Author: Низе Г.  

Tags: физика  

Year: 1960

Text
                    KLEINE PHYSIK
EINE LEICHTVERSTANDLICHE EINFUHRUNG
IN DIE PHYSIKALISCHEN GRUNDLAGEN
DER TECHNIK
Von Dr. Gerhard NIESE, Leipzig
SIEBENTE AUFLAGE 1958 MIT 339 BILDERN
B. G. TEUBNER VERLAGSGESELLSCHAFT • LEIPZIG


Г. НИЗЕ МАЛЕНЬКАЯ ФИЗИКА ОБЩЕДОСТУПНОЕ ВВЕДЕНИЕ В ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНИКИ Перевод с немецкого М. И. БЛУДОВА под редакцией С. М. РАЙСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ МОСКВА 1960
АННОТАЦИЯ Книга знакомит читателей с физическими основами техники. Автор опирается не на учебные опыты, как это делается t школьных курсах физики, а на примеры из производственной практики. Изложение отличается наглядностью, текст прекрасно иллюстрирован. Книга предназначена в первую очередь для рабочих, которые занимаются самообразованием или учатся в вечерних школах и техникумах; она может быть полезна также учащимся средних школ и преподавателям физики. Г. Низе. Маленькая физика. Редакторы В. А. Грагорова и Е. Б. Кузнецова. Техн. редактор В. Н. Крючкова. Корректор Л. В* Лихачева. Сдано в набор 7/IV 1960 г. Подписано к печати 23/VII 1960 г. Бумага 84ХЮ8/за. Физ. печ. л. 9,375. Условн. печ. л. 15,38. Уч.-изд. л. 15,31. Тираж 50 000 экз. T-10I12. Цена книги 5 руб. 60 коп. С 1/11961 г. цена 56 коп. Заказ 396. Государственное издательство физико-математической литературы. Москва, В-71, Ленинский проспект, 15. Первая Образцовая типография имени А. А. Жданова Московского городского Совнархоза. Москва, Ж-54, Валовая, 28.
СОДЕРЖАНИЕ От редактора перевода 9 Предисловие 11 Введение 13 1. Физика — наука, прокладывающая дорогу технике 14 А. МЕХАНИКА I. Агрегатные состояния и строение вещества ... 4 16 2. Твердое, жидкое и газообразное состояния 16 3. Каждое тело занимает некоторое пространство .... 17 4. 102 основных вещества 18 5. Атомы и молекулы 19 6. Кристаллическая решетка 21 II. Силы 24 7. Измерение сил. Действие сил 24 8. Изображение сил на чертежах 25 9. Сложение и разложение сил 26 10. Сила тяжести. Центр тяжести 28 11. Вес и масса 32 12. Удельный вес 35 13. Давление 38 14. Действие и противодействие 39 15. Инертность тел , 40 16. Сила трения 41 17. Центростремительная сила 44 18. Молекулярные силы 47 III. Движение 51 19. Скорость 51 20. Равномерное прямолинейное движение 52 21. Ускоренное и замедленное прямолинейное движение 53 22. Свободное падение тел 56 23. Вращательное движение 58 24. Колебания маятника 61 25. Упругие колебания 64 26. Волны 67 27. Наложение волн 70 5
iV. Сила и движение 74 28. Сила и прямолинейное движение 74 29. Вращательный момент и вращательное движение ... 76 30. Мощность 78 31. Работа 80 32. Энергия 83 33. Закон сохранения энергии 85 V. Большие грузы, малые силы 88 34. Рычаг 88 35. Десятичные весы 90 36. Полиспаст 91 37. Наклонная плоскость 95 VI. Жидкости 97 38. Уровень 97 39. Сообщающиеся сосуды 99 40. Давление в жидкостях 100 41. Подъемная сила жидкости 102 VII. Газы 104 42. Атмосферное давление 104 43. Давление и объем 107 44. Воздушный поток 109 Б. ЗВУК 45. Звуковые волны 114 46. Ультразвук 116 В. ТЕПЛОТА 47. Тепловое расширение 122 48. Количество теплоты и удельная теплоемкость 124 49. Изменение агрегатного состояния 127 50. Механический эквивалент теплоты 130 51. Перенос теплоты 133 Г. СВЕТ I. Лучи света 138 52. Сила света. Освещенность 138 53. Изображения в зеркалах 139 54. Преломление света 140 55. Фокус 143 56. Изображения предметов, создаваемые выпуклой линзой 146 II. Оптические приборы 148 57. Фотографический аппарат 148 58. Проекционный аппарат 150 59. Лупа 151 60. Микроскоп 153 III. Волновая природа света 155 61. Световые волны 155 62. Интерференция световых волн 158 6
Д. МАГНЕТИЗМ 63. Магниты 162 64. Магнитное поле 164 Е. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО I. Электрический ток 170 65. Тепловое действие электрического тока 170 66. Магнитное действие тока 171 67. Химическое действие тока 172 68. Вольт, ампер, ом 173 69. Сопротивление проводов 176 70. Закон Ома 178 71. Способы включения электрических приборов 180 72. Мощность и энергия электрического тока 182 73. Постоянный ток 186 74. Переменный ток 188 75. Трехфазный ток 190 76. Магнитное поле тока 193 II. Получение электрической энергии 196 77. Получение электрической энергии из механической . 196 78. Получение электрической энергии из химической ... 201 79. Получение электрической энергии за счет теплоты . . 203 80. Электризация трением и электрическое поле 205 III. Передача электрической энергии по проводам 207 81. Передача на далекие расстояния 207 82. Трансформатор 209 IV. Электрические приборы 212 83. Лампы накаливания 212 84. Дуговая лампа 213 85. Электролизные установки 214 86 Телеграф 218 87. Телефон 219 88. Усилители на электронных лампах 220 89. Громкоговоритель 224 90. Электрические измерительные приборы 226 91. Рентгеновские трубки 231 V. Электрические колебания. Электромагнитные волны 233 92. Емкость 233 93. Самоиндукция 236 94. Электрический колебательный контур 238 95. Излучение и прием электромагнитных волн 241 96. Модулирование высокочастотных колебаний для передачи музыки и речи 243 97. Шкала электромагнитных волн 246 Ж. ПОЛУЧЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ 98. Водяные турбины 248 99 Паровые турбины и паровые машины 250 100. Двигатели внутреннего сгорания 252 101. Электродвигатели 255 7
3. АТОМНАЯ ЭНЕРГИЯ 102 Строение атома 260 103. Периодическая система элементов 263 104. Строение атомов различных элементов 269 105. Изотопы 272 106. Превращение элементов 275 107. Технические применения атомной энергии 282 Ответы к упражнениям 288 Алфавитный указатель ...,.,.. 296
ОТ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА Вниманию читателей предлагается перевод книги д-ра Г. Низе (Лейпциг, ГДР, седьмое издание, 1958 г.). Рекомендуя эту книгу, мы имеем в виду главным образом интересы двух групп читателей. К первой группе принадлежит молодежь, пришедшая на производство после окончания 7—11 классов средней школы. Освоившись с работой, большой контингент молодежи, имея свободное время и запас сил, приступает к продолжению своего образования, снова берется за школьный учебник физики, в котором большое место занимают абстрактные формулировки, определения и рецепты. Овладение знаниями, содержащимися в учебниках, требует немалых усилий, и здесь существенную помощь может оказать книга Г. Низе. В этой книге рассмотрению каждого физического вопроса предшествуют примеры, хорошо знакомые каждому человеку, трудовая жизнь которого связана с производством. Эти примеры создают живые ассоциации и сразу, без каких-либо рассуждений показывают практический смысл рассматриваемого физического вопроса. Затем следуют краткое и ясное описание явления, выводы, примеры и самостоятельные упражнения. Иллюстрации, главным образом фотографии привычных машин и приборов, сопровождают каждый шаг в изложении материала. Вторую группу читателей, для которой предназначена эта книга, составляют кадровые рабочие. На их глазах и в значительной мере их усилиями производятся техническое перевооружение промышленных предприятий, модернизация и автоматизация технологических процессов. Понимание новой техники и активное участие в ее внедрении и развитии требуют повышения уровня знаний по физике в рабочей среде. Благодаря особенностям книги Г. Низе, 9
о которых мы говорили выше, она поможет решению этой задачи. Чтобы устранить источники недоразумений, которые легко могут возникнуть у неподготовленного читателя, мы придерживались при редактировании перевода принятой в наших учебниках терминологии; в частности, мы отказались от наименования единицы силы «килопонд» вместо «килограмм-сила». Мы полагаем, что подобные вопросы следует решать не посредством вспомогательной литературы, содержащей начальные сведения по физике, а при составлении стандартных учебников. В заключение следует отметить несколько отступлений от авторского текста, произведенных при редактировании перевода. Автор приписывает открытие периодической системы элементов в равной мере Д. И. Менделееву и Л. Мейе- ру. С этим мы не могли согласиться и, опираясь на историю науки, указали в переводе истинного творца периодической системы. Изменению подвергся также § 17, в котором рассматривается движение по окружности. В нескольких упражнениях мы заменили примеры, смысл которых был бы неясен нашему читателю (кегельбан, гора Цуг-Шнктце и т. п.). С. М. Райский
ПРЕДИСЛОВИЕ «Маленькая физика» познакомит читателя с физическими основами современной техники. Она написана в первую очередь для молодых рабочих и опытных мастеров, которые хотели бы понять явления, постоянно привлекающие их внимание на производстве. Автор хотел бы также помочь всем, кто интересуется техникой и желает ознакомиться с законами физики, лежащими в ее основе. Способом изложения материала «Маленькая физика» существенно отличается от других книг по физике. Каждый раздел начинается с фотографии, иллюстрирующей основную идею этого раздела и тесную связь рассматриваемых в нем физических вопросов с производственными процессами или фактами, с которыми мы встречаемся в повседневной жизни. Такая фотография служит отправным пунктом в изложении основ физики. Этот метод строго проводится и в дальнейшем изложении. Фотоиллюстрации закрепляют сообщенные сведения. Автор сознательно отказался излагать материал, опираясь на опыты по физике, так как «Маленькая физика» предназначена для читателей, не имеющих, как правило, возможности ставить опыты. Метод эксперимента мы оставляем школе и учителям. В школьном обучении физике основой преподавания служит эксперимент, а в «Маленькой физике» мы сообщаем читателю знания иным способом. Материал излагается в доступной форме и расчленен на ряд небольших законченных глав. Во всех частях книги сведения по физике тесно связаны с личным опытом рабочего. Знания и опыт, имеющиеся у читателя, освежаются и приводятся в систему. Связь между различными физическими явлениями, замеченными при отдельных наблюдениях, отмечается и подчеркивается. 11
Упражнения, предлагаемые для самостоятельного решения, должны закрепить и расширить приобретенные знания. Ответы, приведенные в конце книги, позволят читателю проверить правильность его соображений по поставленным вопросам. Своеобразная цель, преследуемая этой книгой, потребовала тщательного отбора и ограничения материала, что не всегда легко было сделать. В настоящее издание по сравнению с предыдущими внесены многочисленные улучшения и дополнения. Улучшен и расширен иллюстративный материал. В связи с возрастающим значением ультразвука для техники и различных областей науки введена глава «Ультразвук». Следуя многочисленным пожеланиям читателей, мы ввели в книгу также раздел «Атомная энергия». Мы хотели бы, чтобы наша «Маленькая физика» сопровождала многих ее читателей на пути повышения производственной квалификации. Автор
ВВЕДЕНИЕ ^ис. 1. Рабочие колеса турбин гидроэлектростанций приводятся в движение потоком воды. Турбины вращают генераторы — источники электрического тока.
1. Физика — наука, прокладывающая дорогу технике На современном производстве только небольшая часть работы выполняется мускульной силой человека. Техника позволила поставить на службу человеку силы природы. Течение воды, ветра, силу притяжения к земле, электрические и магнитные силы, силу взрывов, силу расширяющегося газа и пара, силу упругости и многие другие силы природы используют в двигателях, машинах и приборах. Рабочие машины разнообразного назначения еыполняют на современных промышленных предприятиях работу, для которой потребовались бы миллионы людей. Краны и подъемники, экскаваторы и насосы, прессы и штамповальные станки, прядильные и ткацкие машины, сельскохозяйственные машины обеспечивают такой уровень производства, которого человек никогда не достиг бы без помощи машин. Задача физики — изучить силы природы и их законы. В физических исследовательских институтах, в высших учебных заведениях, в промышленных лабораториях непрерывно ведется исследовательская работа, увеличивающая наши знания. Физика есть наука о силах природы. Химия занимается процессами, при которых вещество претерпевает изменения, а физика, если исключить ее узкую область, пограничную с химией, изучает процессы, при которых изменяется лишь состояние вещества. Физику подразделяют обычно на шесть разделов: механику, звук, теплоту, оптику, магнетизм и электричество. В настоящее время известно, что наблюдаемые нами тепловые и звуковые явления происходят в результате движения мельчайших частиц. Поэтому учение о теплоте и акустика суть только часть механики. С тех пор, как стало известно, что световые волны являются электромагнитными, оптику можно рассматривать как часть учения об электричестве. Магнетизм также следует включить в раздел электричества, так как все магнитные свойства основаны на действии электрического тока. Несмотря на это, физику для удобства изучения по-прежнему разделяют на шесть частей. Техника широко использует успехи физических исследований. Великие достижения современной техники основаны на данных физической науки, которая обеспечивает непрерывный прогресс промышленного производства. 14
А. МЕХАНИКА Рис. 2. Механика есть учение о движениях и о силах, вызывающих движение.
I. АГРЕГАТНЫЕ СОСТОЯНИЯ И СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА 2. Твердое, жидкое и газообразное состояния В цехе или на складе лежат круглые или четырехгранные прутки из стали, меди и алюминия, медные трубы, алюминиевые листы, разнообразной формы отливки, деревянные Рис. 3. Склад материалов. модели, доски и многие другие материалы. Это все твердые тела. Резервуары и чаны, ведра, боченки и бутыли наполнены жидкостями: смазочным маслом, бензином, скипидаром, серной кислотой, водой и т. д. Газы также находят разнообразное применение в производстве. Ацетилен и кислород применяют при автогенной сварке. В пламени светильного газа нагревают паяльники. Вещества встречаются в трех различных состояниях: в твердом, жидком и газообразном. Эти три состояния называют также «агрегатными состояниями». Агрегатное состояние определяется не только свойствами данного вещества, оно зависит и от внешних воздействий на 16
вещество. Изменяя температуру или давление, можно добиться перехода вещества из одного состояния в другое. Тестообразное состояние, какое, например, принимает сталь при температуре ковки, есть переходная форма между твердым и жидким состояниями. Туман содержит мельчайшие капельки воды; дым кроме капелек содержит мелкие твердые частички. Упражнения: 1. Понаблюдайте, что происходит при погружении раскаленного железа в воду. Образуются белые клубы водяного пара. Какое это состояние воды, жидкое или газообразное? 2. Может ли железо быть в газообразном состоянии? Бывает ли воздух жидким? 3. Что понимают под гидрогенизацией угля? («Гидрос» по-гречески — жидкость, вода.) 4. Можно ли перевести вещество в любое из трех агрегатных состояний? 3. Каждое тело занимает некоторое пространство В вырубной штамп требуется забить два цилиндрических штифта. Чтобы штифты прочно держались, диаметр штифта делается несколько больше диаметра просверленного отверстия. И вот возникает неожиданное затруднение. Штифт 1 (рис. 5) не входит в штамп на глубину отверстия, а штифт 2 без усилий можно ввести на желаемую глубину. Объясняется это тем, что штифт 1 наглухо закрывает Рис. 4. Рабочий забивает Рис. 5. Основание вырубного штифты в основание выруб- штампа, ного штампа. просверленный канал. Находившийся там воздух сжался при первых ударах молотка. Выйти из канала воздух не может и потому препятствует дальнейшему продвижению 17
штифта вглубь. Из канала 2 воздух выходит свободно и уступает место штифту. Каждое тело занимает некоторое пространство. Два различных тела не могут одновременно занимать одно и то же пространство. Это представляется нам само собой понятным. Как показал приведенный выше пример, не следует, однако, забывать, что воздух тоже есть тело, для которого требуется пространство, свободное от других тел. Упражнения: 5. Во всех формах для литья имеется не меньше двух отверстий. Почему недостаточно одного отверстия? 6. На что надо обращать внимание при наливании жидкости в бутылку через воронку? 7. Если опускать в воду стакан отверстием вниз, то вода заполнит лишь небольшую часть стакана. Почему? 8. Почему в бочках обычно делают два отверстия? 4. 102 основных вещества Химики выяснили, из каких составных частей состоят вещества, встречающиеся на Земле. При этом были обнаружены вещества, которые не могут быть дальше разложены химически на составные части, отличные от этих веществ. Таких основных веществ оказалось 91. При помощи атомных превращений удалось получить искусственно еще одиннадцать основных веществ, не встречающихся в природе. Из различных основных веществ состоят все горные породы и полезные ископаемые, все жидкости и газы, все вещества, образующие организмы растений и животных. Основ- Рис. е. химик за работой. ные вещества называются также химическими элементами. К числу химических элементов принадлежат, 18
например, железо, алюминий, медь, цинк, олово, сера, фосфор, углерод, ртуть, хлор, кислород, азот, водород и др. Элементы не могут быть разложены химически на составные части с иными свойствами. Вещества, построенные по определенным законам из различных элементов, называются химическими соединения- ми. Химическим соединением является, например, ржавчина, образующаяся при действии воздуха и влаги на железо и состоящая из элементов: железа, кислорода и водорода. Химические соединения состоят из разнородных элементов. Другими примерами химических соединений служат углекислый газ, вода, серная кислота, соляная кислота, поваренная соль, сода, мрамор, масла, жиры, сахар, мыло, крахмал и многое другое. Известно более 500 000 химических соединений, тогда как элементов в природе встречается только 91. Исследование химического состава веществ называется химическим анализом. Инженеру часто приходится обращаться за помощью к химику для проведения анализа материалов, с которыми он имеет дело на своем производстве. Химические соединения следует отличать от смесей. Смеси в большинстве случаев можно разложить на составные части механическим способом (например, просеиванием или отмучиванием). Химические соединения никогда нельзя разложить такими приемами. Смеси можно составить, вводя отдельные вещества в любой пропорции. Напротив, веса составных частей химического соединения находятся в строго определенных числовых отношениях, неизменных для данного соединения. Упражнения: 9. Назовите другие известные вам химические элементы. 10. Назовите другие известные вам химические соединения. 5. Атомы и молекулы Частицы металла, вылетающие из распылителя, очень малы, но все же можно получить еще более мелкие частицы. Ученые установили, что Есе элементы построены из мельчайших частиц. Эти мельчайшие частицы называются атомами. Атомы так малы, что их нельзя увидеть в самый сильный микроскоп. 19
