталей, является
промежуточной ступенью перехода от простейших экспериментов к
освоению принципа действия подлинных технических машин.
Такими промежуточными экспериментами и являются Э-86 и Э-87 —
эксперименты с моделями генератора постоянного и переменного
тока с внешним возбуждением и генератора переменного тока с
вращающейся магнитной системой. В Э-88 показывается разница
в устройстве сериес- и шунтового генератора. В этом эксперименте
значительную роль играет проявление остаточного магнетизма,
что требует параллельно повторной демонстрации Э-47.
Начиная с Э-89 приводятся эксперименты с электрическими
двигателями, и в самом Э-89 рассматривается синхронный двигатель
переменного тока. В этом эксперименте рекомендуется провести
предварительное наблюдение, расширяющее известный опыт
Эрстеда, вот почему следует одновременно повторить классический
эксперимент, описанный в четвертой части руководства (часть 4,
стр. 207—208, Э-90). Только после проведения этих
предварительных наблюдений следует перейти к эксперименту на модели,
собранной из готовых деталей. Целая серия опытов с моделью двигателя
постоянного тока объединена в Э-90. Первым опытом в этой серии
является опыт с двигателем, в котором используется постоянный
подковообразный магнит, но уже в этом опыте учащиеся
знакомятся с устройством щеток-токоснимателей и простейшим
коллектором; затем следуют опыты с сериес- и шунтовыми двигателями.
В каждом из опытов демонстрируется действие двигателя на
холостом ходу и с нагрузкой, а также возможность изменения
направления вращения ротора. Все опыты в Э-90 проводятся на
готовых деталях из электротехнического набора. Заключительным
опытом в этой серии является опыт на модели
компаунд-двигателя. Крайне важно ознакомить учащихся хотя бы на плакатах с
настоящими двигателями, применяемыми в технике.
В Э-91 на примере двигателя постоянного тока
демонстрируется обратимость двигателя, превращение его в генератор. Приводя
во вращение ротор двигателя при помощи центробежной машины,
в статоре возбуждается индукционный ток, направление которого
противоположно току, ранее вызывавшему вращение ротора. В
заключение § 17 в Э-92 рассматривается модель коллектора. Мы считаем,
что подобная модель, требующая некоторой затраты времени на
ее изготовление, позволяет наиболее наглядно показать действие
коллектора, и это тем более необходимо, что обычно учащиеся не
сразу понимают устройство токоснимателей.
178

2. В § 18 рассматриваются эксперименты с генераторами и
двигателями трехфазного тока. Большинство установок собирается
из готовых деталей. Следует иметь в виду, что сборка подобных
установок на столах происходит на горизонтальных поверхностях,
что в значительной мере ограничивает обзор и демонстрацию
собранной конструкции. Можно, конечно, над демонстрационным
столом укрепить большое зеркало, расположенное под углом 45°
к поверхности стола, в этом случае учащиеся будут рассматривать
установку в ее зеркальном отражении, но это мало устраняет
недостаток демонстрации, тем более что горизонтальное
расположение деталей не соответствует и их реальному положению в
технических установках. Вот почему в нашем руководстве приводится
и специальная конструкция с вертикальным расположением
деталей.
В Э-93 рассматривается простейшая установка,
демонстрирующая возникновение трехфазного тока, и если детали генератора
мы принуждены располагать на столе, то хотя бы амперметры
надлежит поместить один над другим, чтобы учащиеся могли следить
за сдвигом фаз тока в катушках генератора. В Э-94 имеет место в
какой-то мере развитие Э-80. Проведение эксперимента не требует
особых пояснений. В Э-95 описана модель генератора трахфазного
тока с неподвижными магнитами-возбудителями. Такие генераторы
встречаются в технике редко, но занимали определенное место в
истории развития генераторов и по методическим соображениям
опускать этот эксперимент нельзя. В Э-96 воспроизводят способы
монтажа цепей трехфазного тока по системе звезды и
треугольника. В качестве источника тока следует использовать генератор,
собранный в Э-95. Весь монтаж схем целесообразно провести на
специальных монтажных досках. Потребителей же, каковыми
являются электрические лампочки накаливания, следует также
расположить по три на специальных панелях и на монтажные доски
помещать готовые панели, располагая их либо звездой, либо
треугольником.
Двигатели трехфазного тока рассматриваются в Э-97. В
качестве источника тока может быть использован генератор тока,
собранный в Э-95, но может быть использован и трехфазный
трансформатор, если в кабинете имеется ввод от городской электросети
трехфазного тока. Как известно, переход от одной системы
включения трехфазного тока к другой представляет некоторые
трудности, вот почему введен Э-98, в котором рассматриваются два
вида переключателей: рычажный и валиковый. Оба вида
переключателей просты в обращении и могут применяться во всех
экспериментах по курсу элементарной физики, хотя надо иметь в виду,
что в технике применяются переключатели несколько иной
конструкции, с которыми можно ознакомить учащихся по плакатам.
3. В заключающем главу § 19 и первом же эксперименте
параграфа, в Э-99, описывается самодельная модель двигателя трех-
179

фазного тока с вертикальным расположением деталей,
разработанная Гельмутом Роотом (Roth). Нам представляется, что
преподаватели, пользуясь приведенным описанием, могут сами продолжить
работу в этом направлении и создадут свои модели для
демонстрации ряда других процессов. В Э-100 имеет место развитие ранее
рассмотренного эксперимента Э-93. Также и Э-101, Э-102, Э-103 и
Э-104 представляют собой развитие ранее рассмотренных
экспериментов и поэтому не требуют особых указаний. В Э-104 указано
действие асинхронного двигателя.
4. Хотелось бы сделать несколько общих замечаний по поводу
экспериментов, описанных в этой главе. Несмотря на то что мы
живем в век трехфазного тока и как
к промышленным зданиям, так и к
жилым домам подводится трехфазный
ток, изучение его во всяком случае
в общеобразовательных школах
обычно относится на факультативное
занятие. Более того, в кабинетах
физики, как правило, отсутствует
трехфазная проводка, хотя к самому
зданию она подведена. Считая такое
положение ненормальным и, видимо,
Рис. 159. Модель преобразова- временным, мы считаем обязатель-
теля постоянного тока в трех- ным рассмотрение трехфазного тока
Фазный и с обязательным проведением
экспериментов, для этого в кабинетах
физики должны быть специальные вводы трехфазного тока на
распределительные щиты. Совершенно очевидно, что должны
быть соблюдены все правила техники безопасности для работы
с током в 380 #, но пользование током такого напряжения не
может служить препятствием к его изучению.
Пока вопрос находится в стадии разрешения, по нашему
мнению, эксперимент следует все же проводить. Для этого
существует забытая, к сожалению, модель преобразователя постоянного
тока в трехфазный. Вот почему мы приводим ее описание, это тем
более важно, что такую модель нетрудно изготовить и самим
преподавателям или даже ученикам. Общий вид модели приводится
на рисунке 159. На доске из фанеры или текстолита укрепляют
концентрически три кольца, внешнее кольцо представляет собой
короткозамкнутый реостат с достаточным сопротивлением. Само
кольцо реостата из диэлектрика, например из текстолита, обмотка
из константановой проволоки (Q 0,2 мм). Два внутренних кольца
из медных полос. К самому внутреннему кольцу подсоединяется
один из полюсов генератора постоянного тока, например
аккумулятора, второе медное кольцо соединяется с другим полюсом
источника постоянного тока. Внешнее кольцо-реостат в трех точках,
равноотстоящих друг от друга (по 120°), имеет отводы, маркируемые
180

буквами R, S и Г, это три вывода трехфазного тока. Снятие
постоянного тока с внутренних колец и передача его на кольцо-реостат
осуществляется при помощи вращающегося рычага, закрепленного
по диаметру колец. На рычаге укреплены контактные планки,
одна из которых соединяет самое внутреннее кольцо с
кольцом-реостатом, другая — второе внутреннее кольцо с кольцом-реостатом.
При вращении этого рычага на выходных клеммах генератора будет
возникать ток, отстоящий по фазе на 120°. Мы настоятельно
рекомендуем создание подобной модели и не только как временного
заменителя постоянного ввода трехфазного тока, но и как преобразователя,
достойного изучения.
§17. ГЕНЕРАТОРЫ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДВИГАТЕЛИ
ПОСТОЯННОГО И ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
85. Модель генератора тока с постоянным
магнитом
3 катушки (125 витков, 250 витков, 500 витков);
сердечник к катушкам из сплошного куска железа; 6
полосовых магнитов; подковообразный магнит; 2 полюсных
наконечника; 2 коллектора (с кольцами и полукольцами);
2 ротора генератора (с сердечником и без сердечника);
центробежная машина; вольтметр системы МЭ (100 мв)\
вольтметр системы ЭМ (4 в); лампочка накаливания
(4 в); гибкие соединительные провода; 4 груза или гири
(по 1 /с/г); 2 штатива; подставки разной высоты.
Предварительный эксперимент с
вращающейся катушкой
На подставках располагают полюсами навстречу два
полосовых магнита и их утяжеляют поставленными на них гирями. На
высоком штативе подвешивают бифилярно катушку со 125 витками
на нитях длиной не менее 60 см. При помощи гибких проводов
клеммы катушки соединяют с вольтметром МЭ-системы или
гальванометром (рис. 160).
Катушку вращают в горизонтальной плоскости так, чтобы
нити, на которых она подвешена-, закрутились. Отпустив катушку,
дают проводам раскручиваться. При этом катушка придет во
вращательное движение. Стрелка вольтметра, соединенного с
катушкой, приходит в колебательное движение, отклоняясь то вправо,
то влево от положения равновесия, что указывает на
возникновение переменного по направлению тока в цепи катушки.
Заменяют катушки, подвешивая вначале катушку с 250
витками, затем с 500 витками. По показанию вольтметра легко уста-
181

Рис. 160. Модель генератора тока с постоянным
магнитом
новить, что величина тока возрастает, стрелка вольтметра
совершает колебания с большей амплитудой.
Затем увеличивают магнитное поле, для этого на установленные
магниты кладут еще по одному, а затем и по два магнита, сохраняя
ту же полярность. Вновь возрастает амплитуда колебаний стрелки
вольтметра.
Всю серию опытов повторяют, введя в катушку сердечник из
сплошного куска железа. Катушку при этом нужно взять со 125
витками. Введение железного сердечника также увеличивает
амплитуду колебания стрелки прибора, а значит, увеличивается и
генерируемый в цепи катушки ток.
Часть 1. Модель генератора переменного тока с односекционной
намоткой якоря
Модель генератора собирают из готовых деталей
электроконструктора. Общий вид модели приведен на рисунке 161.
Магнитное поле генератора создается за счет подковообразного
постоянного магнита.
Вращение якоря генератора вначале производят от руки,
включив в качестве потребителя вольтметр магнитоэлектрической
системы. Колебание стрелки вольтметра позволяет утверждать, что
в цепи ротора возник переменный по направлению ток, если в
качестве снимателя тока-коллектор а используются кольца.
Проводя первое наблюдение, заменяют вольтметр, ставя прибор
электромагнитной системы. Вращение ротора осуществляют от
центробежной машины. Параллельно вольтметру включают лампочку нака-
182

Рис. 161. Модель генератора переменного тока
ливания. Приведя ротор генератора во вращательное движение,
наблюдают за поведением стрелки вольтметра. Стрелка
колеблется, отклоняясь то вправо, то влево от нулевого положения.
Лампочка накаливания загорается.
В этом же эксперименте следует рассмотреть влияние
железного якоря в роторе. Для этого в уже собранной установке, при
подключенном вольтметре и лампочке накаливания, вращая ротор
при помощи центробежной машины, добиваются загорания
лампочки, замечают в это время и показания вольтметра, затем
производят смену ротора, заменив его на новый, лишенный железного
якоря. Ни при какой скорости вращения не удается вызвать
горения лампочки, а показания вольтметра также оказываются
значительно ниже, чем при роторе с железным якорем.
Часть 2. Модель генератора постоянного по направлению тока
В установке, рассмотренной в первой части эксперимента и
изображенной на рисунке 161, заменяют коллектор; ставят
коллектор с полукольцами. Проводят ту же серию опытов.
Уже при вращении якоря от руки наблюдается отклонение
стрелки вольтметра только в одну сторону, вместо колебательного
ее движения вокруг нулевого положения. То, что и в этом
эксперименте стрелка колеблется теперь в одну сторону, говорит о
возникновении в цепи пульсирующего тока одного направления.
Стоит изменить направление вращения ротора, изменяется и
отклонение стрелки, она будет отклоняться в другую сторону, а
значит, и ток изменил направление.
Приводя ротор во вращение при помощи центробежной
машины, можно получить такой ток, при котором включенная
параллельно вольтметру лампочка накаливания загорится.
Примечание
Мы не рассматриваем сам характер сборки установки из
готовых деталей, так как, думается, достаточно приведенного
рисунка для осуществления такой сборки. Кроме того, в со-
183

проводительных брошюрах, прилагаемых к «Конструктору»,
даны практические указания для монтажа. В нашем описании
эксперимента мы приводим только инструкцию к проведению
опытов, указывая последовательность работы.
86. Модель генератора с электромагнитом
2 катушки (по 1500 витков); U-образный сердечник;
2 полюсных наконечника; 2 коллектора (с кольцами и
полукольцами); ротор с многосекционной обмоткой;
2 вольтметра (системы ЭМ и МЭ); лампочка накаливания
(4 в) в патроне на панели; рубильник; центробежная
машина; малый агрегат питания или батарея аккумуляторов
(10 в).
Часть 1. Модель генератора постоянного тока
Общий вид установки приведен на рисунке 162. В установке
применен коллектор с полукольцами. На катушки, насаженные
на U -образный сердечник, подают напряжение порядка 5 е. Ротор
генератора приводят во вращательное движение при помощи
центробежной машины.
По показанию вольтметра убеждаются в том, что снимаемый
ток постоянен по направлению, стрелка прибора отклоняется в
одну сторону.
В задачу эксперимента входит исследовать зависимость
величины э. д. с. снимаемого тока от скорости вращения
ротора и от подаваемого на катушки напряжения. В качестве
индикатора процесса используется как вольтметр, так и лампочка
накаливания, включаемая параллельно вольтметру. Чем больше
э. д. с. возбуждаемого тока, тем ярче горит лампочка.
В результате эксперимента можно утверждать, что с
увеличением скорости вращения ротора и с увеличением напряжения,
Рис. 162. Модель генератора тока с электромагнитом
184

подаваемого на возбуждающее магнитное поле катушки,
возрастает и величина э. д. с. генерируемого тока.
Часть 2. Модель генератора переменного тока
Опыт проводится на той же установке, но коллектор сменяют,
ставя коллектор с кольцами вместо полуколец.
Проводится та же серия наблюдения и устанавливаются те же
закономерности. При достаточной скорости вращения ротора
пульсирующее горение лампочки накаливания сменяется спокойным
и ровным по яркости, а стрелка вольтметра МЭ-системы перестает
отклоняться. В этом случае заменяют вольтметр на вольтметрах
ЭМ-системы, стрелка отклоняется на какой-то угол,
соответствующий среднему значению измеряемого напряжения, и, видимо, тем
больший, чем больше скорость вращения ротора.
В этой части эксперимента было бы желательно сменить и
ротор, взяв вначале ротор двухсекционный, при котором
наблюдается пульсация тока, а затем многосекционный ротор, которым
значительно сглажена пульсация тока, хотя он и остается переменным
по направлению. Частота такого тока повышается, что и приводит
к достаточно постоянному горению лампочки накаливания.
87. Генератор переменного тока
высокого напряжения
с вращающимся магнитным полем
4 катушки (2 — по 1500 витков и 2 — по 15 000
витков); U-образный сердечник из трансформаторного
железа; 2 полюсных наконечника; коллектор с
полукольцами; лампочка тлеющего разряда в патроне; трубка
Гейслера; 2 латунные заостренные спицы; 2 штатива на
изолирующих подставках; рубильник; центробежная
машина; малый агрегат питания.
На колена U-образного сердечника надевают катушки с 15 000
витков, соединяя их последовательно. Со свободных клемм
катушек подводят провода к двум латунным заостренным спицам,
укрепленным в штативах на изолирующих подставках. Между
остриями спиц должен быть промежуток порядка 2 мм. На концы
LJ-образного сердечника надевают полюсные наконечники, на
которые крепят коллектор с полукольцами и односекционный ротор.
На ротор через коллектор подают напряжение порядка 10 в от
малого агрегата питания.
Как только ротор при помощи центробежной машины будет
приведен во вращение, между латунными стержнями начнут
проскакивать искры, хорошо заметные в притемненном помещении
(рис. 163).
185

Рис. 163. Модель генератора переменного тока с вращающимся
магнитным полем
Затем одну из катушек снимают и вновь приводят ротор во
вращательное движение. В этом случае искры не наблюдается, но
включенная в искровой промежуток трубка Гейслера светится.
Заменяют и эту катушку на две катушки по 1500 витков. В этом
случае прекращается свечение и трубок Гейслера, но наличие
достаточно высокого напряжения можно обнаружить, включив в
искровой промежуток параллельно спицам лампочку тлеющего
разряда, рассчитанную на 220 в.
Примечание
В начале каждого опыта следует ротор устанавливать так,
чтобы продольная ось обмотки находилась в вертикальном
положении, в противном случае даже без вращения ротора может
наблюдаться горение лампочки тлеющего разряда, так как вся
установка при использовании малого агрегата питания будет
представлять собой трансформатор.
88. Модель шунтового и сериес-генератора
постоянного тока
6 катушек (2 — по 125/250 витков, 2 — по 750/1500
витков и 2 —по 15 000 витков); U-образный сердечник
из трансформаторного железа; 2 полюсных наконечника;
2 коллектора с полукольцами; ротор генератора с одно-
секционной обмоткой; 2 амперметра (50 ма и 5 а);
лампочка накаливания (4 в; 0,3 а); центробежная машина;
малый агрегат питания.
186

Часть 1. Шунтовый генератор — генератор с параллельным
возбуждением
Общий вид установки приведен на рисунке 164.
Принципиальная схема дана на рисунке 165, а. Катушки по 750 витков
соединяют последовательно и подключают параллельно ротору, с
которого через коллектор снимают ток на амперметр или лампочку
накаливания.
Рис. 164. Модель для исследования шунтового
и сериес-генератора
Магнитное поле катушек возбуждается током, возникающим в
роторе при его вращении от внешнего источника механической
энергии, а в настоящей модели — за счет энергии, сообщаемой
центробежной машиной, вращаемой от руки.
В самом начале вращения ротора слабое напряжение возникает
за счет остаточного магнетизма в якоре. Чтобы создать этот
остаточный магнетизм, достаточно перед проведением эксперимента
на короткое время использовать собранную модель как двигатель,
пропуская через катушку ток от внешнего источника. В том, что
в якоре возник остаточный магнетизм, можно убедиться,
исследовав якорь при помощи железных опилок.
После проверки можно приступить к основному эксперименту.
Для этого ротор приводят в равномерное вращательное движение
при помощи центробежной машины. Стрелка включенного
амперметра, постепенно отклоняясь, достигнет какого-то определенного
деления шкалы прибора. В этом положении она и останется, пока
скорость вращения ротора не изменится. Включенная вместо
амперметра лампочка накаливания будет гореть ровным светом, не мигая.
Для исследования распределения токов во внешней цепи и в
цепи катушки следует воспользоваться двумя амперметрами,
включив один во внешнюю цепь, а другой в цепь катушки.
Изменяя скорость вращения ротора генератора, можно
увеличить ток в цепи, а также исследовать перераспределение токов
между внешней и внутренней цепями. Для этого следует во
внешнюю цепь включить параллельно несколько лампочек накалива-
187

ния, уменьшив тем самым сопротивление внешней цепи.
Записывая показания амперметров, можно составить наглядное
представление о перераспределении токов между внешней цейью и цепью
катушки. Вместе с перераспределением токов будет меняться
и напряжение на выходных клеммах генератора.
Часть 2. Сериес-генератор — генератор с последовательным
возбуждением
Эксперимент проводят на той же установке, но производят
переключение проводов, соединяющих катушку и ротор. Теперь
катушки включают не параллельно, а последовательно ротору (см.
принципиальную схему на рисунке 165, б).
гё>
-01
-0J
Рис. 165. Принципиальные схемы цепей генераторов
На измененной модели проводят ту же серию наблюдений
и прежде всего устанавливают зависимость силы тока от скорости
вращения ротора. На этой модели, однако, невозможно показать,
что при увеличении нагрузки во внешней цепи возрастает и
напряжение на клеммах генератора, так как в сериес-генераторах
слишком мала выходная мощность.
89. Модель синхронного двигателя
переменного тока
2 катушки (по 1500 витков); 2 прямых сердечника;
реостат (ПО ом); большая компасная стрелка на острие;
малые компасные стрелки на острие; лезвия безопасных
бритв; двухполюсный переключатель; рубильник; 2
штатива на изолирующих подставках; круг из тонкого
картона (0 80 мм)\ малый агрегат питания.
Предварительный эксперимент
Широкоизвестный опыт Эрстеда (см. часть 4, стр. 207—208,
Э-90) может служить предварительным экспериментом перед
демонстрацией синхронного двигателя переменного тока. Для этого в
классическую форму эксперимента Эрстеда следует внести
некоторое изменение.
188

Рис. 166. Опыт Эрстеда Рис. 167. Простейшая модель син-
с переменным по направ- хронного двигателя
лению током
Над проводником, расположенным в горизонтальной
плоскости и ориентированным по линии север — юг, устанавливают
большую компасную стрелку на острие. Провода, идущие к
источнику тока, прерывают переключателем (рис. 166). Как только на
установку будет подан ток, стрелка отклонится на некоторый угол.
При помощи реостата, включенного в цепь, следует подобрать такой
ток, который вызовет в момент включения тока максимальное
отклонение стрелки, близкое к 90° (отброс!). В момент отброса
стрелки переводят переключатель и изменяют направление тока,
проходящего по проводнику, и тогда стрелка под воздействием
магнитного поля тока, изменившего направление на 180°, продолжит
вращение и повернется на 270°, но в этот момент следует вновь
перебросить переключатель и стрелка, увлеченная полем, будет
продолжать движение. При некотором навыке легко заставить
стрелку совершить вращательное движение.
Для того чтобы облегчить наблюдение за поведением стрелки,
на ее концы следует прикрепить разноцветные бумажные флажки.
Часть 1. Эксперимент на простейшей модели синхронного
двигателя
Две катушки по 1500 витков, оснащенные прямым
сердечником, располагают на столе навстречу друг другу так, чтобы в
зазоре между их сердечниками можно было поместить большую
компасную стрелку на острие (рис. 167). На катушки подают
переменное напряжение порядка 20 в.
Подтолкнув стрелку рукой, приводят ее во вращательное
движение и в тот же момент подают ток на катушки, соединенные
последовательно. Подхваченная полями катушек, стрелка будет
продолжать вращаться безостановочно до момента выключения тока
в катушках. Начальное вращение стрелки, вызванное толчком,
должно быть достаточно быстрым, так как импульсы энергии,
поступающие от катушек, соответствуют частоте тока городской сети —
139

50 гц. Для успешного проведения опыта необходима некоторая
тренировка.
Часть 2. Многополюсный магнат как ротор двигателя
Для этой части эксперимента следует вместо компасной
стрелки поместить в зазор между катушками многополюсный
самодельный магнит. Его нетрудно изготовить из намагниченных половинок
лезвий безопасных бритв, наклеив их на картонный круг, а сам
круг насадив центром на острие (рис. 168). Соседние полюсы лезвий
Рис. 168. Самодельный много- Рис. 169. Модель двигателя
полюсный ротор двигателя с постоянным магнитом
должны быть разноименны. В остальном этот опыт повторяет опыт»
рассмотренный в первой части эксперимента. Частота вращения
круга в таком варианте установки будет соответствовать четверти
частоты переменного тока.
90. Модели двигателей постоянного тока
4 катушки (2—по 125/250 витков и 2 — по 750/1500
витков); и -образный сердечник из трансформаторного
железа; подковообразный магнит; 3 реостата (2 — по
ПО ом и 1 — 18 ож), амперметр (5 а); 2 полюсных
наконечника; коллектор с полукольцами; ротор с односек-
ционной обмоткой; деревянная планка (400 ммХ20 ммХ
X 10 мм); деревянное колесико (0 30 мм); 2 спицы;
грузики с крючком (разного веса до 2 кп); тахометр;
штатив; рубильник; малый агрегат питания.
Часть 1. Модель двигателя с постоянным магнитом
Модель собирают, руководствуясь рисунком 169.
Целесообразно применить двойной Т-образный ротор. На щетки подают
постоянный ток с напряжением порядка 10 в. Щетки, во избежание ко-
190

роткого замыкания, должны быть так расположены, чтобы
касаться в любой момент только середины полуколец. В начале
эксперимента ротор следует располагать вертикально, что обеспечивает
движение ротора сразу же за моментом включения тока.
Часть 2. Модель шунтового двигателя (с параллельным
возбуждением)
Общий вид установки приведен на рисунке 170;
принципиальная схема — на рисунке 171. Катушки по 1500 витков включают
параллельно ротору через реостат / на 110 ом. На ротор подают
напряжение от источника постоянного тока через пусковой
Рис. 170. Модель шунтового двигателя. Рис. 171. Схема цепи
Общий вид шунтового двигателя
реостат 2 с сопротивлением также ПО ом, в ту же цепь ротора
включают амперметр на 5 а.
Для моделирования нагрузки на двигатель применяют
рычажное устройство, изображенное на рисунке 172, представляющее
собой рычаг, подвижно закрепленный
одним концом в лапке штатива (на рисун- JJ
ке левый конец рычага). В середине ры- лщ
чага укрепляют подвижно ролик, кото- 1|
рый должен скользить по шкиву ротора И
двигателя. На свободном конце рычага рис. 172. Рычажный тор-
закреплен крючок, к нему подвешивают моз, моделирующий «наг-
грузы, прижимающие рычаг к шкиву рузку» на ось двигателя
ротора.
Для пуска двигателя пусковой реостат должен быть введен пол*
ностью, тем самым предельно ограничивается ток в роторе. При
возрастании числа оборотов двигателя в роторе возникает
противоток, и поэтому можно постепенно выводить пусковой реостат.
При холостом ходе двигателя число оборотов ротора быстро
растет и, наконец, достигает какого-то определенного значения,
которое в дальнейшем остается достаточно постоянным. Если пос-
191

А
ле этого нагрузить двигатель, подвешивая грузы к тормозному
рычагу, то скорость вращения несколько уменьшится. Можно
изменить частоту вращения, используя для этого второй реостат,
включенный в цепь катушки, так называемый реостат возбуждения
или регулятор магнитного поля. Уменьшая сопротивление в цепи
катушки, можно увеличить силу тока и тем самым увеличить и
число оборотов ротора.
Для изменения направления вращения ротора нужно
переключить провода на катушках или на роторе. Следует иметь в виду,
что для этого надо изменить направление тока только в одной из
цепей, либо в цепи катушек, либо в цепи ротора.
Часть 3. Модель сериесного двигателя (с последовательным
возбуждением)
Принципиальная схема приведена на рисунке 173. В этой
модели следует применить катушки с 250 витками. Катушки
включают последовательно с ротором, пусковым реостатом и
амперметром.
Перед пуском двигателя полностью вводят пусковой реостат,
чтобы предотвратить резкое
возрастание силы тока в цепи, кроме
того, на тормозной рычаг
подвешивают груз не менее 0,5 кп. После
того как будет достигнута
постоянная скорость вращения ротора,
Рис. 173. Схема цепи сериес- пусковой реостат можно постепен-
двигателя но вывести. Двигатель
выдерживает значительные нагрузки,
соответственно меняя частоты вращения. В этом можно убедиться,
подвешивая к рычажному тормозу гири и доведя их общий вес
до 2 кп.
Изменяя нагрузку на тормозном рычаге, можно в значительных
пределах менять и частоту вращения. При полном снятии
нагрузки резко возрастает частота вращения. Для того чтобы выдержать
изменение частоты вращения в определенных границах, можно
параллельно катушкам включить реостат, которым и
регулировать силу тока в катушке, возбуждающей поле. Изменение
направления вращения достигается тем же способом, что и в шунтовых
двигателях.
Часть 4. Модель компаундного двигателя (со смешанным
возбуждением)
Схема компаундного двигателя приведена на рисунке 174. На
одно из колен и-образного сердечника надевают катушку с 250
витками, включаемую последовательно с ротором, на другое колено —
катушку с 750 витками, включаемую параллельно ротору. Следует
:^?h^v_j
192

обратить внимание на то, чтобы в катушках
положных направлениях. Последовательно
включают реостат 2 на 110 ом,
служащий реостатом возбуждения. В цепь
второй катушки включают реостат 1 с
сопротивлением всего 18 ом, как
пусковой.
На этой модели проводят ту же
серию экспериментов, что и на
предыдущих, однако такого резкого изменения
частоты вращения на компаунд
двигателях не наблюдается.
шли токи в противо-
с первой катушкой
ис. 174. Схема цепи ком-
паундного двигателя
91. Двигатель постоянного тока
как генератор
Подковообразный магнит; полюсные наконечники;
ротор; коллектор с полукольцами; маховое колесо;
однополюсный переключатель; 2 лампочки накаливания (4 в)
в патронах; секундомер; малый агрегат питания.
Принципиальная схема установки изображена на рисунке 175.
На ось ротора надевают маховое колесо.
В начале эксперимента переключатель
устанавливают так, чтобы ток от малого
агрегата питания шел через ротор
двигателя (на рисунке левое положение
переключателя), и ротор двигателя пришел во
вращение. Как только будет достигнута
значительная скорость вращения,
переключатель переводят во второе положение
(на рисунке правое), при этом
переключается источник питания и включается цепь
с лампочками накаливания. В силу
инерции ротор с насаженным на него маховым
колесом будет продолжать вращаться, но
теперь в его обмотке будет
индуцироваться э.д. с. и лампочки загорятся.
Однако, как только якорь
остановится, прекратится и горение лампочек.
Время торможения зависит от сопротивления внешней цепи — чем
меньше сопротивление цепи, тем больший по ней идет ток, что и
приведет к торможению ротора.
Целесообразно эксперимент начать с включенными
последовательно двумя лампочками накаливания, затем оставить всего
/и
Рис. 175.
Взаимопревращаемость
двигателя и генератора
постоянного тока
193

одну лампочку и, наконец, включить обе лампочки параллельно.
Пользуясь секундомером, следует измерить время торможения.
Такое измерение времени подтвердит указанную закономерность.
В заключение эксперимента следует, вызвав вращение ротора, при
переключении внешнюю цепь закоротить, в этом случае
наблюдается почти мгновенная остановка ротора.
Техническое значение эксперимента
Возникновение индукционного тока в выключенных
двигателях, якорь которых продолжает двигаться по инерции,
используется, в частности, в трамвайных двигателях. При необходимости
резкого торможения поворотом рукоятки контроллера выключается
ток, поступающий на двигатель, и якорь закорачивается.
92. Модель коллектора из двух полуколец
Круг из толстой фанеры (0 100 мм, толщина 10 мм);
2 полоски латуни (170 мм X 20 мм); 2 картонных
круга (0 ПО мм); широкая деревянная рейка (300 мм X
X 80 мм X Ъмм); изолированный провод (0 2 мм); 2
дощечки (100 мм X 75 мм X 5 мм); 2 латунные полоски
(20 мм X 10 мм); 2 дощечки (100 мм X 60 мм X 10 мм);
медная проволока (0 2 мм); 2 дощечки (120 мм X 30ммХ
X 5 мм); 2 цилиндрические лампочки тлеющего разряда;
2 сопротивления (по 50 ком); 2 телефонных гнезда; ось
с рукояткой от центробежной машины; 2 штатива; 2
гибких провода со штекерами на одном из концов; большой
агрегат питания.
7 б
®г
/Ш
Рис. 176. Модель коллектора
7 9
194

На описываемой деревянной модели коллектора можно
продемонстрировать изменение полюсности ротора при его
вращении в магнитном поле. Общий вид модели коллектора приведен
на рисунке 176. На рисунке 177 приведены детали
конструкции.
По ободу фанерного деревянного круга 1 набивают латунные
полоски 2, моделирующие полукольца. Чтобы щетки не
соскакивали с круга, на него наклеивают с обеих сторон картонные круги
несколько большего диаметра 3. На одну из сторон круга набивают
или наклеивают широкую деревянную рейку 4, моделирующую
железный сердечник ротора, на эту рейку и наматывают с двух
сторон от центра витки изо-
d
'fc,
В
ю
^
в
Рис. 177. Детали модели коллектора
лированной проволоки 5,
моделирующие обмотку
ротора. Один из концов
проволоки припаивают к
латунным полоскам -
полукольцам 2, другие концы —
к гнездам 8 лампочек
тлеющего разряда 6. Вторые
гнезда лампочек тлеющего
разряда соединяют между
собой через многоомное
сопротивление. К концам
рейки приклеивают
поперечные дощечки 7,
моделирующие Т-образные
концы ротора. Эти дощечки
окрашивают в разный цвет,
например в синий и красный. Собранную модель якоря,
просверлив в центре круга отверстие, укрепляют на оси вращающейся
рукоятки. Самую ось закрепляют в лапке штатива. На двух коротких
штативах, соединенных между собой длинной рейкой 12,
укрепляют дощечки 9, моделирующие полюсы постоянного магнита или
полюсные наконечники. Эти дощечки также окрашивают в разный
цвет: одну — в белый, другую — в синий. Собранный коллектор
располагают так, чтобы лампочки тлеющего разряда были обращены
к аудитории. На отдельном коротком штативе закрепляют
держатель щеток //, представляющий собой рейку, на концах которой
вмонтированы телефонные гнезда, под гайки которых и поджаты
концы проволок, моделирующих щетки 10, представляющие собой
дугообразно изогнутые проволоки (см. деталь, рис. 177). При
вращении коллектора щетки должны скользить по полукольцам, сами
оставаясь неподвижными.
На штепсельные гнезда, а значит, и на щетки подают высокое,
порядка 400 в, напряжение постоянного тока от большого агрегата
питания.
195

При вращении модели коллектора в направлении вращения
часовой стрелки приходит во вращение ротор. При этом по очереди
светится один из электродов лампочек тлеющего разряда. Цвет
дощечки, на которой светится электрод лампочки, позволяет
определить полярность ротора. Каждый раз, когда ротор проходит
горизонтальное положение, сменяется загорающийся электрод,
что указывает и на изменение полярности ротора.
§ 18. ГЕНЕРАТОРЫ И ДВИГАТЕЛИ ТРЕХФАЗНОГО ТОКА
93. Получение трехфазного тока
с симметричным смещением фаз
3 катушки (по 1500 витков); 3 прямых сердечника;
постоянный полосовой магнит; 3 гальванометра с нулем
посередине шкалы; 3 зеркальных гальванометра или
осциллографа; подставка с острием для вращения
полосового магнита; подставки разной высоты.
Общий вид установки воспроизведен на рисунке 178. Полосовой
магнит укрепляют на специальной площадке, обеспечивающей его
вращение в горизонтальной плоскости. Вокруг подставки с
магнитом размещают три катушки с железными сердечниками так,
Рис. 178. Получение трехфазного тока с
симметричным смещением фаз
196

