Физика в технике - Г. Покровский

Из сказанного понятно, какое значение имеет теория относительности в области высоких энергий для дальнейшего углубления наших знаний о строении материи.

Электричество и электротехника

В настоящее время энергия электрического тока находит широкое применение. Трудно себе представить какую-либо отрасль промышленности, где бы не использовалась электроэнергия.

Из всех видов энергии электрическая энергия является самым удобным для применения ее в народном хозяйстве. Это объясняется возможностью передачи электрического тока на любые расстояния и сравнительно простыми способами преобразования электрической энергии в тепло, свет, механическую энергию, радиоволны и др.

Каким же образом электрическая энергия преобразуется в другие виды энергии?

Электрический ток есть направленное движение электрических зарядов — электронов.

Как известно, все вещества, в том числе и металлы, состоят из атомов или молекул, в структуру которых входят электроны — мельчайшие отрицательно заряженные частицы. В свободном состоянии атомы являются весьма прочными с механической точки зрения системами. Каждый отдельно взятый атом имеет свою конфигурацию электронных оболочек, в которых электроны занимают вполне определенные уровни энергии.

Согласно принципу Паули на каждом энергетическом уровне может находиться только вполне определенное число электронов, причем каждый из этих электронов должен обязательно отличаться от других каким-либо свойством. Таких свойств всего четыре:

— собственный вращательный момент электрона (спин);

— магнитный момент электрона;

— момент, связанный с вращением электрона относительно атомного ядра;

— потенциальная энергия относительно ядра.

При внешних воздействиях на атом со стороны других атомов, как это имеет место в жидких и твердых веществах, наружные, наиболее слабо связанные электроны могут отрываться от атомов, оставаясь внутри вещества.

Такие электроны называют свободными. В металлах свободных электронов очень много и они путешествуют от атома к атому. Совокупность электронов образует зону проводимости. Если металлический проводник не присоединен к источнику тока, т. е. если к нему не подведена некоторая разность потенциалов, то движение свободных электронов в проводнике является хаотическим, причем средняя скорость такого движения зависит от температуры металла.

При подаче на проводник разности потенциалов (т. е. напряжения) от какого-либо источника электрическое поле источника будет воздействовать на каждый «блуждающий» электрон, вызывая его перемещение в направлении поля.

Скорость такого перемещения невелика — она составляет всего несколько десятков сантиметров в секунду, однако скорость распространения «волны» тока в проводнике чрезвычайно велика — она близка к скорости света, т. е. к 300 000 км/сек. Это объясняется тем, что все блуждающие электроны в проводнике при подаче на него напряжения практически одновременно начнут двигаться в направлении поля.

Электрический ток, проходя через вещество, напревает его вследствие столкновений движущихся электронов с атомами и молекулами. Проводник, сильно разогретый электрическим током, может явиться источником светового излучения. На основе этого явления построены различные источники света, яркость которых может изменяться от ничтожной величины до миллионов свечей.

В настоящее время для осветительных целей используй ют не только лампы накаливания, но и различные другие источники света: газоразрядные лампы низкого, высокого и сверхвысокого давления, в которых излучение света обусловлено высвечиванием «возбужденных» атомов, возникших при столкновениях атомов с движущимися электронами.

В лампах дневного света используются различные люминесцирующие вещества. Неоновые и аргоновые осветители можно видеть на рекламных надписях, названиях магазинов, кинотеатров и т. д.

Для получения очень мощных источников света пользуются дуговыми разрядами в инертных газах или в парах ртути, находящихся под давлением в несколько десятков атмосфер. Сила света таких источников может измеряться десятками миллионов свечей. Эти источники с успехом применяют в маяках, прожекторных установках, в мощных проекционных аппаратах и т. п.

Другим не менее важным свойством электрического тока является способность создавать магнитное поле вокруг проводника, по которому течет ток. Это явление впервые было открыто М. Фарадеем, обнаружившим, что магнитная стрелка компаса, вблизи которого находится проводник с током, поворачивается. В то время никто, включая и самого Фарадея, не мог себе представить тех поистине гигантских возможностей, которые открывает это явление.

Что же представляет собой магнитный эффект электрического тока?

Движущийся электрический заряд создает вокруг себя магнитное поле, силовые линии которого замыкаются по концентрическим окружностям с центром в самом заряде. Плоскость, в которой лежат магнитные силовые линии, перпендикулярна к направлению движения заряда. Если имеются два заряда, движущихся относительно друг друга, то, кроме обычного электростатического кулоновского взаимодействия между ними, возникнет еще и магнитное взаимодействие, обусловленное взаимодействием магнитных полей, созданных этими зарядами. Таким образом, два проводника, по которым протекает электрический ток, будут взаимодействовать между собой с силой, пропорциональной величине протекающего тока. В случае одинакового направления электрического тока, в обоих проводниках они будут притягиваться друг к другу, в случае взаимно противоположного направления тока — отталкиваться. На основании открытия Фарадея были созданы электродвигатели и генераторы, электровозы и электростанции, различные электрические приборы.

При конструировании электромагнитов (рис. 9), электродвигателей и генераторов тока необходимо добиваться максимально возможных значений напряженности магнитного поля, поскольку полезный эффект пропорционален величине напряженности магнитного поля. При этом используют эффект «усиления» магнитного поля, имеющий место в некоторых металлах и сплавах, называемых ферромагнитными. Эти вещества обладают способностью как бы впитывать в себя (внешнее магнитное поле. В результате этого напряженность поля электромагнитов с железными сердечниками становится во много раз больше, чем без сердечников.

Исследование магнитных свойств ферромагнитных веществ показало, что величина их магнитной восприимчивости зависит от напряженности внешнего магнитного поля. При достаточно сильных магнитных полях происходит насыщение ферромагнитного материала; при дальнейшем увеличении внешнего поля эффект «усиления» не наблюдается.

Для получения еще более сильных полей, необходимых для исследования различных физических явлений, применяют катушки без железных сердечников с малым числом витков. При разряде батареи заряженных конденсаторов на такую катушку возникают огромные магнитные поля, напряженность которых может достигать нескольких сотен тысяч эрстед.

Впервые такие эксперименты были проведены советским физиком П. Л. Капицей, которому удалось получить магнитное поле в полмиллиона эрстед. При этом силы взаимодействия соседних витков катушки были настолько велики, что иногда обрывались провода и ломались сами катушки.

В недалеком будущем, несомненно, будет решена проблема получения сверхсильных постоянных магнитных полей, необходимых для создания гигантских ускорителей элементарных частиц — синхрофазотронов, с помощью которых ученые открывают новые тайны атомного ядра и элементарных частиц.

Развитие науки и техники требует решения многих задач, связанных с усовершенствованием старых и конструированием новых типов машин и приборов. Наиболее производительными и совершенными машинами являются электрические машины.

«Коммунизм — это есть Советская власть плюс электрификация всей страны», — говорил В. И. Ленин.

С увеличением числа мощных электростанций увеличивается энерговооруженность нашей страны, а значит, увеличивается и производство материальных благ, необходимых людям.

Овладение электроэнергией и всемерное ее использование — главная задача, которую успешно выполняет наш народ для создания материально-технической базы коммунизма.

Молекулярная физика в химии и технике

В окружающем нас мире все тела состоят из молекул. Изменение структуры молекул и молекулярных соединений приводит к изменению таких свойств вещества, как прочность, гибкость или пластичность.