Частичка распыленного цинка содержит в себе еще многие биллионы атомов цинка. Атом цинка весит примерно 0,000 000 000 000 000 000 000 1 Г. Диаметр атома цинка равен приблизительно 0,000 000 2 мм. Следовательно, масса и диаметр атомов невообразимо малы. Рис. 7. При металлизировании поверхностей в распылитель вводят проволоку из ра спыляемого металла. Проволока расплавляется в пламени, и металл выбрасы- вается сжатым воздухом в виде мельчайших частиц, которыми покрывают поверхность изделия. Так как различных элементов известно 102, то известно 102 различных вида атомов: атом железа, атом серы, атом кислорода, атом азота и т. д. Иногда атомы соединяются с атомами того же элемента. Газообразный водород состоит, например, из совокупности двух тесно связанных атомов водорода ®-~® (рис. 8). 1акое сочетание атомов называется Рис* водо^одаГула молекулой. Молекула водорода состоит, следовательно, из двух водородных атомов. Силы, связывающие атомы в молекулу, ©—(?)—(F) имеют электрическую природу. рис. 9. молекула Молекула элемента состоит из атомов воды. этого элемента. Если в молекулу соединяются атомы разных элементов, то образуется химическое соединение. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода (рис. 9). Атом кислорода при этом связан с двумя атомами водорода и потому называется «двух- 20
валентным». Валентность (способность присоединять атом водорода) наглядно изображена на рис. 8, 9 и 10 посредством штрихов. Молекула бензола состоит из 6 атомов углерода и 6 атомов водорода (рис. 10). Атомы углерода четырехвалентны. Каждый атом углерода связан тремя валентными связями с двумя соседними атомами углерода. Четвертая валентная связь ^ каждого углеродного атома соединяет | его с атомом водорода. Н^ у?\ Молекула сахара построена из 12 ^\г/ ^>г н атомов углерода, 22 атомов водорода и ? и 11 атомов кислорода. Встречаются соединения, молекулы которых со- с С Н ставлены из сотен атомов. / N^ ^ Молекула химического соедине- " ? ния состоит из атомов разных эле- Л ментов. В МОЛеКуле СерНИСТОГО Железа, ОД- Рис- 10- Молекула бензола. ного из соединений серы с железом, каждый атом серы соединен химически с одним атомом железа. В смеси же серы и железа сравнительно крупные частички того и другого элемента находятся рядом в свободном состоянии, не будучи связаны друг с другом. Атомы —это кирпичики, из которых построено всякое вещество. Сами атомы имеют сложное устройство, в котором действуют электрические силы. Детали строения атомов и законы, по которым они построены, успешно изучаются физиками (см. стр. 264). Упражнения: 11. Существуют ли атомы воды? Атомы воздуха? 12. Составлены ли молекулы фосфора из атомов разных элементов? 13. Состоит ли молекула поваренной соли из атомов двух разных элементов? 14. Маленькая медная заклепка весит 0,4 Г. Сколько в ней содержится атомов, если атом меди весит приблизительно 0,000 000 000 000 000 000 000 1 Г? 6. Кристаллическая решетка Твердые металлы построены не беспорядочно. Зерна, которые видны на поверхности излома или шлифа,— это кристаллы. Однако они имеют неправильные границы, потому что при затвердевании металлического расплава 21
кристаллы мешают друг другу расти. Чем медленнее и спокойнее застывает расплав, тем крупнее получаются зерна кристаллов. Например, атомы чистого железа, находящегося в твердом состоянии, образуют при комнатной температуре совокупность решеток кубической формы. В каждом из восьми углов куба элементарной решетки размещен один атом железа и, кроме того, в центре куба находится девятый атом (рис. 12). Такой порядок расположения атомов называется «объемноцеитрированным». При нагревании до 906° С взаимное расположение атомов внезапно изменяется. Решетка перестраивается. Атом, находившийся в центре куба, удаляется оттуда, а в середине каждой из шести граней появляется по атому. Решетка превратилась в «гранецентри- рованную» (рис. 13). Атомов в элементарной решетке стало больше, в нее пришли атомы из соседних ячеек Рис. 11. Поверхность излома стали. И-* W Рис. 12. Схема расположения атомов в объем ноцентрирован- ной решетке. Рис. 13. Схема расположения атомов в гранецентрирован- ной решетке. решетки. Общее число атомов в куске железа при такой перестройке осталось, конечно, прежним. Атомы в металлах и большинстве других твердых тел расположены в определенном геометрически правильном порядке. При затвердевании жидких тел или при выпадении осадков из растворов атомы располагаются упорядоченно, образуя решетку. Возникают маленькие, а иногда и боль- 22
шие кристаллы, из которых и состоит большинство твердых тел. Прозрачный сверкающий алмаз (рис. 14) состоит из тех же атомов углерода, что и графитовый стержень карандаша Рис. 14. Алмазы. Рис. 15. Графит. (рис. 15). Только в алмазе решетка иначе построена из атомов, чем в графите. Очень важно знать строение решеток в металлах, так как это позволяет правильно выбрать способ обработки материалов, применяемых на производстве. Для выбора режима закалки стали также нужно знать, как изменяется кристаллическая решетка при нагревании и охлаждении стали. Сведения о строении атомных решеток получают обычно при помощи рентгеновских лучей. Рентгеновские лучи, проходя через решетку атомов, отклоняются и дают на фотопластинке Рис- 16e*H^y «S?^3 П0Ба" своеобразные картины. Когда рентгеновские лучи рассеиваются от монолитного куска кристалла, то получается так называемая лауэграмма (рис. 16). Рис. 17. Диаграмма Дебая—Шеррера для кварца. Диаграмму Дебая—Шеррера (рис. 17) получают при рассеянии рентгеновских лучей от кристаллических порошков. 23
По расположению линий и точек на диаграмме, по расстоянию между ними и по степени почернения фотоэмульсии можно сделать вполне определенное заключение о строении просвечиваемых атомных решеток. Упражнение: 15. В чем различие между объемноцентрированной и гранецентри- рованной решетками? II. СИЛЫ 7. Измерение сил. Действие сил Силы можно измерять, пользуясь пружинными весами. Можно, например, измерить силу, с которой лошадь тянет воз, если поместить между упряжкой лошади и повозкой большие пружинные весы (динамометр). Такие динамометры калибруют в килограммах (кГ). (Иногда эту единицу силы для уточнения называют «килограмм-сила».) Килограмм — это сила, с которой 1 литр воды (практически 1 дм3) при 4° С на широте 45° и на уровне моря давит на подставку (см. стр. 33). Силы измеряют в килограммах (кГ). Сила, действуя на тело, может привести его в движение. Так, в цехах заводов силы применяют для передвижения инструментов и деталей машин, для транспортировки грузов. Причиной любого изменения в движении тел всегда служит сила. Для изменения формы при обработке материалов применяют силы, смещающие или отделяющие частицы обрабатываемого материала. Рис. 18. Пружинными весами можно измерить мускульную силу руки. 24
Силы проявляются в их действиях: в изменении движения тел, изменении их формы. Не всегда при действии сил тело начинает двигаться или изменяет свое движение. В таких случаях действия нескольких сил взаимно уничтожают друг друга. Силы магнитного или электрического происхождения нельзя рассматривать как особые силы. В сущности характер действия всех сил один и тот же. Поэтому законы и правила, касающиеся действия сил, справедливы для сил любого происхождения. Упражнения: 16. Приведите примеры действия сил. 17. Назовите силы природы, которые вызывают движение тел. 8. Изображение сил на чертежах Если лодка движется силой мотора и одновременно на нее действует сила ветра, то эти силы можно наглядно представить на чертеже в виде стрелок. Такие стрелки, обозначающие направленные величины, называются «векторами». Сила вполне определена, если указаны точка ее приложения, величина и направление. Начало стрелки показывает точку приложения силы. Направление стрелки указывает направление силы, а длина стрелки характеризует величину силы. Силы изображаются стрелками. Силу в 7 кГ, например, можно изобразить на чертеже стрелкой длиной в 7 см. Можно пользоваться и любым другим масштабом. Скажем, 1 мм длины стрелки может обозначать силу в 100 кГ. При графическом изображении сил необходимо указывать масштаб, в котором представлены силы на чертеже. Только при этом условии чертеж позволит нам узнать истинную величину сил. 1см*ЮкГх) Рис. 19. Графическое изображение сил мотора и ветра, движущих лодку. х) Знак ^ заменяет слово «соответствует», 25
Силы изображают в определенном масштабе. Масштаб выбирают, сообразуясь: 1) с величиной сил, 2) с размерами чертежа, 3) с желаемой точностью чертежа. Упражнения: 18. Пользуясь линейкой, определите по чертежу (рис. 19) величину обеих сил. Масштаб: 1 см^Ю кГ. 19. Начертите силы: Рх = 60 кГ\ Р2 = 600/сГ;Я3 = 150/сГ;Р4 = = 1200 кГ. Масштаб: 1 см ^100 кГ. Направление сил выберите сами.- 20. Какой длины следует начертить стрелку для изображения силы в 7,8 />\Г, если 1 см^ 1 кП 21. Масштаб: 1 см^ 10 кГ. Какова должна быть длина стрелки для изображения силы в 7,8 кП 9. Сложение и разложение сил Лошадь тянет повозку с силой 80 кГ. Пять человек подталкивают повозку, каждый с силой 20 кГ. Поэтому общая сила, приводящая повозку в движение, равна 180 кГ. Если Рис. 20. Силы действуют в одном направлении. бы эту повозку двигал тягач, то он тоже должен был бы приложить силу в 180 кГ. Суммарная сила, с которой действуют несколько одинаково направленных сил, равна сумме этих сил. При игре «кто кого перетянет» силы обеих партий игроков, тянущих канат, направлены в прямо противоположные 26
стороны. Победит та партия, которая тянет с большей силой. Общей силой в этом случае будет разность двух действующих сил. Суммарная сила двух противоположно направленных сид, равна разности этих сил. Когда на тело действует несколько сил, то при решении задач их можно обычно заменить одной общей силой, способной произвести такое же действие, как все данные силы, вместе взятые. Эта общая сила называется результирующей или равнодействующей. В приведенном выше примере с движением повозки равнодействующая сила равна 180 кГ. Масштаб 1см=2 к Г ЕСЛИ На ОДНУ И Ту Же ТОЧКУ рис. 21. Параллелограмм тела действуют две силы Р, и Р2, сил- направленные под углом друг к другу, то равнодействующая сила R уже не будет равна сумме сил Рх и Р2 (в этом можно убедиться на опыте, пользуясь пружинными весами). Направление равнодействующей силы будет лежать между направлениями сил Ра и Р2. Величина равнодействующей силы меньше суммы Р, и Р2. Приблизительно 300 лет назад было установлено, что направление и величину равнодействующей силы можно весьма просто найти графически, если дополнить векторы сил Р1 и Р2 еще двумя линиями и построить параллелограмм. Такой параллелограмм называется параллелограммом сил. Параллелограммом называется четырехугольник, противоположные стороны которого параллельны и равны между собой. Диагональ параллелограмма изображает равнодействующую R сил Pj и Р2. На рис. 21 равнодействующая R равна 4,2 кГ, тогда как силы Р, и Р2 составляют в сумме 8 кГ. Равнодействующая двух сил, направленных под углом друг к другу, графически изображается диагональю параллелограмма сил. При помощи параллелограмма сил можно также разложить силу на две силы, имеющие любое направление. Эти силы называются составляющими. Обе составляющие силы Р, и Р2 вместе производят такое же действие, как и исходная сила R. 27
Силу можно разложить при помощи параллелограмма сил на две отдельные составляющие силы. Таким разложением силы часто пользуются, чтобы узнать, какое действие произведет сила. Например, при изучении движения тел по наклонной плоскости (см. стр. 96) и колебаний маятника (стр. 62) разложение сил позволяет легко объяснить происходящие явления. Из различных возможных способов разложения силы чаще всего выбирают разложение на две составляющие, направленные под прямым углом друг к другу. Упражнения: 22. Определить графически равнодействующую двух взаимно-перпендикулярных сил, приложенных к одной точке. Величина одной силы равна 3 /сГ, другой 4 кГ. Масштаб сил: 1 см ^ 1 кГ. Какой угол образует равнодействующая с данными силами? 23. Как найти равнодействующую в за- даче 22, пользуясь вычислениями? Применим Масштаб'-1 см=20 кГ ли этот способ, когда данные силы не перпен- nn rj дикулярны друг к другу? ^катящуюся ВпоОНрелКьУ 24. Силу Р (рис. 22) надо разложить на сам, действует сила под Две составляющие, из которых одна Z деи- углом к рельсам. ствует в направлении, параллельном рельсам, а другая D перпендикулярна к ним. Чему равны величины сил Р, Z и D7 Какое действие производят силы Z и ?>? 10. Сила тяжести. Центр тяжести Свободное падение бойка механического молота, применяемого для кузнечных работ, происходит под действием силы, которую называют силой притяжения Земли или силой тяжести. Каждое тело находится под действием силы тяжести. Силу тяжести используют в технике, например в ручной трамбовке (рис. 24), бензотрамбовке (рис. 25), в катке дорожной машины (рис. 26). Все тела, которые могут свободно двигаться вблизи Земли, падают на земную поверхность. В силе тяжести проявляется один из общих законов природы. Все тела в мировом пространстве притягиваются друг к другу: Солнце и Земля, Луна и Земля и т. д. Притяжение к Луне заставляет огромные массы воды в океане дважды в сутки подниматься на много метров. Во время прилива сила притяжения Луны, поднимая морскую воду, 28
накапливает в ней колоссальные запасы энергии, которые пока еще не используются в технике. Задачей будущего явится сооружение приливных силовых станций, которые будут использовать энергию, накопленную водой во время прилива, для приведения в движение турбин и получения электроэнергии. Уже имеются проекты и некоторый опыт создания подобных станций. Твердая кора Земли тоже Рис. 23. Боек механического молота Рис. 24. При мощении улиц приме- свободно падает вниз. няют ручную трамбовку. Она весит приблизительно 20 кГ, поднимают ее на высоту около 60 см. Удар падающей трамбовки объясняется действием силы тяжести. ежедневно поднимается под действием притяжения Луны приблизительно на 40 см. Согласно закону всемирного тяготения не только все тела притягиваются к Земле, но и Земля притягивается к этим телам. Все тела, находящиеся на Земле тоже притягиваются друг к другу. Однако силы притяжения при этом обычно слишком малы, чтобы вызвать движение этих тел. Два пассажирских паровоза, например, при расстоянии в 1 м между ними притягиваются друг к другу с силой около 0,1 кГ. Сила притяжения Землей какого-нибудь тела, находящегося на земной поверхности или над нею, тем больше, чем меньше расстояние тела от центра Земли. Так как земной шар несколько сплюснут у полюсов и полюсы 29
поэтому находятся ближе к центру Земли, чем, скажем, Берлин, то сила тяжести на полюсах больше, чем в Берлине. Всего меньше сила тяжести на экваторе, так как точки его больше всего удалены от центра Земли (см. стр. 33). Рис. 25. Бензотрамбовка. Трамбовка весом приблизительно 100 кГ, подбрасывается вверх толчком взрывающихся газов. Рис. 26. В строительстве дорог для уплотнения покрытий применяют катки весом до 24 000 кГ. В их работе тоже используют силу тяжести. Стальной заостренный цилиндрик, подвешенный на нитке (отвес), показывает направление силы тяжести (рис. 27). Сила тяжести направлена к центру земного шара. Земля тянет вниз каждый атом тела. Сумма всех этих сил притяжения составляет общую силу тяжести, действующую на тело. Можно считать, что на тело действует одна сила тяжести, приложенная только к одной точке, называемой центром тяжести тела. Сила тяжести приложена к центру тяжести тела. Центр тяжести однородного шара или однородной круглой пластинки находится в их геометрическом центре. Центр тяжести квадратной или прямоугольной пластинки лежит в точке пересечения ее диагоналей. Если у вращающегося тела, например у точильного камня, центр тяжести расположен вне оси вращения, то возникают силы, стремящиеся сместить ось вращения. Разбалтывание и износ подшипников являются следствием того, что положение центра тяжести вращающегося тела было плохо учтено при установке подшипника. Поэтому вращающиеся 30
детали балансируют, добиваясь того, чтобы центр тяжести находился на оси вращения. Устойчивость тел зависит от положения центра Рис. 27. При помощи отвеса проверяют вертикальность стены. Рис. 28. Этот дорожный указатель имеет большую устойчивость, потому что его подставка отлита из тяжелого цемента и, кроме того, имеет большую площадь опоры. тяжести. Тело опрокидывается, когда отвесная линия, проведенная из центра тяжести, выходит за пределы площади опоры тела. Для повышения устойчивости станков и машин надо по возможности увеличивать площадь опоры и наиболее тяжелые части машины размещать как можно ниже. Часто для повышения устойчивости утяжеляют основание машины, кладя на него грузы. Упражнения: 25. Назовите другие приспособления и машины, в которых используется сила тяжести. 26. Какая сила служит причиной возрастания скорости падающего тела? 27. Найдите положение центра тяжести неправильного пятиугольника как точку пересечения отвесных линий DL, AL' и т. д. (рис. 29). 28. Может ли центр тяжести находиться вне тела? 29. Где лежит центр тяжести кольца? 30. Где лежит центр тяжести треугольника? Рис. 29. Опре- деление положения центра тяжести 5 пластинки неправильной формы. Нить отвеса DL продета через отверстие D и закреплена петлей. 31
11. Вес и масса Пружинные весы, кзк мы знзем, служзт для измерения силы. Если мы подвесим к пружинным весзм кзкое-нибудь тело, нзпример молот (рис. 30), то укзззтель весов опустится вниз, потому что молот тянет вниз и рзстягивзет пружину. Положим, что величинз этой силы состзвляет 10 кГ. Мы говорим в тзком случзе, что молот имеет «вес» 10 кГ. Следовзтельно, под весом телз понимзют некоторую силу. Вес —это сила. Вес — это силз, имеющзя своей причиной земное притяжение. Определяя вес молотз, мы измеряем силу, с которой Земля притягивзет к себе молот, силу тяжести. Этз силз не везде одинзковз. Если в Берлине молот весит точно 10 кГ, то нз северном полюсе при взвешивз- нии нз тех же пружинных весзх молот будет весить приблизительно нз Рис.30. Молот растягивает 0,03 кГ боЛЫЫе, 3 НЗ ЭКВЗТОре НЗ пружину динамометра. Q^ ^ меньще> В обыденной жизни незнзчитель- ные местные колебзния весз тел, вообще говоря, не игрз- ют роли, но при нзучных исследовзниях их чзсто приходится учитывзть. Ззвисимость весз телз от геогрзфической широты местз объясняется двумя причинзми. Тзк кзк земной шзр несколько сплюснут у полюсов, то полюсы нзходятся ближе к центру Земли, чем точки нз эквзторе. Кроме того, нз эквзторе требуемзя центростремительнзя силз (см. стр. 44) больше, чем нзпример в Берлине и поэтому вес дзнного телз нз эквзторе окззывзется меньше. Вес тела есть величина непостоянная. Если бы опыт (рис. 30) можно было произвести на поверхности Луны, то пружинные весы показзли бы там вес молотз только 1,7 кГ (в Берлине он весил 10 кГ). Тзким обрззом, силз притяжения молотз Луной знзчительно меньше, чем силз притяжения его Землей. Нз поверхности Солнцз тот же молот весил бы около 275 кГ9 32
Единица силы и веса 1 килограмм (1 кГ) определена как сила, с которой притягивается к Земле 1 дм3 (1 литр) воды при 4° С на широте 45° и на уровне моря. В этих единицах калибруют пружинные весы (рис. 31). Единица силы и веса: 1 кГ{\ кГ=\000Г). Для измерения силы и веса служат пружинные весы. Вес какого-нибудь тела, например стальной балки, в различных местах на земном шаре имеет разную величину. Но количество вещества, содержащегося в этой балке, везде одно и то же. Количество вещества, содержащегося в теле, называется массой тела. Масса тела есть величина неизменная. Каждое тело, например молот, обладает, следовательно, постоянной массой и меняющимся от места к месту весом. Характерный признак массы — это ее инертность (см. стр. 41), т. е. сопротивление, которое масса оказывает при всяком изменении ее движения. Лица, не занимающиеся физикой, часто не знают о различии между массой и весом. Это и понятно, так как изменения в весе тел в разных пунктах Земли не превышают 0,5%. Когда покупают, например, продукты или уголь, то для потребителя представляет интерес масса приобретенного товара. Строго говоря, для определения массы нельзя применять пружинные весы (некоторые бытовые весы основаны на принципе пружинных весов). Для измерения массы служат хорошо знакомые всем двуплечие рычажные весы, например технические и химические весы. Действие их основано на том, что весы приходят в равновесие, когда измеряемая масса, положенная на одну чашку весов, равна массе гирь, положенных на другую чашку. Изменения величины силы, с которой эти массы притягиваются к Земле в различных местах, не влияют на показание весов, так как вес правой и левой чашек изменяется совершенно одинаково. Для измерения массы служат двуплечие весы. Рис. 31. Шкалу пружинных весов калибруют в единицах «килограмм- силы». 33