чтобы между ними был угол по 120° (рис. 178, деталь), и магнит при
его вращении проходил по очереди перед концами сердечников трех
катушек.
Гальванометры, размещенные один над другим, присоединяют
к катушкам.
Приведя магнит от руки в достаточно равномерное
вращательное движение, по показаниям гальванометров наблюдают за
величиной э. д. с. индуцированного в них тока. Нетрудно установить,
что отставание в показаниях приборов при достаточно
равномерном вращении остается постоянным, равным одной трети периода.
Примечание
При наличии в школе трех зеркальных гальванометров или
трех осциллографов можно продемонстрировать одновременно
расположенные одна над другой три осциллограммы, на
которых отставание в фазе на одну треть периода будет еще более
наглядно.
94. Взаимодействие вращающегося
магнитного поля с замкнутым витком
Подковообразный магнит; круглая железная банка без
одной из крышек (например, консервная банка);
магнитная стрелка; подставка с острием для стрелки; нитки,
штатив.
Подковообразный магнит подвешивают на
нитке к штативу. Под магнитом располагают
магнитную стрелку, укрепленную на острие.
Нить, на которой подвешен магнит,
закручивают, а затем магнит отпускают. Как только
магнит придет во вращательное движение,
тотчас же придет во вращательное движение и
магнитная стрелка. Так моделируется процесс
взаимодействия вращающегося магнитного
поля с подвижным магнитом.
Следует эксперимент видоизменить, для чего
магнитную стрелку заменяют, насадив на острие
железную банку (рис. 179). Но и в этом случае
процесс повторится, железная банка придет во
вращательное движение.
Примечание
Этот эксперимент является дальнейшим
развитием уже описанного эксперимента
Э-80 с кругом Араго.
?
Рис. 179.
Взаимодействие
вращающегося магнита с
замкнутым
витком
197

95. Модель генератора трехфазного тока
с посторонним возбуждением
2 катушки (по 750 витков); U-образный сердечник;
полюсные наконечники; коллектор трехфазного тока; трех-
полюсный ротор; 2 изолирующие планки, каждая с
тремя клеммами; монтажная доска из парафинированной
фанеры или текстолита (300 мм X 150 мм X 8 мм)\
3 патрона для маловольтных лампочек
накаливания; 6 телефонных гнезд или 6 клемм; 3 лампочки
накаливания (4 в); соединительные провода с оплеткой
разного цвета; малый агрегат питания.
Рис. 180. Модель генератора трехфазного тока
с посторонним возбуждением
Для проведения этого эксперимента используются детали
набора по электротехнике, из которых и собирают генератор
трехфазного тока (рис. 180). Ротор генератора приводится в движение
центробежной машиной,
щ
т
Z.
V
А.
вращая ее рукой с
возможно более постоянной
скоростью.
Потребителем
электрической энергии являются
три лампочки
накаливания. Для большей
наглядности целесообразно
лампочки укрепить на панели
из текстолита или фанеры.
Такую панель следует
изготовить, пользуясь
рисунком 181. На панели
укрепляют патроны и клеммы. Кроме того, следует изготовить и два клем-
мника (рис. 181). Установив панель и клеммники вертикально, весь
монтаж следует вести проводами, имеющими разного цвета
оплетку, для того чтобы можно было проследить «путь» тока от клеммы
коллектора генератора к потребителю и от него к соответствующей
Рис. 181. Включение потребителей
трехфазного тока
198

клемме генератора, т. е. весь путь на внешнем участке цепи.
Провода, образующие внешнюю цепь, носят название магистрали, а
каждый из образующих магистраль проводов называется
линейным проводом. Линейные провода обычно обозначаются условны-
ными буквами, например R, S и Т.
После сборки генератора и внешней цепи приводят ротор
генератора во вращеняе. При малой скорости вращения ротора
наблюдается слабое неритмичное загорание лампочек накаливания,
которое очень удобно рассматривать во вращающемся зеркале.
Увеличив скорость вращения ротора, можно добиться достаточного
яркого горения лампочек или, точнее, их поочередного и
ритмичного вспыхивания в совершенно определенной последовательности,
одна за другой.
96. Соединение генератора трехфазного тока
с потребителем звездой и треугольником
Генератор трехфазного тока (например, описанный в
Э-95 или в М. 3., § 16, п. 4); 2 изолирующие планки с
тремя клеммами; доска из текстолита или фанеры
(160 мм X 80 мм X 6 мм); круг из текстолита или
фанеры (0 160 мм); 10 клемм; 4 телефонных гнезда;
4 кабельных наконечника; латунные планки (55 мм X
X Ю мм); 3 лампочки накаливания (4 в); 3 патрона для
лампочки накаливания; монтажный провод разного цвета;
вращающееся восьмигранное зеркало; малый агрегат
питания.
В этом эксперименте можно использовать генератор
трехфазного тока, описанный в Э-95, или другой с выходом напряжения
чо
1
А \
1
.?*#}—L-
ТхТ Мб\
4f-i3
I за 1
а
Рис. 182. Распределительная панель (а)
и монтажный круг (б) для демонстрации
цепей трехфазного тока
д
199

Рис. 183. Соединения потребителя и генератора по схеме треугольника
порядка 4 б, например генератор, описанный в М. 3., § 16, п. 4.
Для большей наглядности весь монтаж внешней цепи следует
вести на досках и панелях, укрепленных вертикально на штативах.
Для проведения эксперимента нужно изготовить распределительную
панель, размеры которой указаны на рисунке 182, а, и
монтажный круг (рис. 182, б)у и то и другое изготавливают из текстолита
или фанеры. Кроме того, нужно подготовить латунные полоски
для переключения схемы (см. рис. 182, а деталь). На монтажной
панели и круге надлежит клеммы и гнезда маркировать буквами,
соответствующими маркировке проводов и клемм магистрали и
генератора. Так, линейные магистральные провода обозначаются
буквами R, S и Т и теми же буквами обозначаются клеммы. Нулевой
провод при четырехпроводной линии обозначается Мр. Буквами
X, Y и Z обозначаются выходные клеммы генератора, а буквами
Uу V и W — входные клеммы (входные клеммы — это начала
обмоток катушек генератора, выходные—концы обмоток катушек).
Мр
Рис. 184. Соединение потребителя и генератора по схеме звезды
200

Для того чтобы соединить потребитель и генератор по схеме
треугольника, следует провести монтаж всей цепи, пользуясь
рисунком 183. Следует обратить внимание на положение планок на
монтажной доске. Для соединения по схеме звезды производят,
пользуясь рисунком 184, переключения планок и добавляют еще один
провод, нулевой, обозначаемый Мр.
После сборки цепей следует привести ротор генератора во
вращение и исследовать характер горения лампочек. Опыт позволит
сделать вывод, что горение лампочек не будет зависеть от
характера соединения генератора с потребителем. И при схеме звезды, и
при схеме треугольника горение лампочек одинаково.
97. Модель двигателя трехфазного тока
Генератор трехфазного тока; 6 катушек (3 — по 750
витков иЗ — по 125 витков); намагниченная стрелка на
острие; 3 лампочки накаливания (60 вт, 220 в)\ коротко-
замкнутый клеточный («беличья клетка») ротор;
кольцевой ротор; сплошной ротор вихревых токов;
пластинчатый ротор; 3 изолирующие планки (2 с тремя
клеммами и 1 с четырьмя клеммами); малый агрегат питания.
Часть 1. Двигатель, соединенный с генератором трехфазного
тока
Модель двигателя собирают на демонстрационном столе. Три
катушки с 750 витками каждая и с прямым сердечником
располагают под углом 120° вокруг подставки для ротора. На катушки
подают ток от генератора трехфазного тока по схеме звезды
Рис. 185. Соединение двигателя трехфазного тока с генератором
201

(рис. 185). Позже эту схему переключают на соединение
треугольником. На подставку для ротора помещают по очереди различного типа
роторы: намагниченную стрелку на острие, короткозамкнутый
клеточный ротор, сплошной ротор-диск вихревых токов,
пластинчатый ротор и др. (см. ниже, Э-104).
При включении генератора ротор двигателя приходит во
вращательное движение с частотой, близкой к частоте вращения ротора
генератора, впрочем, кроме кольцевого, который отстает в своем
вращении (пример ротора асинхронного двигателя).
Часть 2. Двигатель в городской сети трехфазного тока
Общий вид установки приведен на рисунке 186. На
трансформатор подают ток от городской сети трехфазного тока.
Производят все те же наблюдения, что и в первой части эксперимента.
Городская электросеть
Рис. 186. Включение двигателя трехфазного тока в городскую сеть
через трехфазный трансформатор
Примечания
1. Катушки двигателя могут быть включены в городскую
сеть трехфазного тока и без трансформатора, но в этом случае
в каждый провод нужно включать лампочку накаливания (60 вт,
220 в). Катушки в этом случае желательнее включать по схеме
звезды.
2. Переход от соединения по схеме звезды к соединению по
схеме треугольника можно осуществлять, применяя
специальный переключатель (описание подобных переключателей дано
ниже, в Э-98).
202

98. Переход от схемы звезды
к схеме треугольника.
Рычажный и валиковый переключатели
Генератор трехфазного тока; двигатель трехфазного
тока; монтажная доска из текстолита или фанеры (200ммХ
X 200 мм X 5 мм)\ трехполюсный переключатель; 19
телефонных гнезд или 19 клемм; пертинаксовый или
деревянный валик (0 40 мм, длина 190 мм), на
металлической оси (длина оси 250 мм); 3 доски (2 — 100 ммХ
X 80 мм X 10 мм и 1 — 210 мм X 100 мм X 10 мм);
2 деревянных круга (0 50 мм, толщина 10 мм); листовая
латунь; монтажный провод; 4 вольтметра (5 в); 4
амперметра (5 а).
В задачу эксперимента входит изучение влияния разного вида
схем включения: схемы звезды и схемы треугольника при
соединении генератора и двигателя, на движение ротора двигателя и
распределение токов в линейных проводах.
Для проведения такого исследования целесообразно изготовить
переключатели, описанные ниже. Надо иметь в виду, что
подобные переключатели используются и в технике, хотя конструкции
их могут быть самыми разнообразными.
Рычажный переключатель
Переключатель монтируется на
текстолитовой или фанерной доске
(200 мм X 200 мм). Общий вид его
приведен на рисунке 187. Переход от
одной схемы включения к другой
осуществляется простым переводом трех-
полюсного рычага из одного
положения в другое (например, слева
направо). Следует на самой панели
переключателя нарисовать условное
обозначение характера соединения, как
это указано на рисунке, применяя
значки ® и @ Кроме того, после
выполнения монтажа следует
замаркировать клеммы, используя указания,
данные в Э-96 (см. также
рисунок).
Валиковый переключатель
Из текстолита или фанеры изготавливают каркас
переключателя, изображенный на рисунке 188. На валик, насаженный на ось,
концы которой свободно должны вращаться в боковых стенках кар-
Д потребителю
I
I
©7" @S ©/? ®Мр
От генератора
Рис. 187. Рычажный
переключатель цепей для
перехода от соединения их
звездой к соединению тре-
203

Рис. 188. Валиковый переключатель схемы
звезды на схему треугольника
каса, наклеивают или привинчивают маленькими шурупами
латунные планки в два ряда, как показано на рисунке 189. Для этого-
предварительно на валике прочерчивают три ряда, равноотстоящие
друг от друга (под углом 120°), из них только на два ряда
наклеивают планки, третий ряд оставляют свободным для холостого хода
переключателя (на рисунке он показан пунктиром). Один ряд
образуют три длинные латунные планки (50 мм X 10 мм). Второй
ряд — три средние планки (30 мм X 10 мм) и три короткие (ЮммХ
X 10 мм). Короткие планки соединяют проводником между собой
(см. рисунок). У каждого ряда ставят знак соединения звезды или
треугольника, у ряда, не имеющего планок, ставят знак нуля.
К валику прижимаются контактные плаотины, концы которых
поджаты под клеммы, укрепленные на панели каркаса. При
повороте валика контактные пластины должны свободно скользить по
валику, прижимаясь к наклеенным на нем пластинам и
осуществляя тем самым контакт.
На выступающий конец оси валика крепится зубчатая
деревянная шайба, вращающаяся вместе с валиком. К зубчатой шайбе
прижата удерживающая пружина, не позволяющая валику прокру-
Рис. 189. Панельники) на валико- Рис. 190. Стопор
вом переключателе валикового
переключателя
204

@Т ®S (2)/? <&Мр
<•>
6
©7 фз <&R <&Мр
Рис. 191. Соединение генератора трехфазного
тока с потребителем при помощи переключателя:
а — схема треугольника; б — схема звезды;
чиваться в обратном направлении и фиксирующая положение его
от ряда к ряду планок. Пружина крепится также к панели
переключателя (рис. 190). Кроме того, на оси крепится рукоятка с
рифленой поверхностью, при помощи которой поворачивают вали$.
Соединение переключателя с генератором и двигателем
приведено на рисунке 191.
В том случае, если используется валиковый переключатель,
провод, идущий к потребителю, следует подключить к клемме на
панели переключателя, к которой уже подведен провод от начала
одной из катушек.
Для исследования влияния характера соединения на
потребителя, в нашем случае на вращение ротора двигателя, следует
провести весь монтаж по схеме, изображенной на рисунке 191,
используя любой генератор трехфазного тока. В случае подключения к
городской сети трехфазного тока надо на каждый подводящий
провод включить лампочку накаливания (60 em, 220 в).
Целесообразно также провести исследование распределения
токов и напряжения. Схема подключения приборов для двух
линейных проводов приведена на том же рисунке 191.
205

§ 19. ДЕМОНСТРАЦИОННЫЕ МОДЕЛИ ГЕНЕРАТОРОВ
И ДВИГАТЕЛЕЙ ТРЕХФАЗНОГО ТОКА
99. Демонстрационная модель генератора
трехфазного тока
3 катушки (500 витков); 3 цилиндрических
сердечника; маниперм1 магнит (55 мм X 25 мм X 25 мм);
листы пертинакса, гексалита или текстолита (толщина
20 мм и 6 мм); различный крепежный материал: гайки,
болты, шайбы и др.
Модель генератора может быть изготовлена самими
учащимися в мастерской при кабинете физики или школьной мастерской,
правда, для этого необходимо иметь некоторые практические
навыки работ по дереву и металлу.
Прежде всего необходимо изготовить каркас модели. Такой
каркас крепится на коротком штативе (рис. 192, а).
Рис. 192. Демонстрационная модель генератора трехфазного тока
Из пертинакса или текстолита следует выпилить круги (0 120 мм,
внутренний 0 80 мм). Один из кругов толстый, и поэтому его
целесообразно склеить из двух кругов равного диаметра
(рис. 192, б). В таком склеенном круге следует сделать под углом
1 Маниперм — фирменное название нового керамического
магнитного вещества, представляющего собой одно из кристаллических соединений
окиси трехвалентного железа с окисями других металлов, например это
ВаО • бРегОз. Подобные соединения дают так называемые жесткие
магнитные ферриты, в отличие от манифера — мягкого магнитного феррита.
Жесткие магнитные ферриты используются для изготовления постоянных
магнитов. Обладая высоким остаточным магнетизмом, они применяются при
изготовлении громкоговорителей, небольших генераторов тока и электрических
двигателей, испытывающих тряску или вибрации, а также при изготовлении
измерительных электрических приборов. — Прим. перев.
206

Рис. 193. Детали ротора модели генератора трехфазного тока:
/ — мягкое железо; 2 — насадки из маниперма; 3 — ось ротора; 4 — собранный ротор
120° пазы, в которые затем помещают сердечники катушек. В
торце толстого круга, кроме того, просверливают три отверстия под
болты (рис. 192, в), соединяющие толстый круг с внешним —
тонким. Такие же отверстия сверлятся и в тонком внешнем круге.
Зазор между кругами должен быть порядка 60 мм.
В просвет кругов помещают вращающийся магнит,
изготовление которого может быть выполнено по рисунку 193. Сам магнит
может быть сделан целиком из маниперма, но можно сделать так,
как указано на рисунке, когда тело магнита изготовляют из
мягкого железа, а на концах припаивают только пластинки из
маниперма (ферритобариевого магнитного материала). Такой магнит
насаживают на стержень, вставленный в трубку, укрепленную в
лапке штатива. Стержень должен легко вращаться. На нем
имеется шкив, на который и может быть наброшен ремень от
центробежной машины. Диаметр шкива — 10 мм. Но можно взять длинный
стержень и, пропустив его через круги, закрепить на конце
рукоятку.
После закрепления магнита в просвете колец в пазы колец
вставляют сердечники катушек и на эти сердечники надевают и сами
Рис. 194. Модель генера- Рис. 195. Расположение ка-
тора трехфазного тока тушек генератора
207

Рис. 196. Соединение катушек модели генератора трехфазного тока:
а — соединение звездой при помощи проволочного кольца; б — проволочное
кольцо или угольник со штекерами; в — соединение треугольником при помощи
прямых дужек; г — прямые дужки, оснащенные штекерами
катушки, укрепляя их клинышками. Общий вид собранного
генератора приведен на рисунке 194, а вид сверху — на рисунке 195.
Для снятия трехфазного тока с такой модели генератора
надлежит катушки соединить между собой в зависимости от того, по
какой схеме, т. е. схеме звезды или треугольника, будет соединен
генератор с потребителем. Это соединение осуществляется
различно. Для схемы звезды катушки соединяются при помощи
проволочного треугольника, оснащенного штекерами (рис. 196, а и б), а
для схемы треугольника — проволочными прямыми дужками
(рис. 196, б и г). Клеммы,
предназначенные для снятия тока, на
рисунке маркированы буквами,
цо при схеме звезды с одной и
той же клеммы, обозначенной
буквой R, снимается и нулевой
провод Мр.
Модель генератора будет
работать значительно лучше, если
свободные концы сердечников
(внешние) соединить между
собой железным кольцом,
которое должно плотно касаться
сердечников (рис. 197). Такое
кольцо можно изготовить из по-
Рис. 197. Соединение сердечников лосового железа. Ширина коль-
генератора железным кольцом ца примерно 30 мм.
208

100. Распределение напряжений в катушках
генератора трехфазного тока
Генератор трехфазного тока из трех катушек и
вращающегося между ними сердечника (например,
изготовленного в Э-99); 3 демонстрационных вольтметра с нулем
посередине шкалы; центробежная машина.
Часть 1. Измерение напряжения на катушках
К клеммам одной из катушек генератора трехфазного тока
присоединяют вольтметр (рис. 198),
помощи ручной центробежной
машины в медленное
вращательное движение. Стрелка
вольтметра при этом будет
колебаться относительно нулевого
деления, отклоняясь то вправо, то
влево от него. Это указывает на
возникновение в катушке
переменной по направлению и
величине э.д.с. индукционного тока.
и ротор генератора приводят при
Рис. 198. Исследование э. д. с. на
катушках генератора трехфазного
тока
Часть 2. Исследование сдвига фаз в катушках генератора
К каждой из катушек генератора трехфазного тока
присоединяют по вольтметру (рис. 199). Как только ротор генератора будет
приведен при помощи центробежной машины во вращательное
движение, стрелки вольтметров придут в колебательное движение.
Сравнивая в какой-то момент положение стрелок приборов,
нетрудно установить, что имеет место разница в показаниях приборов с
отставанием на одну треть периода, что и характеризует в данном
процессе сдвиг фаз.
Рис. 199. Исследование сдвига фаз на катушках
генератора
209

Время
Рис. 200. Совмещенный график изменения
напряжения или э. д. с. на катушках
генератора трехфазного тока
На основании показаний приборов можно построить график
изменения э.д.с. для каждой катушки, совместив на одних
координатных осях все три кривые (рис. 200).
101. Исследование генератора
трехфазного тока
Генератор трехфазного тока; 3 вольтметра с нулем
посередине шкалы; амперметр (1 а); 4 постоянных
сопротивления (3 — по 300 ом и 1 — на 1 ом).
Часть 1. Исследование цепи при симметричной нагрузке
Генератор трехфазного тока и три вольтметра соединяют по
схеме, приведенной на рисунке 201. Вольтметры будут
показывать возникновение переменной э.д.с. со сдвигом фаз в каждой
катушке на 120°.
Рис. 201. Исследование сдвига
фаз на линейных проводах
Рис. 202. Исследование силы
тока в нулевом проводе при
симметричной нагрузке
210

Заменив вольтметры постоянными сопротивлениями по 300 ом
и соединив их с генератором по схеме звезды, в нулевой провод
включают амперметр (рис. 202). При симметричной нагрузке
линейных проводов в нулевом проводе тока нет и стрелка
амперметра остается в покое. Это наблюдение позволяет сделать вывод о
том, что при симметричных нагрузках четвертый провод можно
исключить из схемы, превращая схему соединения при том же
соединении генератора с потребителем в трехпроводную.
Часть 2. Исследование цепи при нарушении симметрии в
нагрузке линейных проводов
Параллельно одному из
сопротивлений в 300 ом
присоединяют
сопротивление в 1 ом (рис. 203).
Включенный в нулевой провод
амперметр тотчас же
покажет наличие тока в
нулевом проводе. Колебание
стрелки прибора будет
происходить с частотой,
соответствующей частоте
вращения ротора генератора.
Рис. 203. Исследование силы тока в ну-
левом проводе при несимметричной
нагрузке
Часть 3. Распределение напряжений между линейными и
фазовыми проводами
Включая в линейные провода сопротивления по 300 ом,
составляют симметричную цепь, собранную по схеме звезды (рис. 204).
Приведя ротор генератора во вращательное движение, измеряют
при помощи вольтметра
напряжение между
линейными проводами R, S и Г,
а затем между каждым из
линейных проводов и
фазовым (нулевым) проводом
Мр. Из показаний
приборов можно установить, что
напряжение между
линейными проводами больше,
чем между любым из
линейных и нулевым
проводом в J/НЗ раз.
Рис. 204. Распределение напряжений
между линейными и фазовыми
проводами
21!

102. Возникновение вращающего магнитного
поля. Простейшая модель двигателя
трехфазного тока
Генератор трехфазного тока; 3 катушки (по 500
витков); 3 прямых сердечника; магнитная стрелка; стальная
пластинка (40 мм X 15 мм X 0,5 мм); латунная трубка
(0 4 мм, длина 12 мм); латунный стержень (0 3 мм,
длина 80 мм); пробка или резиновое кольцо; 2 штатива.
Три катушки по 500 витков каждая с сердечниками укрепляют
на штативах так, чтобы оси сердечников образовывали угол в 120°.
В просвет между сердечниками по центру помещают магнитную
стрелку, легко вращающуюся на горизонтальной оси. Катушки и
генератор соединяют по схеме звезды или треугольника (рис. 205, а).
Как только на катушки будет подан ток от генератора
трехфазного тока, в пространстве между сердечниками катушек
возникнет вращающее магнитное поле, взаимодействие которого с полем
магнитной стрелки приведет последнюю во вращательное
движение. Такое устройство моделирует простейший двигатель
трехфазного тока, в котором роль ротора играет магнитная стрелка или
заменяющий ее полосовой магнит — полоска намагниченной
стальной пружины (рис. 206).
Магнитную стрелку для этого эксперимента следует изготовить
самим, пользуясь рисунком 206. Для этой цели из готовой
компасной стрелки вынимают подшипник и на его место впаивают
кусочек латунной трубки с внутренним диаметром 4 мм. Трубку стрелки
Рис. 205. Соединение генератора и двигателя по
схеме звезды:
а — принципиальная схема; б — полосовой магнит как
ротор двигателя; в — магнитная стрелка как ротор
212

Намагниченная
стрелка
насаживают на латунный круглый стержень так, чтобы трубка
легко вращалась на стержне. Чтобы трубка не могла соскочить со
стержня, на него надевают кусочек пробки или резиновое кольцо.
Другой конец стержня
укрепляют в рукоятке. Эту
рукоятку зажимают в
лапке штатива так, чтобы сам
стержень располагался
горизонтально. В этом
случае намагниченная стрелка
расположится в
вертикальной плоскости.
Вместо готовой
компасной стрелки можно
взять намагниченное
лезвие безопасной бритвы или кусок стальной пружины. Перед
каждым экспериментом следует стрелку намагничивать.
Эксперимент проходит лучше, если концы сердечников катушек
соединить железным кольцом (см. Э-99, рис. 197).
Пробка
Рис. 206. Самодельный ротор
двигателя из магнитной стрелки
103. Демонстрация вращающего действия
трехфазного тока городской сети(!)
Оборудование то же, что и для Э-102, но вместо
генератора трехфазного тока используется ввод от городской
сети трехфазного тока (с нулем); кроме того, 3 лампочки
накаливания (300 вт, 220 в) или 3 электронагревателя
(на 300 вт, 220 в); лампочка тлеющего разряда.
Установка та же, что и
для Э-102, но в каждый из д ~^— ^-
линейных проводов, иду-
щих от городской сети,
включают по лампочке
накаливания или
электронагревателю мощностью не
менее 300 вт. Нулевой
провод соединяют через
лампочку тлеющего
разряда с одним из линейных
проводов (рис. 207, а). При
использовании лампочек
накаливания их следует
или закрыть картонными
колпаками, или покрыть
черной термостойкой крас-
S<
мр-о
Рис. 207. Включение двигателя
трехфазного тока в городскую сеть
213

кой или лаком, чтобы лампочки не слепили глаза
наблюдателей.
Как только на катушки будет подан ток, магнитная стрелка,
моделирующая ротор двигателя трехфазного тока (рис. 207, б),
придет во вращательное движение. Частота вращения будет
близка к 50 гц, в чем можно было бы убедиться по стробоскопическому
эффекту с лампочкой тлеющего разряда.
104. Модели роторов двигателей
трехфазного тока(!)
Оборудование то же, что и для Э-103. Кроме того,
алюминиевый или латунный диск (0 60 мм, толщина Змм);
толстая латунная или медная проволока (0 Змм);
листовая жесть; латунная трубка (0 4 мм); пробка; картон;
медная проволока (0 0,3 мм).
Для проведения эксперимента собирают ту же установку, что
и для Э-102 и Э-103. В модели двигателя трехфазного тока
используют три катушки, по 500 витков каждая. На катушки подают
напряжение от городской электросети трехфазного тока, поместив в
каждый из линейных проводов лампочку накаливания или
электронагреватель мощностью не менее 300 вт (рис. 208). Лампочку
тлеющего разряда в этом эксперименте можно не включать.
Соединение генератора с катушками можно провести по схеме
треугольника.
Изготовление роторов различных видов показано на рисунке
209. Первый ротор — это сплошной латунный или алюминиевый
диск, укрепленный на латунном стержне вместо компасной
стрелки (рис. 209, а). Насаживание диска на стержень аналогично
насаживанию магнитной стрелки (см. также рис. 206). Другим видом
ротора двигателя является «беличья клетка» (рис. 209, б), ее
собирают из коротких отрезков латунного или медного толстого
провода. Латунные или медные стержни скрепляют между собой дву-
«-с—0 -|
(ло О с -)
т -С—® ' 5 6
а
Рис. 208. Включение модели двигателя трехфазного тока в
городскую сеть для исследования различных роторов
214

Рис. 209. Самодельные роторы двигателей трехфазного тока
мя картонными кругами. Концы стержней по обеим сторонам
картонного круга соединяют тонкой медной проволокой, вот почему
такой ротор называют также короткозамкнутым.
Наконец, можно собрать ротор с железным сердечником. Сам
сердечник собирают из полосовой жести, отдельные пластинки
сердечника изолируют друг от друга лаком или
трансформаторной краской. Собранные в блок пластинки жести опиливают
напильником, а по периметру на блоке выпиливают двенадцать борозд,
в которые и помещают прутья «беличьей клетки» (на рис. 209, в
изображен только сердечник, прутья отсутствуют и клетка еще не
собрана).
Все указанные модели роторов двигателей исследуются, для
чего их помещают в пространство между концами сердечников
катушек статора.
Как только на катушки будет подан трехфазный ток, роторы
придут во вращательное движение с частотой, близкой к частоте
тока в генераторе или городской сети трехфазного тока. В
последнем случае частота будет равна 50 гц, однако часть роторов будет
чуть отставать в своем вращении, что укажет на асинхронность
движения.
Пользуясь переключателем, описанным в Э-98 (см. рис. 191),
можно исследовать влияние схем включения генератора и
двигателя на вращение роторов и их частоту при соединении звездой или
треугольником. Кстати, такое переключение используют и в технике
при переходе от пускового включения к рабочему и обратно.

ГЛАВА V
ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
§ 20. МЕТОДИЧЕСКАЯ ЗАПИСКА
1. В современной электротехнике переменный ток имеет
гораздо большее значение, чем постоянный. Достаточно указать,
что в наши дни передача электроэнергии на большие расстояния
осуществляется пока только переменным током. Генераторы и
двигатели переменного тока не требуют применения коллектора
со щетками и значительно проще и практичнее. Все это заставляет
в курсе элементарной физики уделить достаточное внимание этой
теме и ее экспериментальному решению. Знание законов
переменного тока, действия генераторов и двигателей и трансформатора
является обязательным при осуществлении политехнического
образования.
Методически целесообразно изучение законов переменного
тока рассматривать, опираясь на знание законов постоянного тока,
а само знакомство с переменным током начать с токов малой
частоты. Такое рассмотрение обеспечит преемственность тем.
Получение токов малой и низкой частот не вызывает затруднения, и в
соответствующих местах настоящего руководства будут даны
практические советы по созданию генераторов малой частоты.
В § 21 собраны эксперименты, демонстрирующие свойства
переменного тока. В первом эксперименте параграфа, в Э-105,
переменный ток получают смещением ползунка реостата при помощи
дискового двигателя или от руки. Подобный эксперимент был уже
рассмотрен в наиболее простом виде в Э-58. В следующих трех
экспериментах — Э-106, Э-107 и Э-108 — переменность
направления тока демонстрируют при помощи зеркальных, шлейфовых
осциллографов или специального осциллографа из лампочек
тлеющего разряда, такие осциллографы позволяют показать кривые
напряжения или силы тока. Наиболее удобным и применяемым в
технике прибором в этом случае является катодный осциллограф.
Использовать такой прибор было бы крайне желательно, хотя его
устройство будет рассмотрено в курсе физики значительно позже.
Впрочем, учащимся следует показать принцип действия прибора:
вначале вертикальное смещение светящейся точки, затем
горизонтальное и только после этого, при одновременности этих двух
движений, возникновение светящейся кривой. Следует напомнить
216

учащимся получение кривых, записывающих качание маятника
(см. часть 1, стр. 243—246, Э-201 по Э-204).
Однако, как нам кажется, для переменного тока малой частоты
наиболее целесообразно использовать шлейфовый осциллограф и
осциллограф из лампочек тлеющего разряда. В Э-109
рассматривается простейшая модель частотомера переменного тока. В этом
эксперименте описывается также прерыватель Румкорфа, пользуясь
которым мы превращаем постоянный ток в переменный.
2. В § 22 приводятся эксперименты в которых
рассматриваются сопротивления в цепях переменного тока. В Э-110
показывается влияние на силу тока в цепи активных (омических)
сопротивлений, а в Э-111 — реактивных (индуктивных) сопротивлений.
В Э-112 рассматриваются частные случаи индуктивных
сопротивлений— дроссели и катушки в цепях переменного тока.
Естественно, что в этих экспериментах связываются два понятия:
индуктивное сопротивление и индуктивность. Зависимость величины
индуктивного сопротивления от индуктивности катушек,
включенных в цепь, и от частоты переменного тока исследуется в Э-113.
Следует указать, что включаемые в цепь катушки с 750 витками в
одной обмотке и 1500 витков в другой должны иметь по
возможности равные сопротивления обмоток. Опытное определение
индуктивного сопротивления рассматривается в Э-114. Однако вывод
уравнения для расчета индуктивного сопротивления только на
основании эксперимента затруднителен, вот почему целесообразнее
этот вопрос рассмотреть в процессе преподавания, а эксперимент
использовать как подтверждение выведенной закономерности.
Далее в трех экспериментах, Э-115, Э-116 и Э-117, приводятся
способы определения емкостного сопротивления. Только что
высказанные методические соображения относительно Э-114
полностью относятся и к этим экспериментам. Для закрепления
материала может быть предложен Э-118, в котором рассматривается
цепь с включенным индуктивным и емкостным сопротивлением, а в
его заключительной части и активным омическим сопротивлением.
Цепи с параллельным соединением индуктивных сопротивлений
нами не рассматриваются.
3. Сдвиг фаз в цепях переменного тока исследуется в
экспериментах, объединенных §23, в котором Э-119 является вводным. Его
особенность — в применении переменного тока малой частоты,
что позволяет рассмотреть принципиальные стороны процесса.
В Э-120 и Э-121 приведены установки для исследования процесса
сдвига фаз. В них устранено влияние активного (омического)
сопротивления. Здесь же в качестве индикатора процесса используется
осциллограф из лампочек тлеющего разряда. Заключительный
эксперимент параграфа, Э-122, рассматривает явление резонанса в
цепях переменного тока. Этот эксперимент позволяет установить
связь процессов, происходящих в цепях переменного тока, с
явлением свободных электрических колебаний.
217

4. Не менее важны эксперименты, позволяющие усвоить такие
понятия, как эффективное напряжение и эффективная сила тока,
а также рассмотреть работу и мощность в цепях переменного тока.
Эти эксперименты приведены в § 24. В Э-123 рассматривается
вопрос о системах измерительных приборов для цепей переменного
тока. В Э-124 указаны приемы измерения эффективных значений
силы тока и напряжения. Соотношение между максимальным и
эффективным значением этих величин требует особого эксперимента,
каким и является Э-125. В двух последних экспериментах этого
параграфа, в Э-126 и Э-127, показаны приемы измерения работы и
мощности в цепях переменного тока, а также разница в понятиях
кажущейся и активной мощности. Кроме того, рассматривается
коэффициент мощности cos cp и фазовый угол ф.
5. В какой-то мере эксперименты, объединенные § 25,
выпадают из систематического изложения материала, принятого для
каждой части руководства. Действительно, только в Э-128 и Э-129
рассматриваются процессы, связанные с темой «переменный ток».
Все остальные эксперименты охватывают процессы из разных
областей физики. И все же все эксперименты этого параграфа
объединены одной темой — измерение частот и фазового угла. Так, уже
в Э-130 рассматриваются частоты затухающих колебаний при
разрядке конденсатора, а в Э-131 — колебания в резонирующих
контурах и исследование формулы Томсона. Более того, в Э-131
исследуется частота радиоактивных излучений. Два заключительных
эксперимента, Э-133 и Э-134, взяты из раздела «Механика». Общим
для всех указанных экспериментов является метод исследования,
т. е. метод пылевых фигур, разработанный Л. Бергманом и
введенный в практику преподавания элементарного курса физики
доктором Гренефельдом. Метод измерения малых промежутков
времени и кратковременных процессов мы считаем заслуживающим
внимания преподавателей, тем более что этот вопрос с большим
трудом решается в практике эксперимента, так как простых
учебных приборов для измерения малых промежутков времени пока
еще нет, а существующие слишком сложны и дорогостоящи.
Метод пылевых фигур и предлагаемая модель частотографа до сего
времени малоизвестны преподавателям и исследователям, между
тем метод прост и доступен.
§ 2Ь ДЕМОНСТРАЦИЯ ЦЕПЕЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
105. Получение переменного тока
малой частоты
Дисковый электрический двигатель (12 в, частота до
2 гц)\ кольцевой реостат с вращающимся ползунком
(200 ом)\ монтажная доска; кусок резинового шланга;
218