В качестве единицы массы принята масса 1 литра воды при 4° С и барометрическом давлении 760 мм рт. ст. Она называется килограммом (кг). Ее не следует путать с единицей «килограмм-сила» (кГ). Рис. 32. Гири имеют определенную массу Клеймо на гире «1 кг» означает, что эта гиря имеет массу в 1 кг. Вес этой гири приблизительно равен 1 кГ. Единица массы: 1 кг (1 л;г=1000 г). Хотя различием в числовом значении массы и веса тела во многих случаях можно пренебречь, никогда не следует смешивать сами единицы массы и веса. В любом месте на Рис. 33. Гири в 500, 200, 100 и 50 мг в натуральную величину. Земле вес тела, масса которого равна 1 кг, мы можем с достаточной точностью считать равным 1 кГ. В технических расчетах за единицу массы прини- мают 1 —-—з (см- СТР- 74). В наших географических MJ С6К широтах эта единица массы соответствует массе гирь весом кГ в 9,8 килограмма. Следовательно, чтобы выразить в м,секг массу тела, вес которого нам известен в кГ, надо разделить 34
этот вес на 9,8 (см. стр. 74). В технике иногда пользуются обозначением кг, имея при этом в виду единицу силы и веса. Вместе с тем слово «килограмм» применяют и для обозначения единицы массы. Двойной смысл этого термина порождает множество недоразумений и приводит к путанице. Точно так же выражения «тело весит», «определить вес тела», «весы», «тяжелый», «легкий» употребляют в обыденной речи, говоря и о массе, и о весе. Предстоит еще очистить язык от выражений неточных и имеющих двойной смысл. Физик под словами «вес тела» всегда понимает силу, измеряемую в кГ, с которой тело притягивается вниз, к Земле. Между тем в повседневной жизни часто говорят «вес тела», имея в виду его массу, измеренную в кг. Упражнения: 31. Можно ли использовать гирю в качестве движущей силы? 32. Что важно для покупателя угля: вес или масса угля? 33. Что определяет нагрузку деревянного моста: вес или масса автомобиля, едущего по мосту? 34. При помощи двуплечих весов определили, что масса хлеба равна 2 кг. Каков вес этого хлеба? 12. Удельный вес Две детали, изображенные на рис. 34, имеют одинаковый объем, однако правая чашка весов опустилась вниз. Деталь, Рис. 34. Обе детали имеют одинаковый объем, но различный вес, так как одна сделана из железа, а другая — из алюминия. лежащая на правой чашке, изготовлена из железа, а деталь, лежащая на левой чашке,— из алюминия. Эти два тела отличаются как по массе, так и по их весу. То, что железный предмет в определенное число раз тяжелее алюминиевого 35
предмета такого же размера, можно выразить более точно при помощи так называемого удельного веса. Удельный вес получают, разделив вес тела на его объем. Так как 1 дм3 алюминия весит 2,7 кГ, то удельный вес алюминия равен 2,7 кГ/дм3 (читай: кГ на дм3). Поскольку вес тела изменяется в зависимости от географической широты места, то и удельный вес есть величина непостоянная. Однако эти изменения не превышают 0,5% и потому обычно не принимаются во внимание. Принято выражать удельный вес в кГ/дм3, но можно приводить его и в Г/см3. В обоих случаях мы получим одно и то же число. Зная удельный вес, можно решить задачи следующего характера. Пример ы; а) Рассчитайте вес свинцовой пластинки объемом в 1,8 дм3. Решение: Так как 1 дм3 свинца весит 11,3 кГ (см. таблицу на стр. 37), то 1,8 дм3 весят в 1,8 раза больше. 11,3 кГ/дм3Л,Ъ дм3= 20,34 кГ. Свинцовая пластинка весит 20,34 кГ. Из этого примера видно, что для определения веса надо удельный вес умножить на объем. Вес = Удельный вес X Объем. б) Сосновая доска имеет объем 18 дм3 и весит 9 кГ. Каков удельный вес сосны? Решение: 18 дм3 весят 9 кГ, Q 1 дм3 весит — кГ = 0,5 кГ, удельный вес сосны равен 0,5 кГ/дм3. Л/ „ Вес Удельный вес= — . Объем в) Какой объем имеет отливка из магния, если она весит 3,8 кП Решение: 1.7 кГ магния имеют объем 1 дм3 (см. таблицу), 1,0 кГ магния имеет объем — дм3, о Q 3.8 кГ магния имеют объем -~ дм3 = 2,2 дм3. Чтобы узнать объем тела, надо его вес разделить на удельный вес вещества, из которого состоит это тело. Объем=тт ^ . Удельный вес Если вес обозначить буквой Р, объем V и удельный вес у (следует читать: «гамма»), то получится уравнение P=yV. 36
р и V-- Из него можно получить: Р_ т Химики часто пользуются понятием «плотность». Под этим понимают массу единицы объема какого-нибудь вещества. Плотность выражают всегда в г!смг. Плотность есть величина постоянная. На широте 45° на уровне моря ее численное значение совпадает со значением удельного веса. В таблице приведены значения удельного веса с одним десятичным знаком, т. е. с первой цифрой после запятой. Удельные веса различных веществ в кГ1дм3 Твердые вещества Алюминий 2,7 Свинец 11,3 Железо 7,8 Золото 19,3 Медь Магний Платина Ртуть 8,9 1,7 21,4 13,6 Серебро 10, Цинк 7. Бетон 2. Лед О! Земля (сухая) 1, Мрамор 2. Фарфор 2, Кирпич 1, Жидкие вещества Спирт Эфир . Бензин Бензол 0,8 0,7 0,7 0,9 Глицерин 1,3 Керосин .... Соляная кислота Серная кислота . Вода Водород (жидкий) 0,8 1.2 1,5 1,0 ОД Газообразные вещества Ацетилен . . . Углекислый газ Окись углерода Светильный газ Воздух . . . . 1,0013 Метан 0,0007 0,0019 Пропан 0,0020 0,0013 Кислород 0,0014 0,0006 Азот 0,0013 0,0013 Водород 0,0001 Так как для определения удельного веса нужно взвесить тело и измерить его объем то полученное численное значение будет тем точнее, чем с большей точностью произведены взвешивание и измерение объема. Аналитические весы, с которыми работают химики (рис. 35), помещены в застекленный футляр. Они позволяют взвешивать тела с большой точностью. При нагрузке в 200 Г на них можно производить взвешивание, не допуская погрешности в десятых долях миллиграмма (мГ) и достаточно уверенно оценивая сотые доли миллиграмма. 37
Как правило, удельный вес и плотность увеличиваются при увеличении давления и понижении температуры. Для определения плотности или удельного веса жидкостей часто применяют ареометры (см. стр. 102). Упражнения: 35. Каков удельный вес воды? 36. Сколько весят: а) 1 см3 алюминия? б) 1 м3 пробки? (Удельный вес 0,2 кГ/дм3.) 37. Металлическая пластинка весит 22,26 кГ. Ее объем 2,5 дм3. Из какого металла сделана эта пластинка? (Рассчитайте удельный вес и сравните с данными, приведенными в таблице.) or? A 38. Если смешать масло с во- Рис. 35. Аналитические весы. дой> то qepe3 некот0р0е время капельки масла всплывут и сольются, образуя слой масла на поверхности воды. Какая из этих двух жидкостей имеет больший удельный вес? 13. Давление Перед обработкой детали разметчик при помощи иглы («чертилки») переносит размеры с чертежа на поверхность детали. Нанесенные линии и центры отверстий на детали помечают керном. Площадь заостренного конца закаленного керна равна приблизительно 0,1 мм2 = 0,001 см2. Если ударом молотка прижать керн к поверхности детали с силой 6 кГ, то эта сила будет действовать на площадку в 0,001 см2. Такая же сила ПрИШЛаСЬ бЫ На ЭТу (маленькую) рис 36. Керном выбивают на ПЛОЩаДКу, еСЛИ бы На 1 СМ ПО- детали маленькие конусооб- о разные углубления. верхности детали действовала в 1000 раз большая сила, т. е. сила, равная g-щ кГ= 6000 кГ. 38
Сила, действующая в перпендикулярном направлении на площадку в 1 см2, называется давлением и выражается в кГ/см2 (читай: кГ на см2). Давление=TT^gs- Единицу давления (1 кГ/см2) называют атмосферой (am). \ат = 1кГ1см2. Давление, под которым острие керна проникает в металл, равно, следовательно, 6000 кГ/см2 = 6000 am. Иногда силу, с которой прижимают тело к какой-либо поверхности, ошибочно называют давлением. Следует, однако, строго отличать понятие силы от понятия давления. Упражнения: 39. Каково назначение гусениц у трактора? 40. Сравните давление лыж и коньков. В каком из этих двух случаев давление будет большим, а в каком — малым? 41. Как надо поступать при спасении человека, который провалился через тонкий слой льда на пруду? 14. Действие и противодействие В автоматическом оросителе (рис. 37) действует не только сила, которая выбрасывает воду через наконечник изогнутой трубки. Одновременно на колено трубки, которая легко может вращаться, действует и равная ей по величине сила, направленная в сторону, противоположную выбрасываемой струе. Под действием этой силы отдачи насадка автоматически приводится во вращение, разбрасывая вытекающую из нее воду. Если выпрыгнуть из лодки до того, как лодка окончательно пристала к берегу, то она получит толчок назад. Если лодка легкая, то ее обратное движение может быть таким Роидсит3с^ °0%™?e^e бЫСТрЫМ, ЧТО ПРЫЖОК КОНЧИТСЯ Не- движение силой реакции 1 х выбрасываемой воды. удачно и человек упадет в воду. Широко используют отдачу потока газов, выделяющихся при сгорании топлива ракет. Сигнальные ракеты и трубки 39
фейерверков круто взлетают вверх под действием отдачи газов, вытекающих вниз с большой скоростью (рис. 38). Когда какая-нибудь сила действует на тело, то при этом всегда возникает равная по величине и обратно направленная сила, действующая на второе тело. Действие равно противодействию. Когда мы забиваем молотком гвоздь, то, кроме силы, действующей на гвоздь, имеется равная ей по величине, но противоположно направленная сила, действующая на молоток. Эта последняя сила и заставляет молоток остановиться. Упражнения: Рис. 38. Ракеты фейерверка взлетают вверх под действием отдачи газов, вы- 42. Стакан падает на пол и брасываемых вниз. разбивается. Где здесь действие и противодействие? 43. Станьте на медицинские весы и определите свой вес. Потом быстро поднимите обе руки вверх. Проследите за весами и объясните явление. 15. Инертность тел Чтобы привести во вращение маховое колесо, необходимо приложить силу. Если на полном ходу колеса выключить привод, то колесо не сразу останавливается. Оно тем дольше продолжает вращаться, чем меньше силы, тормозящие движение. Поезд, отходящий от платформы, набирает скорость постепенно, иначе могут порваться сцепки. Вагоны оказывают сопротивление всякий раз, когда их выводят из состояния покоя. Когда поезд идет полным ходом, то он мог бы сохранить всю свою скорость без тяги, если бы на него не действовали никакие силы, уменьшающие его скорость и останавливающие поезд (трение, сопротивление воздуха). 40
Все тела обладают инерцией: они сохраняют свое состояние движения или покоя, пока внешние силы не изменят этого состояния (закон инерции). Если тело движется прямолинейно, то оно могло бы само по себе двигаться в том же направлении и с той же скоростью, не нуждаясь в силах, поддерживающих движение. Тело останавливается только потому, что на него действуют силы торможения. Когда трамвай внезапно трогается с остановки, то пассажиры испытывают толчок в сторону, обратную движению вагона, потому ЧТО Наше ТеЛО ТОЖе ПОД- рис. 39. Маховое колесо обеспечивает рав- ЧИНЯеТСЯ ЗаКОНу ИНер- номерный ход машины. ции и стремится сохранить состояние покоя, в котором оно находилось до начала движения трамвая. При внезапной остановке вагона пассажир невольно наклоняется вперед, потому что его тело продолжает еще двигаться. В приведенных примерах инерция приводит к нежелательным явлениям. Но ее можно применить во многих случаях и с пользой для дела. Молоток, ударяя по гвоздю, продолжает двигаться по инерции и загоняет гвоздь в дерево. Эффект действия инерции зависит от массы молотка и его скорости. На том же принципе основаны, например, операции ковки металла и забивки свап. Упражнения: 44. Если молоток непрочно сидит на рукоятке, то с силой ударяют концом рукоятки по верстаку. От этого молоток прочно насаживается на рукоятку. Объясните это. 45. При внезапном торможении поезда с багажной полки упал чемодан. В чем причина этого? 16. Сила трения Передвигая станки, подкладывают под них катки для уменьшения трения. Трение всегда препятствует движению. Сила трения направлена против движущей силы и уменьшает ее действие. 41
Обычно сила трения во много раз меньше силы, с которой движущееся тело давит перпендикулярно на поверхность дороги. Отношение силы трения к прижимающей силе называется коэффициентом трения. ж/- jlj. Сила трения Коэффициент треНИЯ = прижимающая сила ' Если обозначить силу трения F, прижимающую силу Р, а коэффициент трения k, то получим формулу k = -р. Отсюда: Сила трения = Коэффициент трения X Прижимающая сила, или F=k-P. Если опорная поверхность горизонтальна, то прижимающая сила равна весу движущегося тела. Зная вес Рис. 4 0. Катящееся тело легче двигать, чем скользящее. Поэтому под станок подложили прутки стали. и силу трения, можно вычислить коэффициент трения. Коэффициент трения зависит от состояния соприкасающихся поверхностей и природы трущихся тел. Коэффициенты трения приводятся в технических справочниках. Например, коэффициент трения качения колес грузовика, едущего по сухой асфальтированной дороге, равен приблизительно щ. Если грузовик весит 2000 кГ, то сила 4 трения на горизонтальном пути будет -^ • 2000 кГ = 80 кГ. 42
Масштабе см= 1нГ Рис. 41. Разложение силы тяжести. G — вес, Р — прижимающая сила, Z — сила тяги. Для того же грузовика и той же дороги коэффициент трения значительно возрастает, если грузовик скользит по дороге, например при сильном торможении. В этом случае коэффициент трения увеличивается приблизительно в 10 раз 40 ~ и равен -г^. Следовательно, сила трения теперь равна 800 кГ и для равномерного движения скользящего грузовика потребовалась бы сила тяги в 800 кГ. Трение качения значительно меньше трения скольжения. Трение качения зависит от диаметра колес. Чем больше диаметр колес, тем меньше трение качения. Коэффициенты трения можно значительно уменьшить, покрывая трущиеся поверхности маслами и смазочными веществами надлежащего состава. Даже увлажнение дороги водой уменьшает коэффициент трения. Мы уже говорили, что при сухой асфальтированной дороге коэффициент трения скольжения колес грузовика равен 0,40. Когда идет дождь или асфальт полит водой, коэффициент трения уменьшается до 0,15. Многие водители автомобилей испытали на себе тяжелые последствия этого явления (машину заносит). В подшипниках скольжения цилиндрические цапфы валов вращаются внутри цилиндрических вкладышей подшипника. Между цапфой и вкладышем возникает трение скольжения, которое можно уменьшить смазочными материалами. В подшипниках качения (например, шариковых подшипниках) действует трение качения. В подшипниках качения трение значительно меньше, чем в подшипниках скольжения, поэтому в настоящее время предпочитают применять подшипники качения. Когда тело скользит по наклонной плоскости (рис. 41), то можно определить силу Р, действующую перпендикулярно к плоскости, разложив вес тела G по правилу параллелограмма. Для трения имеет значение только эта сила Р. Она составляет только часть веса тела, поэтому трение на дороге, идущей под уклон, меньше, чем на горизонтальном участке пути. При достаточно большом уклоне тело начинает скользить вниз. 43
Упражнения: 46. Назовите примеры трения скольжения и трения качения. 47. В середине реки вода течет быстрее, чем у берегов. Почему? 48. На чем основано действие ременной передачи? 49. Для чего ремни передач натирают специальной мазью? 50. Для чего применяют смазочные масла? 51. Определить величину силы давления и вес по рис. 41. Будет ли тело соскальзывать вниз при k = 0,5? 52. С какой целью во время гололедицы тротуары посыпают песком? 53. Коэффициент трения скольжения стали по льду равен 0,01. Какая требуется сила, чтобы сани со стальными полозьями, весящие 50 кГ, равномерно передвигать по горизонтальной дороге? 54. Сила трения равна 6 кГ. Вес тела равен тоже 6 кГ. Каков коэффициент трения при движении этого тела по горизонтальной поверхности? 17. Центростремительная сила Чем быстрее вращается центробежный регулятор паровой машины, тем больше расходятся в стороны его шары, поднимаясь при этом вверх. Однако при вращении возникает сила, ограничивающая удаление шаров от оси вращения. Она является равнодействующей силы R натяжения стержня, на котором укреплен шар, и веса шара Р (рис. 43). Эта равнодействующая направлена к центру QJJ Рис. 42. Центробежный регулятор ограничивает приток пара в цилиндр паровой машины, когда скорость оборотов слишком велика. Рис. 43. Силы, действующие на шар центробежного регулятора. окружности, по которой движется шар и поэтому называется центростремительной силой. 44
Центростремительная сила возрастает с увеличением числа оборотов регулятора в секунду; она тем больше, чем дальше находится тело от оси вращения и чем больше его масса. Величина центростремительной силы (в кГ), действующей на тело весом Р (в кГ), движущееся по окружности диаметром d (в м), при числе оборотов в секунду п может быть вычислена по формуле Дробь Р/9,81 равна величине массы вращающегося тела (стр. 74). Центростремительная сила должна всегда присутствовать, если тело движется по окружности; однако она Рис. 45 Направление центростремительной силы, действующей на ка- Рис. 44. Сошлифованные частицы летят мень, вращающийся по от точильного камня по прямой линии. окружности. существует лишь до тех пор, пока находящаяся под ее действием часть вращающегося тела прочно соединена с этим телом. Как только крупинки точильного камня и резца отрываются от камня, они уже больше не находятся под действием центростремительной силы, а по закону инерции летят по прямой, касательной к камню (рис. 44). Камень, привязанный к нити и вращающийся по окружности (рис. 45), улетел бы согласно закону инерции по прямой линии, если бы его не удерживало натяжение нити. На камень действует центростремительная сила (F на рис. 45). Если выпустить нить из рук, то эта сила на него больше не будет действовать и камень полетит по прямой 45
в направлении касательной R к окружности (см. также рис. 44). Когда число оборотов машины в секунду превышает некоторую величину, то возросшие силы внутреннего натяжения, необходимые для движения частей машины по окружности, могут превысить предельно допустимые значения, что приведет к аварии. Поэтому в машиностроении необходимо строго учитывать возникающие центростремительные силы. Человек тоже может испытать на себе действие центростремительной силы, например на карусели (рис. 46). Чтобы создать центростремительную силу, необходимую для движения поезда на закруглениях пути, внешний рельс железнодорожного пути укладывают на закруглениях выше внутреннего. Разница в высоте рельсов Рис. 46. На карусели действует центростремительная сила. Рис. 47. Центробежная машина демонстрирует действие центростремительной силы. Упругость деформированных стальных обручей создает требуемую центростремительную силу. зависит от кривизны дороги и от скорости, с которой поезд проходит этот участок пути. Действие центростремительной силы легко продемонстрировать на центробежной машине (рис. 47). В центри- 46
фугах для извлечения из жидкости взмученных частиц, выпавших в осадок при химических реакциях, отсутствие центростремительных сил, действующих на частицы, приводит к тому, что частицы собираются на дне пробирки (рис. 48). Рис. 48. В лабораториях применяют центрифугу(а) для осаждения при вращении (б) мельчайших взвешенных частиц (в) на дно пробирки (г). Упражнения: 55. Наполненный водой стакан можно вращать по окружности в вертикальной плоскости, не проливая при этом воду. Объясните почему. 56. Велосипедист, совершая поворот, наклоняется в сторону поворота. Объясните причину. 57. Для чего применяют центрифуги? 18. Молекулярные силы Результаты испытаний материалов на растяжение зависят в первую очередь от величины сил сцепления между молекулами вещества. Цилиндрический стержень из испытуемого материала зажимают в разрывную машину 47
и подвергают действию все возрастающей силы растяжения. Когда растягивающая сила становится больше сил сцепления, то в одном из участков стержня молекулы отделяются друг от друга и образец разрывается. Необходимая для разрыва сила зависит от материала стержня и от площади его поперечного сечения. Разрывающая сила, рассчитанная на 1 см2 или 1 мм2 сечения, называется пределом прочности на растяжение. Она измеряется в кГ/см2 или в кГ/мм2. Всякое изменение формы тела или измельчение его требует применения силы, потому что молекулы удерживаются на своих местах силами взаимного притяжения. Чем больше сила взаимного притяжения молекул, тем больше прочность материала. Под прочностью понимают сопротивление материала изменению формы тела при его растяжении, сжатии, изгибе, сдвиге, кручении. При растяжении и сжатии различают два случая деформации. Рис. 49. Определение прочности ТеЛа И3 НеКОТОрЫХ Материалов металла на растяжение. ПрИНИМаЮТ СВОЮ Первоначальную форму после удаления нагрузки, даже если она была сравнительно велика. Такие материалы называют упругими. Например, сталь (рис. 50) и каучук — упругие материалы. Неупругие материалы, например глина, сохраняют деформацию и после снятия нагрузки. Эти тела называют пластичными. Свинец теряет упругость уже при небольших нагрузках. Поэтому его форму легко изменить ударом или изгибом. Свинец пластичен и обладает низким пределом упругости. Материалы, которые под действием приложенной силы ломаются уже после небольшой деформации, называются хрупкими. Примерами служат стекло, фарфор, кирпич. Для растяжения винтовой спиральной пружины на 8 см требуется сила в 8 раз большая, чем для растяжения ее на 1 см. Отсюда можно заключить, что сила, стремящаяся вернуть пружине ее первоначальную форму, тем больше, чем больше она растянута, т. е. деформирована. 48
Упругость твердых тел и вязкость жидкостей зависят от характера взаимного притяжения молекул. Силы сцепления — это силы, которые удерживают молекулы в телах. От величин сил сцепления зависит агрегатное состояние вещества. В твердых телах силы сцепления велики, в Рис. 50. Упругость винтовых спиральных пружин и листовых рессор основана на действии молекулярных сил. жидкостях они малы. Силы сцепления молекул газа совсем незначительны. Поэтому запах светильного газа мы чувствуем во всех частях комнаты, как только открывают газовый кран. Почти во всех случаях силы сцепления твердых тел можно изменить нагреванием. При температуре красного каления сталь становится ковкой. При дальнейшем повышении температуры она плавится и даже переходит в газообразное состояние. Силы сцепления создают так называемое поверхностное натяжение жидкостей, действующее подобно тонкой упругой пленке, покрывающей поверхность жидкости. Такое впечатление мы получим, например, если посмотрим на поверхность воды в стакане, осторожно наполненном выше краев. При точных измерениях измерительными плитками используют так называемые силы прилипания. Тщательно отшлифованные поверхности измерительных плиток, приложенные друг к другу, прочно слипаются и образуют очень точную концевую меру определенной длины. Силы прилипания действуют между телами в любом их агрегатном состоянии. Твердые тела обладают обычно лишь слабыми силами прилипания. Эти силы заметно проявляются только на тщательно отшлифованных поверхностях (рис. 51). 49
Многие жидкости хорошо пристают к твердым телам. Силы прилипания между водой и стеклом можно наблюдать в узких, волосных стеклянных трубках, которые называются также капиллярными трубками (рис. 52). Благодаря явлению капиллярности вода и соки поднимаются в деревьях и других растениях до самой верхушки. Рис. 51. Слипание измерительных плиток. Рис. 52. Вода поднимается в капиллярных трубках тем выше, чем уже трубка. Сила прилипания воды и стекла преодолевает силу тяжести. Под силой прилипания понимают силу, с которой частицы разнородных веществ притягиваются друг к другу. Сила прилипания между водой и стеклом велика. Поэтому вода поднимается в капиллярных трубках. У ртути, наоборот, сила сцепления частичек ртути больше силы прилипания между ртутью и стеклом. Поэтому уровень ртути в капиллярной трубке ниже ее уровня в широком сосуде (рис. 53). Сила прилипания находит многочисленные применения, например при окраске, склейке, металлизировании поверхностей. Силы сцепления и прилипания— это силы взаимодействия молекул. Они имеют электрическое и магнитное происхождение. Силы молекулярного Вода Ртуть Рис. 53. Вода поднимается в капиллярных трубках, ртуть опускается. 50
взаимодействия проявляются лишь на расстоянии около 1 юоооожж* У пражнени я: 58. Если пролить ртуть на стол или на пол, то образуются маленькие, разбегающиеся шарики ртути. Почему? Почему для воды такое явление в обычных условиях не наблюдается? 59. Как действует фитиль в керосиновой лампе и в свече? 60. Окуните край кусочка сахара в кофе. Что при этом наблюдается? 61. Почему фильтровальная бумага впитывает воду? 62. Смачивает ли вода стекло? 63. Смачивает ли ртуть стекло? Что можно сказать в этом случае о силе прилипания? 64. Благодаря действию каких сил почвенная вода доходит до листьев и плодов? III. ДВИЖЕНИЕ 19. Скорость Скорость автомобиля можно определить по спидометру. Для вычисления скорости тела надо разделить путь на время, которое потребовалось для прохождения этого пути. Рис. 54. Спидометр измеряет скорость автомобиля. На транспорте скорость выражают в километрах в час (км/час). Скорость движущихся частей машин обычно измеряют в метрах в минуту (м/мин) или метрах в секунду (м/сек). Чтобы вычислить скорость, надо знать, какой путь проходит тело за определенный промежуток времени. 51
Пример. Грузовик проходит с постоянной скоростью расстояние от путевого знака 8,2 до знака 8,3 км за 5 сек. Как велика его скорость в м/сек? За 5 сек пройдено 100 м, , ЮО » 1 сек » -р- ли Скорость грузовика равна 20 м/сек, Для определения скорости путь делят на время. Если обозначить скорость буквой v, путь S, г время t, то скорость можно вычислить по формуле Упражнения: S 65. В беге на 100 м спортсмен показал время 11,9 сек. Какова была его средняя скорость в м/сек? 66. Скорость самолета 755,11 км/час. Какова его скорость в м/сек? 20. Равномерное прямолинейное движение Лифт поднимается вертикально с постоянной скоростью. Такое движение называется равномерным прямолинейным движением. Поезд, идущий по прямому участку пути с постоянной скоростью, тоже движется равномерно и прямолинейно. Движение называется равномерным прямолинейным, если тело движется по прямой с постоянной скоростью. Если для такого движения известна величина скорости, то для любого промежутка времени можно подсчитать пройденный путь. Рис. 55. Кабины этого лифта поднимаются и опускаются.двигаясь пря- Пример. Скорость лифта модинейно с постоянной скоростью. равна 0,8 л/а/с. На какую высоту поднимется лифт за 11 сек? За 1 сек лифт поднимается на 0,8 м, за 11 сек лифт поднимается на 0,8 11 м. Лифт поднимется за 11 сек на 8,8 м. 62
Для вычисления пройденного пути надо скорость помножить на время. Путь = Скорость X Время. Если обозначить путь S, скорость v, а время t, то для пути, пройденного при равномерном прямолинейном движении, получится формула S = v-L Упражнения: 67. Резец строгального станка обрабатывает плоскую поверхность детали со средней скоростью 0,27 м/сек. Какой путь проходит резец за 1,5 сек? 68. Грузоподъемник в шахте проходит всю глубину шахты за 20 сек со скоростью 20 м/сек. Какова глубина шахты? 69. Скорость звука в воздухе равна 340 м/сек. Как далеко от нас гроза, если мы услышали удар грома через 7 сек после вспышки молнии? За сколько времени свет проходит это расстояние? Скорость света равна 300 000 км/сек. 21. Ускоренное и замедленное прямолинейное движение Поезд, отходя от станции, постепенно увеличивает свою скорость. Такое движение называется ускоренным. Следовательно, ускоренное движение есть движение с возрастающей скоростью. Если за каждую секунду скорость возрастает на одну и ту же величину, то говорят о равномерно ускоренном движении. Равномерно ускоренным прямолинейным движением называется движение с непрерывно и равномерно увеличивающейся скоростью. Прирост скорости за одну секунду называется ускорением. Если тело, находившееся в покое, начало двигаться равномерно ускоренно и через 3 сек приобрело скорость 6 м/сек, то каждую секунду скорость возрастала на 2 м/сек. Следовательно, чтобы вычислить ускорение, надо величину приобретенной скорости разделить на время. ЛГ Скорость Ускорение=-д^г. Если обозначить ускорение а, скорость v, а время t, то получится формула а = -т-. Отсюда следует, что v=a-t. 53
По этой формуле можно вычислить скорость, приобретенную телом за t сек, если известно его ускорение а. Опыт и расчеты показывают, что для вычисления пути, пройденного телом при равномерно ускоренном движении, нужно поль- a-t2 зоваться формулой S = —г . По этой формуле можно Рис. 56. Отходящий поезд движется прямолинейно и равномерно ускоренно. рассчитать путь, пройденный телом за определенное время, если известно ускорение. Из формулы: лг Скорость Ускорение = —=-*- г Время получается единица ускорения, если единицу скорости разделить на единицу времени: м\сек:сек = м/сек2 (следует читать: «метр в секунду в квадрате»). Отсюда единица ускорения 1 м/сек2. Поезд, подходя к станции, тормозит, постепенно теряет скорость и, наконец, останавливается. Такое движение называется замедленным. Если за каждую секунду скорость уменьшается на одну и ту же величину, то мы имеем дело с равномерно замедленным движением. Равномерно замедленным прямолинейным движением называется прямолинейное движение с непрерывно и равномерно уменьшающейся скоростью. 54
Уменьшение скорости за одну секунду называется замедлением. Замедление заторможенного скорого поезда равно приблизительно 0,4 м/сек2. Ускорение поезда, отходящего от станции, равно приблизительно 0,2 м/сек2. Чтобы привести тело в состояние ускоренного или замедленного движения, всегда необходимо приложить силу. Поезд, отходящий от станции, ускоряется под действием силы тяги паровоза. При торможении поезда замедляющее действие оказывает сила трения тормозов, замедляющая скорость вращения колес, а тем самым уменьшающая скорость движения поезда. Сила, действуя на движущееся тело, вызывает ускорение или замедление движения. Тормоза автомобиля должны обеспечить быструю остановку его на любой дороге. Для безопасности движения в автомобилях имеются два тормоза, причем один из них — ручной тормоз — служит также в качестве стопор- D K7 ~ ,. гл г Рис. 57. Прибор для измерения НОГО ТОрМОЗа. UH ПреПЯТСТВу- торможения автомобиля. ет самопроизвольному движению машины, остановленной, например, на уклоне дороги. Для различных автомобилей правилами движения установлены определенные величины замедления, которые должны обеспечиваться тормозами. Для каждого из обоих тормозов легковых машин минимальная величина торможения должна быть равна 1,5—2,5 м/сек2 в зависимости от марки машины. Величину замедления автомобиля измеряют специальным прибором (рис. 57). В этом приборе торможение определяют по высоте поднятия жидкости в U-образной стеклянной трубке. Повышение уровня жидкости обусловлено ее инерцией. 55
Упражнения: 70. Какую скорость будет иметь поезд, отходящий от станции, через полминуты? Какой путь он пройдет за это время? Ускорение равно 0,2 м/сек2. 71. За какое время можно остановить скорый поезд, идущий со скоростью 80 км/час (около 22 м/сек), если тормоза поезда вызывают замедление, равное 0,4 м/сек2? 22. Свободное падение тел Галилей наблюдал падение различных тел: деревянных, мраморных, свинцовых, железных и др., пуская их падать с высоты наклонной башни в г. Пизе. На основании многочисленных опытов и измерений он открыл законы свободного падения тел. До XVI столетия в науке существовало мнение, что тела падают тем быстрее, чем они тяжелее. Считали, что камень весом 5 кГ падает в 5 раз быстрее, чем камень весом 1 кГ. Галилей (1564—1642) был основателем метода исследования, опирающегося на опыт. Он ввел в науку важный принцип, согласно которому решающее значение в изучении природы имеют не философские догадки, а опыты. Все тела подвержены Рис. 58. Наклонная башня в Пизе. ДеЙСТВИЮ СИЛЫ ТЯЖвСТИ И падают вертикально вниз, если они каким-либо способом не укреплены над землей. Такое свободное прямолинейное движение называется свободным падением. Так как сила тяжести непрерывно тянет падающее тело вниз, то скорость падающего тела непрерывно и равномерно возрастает. В конце первой секунды падения скорость всякого тела достигает значения 9,8 м/сек. За каждую последующую секунду скорость падающего тела увеличивается на 9,8 м/сек. Все тела падают с одинаковой скоростью. $6
Это справедливо, однако, только тогда, когда нет сопротивления воздуха или когда его сопротивление так мало, что им можно пренебречь. В стеклянной трубке, из которой удален воздух, железный гвоздь и птичье перышко в каждый момент падают с равной скоростью (если они одновременно начали падать). Прирост скорости падения за одну секунду называется ускорением падающего тела и обозначается буквой g. Свободное падение есть прямолинейное равномерно ускоренное движение. Ускорение падающего тела g*=9,81 м)сек2=Ш см\сек2^ Мгновенную скорость падающего тела v и пройденный за время падения t путь S можно рассчитать по формулам j-w a'ff -w График время-путь График время-скорость График время-ускорение Рис. 59. Графики свободного падения тела. v=g-t и S=^—. Из этих двух уравнений следует, что v2=2g-S. Зависимость пути и скорости от времени, в течение которого тело падало, а также неизменность величины ускорения падающего тела можно изобразить графически (рис. 59). В приведенных выше законах падения не учтено сопротивление воздуха. Это можно сделать, введя в формулы некоторые добавочные члены. В различных местах земной поверхности ускорение свободного падения g имеет не вполне одинаковое значение. Чем ближе к центру Земли находится данное место, тем, вообще говоря, больше g. На экваторе g- = 9,78 м/сек2, на Северном полюсе g = 9,83 м/сек2. В наших географических широтах g-= 9,81 м/сек2. Проще всего определить g при помощи маятника. Колебания маятника, подвешенного на нити, происходят по 57
Закону Г = 2тг у — , где Г— время полного колебания маятника (вправо и влево), I — длина маятника, g — ускорение падающего тела. Измерив Т и /, можно вычислить g. Упражнения: 72. С какой конечной скоростью достигли поверхности земли два камня, из которых один падал 3 сек, а другой — 5 сек? 73. Как падает пушинка в неподвижном воздухе? Объясните. 74. Камень падает в глубокую шахту. На какую глубину он опустится через 1 сек и через 2 сек после начала падения? 75. Начертите окружность, изображающую земной шар. Отметьте положение Северного и Южного полюсов. Покажите стрелкой направления, по которым будут падать тела в различных пунктах земной поверхности. 23. Вращательное движение Все точки вращающейся планшайбы токарного станка описывают окружности. Точки, находящиеся на различных расстояниях от оси вращения, движутся по разным окружностям. Чем ближе точка к оси, тем короче путь, который она проходит при одном обороте планшайбы. Поэтому точки, Рис. 60. Планшайба токарного станка служит для закрепления деталей. лежащие ближе к оси, имеют меньшую скорость, чем точки, более удаленные от оси, так как они за равное время описывают окружности меньшей длины. Скорость точки, движущейся по окружности, называется окружной скоростью. Физики указывают обычно число оборотов, которое совершает вращающееся тело за 1 секунду; техники указывают число оборотов за 1 минуту. 58
Время, за которое вращающееся тело совершает один оборот, называется временем обращения или периодом вращения. Период может быть вычислен, если известно число оборотов, совершаемых телом в секунду или в минуту. Если, например, согласно показаниям счетчика оборотов (рис. 61) вал совершает 600 оборотов в минуту, то 1 оборот занимает 1 1 ^тгт; MUH, ИЛИ «~СвК, рис. 61. Счетчик оборотов. Штифт счетчика иии прижимают к оси вращающегося вала. Следовательно, чтобы узнать период (в минутах), надо разделить единицу на число оборотов в минуту: Обратно: ^ Число оборотов* Число оборотов =п^. Этими соотношениями можно пользоваться также тогда, когда период вращения выражен в секундах и когда известно число оборотов в секунду. Пример: если период вращения равен ^ сек, то число оборотов в секунду равно 1:1=12. Обозначив число оборотов через п, период через Т, получим: Т=—; п = -~; п-Т=1. Единицей для измерения числа оборотов в единицу вре- IT О; U мени служит один оборот в минуту (-— ) или один оборот в секунду VeKj 59
Зная число оборотов в единицу времени, можно вычислить окружную скорость. Когда вращающийся диск совершает один оборот, то каждая точка диска описывает окружность. Вычислим окружную скорость точки, т. е. длину пути, который она проходит за единицу времени (в технике за 1 минуту). Очевидно, для этого надо умножить длину окружности на число оборотов в единицу времени. Окружная скорость = Длина окружности X Число оборотов в единицу времени. Обозначая окружную скорость через v, длину окружности через С и число оборотов за единицу времени через п, получим: v = C-n. Так как C=n-d, где d — диаметр диска, то Смотря по тому, остается ли число оборотов в единицу времени постоянным, увеличивается ли оно или уменьшается, различают: 1) равномерное вращательное движение, 2) ускоренное вращательное движение, 3) замедленное вращательное движение. Когда говорят о колеблющемся теле, то число колебаний в секунду называют частотой /, а время, в течение которого совершается одно полное колебание,— периодом Т. В этом случае, как и при вращательном движении, справедлива формула /-Т = 1 (стр. 62). При работе на сверлильном, токарном, фрезерном станках скорость резания (скорость перемещения инструмента относительно обрабатываемой детали) выбирают в зависимости от материала обрабатываемой детали, от применяемого режущего инструмента, от требуемой точности обработки и типа станка. Число оборотов станка, соответствующее условиям работы, определяют по так называемой лучевой диаграмме скорости резания (рис. 62). Упражнения: 76. Пропеллер пассажирского самолета совершает 1500 оборотов в минуту. Вычислить число оборотов в секунду. Вычислить период и окружную скорость, если пропеллер описывает окружность диаметром 3 м. 77. Ротор электродвигателя совершает 1400 оборотов в минуту, Каков период вращения в минутах? В секундах? 60