вольтметр МЭ с нулем посередине шкалы (5 в); малый
агрегат питания или батарея аккумуляторов (12 в);
батарейка карманного фонарика.
Кольцевой реостат и дисковый электродвигатель монтируют
на общей монтажной доске (рис. 210), точно центрируя оси
вращения, соединяя их коротким куском резинового шланга. Все
детали прочно крепятся на доске
шурупами.
На двигатель подают
напряжение от малого агрегата
питания или батареи
аккумуляторов (12б). Дисковый двигатель
должен поворачивать ползунок
реостата так, чтобы тот уходил
то вправо, то влево от
нулевого положения на равный угол с
частотой порядка одного герца.
После проверки и
регулировки работы двигателя
собирают внешнюю цепь, пользуясь
рисунком 211. На реостат
подают напряжение порядка 1 в от одного элемента батарейки
карманного фонарика или от одной ячейки аккумулятора. Среднюю
точку кольцевого реостата и ползунок соединяют с вольтметром
магнитоэлектрической системы с нулем посередине шкалы.
С:
Рис. 210. Генератор переменного
тока малой частоты с дисковым
двигателем
uv-iff
8-128
<
?>
15-23
Рис. 211. Исследование переменного тока малой частоты
при помощи вольтметра
Как только под действием двигателя ползунок реостата придет
в колебательное движение, в такое же колебательное движение
придет и стрелка вольтметра, что и укажет на возникновение в
цепи переменного тока малой частоты.
Примечание
При отсутствии дискового двигателя можно ползунок
реостата привести в движение рукой, стараясь совершать
равномерное перемещение ползунка вправо и влево от нулевого
положения»
219

106. Демонстрация характера переменности
тока при помощи шлейфового осциллографа
Шлейфовый зеркальный гальванометр; вращающееся
восьмигранное зеркало; центробежная машина;
реостат (300 ом); осветитель; рубильник; малый агрегат
питания или трансформатор (220в/2в); вилка для включения
в городскую электросеть.
Схема установки для проведения эксперимента приведена на
рисунке 212. На осциллограф подают переменный ток (порядка
Gk—~
45
105
/<=ч-|—i-
Рис. 212. Исследование переменного тока при помощи, осциллографа
0,3 в), для чего ток снимают с реостата, включенного по схеме
делителя напряжения;
Световой «зайчик» от зеркала осциллографа должен падать на
вращающееся зеркало и, отраженный от последнего, вычерчивать
на экране синусоиду.
При равномерном вращении зеркала вычерчиваемая кривая
будет казаться неподвижной. Зеркало приводится во вращение
центробежной машиной.
Примечание
На такой установке можно исследовать переменный ток
любых частот до 500 гц.
107. Демонстрация переменного тока
при помощи осциллографа
из лампочек тлеющего разряда.
Трехфазный осциллограф(!)
3 лампочки тлеющего разряда; 3 высокоомных
сопротивления (по 500 ком или 3 реостата по 500 ком); 3
кольцевых реостата (по 1 Мом)\ трансформатор (220 в/6 в)\
22Q

восьмигранное вращающееся зеркало; центробежная
машина; текстолит или фанера (толщина 4 мм)\ 12
телефонных гнезд или клемм; жесть; шурупы; клей; штатив;
вилка для включения в городскую электросеть.
На рейке длиной 0,4 м укрепляют цилиндрическую лампочку
тлеющего разряда и последовательно с ней включают многоомное
сопротивление (рис. 213). На лампочку через сопротивление
подают ток от городской сети. Как только начнется
свечение электродов лампочки, рейку слегка
раскачивают вправо и влево. Светящиеся электроды в
полузатемненном помещении создадут впечатление
светящейся синусоиды. Тот же эксперимент можно
провести с так называемым «искателем полюсов» (см.
часть 4, стр. 67—69, Э-10).
Картину синусоиды можно получить устойчивой,
если собрать установку, изображенную на рисунке
214. Лампочку тлеющего разряда устанавливают
11 0
Т -ш
^
1
2 J
-, 1
J
*>
Г
'20 6
W
м
Рис. 213.
Простейший
осциллограф
из лампочек
тлеющего
разряда на
качающейся
рейке
Рис. 214. Осциллограф из лампочек тлеющего разряда
с применением вращающегося зеркала
на панели в штативе в вертикальном положении и на
нее подают напряжение через повышающий
трансформатор, на который в свою очередь ток подается
через делитель напряжения от городской
электросети. Перед лампочкой тлеющего разряда
устанавливают вращающееся зеркало. При зажигании электродов зеркало
приводят во вращательное движение. В притемненном помещении
на зеркале будет видна четкая синусоида.
Примечание
Подобным образом может быть исследован переменный
трехфазный ток. Для этого нужно три цилиндрические лампоч-
221

Рис. 215. Осциллограф трехфазного тока из трех лампочек
тлеющего разряда:
а — общий вид; б — боковая стенка с рукоятками круговых реостатов; в —
передняя стенка с укрепленными лампочками тлеющего разряда; г — другая
боковая стенка с клеммами и телефонными гнездами; "д — задняя стенка
ки тлеющего разряда закрепить на одной панели,
представляющей собой переднюю стенку коробки, изготовленной из
текстолита (рис. 215). На боковых стенках коробки следует
укрепить входные клеммы или телефонные гнезда, на другой
стенке — высокоомные сопротивления, при этом лучше взять не
постоянные сопротивления, а переменные — высокоомные
круговые реостаты, включаемые последовательно с каждой из
лампочек тлеющего разряда (рис. 216) и укрепляемые на
внутренней стенке коробки. Размеры коробки можно рекомендовать
230 мм X 100 мм X 60 мм. Стенки
коробки можно скрепить уголками из
жести.
Каждую из лампочек подключают
между линейным и нулевым проводом
городской сети трехфазного тока. Перед
передней стенкой коробки, против
лампочек тлеющего разряда, помещают
вращающееся зеркало, в котором и
отразятся светящиеся электроды лампочек
тлеющего разряда. Так как лампочки
расположены одна над другой, то и в зеркале возникнут три
расположенные друг над другом синусоиды. При достаточно
равномерном вращении зеркала при помощи центробежной
машины получатся стойкие светящиеся синусоиды с заметным
сдвигом фаз.
Рис. 216. Схема включения
лампочки тлеющего
разряда через кольцевой реостат
222

108. Сопоставление переменного тока
неизвестной частоты
с током известной частоты
2 шлейфовых гальванометра; 2 осветителя; 2
вращающихся восьмигранных зеркала; реостат (300 ом)\ 2
катушки (120/250 витков); и-образный сердечник;
полюсные наконечники; коллектор с кольцами; ротор
генератора переменного тока; центробежная машина; малый
агрегат питания; батарея аккумуляторов (10 в).
При помощи одного из осциллографов и вращающегося
зеркала получают синусоиду переменного тока, пользуясь указаниями,
данными в Э-106.
Второй осциллограф соединяют через делитель напряжения с
генератором переменного тока, ротор которого приводят во
вращение центробежной машиной (описание такого генератора дано
в Э-86). Для исследования синусоиды тока, снимаемого с
генератора, собирают схему, изображенную на рисунке 217.
Второй осциллограф и его осветитель должны быть
расположены так, чтобы вычерчиваемая им синусоида располагалась над
или под синусоидой, вычерчиваемой первым осциллографом,
включенным в городскую сеть. Такое расположение двух синусоид
позволит сопоставить их вид, частоту и амплитуду. Меняя
скорость вращения ротора генератора, можно получить токи
различной частоты. Так как частота первой синусоиды известна и равна
50 гц, то можно, пользуясь элементарной шкалой, например,
разбитой на сантиметры, найти и частоту тока генератора.
$ ?
-CZZh
Рис. 217. Исследование при помощи осциллографа, снимаемого с генератора
тока
223

Представляет интерес также проведение и дополнительного
эксперимента. Можно исследовать наложение синусоид токов
разных или одинаковых частот, включив на один осциллограф оба
источника тока — городскую сеть и генератор (рис. 217, б). В этом
случае ток городской сети лучше снимать через малый агрегат
питания.
109. Модель частотомера переменного тока
и преобразователя Румкорфа
2 катушки (по 250 витков); U-образный сердечник;
2 плоские пружины (от будильника) с железным
якорьком на конце; самодельный преобразователь Румкорфа;
батарея аккумуляторов (6 в).
Рис. 218. Простейший частотомер переменного тока
Над концами сердечника двух катушек по 250 витков,
расположенных на столе, помещают якорьки плоских пружин, зажатых
в лапках штативов (рис. 218). На катушки подают ток от батареи
аккумуляторов через преобразователь, превращающий постоянный
ток в переменный. Частота переменного тока будет зависеть от
частоты вращения ротора преобразователя.
Так как на катушки будет поступать переменный ток, то
возникающее в них и сердечниках переменное магнитное поле будет
периодически с такой же частотой притягивать к себе якорьки
стальных плоских пружин и они придут в колебательное движение.
Изменяя длину выступающей из лапки штатива плоской пружины,
можно добиться возникновения резонанса, что легко будет
установить по резкому возрастанию амплитуды колебания конца
пружины.
Зная частоту колебания пружин при заданной длине
выступающего ее конца, можно определить и частоту переменного тока.
На описанном в эксперименте принципе действуют так
называемые «язычковые» частотомеры.
224

Примечание
На рисунке 219 показана самодельная модель
преобразователя Румкорфа, изготовление которого может быть поручено
учащимся как внеклассное задание. Для удобства вращения
барабанчика-ротора преобразователя в деревянной рамке весь
прибор целесообразно укрепить при помощи струбцинки на столе
(рис. 219, а). Ротор следует изготовить из текстолита, гетинакса
Рис. 219. Преобразователь постоянного тока в переменный
(по Румкорфу)
или даже просто из дерева, покрыв его латунной фольгой.
Щетки изготавливают также из латуни или меди. На корпусе
преобразователя закрепляют клеммы.
§ 22. СОПРОТИВЛЕНИЕ ЦЕПЕЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
110. Активное (омическое) сопротивление
в цепях переменного тока
Константановая проволока (0 0,3 мм)\ реостат
(300 ом)\ вольтметр ЭМ (5 в)\ амперметр ЭМ (5 а); доска
фанерная (800 мм X 60 мм X 5 мм); 6 клемм;
рубильник; 2 штатива на изолирующих подставках; малый
агрегат питания; батарея аккумуляторов (4 в).
На монтажной доске укрепляют шесть клемм и между ними
натягивают три куска константановои проволоки длиной по 400 мм
каждый (см. часть 4, стр. 107—ПО, Э-30 и Э-31). На проволоки,
соединив их переключением клемм последовательно, через
делитель напряжения подают постоянный ток. В цепь включают ампер
метр и параллельно проволокам вольтметр. Измеряют
напряжение на концах проволок и силу тока в цепи и рассчитывают
сопротивление проволоки. Переключают клеммы и соединяют
проволоки параллельно (рис. 220). Вновь производят измерение
напряжения и силы тока и вторично рассчитывают сопротивление.
2425

Затем на проволоки подают
переменный ток городской
электросети. Перемещением
ползунка реостата устанавливают то
же напряжение на концах
проволок, что и при включении их
в цепь постоянного тока, после
чего измеряют силу тока. Путем
расчета определяют
сопротивление при последовательном и
параллельном соединении
проволок.
Сопоставляя результат
расчетов, можно сделать вывод,
что как при постоянном, так и
при переменном токе, поданном
на константановую проволоку,
сопротивление ее в хорошем
приближении одно и то же.
Активное (омическое) сопротивление проводников в цепях
переменного тока такое же, как и в цепях постоянного тока.
Примечание
Измерение напряжения и силы тока в цепях как
переменного, так и постоянного тока целесообразно проводить на
одних и тех же приборах, так как включение других приборов,
сопротивление которых может быть иным, может исказить
результат эксперимента. По тем же причинам нельзя пользоваться
авометром, внутреннее сопротивление которого в цепи
переменного тока другое, чем в цепи постоянного тока.
Рис. 220. Исследование активного
(омического) сопротивления в цепях
переменного тока
111. Реактивное (индуктивное) сопротивление
в цепях переменного тока
? -образный разборный сердечник из
трансформаторного железа; медная изолированная проволока (0 0,3 мм\
длина 15 м)\ вольтметр ЭМ (5 в)\ амперметр ЭМ (5 а);
реостат (300 ом)\ рубильник; 2 штатива на изолирующих
подставках; малый агрегат питания; батарея
аккумуляторов (4 в).
Медную изолированную проволоку длиной 15 м, концы
которой закреплены на клеммах штативов на изолирующих подставках,
натягивают в аудитории, зацепив среднюю точку за крюк, вбитый
в стену (рис. 221, а). На проволоку через делитель напряжения
дают постоянный ток от батареи аккумуляторов и по амперметру
и вольтметру определяют силу тока в цепи и напряжение на концах
226

,--^
Рис. 221. Сопоставление
активного и
реактивного сопротивления в
цепях постоянного и
переменного тока
проволоки. На основании данных измерений рассчитывают
сопротивление проволоки.
После этого заменяют батарею аккумуляторов на малый
агрегат питания и на проволоку подают переменный ток. Вновь
рассчитывают сопротивление проволоки. Сопоставление данных расчета,
как и в Э-110, убеждает нас в том, что сопротивление проволоки
осталось прежним. Активное (омическое) сопротивление
проводников в цепях переменного тока такое же, как и в цепях
постоянного тока (при 0 0,3 мм и длине проволоки 15 м ее сопротивление
равно примерно 1 ому).
Сняв проволоку с подвеса, ее наматывают на одно из колен
? -образного сердечника, образуя тем самым его катушку (рис.
221, б). Замкнув концы сердечника поперечным якорем, на катушку
подают постоянный ток от батареи аккумуляторов. Перемещением
ползунка реостата, включенного как делитель напряжения,
доводят напряжение на концах свитой в катушку проволоки до того,
при котором производились измерения в первых двух опытах.
Только после этого определяют силу тока. Рассчитывают сопротивление
и убеждаются, что и в этом случае сопротивление осталось прежним.
Отключив батарею аккумуляторов, подсоединяют малый
агрегат питания и на катушку подают переменный ток и снова рассчи-
227

тывают сопротивление. Расчет показывает, что сопротивление
резко возросло (примерно в 6,5 раза).
Эксперимент позволяет сделать вывод, что в цепях постоянного
тока сопротивление не зависит от того, какую форму мы придадим
проводнику. В цепях же переменного тока сопротивление прямого
проводника много меньше сопротивления такого же проводника,
но свитого в катушку, особенно если катушка насажена на
железный сердечник.
Сопротивление катушек в цепях переменного тока называется
кажущимся , оно является суммой активного (омического) и
реактивного (индуктивного) сопротивлений.
Примечания
1. См. примечание к Э-110.
2. Для этого эксперимента в качестве источника
постоянного тока нужно брать батарею аккумуляторов или батарейку
карманного фонарика. Применять для этих целей малый
агрегат питания нельзя, так как он дает пульсирующий ток,
способный вызвать реактивное сопротивление катушек.
112. Дроссели в цепях постоянного
и переменного тока
2 катушки (1500 витков); ? -образный сердечник из
трансформаторного железа; реостат (300 ом); амперметр
ЭМ (0,5 а); 2 лампочки накаливания (на 4 в, на 220<?);
рубильник; батарея аккумуляторов (6 в); малый агрегат
питания; вилка для включения в городскую электросеть.
Часть 1. Дроссель в цепях постоянного тока
На одно из колен ? -образного сердечника надевают катушку
с 1500 витков и через лампочку накаливания подают постоянный
ток от батареи аккумуляторов. В цепь должен быть включен
амперметр. Целесообразно ток снимать не прямо с батареи, а через
делитель напряжения (рис. 222, а). Перемещением ползунка
реостата добиваются нормального горения лампочки.
Яркость горения лампочки не меняется и в том случае, если
будет изменяться магнитное поле катушки при снятии с
сердечника верхней перекладины-якоря, и даже в том случае, если катушка
будет снята с сердечника. Не изменяются в этом случае и
показания амперметра. Следовательно, и этот вариант подтверждает
вывод, сделанный нами при проведении Э-111. Катушки в цепях
постоянного тока обладают только активным (омическим)
сопротивлением,
228

5 Рис. 222. Дроссель в цепи
Часть 2. Дроссель в цепях переменного тока
Надевают на сердечник обе катушки по 1500 витков и,
соединив их последовательно, собирают электрическую цепь,
изображенную на рисунке 222, б. На катушки подают переменный ток от
городской сети. При включении рубильника электрическая
лампочка или вовсе не загорается, или горит очень слабо, а
амперметр показывает ничтожную силу тока в цепи. При снятии
верхней перекладины-якоря сердечника лампочка разгорается ярче, а
амперметр показывает увеличение силы тока. Если совершенно
удалить сердечник, лампочка загорится почти в полную яркость,
а амперметр покажет дальнейшее увеличение силы тока.
Вывод: дроссель (катушка с сердечником) в цепях переменного
тока оказывает такое же действие, как и включение в цепь высо-
коомных сопротивлений. Величина кажущегося сопротивления
зависит от индуктивности катушек и их омического сопротивления.
Примечание
Вторую часть эксперимента можно провести и с малым
агрегатом питания, снимая с него напряжение порядка 20 в. В
этом случае, естественно, необходимо взять и соответствующую
лампочку накаливания. Эксперимент может быть предложен
для самостоятельного выполнения его учащимися.
229

113. Зависимость индуктивного сопротивления
в цепях переменного тока
от индуктивности катушек и частоты тока
Приборы те же, что и для Э-112. Кроме того, 7
катушек (125 витков, 250 витков, 500 витков, 2 — по 750
витков, 1500 витков и катушка с двойной намоткой
750/1500 витков); малый агрегат питания;
преобразователь Румкорфа; амперметр ЭМ (0,5 а).
Часть 1.
Зависимость con-
ротивления
катушек от числа
витков
В электрическую цепь,
изображенную на рисунке 223,
включают по очереди катушки
с разным числом витков.
Эксперимент повторяет Э-110, но
вместо константановой
проволоки, укрепленной на монтажной
доске, исследуются катушки.
Для каждой из катушек
снимают показания
амперметра и вольтметра, включая
катушки без сердечника, с
U-образным сердечником и,
наконец, с D-образным сердечником.
Все данные заносят в
таблицу.
Результат эксперимента позволяет установить, что с
возрастанием числа витков, а значит, и с возрастанием индуктивности
увеличивается и кажущееся сопротивление.
l-zwrvi 250
Рис. 223. Зависимость индуктивного
сопротивления от числа витков,
катушек, введенных в цепь
переменного тока
Число
витков
п
1 —
Катушка без сердечника

напряжение
и
в
сила
тока
/
а
сопротив-
лени е
R
ом
Катушка с и
¦образным
сердечником

напряжение
"i
в
сила
тока
'i
а

сопротивление
*i
ОМ
Катушка с О -образным
сердечником

напряжение
и*
в
сила
тока
/.
а

сопротивление
R*
ОМ 1
230

Часть 2. Зависимость сопротивления от индуктивности
Следует иметь в виду, что в первой части эксперимента с
возрастанием числа витков возрастало и омическое сопротивление,
а не только индуктивность катушек. Вот почему в этой части
эксперимента следует применить катушку с разным числом витков,
но с одинаковым омическим сопротивлением обмоток в 750 витков
и 1500 витков. Удобно взять катушку с двойной обмоткой
750/1500 витков.
Собирают цепь, изображенную на рисунке 224, а. Включают
обмотки с 750 витками и на катушку подают постоянный ток. По
показаниям приборов рассчитывают омическое сопротивление
катушки.
Пусть мы имеем:
U = 1,32 в, 1 = 0,2 а, тогда R = —,
R = 6,6 ома.
Затем на ту же катушку подают переменный ток и вновь
рассчитывают сопротивление:
Ux = 77 в, 1г = 0,2 а, и тогда /?4 = 385 ом.
После этого включают обмотку с 1500 витками и с тем же
омическим сопротивлением 6,6 ом. В этом случае целесообразно
использовать большой агрегат питания и на установку подать
напряжение порядка 250 в (рис. 224, б). Снимают новый ряд показаний
приборов и рассчитывают сопротивление:
U2 = 230 в, /2 = 0,2 а, и тогда R2 = 1150 ом.
woe
о
О
2506
Рис. 224. Зависимость
индуктивного
сопротивления от индуктивности
катушек
231

В этой части эксперимента особенно убедителен вывод
зависимости кажущегося сопротивления от индуктивности катушек и
числа витков.
Часть 3. Зависимость сопротивления от частоты
Источником тока для проведения этой части эксперимента
служит батарея аккумуляторов на 10 в, но ток подают через
преобразователь Румкорфа, описанный в Э-106. Собирают цепь,
изображенную на рисунке 225. На сердечник надевают катушку с 750 вит-
Рис. 225. Зависимость индуктивного сопротивления
от частоты тока
ками, параллельно катушке включают вольтметр, а
последовательно — амперметр на 0,5 а и лампочку накаливания на 4 в. Ток на
преобразователь подают через делитель напряжения.
При неподвижном роторе преобразователя на катушку
поступает постоянный ток. Перемещением ползунка реостата добиваются
нормальной яркости горения лампочки накаливания.
Как только ротор преобразователя Румкорфа будет приведен
во вращение, что лучше делать при помощи центробежной машины
или от электрического двигателя с регулируемым числом оборотов,
лампочка будет угасать тем быстрее, чем больше частота вращения
ротора. По мере угасания лампочки будут уменьшаться и
показания амперметра.
Эта часть эксперимента позволяет сделать убедительный вывод
о возрастании кажущегося сопротивления по мере увеличения
частоты переменного тока.
К сожалению, вывести уравнение, позволяющее установить
количественную закономерность, в условиях эксперимента трудно.
Вот почему такое уравнение следует дать на лекции при
изложении материала раньше, чем будет проведен эксперимент, который
только подтвердит его:
a RL =o).L,
*z =/Л2 + Д1= )AR2+cd2L2,
но так как o) = 2nv, то
#z=/#2_|_4n2v2L2,
232

где R — омическое сопротивление, RL — индуктивное
(реактивное) сопротивление, Rz — кажущееся сопротивление, v —
частота тока и L — индуктивность катушки.
114. Определение индуктивного сопротивления
цепей переменного тока и индуктивности
катушек (!)
Приборы те же, что и для Э-112. Кроме того, 3
катушки (500 витков, 750 витков, 1500 витков).
Нахождение кажущегося сопротивления катушек в цепях
переменного тока было рассмотрено в Э-112 и Э-113, поэтому
принцип проведения эксперимента не
требует разъяснения. В данном ^
эксперименте используют катушки
с 500 витками, 750 витками и
1500 витками, включенными в цепь,
изображенную на рисунке 226.
Кажущееся сопротивление
*-?
где U и I — эффективное
напряжение и эффективная сила тока.
Но так как
W
*т
Q.
л 1 i ф
<2>
г"Г>
-Г^ГГГХ
клл^-*
Rz = ]/a2+ R2l, Рис. 226. Индуктивное
сопротивление в цепях переменноготока
то R%=R2+Rl,
откуда
в то же время
и тогда
L
Rl=VK2z-R\
Rl = (hL
_V r\-r? _V r\-
-R*
2ttv
Так как в эксперименте используется обычный переменный
ток с частотой 50 гц, формула упрощается:
Все измерения целесообразно свести в таблицу.
233

Число
п
\ —
Омическое
R
ом
Напряже-
U
в
Сила
/
а
Кажущееся
сопротивление
Rz
ом

Индуктивное
сопротивление
Rl
ом

Индуктивность
катушки
L
генри
Примечание
При определении омического сопротивления следует
пользоваться только батареей аккумуляторов (см. примечание к
Э-111).
115. Включение конденсатора в цепа
постоянного и переменного тока.
Емкостное сопротивление (!)
3 конденсатора (по 4 мкф)\ миллиамперметр МЭ с
нулем посередине шкалы; лампочка накаливания (4 в)\
ключ Морзе; преобразователь Румкорфа; рубильник;
2 штатива на изолирующих подставках; малый агрегат
питания; батарея аккумуляторов (18 в)\ центробежная
машина.
Часть 1. Конденсатор в цепях постоянного тока
Принципиальная схема установки приведена на рисунке 227.
При включении ключа Морзе на зарядку конденсаторов
(положение а) на короткое
время вспыхивает лампочка
накаливания и тут же
гаснет, так как для
постоянного тока, который
подается на эту установку,
конденсаторы не являются
проводниками. В момент
переключения ключа
Морзе на разрядку
конденсаторов (положение б)
лампочка вспыхивает еще раз
и на очень короткое время. При зарядке и разрядке возникают
кратковременные токи в цепи. Если вместо лампочки в цепь
будет включен миллиамперметр, то стрелка прибора в момент
включения ключа и его переключения испытывает импульс тока,
о величине которого можно судить по отбросу стрелки сначала
в одном, а затем в другом направлении (см. Э-20).
Опыт подтверждает высказанную мысль: через конденсатор
постоянный ток не проходит.
Лч.
я« К
tgrSs
Рис. 227. Емкостное сопротивление в
цепях постоянного тока
234

Часть 2. Конденсатор в цепях переменного тока
В уже рассмотренной цепи батарею аккумуляторов заменяют
малым агрегатом питания (рис. 228).
Как только ключ Морзе будет включен на зарядку
конденсаторов, т. е. переведен в положение а, лампочка накаливания
загорится и будет гореть до тех пор, пока ключ не будет переведен в
чв
-S-
W
1506
L-®-?|h)c
Рис. 228. Емкостное сопротивление
в цепях переменного тока
Рис. 229. Емкостное сопротивление
в цепях переменного тока разной
частоты
положение б на разрядку конденсаторов. Наблюдение позволяет
сделать вывод, что переменный ток проходит через конденсатор.
Часть 3. Конденсатор в цепях переменного тока разной частоты
В установке, описанной во второй части эксперимента, вновь
заменяют источник тока, но на этот раз, пользуясь агрегатом
питания, подают постоянный ток с напряжением 150 в. Ток от
источника подается на преобразователь Румкорфа (см. Э-109) и, уже
преобразованный в переменный ток, идет на конденсаторы,
последовательно с которыми включена лампочка накаливания на 250 в.
Общая схема установки приведена на рисунке 229.
Пока ротор преобразователя неподвижен, на конденсаторы
поступает постоянный ток и, следовательно, он через конденсаторы
не проходит. Лампочка накаливания не горит. Но как только ротор
преобразователя будет приведен во вращение, лампочка
накаливания начинает гореть и тем более ярко, чем больше скорость
вращения ротора, а значит, чем больше частота переменного
тока.
Эксперимент позволяет утверждать, что с возрастанием
частоты переменного тока возрастает и проводимость конденсатора.
Ротор преобразователя целесообразно приводить во вращение
при помощи центробежной машины или электрического двигателя
с регулируемым числом оборотов. В последнем случае частоту
вращения ротора нельзя значительно повышать, так как может
перегореть лампочка накаливания.
235

116. Зависимость емкостного сопротивления
цепей переменного тока
от включенных в них емкостей
и от частоты тока(!)
4 конденсатора (1 мкф, 2 мкф, 2 мкф); амперметр
ЭМ (0,5 а); вольтметр ЭМ (250 в); преобразователь
Румкорфа; рубильник; большой агрегат питания; вилка
для включения в городскую электросеть.
2206
Часть 1. Зависимость емкостного сопротивления от
включенных в цепь конденсаторов
Собирают батарею конденсаторов 2 мкф, 2 мкф и 1 мкф так,
чтобы можно было включать как все конденсаторы вместе, так и
каждый в отдельности или в
любой паре. На конденсаторы
подают напряжение городской
сети. Параллельно конденсаторам
включают вольтметр, а
последовательно—амперметр (рис. 230).
Вначале включают всего
один конденсатор в 1 мкф.
Показания приборов записывают в
таблицу, приведенную ниже.
Затем включают конденсатор на
2 мкф и далее группами с
емкостью в 3 мкф и, наконец, 5 мкф.
Ф-
о.
L_0
-Ф
Рис. 230. Зависимость
емкостного сопротивления от включенных
емкостей
Емкость
с
ф
Напряжение
и
в
Сила тока
/
а
Емкостное
сопротивление
Rc
ОМ
Произведение
Vе 1
ОМ'ф \
На основании эксперимента нетрудно установить, что
произведение емкостного сопротивления на емкость в достаточном
приближении постоянно, а это значит, что емкостное сопротивление
обратно пропорционально емкости:
с с
Следует иметь в виду, что приборами измеряются эффективные
значения силы тока и напряжения.
236

Часть 2. Зависимость силы тока в цепи с включенным
конденсатором от частоты переменного тока
В этой части эксперимента берут источник постоянного тока
на 50 в. Такой ток подают на преобразователь Румкорфа (см. Э-109)
и с него поступает на конденсатор емкостью в 10 мкф (рис. 231).
Параллельно конденсато-
46
Г
I
I J
-@-
-0-1
ру подключают вольтметр,
а последовательно —
амперметр. 50в
Пока ротор
преобразователя Румкорфа
неподвижен, на конденсатор
поступает постоянный ток,
стрелка амперметра оста- Рис- 231. Влияние частоты переменного
ется в покое. Как только тока на костное сопротивление
ротор преобразователя
будет приведен во вращательное движение, в цепи появится
переменный ток, величину которого и будет показывать амперметр. Чем
больше частота вращения ротора, тем сила тока в цепи будет
больше, а, следовательно, сопротивление цепи меньше.
Применяя стробоскоп или тахометр, можно определить
частоту вращения ротора преобразователя по частоте вращения
шпинделя центробежной машины или электрического двигателя и в
этом случае достаточно хорошо подтверждается уравнение:
с со-С
Из курса физики учащиеся знакэт, что
/?z =/*» + /$ =/*»
1
4jt2v2-C2
Проведенный эксперимент с достаточной точностью
подтверждает эту закономерность.
117. Определение емкостного сопротивления
цепей переменного тока(!)
Приборы те же, что и для Э-116, исключая
преобразователь Румкорфа.
Для проведения эксперимента собирают ту же схему, что и в
Э-116. На установку подают переменный ток от городской сети.
Конденсаторы включают так, чтобы можно было получить ряд
емкостей от 1 до 5 мкф. Для каждого сочетания конденсаторов
определяют емкостное сопротивление по формуле:
237

Rr =
TO
Так как
l
2nv-c '
C= L_
2nv-Rc '
Но включение установки в городскую электросеть
обеспечивает постоянную частоту в 50 гц, что упрощает расчет:
С =
314#г
Все показания приборов и данные, полученные расчетом,
заносят в таблицу.
Емкость
конденсаторов
С
Сила тока
/
мкф 1 а
Сопротивление
Re
ОМ
Емкость цепи
С
мкф 1
118. Емкостное и индукционное сопротивление
в цепях переменного тока(!)
3 катушки (500 витков, 750 витков и 1500 витков);
4 конденсатора (2 — по 1 мкф и 2 — по 2 мкф)\ реостат
(300 ом)', постоянное сопротивление (1 ком); П-образный
сердечник; вольтметр (5 в); амперметр (1 а)\ 2 штатива
на изолирующих подставках: вилка для включения в
городскую электросеть, малый агрегат питания.
Ф-
чъ
§1
<D—tZjH
-ф
Q 5
Рис. 232. Влияние последовательного и параллельного включения катушек
в цепь переменного тока на индуктивное сопротивление
238

Часть 1. Последовательное соединение катушек
Принципиальная схема установки приведена на рисунке 232, а.
На катушки, соединяемые последовательно, подают переменный
ток 4 в от малого агрегата питания.
Вначале включают всего одну катушку с 500 витками, затем
последовательно с ней присоединяют вторую катушку на 750
витков и, наконец, третью на 1500 витков. Для каждого соединения
измеряют силу тока и напряжение, рассчитывают сопротивление.
Данные эксперимента заносят в таблицу.
Число витков
п
1 —
Индуктивное
сопротивление
каждой
катушки
Rl
ом
Сила тока
/
а
Индуктивное
сопротивление
катушек,
соединенных
последовательно
Rl
ом
Активное и индуктивное сопротивление каждой из катушек
следует определить предварительно, пользуясь указаниями,
данными в Э-114. Полученные данные о катушках следует выписать
на этикетках, приклеиваемых к самим катушкам.
Данные эксперимента убедительно показывают, что общее
индуктивное сопротивление при последовательном соединении равно
сумме индуктивных сопротивлений:
Часть 2. Параллельное соединение катушек
Схема соединения приведена на рисунке 232, б. Катушки
включают в цепь параллельно по две, например, с числом витков 500 и
750, или 500 и 1500, или, наконец, 750 и 1500. Каждый раз, как и
в первой части эксперимента, рассчитывают сопротивление. Все
данные измерений и расчетов заносят в таблицу.
Число витков
в катушках
(дробью)
п/п1

Напряжение
и
в
Сила
тока
/
а
Сопротивление
каждой
катушки
«д.
ОМ
катушек,
соединенных
параллельно
Ч
ОМ
Проводимость 1
каждой
катушки
1
Я/
ОМ'1
катушек,

соединенных
параллельно
1 1
ОМ'1 1
239

Сопоставление данных, полученных в результате проведения
этой части эксперимента, в хорошем приближении подтверждает
вывод: индуктивная проводимость параллельно соединенных
катушек равна сумме их индуктивных проводимостей или
величина, обратная индуктивному сопротивлению параллельно
соединенных катушек, равна сумме обратных величин их индуктивных
сопротивлений:
1 1,1,1
Rl ~#z
+ р^ +
Часть 3. Последовательное соединение конденсаторов
Последовательно соединяют в разном сочетании конденсаторы
равных и разных емкостей (рис. 233, а, б, в), и под контролем ам-
2205
<Z>
irni!
Рис. 233. Влияние
последовательного и параллельного включения
конденсаторов на емкостное
сопротивление цепей переменного тока:
а — последовательное включение; б и
в — смешанное включение; г —
параллельное включение
перметра на них подают ток городской сети. Для каждого сочетания
конденсаторов измеряют силу тока и рассчитывают сопротивление.
Все данные эксперимента заносят в таблицу.
j Емкости
соединенных
конденсаторов
(дробью)
Ф\
мкф/мкф
Напряжение
и
в
Сила
тока
/
а
Емкостное сопротивление
каждое
**.
ОМ
общее
Re
ом
Емкость
общая
С
мкф
В предварительном эксперименте необходимо определить
емкостное сопротивление каждого конденсатора и написать его на
их корпусах.
240

Данные эксперимента убедительно подтверждают, что общая
емкость последовательно соединенных конденсаторов может быть
найдена по формуле:
- = -+-+-,
С Cj С2 С3
а при равной их емкости:
^обш
9а
п
И в этом случае общее емкостное сопротивление будет:
с 2tiv \СХ '' С2 ' С3 /'
или соответственно
#г =
2icv-C0
Часть 4. Параллельное соединение конденсаторов
На той же установке, изменив порядок соединения
конденсаторов (рис. 233, г), проводится исследование параллельного их
включения. Для каждого случая проводят измерение силы тока и
рассчитывают емкостное сопротивление. Все данные заносят в
таблицу.
Число
соединенных
конденсаторов
п
—
Емкость
каждого
конденсатора
Со
мкф

Напряжение
и
в
Сила
тока
/
а
Емкостное сопротивление
каждого
Rc0
ОМ
общее
Rc
ом
Общая
емкость
С
мкф
Данные эксперимента позволяют установить, что общая емкость
конденсаторов при их параллельном включении равна сумме их
емкостей:
c = Cl+c2+c3>
а при равной емкости:
С==/г.С0.
Но тогда общее емкостное сопротивление может быть найдено по
формуле:
или соответственно
2кч.(Сх+С2 + С3)
1
Rr =
2кч-п»С0
241