78. Число оборотов паровой турбины равно 3000 в минуту. Рассчитать число оборотов в секунду. 79. Колеса железнодорожного вагона при скорости поезда 50 км/час делают 310 оборотов в минуту. Вычислить в секундах период вращения колес. юо гоо joo 400 500 а/мм) Рис. 62. Лучевая диаграмма для определения числа оборотов в минуту при обработке на станке. Пример: диаметр детали 400 мм, скорость резания 60 м/мин, необходимое число оборотов «1=47,5 об/'мин. 80. Радиус Земли на экваторе равняется 6378 км. С какой скоростью в м/сек движутся точки экватора при вращении Земли вокруг оси? 24. Колебания маятника Маятник стенных часов, двигаясь вправо и влево, поочередно то задерживает вращение колес часового механизма, то снова освобождает колеса. Чем чаще колеблется маятник, тем быстрее идут часы. Если колеса поворачиваются слишком быстро, часы спешат. Ход часов с маятником можно регулировать, передвигая чечевицу маятника вдоль стержня.Если увеличить длину маятника, сдвинув чечевицу вниз, то маятник станет колебаться реже и вращение колес замедлится. Чтобы исправить ход спешащих часов, следует чечевицу передвинуть вниз. У отстающих часов следует поднять чечевицу, так как короткий маятник колеблется чаще. Чем короче маятник, тем чаще он колеблется. Наиболее простой маятник — это грузик, подвешенный на нити. Он может служить моделью так называемого математического маятника—материальной точки, подвешенной на тонкой, нерастяжимой и невесомой нити. Колебания маятника повторяются периодически. Движение маятника от одной крайней точки до другой и обрат- 61
но называется полным колебанием. Если маятник прошел путь только от одной крайней точки до другой, то говорят, что он совершил полуколебание. Время одного полного колебания называется периодом колебания. Число колебаний в секунду называется частотой. Наибольшее отклонение маятника от положения равновесия называется амплитудой колебания. Частота колебаний = Число колебаний в секунду. Частота измеряется в герцах (сокращенно гц) или килогерцах (кгц). (Генрих Герц — немецкий физик, доказавший существование электромагнитных волн.) 1 гц=\ колебание в секунду; 1 кгц=1000 колебаний в секунду; 1 кгц=1000 гц. . Если период колебания равен -j- секунды, то маятник совершает 4 колебания в секунду. Следовательно, частота колебаний равна 4. Если частоту умножить на период, то получится: 4-^=1. Это общее правило: Частота X Период = 1. Рис. 63. Часы с маятником. Ход часов можно регулировать, переставляя чечевицу маятника. Обозначая частоту через /, а период через Т, получим: Л 7=1; /=1; Т=±. Опыты с маятником показывают, что масса маятника и амплитуда колебания (если угол отклонения не превосходит нескольких градусов) не влияют на частоту. Масса маятника и амплитуда колебания не влияют на частоту маятника. Частота и период математического маятника зависят только от длины маятника. В данном географическом пункте каждый маятник имеет свойственную ему собственную час- Частота= Период Период =ц™^. 62
тоту. Закон колебания математического маятника гласит.* У////////////////////'//////Л Т=2п |/ — . В этой формуле Г обозначает период колебания в секундах, / — длину маятника в см, g — ускорение падающего тела, равное 981 см/сек2 на географической широте 45°. Приведенная формула верна только при небольших углах отклонения. По этой формуле можно заранее вычислить период математического маятника, если известна его длина. Измерив Т и U можно решить и другую задачу: вычислить величину ускорения падающего тела g. Сила, возвращающая маятник в положение равновесия, есть сила тяжести (вес маятника). Стрелка Р (рис. 64) изображает вес маятника, равный 36 Г. Каждый 1 см стрелки на чертеже соответствует силе 20 Г. Силу Р можно разложить на две составляющие силы Рх и Р2. Сила Р2 действует в направлении нити маятника и уравновешивается силой натяжения нити. Сила Рг направлена перпендикулярно к нити. Эта составляющая заставляет маятник двигаться влево, к положению равновесия. Измерив длину стрелки Рг на чертеже,, можно убедиться, что при данном положении маятника возвращающая сила равна 17 Г. Чем дальше находится маятник от положения равновесия, тем больше возвращающая сила. Если бы можно было устранить трение и сопротивление воздуха, то колебания маятника повторялись бы бесконечно. Такие колебания, при которых угол отклонения маятника не уменьшается, называются незатухающими колебаниями. Маятник часов совершает незатухающие колебания, потому что в нем влияние трения и сопротивления воздуха компенсируется за счет энергии, запасенной в пружине часового механизма. Колебания маятника, подвешенного на нити, постепенно затухают вследствие трения и сопротивления воздуха. Размахи маятника становятся все меньше, и через некоторое время он останавливается. Такие 1см=20Г Рис. 64. Разложение сил, действующих на шарик маятника. 63
колебания, при которых амплитуда постепенно уменьшается, называются затухающими колебаниями. Положение, в котором находится маятник в данный момент, называется фазой колебания в этот момент. Если два маятника колеблются с одинаковым периодом и в любой момент находятся в одинаковой фазе (рис. 65), то говорят, что они колеблются синхронно. Если же два маятника имеют одинаковый период, но разные фазы колебаний, то говорят, ^(/////////Ш^/Я У//////////////////////////л Рис 65- Колебания с одинаковой Рис. 66. Колебания с разностью фазой. фаз Т/Л. что они колеблются с разностью фаз. Разность фаз можно выражать в долях периода. Например, на рис. 66 показаны два маятника, у которых разность фаз колебаний равна Т/4. Упражнения: 81. Где маятник колеблется быстрее: на полюсе или на экваторе? 82. Длины двух маятников соответственно равны 16 и 64 см. Какой из них колеблется с большей частотой? 83. Частота равна 40 гц. Чему равен период? 84. Период маятника равен 2 сек. Какова частота колебаний маятника? 85. Маятник, который совершает половину колебания за одну секунду (за это время маятник проходит, например, путь от крайней левой точки до крайней правой), называется секундным маятником. Чему равна длина секундного маятника? 86. Ход часов с маятником регулируется поднятием или опусканием чечевицы маятника. Как надо поступить, если часы: а) спешат, б) отстают? 87. Какое влияние оказывает масса шарика, подвешенного на нити, на период его колебания? 88. Как изменился бы период нашего секундного маятника на Луне? 25. Упругие колебания Силы упругости — это внутренние силы, стремящиеся вернуть деформированному телу его первоначальную форму. При этом безразлично, изменилась ли форма тела вследствие изгибания (рис. 67), растяжения, или сжатия (рис. 68), 64
или кручения (рис. 69). Как только прекращается действие силы, вызвавшей деформацию, силы упругости возвращают смещенные части тела в их исходное положение. Однако эти Рис. 67. Если стальную полоску, зажатую в тиски (левый снимок), отклонить от положения равновесия, то она приходит в быстрые колебания (правый снимок). части, двигаясь обратно, не останавливаются в положении равновесия, а проходят дальше. Снова начинают действовать силы упругости, теперь уже в обратном направлении. У/////////У 1 Рис. 68. Если гирю оттянуть вниз и затем отпустить, то пружина с подвешенной на ней гирей начнет совершать упругие колебания. Рис. 69. Если легким толчком заставить пакет вращаться, то веревка, на которой он подвешен, закрутится по стрелке, затем раскрутится, закрутится против стрелки и т. д. Так возникают крутильные колебания. Так возникают колебания относительно положения равновесия, которые более или менее быстро затухают вследствие трения. В состояние упругих колебаний приходят предметы, 65
изготовленные из стали, латуни, дерева, резины и многих других материалов. Частота упругих колебаний зависит от формы, массы и упругих свойств колеблющегося тела. Каждое тело колеблется, подобно маятнику, с определенной частотой. Эта частота называется собственной частотой колебаний. Всякое тело имеет собственную частоту колебаний. Наибольшее удаление колеблющегося тела от положения равновесия называется амплитудой колебания. Если колебания происходят по прямой линии, то амплитуда измеряется в сантиметрах. При колебаниях, вызванных кручением, амплитуду измеряют в угловых единицах. Как и в случае колебаний маятника, частота упругих колебаний не зависит от амплитуды. Амплитуда упругих колебаний постепенно уменьшается вследствие трения. Упругие колебания — это затухающие колебания. На рис. 70 показана зависимость амплитуды затухающих колебаний от времени. Отношение амплитуд двух по- 1а д- следовательных колебаний, на- " правленных в одну и ту же сторону, называют «декрементом затухания». У колебания, изображенного на рис. 70, декремент затухания равен приблизительно 4 : 1. Упругие колебания имеют Рис. 70. Затухающие колебания. боЛЫЫОе Значение В ТеХНИКе. Их используют на транспорте для смягчения толчков, в измерительных приборах и т. д. Звучание многих музыкальных инструментов создается упругими колебаниями. Однако упругие колебания могут вызывать и крайне нежелательные явления, которые приходится тщательно учитывать и по возможности устранять. Упругие колебания стальных конструкций, мостов, машин могут привести к чрезмерному напряжению материала. Болты и заклепки расшатываются, все сооружение находится под угрозой разрушения. Большая опасность возникает, например, в случае, когда потолочное перекрытие долго испытывает толчки в такт собственным колебаниям перекрытия. Причиной могут служить сотрясения, вызываемые движениями поршня паро- "W 66
вой машины, установленной в этом помещении. В подобных случаях каждый новый толчок увеличивает амплитуду колебаний. Совпадение частоты ударов с частотой собственных колебаний тела может иметь опасные последствия. Совпадение частот двух связанных тел называется резонансом. Стальные балки и валы могут сломаться, стенки судна могут разрушиться, если попадут в резонанс с толчками подвижных частей судовой машины. Упражнения: 89. Как изменится частота колебаний пружинных весов, если увеличить или уменьшить амплитуду колебаний, не изменяя нагрузку весов? 90. Частота колебаний камертона равна 440 гц. Каков период колебания камертона? 91. Одно из оконных стекол автобуса начинало дрожать и дребезжать всякий раз, когда автобус имел определенную скорость. Объясните это явление. 26. Волны Если бросить камень в воду, то в месте его падения частицы воды начинают колебаться, двигаясь вверх и вниз. Соседние частицы, связанные с ними силами сцепления, также приходят в колебание. Однако для передачи колебания соседним частицам требуется время, доли секунды. Чем дальше отстоят частицы от места падения камня, где начались колебания, тем позже эти частицы будут вовлечены в колебательное движение. Там, где частицы воды поднялись высо- п 71 р Л м ^ Рис. /1. Если бросить камень в воду, КО, МЫ ВИДИМ ГребеНЬ то от места его падения кругами рас- волны. От места падения ходятся волны, камня волна бежит во все стороны с определенной скоростью, которая называется скоростью распространения волны. При описании волнового движения следует различать понятия: гребень и впадина волны, длина волны, амплитуда колебаний (рис. 72). Длину волны обозначают буквой греческого алфавита \ (следует читать: «лямбда»). На рис. 72 67
схематически изображен один участок волны в некоторый момент. Точки А, В и С находятся в покое. Все колеблющиеся точки движутся в направлении, перпендикулярном к направлению распространения волны. Все точки колеблются с одинаковой частотой и одинаковой амплитудой. Различны только фазы колебаний отдельных точек. Поэтому они в разное время достигают максимального отклонения от положения равновесия. Разность фаз колебаний различных точек часто выражают в долях длины волны. Для точек DvlE она составляет Y* Так как за время полного колебания центра, из которого бегут волны, образуется одна волна (с вершиной и впадиной), то волна распространяется на расстояние X за время полного колебания Т. По этой причине разность фаз колебаний точек можно измерять также в долях периода Т. Для Т точек D и Е разность фаз колебаний равна -^' Кривая, передающая форму незатухающей волны, в математике называется синусоидой. Известен простой способ Рис. 72. Схема волны. WV1 Рис. 73. Незатухающие волны. %^ Рис. 74. Затухающие волны. точного вычерчивания такой волны, однако для пояснения свойств волны в большинстве случаев достаточно сделать чертеж от руки; при этом следует только помнить, что вершины и впадины незатухающей волны имеют одинаковую форму и одинаковые размеры (рис. 73, ср. рис. 74). Точка, из которой исходит волна, называется центром волн, потому что волны обычно распространяются не в одном направлении, а во все стороны. Так как за время одного полного колебания центра образуется одна полная волна (состоящая из одной вершины и одной впадины), то при частоте колебаний центра, равной 68
/, он за 1 секунду высылает / волн. Путь, на который распространяется волновое движение за 1 секунду, называется скоростью распространения волн и часто обозначается буквой с. На отрезке с укладывается, следовательно, / волн (рис. 75). Длина отрезка с равна длине волны)., повторенной f раз. Таким образом, c=f-\. Скорость распространения волны = Длина волны X Частота. Зная скорость распространения волны и частоту колебания точек на волне, мож- хИстчшши но по этой формуле вычис- I _ гзолъ лить длину волны. ' Если частицы колеблются перпендикулярно к направлению распространения волны (рис. 75), то говорят о поперечных волнах. Например, волны, распространяющиеся на поверхности воды, можно считать поперечными волнами. Если частицы колеблются вдоль направления распространения волны, то мы имеем дело с продольными волнами. Ы F7X Рис. 75. Схема распространения волн за секунду. \ *-i V7777777777777777777777. У777777777777777777777, уг\т 1 Рис. 76, Впадина волны доходит по веревке до стены и,... отражаясь обратно, превращается в горб. При этом колеблющиеся частицы периодически сближаются и удаляются. Возникают сгущения и разрежения, которые соответствуют вершинам и впадинам поперечных волн. Звуковые волны — это продольные волны. При встрече и отражении волн возникают своеобразные явления. Например, если прикрепить веревку к стене, взять в руки ее свободный конец и резким движением руки создать на веревке впадину волны (рис. 76), то эта впадина будет перемещаться к стене. Дойдя до стены, впадина отражается и превращается при этом в горб, который направляется 69
обратно к свободному концу веревки. Если создать на веревке горб, то при отражении от стены он превратится во впадину. Следовательно, при отражении от твердой стенки происходит сдвиг фаз на к-. Сдвиг фаз на -^ называется также «обращением фазы». Если веревка свободно свешивается вниз (рис.77), то от незакрепленного нижнего конца а а а д it Рис. 77. На свободном конце веревки не происходит обращения фазы. Рис. 78. Круговая волна на воде отражается от прямой преграды. Снова образуется круговая волна. При этом впадина, отражаясь, превращается в горб. впадина волны отражается обратно в виде впадины; в этом случае не происходит обращения фазы. Учение о волнах имеет особенно большое значение при исследовании световых волн и радиоволн. Сказанное о волнах на веревке относится и к волнам на воде (рис. 78), к звуковым, световым волнам и радиоволнам. Доказано, что световые волны и радиоволны — это поперечные волны. Упражнение: 92. Звуковая волна распространяется со скоростью 340 м/сек. Если она создана генератором звуковых колебаний с частотой 440 гц, то какова длина звуковой волны? 27. Наложение волн Два шара, укрепленных на стержне, погружают одновременно в определенном ритме в воду. От каждого шара расходятся по поверхности воды кругами однородные волны. «Однородные» означает здесь, что волны имеют одинаковую 70
длину и одинаковую амплитуду. Волны пересекаются и накладываются одна на другую. Во многих участках по- Рис. 79. Наложение двух волн. Волна] Волна II — Волна III верхность воды останется в покое, хотя и через эти участки поверхности проходят оба цуга волн (рис. 79). Подобное явление часто возникает при нало- г жении волн. Для разъяснения явления обратимся к чертежам. Сначала рассмотрим две однородные волны I и II на рис. 80. Эти волны обладают той особенностью, что все точки среды участвуют одновременно в двух колебаниях с одинаковой амплитудой и фазой. В таком случае говорят, что обе однородные волны находятся в одинаковой фазе, а не сдвинуты друг относительно друга подобно волнам на рис. 81. Вследствие сложения волн / и // возникает волна///. Амплитуда результирующей волны равна сумме амплитуд составляющих волн. Поэтому АС вдвое больше А В. Амплитуды остальных точек волны /// также получены на чертеже удвоением амплитуд составляющей волны. В этом случае в результате сложения волн получается волна с удвоенной амплитудой. Когда накладываются две однородные волны и отша волна сдвинута относительно другой в направлении распро- Ж*2А& Рис. 80. Наложение двух однородных волн с одинаковой фазой. K5Z7 Рис. 81. Две однородные волны с разностью фаз —. 71
странения волн на -^ (рис. 82), то вершины этих волн (А и В) находятся на расстоянии в полволны. В этом слу- — Волна I — В ома Л — Волна I*волнаИ Я Направление распространения—** Рис. 82. Наложение двух однородных волн с разностью фаз -. ностью фаз чае говорят, что волны отличаются по фазе на у. Так как амплитуды волн I и II одинаковы и эти волны, распространяясь порознь, сообщали бы каждой частице среды смещения, равные по величине, но противоположные по направлению, то такие волны взаимно уничтожаются. Поэтому поверхность воды, по которой бегут две однородные волны с разностью фаз -^г, остается в покое. Две однородные волны с раз- при сложении взаимно уничтожаются. Рис. 83. Отражение плоской волны на воде от прямой стены. Встречные волны налагаются. Хорошо заметны участки поверхности воды, которые остаются неподвижными, хотя через них проходят две волны. Рис. 84. Отражение плоской волны на воде от вогнутой поверхности. На снимке видна картина наложения волн. Так возникают неподвижные участки на поверхности воды (рис. 79). В эти участки все время приходят волны с разностью фаз у, которые уничтожают друг друга. 72
Наложение волн, одновременно приходящих в какую-нибудь точку пространства, называется интерференцией. Вследствие интерференции волны могут усилиться, ослабиться и уничтожиться. Такие явления могут происходить при наложении волн любой природы. Интерференция оказывает помощь при изучении, например, радиоволн или рентгеновских лучей. Обнаружение интерференции позволяет сделать заключение о волновом характере процессов распространения света, рентгеновских лучей и радиоизлучения. Две однородные световые волны погашаются * Волна! Волна II с i . э , Волна III Рис. 85. Три однородных волны с разностью фаз — при наложении взаимно уничтожаются. при наложении, если разность их фаз равна у. Это справедливо также для радиоволн и рентгеновских лучей. Рассмотрим случай интерференции трех однородных волн, из которых вторая по отношению к первой и третья по отношению ко второй имеют разность фаз у (рис. 85). Измерив ординаты, можно убедиться, что сумма смещений вверх АВ и АС в точности равна смещению вниз AD. Это верно для любой точки на волне, и поэтому сумма амплитуд трех волн равна нулю. Результат — уничтожение волн. Рассмотренный нами случай находит применение в электротехнике переменного тока. Поскольку сила переменного тока периодически возрастает и убывает, изменяясь во времени по закону волнообразного движения, то три однородных переменных тока, протекающие по одному проводу с разностью фаз в у, взаимно уничтожаются. В проводе в этом случае ток отсутствует. Упражнение: 93. Может ли стать темно там, где встречаются две световые волны? Может ли наступить тишина там, где встречаются две звуковые волны? 73
IV. СИЛА И ДВИЖЕНИЕ 28. Сила и прямолинейное движение Когда спортсмен толкает ядро, то чем больше масса ядра и чем больше ускорение, сообщаемое ядру при толчке, тем большая требуется сила. Это выражается уравнением Сила = Масса X Ускорение. Обозначиз силу через F, массу через га и ускорение через а, получим: F=m-a. Это уравнение показывает, что при неизменной массе тела для сообщения ему вдвое большего ускорения требуется вдвое большая сила; если же взять тело вдвое большей массы, то для сообщения ему прежнего ускорения потребуется удвоить силу. Сила измеряется в килограммах (килограмм-сила, кГ). Единица ускоре- Рис. 86. Сила, необходимая для толка- НИЯ ~ Э™ 1 М/CCK2. За еДИ- ния ядра, зависит от массы ядра и от НИЦУ МаССЫ В ТеХНИЧеСКОЙ ускорения. J системе принята масса, которая под действием силы 1 кГ получает ускорение 1 м/сек2. Следовательно, единица массы в технической системе, согласно приведенному уравнению, будет ljj^. Так как гиря в один килограмм под действием своего веса (1 кГ) получает при свободном падении ускорение 9,81 м/сек2, то масса гири, согласно тому же уравнению, 1 кГ равна q 81 м/сек2 ' Техническая единица массы в 9,81 раза больше массы килограммовой гири. Зная вес тела в кГ, кГ можно найти его массу в ——ь деля число килограммов- силы на 9,81 (см. стр. 35). 74
кГ Численное значение массы в ——-„ равно приблизительно десятой части численного значения веса. кГ Если обозначить вес в кГ через Р, массу в ——2 че- MJC6K. рез т, ускорение падающего тела в м/сек2 через g, то Р — = т. g Применяя уравнение силы, надо при числовых расчетах всегда подставлять величины в следующих единицах: Сила кГ Масса кГ м/сек2 Ускорение м/сек2 Пример. Какая требуется сила, чтобы телу весом 29,43 кГ сообщить ускорение 4 м/сек?? Сила = Масса х Ускорение. Сила = Сила: 29,43 кГ 9,81 см I сек2 12 кГ. • 4 м/сек2. Уравнение силы позволяет установить численное соотношение между силой и вызываемым ею ускорением прямолинейного движения. Это уравнение позволяет рассчитать, какая требуется сила для сообщения телу желаемого ускорения. Зная силу, можно рассчитать, какое ускорение получит данное тело. Уравнение силы F= та наравне с законом инерции относится к важнейшим основным законам механики. Упражнения: 94. Какая требуется сила, чтобы телу весом ПО кГ сообщить ускорение, равное 2 м/сек2? (9,81 округлить до 10.) 95. Сила 60 кГ приложена к телу весом 200 кГ. Каково ускорение? (9,81 заменить на 10.) 96. Сила 22 кГ вызывает ускорение тела, равное 2 м/сек2. Каковы масса тела и его вес? 97. Штанга имеет массу 100 кг. Чему равна ее масса в технических единицах? Чему равен ее вес? 98. Легковой автомобиль весом 1500 кГ приводится в движение мотором, развивающим силу тяги 200 кГ. Каково ускорение автомобиля? х) Численное значение массы находят, деля число килограммов- силы на 9,81. Для приближенных расчетов заменяют 9,81 числом 10. 75
29. Вращательный момент и вращательное движение Когда мы пользуемся гаечным ключом, то результат наших усилий зависит не только от величины приложенной силы, но и от длины рукоятки ключа (рис. 87). Длина перпендикуляра, опущенного из оси вращения на направление действия силы, называется плечом силы. Вращательное действие силы определяется величиной произведения Сила х Плечо. Это произведение называется вращательным моментом. Вращательный момент = = Сила X Плечо. Обозначив момент через М, силу— через F, плечо — через /, получим уравнение Рис. 87. При отвинчивании ** р t туго завинченной гайки при- /W — Г • С. меняют гаечный ключ с длин- ной рукояткой. Сила 10 кГ, действующая на плечо 1 м, создает вращательный момент, равный 10 кГ-l м=10 кГм. Сила 5 кГ9 действующая на плечо 2 м, создает момент, равный 5 кГ-2м = 10 кГм. Обе силы имеют одинаковый момент и, следовательно, производят одинаковое вращательное действие 1). Вращательное действие силы обусловливается ее вращательным моментом. Если сила, приложенная к гаечному ключу, не перпендикулярна к его рукоятке, то перпендикуляр а, опущенный из оси вращения D на вектор силы F, не направлен вдоль рукоятки (рис. 88). По этой причине уменьшается вращатель- *) Как видно из этого примера, единицей вращательного момента служит килограммометр (кГм). Размерность вращательного момента такая же, как и работы (см. стр. 81), хотя эти две величины имеют различный физический смысл. Размерность физической величины не всегда определяет ее смысл. Например, сантиметр не только размерность длины, но и электроемкости (см. стр. 235), 76
ный момент F-a, так как а меньше/.Следовательно, вращательное действие будет меньше, чем в случае, когда сила перпендикулярна к рукоятке ключа. Это станет понятным, если разложить силу F по правилу параллелограмма на две Рис. 88. Момент силы F, действующей под углом на рукоятку гаечного ключа, равен Fa. Рис. 89. Если сила F действует под углом, то движение вызывается только ее слагающей Ft. ^p;^^W составляющие силы Fx и F2 (рис. 89).Сила Fx сообщает ключу вращательное движение, а сила F2, сжимающая ключ, уравновешивается сопротивлением материала ключа. Измерив длины векторов на чертежах или выполнив простые расчеты, можно показать, что Рг-1=Р*а. Если постоянный по величине вращательный момент непрерывно действует на тело, способное вращаться, то оно вращается с равномерно возрастающим числом оборотов, совершаемых в единицу времени (в минуту или секунду). Например, если груз подвесить на нить, навитую на вал, то вал под действием постоянного момента Р-г (рис. 90) приходит в равномерно ускоренное вращательное движение (Р — вес груза). Чем больше вращательный момент, тем больше возрастание числа оборотов за единицу времени. Если равные вращательные моменты действуют на вращающиеся тела, обладающие различными массами и размерами, то за одну секунду действия мо- Рис. 90. Постоянно действующий момент вызывает вращательное движение с равно- ^ мерно возрастающим МеНТОВ ЧИСЛО ОборОТОВ, СОВершаеМЫХ числом оборотов за этими телами, будет возрастать неоди- едини1*у времени. наково. Масса и размер вращающегося тела входят совместно в величину так называемого момента инерции. Подобно тому как для расчетов прямолинейного движения мы имеем уравнение силы, для расчетов вращательного движения служит уравнение 77
Вращательный момент = 2тг X Момент инерции X Приращение числа оборотов (за каждую секунду вращения). Для вращательного движения этот закон играет такую же роль, как уравнение силы для прямолинейного движения. Численное значение момента инерции различно для разных вращающихся тел и зависит от массы и размеров тела. Например, момент инерции диска равен Масса X (Диаметр)2 8 ' если ось вращения проходит через центр диска и перпендикулярна к его плоскости. Если известен момент инерции, то можно рассчитать, какой вращательный момент способен обеспечить нужное приращение числа оборотов. Упражнения: 99. Тело укреплено на оси вращения. На одно плечо длиной 0,1 м действует сила 6 /сГ, на второе плечо длиной 0,3 м действует сила 2 кГ. Как будет двигаться тело при одновременном действии обеих сил, если первая сила сообщает телу правое, а вторая сила — левое вращение? 100. Гаечным ключом с рукояткой длиной 40 см отвинчивают гайку. Сила 8 кГ приложена к концу рукоятки ключа. Сила направлена перпендикулярно к рукоятке. Чему равен вращательный момент? Каков будет момент, если приложить силу не к концу, а к середине рукоятки? Чему равнялись бы эти моменты, если бы сила действовала под углом 30° к рукоятке? 30. Мощность Чтобы передвигать вагонетку, нужно приложить определенную силу. Чем* быстрее передвигают рабочие вагонетку, тем больше развиваемая ими мощность. Мощность зависит от приложенной силы и скорости перемещения. Мощность = Сила X Скорость. Если обозначить мощность через N, силу через F и скорость через v, то N=F-v. Мощность равна единице, когда сила, равная единице силы, перемещает тело со скоростью, равной единице ско- 78
рости. Следовательно, единица мощности равна 1 кГ-1 м/сек=: = 1 кГм/сек (следует читать: килограммометров в секунду). Рис. 91. Для передвижения вагонетки нужно приложить силу. Мощность, развиваемая рабочими, тем больше, чем больше сила и скорость движения вагонетки. Другими единицами мощности служат «Лошадиная сила» (л. с), ватт (вт) и киловатт (кет). Мощность строгального станка (рис. 92) зависит от усилия, развиваемого резцом, и скорости резания. Машина обладает мощностью 1 кГм/сек, если она работает с силой 1 кГ при скорости 1 м\сек. Машина имеет мощность 1 л. с, если она работает с силой 75 кГ при скорости 1 м\сек. Мощность машины будет равна 1 л. с. и в том случае, если ^e9H2-H c™ c^^Zl она работает с силой 1 кГ при станка. скорости 75 м/сек, так как произведение силы на скорость остается равным 75 кГм/сек. 1 л. с.=75 кГм/сек; 1 кГм/сек=-=р л. с. 1 em=jQ кГм/сек (точнее: -^-^ кГм/сек). 1 кГм/сек= 10 вт (точнее: 9,81 вт). 1 л. с.=736 вт, 1 ^=736 л' ^.=0,00136 л. с. 79
1 квт=1000 вт=1,36 л. с, 1 ^т=-щ^ кет. 1 кет = 100 кГм\сек (точнее: ^-^~ кГм/сек). Наименование «лошадиная сила» нельзя признать удач- 2 ным: средняя мощность лошади составляет только -о- л. с. Примеры. а) Кран поднимает груз 375 кГ на высоту 10 м за 2 сек. Какова мощность крана в кГ м/сек, л. с, кет, вт? Решение: Скорость равняется 7j =5 м/сек. Мощность = Силах Скорость. Мощность = 375 кГ-5 м/сек= 1875 кГ м/сек. Мощность = ¦ __ л. с. =25 л. с. 75 Мощность =25-736 em = 18400 вт. ЛЛ 18400 Мощность = /св/п = 18,4 кет. б) Усилие резания строгального станка равно 1200 кГ. Какую мощность развивает станок при скорости резания 15 м/мин (0,25 м/сек)} Решение: Мощность = Силах Скорость. Мощность = 1200 кГ-0,25 м/сек = 300 кГ м/сек. Мощность = -=? л. с. = 4 л. с. 75 Мощность =4-736 em =2944 em =2,944 /cem. Мотор легкового автомобиля, например, имеет мощность 25 л. с. Мотор трамвая—около 100 л. с. Паровозы пассажирских поездов — около 1700 л. с. Упражнения: 101. Мощность гидроэлектростанции равна 123 000 кет. Сколько это ватт? л. с? 102. Рабочий вращает рукоятку подъемника с силой 8 кГ и со скоростью 0,9 м/сек. Какую мощность развивает рабочий в кГм/сек, вт, кет и л. с? (9,81 можно округлить до 10.) 31. Работа Чтобы нагрузить вагонетку песком, надо совершить определенную работу. Выполненная работа будет тем больше, чем больше развиваемая мощность и чем больше времени ведется работа. Работа = Мощность X Время. 80
Обозначив работу через Л, мощность через N и время через t, получим: A = N-t и N=y- Вспомним, что Мощность = Сила X Скорость. Поэтому можно написать также: Работа = Сила X Скорость X Время. Так как Скорость = (Перемещение):(Время), то Работа = Сила Х "Т/е" X Время. Сокращая на время, получим: Работа = Сила X Перемещение. Обозначая работу через Л, силу через F и перемещение через 5, получим: A = F-S. В соответствии с этим единица работы равна 1 кГ- 1м= = 1 кГм (1 килограммометр). Такую работу мы совершаем, например, поднимая груз в 1 кГ на высоту 1 м. Единица работы есть килограммометр {кГм). Один кГм — это работа, которая совершается при поднятии груза в 1 кГ на высоту 1 м. ЕСЛИ ГИрЯ В ОДИН КИЛО- Рис. 93. Чтобы нагрузить вагонетку грамм веса поднята на 5 ж, ^^ш^7йГкопре" то совершенная работа равна 5 кГм. Чтобы поднять ,60 кГ на ту же высоту, надо совершить работу 60-5 /сГж=300 кГм. Чтобы вычислить работу в кГму надо число кГ помножить на число м. Часто при выполнении той или иной работы требуется поднимать тяжести, например при сооружении каналов. Подъем по лестнице и восхождение на гору также требуют совершения работы. Во всех этих случаях совершенная §1
работа зависит от веса поднятого тела и высоты подъема. Можно найти величину работы, совершенной при опиловке, строгании или при передвижении вагонов, если помножить силу (в кГ) на перемещение (в м). При этом необходимо учитывать только силу, действующую в направлении перемещения. Единицы мощности и переводные коэффициенты, приведенные на стр. 79,80, можно представить теперь в следующем виде: Машина мощностью в 1 л. с. выполняет за одну секунду работу, равную 75 кГм. Машина мощностью в 1 вт выполняет за одну секунду работу, равную -r-r кГм (приближенно). Машина мощностью в 1 кет выполняет за одну секунду работу, равную приблизительно 100 кГм. Единица мощности «лошадиная сила» все больше вытесняется в технике единицей «киловатт». Киловатт час (квт-ч) —это работа, которую совершает за один час машина мощностью в 1 кет. Единица квт-ч принята повсеместно для измерения электрической энергии.Один киловатт-час равен приблизительно 100-60-60=360 000кГм. Для измерения работы тока принята также единица «гектоватт-час»; \гвт-ч = 36 000 кГм. Значительно более мелкая единица работы —это ватт- секунда. Она приблизительно равна -^ кГм. Единицы мощности и работы в порядке возрастания величин Единицы мощности Ватт (вт) Килограммометр в сек. (кГм/сек) Лошадиная сила (л. с.) Гектоватт (гвт) Киловатт (кет) Единицы работы Ватт-секунда (вт-сек) Килограммометр {кГм) Гектоватт-час (гет-ч) Киловатт-час (квт-ч) Эти единицы надо твердо запомнить и никогда не путать. Упражнения: 103. Требуется поднять 500 кирпичей весом по 3 кГ на высоту 10 м. Вычислить необходимую для этого работу. 82
104. Какая требуется работа, чтобы поднять на лифте шесть человек (средний вес человека 75 кГ) на четвертый этаж (20 м)? 105. Боек свободно падающего молота весит 50 кГ. Высота подъема бойка 1,80 м. Вычислить работу. 106. Резец строгального станка действует на материал с силой 80 кГ на пути 1,2 м. Вычислить работу, совершенную за 30 заходов резца. 107. Скольким лошадиным силам равна единица «киловатт»? 32. Энергия Чем тяжелее стальной боек парового копра и чем больше высота подъема бойка, тем больше работа, совершаемая при каждом его ударе. В бойке, поднятом на высоту, как бы запасается работа, величину которой можно измерить в кГм. Способность производить работу называется энергией. Энергия —это запас работы, которую может выполнить тело. В повседневной жизни мы называем деятельного человека энергичным. Это понятие не совпадает с физическим понятием энергии. Энергия, запасенная в поднятом грузе или сжатой пружине, называется энергией положения (потенциальной энергией). Если боек копра весит Р кГ и поднят на высоту h метров, то запасенная в нем энергия положения равна Р-ккГм. Энергия поднятого тела = = Вес X Высота. Рис, 94. Паровой копер для забивки ДВИЖУЩИЙСЯ МОЛОТ При свай. ударе совершает работу, так как он обладает энергией движения (кинетической энергией). Оба эти вида энергии являются формами механической энергии. Энергия движения зависит от массы и скорости тела и может быть вычислена на основании следующих соображений. Ядро весом Р /сГ, поднятое на высоту h метров, обладает потенциальной энергией Р-1гкГм. Когда ядро 83
падает вниз, то во время падения оно теряет потенциальную энергию и приобретает взамен равное количество энергии движения. Потенциальная энергия поднятого груза превращается во время падения в кинетическую энергию. В момент удара о землю кинетическая энергия ядра ?кин равна первоначальной энергии поднятого ядра, т. е. Из формулы v2=2gS (стр. 57) можно выразить путь S=h, пройденный при падении, через конечную скорость: Подставляя это выражение вместо h в формулу для ?кин, получим: Ру2 Р р ГУ Так как — равно массе тела т (стр. 74), то ?кин — о • т, Масса X (Скорость)2 Кинетическая энергия = ^-^—- '-. Пример. Стальной шар весом 10 кГ ударяет в землю, имея скорость 12 м/сек. Как велика его кинетическая энергия? __ ту2 __ 10 кГ-144 ж2\сек2 ^кин — 2 ~ 2-9,81 м/сек2 ' Принимая g равным 10, получим: Екш = 72 кГм. Кинетическую энергию вращающегося тела можно вычислить по формуле Якин=2тЛ/Аг2, где J — момент инерции тела, an — число оборотов, совершаемых телом в секунду. Уголь, бензин, нефть и т. д. — это носители химической энергии, которая при сжигании горючих веществ в тепловых двигателях превращается в тепловую энергию1). В осветительных и силовых электрических сетях используется электрическая энергия, которой всегда сопутствует магнит- г) Под тепловой энергией, здесь и далее, следует понимать внутреннюю энергию —- кинетическую и потенциальную энергию молекул тела.— Ред. 84
пая энергия. При расщеплении ядра атома освобождается атомная энергия. Запас любого вида энергии можно измерить в кГм, квт-ч или в гвт-ч. Каждая форма энергии может превратиться в любую другую форму. Двигатели превращают химическую, тепловую и электрическую энергию в механическую. Солнце служит важнейшим источником энергии для всех земных процессов. В лучах солнечного света выросли растения, из которых образовался каменный уголь. Из каменного угля добывают вещества, служащие топливом для двигателей внутреннего сгорания. Солнце подняло воду, которая приводит в движение водяные турбины. Благодаря солнечному теплу возникают воздушные течения, вращающие крылья ветряных двигателей. Солнце взращивает растения, служащие пищей для человека и животных. Упражнения: 108. Через запруду с высоты 3 м каждую минуту изливаются 150 м9 воды. Какое количество энергии несет эта вода в минуту? 109. Какое превращение энергии мы замечаем при работе напильником? ПО. На превращении какой энергии в какую основано действие электродвигателя и динамо-машины? 33. Закон сохранения энергии Грузовик расходует 6—7 литров бензина на 100 км пути. В его моторе химическая энергия бензина превращается в тепловую и механическую энергию. Мотор работает только тогда, когда в него вводят горючее, т. е. источник химической энергии. Это представляется нам совершенно очевидным. Однако прежде многие изобретатели пытались построить машину, которая служила бы источником энергии и совершала работу, сама не потребляя никакой энергии. Такую машину (перпетум мобиле1)) создать невозможно. Каждая машина, от которой можно получить энергию, сама должна потреблять энергию. В машинах происходит только превращение одного вида энергии в другой. Паровые машины и двигатели внутреннего сгорания вырабатывают механическую энергию за счет химической энергии. Электродвигатели доставляют нам механическую энергию, а потребляют элект- 2) От лат. perpetuum mobile — вечно движущееся.—Ред. 85
рическую. Атомные электростанции вырабатывают электрическую энергию за счет атомной энергии. При всех превращениях энергии количество полученной энергии точно равно количеству потребленной энергии. Полученная энергия = Потребленная энергия. Этот закон имеет силу не только для машин, но и для всех превращений энергии, происходящих в природе. Один вид энергии может превращаться в другой, но никогда энергия не возникает из ничего. Общее количество энергии до начала какого-либо процесса всегда в точности равно общему количеству энергии после окончания этого процесса. Закон сохранения энергии — это основной закон природы. Превращения энергии, которыми пользуются в технике, всегда сопровождаются движением тел и трением. В результате трения частей машин возникает теплота, которая рассеивается без всякого технического использования. В паровых машинах теплота теряет- Рис 95. Бак автомобиля заполни- ся с ухоДЯЩИМИ ГОРЯЧИМИ Газа- ми, с отработанным паром, с конденсационной водой и пр. По этой причине при каждом технологическом процессе и во время работы любой машины используемая мощность всегда меньше подводимой мощности. Отношение используемой мощности к подводимой мощности называется коэффициентом полезного действия (к. п. д.). Коэффициент полезного действия = Используемая мощность Подводимая мощность * Коэффициент полезного действия характеризует экономичность машины. Чем ближе коэффициент полезного действия к единице, тем полнее происходит превращение энергии в машине. Например, к. п. д. динамо-машины может 86