Часть 5. Определение общего сопротивления в цепях
переменного тока при включении в цепь активного
(омического), реактивного (индуктивного) и емкостного
сопротивлений
Для проведения этой части эксперимента собирают новую
установку, схема которой приведена на рисунке 234. Собирают
последовательную цепь из постоянного сопротивления (в 1 ком),
катушки, насаженной на
сердечник, и конденсатора.
На эту цепь под
контролем амперметра подают
переменный ток городской
электросети.
Следует предупредить,
что в этом случае
эксперимент дает лишь
приближенные результаты, на
которые влияет
соотношение сопротивлений
элементов цепи. И тем не менее
проведение эксперимента
желательно, так как он
подтверждает справедливость расчетных формул и, в частности,
наиболее общей:
*z =/¦/?»+(^-/?с)»-
Впрочем, активным (омическим) сопротивлением катушек в
этой части эксперимента можно пренебречь.
Порядок проведения эксперимента может быть такой: вначале
исследование ведут при включенном одном активном
сопротивлении, затем при одном реактивном (индуктивном) и, наконец, при
одном емкостном. После проведения этого ряда исследований
переходят к новому комплексу, беря активное и реактивное, затем
активное и емкостное и, наконец, емкостное и реактивное
сопротивления. И в заключение эксперимента включают все три
сопротивления. Работа требует значительного времени, но только по этой
причине отказываться от нее было бы нецелесообразно.
Рис. 234. Цепь с емкостным,
индуктивным и омическим сопротивлением
§ 23. СДВИГ ФАЗ В ЦЕПЯХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
119. Демонстрация сдвига фаз
при помощи амперметра и вольтметра(!)
2 катушки (по 1500 витков); ? -образный сердечник;
конденсатор (4 мкф)\ 2 электролитических
конденсатора (50 мкф, 60 в); 4 реостата (2 — по 300 ом, 1 — на
1300 ом и 1 — на 19 ом)\ кольцевой реостат (300 ом)\
242

вольтметр МЭ (10 в)\ амперметр (50 ма)\ дисковый
электродвигатель; 2 штатива на изолирующих подставках;
малый агрегат питания; 2 батарейки карманного
фонарика или 2 аккумулятора (1,5 в).
Переменный ток малой частоты можно получить простым
перемещением ползунков двух реостатов, соединенных параллельно,
как это указано на рисунке 235
(см. также Э-58). Но можно
Т
ч-юь
?
<?
ZZZ
О-
~~1^ воспользоваться и установкой,
_@_
-4—W-
6
Рис. 235. Исследование сдвига фаз
при включении различного вида
сопротивлений в цепь переменного
тока малой частоты, возбуждаемого
смещением движка реостата:
а — омическое сопротивление; б —
индуктивное сопротивление; в — емкостное
сопротивление
изображенной на рисунке 236.
В такой установке для
получения переменного тока
используется кольцевой реостат,
приводимый в движение дисковым
электродвигателем (см. Э-105).
Для большей наглядности
измерительные приборы
магнитоэлектрической системы нужно
расположить один над другим
(рис. 236). Исследуемые
сопротивления подключают к
клеммам двух штативов на
изолирующих подставках, которые
1,5-25
К исследуемому
сопротивлению
Рис. 236. Установка для исследования сдвига фаз в цепях
переменного тока малой частоты, возбуждаемого кольцевым
реостатом (верхний прибор —вольтметр)
243

прерывают цепь амперметра. К этим же клеммам присоединяют
и вольтметр.
Вариант А
Получение переменного тока малой частоты до 1 гц от
генератора постоянного тока достигается попеременным смещением
ползунка одного из реостатов, соединенных параллельно (см. Э-58),
ползунок другого реостата стоит на середине обмотки. В цепь
амперметра по очереди включают:
1. Активное (омическое)
сопротивление — реостат на 1300 ом. Ток при
этом порядка 5 ма.
2. Реактивное (индуктивное)
сопротивление — 2 катушки по 1500 витков,
надетые на ? -образный сердечник. Ток
порядка 50 ма.
3. Емкостное сопротивление —
конденсатор на 4 мкф. Ток порядка 2 ма.
При включении каждого из
сопротивлений измеряют напряжение на
концах сопротивления и силу тока в цепи.
При включении активного
сопротивления стрелки обоих приборов
колеблются синхронно с частотой, равной
частоте переменного тока.
При реактивном (индуктивном)
сопротивлении стрелка амперметра отстает
от стрелки вольтметра, так как ток по
фазе отстает от напряжения.
При емкостном сопротивлении стрелка амперметра опережает
стрелку вольтметра, так как ток опережает по фазе прилагаемое
напряжение.
Рис. 237. Сопоставление ха
рактера сдвига фаз при
различного вида сопротивлениях,
включаемых в цепь
переменного тока
Вариант Б
Общий вид установки приведен на рисунке 236 и
принципиальная схема — на рисунке 237. Амперметр шунтируется небольшим
реостатом (19 ом), позволяющим удержать стрелку в пределах
шкалы.
Исследуют тот же ряд сопротивлений, что и в первом варианте
эксперимента.
Так как переменный ток получают при помощи кольцевого
реостата, приводимого в движение дисковым двигателем, то,
меняя подаваемое на двигатель напряжение постоянного тока,
можно менять и частоту переменного тока от 0,3 до X гц, вы-
244

брав частоту, наиболее удобную для демонстрации сдвига
фаз.
Результаты наблюдений те же, что и в первом варианте
эксперимента.
Ток от батарейки карманного фонарика, подаваемый на
кольцевой реостат, следует включать уже тогда, когда дисковый
двигатель приведен в действие.
120. Демонстрация сдвига фаз
при помощи лампочек тлеющего разряда
при больших сопротивлениях (!)
ф—С
2 катушки (по 15 000 витков); ? -образный сердечник;
конденсатор (3000 пф); реостат (500 ком); осциллограф из
лампочек тлеющего разряда; вращающееся зеркало;
центробежная машина; 2 штатива на изолирующих
подставках; вилка для включения в городскую электросеть.
Принципиальная схема цепи приведена на рисунке 238. На
осциллографе из лампочек тлеющего разряда включают только две
лампочки (см. Э-107). Одна лампочка — Л1 — включается в цепь
как индикатор напряжения, другая —
Л2 — как индикатор силы тока.
Цепь исследуют при включении в
нее:
1. Активного (омического)
сопротивления — реостата на 500 ком.
2. Реактивного (индуктивного)
сопротивления — 2 катушки по 15 000
витков, соединенных последовательно и
надетых на ? -образный сердечник.
3. Емкостного сопротивления —
конденсатора на 3000 пф.
На установку подают переменный
ток городской электросети и сразу же
при помощи центробежной машины
приводят восьмигранное зеркало во
вращение. Осциллограф устанавливают так,
чтобы светящиеся электроды лампочек
отражались в зеркале один над другим,
образуя два ряда изображений кривых.
По сопоставлению кривых, полученных в зеркале (см. рис. 214),
можно установить, что при активном сопротивлении кривая
напряжения, полученная от лампочки Л^ по фазам совпадает с кривой
силы тока, полученной от лампочки Л2. При реактивном
сопротивлении кривая силы тока отстает по фазе от кривой напряжения, а
220 д
Рис. 238. Демонстрация при
помощи лампочки
тлеющего разряда сдвига фаз при
больших сопротивлениях
цепи
245

при емкостном сопротивлении кривая силы тока опережает
кривую напряжения.
Сдвиг фаз особенно хорошо заметен при равномерном
вращении восьмигранного зеркала.
121. Демонстрация сдвига фаз
при помощи лампочек тлеющего разряда
при малых сопротивлениях
Приборы те же, что и для Э-120, но с некоторой
заменой. Катушки по 1500 витков; 2 реостата по 500 ом и
конденсатор на 4 мкф\ шлейфовый, зеркальный
гальванометр; малый агрегат питания.
Рассмотренная в Э-120 установка для исследования цепей
переменного тока при включении больших сопротивлений не
позволяет провести подобные же
исследования при включении малых
сопротивлений. Вот почему мы предлагаем
вариант установки, принципиальная схема
которой изображена на рисунке 239.
В этой схеме лампочка тлеющего
разряда «#! служит индикатором силы тока, а
лампочка Л2 — индикатором
напряжения. И на этой установке исследуют
тот же ряд сопротивлений, но с
другими параметрами:
1. Активное (омическое) сопротивле-
Lit У\ s^>L2 ние — реостат на 500 ом.
1 *г I! ^" Реактивное (индуктивное) сопро-
1^ | Vfcy тивление — 2 катушки по 1500 витков,
надетые на ? -образный сердечник.
3. Емкостное сопротивление —
конденсатор на 4 мкф.
Реостат, включенный параллельно
лампочке JIi (на схеме верхний),
необходим для поддержания одинаковой
яркости свечения электродов лампочек тлеющего разряда.
Порядок проведения эксперимента тот же, что и в Э-120.
Примечание
Эксперимент может быть проведен и с двумя зеркальными
шлейфовыми гальванометрами, но в этом случае необходим
малый агрегат питания и напряжение переменного тока
порядка 4 в.
Рис. 239. Демонстрация
при помощи лампочки
тлеющего разряда сдвига фаз
при малых сопротивлениях
цепи
246

122. Сдвиг фйз в резонирующих цепях
4 катушки (по 1500 витков); 2 U-образных
сердечника; 2 электролитических конденсатора (50 мкф,
60 в); 2 вольтметра МЭ (5 в); 2 амперметра МЭ (1 а); 4
реостата (19 ом, 30 ом, 100 ом, 500 ом); 3 штатива на
изолирующих подставках; кольцевой реостат с дисковым
электродвигателем или 2 ползунковых реостата (по
200 ом)', малый агрегат питания; батарейка карманного
фонарика или аккумулятора (1,5 в).
Часть 1. Сдвиг фаз напряжения при последовательном
включении индуктивного и емкостного сопротивлений
К клеммам генератора переменного тока малой частоты (до 1 гц)
включают соединенные последовательно индуктивное и емкостное
сопротивления. Индуктивное (реактивное) сопротивление
образуют две катушки, соединенные последовательно и надетые на два
U-образных сердечника, поставленных друг на друга полюсами.
Параллельно катушкам следует включить вольтметр
магнитоэлектрической системы. Емкостное сопротивление образуют два
электролитических конденсатора, соединенных по указанному на
рисунке 240 способу. Падение напряжения на конденсаторах измеряют
вольтметром, включенным параллельно конденсаторам с
добавочным сопротивлением — реостатом на 500 ом.
Как только на установку будет подан ток, стрелки приборов
начнут отклоняться от нулевого положения, но в
противоположные стороны, что указывает на прохождение тока через
вольтметры в противофазах.
1,5-46
Рис. 240. Сдвиг фаз в
резонирующих цепях при последовательном
включении сопротивлений
Рис. 241. Сдвиг фаз в
резонирующих цепях при параллельном
включении сопротивлений
247

Часть 2. Сдвиг фаз тока при параллельном включении в цепь
индуктивного и емкостного сопротивлений
Цепь, собранную для первой части эксперимента, изменяют.
Теперь индуктивное сопротивление составляют четыре катушки,
соединенные последовательно и надетые на два и -образных
сердечника, поставленные концами друг на друга так, что
получается П-образный сердечник. Емкостное сопротивление образуют
два электролитических конденсатора по 500 мкфу способ
включения которых указан на рисунке 241.
Последовательно с индуктивным сопротивлением включают
амперметр, шунтированный реостатом, так, чтобы показания
амперметра не превышали 5 ма. Последовательно с конденсаторами
включают второй амперметр с добавочным сопротивлением (на
схеме не указано) на 100 ом.
При подаче тока на установку стрелки амперметров будут
отклоняться в противоположном направлении, так как через
приборы пойдет переменный ток в противофазах.
Примечания
1. Для получения переменного тока малой частоты (до 1 гц)
может быть использована установка, описанная в Э-105 с
кольцевым реостатом, приводимым в движение дисковым
электродвигателем. Однако столь же успешно эксперимент проводится при
получении переменного тока путем перемещения ползунков двух
параллельно соединенных реостатов, как это указано в Э-58.
2. Измерительные приборы следует расположить один над
другим или так, чтобы их показания хорошо были видны в
аудитории (см., например, рис. 236).
§ 24. ЭФФЕКТИВНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ И ЭФФЕКТИВНАЯ СИЛА ТОКА
В ЦЕПЯХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.
РАБОТА И МОЩНОСТЬ В ЦЕПЯХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
123. Поведение приборов
магнитоэлектрической системы в цепях
переменного тока(!)
Амперметр МЭ с нулем по середине шкалы (0,5 а)\
генератор переменного тока, ротор которого приводится
в движение центробежной машиной; 2 лампочки
накаливания (на 4 б и 220 в ; рубильник; центробежная машина;
малый агрегат питания или батарея аккумуляторов
(6 в); вилка для включения в городскую электросеть.
248

Рис. 242. Магнитоэлектрические приборы в цепях
переменного тока
К генератору переменного тока, например, описанному в Э-86,
подсоединяют лампочку накаливания и амперметр
магнитоэлектрической системы (рис. 242).
Приводя ротор генератора во вращательное движение при
помощи центробежной машины, можно установить, что при малой
частоте вращения ротора с такой же частотой стрелка амперметра
будет колебаться вокруг нулевого положения, но лампочка
накаливания при этом гореть не будет. При значительном увеличении
скорости вращения якоря стрелка прибора перестает колебаться,
не успевая за вызывающими ее колебания импульсами энергии, и
остается недвижима у нулевой отметки шкалы, но лампочка
накаливания начинает ярко гореть.
Еще убедительнее можно показать непригодность приборов
магнитоэлектрической системы для измерений в цепях
переменного тока, включив амперметр МЭ и лампочку накаливания в
городскую электросеть. Лампочка накаливания, естественно,
рассчитанная на напряжение сети, будет ярко гореть, хотя амперметр и
не покажет наличия тока.
124. Измерение эффективной силы тока
и эффективного напряжения (!)
Амперметр МЭ (0,5 а); амперметр ЭМ (0,5 а)\
амперметр МЭ с полупроводниковым выпрямителем (0,5 а);
амперметр МЭ с термопарой (0,5 а)\ намагниченная
стрелка с противовесом, установленная на призме; 4
полупроводниковых диода; термоэлемент; 2 лампочки
накаливания (на 4 в и 220 в); катушка (250 витков);
рубильник; железная проволока (0 0,2 мм); 2 штатива на изо-
249

лирующей подставке; планка изолирующая с двумя
клеммами; малый агрегат питания; вилка для
включения в городскую электросеть.
Часть 1. Приборы для измерения эффективных значений силы
тока и напряжения в цепях переменного тока
Последовательно с лампочкой накаливания в цепь, собранную
от городской электросети, один за другим включают амперметры
разного устройства: амперметр ЭМ, амперметр МЭ с
полупроводниковым диодом (выпрямителем) и, наконец, амперметр МЭ с
термоэлементом (рис. 243, а, б, в). При включении рубильника ам-
-220 в
i
Шн
¦^2208
лл
-м-
-2206
ЛЛ
l\
Рис. 243. Измерительные приборы разных систем в цепях переменного
тока:
а — приборы электромагнитные; б — приборы магнитоэлектрические с
выпрямителем? в — приборы магнитоэлектрические с термоэлементом
перметры всех указанных систем показывают одну и ту же силу
тока, лампочка накаливания горит нормально. Приборами такого
типа может быть измерено и напряжение.
Действие каждого из этих приборов основано на разных
принципах, рассмотренных ниже. При помощи этих приборов мы,
собственно, измеряем напряжением и силу тока не непосредственно,
а косвенным путем, используя измерение мощности, что не
зависит от направления тока.
Измеренное таким образом напряжение называется
эффективным (Ueff) и сила тока — эффективной силой тока (Ieff).
Произведение эффективных значений силы тока на
напряжение дает кажущуюся мощность, измеряемую в вольт-амперах {в-а).
Р ^UeffIeff^
250

Часть 2. Модели измерительных приборов для цепей
переменного тока
А. Модель приборов
электромагнитной системы
Общий вид установки приведен
на рисунке 244. При включении
рубильника стрелка прибора
ЭМ отклоняется, показывая
эффективное значение силы тока.
Такой моделью может являться
прибор, описанный в части 4,
стр. 248—250.
Б. Модель приборов магнитоэлектрической системы с
полупроводниковым диодом (выпрямителем)
Общая схема включения селенового выпрямителя в цепь
амперметра магнитоэлектрической системы (МЭ) приведена на
рисунке 245. Последовательно с амперметром включают лампочку
накаливания по возможности большой мощности, рассчитанную
на напряжение, подаваемое на установку от малого агрегата
питания (4 в). Результат эксперимента тот же, что и в предыдущем
случае.
Рис. 245. Селеновый выпрямитель как приставка
к измерительному прибору
¦о 6-
Рис. 244. Модель прибора
системы ЭМ
251

В. Модель приборов магнитоэлектрической системы с
термоэлементом (термопарой)
К амперметру магнитоэлектрической системы (МЭ)
присоединяют термоэлемент (термопару), место спая которого
обматывается железной проволокой, включенной через лампочку накаливания
в цепь переменного тока
(рис. 246). При включении
установки в сеть
переменного тока железная
проволока нагревается, от нее
нагревается спай
термоэлемента и возникает тер-
моток, который,
собственно, и измеряется
амперметром.
Примечание
1. К приборам,
позволяющим
непосредственно измерять силу тока и
напряжение в цепях
переменного тока,
относятся так называемые «тепловые приборы», действие которых
основано на нагревании тугоплавкой проволоки, составляющей
основную деталь прибора. При нагревании такая проволока
удлиняется и через систему связи тянет за собой стрелку
измерительного прибора. Долгое время подобные приборы выпускались
промышленностью, но, будучи непрочными (проволока быстро
перегорает при перегрузках), ныне они сняты с производства
и заменены приборами, описанными в настоящем
эксперименте.
2. Устройство приборов для измерения эффективного
напряжения по конструкции ничем не отличается от только что
описанных приборов для измерения силы тока.
Рис. 246. Термоэлемент как приставка
к измерительному прибору
125. Сравнение максимального и эффективного
значения напряжения (I)
3 реостата (2 — по 300 ом и 1—на 1300 ом);
постоянное сопротивление (200 ком); вольтметр МЭ (350 в);
амплитудная лампочка тлеющего разряда; 2 штатива на
изолирующих подставках; большой агрегат питания; вилка
включения в городскую электросеть.
252

Часть 1. Цепи с малой частотой переменного тока
Пользуясь указаниями, данными ранее к Э-58, получают
переменный ток малой частоты (до 1 гц). Для этого на два реостата
подают постоянный ток с напряжением порядка 120 в (рис. 247, а).
Снимаемое с ползунков реостата напряжение измеряют
вольтметром магнитоэлектрической системы. В качестве потребителя
используется постоянное сопротивление в 200 ком.
Ползунок одного из реостатов устанавливают строго посередине
намотки. Ползунок второго реостата вначале ставят в крайнее
правое положение, затем переводят в крайнее левое, при
котором реостат выводится, а напряжение мы и будем считать
максимальным (Umax).
Затем ползунок реостата с возможно большой скоростью
перемещают вправо и влево. Указатель вольтметра при этом
отклонится на некоторый угол и будет колебаться вокруг определенного
деления, указывающего на эффективное значение напряжения
(ueff).
Пусть имели место следующие измерения:
*/««= 18,4в,
Рис. 247. Сопоставление максимального и
эффективного значения напряжения и силы тока:
а.— под контролем вольтметра? б — под контролем
амплитудной лампочки тлеющего разряда
253

В этом случае отношение максимального значения
напряжения к эффективному составит:
^^ = 1Ai~ J 41 ж/2Г
U eft 13
Часть 2. Цепи с частотой 50 гц
В этой части эксперимента целесообразно применить так
называемую амплитудную лампочку тлеющего разряда, на которой
величина свечения у электродов возрастает по мере увеличения
приложенного напряжения и может быть измерена по шкале,
нанесенной на колбу лампочки.
Для проведения эксперимента собирают цепь, изображенную
на рисунке 247, б. На реостат, выполняющий роль делителя
напряжения, подают ток от городской сети. Пусть при этом снимаемое
на лампочку тлеющего разряда и на параллельно с ней включенное
сопротивление в 200 ком напряжение Ueff = 218 в. Величина
светящегося столбика в амплитудной лампе равна 4,1 делений
шкалы. После этого установку соединяют с источником постоянного
тока на 350 в (большой агрегат питания) и перемещением ползунка
реостата на делителе напряжения добиваются такой же длины
столбика свечения амплитудной лампочки, т. е. 4,1 деления
шкалы. При этом по вольтметру измеряют напряжение. Пусть оно
будет равно Umax = 306 е.
И в этом случае отношение максимального напряжения к
эффективному такое же, как и в первой части эксперимента:
Ueff 218
и тогда
126. Расчет мощности по величинам
эффективных значений напряжения
и силы тока (!)
Амперметр ЭМ (0,5 а); вольтметр ЭМ (250 в)\ реостат
(300 ом)\ катушка (1500 витков); лампочка
накаливания (220 в, 60 вт); 2 штатива на изолирующих
подставках; рубильник; большой и малый агрегат питания;
аккумулятор (6 в).
254

Часть 1. Определение мощности в цепях с активным
(омическим) сопротивлением
Принципиальная схема цепи изображена на рисунке 248,а.
На лампочку накаливания подают через делитель напряжения
постоянный ток с большого агрегата питания порядка 220 в. После
L© 0-1
^ ф
Рис. 248. Установка для исследования мощности
тока:
а — при омическом сопротивлении цепи; б — при
индуктивном сопротивлении цепи
включения рубильника измеряют по приборам напряжение и
силу тока. Рассчитывают произведение напряжения на силу тока:
Р = U • /.
Затем источник постоянного тока заменяют источником
переменного тока с тем же напряжением и производят те же
измерения и расчеты. Данные эксперимента заносят в таблицу.
Вид тока
пост, перем.
—
Напряжение
и
в
Сила тока
/
а
Мощность
р = и. i
ет
При помощи делителя напряжения следует установить то же
напряжение на лампочке, что и при включении постоянного тока.
255

В этом случае измеряют эффективные значения напряжения и
силы тока, а их произведение дает кажущуюся мощность. Данные
эксперимента позволяют установить, что при активном
сопротивлении цепей обе мощности равны.
Часть 2. Определение мощности в цепях с реактивным
(индуктивным) сопротивлением
Для проведения этой части эксперимента используют ту же
установку, но вместо лампочки накаливания включают катушку с
1500 витками. Вначале на установку подают постоянный ток с
напряжением порядка 6 в, затем меняют источник тока и подключают
установку к малому агрегату питания, подавая напряжение
переменного тока также порядка 6 в. При том и другом источнике тока,
но равном напряжении на катушке, по приборам измеряют силу
тока и напряжение. Рассчитывают кажущуюся мощность
перемножением величины напряжения на силу тока.
Все данные заносят в таблицу.
Вид тока
—
—
Постоянный
Переменный
Напряжение
и
в
Сила тока
/
а
Кажущаяся
мощность
P = U>I
в-а
Эта часть эксперимента позволяет сделать вывод, что при
наличии в цепи реактивного (индуктивного) сопротивления мощность в
цепях постоянного тока больше кажущейся мощности цепей
переменного тока.
127. Кажущаяся мощность переменного тока.
Активная мощность.
Определение «косинуса фи» (!)
Амперметр ЭМ (0,5 а); вольтметр ЭМ (250 в);
вольтметр; постоянные сопротивления к ваттметру для цепей
20 в и 220 в; лампочки накаливания (220 в, 25 вт)\
катушка (1500 витков); трансформатор (20/220 в)\ небольшой
электродвигатель (220 в)\ тормозное устройство;
рубильник; 2 штатива на изолирующей подставке; малый
агрегат питания; вилка для включения в городскую сеть.
256

Часть 1. Мощность в цепях с индуктивным сопротивлением.
Коэффициент мощности
Лампочку накаливания в качестве потребителя включают в
цепь переменного тока от малого агрегата питания. По
показаниям амперметра и вольтметра измеряют эффективное напряжение и
эффективную силу тока
(рис. 249). Произведение ^
этих величин дает
кажущуюся мощность. Затем по
ваттметру определяют
активную мощность. На
катушку напряжения
ваттметра следует подать ток
через добавочное
сопротивление, гасящее около
20 е.
Отношение активной
мощности к кажущейся
дает коэффициент мощности,
равный «косинусу фи», что и позволяет найти угол сдвига фаз ср:
— = coscp.
<Е>
КЭ Ф
—^^
Рис. 249. Исследование потребляемой
мощности в цепи с омическим и
индуктивным сопротивлением
При включении лампочки накаливания разница между
кажущейся и активной мощностью невелика. Эта разница резко
возрастает, если вместо лампочки накаливания включить в цепь
катушку, например, с 1500 витками. Все данные следует занести в
таблицу, пример которой мы и приводим ниже на основании одного из
экспериментов.
Часть 2. Мощность в цепях с включенным трансформатором
Подобное же исследование следует провести, включив в
качестве потребителя трансформатор. Измерения и расчет следует
сделать для трансформатора на «холостом ходу», т. е. без нагрузки,
Рис. 250. Определение мощности в цепи с
включенным трансформатором
257

и на трансформаторе в рабочем состоянии, когда во вторичную его
цепь включена лампочка накаливания (рис. 250).
Весь ряд измерений тот же, что и в первой части эксперимента.
Данные также заносятся в таблицу.
Напряжение
на клеммах
генератора
Uo
в
20
220
Потребитель
—
—
Лампочка накаливания
Катушка 1500 витков . . .
Трансформатор холостой ход
» рабочий ход . .
Двигатель холостой ход . .
» с нагрузкой . .

Напряжение J
и
в
19,5
18,5
20
19
212
205
Сила
тока
/
а
0,05
0,80
1,2
1,6
0,12
0,17

Кажущаяся
мощность
\р = и- /1
в • а
0,975
14,80
24,0
30,4
25,4
34,9
Часть 3. Мощность в цепях, питающих электродвигатель
На той же установке вместо лампочки накаливания или тран
сформатора включают электродвигатель. Но в этом случае на
установку подают напряжение от городской сети в 220 в (рис. 251).
Производится тот же
W s?Z—I Ряд измерений и расчетов
при «холостом ходе»
двигателя и при его нагрузке
хотя бы тормозным
устройством (см. Э-90, рис. 172).
Данные эксперимента
заносят в таблицу, образец
которой уже был
приведен, кроме того,
составляют и другую таблицу,
в которой приводят
коэффициент мощности и
фазовый угол.
Приведенные в таблицах данные взяты из одного из
экспериментов и поэтому могут дать только представление о соотношении
величин, особенно о соотношении коэффициента мощности при
холостом ходе трансформатора и двигателя и при нагрузке на них.
Рис.
251. Определение мощности,
потребляемой электродвигателем
258

Потребитель
—
Лампочка 25 em . . .
Катушка 1500 витков .
Трансформатор холостой
» с нагрузкой
Двигатель холостой ход
» с нагрузкой
Кажущаяся
мощность
Р
вт (в • а)
0,975
14,80
24,0
30,4
25,4
34,9
Активная
мощность
р*
вт
0,9
10,0
4,6
26,0
19,0
28,0
Коэффициент
мощности
COS cp
—
0,923
0,676
0,200
0,855
0,748
0,802
Фазовый
угол
со
град
22,6
47,5
78,5
31,2
41,6
36,7
Примечания
1. Следует взять такой трансформатор, который при
отсутствии нагрузки потребляет ничтожную мощность, а фазовый
угол близок к — (радиан).
2. В электрических двигателях всегда имеется потеря
энергии на трение и другие потери, вот почему значение фазового угла
не может достичь величины, равной — .
§ 25. ИЗМЕРЕНИЕ ЧАСТОТ И ФАЗОВОГО УГЛА. ЧАСТОТОГРАФИЯ
128. Демонстрация переменности тока
и измерение его частоты
при помощи пылешх фигур. Частотограф (!)
Одинарный и двойной частотограф; электрооксиди-
рованная алюминиевая пластинка (350 мм X 250 мм)
или пластинка из листового алюминия; кабель высокого
сопротивления (2 м)\ серная пыль; ликоподий.
Описание частотографа
Частотограф представляет собой никелированную, или
хромированную трубку, или желобообразную пластинку, укрепленную
на деревянной или пластмассовой рукоятке, поперек оси
рукоятки. Рукоятка по оси полая. Через полость рукоятки пройдет
конец кабеля, так называемого кабеля высокого сопротивления,
длина его около 1 м.
Кабель припаивается к никелированной трубке или пластинке,
которая, собственно, и является «записывающим» устройством часто-
259

ШИШИ
llllllltlllllllt
Рис. 252. Модель частотографа с
одинарным роликом
Рис. 253. Модель
частотографа с двойным роликом
тографа. Трубка или пластинка крепится неподвижно на
рукоятке.
Кабель высокого сопротивления, один конец которого припаян
к «записывающей» трубке, имеет прерывающий его конденсатор на
1000 пф или сопротивление в 1 Мом, а свободный конец кабеля
снабжен штекером.
Частотограф может иметь две «записывающие» трубки или
пластинки, и в этом случае к каждой из них через рукоятку
подводится свой кабель высокого сопротивления. Такой частотограф
называется двойным. Он составляет два параллельных следа.
Для записи частоты служит алюминиевая пластинка
произвольной толщины. Лучше использовать пластинки из оксидированного
электрическим методом листового алюминия, так называемого
элоксированного или электрооксидированного. Удобны размеры
пластинки 350 мм X 250 мм. Такую пластинку нужно или
заземлить, или через сопротивление порядка 1 ком занулить (соединить с
нулевым проводом сети трехфазного тока).
Общий вид одинарного частотографа в действии изображен на
рисунке 252, а двойного — на рисунке 253.
При каждой записи частоты алюминиевую пластинку,
положив на горизонтальную поверхность стола и заземлив или зану-
лив, обсыпают тонким слоем серной пыли («серный цвет» — мелко
истолченная сера) или ликоподием. Затем, соединив частотограф с
исследуемым источником тока, им проводят, слегка нажимая, по
обсыпанной серным цветом поверхности алюминиевой пластинки,
как бы прочерчивая прямую линию произвольной длины.
Движение частотографа должно быть достаточно равномерным, как
равномерным должно быть и его давление на пластинку.
При движении частотографа, в результате трения его
«записывающего» ролика о слой серной пыли, последняя заряжается, и если в
этот момент алюминиевая пластинка заряжена отрицательно, то
серная пыль прилипает к ней, если же в какой-то момент
алюминиевая пластинка заряжена положительно, серная пыль
прилипнет к «записывающему» ролику, заряженному отрицательно.
При включении частотографа для записи переменного тока в
городскую сеть с частотой 50 гц каждую сотую долю секунды сер-
260

ная пыль будет прилипать к алюминиевой пластинке, а
следующую сотую долю секунды — к «записывающему» ролику. В
результате этого на алюминиевой пластинке появится след
чередующейся плотности, то более светлый, то более темный. И каждой
паре «светлый и темный след» соответствует промежуток времени,
равный одному периоду.
Часть 1. Пылевой след переменного тока городской сети
Одинарный частотограф и алюминиевую пластинку соединяют
с проводами городской электросети. Полюсность проводов не
имеет значения, но можно алюминиевую пластинку соединить с
нулевым проводом (занулить).
Проводя частотографом по алюминиевой пластинке, получают
на ней пылевой след, изображенный на рисунке 252. В зависимости
от скорости движения частотографа светлые и темные участки
будут располагаться реже или гуще.
Часть 2. Измерение неизвестной частоты
В этой части эксперимента надлежит взять двойной частотограф.
На один ролик частотографа подается через кабель высокого
сопротивления ток от исследуемого генератора с одной из его клемм.
Другая клемма генератора заземляется. На второй ролик
частотографа подается ток от одного из проводов городской сети (не
нулевого). Алюминиевая пластинка, обсыпанная серной пылью,
заземляется.
Частотографом проводят по алюминиевой пластинке прямую
произвольной длины. На пластинке появляется двойной след
(рис. 253).
Отмеряют на двойном следе определенный отрезок длиной I
и подсчитывают в каждой из полос число пар «светлый и темный
след» — пит. Время нанесения пылевого следа в каждом ряду
одно и то же — t, в то же время
где v — частота переменного тока.
Для городской сети:
t=- = 0,02n.
50
Но так как оба ролика частотографа прошли равные пути за
одно и то же время, то
Пл П Пл га п1
— = —, или v, = v.-±; в нашем случае v1=50 —,
vx v П П
т. е. неизвестная частота находится через известную.
261

129. Демонстрация сдвига фаз
между проводами сети трехфазного тока (!)
Приборы те же, что и для Э—128.
Часть 1. Сдвиг фаз между линейными проводами R и S
Любые два линейных провода линии трехфазного тока
соединяют при помощи кабеля высокого сопротивления с роликами
частотографа. Алюминиевая пластинка заземляется (рис. 254).
На пластинке проводится черта, как указано в Э-128. При этом
возникают два пылевых следа (рис. 255, а).
Рассмотрение следов позволяет сделать следующие выводы:
1. Частоты следов, а значит, и токов одинаковы.
2. Верхний след смещен относительно нижнего вправо так, что
каждый темный участок следа на две трети смещен относительно
темного участка в нижнем (на рисунке) следа. Это смещение
соответствует сдвигу фаз на 120°, которые и составляют угол сдвига
фаз или угол ср,
Часть 2. Сдвиг фаз между двумя другими линейными
проводами R и Т
На этот раз с частотографом соединяют два других линейных
провода, R и Т. Проводят, как и в первой части, следы на
алюминиевой пластинке ниже первой пары (рис. 255, б).
Рассмотрение следов позволяет сделать вывод:
1. Частоты следов, а значит, и токов также одинаковы.
2. Теперь верхний след смещен относительно нижнего влево,
но также на 120°, т. е. на две трети ширины темного следа.
Рис. 255. Вид записи на пла-
Рис. 254. Установка для определения стинке частотографа при ис-
сдвига фаз между двумя линейными про- следовании сдвига фаз в
поводами цепи трехфазного тока пях трехфазного тока:
а — между проводами R и S; б —
между проводами S и Т; в — меж-
ду проводами R и Т
262

Часть 3. Сдвиг фаз при сдваивании двух линейных проводов
Для проведения этой части эксперимента два линейных
провода, например провода S и Г, присоединяют к одному ролику
двойного частотографа, а третий линейный провод R — к другому
ролику частотографа (рис. 254). Проводят, как и ранее, двойной
след на алюминиевой пластинке (рис. 255, в).
Рассматривая полученный двойной след, нетрудно установить,
что теперь нижние темные полосы располагаются строго против
светлых полос верхнего следа, а это значит, что разница фаз
равна 180°, хотя частоты одинаковы.
Часть 4. Взаимное гашение фаз
На одинарный частотограф подают все три кабеля высокого
сопротивления, соединяя их вместе уже перед самым частотогра-
фом. Свободные концы кабеля ^^^
высокого сопротивления соединя- ^у^^^
ют с линейными проводами сети ^^ (
трехфазноготока(рис.256).Про- »ж;С^^ ^ f f f
водя частотографом по алюми- J_ >**-— I 1 I
ниевой пластинке, убеждаются, ~ j^ /?"T sT 7""~~
что след на ней не возникает. _^?lfL_^
Происходит гашение токов, Г///////////а
сдвинутых по фазе на 120°. Но "=" _
СТОИТ ОДИН ИЗ кабелей ОТСОеДИ- рис. 256. Установка для йсследо-
нить, как след тотчас же появ- вания «гашения» фаз.
ЛЯеТСЯ. На детали показан вариант контактного
устройства—«ползунок»—желобообразная
пластинка
Теоретическая предпосылка
Напряжения на линейных проводах определяются уравнениями.
UR = ?/0sinu>/;
Us =U0sin(ut — <p);
UT =?/oSin(a>/-f<p)f
где со = 2kv(круговая частота), аф=- (фазовый угол).
о
Так как sin a-f-sin P = 2 sin ?L?Jl .С08?^1Рэ то и
Us + ит == — U0sim)t = U0sin (uj/ + t:).
263