иметь значение 0,98; паровые машины, применяемые на заводах, имеют к. п. д. не больше 0,14. Обозначив к. п. д. буквой ц (следует читать: «эта»), отдаваемую мощность Na, подводимую мощность N2, получим формулу - __j? ч=-в Коэффициент полезного действия часто выражают в процентах. Коэффициент полезного действия в 0,98 равен 98%. Средние значения коэффициента полезного действия Бензиновый двигатель . . . 28% Дизель 24о/0 Двигатели с запальной головкой 23% Поршневые паровые машины . 14% Паровые турбины ... Подливное водяное колесо Наливное водяное колесо Водяная турбина . . Аккумулятор Трансформатор Одноякорный умформер . Электродвигатель . Динамо-машина .... . 28% . 35% . 75% . 90% . 75% . 95% . 92% . 83% . 90% При взгляде на приведенную таблицу бросается в глаза низкий коэффициент полезного действия всех тепловых машин. Значительные потери энергии в тепловых машинах объясняются вовсе не только техническим несовершенством этих машин. Для действия тепловой машины необходима всегда разность температур, например в паровой машине между цилиндром и конденсатором. Поэтому нельзя избежать бесполезной потери более половины энергии топлива. Если паровая турбина соединена с динамо-машиной, то приблизительно 55% тепла, получаемого от сжигаемого угля, теряется с конденсаторной водой. Упражнения: 111. Опишите процесс превращения энергии колеблющегося маятника. 112. Мотор грузовика имеет коэффициент полезного действия 25%, Что это значит? 113. В поршневой паровой машине 85% энергии топлива, сжигаемого под котлом, теряются бесполезно. Каков коэффициент полезного действия машины? 87
V. БОЛЬШИЕ ГРУЗЫ, МАЛЫЕ СИЛЫ 34. Рычаг Рис. 96. Применив ломик, можно получить силу, во много раз превосходящую мускульную силу рук. Ломик, которым открывают крышку ящика, используют как рычаг. Рычаг — это твердый стержень, поворачивающийся вокруг точки опоры. К одному концу рычага прилагают мускульную силу руки (будем называть ее кратко «сила»). На другом конце рычага действует сила, поднимающая крышку («груз»). Обычно сила и груз действуют в направлении, перпендикулярном к продольной оси рычага. Расстояние от точки приложения силы до точки опоры называется плечом силы, а расстояние от точки приложения груза до точки опоры — плечом груза. Чем больше плечо силы по груза, тем легче пользоваться рычагом при открывании крышки. Если, например, плечо силы вдвое больше плеча груза, то сила, поднимающая крышку, вдвое больше приложенной мускульной силы. Действующая сила находится в таком же отношении к приложенному усилию, в каком плечо силы находится к плечу груза. Так как сила вызывает равное по величине, но противоположное по направлению противодействие (стр. 40), то силе, с которой рычаг действует на груз, противодействует равная по величине реакция L, с которой (рис. 97). Следовательно, Груз Плечо силы Сила Плечо груза сравнению Плечо силы с плечом Плечо груза \К ¦ Плечо силы груза Рис. 97. Рычаги: вверху двусторонний, внизу односторонний рычаг. груз давит на рычаг
Простым преобразованием получим: Сила X Плечо силы = Груз X Плечо груза. Если произведение силы на ее плечо численно равно произведению груза на плечо груза, то рычаг находится в равновесии. В этом случае приложенная сила достаточна для открывания крышки ящика при помощи рычага. Закон рычага можно по-иному сформулировать так: рычаг находится в равновесии, когда вращательный момент силы равен моменту поднимаемого груза (см. стр. 76). Закон рычага позволяет рассчитать силу, которую нужно приложить, чтобы поднять определенный груз данным рычагом. Можно решить и обратную задачу: вычислить максимальный груз, который можно поднять данным рычагом, применяя определенную силу. Пример. Если плечо силы в 8 кГ, приложенной к концу ломика (рис. 96), равно 40 см, а плечо нагрузки равно 5 см, то груз, который можно поднять этим рычагом, вычисляют так: Sfer-40cM = L'5cMt L = SfcF'40 см = 64а:Г. 5 см Крышку ящика поднимает сила 64 кГ, хотя приложена была сила только 8 кГ. Конечно, работа, совершаемая на плече силы, равна работе на плече груза. «Сила» действует на большем пути, чем «груз», поэтому произведение силы на путь, пройденный точкой приложения силы (работа, совершенная силой), в точности равно произведению груза на путь, пройденный точкой приложения груза (работа, совершенная силой реакции, равной грузу, но противоположно направленной). Различают рычаги следующей формы: прямолинейные, коленчатые, криволинейные (рис. 98). Блок также можно рассматривать как рычаг. В двустороннем рычаге точки приложения сил находятся по разные стороны от точки опоры. Примеры: клещи, ножницы. Рис. 98. Коленчатый рычаг (а) и криволинейный рычаг (б). (Плечом силы и плечом груза называют длину перпендикуляра, опущенного из оси вращения на направление действия приложенной силы или груза.) 89
В одностороннем рычаге обе силы приложены с одной стороны от точки опоры. Примеры: педаль точильного камня, вага. Упражнения: 114. Противоречит ли действие рычага закону сохранения энергии? 115. С какой силой действуют режущие губки кусачек, если они отстоят от оси вращения на 2 см, а к плечу рукоятки длиной 18 см приложена сила 10 кП 35. Десятичные весы В десятичных весах вес гирь, поставленных на чашку, составляет одну десятую часть взвешиваемого груза. Десятичные весы устроены по принципу рычага, причем плечо, Рис. 99. Десятичные весы. На платформу для грузов помещена гиря 10 кг, а на чашку дли гирь — гиря 1 кг. к которому подвешена чашка с гирями, в 10 раз длиннее плеча, несущего груз. Это значительно упрощает взвеши- Рис. 100. Безмен — тоже неравноплечий рычаг. При взвешивании грузов передвигают противовес, пока стержень безмена не станет горизонтально. Стержень калиброван; вес груза читают на шкале у края противовеса. вание больших грузов. В десятичных весах имеется простое, остроумное устройство, благодаря которому платфор- 90
ма, поднимаясь и опускаясь, всегда остается горизонтальной независимо от положения груза на платформе. В сотенных весах вес гирь составляет только одну сотую часть груза, так как в них отношение плеч рычага равно 100 :1. Устройство весов для взвешивания товарных вагонов и повозок также основано на законах рычага. Взвешивая груз на десятичных весах, следует умножать вес положенных гирь на 10. Упражнения: 116. При взвешивании на десятичных весах на чашку были положены три гири по килограмму, одна гиря в 0,5 кг и три гири по 100 г. Сколько весит груз? 117. Что определяется на десятичных весах, вес или масса груза? 36. Полиспаст Полиспасты позволяют поднимать большие грузы, применяя сравнительно небольшие силы. Выигрыш в силе сопровождается, конечно, проигрышем в пути. Если груз 50 кГ нужно поднять на высоту 2 м (рис. 102), то требуется совершить работу 50 /сГ.2ж=100 кГм. По закону сохранения Рис. 101. Тяжести поднимают полиспастом. Рис. 102. Полиспаст с двумя блоками. энергии работа силы, приложенной к полиспасту, должна равняться полезной работе, если не принимать во внимание потери на трение и пр. Следовательно, работа, 91
которую следует совершить при вытягивании цепи полиспаста, тоже равна 100 кГм. Так как груз висит на двух цепях, то каждую цепь нужно укоротить на 2 ж, чтобы поднять груз на 2 м. Следовательно, всего надо вытянуть 4 м цепи. Чтобы узнать силу, с которой нужно тянуть цепь полиспаста, воспользуемся равенством Работа = Сила х Путь. 100 кГм=РкГЛ м. Сила F равна 25 /сГ, т. е. половине груза. Если полиспаст состоит из четырех блоков, то достаточно тянуть цепь с силой, равной одной четвертой части груза. Вообще для подобного полиспаста Сила = или в форме уравнения: Груз Число блоков' п ' где F — сила, Р — груз, п — число блоков. Часто применяют полиспаст, имеющий червячную передачу. Ее вращают посредством сравнительно тонкой цепи, у//////////////////////Л перекинутой через зубчатый шкив (рис. 101). Дифференциальный блок (рис. 103) состоит из двух жестко связанных блоков с диаметрами D и d и одного свободно висящего блока. Через эти три блока проходит бесконечная цепь, звенья которой захватываются зубцами, имеющимися в пазах блоков. Для поднятия груза таким дифференциальным блоком тоже достаточно приложить силу, составляющую только часть веса груза. При всех приспособлениях,служащих для изменения точки приложения, величины или направления силы, например в рычаге, полиспасте, наклонной плоскости, закон, по которому они действуют, можно установить двумя различными способами: либо применяют закон сохранения энергии, либо разлагают силы на составляющие. Ниже мы приведем основные уравнения, позволяю- Рис. 103. Дифференциальный блок. 92
щие решать задачу о действии простых механизмов энергетическим или динамическим методом. Мы рассмотрим пример дифференциального блока и обоими методами рассчитаем силу, которую нужно приложить для поднятия тяжести. Энергетический метод Когда верхний блок повернется на один оборот, сила F вытянет я-Ь метров цепи. Произведенная работа будет Рис. 104. Электрополиспаст поднимает груз силой мотора. Канат наматывается на барабан. Во многих случаях электрополиспасты снабжают еще одним мотором, передвигающим полиспаст по стальным рельсам. Для подъема и транспортировки железа часто применяют электромагнит, подвешенный на крюк полиспаста. Рис. 105. Кранами не только поднимают и опускают тяжести, но и выполняют погрузку судов. Управление кранов производится механизмами, передвигающими полиспаст. равна f-jt-D, столько же будет затрачено мускульной энергии. Цепь, свисающая петлей вниз, на которой висит подвижный блок, с одной стороны петли укоротится на зт-D метров, а с другой стороны петли удлинится на n-d метров, потому что с малого верхнего блока цепь сбегает вниз. В результате петля укоротится на я • D —я • d метров. Каждая 93
из цепей, поддерживающих груз Р, укоротится только на -—^-^- метров и на такую же высоту поднимется груз. При- обретенная грузом потенциальная энергия равна ——^ • По закону сохранения энергии затраченная энергия равна полученной: Отсюда F«D = *№-**>. n_P{D-d) Г— 2D • Динамический метод Вращательные моменты, приложенные к верхним блокам с, D P d и вращающие их по часовой стрелке, равны г-^иу -^ . Против часовой стрелки на эти блоки действует момент Р D с -7j- • -у. Блок находится в равновесии, если сумма моментов, вращающих его по часовой стрелке, равна моменту, вращающему против часовой стрелки: 2 нг ; F-D = F- 2 2 ~~ P(D- 2D " 2 Р ?, ¦<0 • 2 Оба метода привели к одному и тому же результату. Теперь мы знаем, как вычислить силу, которую нужно приложить к дифференциальному блоку, чтобы поднять определенный груз. Упражнения: 118. Требуется поднять груз в 102 кГ на третий этаж (10 м) при помощи полиспаста из шести блоков. Какую надо применить силу? Сколько метров каната придется при этом вытянуть? Какую работу надо совершить? 119. Груз в 200 кГ поднимают дифференциальным блоком D = 0,3 м, d = 0,25 м. Определите силу* 94
37. Наклонная плоскость При погрузке и разгрузке тяжелых грузов часто применяют наклонный помост. Чем меньше его уклон, тем меньше сила, способная удерживать груз или поднимать Рис. 106. Тяжелую бочку вкатывают на платформу по наклонной доске. его по наклонной плоскости. Под уклоном понимают отношение высоты наклонной плоскости к ее длине (h: /) (рис. 107). Уклон = Высота Длина Подъемом называют отношение высоты к основанию (h : b). Величину силы, достаточной для передвижения данного груза по наклонной плоскости, уклон которой известен, легко найти, применив закон сохранения энергии. Пусть, например, требуется втащить груз весом 80 кГ по наклонной плоскости, длина которой равна 2,5 л*, а высота 1,5 ж (рис. 108). Работа поднятия груза будет равна 80 /сГ-1,5 м = = 120 кГм. Столько же потенциальной энергии приобретает поднятый груз. Сила тяги направлена параллельно длине наклонной плоскости. Работу силы тяги найдем, умножив силу тяги F на длину наклонной плоскости Основание'^) Рис. 107. Высота, основание и длина наклонной плоскости. 95
2,5 м. Следовательно, на совершение работы будет затрачено F-2,5 кГм энергии. Согласна закону сохранения энергии F-2,5^ = 80*7^1,5;»*, В общем виде 7^=80*Г-24^=48*Г. 2,5 м Сила тяги = Груз Х^- Сила тяги = Груз X Уклон, При этом расчете мы не учитывали потери энергии вследствие трения. Если по-прежнему обозначить силу тяги буквой F, силу, прижимающую тело к наклонной плоскости, через N, Рис. 108. К вычислению силы тяги на наклонной плоскости. Рис. 109. Разложение сил, действующих на наклонной плоскости. угол уклона через а и вес тела через Р (рис. 109), то по правилам математики F = Psma = P-i' i ' М= Pcosa = P-v Наклонная плоскость находит многочисленные применения,- например при устройстве дорог, прокладке железнодорожного полотна (рис. ПО). Винтовую линию можно рассматривать как наклонную плоскость, навитую на стержень винта (рис. 111). Поэтому законы наклонной плоскости справедливы и для винта. Упражнения: 120. Длина наклонной плоскости равна 2 м, высота */8 м* Каков уклон? Чему равен угол уклона? 96
121. При каком уклоне и каком угле уклона сила тяги равна половине веса поднимаемого груза? 122. Бочки весом 100 кГ требуется вкатить по наклонной плоскости на высоту 1 м, применяя силу 25 кГ. Какой длины должна быть наклонная плоскость? Каков должен быть угол уклона? Рис.110. Сортировочная горка. Паровоз толкает Рис. 111. Нарезка состав на вершину горки. Отцепленный вагон ска- винта — это наклон- тывается с горки под действием собственного ная плоскость, обвер- веса. Спустившись с горки, вагон, следуя поло- нутая вокруг стержня жению стрелки, направляется на назначенный винта. Высотой хода ему путь. винта называется смещение нарезки вдоль оси при полном обороте. 123. Как велика должна быть сила тяги, когда груз поднимают по наклонной плоскости, имеющей угол уклона 90°? VI. ЖИДКОСТИ 38. Уровень При монтаже машин и их частей для проверки правильной установки их в горизонтальной и вертикальной плоскостях применяют водяной уровень (рис. 112 и 115). Когда уровень находится в горизонтальном или вертикальном положении, то воздушный пузырек уровня располагается между двумя штрихами, нанесенными на стеклянной трубке. При всех других положениях уровня пузырек смещается к одному из концов трубки. В хороших уровнях применяют не цилиндрические, а выпуклые стеклянные трубки. Это повышает чувствительность уровня. Кроме того, чувстви- 97
Тельные уровни наполняют не водой, а жидкостью, слабо прилипающей к стеклу. Благодаря этому увеличивается Рис. 112. Уровень для проверки горизонтальности плоскости. подвижность пузырька. Одна из таких жидкостей —этиловый эфир. Частицы жидкости, заключенной в трубке уровня, находятся под действием силы тяжести. Так как силы взаимного притяжения частиц жидкости сравнительно невелики, то, подчиняясь силе тяжести, эти частицы стремятся занять возможно более низкое положение. По этой причине при любом поло- Рис. 113. Поверхность жидкости в стеклянной трубке уровня. 10.3м* Рис. 114. Уклон равен 0,3 мм/м. Рис. 115. Проверка вертикальности плоскости уровнем. жении уровня поверхность жидкости остается горизонтальной (рис. ИЗ). На шкале уровня указан уклон, при котором пузырек смещается на одно деление. В машиностроительной практике применяют обычно уровни с надписью: «Чувствительность, или одно деление шкалы, составляет 0,3 мм/му>. 98
Это означает, что пузырек такого уровня смещается на одно деление, когда на каждый метр его длины уклон равен 0,3 мм. Если, например, при проверке горизонтальности какой-либо плоскости пузырек сместился на одно деление от нулевого положения, то испытуемая плоскость наклонена на 0,3 мм\м к горизонту. Рис. 116. Круглый уровень измери- Рис. 117. Уровень каменщика, тельного прибора. Прибор расположен горизонтально, когда пузырек находится внутри кружка, нанесенного на поверхность стекла В чувствительных уровнях пузырек содержит не воздух, а пары жидкости, находящейся в трубке. Уровнем можно проверить точность установки тел в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Многие измерительные инструменты снабжены круглыми уровнями (рис. 116). Инструмент приводят в горизонтальное положение, действуя установочными винтами и наблюдая за перемещением пузырька уровня. Упражнение: 124. Один уровень снабжен надписью: «Чувствительность 0,8 мм/м», другой уровень— надписью: «Чувствительность 0,15 мм/м». Который уровень имеет большую чувствительность? 39. Сообщающиеся сосуды Водомерное стекло показывает, до какой высоты котел наполнен водой. Водомерное стекло сообщается с водяным и паровым пространствами котла. В сообщающихся сосудах уровень покоящейся жидкости находится на одной высоте. 99
Только в трубке с очень малым диаметром уровень воды находится выше, чем в широком сосуде, потому что в узкой трубке становятся заметными силы прилипания воды к стенкам трубки (см. стр. 50). Рис. 118. Водомерное стекло парового Рис. 119. Почему жидкость в этих котла. сообщающихся сосудах не находится на одном уровне? Соблюдая правила безопасности, кочегар постоянно наблюдает по водомерному стеклу за положением уровня воды в котле. Упражнения: 125. Закон сообщающихся сосудов используют при прокладке водопровода. Дайте объяснение. 126. Как при помощи U-образной трубки найти горизонтальное направление? 127. На чем основано действие лейки? 128. Как объяснить действие природных фонтанов? 40. Давление в жидкостях Имеются малогабаритные гидравлические подъемники, позволяющие без особого напряжения, применяя только мускульную силу рук, поднять автомобиль, например, при смене колеса. 100
Главной частью подъемника служит толстостенный U-об- разный сосуд, наполненный маслом. В цилиндрах этого сосуда находятся подвижные поршни s и S. Площадь поперечного сечения поршней q=2 см2 и Q=100 см2. Нажимая на рукоятку, действующую как плечо рычага, мы прилагаем к поршню s силу, превосходящую мускульную силу руки и равную, допустим, 50 кГ. Мы производим давление Рис. 120. Гидравлический подъемник для ремонта автомобиля. на жидкость, равное 2 см2 = 25 кГ\см2. Это давление действует во все стороны одинаково. Давление в жидкости действует во все стороны одинаково. Следовательно, масло давит на каждый квадратный сантиметр стенок сосуда с силой 25 кГ. На каждый квадратный сантиметр нижней поверхности поршня S масло также давит с силой 25 кГ.Так как площадь поршня S равна 100 см1, то этот поршень поднимает сила, равная 25-100 /сГ=2500 кГ. Подобное устройство во много раз увеличивает приложенную силу. По этому принципу устроен также гидравлический пресс, применяемый для выжимания растительного масла, прессования бумаги и тканей, для сгибания и ковки стали и т. д. В глубине озера слои воды находятся под давлением лежащих над ними масс воды. На глубине 10 м вес воды создает давление, равное 1 кГ\см2, так как столб воды высотой 10 ж и с поперечным сечением 1 см2 весит 1 кГ. 101
Упражнения: 129. Объясните назначение резервуара G и клапанов V и v на рис. 120. 130. Примените закон сохранения энергии к гидравлическому прессу. 41. Подъемная сила жидкости Ареометр, применяемый в лабораториях, состоит из стеклянного поплавка, утяжеленного внизу ртутью или свинцом и поэтому плавающего в жидкости в вертикальном положении. Чем легче жидкость, тем глубже погружается в нее поплавок. На трубке ареометра имеется шкала, на которой указана плотность жидкости. Жидкость, окружающая поплавок,удерживает и подпирает его снизу с такой силой, как если бы на месте ареометра находилась жидкость. Под действием этой силы всякое тело, погруженное в жидкость, становится легче, и притом настолько, сколько весит вытесненная имжидкость. Ареометр, опущенный в жидкость, погружается до такой глубины, при которой вес вытесненной им жидкости становится равным весу ареометра. В этом положении ареометр плавает. Вес плавающего тела равен весу вытесненной им Рис. 121. Ареометр для определения ЖИДКОСТИ. плотности спирта. Ареометр весом 30 Г вытесняет 30 Г жидкости, в которой плавает. Если лодка с находящимися в ней людьми весит 500 кГ, то она вытесняет 500 кГ воды. Пробка, плавая, слабо погружается в воду, потому что уже при небольшой глубине погружения пробки вытесненная ею вода весит столько же, сколько вся пробка. Напротив, сплошной же- 102