При этом cos (—ф) = cos 120°=; . Третья и четвертая части
настоящего эксперимента и подтверждает эту закономерность.
130. Демонстрация и измерение частоты
затухающих колебаний
при разрядке конденсатора (!)
Приборы те же, что и для Э-128. Кроме того, 3
конденсатора (1 мкф, 2 мкф и 4 мкф); катушка (1500 витков);
? -образный разборный сердечник; 2 постоянных
сопротивления (по 1 ком); ключ Морзе; деревянная тонкая
палочка; большой агрегат питания.
Собирают электрическую цепь, изображенную на рисунке 257.
Конденсатор заряжают от большого агрегата питания током с
напряжением порядка 250 е. Для этого ключ Морзе переводят в
положение а. Последовательно с конденсатором во время зарядки
включают сопротивления по 1 ком. Разрядка конденсатора производится
переключением ключа Морзе в положение б. Конденсатор раз-
Рис. 257. Запись затухающих колебаний
ряжается на катушку с 1500 витками, надетую на ? -образный
сердечник. Параллельно катушке присоединяют двойной часто-
тограф и алюминиевую пластинку (рис. 257, правая часть). Провод,
идущий от катушки на частотограф, должен быть соединен с одним
из кабелей высокого сопротивления частотографа. Второй кабель
частотографа соединяют с одним из линейных проводов городской
электросети (на рис. 257 не указан).
Часть 1. Определение частоты затухающих колебаний при
разрядке конденсатора
Взяв в правую руку частотограф, касаются им алюминиевой
пластинки и начинают проводить след. В тот же момент левой
рукой переводят ключ Морзе на разрядку конденсатора, т. е. в поло-
-264

iциннии
Ш
жение б. Тогда ролики частотографа будут прочерчивать два следа:
один — с постепенным ослаблением интенсивности темных и
светлых полос от ролика, соединенного с катушкой установки, другой—
яркий от линейного провода городской электросети (рис. 258).
Исчезающий след и есть след затухающего
колебания.
На полученных следах, положив небольшие
палочки или узкие полоски бумаги, выделяют
определенный отрезок, например, соответствующий
двум полным периодам переменного тока
городской сети, или, что то же самое, двум темным и
двум светлым участкам следа. После этого
подсчитывают число периодов затухающего колебания.
Пусть при этом мы насчитаем 9,5 периода
затухающих колебаний.
Так как за два периода колебаний с
частотой 50 гц прошло 0,04 сек, то ведь за то же время
произошло и 9,5 затухающих колебаний.
Следовательно, за одну секунду совершается 238
затухающих колебаний, что соответствует частоте 238 гц.
Действительно:
v = -^_ ^238 гц.
0,04 ^
Рис. 258. Вид
записи
затухающих
колебаний
Расчет может быть проведен и по формуле vi = v—, рассмотрен-
п
ной в Э-128.
Часть 2. Определение индуктивности катушки
Определяя частоту затухающих колебаний, можно найти и
индуктивность катушек, на которых происходит р&зрядка
конденсатора.
Из уравнения Томсона известно, что
Г = - = 2*/L.C,
отсюда
L = -
1
4rc2v2.C"
Ниже приводится для образца таблица, в которую внесены
результаты одного из экспериментов. В отличие от других таблиц,
помещенных в этой части руководства и отражающих только
характер их построения, здесь мы приводим таблицу полностью.
265

Частота
V
гц
268
184
151
132
Электроемкость
С
мкф
1
2
3
4
Индуктивность
L
генри
0,353
0,375
0,370
0,364
Среднее,значение 0,365
Этот эксперимент может быть расширен для выяснения
влияния железных сердечников на индуктивность катушек. В этом
случае на рассмотренную установку включают вначале катушку,
лишенную сердечника, затем катушку с прямым сердечником, с
U-образным и, наконец, с П-образным.
Следует, впрочем, иметь в виду, что точность подобных
измерений недостаточна. Однако для учебных целей этот метод можно
популяризировать.
131. Измерение частоты незатухающих
колебаний. Условие резонанса(!)
Приборы те же, что и для Э-128. Кроме того,
триод (любой марки); ламповая панель; 3
конденсатора (1 мкф, 2 мкф и 4 мкф)\ 2 катушки (1500
витков); ? -образный сердечник; большой агрегат питания
или две батареи: анодная и накала.
Собирают
+ -
\»нт»»>»)»»\
Рис. 259. Установка для записи
незатухающих колебаний
установку,
принципиальная схема
которой приведена на
рисунке 259. В этом
эксперименте может быть
применен любой тип триода. В
сеточную цепь включают
катушку. Исследование
ведут при помощи двойного
частотографа, на один
ролик которого подают
напряжение с линейного
провода городской
электросети при помощи кабеля вы-
266

сокого сопротивления, на другой ролик — исследуемый контур.
Соединение контура с алюминиевой пластинкой частотографа
осуществляется обычным проводником (кабель ненужен!).
Часть 1. Измерение частоты незатухающих колебаний
Перед началом эксперимента включают нагрев катода и
анодную цепь. Частотограф приводят в движение только через
несколько минут после разогрева триода. В этом случае сразу же пойдет
запись следов, которая воспроизводится на ри- ^^^
сунке 260. =^
При помощи узких полосок бумаги или иным ==»
способом маркируют участок следа, соответствую- ^Щ
щий десяти периодам колебаний тока в город- ?==;
ской сети с частотой 50 гц. После этого подсчиты- s==s
вают число периодов исследуемых незатухающих ^^
колебаний на таком же отрезке. Пусть их бу- р=;
дет 40. о s^
В этом случае частота незатухающих колебаний ^s
может быть подсчитана по рассмотренной в Э-128 ^^
и 130 формуле: ^^
v1 = v.-1, что даст v1= 200 гц, Рис. 260. Вид
п записи незату-
1Л Ari гл хающих коле-
так как п= 10, ni=wy v = 50 гц. баний
Часть 2. Исследование условий резонанса контуров
Собственно, эксперимент сводится к доказательству постоянства
произведения частоты колебаний на корень квадратный из
электроемкости конденсатора.
В уже рассмотренном контуре заменяют одну катушку на две
по 1500 витков. Меняя включенные в цепь конденсаторы, начиная
с емкости в 1 мкф и до емкости в 4 мкф, исследуют соответственно
изменяющуюся частоту колебаний.
Все данные заносят в таблицу.
Электроемкость
С
мкф
Частота
V
гц
v. / С
—
Этот эксперимент дает, как правило, достаточно хороший
результат.
267

132. Измерение частоты импульсов
радиоактивного излучения(!)
Радиоактивный препарат; счетчик элементарных
частиц; микрофон; усилитель низкой частоты; частотограф
с приспособлениями, описанными в Э-128.
Г50-250в
Рис. 261. Установка для записи частоты
радиоактивных излучений
Принципиальная схема установки изображена на рисунке 261.
Алюминиевую пластинку для записи следов соединяют с
заземленной клеммой усилителя обычным проводником. Вторую выходную
клемму усилителя соединяют с двойным частото-
графом, один ролик которого соединен кабелем
высокого сопротивления с проводом городской
сети.
Перед счетной трубкой прибора помещают
радиоактивный препарат, например часы со
светящимся циферблатом, и проводят частотографом по
алюминиевой пластинке, засыпанной серной пылью.
Возникают два следа (рис. 262): один — от цепи
переменного тока с частотой 50 гц (городская
электросеть), другой — от поступающих
импульсов с усилителя.
По указанному в Э-128 и Э-130 методу
определяют частоту радиоактивного излучения.
Этот метод достаточно точен и применим для
частот до 1000 импульсов в секунду.
Этот же метод может быть применен и для
определения частоты любого звукового колебания. В
этом случае вместо счетчика элементарных
частиц должен быть применен обычный микрофон,
соединенный с усилителем низкой частоты.
Рис. 262. Вид
записи
импульсов
радиоактивного
излучения
268

133. Определение малых промежутков
времена при падении тел(!)
Круг из текстолита или фанеры (0 160 мм) с двумя
клеммами, расстояние между которыми строго равно
диаметру падающего латунного диска; латунный диск
(0120 мм) с центральным отверстием (0 20 мм, толщина
15 мм); штатив с высокой штангой; 2 штатива на
изолирующих подставках; метровая линейка с сантиметровыми
делениями; двойной частотограф с принадлежностями.
Общий вид установки приведен на рисунке 263. На основание
(панель) штатива устанавливают текстолитовый круг с двумя
клеммами, одна из которых соединена проводником со штангой штатива,
другая изолирована. На клеммы текстолитового круга при помощи
кабеля высокого сопротивления подается напряжение от городской
сети (220 в). С тех же клемм через штативы на изолирующих
подставках снимается напряжение на один из роликов частотографа и
на алюминиевую пластину для записи колебаний.
Латунный тяжелый диск надевают центральным отверстием на
штангу штатива и поднимают на строго измеренную высоту,
удерживая при помощи штекера, которым заканчивается провод,
соединенный с изолированной клеммой текстолитового круга. При этом
цепь замыкается накоротко.
После подготовки всей установки, сдвигая штекер, позволяют
падать латунному диску. На время падения короткое замыкание
прекращается, но, как только латунный диск упадет, он вновь
вызовет короткое замыкание цепи, соединив клеммы, укрепленные на
текстолитовом круге. Еще удерживая штекером латунный диск на-
Рис. 263. Установка для определения малого
промежутка времени падения* тела
269

верху штанги, приводят в движение частотограф и прекращают его
движение по алюминиевой пластинке после падения диска. В этом
случае на алюминиевой пластинке возникнут два следа,
изображенные на рисунке 264: нижний — от городской сети с частотой 50 гц,
верхний — от цепи установки. Верхний след чертится только в то
время, за которое латунный диск падает, так как до этого и после
падения имеет место короткое замыкание цепи.
Расчет времени ведется из
п-3,8 периода
t--0,076 сек
Рис. 264. Вид следа на пластинке час-
тотографа при определении времени
падения тел
сопоставления следов. На
нашем рисунке 264 время
записи тока с установки дано 3,8
периода тока с частотой 50 гц,
что соответствует времени:
^ = 0,2 се/с 3,8 = 0,076 сек,
следовательно, именно такое
время, т. е. 0,076 сек, падал
латунный диск.
Этот метод применим и для других быстротечных процессов,
естественно, сама установка должна быть приспособлена для
каждого конкретного случая.
134. Измерение скорости(!)
Самодельный скоростемер (описание приводится в
тексте эксперимента); гири (5 кп\ 10 /с/г); частотограф с
принадлежностями; 2 штатива на изолирующих подставках;
вилка для включения в городскую электросеть.
Изготовление скоростемера
На вертикально
установленной доске (550 мм X150 мм)
укрепляют на расстоянии 500 мм
друг от друга две дужки (рис.
265) в проволочных, вбитых в
доску петлях так, чтобы дужки
могли опрокидываться вниз,
поворачиваясь в петлях. На
коротких концах дужек,
обращенных кверху, насажены: на
верхней дужке кусок медной толстой
проволоки (06мм, длина 15 мм),
на нижней кусок пробки (длина 15 мм, толщина 2 мм). Кусок
медной проволоки удерживается при поднятой дужке за счет трения
в двух латунных лапках, к которым подходит монтажный
провод от укрепленной на доске проволочной рамы, заканчиваю-
Рис. 265. Скоростемер
(прибор показан повернутым на ?0°)
270

щейся клеммами Л и В. Пробка удерживается трением в двух
других латунных планках, также соединенных с проволочной рамой.
Если на клеммы А и В подать ток, то произойдет короткое
замыкание, так как у верхней дужки латунные лапки соединены
куском медной проволоки. В то же время, если верхнюю дужку
опрокинуть вниз, кусок медной проволоки выйдет из латунных лапок
и цепь разомкнётся. Наоборот, опрокидывание нижней дужки
вытащит из латунных лапок кусок пробки, вновь замкнет цепь
накоротко, так как нижние латунные лапки расположены близко
друг от друга (толщина пробки, а значит, и зазора между
лапками при вставленной пробке всего 2 мм) и при удалении пробки
они коснутся друг друга. Это позволяет измерять время от
опрокидывания одной — верхней дужки до опрокидывания другой —
нижней, т. е. от первого короткого замыкания до второго.
Эксперимент
Установив на край стола описанный выше скоростемер,
соединяют при помощи кабеля высокого сопротивления клеммы Л и В
с проводами переменного тока (50 гц) городской электросети. К одной
из клемм присоединяют обычным проводом один из роликов двойного
частотографа, к другой клемме алюминиевую пластинку. Второй
ролик частотографа соединен непосредственно с
городской сетью. Эксперимент лучше проводить
двоим, тогда один поднимает над верхней
дужкой гирю в 10 кп (рис. 266), другой держит
подготовленным частотограф. По команде первый
отпускает гирю, второй начинает перемещать
частотограф по алюминиевой пластинке. Гиря, падая,
сначала опрокидывает верхнюю дужку и
прерывает короткое замыкание, затем опрокидывает
вторую дужку (нижнюю) и тем самым снова
вызывает короткое замыкание.
На алюминиевой планке появляются два
следа: один соответствует переменному току
городской сети, другой—току, проходящему через
частотограф за время падения гири в
пространстве между верхней и нижней дужкой,
т. е. времени от прерывания короткого
замыкания до нового короткого замыкания.
Из сопоставления следов можно определить время падения
гири, а зная время падения, рассчитать скорость в момент
встречи гири с нижней дужкой. В этом случае нетрудно будет найти
и мгновенную мощность гири при встрече ее с нижней дужкой:
Рис. 266.
Сбрасывание гири для
демонстрации
действия скоростемера
N = F-v, где v = g-t.
271

Все полученные данные целесообразно занести в таблицу.
P = F
кп
н
Число
штрихов
п
—
t = 0,02n
сек
Скорость
v=g-t
м • сект1
Мощность
N = F -V
н • м • сект1—em

ГЛАВА VI
ТОК В ЭЛЕКТРОЛИТАХ, ГАЗАХ И ПОЛУПРОВОДНИКАХ
§ 26. МЕТОДИЧЕСКАЯ ЗАПИСКА
1. Уже в четвертой части настоящего руководства были
рассмотрены некоторые простейшие эксперименты, демонстрирующие
процессы, происходящие при прохождении электрического тока через
различные вещества. В настоящей, пятой части руководства
приводятся новые эксперименты, углубляющие и расширяющие
представления учащихся об этих процессах. В этой главе
рассматриваются эксперименты, поясняющие процессы, происходящие в
жидкостях, газах и в поверхностном слое твердых тел, а также явление
электронной эмиссии. Новыми являются и эксперименты по
диссоциации молекул и перемещению ионов в растворах.
Эксперименты, объединенные § 27, позволяют
продемонстрировать процессы в жидкостях. В Э-136 необходимо применить
самодельные весы, напоминающие весы Мора. Изготовление таких
весов не вызывает трудностей. Несмотря на применение весов,
эксперимент нельзя рассматривать как количественный. Это
демонстрационный эксперимент, задача которого — показать прирост
массы катода и соответствующее убывание массы анода при процессе
электролиза. Техническое использование этого процесса можно
продемонстрировать, проводя эксперименты с Э-138 по Э-143,
которые в то же время служат и для раскрытия первого закона
Фарадея. Все эти эксперименты количественные и обычно результаты
достаточно точны, что вызывает у учащихся чувство
удовлетворения за точность и аккуратность их работы. Полученные данные,
как правило, близки к табличным.
В Э-138 используется газовая бюретка. Нам кажется, что при
демонстрации законов Фарадея изложенным методом измерение
объемов полученных газов проще, чем при взвешивании. Расчетом
же определяется масса полученных газов. В заключение раздела,
в котором рассматриваются законы Фарадея, приводится описание
двух экспериментов, Э-139 и Э-140, по определению
электрохимического эквивалента водорода и меди. Оба эксперимента имеют
большое методическое значение. Еще совсем недавно Э-141
рассматривался как основной эксперимент при определении единицы силы
тока — ампера — при помощи электролиза азотнокислого серебра.
273

Однако исторически все было иначе. Электрохимический
эквивалент серебра, равный 1,118 мг- кг1, был определен много позже
введения единицы силы тока — ампера. Ныне по международной
системе единиц СИ ампер определяется как величина
электродинамическая. Однако это не снижает значения эксперимента, так как в нем
учащиеся знакомятся с соотношением между ампером и
количеством выделившегося при электролизе вещества за одну секунду, в
данном случае серебра.
В двух последних экспериментах этого параграфа, т. е. в Э-142
и Э-143, демонстрируется второй закон Фарадея. В Э-142 показан
метод вывода этого закона, в Э-143 — его подтверждение. В обоих
экспериментах используются самодельные весы Мора. В процессе
проведения эксперимента учащиеся наблюдают одновременно
прирост массы катода и убывание массы анода, что несколько
усложняет объяснение процесса во время изложения материала на уроке,
так как приходится отступить от принятой схемы изложения.
Впрочем, простота проведения этих экспериментов очень облегчает
их демонстрацию.
2. Уже первый эксперимент из приведенных в § 28 и
демонстрирующих процессы в газах позволяет указать учащимся на
несамостоятельность этих процессов (Э-144). Одновременно следует
пояснить общность процессов в газах и жидкостях, так как и здесь
потеря заряда электродами происходит за счет переносчиков
зарядов — ионов. Следует напомнить практические советы,
высказанные в четвертой части руководства по подобным
экспериментам (часть 4, § 8, п. 4). Приборы для этих экспериментов следует
заранее вносить в аудиторию или предварительно прогревать
инфракрасной лампой или другим источником тепла.
В Э-145 приводится обзор экспериментов, позволяющий
продемонстрировать потерю зарядов телами в воздухе при
нормальном давлении. Самостоятельные разряды при пониженном
давлении в катодных трубках могут быть показаны в двух вариантах,
как это описано в Э-146 и Э-147. Следует иметь в виду, что полное
объяснение процессов может быть дано только позже, когда
учащиеся будут ознакомлены с моделью строения атома. Наблюдаемое
свечение газов при прохождении тока есть процесс, сопутствующий
молизации газа. Оба варианта не исключают один другой, а
дополняют. Вот почему можно рекомендовать проведение этих
экспериментов в любой последовательности, естественно, при наличии
соответствующих трубок. Совершенно очевидно, что при проведении
экспериментов нужно указать на техническое значение катодных
лучей. Эти эксперименты облегчают ознакомление учащихся с
устройством и действием катодного осциллографа, кинескопа и
трубок Рентгена. Для обеспечения безопасности рекомендуется
со стороны аудитории установить на демонстрационном столе
толстое стекло, а сами трубки располагать так, чтобы не подвергать
ни себя, ни учащихся излишнему облучению.
274

Э-148 позволяет подготовить учащихся к представлению о
процессе разделения изотопов в масс-спектрографе. Напомним при этом,
что каналовые лучи являются источником ионов в циклотронах.
3. В § 29 приведены эксперименты по электронной эмиссии,
но исследуются только два процесса: термоэмиссия и фотоэмиссия.
Эмиссия электронов под действием электрического поля достаточно
освещена в экспериментах § 28 при демонстрации катодных
лучей. Рассмотрение природы и законов электронной эмиссии имеет
большое значение, так как при проведении этих экспериментов
учащиеся убеждаются в силе теоретической мысли,
предвосхитившей многие открытия в этой области. Несмотря на то что сами
электроны невидимы, их действие и процессы, вызываемые их
перемещением, могут быть выражены определенными закономерностями и
подвергаются точному измерению. Эксперименты в этой области
подтверждают материалистическую точку зрения о познаваемости
мира. Вот почему нам представляется особая ценность широкого
экспериментального освещения этих вопросов.
Большинство экспериментов может быть проведено на готовом,
комплектном оборудовании, выпускаемом учебной
промышленностью. Проведение таких экспериментов не занимает много
времени. Однако постоянное употребление готовых элементов
установок вряд ли методически целесообразно, и думается, что в ряде
случаев все же следует собирать схемы для каждого эксперимента
из наиболее простых деталей. Очевидно, что такие конструктивные
элементы, как панельки для радиоэлектронных ламп, заменять
самодельными нецелесообразно и следует использовать имеющиеся в
продаже, но нужно их располагать на монтажной доске,
позволяющей создать путем переключения клемм наибольшее число
вариантов их использования. Как основную радиоэлектронную лампу мы
предлагаем использовать пентод, однако такого типа, который
позволяет в схемах применять ее и как триод, и даже как диод.
Впрочем, и здесь для ряда схем такая подмена методически
нецелесообразна и, кроме пентода, надо иметь триоды и диоды. Нам
думается, что полезно на уроках физики включить ознакомление
учащихся с типами радиоламп и их цоколевкой.
В первом эксперименте этого параграфа рассматривается
эффект Эдисона. Включение этого эксперимента обусловливается не
только его исторической ценностью, но и тем, что на нем
демонстрируется принцип действия двухэлектродных ламп.
Выпрямляющее действие диода может быть продемонстрировано при
проведении эксперимента Э-150. Снятие характеристики диодов
дано в Э-151. Эксперименты Э-151 и Э-153 с применением катодного
осциллографа позволяют продемонстрировать диаграммы
выпрямленного тока. В Э-153 демонстрируется также действие фильтра
и сглаживание импульсов выпрямленного тока.
Следующие два эксперимента, Э-154 и Э-155, посвящены
исследованию триодов и значению всех элементов лампы: катода,
275

анода и сетки. Быстрое развитие радиоэлектронных ламп привело
к созданию многовводовых ламп: пентодов, гексодов, октодов, но
следует иметь в виду, что в принципе действия многовводовых ламп
лежит все-таки триод. И если учащиеся хорошо поймут действие
триода, им проще будет разбираться в действии любых
многовводовых ламп. В Э-154 показан прием снятия характеристики триода,
а в Э-155 демонстрируется действие триода в схемах усиления.
В заключение параграфа, в Э-156, рассматривается эффект
Гальвакса — внешний фотоэффект, а в трех последующих
экспериментах исследуются фотоэлементы: в Э-157 — включение
электрических цепей при помощи фотоэлемента, в Э-158 — действие
фотоэлемента в сигналах тревоги и, наконец, в Э-159 — возбуждение
звукового импульса при помощи фотосигнала.
4. Процессы, происходящие в соприкасающихся слоях твердых
тел, термоэлектронный эффект и основные процессы в
полупроводниках рассматриваются в экспериментах, объединенных в § 30,
заключающем этот том руководства.
Конечно, мы не ставим перед собой задачу дать все известные
эксперименты с полупроводниками, демонстрирующие их
широкое применение, но мы даем достаточное, на наш взгляд, число
опытов, имеющих значение для применения их при процессах
регулирования и автоматизации производства. Мы считаем
совершенно необходимым широко ознакомить учащихся со значением
полупроводников в развитии современной техники.
Первый эксперимент этого параграфа, Э-160, демонстрирует
термоэлектрический эффект. В нем используется самодельный
термоэлемент — термопара (см. также часть 3 руководства, Э-7,
Э-8, Э-10, Э-11 и Э-100). Это не значит, что не следует применять
готовую термопару, но, нам думается, что на термопарах
заводского изготовления можно только провести демонстрацию, а
экспериментировать лучше с самодельной термопарой. Действие
значительных термотоков можно продемонстрировать, проводя
эксперимент Э-161 с термомагнитом. Не меньшее значение имеет и
эксперимент Э-162 с термостолбиком, который удобен и для
демонстрации теплового воздействия инфракрасного излучения.
В Э-163 и Э-164 рассматривается действие полупроводниковых
выпрямителей. Выпрямление переменного тока малых частот
можно показать, проводя эксперименты с Э-165 по Э-169, в которых
источником переменного тока служит генератор, описанный в
Э-58 и Э-105. В заключение параграфа и всей книги даны три
эксперимента — Э-170, Э-171 и Э-172 — с транзисторами
(полупроводниковыми триодами). Включение этих экспериментов диктуется
все большим применением транзисторов в радиотехнике и
постепенным вытеснением ими обычных электронных, радиоламп. Кроме
малых габаритов, транзисторы менее чувствительны к сотрясениям
и механическим ударам.
276

§ 27. ТОКИ В ЖИДКОСТЯХ
135. Электролиз водного раствора
уксуснокислого свинца
Водный раствор уксуснокислого свинца (20%, 300 мл);
свинцовая проволока (0 4 мм) или оболочка от тонкого
свинцового кабеля; большой химический стакан (на
500 мл); 2 штатива на изолирующих подставках;
рубильник; 2 зажима-крокодила; рычажные весы с
разновесами (на 100 п); малый агрегат питания или батарея
аккумуляторов (20 в); осветитель для теневой проекции.
Рис. 267. Электролиз уксуснокислого свинца
Куски свинцовой проволоки, один из которых изогнут U-об-
разно, укрепляют в лапках штативов на изолирующих подставках
и помещают в химический стакан (рис. 267, а). Стакан наполняют
20-процентным водным раствором уксуснокислого свинца. При
помощи зажимов-крокодилов свинцовые электроды соединяют с
источником постоянного тока и подают на них ток с напряжением
порядка 20 в. Изогнутый электрод соединяют с положительным полюсом
источника тока. При пропускании тока на прямом электроде
образуется «свинцовое деревцо» (рис. 267, б).
Взвешиванием электродов можно установить прирост массы
отрицательного электрода — вес «деревца» — и соответствующее
убывание массы изогнутого положительного электрода.
Стакан с электролитом и электродами во время процесса
электролиза можно спроектировать при помощи осветителя на экран.
Этот эксперимент может быть предложен и для
самостоятельной работы учащихся.
136. Исследование процесса электролиза
медного купороса при помощи весов
Медный купорос кристаллический (300/г);
концентрированная серная кислота (50 мл); этиловый спирт
(100 мл); 2 медные пластины-электроды (80 мм X 50 мм X
X 1 мм); миллиамперметр (50 ма); реостат (25 ом);
чувствительные рычажные весы с одной нормальной, другой
277

укороченной чашкой; разновесы (100 /г); мелкая дробь
для тарирования весов; химический стакан (600 мл);
рубильник; гибкий соединительный провод; 2 штатива на
изолирующих подставках; малый агрегат питания или
батарея аккумуляторов (4 в).
Для изготовления самодельных весов: тонкая
латунная фольга; несколько булавок; 2 миллиметровые
зеркальные шкалы, укрепленные вертикально на
подставках; иголки; проволока; тонкая стеклянная трубка или
соломинка.
Подготовка электролита
180 п кристаллического медного купороса растворяют в 500 мл
дистиллированной воды. В раствор добавляют 40 мл
концентрированной серной кислоты и 60 мл этилового спирта и доводят объем
раствора до 1000 мл, добавляя дистиллированную воду.
Вариант 1. Эксперимент с применением чувствительных
технических весов
Собирают установку, изображенную на рисунке 268. Медный
электрод, служащий катодом, подвешивают к короткой чашке
весов и при помощи тонкого гибкого провода соединяют с клеммой
штатива на изолирующей подставке. К той же клемме
присоединяют проводник, идущий к отрицательному полюсу источника
тока на 4 в, включив последовательно с электродом реостат и
миллиамперметр. Второй электрод укрепляют в клемме второго штатива
на изолирующей подставке, соединенной через рубильник с
положительным полюсом источника постоянного тока. Электроды
погружают в химический стакан, в который налит электролит, после
чего весы тарируют.
Рис. 268. Электролиз медного купороса.
Применены технические весы
278

Включив рубильник, устанавливают в цепи ток порядка 500 ма
или во всяком случае такую силу тока, чтобы плотность тока была
не более 12 ма на квадратный сантиметр, так как при
значительной плотности тока будет обильное выделение водорода. После
установления необходимой силы тока выключают рубильник и
весы вновь тарируют.
Пропускают ток в течение 10 мин и, не вынимая электрод из
электролита, помещают разновесы на чашку весов и определяют
прирост массы катода.
Вариант 2. Эксперимент с применением самодельных весов
Проведение этого варианта эксперимента такое же, что и
первого варианта. Определяют прирост массы катода, но не в
миллиграммах, а лишь относительно, в условных единицах шкалы. Для
проведения эксперимента следует изготовить весы, изображенные
на рисунке 269, а и б.
Коромысло таких весов изготавливают из латунной фольги,
которую для придачи прочности конструкции складывают V-образ-
но. На одном конце такого коромысла приклеивают тонкий
капилляр или соломинку, выполняющую роль стрелки-указателя. На
другом конце коромысла фольгу, слегка надрезав, отгибают в
разные стороны, чтобы получить полочки для подвешивания
электрода. Из латуни изготавливают и стойку для крепления коромысла
(см. рис. 269, б). Эту стойку укрепляют в клемме штатива на
изолирующей подставке и на нее устанавливают иглу, вставленную в
среднюю часть коромысла. Игла служит осью вращения коромысла.
Тарируются «весы» рейтером — проволочной петлей,
перемещаемой по коромыслу.
Целесообразно изготовить двое таких весов, в этом случае
можно исследовать одновременно прирост массы катода и
соответствующее убывание массы анода (рис. 270).
Рис. 269. Электролиз медного купороса. Применены самодельные
весы:
а — общий вид установки; б — модель весов
279

Рис. 270. Исследование прироста массы катода и
соответственное убывание массы анода
Эксперимент на таких самодельных весах дает вполне
удовлетворительный результат.
137. Демонстрация движения ионов(!)
Водный раствор азотнокислого калия (0,3%, 200 мл);
свежеприготовленный раствор перманганата калия
(0,5%), плотность которого увеличена прибавкой
мочевины (5 г на 100 мл); кристаллический перманганат
калия; U-образная трубка; U-образная трубка с
боковым отрогом; 2 угольных электрода; пипетка;
стеклянная пластинка (120 мм X 90 мм); предметное стекло;
фильтровальная бумага; медная фольга; рубильник;
2 зажима-крокодила; 2 штатива на изолирующих
подставках; большой агрегат питания (70 в).
Вариант 1. Эксперимент в U-образной трубке
В U-образную трубку наливают на одну треть высоты колена
водный раствор азотнокислого калия, затем при помощи опущенной
до дна длинной пипетки в одно из колен под слой раствора вводят
несколько миллилитров водного раствора перманганата калия,
утяжеленного мочевиной. Обычно между растворами образуется
достаточно резкая граница. Вводят угольные электроды, которые,
однако, должны быть погружены только в азотнокислый калий
(рис. 271). На электроды через рубильник подают постоянный ток
с напряжением порядка 70 в от большого агрегата питания. Уже
через короткое время будет заметно изменение в положении
разделяющей растворы границы, она повысится у анода и понизится
у катода, что и укажет на перемещение ионов в растворе.
Исследование можно закончить через 15—20 минут. За это время ионы МпОг
переместятся на несколько миллиметров.
280

Можно применить U-образную трубку с боковым отрогом,
который должен быть у самого дна трубки. В этом случае пользоваться
пипеткой не нужно. Раствор перманганата калия можно вводить
через этот отрог. Граница растворов будет более резкой.
Вариант 2. Эксперимент с фильтровальной бумагой
Общий вид установки приведен на рисунке 272. Стеклянную
пластинку полностью покрывают листом фильтровальной бумаги
такого же размера. Бумагу смачивают раствором азотнокислого
калия. Пластинку по противоположным сторонам охватывают
полоской латунной фольги, прижимая к ней фильтровальную бумагу.
К этим полоскам латунной фольги при помощи
зажимов-крокодилов подают напряжение от источника постоянного тока. На
увлажненную раствором азотнокислого калия фильтровальную бумагу
помещают кристаллик перманганата калия. Уже через короткое
время на бумаге по пути перемещающихся ионов появятся
окрашенные полосы, тянущиеся к аноду. Если при этом поменять полюсы
на пластинках, то фиолетовая область несколько отступит, однако
обратного движения ионов наблюдать не удается из-за быстрого
окисления перманганата калия, при котором в результате
образования двуокиси марганца (пиролюзита) происходит переход его
цвета в бурый до коричневого.
Рис. 271. Демонстрация Рис. 272. Демонстрация движения ионов
движения ионов в вод- перманганата калия на листе фильтро-
ном растворе перманга- вальной бумаги, смоченной раствором
ната калия азотнокислого серебра
281

Вариант 3. Упрощенный эксперимент
В порядке фронтальной демонстрации, проводимой самими
учащимися, можно предложить еще более упрощенный эксперимент.
На предметное стекло, применяемое в микроскопической технике,
помещают полоску фильтровальной бумаги, смоченную водным
раствором азотнокислого калия.
Поперек и в центре стекла поверх
первой полоски из фильтровальной бумаги
кладут узкую полоску такой же
бумаги, но смоченную раствором пер-
манганата калия. При помощи
зажимов-крокодилов на противоположные
концы фильтровальной бумаги,
смоченной азотнокислым калием (см.
рис. 273), подают напряжение
порядка 20 в, для чего достаточно
зажимами касаться бумаги. Уже через
несколько минут будет заметно
образование фиолетового пятна со
стороны, обращенной к аноду, как след
перемещающихся ионов.
Рис. 273. Упрощенная
установка для демонстрации
движения ионов
138. Вывод первого закона Фараде я
3 пробирки (0 20 мм, длина 180 мм)\ 6 тонких
угольных стержней (от батарейки карманного фонарика); 3
резиновых пробки к пробиркам; 3 стеклянные трубки
(0 Змм, длина 80 мм); 3 цилиндрические мензурки (50 мл)\
3 корковые пробки к мензуркам; 2 реостата (по 300 ом)\
2 амперметра (0,5 а); рубильник; секундомер;
20-процентный раствор серной кислоты; малый агрегат питания или
аккумуляторы (6 в).
Изготовление газового вольтаметра
Самодельный газовый вольтаметр и его детали изображены на
рисунке 274. Сам вольтаметр изготавливается из пробирки,
заткнутой просверленной резиновой пробкой. В резиновую пробку
вставляют два угольных тонких стержня и стеклянную трубку по
центру, на свободный конец которой насаживают корковую
пробку с боковым каналом. Корковая пробка должна быть такого
размера, чтобы она затыкала мензурку (рис. 274, а). Пробирку
заполняют полностью 20-процентным раствором серной кислоты,
затыкают резиновой пробкой, переворачивают и при помощи корковой
пробки укрепляют в мензурке. Наполнение пробирки-вольтаметра
серной кислотой не вызывает затруднения, так как достаточно на-
282

Рис. 274. Установка для исследования первого закона Фарадея:
а — изготовление газового вольтаметра; б — общий вид установки
полнить ее до краев кислотой и затем заткнуть пробкой. Лишняя
кислота выльется через стеклянную трубку, но при приворачивании
трубки выливание кислоты происходить не будет, так как в
пробирке не останется воздуха. Впрочем, нужно иметь в виду, что
работа с серной кислотой всегда опасна: может быть и ожог кислотой
и порча одежды! Поэтому необходимо соблюдение осторожности.
Вариант 1. Эксперимент с двумя вольтаметрами
Собирают параллельные цепи, в каждую из которых
включены последовательно газовый вольтаметр, амперметр и реостат
(рис. 274, б). Обе цепи через общий однополюсный рубильник
соединяют с источником постоянного тока с напряжением порядка 4 в.
После включения рубильника при помощи реостата подбирают
такое сопротивление цепей, чтобы силы тока в них относились как
1 : 2, например 100 ма и 200 ма, после чего цепь прерывают и
измеряют количество кислоты, вылившейся за время подготовки
цепей. Вновь включают цепь и одновременно включают секундомер.
По истечении одной или двух минут вновь определяют количество
вылившейся из каждого вольтаметра кислоты. Эксперимент
повторяют не менее трех раз, чтобы получить средние данные.
Следует считать, что количество вылившейся серной кислоты в
1 мл соответствует и количеству образовавшегося в вольтаметре
гремучего газа (в 1 мл). Можно объем газа пересчитать на
содержащуюся в этом объеме массу, зная плотность гремучего газа
(ро = 0,000536 г • мл^1). Поправку на температуру и давление
вводить нет надобности, так как в задачу эксперимента входит только
подтверждение закона Фарадея о пропорциональности массы
выделившегося при электролизе вещества количеству прошедшего
через электролит электричества.
Все данные, полученные в эксперименте, целесообразно
представить в виде таблицы.
283

Время
t
сек
Сила
тока
/
а
Количество
электричества
q = I • t
к=а • сек
Объем
газа
V
мл
Масса
газа
т
г
Отношения
объема массы
к количеству к количеству
электричества
V
я
мл • кг1
т
~Я
г - кг1
Вариант 2. Эксперимент с тремя вольтаметрами
Установка может быть видоизменена так, чтобы два
вольтаметра были параллельны, а третий последовательно соединен с ними
(рис. 275). В цепь последовательно с вольтаметрами включают
всего один амперметр и один реостат.
Эксперимент проводится так же,
как и в первом варианте, но
измеряется общая сила тока, которую не
следует брать более 0,2 а.
Все данные также заносят в
таблицу.
Результат эксперимента
позволяет утверждать, что сумма объемов, а
значит, и масс, выделившихся в двух
параллельно соединенных
вольтаметрах, равна объему гремучего газа,
выделившегося в третьем
вольтаметре, соединенном с первыми
последовательно. А это еще раз
подтверждает зависимость количества
выделившегося вещества от силы тока в цепи и
времени.
Рис. 275. Установка с тремя
газовыми вольтаметрами
для исследования первого
закона Фарадея
139. Определение электрохимического
эквивалента водорода и постоянной Фарадея
Прибор Гофмана — двойной газовый вольтаметр с
платиновыми электродами (в крайнем случае с угольными);
тот же прибор со свинцовыми электродами; тот же прибор
с железными электродами; амперметр (0,5 а); реостат
(25 ом)\ секундомер; барометр; термометр; ареометр;
рубильник; вертикальная масштабная линейка с
подвижным указателем; 30-процентная серная кислота;
аккумуляторная кислота; 10-процентный раствор едкого натра;
малый агрегат питания или аккумуляторы (4 в).
284

4
а.
f°
JpLz5
1Э
Рис. 276. Электролиз
воды на приборе Гофмана
лф
г
Рис. 277.
Измерения газовых
объемов на приборе
Гофмана
Собирают установку, электрическая цепь которой приведена на
рисунке 276. Бюретки вольтаметра Гофмана полностью
заполняются 30-процентной серной кислотой, и цепь включают на некоторое
время, достаточное, чтобы при помощи реостата установить в цепи
ток порядка 300 ма. После чего цепь размыкают и из бюреток
удаляют образовавшиеся газы. Необходимо удалить пузырьки газа и
с электродов, для чего следует ударить несколько раз по прибору
ногтем пальца. После этого установка готова.
Одновременно с включением цепи включают и секундомер.
После того как в бюретках собирается какое-то целое число
миллилитров водорода, например 20 мл, ток прекращают. Бюретку, в
которой собирается водород, легко узнать, в ней газа по объему в два
раза больше, чем в той, где собирается кислород. Легким
постукиванием по бюреткам следует собрать газы, оставшиеся на
электродах и стенках бюреток, после чего измерить объем водорода.
Следует иметь в виду, что во время проведения эксперимента,
а это все-таки несколько минут, сила тока в цепи может меняться,
вот почему надо все время следить за показанием амперметра и
при помощи реостата выравнивать силу тока до измерений в начале
эксперимента.
При помощи вертикально установленной масштабной линейки
следует измерить разность уровней в уравнительном (среднем)
баллоне и в бюретке с водородом (рис. 277). Для нахождения
истинного значения разности давлений надо по окончании опыта изме-
285

рить при помощи ареометра плотность серной кислоты. Кроме того,
надо измерить температуру воздуха в помещении, принимая, что
она является и температурой газа, а также атмосферное давление.
Расчет
Прежде всего приводят объем водорода к нормальным условиям,
используя уравнения газового состояния (объединенного газового
закона):
1/ _ V.pT0
v о —
Т-Ро
Где р = ратм + АР, а А/? = Д/1 • Рэлектролита ?
Рртути
при этом ратм измеряется в торрах и А А — в миллиметрах:
р0 = 760торр, Т0 = 273° К,
Т = 273 -\- t по шкале С.
Массу водорода рассчитывают по уравнению:
m = У0
^вал ^моль
где Умоль = 22,41 л/г -моль; Ммоль = 2 • 1,0078 г/г-моль (так как
водород двухатомный), но Мвал=ММ0ЛЬ (так как водород
одновалентный):
2.1,0078.У0
/я =
22,41
Расчет электрохимического эквивалента производится по урав
нению первого закона Фарадея:
откуда
ft- .
ft- m
Расчет постоянной Фарадея (числа Фарадея) можно произвести
по формуле:
Примечания
1. На приборе Гофмана определять электрохимический
эквивалент кислорода нельзя, так как кислород, выделяющийся на
аноде, в значительных количествах растворяется в электролите.
2. Хорошие результаты могут быть получены для водорода
при свинцовых электродах и электролите — аккумуляторной
286

кислоте или при платиновых электродах и электролите —
растворе чистого едкого натра. Для кислорода можно определять
электрохимический эквивалент при железных электродах и
электролите — растворе химически чистого едкого натра.
3. Конечно, можно и вывод первого закона Фарадея провести
на приборе Гофмана.
4. При точных исследованиях следует учитывать и давление
паров электролита в бюретках.
140. Определение электрохимического
эквивалента меди
и нахождение постоянной Фарадея
4 медных электрода; низкий химический стакан
(1000 мл); 2 пропитанных парафином деревянных
бруска (80 мм X 20 мм х 20 мм); 2 полоски медной фольги
(120 мм х 10 мм)\ реостат (25 ом); амперметр (5 а);
аналитические весы с разновесами (до 200 п); секундомер;
рубильник; концентрированная серная кислота;
этиловый спирт; малый агрегат питания или аккумуляторы
(6 в).
Этот эксперимент общеизвестен, поэтому мы ограничиваемся
рядом практических советов.
Целесообразно применять вольтаметр, в котором анодом служат
две медные пластинки, между которыми и помещен катод — третья
медная пластинка. Для самодельного вольтаметра размеры
пластин нами даны на рисунке 278, а. Пластинки, служащие анодом,
следует укрепить между собой при помощи двух деревянных
парафинированных брусков, на которых прорезан желобок для
помещения дужек катода (рис. 278, б). В собранном самодельном
вольтаметре просвет между анодными пластинками порядка 80 мм
(рис. 278, в). Электролитом служит водный раствор медного
купороса с добавкой концентрированной серной кислоты и этилового
спирта .(см. Э-136). Глубина погружения электродов порядка
100 мм.
а 5 6
Рис. 278. Самодельный медный вольтаметр
287

M<Sh
4-60
Сборка цепи производится по принципиальной схеме,
изображенной на рисунке 279. Целесообразно в предварительном
эксперименте определить оптимальную силу тока в цепи, считая, что
наиболее удобна плотность тока порядка 0,01 а на квадратный
сантиметр. Длительность электролиза при этом около 15 мин.
Следует иметь в виду и то, что катод
должен быть перед каждым
экспериментом тщательно промыт и ополоснут
дистиллированной водой и спиртом. За все
время отложения меди следует при
помощи реостата поддерживать
постоянной силу тока в цепи.
Расчет величины
электрохимического эквивалента производится по
формуле:
k — ,
а расчет постоянной Фарадея (числа Фарадея), как это указано для
Э-139, по уравнению:
v __ MBUJl.i.t
F ~~ Am '
где для двухвалентной меди (а в этом эксперименте медь
двухвалентна):
Мвал= 31,72—?—.
Ж
Рис 279. Установка для
определения
электрохимического эквивалента меди
г-же
141. Сравнение показаний амперметра
с данными, полученными на серебряном
вольтаметре
Серебряная палочка (0 Змм, длина 100 мм)\
платиновый тигель (25 мл)\ пробирка; тонкая стеклянная
палочка (0 1 мм) или капилляр: U-образная трубка;
медная проволока (0 2 мм); 2 медные пластинки (60 мм X
X 40 мм X 1 мм)\ реостат (25 ом)\секундомер;
аналитические весы с разновесами; миллиамперметр
(50 ма); рубильник; 2 зажима-крокодила; штатив на
изолирующей подставке; метиловый спирт;
дистиллированная вода; азотнокислое серебро; малый агрегат питания
или батарея аккумуляторов (2 в).
Общий вид установки приведен на рисунке 280, а. Серебряную
палочку укрепляют в петле толстой медной проволоки, поджатой
под клемму штатива на изолирующей подставке. Под палочку
подставляют платиновый тигель, предварительно тщательно взвешен-
288

/ R
Рис. 280. Установка для определения
электрохимического эквивалента серебра
ный. Палочка служит анодом, и поэтому на нее подается ток через
реостат (25 ом) и миллиамперметр с положительного полюса
источника тока. Тигель является катодом. Под него подкладывают
кусок латунной или медной фольги, к которой при помощи зажима-
крокодила подводят провод от отрицательного полюса источника
тока. В тигель наливают 20-процентный раствор азотнокислого
серебра. Палочка должна быть погружена в электролит на 30 мм.
Под палочку целесообразно подвесить специальную ловушку для
спадающих с серебряной палочки частиц солей—побочных
продуктов. Такую ловушку можно изготовить и из стеклянной пробирки,
взяв ее придонную часть. Ловушку следует подвесить на
проволочках к тиглю (рис. 280, б).
Электролиз при силе тока порядка 50 ма проводится около
25 мин. После окончания электролиза тигель тщательно
ополаскивается дистиллированной водой и спиртом и после просушивания
взвешивается на аналитических весах для определения прироста
массы, т. е. количества отложившегося серебра.
Из уравнения первого закона Фарадея следует, что
г Am
Зная, что для серебра k = 1,118 мг- or1 - сект1, нетрудно
сопоставить расчетное значение силы тока в цепи с показанием
миллиамперметра, что и позволит внести соответствующие поправки
к прибору.
Примечания
1. Платиновые тигли обычно имеются в кабинетах химии
средних учебных заведений и школ, в которых изучается
органическая химия. Серебряная проволока недорога и доступна
школам.
289

2. Если в школе нет платинового тигля и серебряной
проволоки, то можно рекомендовать упрощенный метод. Самодельный
серебряный вольтаметр может быть изготовлен из U-образной
трубки / и двух, хорошо посеребренных электродов 2 (рис. 281).
Серебрение медных электродов может быть выполнено на
занятиях физического кружка самими
учащимися. Для этого медные пластинки
помещают в раствор азотнокислого серебра
как катоды. Анодами служит любой
серебренный предмет, например чайная
ложка (с пробой не ниже 875, что
соответствует 875 мг серебра на 1000 мг
сплава). Серебрение медных пластинок
длится не менее 20 часов при силе тока
в 100 ма, следовательно, через установ-
AgN03 ку для серебрения ток следует
пропускать около суток, но так как сила тока
мала, установку можно спокойно оста-
Рис 281. Простей- вить на ночь без присмотра. Впрочем,
шая модель сере- процесс серебрения можно прерывать, и
бряного вольта- г г г г г >
F метра тогда он может длиться несколько дней.
Примечания
1. Эксперимент дает хорошие результаты при соблюдении
определенных правил: промытые электроды и тигель не следует
брать руками — нужно пользоваться тигельными щипцами или
пинцетом; пластинки и тигель нельзя просушивать при помощи
фильтровальной бумаги, а следует просушивать, держа над
электроплиткой с закрытым нагревательным элементом; вода,
используемая для промывки, должна быть проверена на
содержание ионов серебра, для чего достаточно добавить в нее
соляной кислоты, при наличии серебра она помутнеет. В электролит
не должны попадать органические вещества; вести взвешивание
следует только на аналитических весах.
2. Удаление осевшего на тигель серебра производится при
помощи азотной кислоты (работать под тягой!). В тигель
наливается 20-процентная азотная кислота, и тигель слегка
нагревают. Осевшее серебро растворится.
3. Следует иметь в виду, что по системе СИ ампер
определяется как величина динамическая и старое определение ампера
через электрохимический эквивалент отпадает. Между ними
существует соотношение:
международный ампер = 0,99985 абс. ампера.
290

142. Вывод второго закона Фар аде я
Самодельный вольтаметр для получения гремучего
газа (см. Э-138); 2самодельных рычажных весов (см. Э-136);
2 химических стакана (600 мл)\ 2 медных электрода; 2
серебряных электрода (или посеребренные пластинки) (см.
Э-141); реостат (19 ом)\ миллиамперметр (500 ма)\
секундомер; разновесы (до 100 п)\ барометр; термометр;
ареометр; рубильник; 2 вертикальные зеркальные шкалы;
медный купорос; концентрированная серная кислота;
этиловый спирт; азотнокислое серебро; малый агрегат
питания или батарея аккумуляторов (6 в).
В цепь от источника постоянного тока включают
последовательно газовый, медный и серебряный вольтаметры, амперметры и
реостат (рис. 282, а). Аноды металлических вольтаметров укрепляют
в клеммах штативов на изолирующих подставках. Катоды
металлических вольтаметров, медный и серебряный, подвешивают к
коромыслам самодельных рычажных весов (см. Э-136). На коромысла
весов вместо рейтеров укрепляют подвески для помещения мелких
гирек и наносят миллиметровую шкалу (рис. 282, б).
В пробирку газового вольтаметра наливают подкисленную
серной кислотой дистиллированную воду.
В медный вольтаметр наливают заранее подготовленный
раствор медного купороса (см. Э-136), а в серебряный вольтаметр —
30-процентный раствор азотнокислого серебра и тарируют весы с
подвешенными катодами перемещением подвесок или помещением
на них гирек.
-^—0
Полоска чертежной Ъциага
Рис. 282. Установка для одновременного исследования
электролиза трех компонентов. К выводу второго закона Фарадея
291

После погружения в растворы электродов расстояние подвесок
от оси вращения а может быть найдено по следующим расчетным
формулам:
~ ___ / / 1 Рэлектролита \
V Рметалла /
Плотности электролитов следует до и после эксперимента
измерить при помощи ареометра и взять их среднее значение.
Плотности металлов находят из таблиц.
Подав на установку ток, при помощи реостата доводят силу тока
примерно до 300 ма, после чего выключают рубильник и вновь
тарируют весы. Для газового вольтаметра определяют при помощи
мензурки начальное количество газа, накопившегося при
предварительном определении силы тока.
После этого включают установку и одновременно пускают
секундомер. Электролиз должен длиться не менее 10 мин. За все
время электролиза при помощи реостата поддерживают постоянной
силу тока. Как только процесс электролиза будет закончен, весы
приводятся в равновесие помещением на них новых гирек.
После этого переходят к расчетам и измерениям масс
выделившихся веществ. Массу выделившегося гремучего газа определяют
по объему вылившегося в мензурку электролита, внеся поправки
на температуру и давление (см. Э-139); при более точных расчетах
можно внести поправку на плотность электролита.
Массы выделившихся металлов можно определить, не прибегая
к взвешиванию следующим образом.
Объемы выделившихся металлов определяются уравнением:
Дт = А\/.рметалла.
Зная объемы отложившегося металла, можно рассчитать прирост
выталкивающей силы электролита, которая собственно и
компенсируется перемещением подвески рычажных весов или помещением
на нее гирек. Обозначив измеренный прирост через Amlf а через
Am — истинный прирост, следует, что
Lm^ = Am — А1/.рэлекТр0лита =
__ д*~ А^ГС* Рэлектролита
Рметалла
ИЛИ
откуда
Ат-ь = Am (1 — рэлектролита V
\ Рметалла /
Am = -
| Рэлектролита
Рметалла
292

Величину — Arrii определяют по окончании электролиза по
помещенным на подвес гирькам, приводящим коромысла в равновесие.
Впрочем, можно определить прирост массы и прямым
взвешиванием электродов на аналитических весах до и после эксперимента,
соблюдая правила, указанные в примечаниях к Э-141.
Найдя для каждого из веществ значение k —
электрохимического эквивалента, надлежит сопоставить его со значением
химического эквивалента, что и подтвердит второй закон Фарадея, из
которого следует, что электрохимические эквиваленты
пропорциональны химическим:
~Т'~Т '"~2~"
143. Экспериментальное подтверждение
второго закона Фарадея
2 самодельных медных вольтаметра (см. Э-136); 2
самодельных рычажных весов (см. Э-136); реостат (25 ом)\
миллиамперметр (500 ма)\ рубильник; 4 штатива на
изолирующих подставках; медный купорос; концентрированная
серная кислота; этиловый спирт; хлористая медь;
концентрированная соляная кислота; медные стружки;
поваренная соль (химически чистая); дистиллированная
вода; малый агрегат питания или батарея аккумуляторов
(8 в).
Приготовление раствора хлорной меди
Около 100 мл 10-процентного водного раствора хлористой меди
(СиС12) восстанавливают до хлорной меди (CuCl). Для этого в
водный раствор хлористой меди добавляют 20 мл концентрированной
соляной кислоты и насыпают 50 г медной стружки. Раствор
подогревают. Реакцию восстановления следует считать оконченной, как
только исчезнет зеленоватая окраска раствора, после чего доливают
раствор до 400 мл 1,5-процентным раствором поваренной соли.
Приготовление раствора хлорной меди необходимо производить
непосредственно перед проведением эксперимента, так как он под
воздействием воздуха окисляется и хлорная медь переходит вновь
в хлористую, раствор становится снова зеленоватым.
Эксперимент
Установка для проведения эксперимента изображена на
рисунке 283. Оба вольтаметра включаются последовательно, но в один из
них наливают раствор медного купороса (CuSOJ (его приготовле-
293

Рис. 283. Установка для вывода 2-го закона Фарадея
ние см. Э-136), а в другой — свежеприготовленный раствор
хлорной меди (CuCl).
Подав на установку ток с напряжением порядка 8 в, при
помощи реостата устанавливают в цепи силу тока порядка 200 ма. Весы
должны быть приведены в равновесие.
Уже через некоторое время видно, что прирост массы катода,
опущенного в раствор хлорной меди, где медь одновалентна, почти
в два раза больше прироста массы катода, опущенного в раствор
медного купороса, где медь двухвалентна.
Так как через растворы прошло равное количество
электричества, выделились разные количества меди, пропорциональные
химическим эквивалентам, то можно считать, что эксперимент
подтверждает второй закон Фарадея: масса выделившегося металла
пропорциональна отношению атомного веса и валентности.
Примечание
Следует иметь в виду, что слишком длительное пропускание
тока не улучшит полученных данных, а, наоборот, их исказит,
так как хлорная медь может перейти в двухвалентную
хлористую и при взвешивании электродов отношения 1 : 2 не
получится.
§ 28. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ГАЗАХ
144. Серия экспериментов
по несамостоятельному разряду в газах(!)
2 алюминиевые пластины (120 мм X 80 мм X 1 мм) с
контактными ушками; полихлорвиниловая палочка;
кусок шерстяной ткани; ленточный генератор или электро-
форная машина; электрометр Брауна; нагревательная
нихромовая спираль от электроплитки; электрическая
дуга; индукционная катушка Румкорфа; трубка Рент-
294

гена; радиоактивный препарат (например, от учебной
камеры Вильсона); серная пыль; алюминиевый порошок;
свеча; секундомер; пипетка с резиновой грушей; 4
штатива на изолирующих подставках;
стеклянная трубка (0 3 мм)\ малый
агрегат питания или батарея
аккумуляторов (6 в).
Для этой серии экспериментов,
демонстрирующих несамостоятельный разряд в
воздухе, изготавливают воздушный
конденсатор, для чего на штативах с изолирующей
подставкой укрепляют алюминиевые
пластины, соединенные между собой через
электрометр, при этом одна пластина соединяется с
кондуктором электрометра, другая — с
корпусом (рис. 284). Корпус электрометра, а
значит, и одну из пластин заземляют.
Перед проведением каждого из
экспериментов на незаземленную пластину наносят
отрицательный заряд. Для этого ее
касаются натертой о шерстяную ткань
полихлорвиниловой палочкой. Другая пластина по
индукции заряжается положительно, и
электрометр покажет разность потенциалов между пластинами. Тем
самым обе пластины явятся пластинами заряженного
конденсатора.
Рис. 284. Установка
для демонстрации
несамостоятельного
разряда в газах
Опыт А. Ступенчатый разряд конденсатора
Этот опыт описан в Э-13 (рис. 36), и мы опускаем вторичное
объяснение. Эксперимент безусловно должен быть повторен при
прохождении этой темы, так как он является пропедевтическим ко
всей последующей серии опытов.
Опыт Б. Ионизация воздуха разогретой спиралью
Между пластиками заряженного конденсатора вносят кусок
нагревательной спирали от электроплитки, рассчитанный так,
чтобы при напряжении в 6 в он разогревался докрасна (рис. 285).
По мере нагревания спирали стрелка электрометра будет
опускаться и при красном накале она упадет до нуля. Конденсатор
разрядится.
Опыт В. Ионизация воздуха пламенем
Зажженную свечу вносят в пространство между пластинами
заряженного конденсатора. Конденсатор тотчас же начнет
разряжаться (рис. 286).
295

Рис. 285. Разрядка
конденсатора при внесении
раскаленной спирали
между пластинами
Рис. 286.
Разрядка конденсатора
при внесении
пламени между
пластинами
Следует показать, что то же будет происходить и в том случае,
если свеча будет только приближена к просвету между
пластинами заряженного конденсатора, а ее пламя будет вдуваться при
помощи стеклянной трубки в просвет. Впрочем, следует доказать, что
не струя воздуха, а только пламя ионизирует воздух. Для этого,
не поднося свечи, следует подуть воздух через такую же трубку
между пластинами конденсатора. Он сохранит заряд.
Опыт Г. Ионизация воздуха ультрафиолетовыми лучами
Достаточное пространство между пластинами заряженного
конденсатора осветить лучами электрической дуги, чтобы произошла
разрядка конденсатора.
Опыт Д. Ионизация воздуха лучами Рентгена
Устанавливают трубку Рентгена так, чтобы ее лучи были
направлены в пространство между пластинами конденсатора.
Конденсатор заряжают и включают трубку Рентгена, но как только лучи
Рентгена проникнут в пространство между пластинами, конденсатор
разрядится.
Опыт Е. Ионизация воздуха радиоактивным препаратом
Трубку с радиоактивным препаратом, например от учебной
камеры Вильсона, вносят в пространство между пластинами
заряженного конденсатора. Конденсатор разряжается.
296

Опыт Ж. Заряженные частицы в поле конденсатора
Серный цвет смешивают с алюминиевым порошком и
полученную смесь насыпают в пипетку, оснащенную грушей. Пластины
конденсатора сближают до расстояния в 4 лш, и порошок вдувают
в пространство между пластинами заряженного конденсатора.
Вылетающие из пипетки частицы электризуются при их разделении и
тут же осаждаются на пластины конденсатора. Конденсатор при
этом постепенно разряжается.
145. Самостоятельный разряд в воздухе
при нормальном давлении(!)
Заостренный металлический стержень (0 3 мм,
длина 70 мм)\ латунная или медная фольга; электрическая
дуга с ограничителем напряжения; двояковыпуклая
линза (F = 100 мм); большой лист картона; свеча; 2
лабораторных штатива; штатив на изолирующей подставке;
индукционная катушка Румкорфа; ленточный генератор или
электрофорная машина. Все варианты этого
эксперимента проводятся в затемненном помещении.
Часть 1. Коронный разряд
Ленточный генератор или электрофорную машину приводят в
действие в затемненном помещении. Как только глаза слушателей
привыкнут к темноте, они увидят на кондукторах генераторов, на
ленте, на выступах прибора фиолетовые кисточки, своеобразное
свечение, которое и носит название коронного разряда.
Часть 2. Разряд с острая
Заостренный металлический стержень укрепляют в
горизонтальном положении в штатив на изолирующей подставке и соединяют
с кондуктором генератора или электрофор ной машины (рис. 287).
Как только генератор будет приведен в действие, на острие
будет наблюдаться светящаяся кисточка, получившая название
«разряда с острия» или «огня св. Эльма»1.
1 «Огни св. Эльма» (также огни св. Германа, св. Клары, св. Николя,
пророка Ильи) — разряд в виде кисточки наблюдается довольно часто и в
природе на остриях возвышающихся предметов и построек — шпицах
башен, мачтах, одиноких деревьях и даже на людях. Получил название от
церкви св. Эльма (покровителя средиземноморских моряков Италии).
Другие названия тому же природному явлению, возникающему большей
частью перед грозой, даны в разных местах и при других обстоятельствах.
297

Рис. 287. Разряд с острия
Если перед заостренным стержнем поместить зажженную свечу,
то пламя свечи при достаточной интенсивности разряда потухнет
(рис. 287). Впрочем, это явление уже рассмотрено и в Э-14, но
-^ч по другому поводу. В том же эксперименте, Э-14,
^_Jjv рассмотрено устройство и электрического «флю-
^^•j гера» — электрической вертушки, изображенной
ч-_^ на рисунке 288 в несколько ином виде
(сравните с рис. 37). В темноте такой «электрический
реактивный двигатель», или «электрический
флюгер», при его вращении будет казаться светящимся
фиолетово-голубоватым кругом.
Рис. 288. Электрическая «реактивная» вертушка
Часть 3. Искровой разряд
Искровой разряд может быть получен на индукционной
катушке Румкорфа и на электрофорной машине как разряд между
кондукторами.
Часть 4. Дуговой разряд
Разряд в электрической дуге между ее электродами и
называется дуговым разрядом. Следует помнить, что при демонстрации
дугового разряда надо со стороны аудитории поставить темное
(красное или черное) стекло, чтобы не повредить учащимся зрение.
Сам экспериментатор должен работать, надев темные очки, или
должен смотреть на дугу только через темно-красное стекло. Впро-
298

чем, можно дугу при помощи собирающей линзы спроектировать
на стену.
(Самодельные электрические дуги см. часть 4, стр. 79—82,
Э-17 и Э-18.)
146. Самостоятельный разряд в разрядных
трубках при пониженном давлении(!)
Разрядная трубка с двумя электродами и боковым
штуцером для откачивания воздуха; шкала вакуумных
трубок; насос высокого вакуума (можно использовать и
насос Комовского); вакуумный шланг; вакуометр;
вакуумная замазка Рамзая; индукционная катушка Румкор-
фа; малый агрегат питания или батарея аккумуляторов
(14 в).
Опыт с разрядной трубкой принадлежит к классическим опытам,
и поэтому он должен быть обязательно проведен. Так как опыт
общеизвестен, мы ограничимся краткими указаниями и рисунком 289,
на котором показано изменение характера свечения разрядной
трубки по мере увеличения вакуума.
Электроды разрядной трубки соединяют с кондукторами
индукционной катушки и, приведя ее в действие, начинают откачку
воздуха из трубки. По мере увеличения вакуума в разрядной трубке будет
возникать свечение, меняющееся по своему характеру и цвету.
Следует иметь в виду, что, как только прекратят откачку
воздуха, необходимо тотчас же разобщить трубку и насос, в противном
случае в трубку может попасть масло.
Существует готовая «шкала вакуумных трубок» с впаянными
электродами и разной степенью эвакуации воздуха. Несмотря на
наглядность такого готового пособия, око не может заменить опыта
с разрядной трубкой, в которой в процессе демонстрации изменяет-
Давление
(торры)
40-Ю
0,5-0.2
Характер
разряда
К А
К А
К А
¦в ••<•;«(«¦»>
Давление
(торры)
0.1
0.05
0 0?
Характер
разряда
Л А
-вк> т- 1
П А
Щ к*- 4*
К А
-в - в-
Рис. 289. Характер разряда в двухэлектродной трубке
в зависимости от степени эвакуации воздуха
299

ся степень откачки. Вот почему мы считаем, что готовую шкалу
можно использовать только для воспроизведения эксперимента при
повторении учебного материала.
147. Свойства катодных лучей(Н)
Треханодная трубка Крукса низкого вакуума, трех-
анодная трубка Крукса высокого вакуума; трубка со
звездой; трубка с флуоресцирующим экраном; трубка
с катящейся крылаткой; трубка с вогнутым катодом;
трубка с антикатодом и металлической преградой; трубка
с окном Ленарда; полосовой магнит; алюминиевая
пластинка (120 мм X 80 мм X 1 мм); 2 штатива на
изолирующих подставках; стеклянная палочка; кусок
шелковой ткани; полихлорвиниловая палочка; кусок
шерстяной ткани; электрометр или электроскоп; индукционная
катушка Румкорфа; большой агрегат питания; батарея
аккумуляторов (14 в).
Эксперимент проводят в затемненном помещении. Так как опыты
идут с катодными трубками, то на столе экспериментатора со
стороны аудитории должно быть поставлено защитное стекло, а
приборы следует располагать так, чтобы излучения проходили вдоль
большой оси демонстрационного стола и не попадали ни на
слушателей, ни на экспериментатора.
Источником напряжения служит катушка Румкорфа, которую
следует питать или от большого агрегата
питания, или от батарей аккумуляторов на
14 в. Как и в Э-146, мы и здесь
ограничимся самыми краткими указаниями.
Часть 1. Прямолинейное
распространение катодных лучей
В этой части эксперимента используют
треханодную трубку. Катод такой трубки
имеет форму вогнутого зеркала.
В треханодных трубках высокого
вакуума по очереди присоединяют провод от
положительного полюса источника
высокого напряжения к тому или иному аноду. Но
к какому бы аноду ни был присоединен
провод, свечение стекла наблюдается на
одном и том же месте — против катода
(рис. 290, а).
Но если взять треханодную трубку низ-
Рис. 290. Катодные кого вакуума, то в ней возникает светя-
трубки Крукса щийся жгут, направление которого будет
:§Ш§Ш?
300

зависеть от того, к какому аноду присоединен провод от
положительного полюса источника тока. И перенося этот провод, мы
будем наблюдать и перемещение пути распространения
светящегося жгута (рис. 290, б).
Часть 2. Абсорбция электронов катодного потока
Для этой части эксперимента берут трубку Крукса с крестом
или звездой (рис. 290, в). Подав на трубку напряжение, убеждаются,
что на стенке, противоположной катоду, видна тень от
металлической преграды, помещенной на пути катодного потока. Металлы
абсорбируют падающий на него поток электронов. Но видна и слабая
тень от стеклянного столбика, на котором укреплена звезда или
крест. Следовательно, стекло только частично абсорбирует
катодные лучи.
Часть 3. Отклонение катодных лучей магнитным полем
Можно отклонение катодных лучей магнитным полем показать
на трубке со звездой или крестом. Поднося к такой трубке магнит,
в плоскости, перпендикулярной продольной оси трубки, можно
вызвать отклонение тени от металлической преграды на стенке трубки.
Но удобнее воспользоваться специальной трубкой с
вмонтированным в нее светящимся от катодных лучей экраном, так называемой
«трубкой отклонения» (рис. 290, г).
Поднося к трубке магнит, мы наблюдаем отклонение катодного
луча. Направление этого отклонения можно определить по правилу
левой руки, но во всех случаях катодные лучи будут отклоняться
в плоскости, перпендикулярной продольной оси магнита.
Часть 4. Отклонение катодных лучей в электрическом поле
И для этой части эксперимента можно использовать как трубку
с крестом, так и трубку отклонения, но целесообразнее применить
специальную трубку со светящимся экраном с миллиметровой
сеткой, размещенным против катода, так называемую «трубку
Брауна» (рис. 291, а). По обеим сторонам от трубки, параллельно ее боль-
*?
р+
^^
и
=х.
Рис. 291. Другие типы катодных трубок:
трубка Брауна со светящимся экраном; б — трубка с вертушкой; в —
трубка Крукса с антикатодом, раскаливаемым катодным потоком
301

шой оси, помещают пластины, образующие конденсатор (см. так же
Э-144). На пластины подают высокое напряжение порядка 400 в
от большого агрегата питания.
Как только на пластины конденсатора будет подано
напряжение, светящееся пятнышко, вызванное катодным потоком на
миллиметровой сетке, сместится в сторону положительно заряженной
пластины. При изменении знака на пластинах будет меняться и
смещение пятнышка. Во всех случаях оно будет смещаться в сторону
положительно заряженной пластины конденсатора.
Таким образом, направление смещения катодных лучей
противоположно направлению электрического поля. Плоскость
смещения катодного потока в электрическом поле перпендикулярна
плоскости смещения лучей в магнитном поле (сама же трубка Брауна
применяется в катодных осциллографах).
Часть 5. Механическое действие катодных лучей
Здесь используют трубку с вертушкой или крылаткой, которые
под действием потока катодных лучей приходят в движение
(рис. 291, б).
Часть 6. Тепловое действие катодных лучей
Для этой части эксперимента нужна специальная трубка Крук-
са с вогнутым катодом, антикатодом и тонкой металлической
пластинкой, помещаемой по ходу катодного потока (рис. 291, в). При
падении катодных лучей, сфокусированных вогнутым катодом на
металлическую пластинку, последняя раскаляется и начинает
светиться.
Часть 7. Проникновение катодных лучей через тонкие
пластинки
Этот эксперимент представляет особый интерес, и, так как он
до сего времени не вошел в широкую методическую литературу
для курсов элементарной физики, мы дадим его более подробное
описание.
Эксперимент проводят на трубке Ленарда. Трубка двухэлект-
родная, вакуумная, в стеклянном баллоне которой имеется окошко,
затянутое тонкой, порядка 2 микрон, алюминиевой фольгой (или
слюдой.— Л. Л.). Трубку Ленарда присоединяют к индукционной
катушке Румкорфа так, чтобы электрод, находящийся против
окошка, был отрицательным. При включении установки катодные лучи
попадают на окошко и образуют вне трубки слабое голубоватое
свечение — результат ударной ионизации воздуха потоком
электронов.
302

Следовательно, катодные лучи способны проникать через
тонкие металлические преграды (или слюду. — А. Л.).
В развитие эксперимента следует у самого окошка трубки Ле-
нарда поместить заряженный положительно электроскоп или
электрометр. Под действием катодных лучей электрометр разрядится.
Но если электрометр будет заряжен отрицательно, то он не
разрядится, что лишний раз позволяет подтвердить, что катодные лучи —
это поток электронов.
148. Свойства каналовых лучей(Н)
Трубка Гольдштейна для получения каналовых лучей;
сильный электромагните полюсными наконечниками;
индукционная катушка Румкорфа; малый агрегат питания
или батарея аккумуляторов (20 в).
Эксперимент проводится в
хорошо затемненном помещении!
На трубку для получения
каналовых лучей, катод которой
представляет собой
металлическую пластинку с рядом отверстий,
подают напряжение от
индукционной катушки Румкорфа. В
пространстве за катодом в верхней
части трубки (рис. 292, а)
наблюдается розоватое свечение. Но и
перед катодом в непосредственной
от него близости заметно такое же
свечение значительно меньшей
интенсивности.
Катодные лучи ионизируют
молекулы наполняющего трубку
газа (трубка высоковакуумная).
Положительные ионы газа
устремляются к катоду, и какая-то их часть
проскакивает через отверстия-каналы в катоде, вызывая в
пространстве за катодом ударную вторичную ионизацию,
сопровождаемую при рекомбинации флуоресценцией.
Переведя трубку в горизонтальное положение и введя ее в
пространство между полюсными наконечниками сильного
электромагнита так, чтобы наконечники были очень плотно придвинуты к
стенкам трубки, вновь подают на трубку напряжение. В сильном
магнитном поле хорошо видно отклонение каналовых лучей вниз
(рис. 292, б). Однако, глядя на установку сверху, отклонение
лучей незаметно (рис. 292, в)у что и позволяет установить характер
отклонения.
а
Рис. 292. Трубка Гольдштейка
для исследования каналовых
лучей
303

При относительно большой массе положительных ионов, обра-
вующих каналовые лучи, отклонение их в электрических полях
требует применения полей такой интенсивности, получить которую
на оборудовании, доступном средним учебным заведениям,
невозможно.
§ 29. ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ
149. Эффект Эдасона(!)
Лампочка накаливания (220 в, 100 вт)\ лампочка
тлеющего разряда на качающейся планке (см. Э-107);
электрометр Брауна; миллиамперметр (Юма);
полихлорвиниловая палочка; кусок шерстяной ткани; стеклянная
палочка; кусок шелковой ткани; алюминиевая или медная
проволока (0 1 мм, длина 600 мм); станиоль; рубильник;
ленточный генератор или электрофорная машина;
большой агрегат питания.
Вариант 1. Проволочный колпачок
'2206
'"220 6
Рис. 293. Эффект Эдисона:
а — установка с проволочным
колпачком; б — то же, со станиолевым
колпачком
На баллон лампочки
накаливания навивают несколько витков
алюминиевой или медной проволоки,
один из концов которой
соединяют с кондуктором электрометра
Брауна с заземленным корпусом
(рис. 293, а). На лампочку подают
напряжение от городской
электросети.
До включения рубняьника,
подающего ток на лампочку, следует
электрометр зарядить положительно,
коснувшись его кондуктора
стеклянной палочкой, натертой о шелк. Как
только рубильник будет включен и
лампочка загорится, электрометр
разрядится. Этого не произойдет,
если электрометр зарядить
отрицательно, коснувшись его кондуктора
полихлорвиниловой палочкой,
натертой о шерсть.
304

Вариант 2. Станиолевый колпачок
Эксперимент дает еще более убедительные результаты и более
нагляден, если баллончик лампочки покрыть станиолем, сделав
из него колпачок и сверху обернув этот колпачок проволокой,
соединенной с положительным полюсом источника постоянного тока
(на 400 в) — большого агрегата питания. Отрицательный полюс
агрегата питания соединяют с одной из клемм патрона лампочки, на
которую подан ток от городской электросети (рис. 293, б).
Миллиамперметр включают в анодную цепь.
Как только лампочка загорится, миллиамперметр покажет
наличие тока в анодной цепи. Это объясняется тем, что при
повышении температуры баллона лампочки стекло становится проводящим
и электроны, вырванные из волоска лампочки, разогретого до
температуры, близкой к 2000° С, устремляются к станиолевому
колпачку как к аноду, образуя достаточный для измерения ток.
Изменяя полюсность источника тока, присоединив к колпачку
провод, соединенный с отрицательным полюсом источника тока,
повторяют эксперимент и убеждаются в запирающем действии
установки. В этом случае колпачок, став катодом, отталкивает от себя
электроны. Так подключенный колпачок моделирует сетку трех-
электродных ламп.
Эффект Эдисона можно продемонстрировать и при помощи
«искателя полюсов» — лампочки тлеющего разряда, укрепленной на
качающейся рейке (см. Э-107, а также часть 4, стр. 66—69, Э-10).
При этом следует использовать для цепи колпачка переменный
ток на 400 в. Качающаяся лампочка тлеющего разряда воссоздает
картину пульсирующего, периодически прерывающегося в цепи
колпачка тока. Лампочка тлеющего разряда включается в цепь на
место прежнего включения миллиамперметра.
150. Выпрямляющее действие
двухэлектродной лампы (!)
Двухэлектродная радиолампа — диод (типа Д-226 или
6Х6С); пятиэлектродная радиолампа — пентод (типа
6Ж8); ламповая панель; 2 лампочки тлеющего разряда;
вольтметр (250 в); вращающееся зеркало; 2
сопротивления (300 ком и 50 ком); 2 пластинки из гетинакса,
текстолита или полихлорвинила (ПО мм X 100 мм X 3 мм)\
14 телефонных гнезд или клемм; монтажный провод;
медная проволока (0 3,5 мм, длина 150 лш);
экранированный однопроводный кабель; лист фанеры (500 мм X
X 500 мм х 6 мм)\ картон; чертежная бумага; штатив;
большой агрегат питания; батарея накала.
305

Вариант 1. Диод
Собирают электрическую цепь, изображенную на рисунке 294.
Цилиндрические лампочки тлеющего разряда располагают одну
над другой. Лампочка Л1 служит для контроля напряжения, а
лампочка Л2 — для контроля силы тока. Лампочки включают
через многоомные сопротивления (см. также Э-107).
Первый этап. На клеммы
А и В подают постоянный ток с
напряжением порядка 220 б, соединяя
положительный полюс источника
тока с клеммой Л, отрицательный полюс
с клеммой В. На обеих лампочках
Рис. 294.
Исследование электронной
лампы диода
Рис. 295. Картина свечения
электродов ламп тлеющего разряда,
наблюдаемая во вращающемся зеркале.
Лг—при переменном токе. Лъ — при
выпрямленном токе
наблюдается свечение электрода, признак того, что в цепи на
всех ее участках создано электрическое поле и проходит ток.
Второй этап.
Изменяют полюсность, и теперь на
клемму А подают
отрицательный заряд, соединив клемму с
отрицательным полюсом
источника тока. Светится электрод
только лампы Л1У лампа Л2,
соединенная последовательно с
двухэлектродной лампой —
диодом — остается темной. Это
указывает на отсутствие тока в
анодной цепи диода. Ток через диод
не проходит.
Рис. 296. Установка ля исследо- Т р е т и й э т а п. Клеммы
вания диодов при помощи качаю- А И В соединяют С ИСТОЧНИКОМ
щейся лампочки тлеющего разряда переменного тока на 220 в. При
306

таком включении наблюдается на лампочке Л1 свечение обоих
электродов, а на лампочке Л2 — свечение только нижнего
электрода. Применяя вращающееся зеркало, можно показать характер
свечения электродов, а значит, и воссоздать характеристику
изменения напряжения и силы тока в цепи (рис. 295).
В том случае, если лампочки тлеющего разряда укреплены на
качающейся рейке, то, покачивая такую рейку, можно характер
свечения электродов наблюдать визуально в затемненном
помещении (рис. 296), не прибегая к вращающемуся зеркалу.
Вариант 2. Триоды и пентоды
В этом эксперименте можно использовать по существу все типы
ламп: триоды, пентоды, гексоды и т. д., но, поместив их на
демонстрационную панель (см. ниже) соответствующими переключениями
ножек, необходимо превратить эти лампы в диоды. При этом
сетки ламп всегда надлежит соединять с катодом (см., например,
рис. 296).
Всю установку следует располагать в вертикальной плоскости,
закрепив ее детали на большом листе фанеры. По свечению лампочек
тлеющего разряда судят о характере тока, прошедшего через диод.
б
Рис. 297. Демонстрационная панель для монтажа электронных радиоламп:
а — панель; 6 — монтаж проводов; в — латунные дужки для осуществления
переключений на демонстрационной панели
307

Примечания
1. Для демонстрации экспериментов, в которых применяются
радиоэлектронные лампы, целесообразно их панели
вмонтировать в пластинки их гетинакса или текстолита, создавая так
называемую демонстрационную панель, на которой ножки ламп
можно соединить простым переключением специальных дужек в
телефонных гнездах или соединяя клеммы короткими
проводниками.
Вид такой демонстрационной монтажной панели приведен на
рисунке 297, на котором даны размеры панели и расстояния для
укрепления телефонных гнезд или клемм, один из вариантов
монтажа провода, соединяющего ножки ламп с телефонными
гнездами или клеммами (рис. 297, б), и, наконец, замыкающие дужки
двух размеров (рис. 297, в), приведенные к указанным
размерам панели.
Для того чтобы легче было переходить от одного вида
включения лампы к другому, целесообразно в классе иметь
специальный плакат, воспроизводящий схемы ламп и их «цоколевку».
Пример такого плаката приведен на рисунке 298.
Рис. 298. Схемы электронных радиоламп
308

151. Снятие характеристики
двухэлектродной лампы (!)
Диоды и другие радиоэлектронные лампы (см. Э-150);
демонстрационная панель; миллиамперметр (50 ма)\
вольтметр (500 в); реостат (1300 ом)\ штатив; большой
агрегат питания; батарея накала.
На монтажной доске, укрепленной вертикально, устанавливают
демонстрационную панель для лампы диод, в анодную цепь которой
включают миллиамперметр. Параллельно лампе включают
вольтметр. Ток снимают с большого агрегата питания через реостат,
позволяющий ступенями повышать напряжение в анодной цепи
(рис. 299). Подключают накал катода.
W
Рис. 299. Установка для снятия
вольт-амперной характеристики
двухэлектродных ламп
"5 30
? 20
10
— —п
* \
^
^
А 50 100 150 200
№одное напряжение (Uaj
Рис. 300. График
вольт-амперной характеристики
двухэлектродной лампы
Анодное напряжение повышают ступенями по 10 в, каждый раз
измеряя силу анодного тока. Результаты наблюдений следует
представлять в виде графика зависимости анодного тока от анодного
напряжения. Эксперимент прерывают, как только будет достигнута
максимально допустимая для данной лампы сила тока.
В указанной на рисунке 299 цепи нельзя реостат включать по
схеме делителя напряжения, так как в этом случае будет
повышаться снимаемая с агрегата питания мощность и легко перейти
границу силы тока, допускаемую при эксплуатации агрегата питания.
Построенный по данным эксперимента график и называется
вольт-амперной характеристикой диода (рис. 300).
В том случае, когда в задачу эксперимента будет поставлено
снятие полной характеристики лампы до получения тока насыщения,
следует понизить напряжение накала, так как, чем меньше
напряжение накала, тем быстрее наступает ток насыщения.
309

Вместо лампы диода можно взять триод или даже пентод,
но путем переключения дужек на демонстрационной панели такую
лампу следует все же использовать в схеме как диод (на рис. 299
указан триод, сетка которого соединена с катодом).
152. Однополупериодный выпрямитель
на двух электродной лампе(!)
Триод (типа 6С5С) или пентод (типа 6Ж8);
демонстрационная панель; монтажная доска; сопротивление
(100 ком); катодный осциллограф; рубильник; штатив;
2 штатива на изолирующих подставках; большой агрегат
питания.
Рис. 301. Установка для демонстрации при помощи катодного
осциллографа выпрямляющего действия двухэлектродных ламп
В схеме используется пентод или триод как диод, укрепленный
в демонстрационной панели на монтажной доске. В анодную цепь
включают сопротивление порядка 10 ком, параллельно которому
подсоединяют катодный (электронный) осциллограф (рис. 301).
Осциллограф будет воспроизводить картину изменения
падения напряжения на сопротивлении, включеннОхМ в анодную цепь.
Падение напряжения на
сопротивлении в этом эксперименте
накладывается на нормальную синусоиду
переменного тока, получаемую на
осциллографе, при разомкнутом
рубильнике (рис. 302, а). Как только будет
включен рубильник, произойдет
наложение напряжения на
сопротивлении на напряжение, питающее
осциллограф, и синусоида исказится, на
экране осциллографа возникнет кривая
пульсирующего тока (рис. 302, б).
А А
Рис. 302. Осциллограммы:
а — переменного тока; б —
выпрямленного тока
310

153. Двухполупериодный выпрямитель(!)
2 пентода (типа 6Ж8), или двойной диод (типа 6Х6С),
или триоды (типа 6С5С); 2 демонстрационные панели; 2
монтажные доски; малая монтажная доска (200 мм X
X 80 мм X 5 мм)\ 12 телефонных гнезд; монтажный
провод; 2 конденсатора (1 мкф и 4 мкф)\ сопротивление (500
ком)\ трансформатор; катодный осциллограф; 2 катушки
(750/1500 витков); П-образный сердечник; большой
агрегат питания.
Вариант 1. Схема с двумя диодами
Общий вид установки приведен на рисунке 303. Пентоды или
триоды, включаемые по схеме диода, размещают на
демонстрационных панелях на двух монтажных досках. Принципиальная
электрическая схема приведена на рисунке 304, а.
Для подключения установки к осциллографу пользуются
специальной малой монтажной доской, два варианта которой
приведены на рисунке 303. Электрические схемы вариантов — на рисунке
304, а (правая часть) и 304, б. В первом варианте на малой
монтажной доске в крайних правых телефонных гнездах укреплено
одно сопротивление в 500 ком, включаемое параллельно входным
\р+
Ug
^2206
6,3 в
АЪ
А 6
J.O О О
^
Рис. 303. Установка для исследования двухполупериодного выпрямителя
311

220 6
о
о
т
-в—*-»
н-
/5
Ч wo«^
—i
X
, 1-V
—
+
Рис. 304. Принципиальная схема электрической цепи двух-
полупериодного выпрямителя:
а — подключение установки к осциллографу через высокоомное
сопротивление; б — вариант подключения установки сглаживания пульсации
клеммам осциллографа. Во втором варианте на малой монтажной
доске укрепляют в телефонных гнездах параллельно
сопротивлению в 500 ком два конденсатора — левый на 4 мкф и правый на
1 мкф, а один из проводов, идущий от установки к осциллографу, на-
участке между включенными конденсаторами прерывают
дросселем, собранным из катушки с 12 000 витков, надетой на ? -образный
сердечник.
При монтаже все установки следует проследить, чтобы к
плюсовой клемме осциллографа был подведен провод от катодов ламп, а
минусовый — от средней точки трансформатора, включенного в
анодную цепь.
До включения установки приводят в действие осциллограф, и
на его экране возникает правильная синусоида переменного тока,
питающего прибор. После этого проводят два опыта.
Первый опыт. Установку с двумя лампами соединяют с
осциллографом через первую малую монтажную доску, на которой
укреплено сопротивление в 500 ком. Как только на осциллограф
начнет поступать ток с установки, синусоида исказится и
возникнет кривая пульсирующго тока (рис. 305, а). Следовательно, через
лампы проходит выпрямленный, но пульсирующий ток.
Второй опыт.
Установку присоединяют к осциллографу
через вторую малую монтажную
доску, на которой укреплены
конденсаторы, дроссель и
сопротивление в 500 ком. При поступлении
тока с установки на осциллограф
на его экране возникнет
сглаженная кривая (рис. 305, б).
Сглаживание кривой происходит за счет
включенных в цепь конденсаторов,
получивших название
конденсаторов-фильтров.
а 5
Рис. 305. Осциллограммы:
а — двухполупериодное
выпрямление без сглаживания пульсации
(по схеме, изображенной на рис.
304, а); б — то же, при сглаженной
пульсации (по схеме, изображенной
на рис. 304, б)
312

¦$-
ф-
ф ф
® ¦ ф"
ф ф ф
170 I 25 35
_W
200
35 \ 25 \ 20 \Ю\
Рис. 306. Малая монтажная доска
Малая монтажная доска может быть изготовлена из гетинакса
или текстолита по прилагаемому рисунку 306, на котором двойными
кружками обозначены телефонные гнезда. Все укрепляемые на
такой доске детали — дроссель, конденсаторы, сопротивления —
следует оснастить штекерами, что облегчит перемонтаж.
Вариант 2. Схема с двойным диодом
Принципиальная электрическая схема приведена на рисунке 307.
В установке может быть использован двойной диод типа 6Х6С.
Монтаж ведется на одной монтажной доске. Установка соединяется
с осциллографом, как и в
первом варианте, через малые
монтажные доски в двух вариантах,
с одним многоомным
сопротивлением и с конденсаторами-
фильтрами и дросселем.
Полученные на экране кривые те же,
что и в первом варианте
эксперимента (рис. 305, а и б).
1
— +
Рис. 307. Электрическая схема
установки для исследования двойного
диода (двуха йодного)
154. Снятие характеристики
трех электродной лампы(!)
Пентод (типа 6Ж8) или триод (типа 6С5С или 6Ф5);
демонстрационная панель; монтажная доска; 2 ползунко-
вых реостата (100 ом и 1300 ом)\ миллиамперметр (50 ма)\
2 вольтметра (250 в и 25 в); 2 штатива на изолирующих
подставках; большой и малый агрегаты питания (малый
агрегат может быть заменен батареей аккумуляторов на
20 в).
313

Рис. 308. Установка для снятия характеристики
трехэлектродной лампы
Пентод, включаемый как триод, или триод укрепляют на
монтажной доске и собирают электрическую цепь, изображенную на
рисунке 308. Сетку лампы соединяют с минусовой клеммой источника
постоянного тока с напряжением 20 в, через делитель напряжения —
реостат на 100 ом. Параллельно сетке (сетка-катод) включают
вольтметр на 25 в. В анодную цепь включают миллиамперметр. Анодную
цепь соединяют через реостат с большим агрегатом питания, с
которого снимают постоянный ток порядка 200 в. Контроль за
анодным током ведут по включенному параллельно лампе вольтметру.
Напряжение анодного тока повышают ступенями, например
70 в, 140 в, 210 в. Но исследование анодного тока в зависимости от
потенциала сетки ведут при постоянном анодном напряжении для
каждой ступени отдельно. Характеристику лампы снимают при
постоянном анодном напряжении, поддерживая его реостатом,
включенным в анодную цепь, или реостатом
самого агрегата питания.
Снятие характеристики лампы сводится к
исследованию зависимости силы анодного
тока от потенциала сетки относительно катода.
Изменение потенциала достигается
перемещением ползунка реостата, включенного в
сеточную цепь по схеме делителя напряжения
(потенциометра), при этом потенциал
понижают ступенями по 5 в, начиная с 15 в до
нуля. Переходить через нуль к
положительному потенциалу сетки не имеет смысла, так
как при положительном потенциале сетки
лампа «открыта», а получения тока насыще-
.1111.
*
V
^п.
ш
/л
/* * 11
-15 -10 -5 0
Сеточное
напряжение (U ) в
40
55
20 g
10 5
о
а:
Рис. 309.
Характеристика трехэлект- ния следует избегать — при таком токе
народной лампы носится необратимый ущерб лампе. В том же
314

случае, когда потребуется все же снять полную характеристику,
следует понизить напряжение накала до 2 в.
Для каждой ступени потенциала сетки измеряется сила
анодного тока и полученные данные наносятся на график, который
обычно и называется характеристикой лампы. Виды такой
характеристики при разных анодных напряжениях приведены на рисунке 309.
Следует провести исследование полученных характеристик и
определить крутизну характеристики, коэффициент
проницаемости, коэффициент усиления и внутреннее сопротивление лампы:
Крутизна (жесткость) при 5 =А/а
Ua = const. auc
Коэффициент проницаемое- р = ^/с
ти при /а = const. mjz
Коэффициент усиления при _ А?/а
/а = const. mjc
Внутреннее сопротивление о = ^М±
при Uc = const. 1 д/а
5=1^- <**•**)
(ож)
Примечание
Характеристики современных ламп не имеют участка тока
насыщения, так как их полная эмиссионная способность в
рабочем режиме до конца не используется, чтобы увеличить срок
службы ламп.
155. Трехэлектродная лампа
в схеме усилителя(!)
Пентод (типа 6Ж8) или триод (типа 6С5С);
конденсатор (10 000 пф)\ электролитический конденсатор (ЬОмкф);
4 сопротивления (500 ком, 150 ком, 100 ком, 20 ком);
угольный микрофон (можно использовать телефонный
капсюль); высокоомный громкоговоритель; камертон;
ударник с резиновым наконечником; 2 катушки (12 000
витков и 250 витков); ? -образный сердечник; 8
телефонных гнезд; 2 штатива;
2 монтажные доски;
демонстрационная панель;
большой агрегат
питания и батарейка
карманного фонарика.
Принципиальная схема
усилителя низкой частоты приведена на
рисунке 310. Установку собирают
на двух монтажных досках: на
одной — микрофонный контур, на
другой — усилитель и
громкоговоритель (рис. 311).
Рис. 310. Принципиальная схема
усилителя низкой частоты на трех-
электродной лампе
315

Рис. 311. Схема
установки для демонстрации действия усилителя
низкой частоты
В схеме микрофона ставят повышающий трансформатор,
собранный на ? -образном сердечнике из катушек с 250 витками и 12 000
витками. В цепи усилителя электролитический конденсатор
ставится параллельно клеммам, на которые подан ток накала. Чтобы
избежать его пробоя, следует минус конденсатора соединить с
отрицательным полюсом источника тока.
Часть 1. Прямое включение громкоговорителя в цепь микрофона
Многоомный громкоговоритель подключают к клеммам А я В
монтажной доски с микрофонным контуром, т. е. непосредственно
к повышающей катушке трансформатора (на рис. 311 левая
монтажная доска). На микрофон подают напряжение от батарейки
карманного фонарика.
Принятые микрофоном звуки, например, от камертона очень
слабо воспроизводятся громкоговорителем.
Часть 2. Включение громкоговорителя в цепь микрофона через
усилительное устройство
Громкоговоритель включают в анодную цепь триода или
пентода, переключенного на триод. Клеммы А я В монтажной доски с
микрофоном соединяют с клеммами С и D второй монтажной доски
с усилителем (на рис. 311 —правая).
Воспроизведение в громкоговорителе звуков, произнесенных
перед микрофоном, или звука камертона становится громким и
ясным.
Чтобы избежать шумов, вызванных влиянием на микрофон
звуков, издаваемых громкоговорителем, следует провода, соединяющие
монтажные доски, взять как можно длиннее и доски удалить на
возможно большее расстояние от микрофона.
316

Примечание
К:::
Может быть рассмотрена упрощенная схема, приведенная
на рисунке 312. Усиление достигается использованием лампы
триод. В этой схеме нет
необходимости в
трансформаторе. Параллельно
микрофону включают
сопротивление в 20 ком.
Громкоговоритель включается,
как и в основном
эксперименте, в анодную цепь.
Установка, собранная по
такой схеме, вполне
пригодна для демонстра- чд
' Рис. 312. Упрощенная,
бестрансформаторная схема усилителя низкой час-
rfc,
6-J Ц—о + ||
о о о
Ц 1
о
6,33
50-2006
156. Демонстрация внешнего фотоэффекта —
эффекта Гальвакса(!)
Дуговая лампа; цинковая пластинка (200 мм X160 мм
X 1 мм)\ электрометр Брауна; полихлорвиниловая
палочка; кусок шерстяной ткани; стеклянная палочка;
кусок шелковой ткани; трубка Рентгена; индукционная
катушка Румкорфа; 2 штатива; штатив на изолирующей
подставке; ртуть; кювет для опытов со ртутью; наждачная
бумага; малый агрегат питания или батарея
аккумуляторов (12 в)\ вилка для включения в городскую
электросеть.
Общий вид установки приведен на рисунке 313. Для
проведения эксперимента каждый раз следует брать свежеамальгамирован-
ную цинковую пластинку, а
при облучении лучами
Рентгена—свежезачищенную, в этом
случае можно пластинку не
амальгамировать.
Амальгамирование следует вести над
специальной кюветой для
работ со ртутью (см. часть 2,
стр. 357—360), желательно в
вытяжном шкафу, а при
отсутствии такового — при
открытых окнах в помещении. Рис. 313. Внешний фотоэффект
317

Часть 1. Действие ультрафиолетовых лучей
Амальгамированную цинковую пластинку укрепляют в
штативе на изолирующей подставке и соединяют с кондуктором
электрометра. Хлорвиниловой палочкой, натертой о шерсть, касаются
пластинки или кондуктора электрометра, сообщая им отрицательный
заряд.
При освещении отрицательно заряженной цинковой пластинки
дуговой лампой, богатой ультрафиолетовыми лучами, пластинка
теряет заряд и стрелка электрометра падает до нуля.
Ультрафиолетовые лучи выбивают из цинковой пластинки электроны.
Эксперимент должен быть продолжен нанесением на пластинку
положительного заряда. Для этого ее нужно коснуться стеклянной
палочкой, натертой о шелк. При освещении той же цинковой
пластинки, но заряженной положительно, потери заряда не наблюдается.
Часть 2. Действие лучей Рентгена
Тот же эксперимент проводится при освещении цинковой
пластинки лучами Рентгена. Трубку Рентгена для этого соединяют с
катушкой Румкорфа. И в этом случае наблюдается потеря зарядов
пластинкой, заряженной отрицательно, т. е. наблюдается
фотоэффект, называемый внешним.
157. Фотореле для регулирования
анодного тока(!)
Фотоэлемент цезиевый или сурмяноцезиевый (типа
СЦВ-51); пентод (типа 6Ж8) или триод (типа 6С5С);
карманный фонарик или осветитель; миллиамперметр (50 ма)\
сопротивление (0,5 ком); конденсатор (4 мкф)\
демонстрационная панелька;
монтажная доска; штатив;
большой агрегат питания.
Принципиальная схема
электрической цепи приведена на рисунке 314.
Зто схема цепи, в которой
анодный ток регулируется световым по-
Рис. 314. Принципиальная током, падающим на фотоэлемент с
схема фотореле для регу- внешним фотоэффектом, другими сло-
лирования анодного тока ^ V г;
^ вами, это схема фотореле.
Установку для проведения
эксперимента собирают на монтажной доске, укрепленной вертикально
в штативе (рис. 315). Питание всей установки ведется от большого
агрегата питания, снимая анодный ток с напряжением порядка
140 в, ток накала 6,3 в и специально снимается напряжение 10 в
для питания фотоэлемента.
318

JL
Рис. 315. Установка для исследования фототока
Следует во время проведения эксперимента следить, чтобы
анодный ток не превышал 140 в, в противном случае в
фотоэлементе может возникнуть свечение электродов — тлеющий разряд, а это
приведет к их разрушению.
Эксперимент проводится в притемненном помещении. К
фотоэлементу после включения установки подносят источник света,
например карманный фонарик, и по мере приближения источника
света ток в анодной цепи возрастает, что и фиксируется по
миллиамперметру, включенному в анодную цепь.
Примечания
1. Вместо фотоэлемента можно взять фотосопротивление.
2. Установка, описанная в этом эксперименте, может
служить моделью прибора для определения освещенности —
люксметра, так как на ней показывается зависимость фототока
от величины светового потока, падающего на фотоэлемент.
158. Фотореле как сигнал повышения силы
тока в цепи(!)
Приборы те же, что и для Э-157. Кроме того,
электромагнитное реле; электрический звонок; лампочка
накаливания (4 в); электромагнитный импульсный счетчик;
батарейка карманного фонарика или аккумулятор (4 в).
Для проведения этого эксперимента используется установка,
уже описанная в Э-157, но вместо миллиамперметра в анодную
цепь включают электромагнитное реле, которое и регулирует
работу различных сигнальных приборов (электрического звонка,
лампочки накаливания или электрического импульсного счетчика).
319

Часть 1. Сигнал повышения силы тока в цепи
На выходные клеммы электромагнитного реле от телефонного
аппарата, включенного в анодную цепь установки, изображенной
на рисунке 316, подсоединяют электрический звонок, имеющий
Рис/316. Установка для демонстрации действия
фотореле в сигнальных цепях
самостоятельное питание от батарейки карманного фонарика или
аккумулятора (4 в).
При приближении к фотоэлементу источника света, например
карманного фонарика, возрастает анодный ток, и это приводит в
какой-то момент к срабатыванию реле. Реле
f(X) включает цепь электрического звонка, сигна-
I—-TL—| лизирующего о повышении силы тока «выше
_ I I нормы».
Вместо электрического звонка к
электромагнитному реле можно присоединить
обычную маловольтную лампочку накаливания
также с самостоятельным источником
питания (рис. 317). Придавая «тревожный»
характер световому сигналу, следует баллончик
лампочки окрасить в красный цвет. Еще
убедительнее будет воспринят сигнал, если в
цепь реле будут параллельно включены и электрический звонок,
и лампочка накаливания, тогда на наблюдающего будут
действовать одновременно две информации — световая и звуковая.
Часть 2. Сигнал тревоги
В уже описанной установке в первой части эксперимента с
звуковым или световым, или с обоими сигналами перед источником
света, расположенного на определенном, фиксированном расстоя-
Рис. 317. Вариант
сигнальной цепи
с электрической
лампочкой
320

нии от фотоэлемента, помещают кусок картона или плотной
бумаги. Проверив, что при освещении фотоэлемента реле срабатывает
и вызывает сигнал, куском картона то прикрывают, то открывают
источник света. Сигнал становится пульсирующим, «тревожным».
Вместо листа картона можно источник света прикрывать рукой.
Часть 3. Фотореле-счетчик
7М
46
Вместо электрического звонка и
лампочки можно в цепь реле включить
импульсный электрический счетчик
(рис. 318), например, счетчик,
описанный как «модель циферблата часов» в
Э-36 (рис. 74, без реечного маятника).
В таком варианте установка
моделирует счетчик, подсчитывающий число Рис> 3is. Вариант сиг-
прерываний светового потока. нальной цепи с
импульсным счетчиком
Примечание
Моделируемые в эксперименте установки нашли себе
широкое применение в автоматизации работ различных систем
(включение уличного освещения при понижении освещенности,
пропуск пассажиров на эскалатор метрополитена, подсчет
пассажиров, подсчет посетителей выставок и общественных мест,
подсчет пешеходов, фотозащита на прессах и механических ножах,
управление автоматической сортировкой деталей, определение
момента достижения спортсменом финишной ленты и т. д.),
159. Превращение световых импульсов
в звуковые волны. Моделирование установки
воспроизведения звука с записи на киноленте(!)
Приборы те же, что и для Э-157. Кроме того,
громкоговоритель; электролитический конденсатор (50 мкф);
конденсатор (0,01 мкф); 3 сопротивления (ЪМом, 500 ком
и 150 ом); картонный круг (0 300 мм) срадиально
расположенными прямоугольными отверстиями; 3 штатива.
Эксперимент моделирует установку, воспроизводящую звук
при демонстрации звуковых кинофильмов. Импульсы света
превращаются при помощи фотоэлемента в импульсы анодного тока,
в анодной цепи лампы триод. Полученные импульсы тока
воспроизводятся громкоговорителем, т. е. в свою очередь превращаются
в звуковые сигналы.
Для проведения эксперимента собирают установку, описанную
в Э-157, но на место миллиамперметра подключают громкоговори-
321

rZ6,38z?
ot
If Si
а
Рис. 319. Установка для демонстрации
превращения световых сигналов в звуковые:
а — общий вид; б — диск с прорезями
тель (рис. 319, а). Между источником света, расположенным на
определенном расстоянии от фотоэлемента, и самим фотоэлементом
помещают легко вращающийся картонный круг. В кругу прорезаны
радиально щели (рис. 319, б). Сам круг устанавливают в
вертикальной плоскости так, чтобы при его вращении световой луч то
проходил через щели, то прерывался. Эти щели на круге моделируют
звуковую дорожку звукового фильма.
Как только на установку будет подан ток, а диск приведен во
вращение, в громкоговорителе раздастся звук, высота которого
будет зависеть от скорости вращения диска, т. е. от частоты
поступающих импульсов.
Примечание
При воспроизведении звука с тонфильмов высота звука
постоянна, так как скорость пробегания звуковой
дорожки постоянна и равна скорости протяжки киноленты. Вот
почему приведенный эксперимент, на котором можно
показать возникновение звука разной высоты, не
воспроизводит полностью процесса, происходящего при демонстрации
тонфильмов. Можно было бы рекомендовать вариант экспе-
322

римента, в котором используется диск с прорезями разного
размера. В этом случае даже при равномерном вращении диска
высота тона будет изменяться.
§30. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
В ГРАНИЧНОМ СЛОЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
160. Демонстрация термоэлектронного
эффекта(!)
Медная проволока (0 0,3 мм); константановая
проволока (0 0,3 мм); медная планка (150 мм X 40 мм X
X 3 мм); константановая планка (230 мм X 40 мм X
X Змм); зеркальный гальванометр или миллиамперметр;
2 штатива на изолирующих подставках; свеча или бун-
зеновская горелка.
Часть 1. Термошок самодельного термоэлемента
Изготовление и применение термоэлементов — термопар было
подробно рассмотрено в третьей части руководства (стр. 32—36,
Э-7, Э-8, Э-9, Э-10, Э-11). Вот почему здесь мы ограничиваемся лишь
упоминанием о необходимости в этом разделе курса повторения
эксперимента, демонстрирующего действие термоэлемента. Для
этого самодельная термопара, изготовленная простым
скручиванием концов железной проволоки с константановои, подключается
к миллиамперметру или гальванометру. Место скрутки нагревают
на пламени бунзеновской горелки или свечи и демонстрируют
возникновение термотока (рис. 320). Целесообразно повторить опыт и
с двойной термопарой (рис. 321), отметив ее преимущества.
Рис. 320. Действие самодельного Рис. 321. Двойная
термоэлемента — термопары термопара
323

Часть 2. Магнитная стрелка в термопетле
Значительный интерес представляет опыт, демонстрирующий
взаимодействие магнитного поля термотока с магнитной стрелкой.
Для этого из медной и константановой планок изготавливают
термопетлю (рис. 322). Концы планок следует
сварить между собой или хорошо склепать
медными заклепками.
Термопетлю устанавливают так, чтобы ее
ось совпадала с линией север—юг.
Намагниченную стрелку, насаженную на острие,
вносят в «полость» петли и один из концов петли
нагревают в пламени бунзеновской горелки.
Стрелка тотчас же отклонится на некоторый
угол от ее «нормального» положения
(рис. 322). По правилу левой руки
можно заранее определить направление
отклонения стрелки.
Рис. 322.
термопетли
нитную
Действие
на маг-
стрелку
161. Термоэлектрический магнит
Рис.
Термоэлектрический магнит: груз или гиря;
химический стакан; струбцинка; бунзеновская горелка; лед.
Термомагнит представляет собой двойную термопару,
изготовленную из очень толстых проволок — медной и
константановой (0 12 мм).
Один конец термомагнита
погружают в тающий лед, другой
нагревают в пламени бунзеновской горелки
(рис. 323). На петлю
термомагнита — среднюю часть проволок —
надевают массивную железную муфту,
состоящую из двух половинок. На
нижней полумуфте укреплен крючок
для подвешивания груза. Перед
проведением эксперимента
соприкасающиеся поверхности полумуфт
должны быть хорошо зачищены и лишены
ржавчины.
Как только будет достаточно
прогрет один из концов термомагнита,
нижняя полумуфта окажется
настолько сильно притянута к верхней,
что на ее крючок можно подвесить
значительный по весу груз.
323. Термоэлектрический
магнит:
а — вид сбоку; б — вид сверху
324

Надо следить, чтобы концы проволок, образующих
термомагнит, хорошо были соединены между собой, склепаны или
сварены и контакт не нарушен.
162. Термостолб
Термостолб; зеркальный гальванометр или
миллиамперметр; лампочка инфракрасного излучения; свеча;
вилка для включения в городскую электросеть.
Термостолб — батарея термоэлементов. В этом эксперименте
следует показать высокую чувствительность термостолба. Для
этого, соединив термостолб с миллиамперметром или гальванометром,
следует поднести на расстоянии порядка 1 м к термостолбу лампу
инфракрасного излучения или даже зажженную свечу или спичку
и уже в этом случае гальванометр укажет на возникновение
термотока. Следует показать, что достаточно человеку поднести к
термостолбу руку, чтобы возник термоток.
В пояснениях к проведенному эксперименту следует указать на
практическое значение термотоков, например для питания
радиоприемников в экспедиционных условиях, на зимовках и т. д.
=f
¦м-
163. Вентильное действие селеновых шайб(!)
Селеновый элемент-шайба (на 100 ма)\ лампочка
карманного фонарика; рубильник; малый агрегат питания.
Задача эксперимента состоит в том, чтобы показать вентильное
действие полупроводниковых устройств на примере
полупроводниковой селеновой шайбы, которая пропускает ток только
при определенном его направлении и не пропускает (запирает)
ток при изменении направления.
Собирают электрическую цепь,
изображенную на рисунке 324.
Последовательно с селеновой шайбой включают 401
лампочку накаливания. На установку
подают постоянный ток. По зажиганию
лампочки судят, прошел ли через
шайбу ток. В результате эксперимента
убеждаются, что ток проходит только
при определенном включении шайбы.
Затем на установку подают
переменный ток (4 в) такого же напряжения и
убеждаются, что при любом включении
селеновой шайбы лампочка
накаливания горит, так как при частоте
переменного тока 50 гц мигание лампочки за-
+?
40
rfi
-к
*t
Рис. 324. Вентильное
действие селеновой шайбы:
а — ток проходит; б — ток
«заперт»
325

метить невозможно, хотя и в этом случае ток проходит через
шайбу только в одном направлении и шайба каждые 0,02 сек
«успевает» открыть путь току и закрыть его.
164. Снятие характеристики
полупроводникового выпрямителя(!)
Селеновый элемент — шайба (на ток 100 ма);
вольтметр (5 в)\ миллиамперметр (500 ма)\ кольцевой или пол-
зунковый реостат (25 ом); малый агрегат питания или
батарея аккумуляторов (на 15 в).
Характеристика полупроводникового выпрямителя графически
воспроизводит зависимость силы выпрямленного тока от
приложенного напряжения. Для снятия характеристики выпрямителя соби-
Рис. 325. Снятие характеристики полупроводникового диода-
выпрямителя:
а — принципиальная схема установки; б — монтаж селеновой шайбы
Um)
рают электрическую цепь, схема которой приведена на рисунке
325, а. Реостат включают в цепь по схеме делителя напряжения.
На детали рисунка 325 (рис. 325, б) изображен разрез селеновой
шайбы и дано ее условное
изображение.
Перемещением ползунка реостата
напряжение, подаваемое на
выпрямитель, повышают ступенями по
одному вольту, начиная с—3 в до + 15 в.
При переходе через нуль следует
переключить соединительные провода
на клеммах источника питания,
помня при этом, что должна быть
соблюдена полярность включения
измерительных приборов. Кроме того, нужно
следить, чтобы величина тока не пре-
UfSJ
Рис. 326. Вольт-амперная
характеристика селенового
выпрямителя
326

высила допустимую для данного выпрямителя, в противном
случае при пользовании селеновой шайбой последняя будет пробита.
Полученные в результате проведения эксперимента данные
следует представить в виде графика, который и называется
характеристикой выпрямителя (рис. 326).
165. Действие одно- и двухпроводной цепи
полупроводникового выпря мителя(!)
4 селеновых элемента — шайбы, смонтированные на
электрических вилках; 2 вольтметра с нулем по середине
шкалы (3 в)\ милливольтметр (50 мв) или нульгальвано-
метр; катодный осциллограф; высокоомный
громкоговоритель; кольцевой реостат (25 ом)\ сопротивление (150 ом);
14 телефонных гнезд; штатив; малый агрегат питания;
лист гетинакса или текстолита (160 мм X 160 мм X 6 мм).
160
Рис. 327. Монтажная доска
для сборки выпрямителя
Рис. 328. Крепление
малой селеновой
шайбы на обычной
электрической вилке
Для проведения этого эксперимента целесообразно подготовить
специальную монтажную доску из листового текстолита или
гетинакса (рис. 327), укрепив на ней телефонные гнезда, в которые
можно помещать штепсельные вилки с закрепленными на них
выпрямителями — селеновыми шайбами (рис. 328). На вилках
следует указать полюсность селеновой шайбы, нарисовав ее условное
изображение.
Часть 1. Вольтметры — индикаторы характера выпрямления
Собирают установку, электрическая схема которой приведена
на рисунке 329, а.
Вначале на монтажной доске все телефонные гнезда
закорачивают кусками медной проволоки. При подаче тока на установку
327

оба вольтметра будут показывать одно и то же напряжение. Затем
перемещением движка кольцевого реостата вправо и влево
вызывают в цепи переменный ток малой частоты, соответствующей
частоте перемещения ползунка реостата, и наблюдают за
показаниями вольтметров.
После этого один из вольметров, помещенный вне монтажной
доски (на рис. 329, а — правый),
заменяют милливольтметром и в
гнезда доски помещают
селеновые шайбы по схеме, указанной
на рисунке 329, а.
После замены приборов
вновь перемещением движка
реостата возбуждают
переменный ток. В этом случае
стрелка вольтметра, включенного
параллельно реостату, будет
попеременно смещаться вправо и
влево от нулевого положения,
стрелка же милливольтметра
будет отклоняться только в
одну сторону, и только при каком-
то одном движении ползунка
либо вправо, либо влево, что и
укажет, что селеновые шайбы
пропускают ток только в одном направлении и это происходит
только в один из полупериодов.
Проведя эти два наблюдения, производят новый монтаж схемы,
пользуясь рисунком 329, б, помещая на монтажной доске четыре
селеновые шайбы. Как и в первых опытах, возбуждают переменный
ток малой частоты. На этот раз милливольтметр будет показывать
по-прежнему ток, идущий в одном направлении, но частота
колебания стрелки прибора возрастет. Ток будет проходить по очереди
то через одну «ветку» выпрямителей, то через другую. Он будет
пульсирующим, но произойдет сглаживание пульсации, так как
теперь происходит выпрямление тока не через полпериода, а
каждые полпериода, но только через разные «ветки» установки,
которую и можно рассматривать как двухполупериодный выпрямитель.
Часть 2. Катодный осциллограф как индикатор выпрямляющего
действия селеновых шайб
Рис. 329.
Селеновый выпрямитель:
двухполу-
однополупериодный; б
пер йодный
На катодный осциллограф, включаемый на место
милливольтметра, снимают ток, прошедший через селеновые шайбы, как это
указано для одного из случаев, когда шайбы смонтированы по
схеме однополупериодного выпрямителя (рис. 330). Следует иметь в
виду, что в этом случае параллельно осциллографу следует вклю-
328

Рис. 330. Снятие осциллограмм
с выпрямителя
(UUvWfYYVY\
Рис. 331. Осциллограммы:
— однополупериодное выпрямле-
ие; б — двухполупериодное
выпрямление
чить сопротивление порядка 150 ом (на рисунке 330 сопротивление
расположено по диагонали, а на самой монтажной доске —
горизонтально). Источником тока служит малый агрегат питания.
На экране осциллографа можно будет наблюдать синусоиду
пульсирующего тока как при одно- так и при двухполупериодном
выпрямлении (рис. 331, а, б).
Часть 3. Звуковой сигнал — индикатор характера выпрямления
На тех же монтажных досках,
собранных по одно- и двухполупериодной
схеме, место миллиамперметра
занимает высокоомный громкоговоритель
(рис. 332). При однополупериодной
схеме включения выпрямителя, пользуясь
всего двумя селеновыми шайбами, в
громкоговорителе раздастся гудение
низкого тона. Как только схема будет
изменена и включены четыре
выпрямительные селеновые шайбы, т. е. будет
собран двухполупериодный
выпрямитель, высота тона повысится примерно
на одну октаву и будет соответствовать
частоте 50 гц, если питание
осуществлено от городской сети через агрегат
питания.
Рис. 332. Исследование
выпрямителей при
помощи громкоговорителя:
а — однополупериодный;
б — двухполупериодный
166. Монтаж германиевых диодов
и транзисторов
Различные германиевые диоды, германиевые
выпрямители, триоды-транзисторы; пертинаксовые или
текстолитовые планки (толщина 4 мм)\ монтажный провод;
клеммы; телефонные гнезда.
329

О о о
Рис. 333. Монтаж германиевых диодов:
а — первый способ (вид сверху); б — то же (вид сбоку); в — второй способ
крепления (вид сверху); г — то же (вид сбоку); е — выкройка защитного
кожуха
Несмотря на то что в этом эксперименте не изучаются
процессы в электрических цепях, а только рассматриваются наиболее
удобные виды монтажа германиевых диодов, выпрямителей или
транзисторов, мы считаем проведение такой работы крайне
полезной, давая ей самостоятельный номер в числе рекомендуемых работ.
Надо иметь в виду и то обстоятельство, что в наши дни большинство
молодежи увлекаются сборкой малогабаритных транзисторных
приемников, различного вида передатчиков и даже телевизоров.
В современных радиосхемах полупроводниковые диоды и триоды
являются основными конструктивными элементами, и
научить вести их монтаж в самых различных цепях, в том числе
и для демонстрационных схем, нам кажется совершенно
необходимым.
Мы ограничиваем себя приведением наиболее удобных
моделей как элементов монтажных схем для самых различных
экспериментов.
На рисунке 333, а и б показана панелька для германиевого
диода, ее вид сверху с нанесенным условным обозначением и вид сбоку,
на котором виден весь монтаж. Токоприемниками являются
телефонные гнезда или клеммы.
На рисунке 333, в, г, д — панелька для германиевого
выпрямителя. Приведен вид панельки сверху, сбоку и выкройка защитного
кожуха.
На рисунке 334 — панелька для монтажа транзистора с
нанесенным его условным знаком. На рисунке 334, б — вид панельки
330

Рис. 334. Монтаж германиевых триодов:
а — монтажная панелька. Рисунок на тыльной стороне; б — монтаж триода.
Наружная сторона панельки; в — то же (вид сбоку)
сверху с укрепленным триодом и на рисунке 334, в — вид сбоку,
на котором хорошо виден и монтаж.
Во время монтажа приходится во многих случаях удлинять
проводники диодов и триодов. Это следует делать припаиванием
монтажного провода, но при нагревании возможно нанесение
непоправимого урона диоду и триоду. Вот почему следует указать, что во
время припаивания следует выступающий из диода или триода
проводник держать обязательно в губках плоскогубцев, по
возможности дальше от самого диода, оставляя для места спая самый
минимальный необходимый кусок проводника. Тогда при нагревании
места спая тепло будут принимать на себя губки плоскогубцев и
это предотвратит повреждение диода.
167. Вентильное действие германиевого диода
и снятие его характеристик^!)
Германиевый диод (типа Д7Ж); миллиамперметр
(500 ма)\ вольтметр (10 в)\ реостат (110 ож); кольцевой
реостат (25 ом); малый агрегат питания или батарея
аккумуляторов (4 в).
Часть 1. Односторонняя проводимость (вентильное действие)
Амперметр, включенный последовательно с германиевым
диодом, служит индикатором. В том случае, когда через диод проходит
ток, стрелка прибора отклонится и укажет на силу проходящего
по цепи тока.
331

^
46
Рис. 335. Принципиальная
схема цепи для исследования
вентильного действия
германиевых диодов
Принципиальная схема
установки изображена на рисунке 335.
Величина включаемого сопротивления
будет зависеть как от напряжения
постоянного тока, снимаемого с
источника, так и от параметров
включенного в цепь диода. На рисунке
изображено два способа включения
диода, один из них показан на детали
рисунка. В положении а диод
пропускает ток, в положении б диод
«запирает» ток.
Можно не переставлять в цепи диод, а изменить полюсность
подаваемого тока переключением проводов на клеммах источника тока.
Часть 2. Снятие характеристики
Для этой части эксперимента собирают электрическую цепь,
изображенную на рисунке 336. В этой цепи реостат включают в
цепь по схеме делителя напряжения. Параллельно реостату
включают вольтметр.
Включив в цепь германиевый диод так, чтобы по цепи шел ток,
при помощи реостата повышают
напряжение ступенями по 1 в,
однако не выше того, которое
указано как допустимое для данного
диода. Для каждой ступени
напряжения измеряют соответственно
силу тока. На основании
данных измерений составляют
график зависимости силы тока от
напряжения. Этот график
повторит уже рассмотренный график
для электронной радиолампы диода (Э-151, рис. 300).
Переключив провода у источника тока, можно,изменив
полюсность, показать и поведение германиевого диода в положении, когда
он «запирает» ток. И в этом случае напряжение повышают
ступенями по 1 я, начиная с нулевого значения.
168. Демонстрация выпрямляющего действия
германиевого диода(!)
Германиевый диод или другой полупроводниковый
выпрямитель (типа Д7Ж); электронный осциллограф;
лампочка тлеющего разряда на качающейся планке с
сопротивлением в 500 ком; вращающееся зеркало; вольтметр
(40 в)\ амперметр (500 ма)\ ползунковый реостат (1300 ом);
2 реостата (по 300 ом)\ большой агрегат питания.
Рис. 336. Схема цепи для
снятия характеристики
германиевого диода
332

Часть 1. Лампочки тлеющего разряда как индикаторы
Принципиальная схема цепи приведена на рисунке 337, а.
Лампочка тлеющего разряда, укрепленная на планке через высоко-
омное сопротивление, включается последовательно с германиевым
1206
к осциллографу
Рис. 337. Схемы установок для демонстрации
выпрямляющего действия германиевых диодов:
а — с лампочкой тлеющего разряда; б — с осциллографом
диодом. На установку подают переменный ток. Покачивая планкой
перед вращающимся восьмигранным зеркалом, в самом зеркале
рассматривают характер свечения электродов лампочки. Так как
через диод будет проходить ток каждую половину периода, то в
зеркале будет видна кривая, характеризующая пульсирующий
постоянный ток (см. рис. 295).
Часть 2. Катодный (электронный) осциллограф как индикатор
Катодный осциллограф включают параллельно сопротивлению,
например реостату-на 1300 ом, как это указано на рисунке 337, б.
На экране осциллографа возникает кривая пульсирующего
постоянного тока (см. рис. 331, а).
Часть 3. Миллиамперметр как индикатор
Для этой части эксперимента
целесообразно на установку подать не
переменный ток, снятый с агрегата питания,
а постоянный, который при помощи
двух параллельно включенных
реостатов (см. Э-58) превращается в
переменный ток малой частоты. На
установке, изображенной на рисунке 338,
вольтметр будет показывать колебание тока
в цепи, соответствующее по частоте
скорости перемещения ползунка реостатов,
в то же время миллиамперметр будет
показывать пульсацию тока с частотой
на половину меньшей, его стрелка будет
отклоняться через каждые пол пер иода.
Рис. 338. Исследование
действия диода при помощи
миллиамперметра
333

2006
169. Двухполупериодный выпрямитель
на германиевых диодах(!)
4 германиевых диода (типа Д7Ж); лампочка тлеющего
разряда на планке; катодный осциллограф; высокоом-
ный громкоговоритель; вращающееся зеркало;
сопротивление (1300 ом), 2 вольтметра (100 в и 40 в);
миллиамперметр (500 ма)\ трансформатор (750/1500 витков);
большой агрегат питания; вилка для включения в
городскую электросеть.
Принципиальная схема
электрической цепи приведена на
рисунке 339, на котором
указан в качестве индикатора
осциллограф из лампочки тлеющего
разряда, о действии которого
достаточно сказано в описании
Э-107 и Э-150 (см. рис. 213 и
296). Место лампочки тлеющего
разряда может заменить высо-
коомный громкоговоритель (на
рис. 339 указан как деталь) или
катодный осциллограф.
Наконец, можно на выходные клеммы установки включить
миллиамперметр последовательно с сопротивлением, а параллельно
источнику питания — вольтметр (см., например, рис. 338).
Различные варианты включения германиевых диодов для двух-
июлупериодного выпрямления тока приведены на рисунке 340.
п
®-Г ¦*-»
Рис. 339. Двухполупериодный
выпрямитель с германиевыми
диодами
Рис. 340. Различные схемы включения германиевых диодов
в двухполупериодных выпрямителях:
а — схема квадрата; б— схема ромба; в — равноплечая схема
Из приведенных вариантов вариант в, изображенный на рисунке
340, чаще всего применяют в технике.
Во всех случаях и лампочка тлеющего разряда, и катодный
осциллограф, и миллиамперметр покажут возрастание частоты
выпрямленного тока, будет наблюдаться сглаживание пульсации
тока, а на осциллографе возникнет кривая, изображенная на рисунке
331, б.
334

170. Исследование цепей с транзисторами(!)
Транзистор — полупроводниковый триод (типа
П22); 2 реостата (поЗООсш); 2 миллиамперметра (5 ма)\
2 вольтметра (бе); микроамперметр; 2 сопротивления
(10 ком и 1 кож); 4 штатива на изолирующих подставках;
2 батарейки карманного фонарика.
Часть 1. Исследование цепи эмиттера
Вначале собирают цепь, изображенную на рисунке 341. Ток
на эмиттер транзистора снимают с реостата, включенного по
схеме делителя напряжения. Положительная клемма источника тока
j-0-C
&
-Ф
4,50
Рис. 341. Схема цепи для
исследования эмиттора
транзистора
4.5 в
Рис. 342. Схема цепи для
исследования
коллектора транзистора
соединена с эмиттером триода. Реостат вводят полностью, так чтобы
вольтметр, включенный параллельно ему, не показывал
напряжения. Перед триодом последовательно с ним включают
сопротивление порядка 1 ком. После включения рубильника напряжение
повышают очень осторожно, чтобы сила тока не превысила 3 ма, в
противном случае транзистор будет испорчен. После проведения
наблюдения схему изменяют и теперь на эмиттер подают ток от
положительного полюса источника. При транзисторе типа р — п — р
тока в цепи не будет, так как транзистор «запирает» ток. В том
случае, если взять транзистор типа п — р — /г, зависимости будут
обратные, однако транзисторы такого типа применяются редко.
Часть 2. Исследование цепи коллектора транзистора
Исследование проводится на той же установке, но теперь
исследуют ток в цепи коллектора транзистора (рис. 342). В этой цепи
последовательно с транзистором ставят сопротивления на 10 ком.
335

Часть 3. Исследование тока основания — базы транзистора
Рассмотренные цепи объединяются в общую цепь,
изображенную на рисунке 343. В цепь базы помещают микроамперметр
или миллиамперметр на 1 ма.
Перемещением ползунков реостатов снимают напряжение с
установки. Затем включают цепь коллектора и доводят напряжение
4.56
4,56
Рис. 343. Схема цепи для
исследования базы транзистора
до 4 в, однако ток через цепь коллектора не идет. После этого
включают цепь эмиттера и постепенно повышают в цепи эмиттера
напряжение до того момента, когда в этой цепи не установится ток
порядка 3 ма. Только в этом случае появится слабый ток и в
цепи коллектора. Через микроамперметр, включенный в цепь
базы (на рис. 343 — средний амперметр), идет ток, по величине
равный разности токов в цепи эмиттера и коллектора.
Рассмотренная установка позволяет снять характеристику
транзистора, установить зависимость силы тока в базе от напряжения
в цепи эмиттера.
171. Усиление напряжения в схемах
с транзисторами(!)
Приборы те же, что и для Э-170. Кроме того,
лампочка накаливания (6 в); угольный микрофон (можно
телефонный капсюль микрофона); высокоомный
громкоговоритель; 2 катушки (1500 витков и 250 витков); Q-образ-
ный сердечник.
336

Часть 1. Принципиальная схема усилителя напряжения
Электрическую цепь собирают по схеме, приведенной на
рисунке 344. Лампочку накаливания или вольтметр, ее заменяющий,
включают параллельно сопротивлению на 5 ком (правая часть
схемы на рис. 344). В начале эксперимента перемещением пол-
Рис. 344. Схема усилителя напряжения,
собранного на транзисторе
зунка реостата добиваются отсутствия напряжения в цепи
эмиттера. После включения рубильника в цепи эмиттера, присоединив
к сопротивлению на 5 ком вольтметр, повышают напряжение в
цепи эмиттера до 0,5 в, в том случае вольтметр в правой части схемы
покажет напряжение порядка 5 в, так как происходит почти
десятикратное повышение напряжения.
Следует иметь в виду, что во столько же раз повышается и
мощность, а именно повышение мощности в цепи «потребителя» и
является наиболее часто причиной разрушения транзисторов.
Вместо вольтметра можно воспользоваться низковольтной
лампочкой накаливания (на 6 в), которая при включении рубильника
в цепи эмиттера будет загораться.
Часть 2. Усиление звуковой частоты на транзисторе
Предварительно проводится исследование цепи микрофон —
громкоговоритель, соединенных через понижающий
трансформатор, собранный из двух катушек: в цепи микрофона катушка на
1500 витков, во вторичной цепи громкоговорителя — 250 витков.
В такой цепи легкое постукивание по мембране микрофона
вызывает едва слышимые звуки, воспроизводимые громкоговорителем
(рис. 345).
Для усиления звука пользуются измененной электрической
цепью. Такая цепь изображена на рисунке 346. Транзистор
включается в цепь вторичной катушки с 250 витками. Подключают
337

Ч%56
Рис. 345. Схема
усилителя низкой частоты,
собранная на
трансформаторе
°П|Г?~Н1
Ф—i~i—®
4.5 в
Ч,5в
Рис. 346. Схема усилителя низкой
частоты с включением
транзистора
второй источник питания, параллельно которому включают
сопротивление на 300 ом — реостат, на среднюю точку которого и
подводят провод от «базы» транзистора. На эмиттере должно быть
напряжение порядка 1 в.
Даже тихие звуки, произнесенные перед микрофоном, при
таком его включении воспроизводятся громкоговорителем
достаточно громко.
Примечание
Можно воспользоваться и другими типами микрофонов и
даже использовать второй громкоговоритель, перед которым
следует производить звуки.
172. Усиление силы тока в схемах
с транзисторами(!)
Полупроводниковый триод — транзистор (типа П22);
3 реостата (по 300 сш); переменное высокоомное
сопротивление (10 ком); понижающий трансформатор (1500/750
витков); 4 сопротивления (100 ком, 50 ком, 25 ком и
10 ком); конденсатор (5000 пф); угольный микрофон;
высокоомный громкоговоритель; 2 миллиамперметра
(50 маи 3 ма); 2 вольтметра (по 20 в); 2 батарейки
карманного фонарика; батареи аккумуляторов (12 в).
Часть 1. Усиление силы тока
Принципиальная схема цепи приведена на рисунке 347. В цепь
базы транзистора вводится переменное многоомное сопротивление
до 10 ком. Изменением при помощи этого сопротивления силы тока
в базе до 1 ма вызывается изменение силы тока в цепи коллектора
до 30 ма (правая часть схемы на рис. 347).
338

г^Э
и
чет6*
Лев] "ее
ф-
я
1
-ф
W©
4.50
#0
Рис. 347. Схема усилителя силы
тока при включении
регулируемого сопротивления в цепь базы
транзистора
4,5 д
Рис. 348. Схема усилителя силы
тока при включении
регулируемого сопротивления в цепь
эмиттера транзистора
При увеличении тока в цепи «базы» транзистора следует быть
осторожным. Транзистор нагревается, а это может привести к
значительному повышению тока в цепи коллектора.
Такая схема позволяет снять характеристику транзистора в
новых по сравнению с рассмотренными в Э-169 условиях.
Схема цепи может быть изменена. В базисную цепь по-прежнему
включают миллиамперметр, но переменное высокоомное
сопротивление в 10 ком перенесено и в цепь эмиттера введено добавочное
сопротивление также 10 ком, но постоянное. И в этом случае
изменение тока в первичной цепи приводит к повышению силы тока во
вторичной цепи до 30 ма (рис. 348).
Часть 2. Усилитель звуковой частоты на транзисторе
Одна из схем усилителя
звуковой частоты уже была
рассмотрена в Э-171 (рис. 346).
Эту часть эксперимента
следует начать с предварительного
опыта, собрав схему,
изображенную на рисунке 345 так, Как и в
Э-171. Однако исследование
показывает, что при таком
расположении элементов схемы усиления
звука не наблюдается.
Тогда собирают схему,
изображенную на рисунке 349.
Транзистор включают во вторичную цепь
трансформатора. Громкоговоритель ЗИСтора во вторичную цепь транс-
Рис. 349. Схема усилителя
низкой частоты с включением тран-
с самостоятельным питанием вклю-
форматора
339

4,5 б
Ч%56
Рис. 350. Схема усилителя низкой
частоты на транзисторе без использования
трансформатора
чают в цепь эмиттер — коллектор. Происходит значительное
усиление звука.
Может быть предложен и еще один вариант схемы, изображенной
на рисунке 350. Параллельно микрофону вводят сопротивление
на 50 ом. Транзистор включают через конденсатор на 5000 пф.
В цепь эмиттера вводят сопротивление в 25 ком, и в цепь
коллектора — 200 ком. Громкоговоритель по-прежнему включается в цепь
эмиттер — коллектор. В такой схеме достигается значительное
увеличение громкости воспроизводимого звука.

АЛФАВИТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ5
(Цифрами обозначены номера экспериментов и параграфов
настоящей части руководства)
Автотрансформатор —65; М. 3., § И
Азотнокислое серебро — 141
Азотнокислый калий — 137
Алюминиевые пластинки электро-
оксидированные — 128; 133
Анод — 136—143; М. 3., § 26
Анодное напряжение — 151—155;
157—158; М. 3., § 26
Араго круг— 80—81; 94; М. 3., § 11
База транзистора — 171
Баллистическая постоянная — 23;
27
Баркгаузена эффект — 43
Беличья клетка (ротор) — 104
Блинкер — 34
Вальтенхофена маятник — 79
Вентильное действие — 163; 165;
167
Виток в магнитном поле — 50; 56
Вихревые токи — 57; 83
Воздушный поток — 7
Вольтаметр —138—143; М. 3., § 26,
27
Вращающее поле — 93—95; 102—
103
Выпрямитель на лампе диод —
150—153; 165
— германиевый — 163; 165
Гальвакса эффект — 156; М. 3., § 26
Газоочистка — 16
Газоразрядная трубка — 147—148
Гальванометр баллистический —
4; 20; 24; 27
Генератор ленточный — 1—3; 6;
9—Ю; 12—16; 18—19; 30; 144—
145; М. 3., § 1
— переменного тока — 87; 93
— постоянного тока — 86; 88; 91
— трехфазного тока — 93—96;
99—103
Германиевый диод — 166—169
— выпрямитель — 166—169
Гипса кристаллы — 10; 14
Гистерезиса петля — 49; М. 3., § 7
Грамм-эквивалент — 142—143
Гроза — 7
Громкоговоритель — 155; 159; 165;
169; 171
Двигатель переменного тока — 89
— постоянного тока — 86; 90—91
— трехфазного тока — 97; 99—
104
Двойной электрический слой — 5;
М. 3., § 1
Диод — 150—153
Диссоциация — М. 3., § 26
Диэлектрик—25—26; М. 3., § 1
Диэлектрическая проницаемость
относительная—26
— постоянная — 25—26
Дроссель — 112
Дуговой разряд — 60—61; 145
Жесткость радиоламп — 154
Закон Кулона — 12; М. 3., § 1
— Ленца — 50; 53; 56
1 В указатель не внесены вспомогательное оборудование и
приспособления, а также монтажный материал: провода, выключатели, рубильники и пр.,
если они не составляют объекта изучения.
341

Закон Фарадея — 138—139; 142—
143
— электромагнитной индукции —
53—55; М. 3., § 11
Запирающее напряжение — 163;
167
Заряд электрический — 6—7; 13;
М. 3., § 1
— величина — 4
— разделение — 5
— элементарный — 19
Заряжение через влияние — 32
Земли магнитное поле — 41; М. 3.,
§ 7
— электрическое поле — 17
Иконоскоп — М. 3., § 26
Импульс света — 159
— тока — 3—4; 20—23; 25—29
Индуктивность — 113—114; 130
Индуктивный ротор — 104
— печь — 68; М. 3., § 11
Индукция электромагнитная —
50—57; М. 3., § 11
—электростатическая 30—32;
М. 3., § 1
Ионов движение — 136—137
Искровой разряд — 77; 145—146
Истечение с острия — 14; 145
Каналовые лучи — 148; М. 3.,
§ 26
Катодные лучи — 147; М. 3., § 26
Катодный осциллограф — 49; 152—
153; 165; 168—169; М. 3., § 26
Катушка Румкорфа — 77
Колебания затухающие — 130
— незатухающие — 131
Коллектор транзистора — 171
Конденсатор 20—29; М. 3., § 1
— электролитический — 122;
155; 159
Коронный разряд — 145
Коэффициент проницаемости
радиоламп — 154
— усиления — 154
Крукса трубки — 147
Крутизна характеристики — 154
Крутильные весы Шюрхольца —
12; М. 3., § 1
Кулона закон — 12
Купроксный выпрямитель — 169
Кюри точка — 48
Лейденская банка — 77
Ленарда окно — 148
Ленточный генератор — см.
генератор л.
Ленца закон — 50; 53; 56
Линии дальней передачи — 66
Магический глазок — 28; М. 3., § 1
Магнетизм остаточный — 49
Магнетометр — 39
Магнит подковообразный — 48; 80;
91; 94; 50—51
— полосовой — 43; 46; 51—53; 56;
85; 89; 93; 99; 100—103
Магнитная проницаемость — 45;
М. 3., § 7
— относительная — 45
Магнитный отделитель железных
примесей — 35
Магнитный указатель — 40
Маниперм — 99
Маятниковый подвес — 11—12
Метод отрыва — 44
Микрофон — 37
Милликена опыт — 19
Мора весы — 136; 142—143
Мотор — см. двигатель
Мостовая схема — 28; 58; 125; 169
Наложение частот — 152
Напряженность магнитного поля —
38—40
— электрического поля — 11—
12; 18
Оптическая запись и
воспроизведение звука — 159; М. 3., § 26
Оптический индикатор — 28
Падение тел, измерение времени—
133
Параллельное соединение
конденсаторов — 29
Пентод — 150—159; М. 3., § 26
Переключатель направления тока—
109; ИЗ; 115
Переменного тока генераторы —
85 — 87
— двигатели — 89
Переменный ток — 105—134
Перманганат калия — 137
Плотность тока — 140; 142
Поле электрическое — 8—19
Поле магнитное 38—46
Полихлорвиниловая палочка —
5; 8; 17; 30—32; 156
Полярность — 174
Понижающий трансформатор — 61
Последовательное соединение
конденсаторов — 29

Потери энергии — 63
Приборы магнитоэлектрической
системы — 124
— электромагнитной системы —
124
Пусковой реостат — 90
Пылевые фигуры — 128—134; М. 3.,
§ 20.
Разряд в вакууме — 147—148
— в разряженных газах — 146
— с острия — 14; 145
Реостат возбуждения — 90
Ртутный выключатель — 71
Самоиндукция — 72—77; М. 3.,
§ П
Свинец уксуснокислый — 135
Свинцовое деревце — 135
Сдвиг фаз — 93; 100—101; 103
Селеновый выпрямитель — 169
Сериес-генератор, двигатель —89—
90
Силовой поток — 50—53; 56—58; 71;
М. 3., § 11
Силовые линии магнитного поля —
38—41; 46; 50—57
электростатического поля—
10; 14
Скоростемер — 134
Соединение звездой — 96; 98; 100
— треугольником — 95—96; 98;
100
Сопротивление емкостное—115—118
Сопротивление индуктивное—
111 — 114; 118
— реактивное, см. сопротивление
индуктивное
Стартер в лампе дневного света —
78
Стечение электричества с острия—
14; 145
Счетчик переменного тока — 84
Телефон — 37
Термомагнит — 161
Термоток — 160—161
Термоэлемент— 124; 160—161
Тлеющего разряда лампочка —
21—22; 60; 73; 107; 120—121;
150
в осциллографе—107; 121
— амплитудная — 125
Томсона уравнение — 131
— катушка — 57
Точечная сварка — 67
Транзистор — 166—172; М. 3.,
§ 26
Трансформатор — 47; 58—71
Трехфазный ток, генераторы— 93—
97; 99; 100—101
— —двигатели —102—104
— —, трансформатор — 97
Триод, радиолампа— 154—155; 157
—, полупроводниковый, см.
транзистор
Ударная ионизация — 14; 148
Уитстона мостик — 28
Усилитель — 47; 155; 171; 172
Фазовое напряжение — 100—101
Фазовый угол — 127; 129; М. 3.,
§ 20
Фарадея первый закон — 138—140
— второй закон — 142—143
— стакан — 5—6
Фильтр, конденсатор— 153
Фотоэлемент — 157—159; М. 3., § 26
Характеристика электронных ламп—
151; 154; 164; 170; М. 3.,
§ 26
Частота импульсов — 132
Частота тока — 58; 97; 105—107;
113; 116; 119; 122; 128; 131; 165;
168
Частотограф — 128—133
Частотомер — 107; 109; 128; 152;
165
Часы с электрическим датчиком — 36
Шунт-генератор и двигатель — 88:
90
Электрические двигатели — 89 —
91; 93; 97; 103; М. 3., § 16
Электрический ток в газах — 144—
148
— — в жидкостях —
135—143
Электроды — 137—143
Электроемкость — 20—29; 116—
118; 129—131
Электролиз — 135—143
Электролит — 135—143
343

Электрометр — 1; 5—7;- 13; 15; 17; Эффективное напряжение — 116 —
18; 144 117; 124—125; 127
Электронная эмиссия — 149 — сила тока — 116—118; 124—
Электрофорная машина — 6; 9—10; 125; 127
12—16 Эффект Гальвакса—156
Электрохимический эквивалент — —термоэлектрический—160—162;
138—143; М. 3., § 26 М. 3., § 26
Элементарный заряд — 19 — Эдисона — 149
Эмиттер — 170—172
Энергии передача — 66 Ячейки Вейса — 42; М. 3., § 7
Г. Шпро кхоф
ЭКСПЕРИМЕНТ ПО КУРСУ
ЭЛЕМЕНТАРНОЙ ФИЗИКИ
Редактор Т. В. Михалкевич
Художник Г. В. Семенова
Художественный редактор Б. Л. Николаев
Технический редактор М. Г. Чацкая
Корректор Т. Н. Смирнова
Сдано в набор 10/Х 19G7 г. Подписано к
печати 15/VI 1967 г. Бумага тип. № 2.
60X90Vi6.. Печ. л. 21,5. Уч.-изд. л. 19,67.
Тираж 40 000 экз.
Издательство «Просвещение» Комитета по
печати при Совете Министров РСФСР.
Москва, 3-й проезд, Марьиной рощи, 41.
Саратовский полиграфкомбинат Росглавпо-
лнграфпрома Комитета по печати при
Совете Министров РСФСР. Саратов, ул.
Чернышевского, 59. Заказ 612.
Цена без переплета 92 коп.
Переплет коленкор. 18 коп.