Лезныи шар тонет в воде, потому что вес воды, вытесненной полностью погруженным шаром, меньше, чем вес железного шара. Вес тела, погруженного в воду, тянет его вниз, но на тело, находящееся в воде, действует также сила, толкающая его вверх. Эта сила называется подъемной силой воды. Подъемная сила равна весу вытесненной жидкости. Отсюда следует, что подъемная сила зависит только от объема тела, находящегося в жид- Рис. 122. Плавучие бакены на Рис. 123. Спасательный пояс состоит из якоре указывают фарватер. пробковых пластин. кости, или от объема его погруженной части, а также от плотности жидкости. Подъемная сила = Объем вытесненной жидкостиXПлотность жидкости. Иногда при погружении тел в воду приходится заботиться о том, чтобы их вес был больше выталкивающей силы. В комплект снаряжения водолаза входят тяжелые галоши со свинцовыми подошвами. Если же требуется, чтобы тело не тонуло в воде, а плавало на поверхности, то обеспечивают условия, при которых подъемная сила превышает вес тела (рис. 122). С этой целью увеличивают объем тела, не увеличивая при этом в той же мере его вес. На этом принципе основано действие спасательных поясов (рис. 123). Для спасательных поясов подъемная сила больше, чем их собственный вес. На человека, надевшего такой пояс, действует подъемная сила, превышающая общий вес его тела и пояса. Подъемная сила воздушного шара равна его объему, умноженному на удельный вес воздуха. Общий вес шара 103
меньше, чем подъемная сила, потому что шар наполнен легким газом, например водородом. Водород очень легкий газ, его удельный вес равен 0,09/сГ/ж3, тогда как удельный вес воздуха равен 1,293 кГ)м3. Обычно небольшие различия между плотностью и удельным весом не играют никакой роли. Поэтому величины, которые получают, пользуясь ареометром, иногда считают плотностью, иногда удельным весом жидкости. Однако следует знать, что показания ареометра не зависят от географического места. Строго говоря, мы измеряем ареометром плотности, а не удельные веса. Местные изменения силы тяжести одинаково влияют и на вес ареометра, и на вес вытесненной им жидкости. Поэтому глубина погружения ареометра зависит не от веса ареометра и вытесненной им жидкости, а от их массы. Следовательно, ареометром определяют плотность жидкости. Упражнения: 131. Имеются ли жидкости, в которых плавает железо? 132. Пароход в пресной воде сидит глубже, чем в морской. Почему? 133. Пробка весом 2 Г плавает в керосине. Сколько кубических сантиметров керосина она вытесняет? Плотность керосина равна 0,8 г/см3. VII. ГАЗЫ 42. Атмосферное давление Земной шар окружен воздушной оболочкой высотой около 800 км, которая своим весом давит на поверхность Земли. Сила, с которой столб воздуха давит на 1 см2 земной поверхности, называется атмосферным давлением. Барометр (прибор для измерения атмосферного давления) состоит из тонкостенной металлической коробки, из которой удален воздух. При изменении атмосферного давления коробка барометра сжимается то больше, то меньше и поворачивает при этом указатель. Шкалу такого барометра градуируют, сравнивая его показания с результатами измерения атмосферного давления ртутным барометром. Запаянную с одного конца стеклянную трубку длиной около 1 м заполняют ртутью. Затем открытый конец трубки погружают в чашку со ртутью. Ртуть в трубке несколько опустится, и над уровнем ртути образуется безвоздушное пространство (рис. 125). Ртутный барометр можно сравнить с двуплечими весами. Атмосферное давление поддерживает 104
в нем столб ртути. Если высота ртутного столба равна, например, 748 мм, то говорят, что атмосферное давление равно 748 мм. Барометр с металлической коробкой (анероид) также градуируют в миллиметрах ртутного столба. Анероид, изображенный на рис. 124, показывает давление 761 мм рт. ст. Это означает, что в данном месте воздушная оболочка Земли в данный момент давит на 1 см2 земной поверхности с такой Рис. 124. Барометр — прибор для Рис. 125. Ртутный измерения атмосферного давления. барометр. же силой, с какой ртутный столб высотой 761 мм и с поперечным сечением 1 см2 давит на свое основание. Давление ртутного столба высотой 1 мм называется «тор». Местное атмосферное давление подвержено колебаниям, происходящим вследствие неравномерного нагревания воздушной оболочки Земли. Если давление увеличивается, то можно ожидать хорошей погоды, потому что воздух, находящийся под большим давлением, при сжатии нагревается и рассеивает облака. Атмосферное давление различно в различных местах. Чем выше расположено место над уровнем моря, тем ниже среднее атмосферное давление, так как в горной местности давление обусловлено менее высоким столбом воздуха, чем на уровне моря. Нормальное атмосферное давление на уровне моря 760 мм рт. ст. Результаты измерения давления в различных географических пунктах перед сравнением предварительно пересчитывают, внося поправку на высоту этих пунктов над уровнем моря. Поднимаясь с барометром на высоту 10 м> 105
можно заметить, что давление атмосферы падает приблизительно на 1 мм рт. ст. Поэтому барометр может также служить прибором для измерения высоты места. Рис. 126. Барограф для автоматической записи изменения атмосферного давления. В метеорологии (науке о погоде) атмосферное давление обычно измеряют в миллибарах (мб). Один миллибар приближенно равен 0,75 мм рт. ст. Поэтому нормальное атмосферное давление 760 мм рт. ст. равно 1013,25 мб. Рис. 127. Бумажная лента барографа с записью давления. Вес ртутного столба высотой 760 мм и с поперечным сечением 1 см2 равен 1033 Г. Следовательно, при нормальном атмосферном давлении воздух давит на каждый квадратный сантиметр поверхности с силой 1,033 кГ. Нормальное атмосферное давление равно 1,033 кГ\см2. Это давление называется физической атмосферой (атм), в отличие от технической атмосферы (am), которая равна 1 кГ\смг (см. стр. 39). 106
Имеются самопишущие барометры (они называются барографами), которые автоматически записывают изменение атмосферного давления на бумажной ленте, надетой на вращающийся цилиндр. Упражнения: 134. Сколько весит воздух в комнате, имеющей 4 м в ширину, 6 м в длину и 3,5 м в высоту? Удельный вес воздуха 0,00129 кГ/дм*. 135. Переведите в миллиметры ртутного столба атмосферное давление, равное 990 мб. 43. Давление и объем Кислород поставляют в стальных баллонах. Он сжат и давит на каждый квадратный сантиметр стенок баллона с силой около 150 кГ. Чем сильнее сжат газ, тем больше его давление. Рис. 128. Давление кислорода в стальном баллоне измеряют манометром. Стальной баллон содержит 40 л кислорода при давлении 150 am. Если выпустить кислород из баллона, то при давлении 1 am он займет объем 6000 л. Сначала . . . | Потом .... Объем 40 л 6000 л Давление 150 am 1 am Произведение объема на давление 40-150 = 6000 6000-1 =6000 107
В обоих случаях произведение объема на давление имеет одно и то же численное значение 6000. Когда объем определенной массы газа изменяется при неизменной температуре, то изменяется и давление газа, однако так, что произведение объема на давление остается прежним. Неизменную (постоянную) величину часто сокращенно обозначают символом const (константа). Если сжать кислород в упомянутом выше стальном баллоне с 40 л до 20 л, то давление кислорода возрастет до 300 am. Произведение объема на Рис. 129. Промышленные установки Рис. 130. Цех наполнения баллонов для получения кислорода из воздуха. кислородом. давление и в этом случае будет равно 6000. Это справедливо только тогда, когда температура сжатого газа остается прежней. Давление X Объем = const (закон Бойля-Мариотта). (Условие: постоянство температуры данной массы газа). Этот закон записывают в виде уравнения: р-у = const, где р — давление, v — объем газа. Численное значение произведения зависит от массы газа. Если изменится одна из двух величин в левой части уравнения (давление или объем), то согласно закону Бойля-Мариотта изменится и другая величина. Например, если давление, под которым находится газ, уменьшить в 108
два раза, то объем газа увеличится вдвое. Если давление увеличить в четыре раза, то объем уменьшится в четыре раза. Следовательно, при неизменной температуре объем данного количества газа изменяется обратно пропорционально его давлению. Подобные изменения состояния газа, происходящие при постоянной температуре, называются изотермическими процессами. В цилиндрах двигателей внутреннего сгорания происходит сжатие газов или газовых смесей. Однако в цилиндрах газовая смесь нагревается, и поэтому приведенный выше закон непосредственно применять нельзя, его следует несколько изменить. В цилиндре дизеля воздух сильно сжимается поршнем (40 am) и вследствие этого нагревается до 500—600° С. При этой температуре взрывчатая смесь газов, образующаяся после впрыскивания в цилиндр горючего, воспламеняется. Такие изменения состояния газов, при которых газы нагреваются без притока тепла извне или охлаждаются без отдачи тепла наружу, называются адиабатными процессами. Кислород, хранящийся в стальных баллонах, полученный на газовом заводе из жидкого воздуха (рис. 129), применяют преимущественно для сварки и резания металлов. Упражнения: 136. Сколько литров кислорода при нормальном давлении можно получить, имея баллон емкостью 10 л> Давление 15 am. 137. Десять литров воздуха при давлении 1 am сжимают до объема 1,5 л. Каково будет давление воздуха? 138. Как изменится удельный вес газа при изменении его давления? 139. В каких устройствах применяют сжатый воздух? 140. Давление в камере автомобильного колеса равно 2,5 ати (ати означает избыточное давление). Как понимать термин «избыточное давление»? 44. Воздушный поток В распылителе красок струя выходящего воздуха поднимает жидкий лак из резервуара и распыляет лак на мельчайшие капли. Отсюда следует, что в потоке воздуха давление меньше, чем в окружающей среде, где воздух неподвижен. Измеритель давления, движущийся вместе с потоком воздуха, показал бы меньшее давление, чем в покоящемся воздухе. Давление в потоке, измеренное таким способом, называется статическим давлением. Следовательно, ста- 109
тическое давление воздушного потока меньше давления неподвижного воздуха. Вследствие пониженного давления воздушный поток производит всасывающее действие, которое тем сильнее, чем больше скорость потока воздуха. В пескоструйных аппаратах струя воздуха засасывает песчинки и увлекает их в направлении движения струи. В воздушном потоке создается пониженное давление. Воздушный поток обладает всасывающим действием. Чтобы воспользоваться всасывающим действием потока, надо обеспечить воздуху большую скорость. В распылителе красок это достигается высоким давлением сжатого воздуха, в водоструйном насосе — большим давлением в водопроводе. Скорость потока можно существенно увеличить сужением струи воздуха. Чем меньше площадь поперечного сечения потока, тем больше скорость частиц в этом сечении, а с нею больше и всасывающее действие потока. В направлении движения воздуха в потоке кроме статического давления действует также давление, зависящее от кинетической энергии текущего воздуха. Это дополнительное давление называется динамическим давлением. Установ- Рис. 131. Покраска машины распы- леНО ЧТО CVMMa СТаТИЧе- лителем. ' •> ского и динамического давлений в любом месте потока имеет одно и то же значение. Сумма этих давлений равна давлению в неподвижном воздухе. Статическое давление + Динамическое давление = const. Чем больше скорость потока, тем больше динамическое давление. Чем больше динамическое давление, тем меньше должно быть статическое давление и больше всасывающее ПО
действие потока. Указанный закон выполняется точно лишь при определенных условиях. В потоках всегда возникают вихри. Они главным образом и вызывают отклонения от этого закона. Принцип работы знакомого всем пульверизатора такой же, как у распылителя красок. Поток воздуха в пульверизаторе создается при сжимании резиновой груши. В лабораториях широко применяют водоструйные насосы (рис. 132); они способны создать слабый поток воздуха или отсосать воздух из сосудов. Водоструйным насосом можно в небольшом объеме разредить воздух до 10 мм рт. ст. Очень высокий вакуум (т. е. пространство с высокой степенью разреженця воздуха) создают пароструйными Водопровод Сопло Отверстие Выходная трубка Рис. 132. Схема водоструйного насоса. Воздух Рис. 133. Горелка Бунзена. насосами. В ртутных пароструйных насосах испаряют ртуть и используют всасывающее действие струи ртутного пара. В тщательно собранных установках такими насосами можно создать разрежение, при котором давление оставшегося воздуха не превышает миллионных долей тора. Такой вакуум нужно обеспечить, например, в рентгеновских трубках и радиолампах. В каждой химической лаборатории можно встретить бунзеновскую горелку (рис. 133). В ней сгорает смесь светильного газа с воздухом и пламя имеет высокую температуру. Воздух вводится в трубку горелки всасывающим действием струи самого газа. Регулируя ширину отверстия, через которое поступает воздух, можно увеличить или уменьшить содержание воздуха в смеси. 111
В дымоходах заводских топок устанавливают измерители тяги (рис. 134), позволяющие определить разность давлений газов в дымоходе и наружного воздуха. Чем сильнее тяга, тем выше поднимается жидкость в левой трубке прибора благодаря всасывающему действию потока газов. Это позволяет контролировать тягу в топке. На изогнутые несущие поверхности крыльев летящего самолета действуют всасывающие силы и давление потока воздуха; эти силы поднимают и несут самолет. Упражнения: 141. Ураган сорвал с дома крышу. Дайте объяснение. 142. Попробуйте сильно дуть в пустую курительную трубку, положив на ее отверстие кусочек бумаги. Что происходит? Дайте объяснение. Рис. 134. Измеритель тяги.
Б. ЗВУК Рис. 135. Музыкальные тоны, различные звуки и шумы передаются нашему уху звуковыми волнами (воздушными волнами), созданными колеблющимися телами.
45. Звуковые волны Удары по клавишам рояля приводят струны в колебательное движение. Колебания струн передаются ближайшим частицам воздуха, а от них все дальше и дальше в форме звуковых волн от одной частицы воздуха к другой. Эти частицы совершают колебательные движения в направлении, совпадающем с направлением распространения волны. Звуковые волны — продольные волны. Звуковые волны образуются в среде, окружающей источник звука. В безвоздушном пространстве не может быть звуковых волн. Поэтому, удаляя воздух из- под колокола воздушного насоса, мы постепенно перестаем слышать звук электрического звонка, помещенного на столик насоса. Звук может распространяться не только в воздухе, но и во всех других телах, например в воде, почве, железнодорожных рельсах. Когда мы наблюдаем с расстояния в несколько сотен метров за человеком, ,о« л .1 колющим дрова, то мы Рис. 136. При ударах по клавишам мы ~* '"•г » v слышим звуки, вызванные колеблю- СЛЫШИМ УДар ТОПОра щимися струнами. позже> чш ввдим ^ Измерив разницу во времени и расстояние, можно вычислить скорость распространения звука. Скорость звука в воздухе равна 340 м\сек (при 15° С). Скорость звука в воде 1435 м/сек. Скорость звука в железе 5000 м/сек. Доходя до твердой стены, звуковые волны отражаются назад. Так возникает эхо. Для измерения глубины моря применяют эхолот. У борта корабля под водой взрывают патрон. Вызванная взрывом звуковая волна распространяется в воде, доходит до дна 114
моря, отражается от него и возвращается к поверхности моря. Здесь звук принимают микрофоном у борта корабля. По скорости распространения звука в воде и времени, прошедшему между взрывом патрона и возвращением звука к кораблю, можно вычислить путь, пройденный звуком от поверхности до дна моря и обратно. Этот путь вдвое больше, чем определяемая глубина. В процессе распространения звуковой волны перемещается состояние сгущения и разрежения слоев воздуха. Под длиной звуковой волны понимают длину такого участка пути волны, на котором укладываются одно сгущение и одно разрежение. Длина волны зависит от частоты колебаний источника звука и от скорости распространения звука. Зная эти величины, можно вычислить скорость звука (см. стр. 69). Музыкальный тон «ля3»издает струна (рис. 137), колеблющаяся с частотой 440 гц. Длина волны в этом случае равна 78 см (в воздухе). Звуковые волны, попадая в наше ухо, приводят в движение барабанную перепонку, которая начинает совершать колебания с такой же частотой, как источник звука. Чем больше число колебаний, тем более высокий тон мы слышим. Самый высокий тон рояля имеет частоту 3520 гц, самый низкий — 27,5 гц. Человеческое ухо воспринимает звук только тогда, когда число колебаний в секунду заключено между 20 и 20 000. Некоторые животные, например собаки, воспринимают звуки с частотой больше 20 000 колебаний в секунду. Область слухового восприятия человека—от 20 до 20 000 гц. Область наиболее часто встречающихся звуковых частот (20—5000 гц) называется полосой низких частот. Низкие частоты: до 5000 гц. Средние частоты: 5000—10 000 гц. Высокие частоты: свыше 10 000 гц. Отдельные тоны музыкальной гаммы отличаются вполне определенным отношением частот колебаний. Например, октава (восьмой тон гаммы) имеет частоту колебаний в 2 раза больше частоты основного тона. Если одновременно звучат два или несколько тонов, то мы воспринимаем их или как приятное созвучие 115
(консонанс) или как неприятное (диссонанс). Исследования показали, что приятное созвучие получается, когда частоты колебаний обоих тонов относятся как небольшие целые числа (например, 1 : 2; 2 : 3; 4 : 5). Диссонанс мы ощущаем, когда частоты колебаний находятся в отношении больших целых чисел (например, 8:9; 8 : 15). Один и тот же тон звучит различно у разных инструментов. Объясняется это тем, что одновременно с основным тоном всегда возбуждается ряд обертонов, различных у разных музыкальных инструментов. Обертоны определяют тембр звука, издаваемого инструментом. Упражнения: 143. Человек крикнул и через две секунды услыхал эхо. Как далеко он стоял от отвесной скалы, отразившей звук? 144. Какое число колебаний и какая длина волны у второй октавы тона «ля3» скрипки? 145. Какую длину волны имеют самый высокий (3520 гц) и самый низкий (27,5 гц) тоны рояля? 46. Ультразвук Ультразвуковыми называются волны, частота которых выше верхнего порога слышимости у человека (20 000 гц). Некоторые животные, например собаки и летучие мыши, слышат ультразвук в определенном диапазоне частот. Дляразличных целей выпускается аппаратура (рис. 138), излучающая ультразвук частотой от 20 до 50 000 кгц. Плотность энергии ультразвукового излучения, создаваемого этими аппаратами (в известном смысле — «громкость звука», который мы не слышим), во много тысяч раз превосходит плотность энергии звука орудийного выстрела. Для возбуждения ультразвуковых колебаний используют следующее физическое явление. Если пластинку кристаллического кварца подвергнуть сжатию или растяжению в определенном направлении, то на одной поверхности пластинки возникает положительный, на другой поверхности — отрицательный электрический заряд. Когда механическое воздействие на кристалл прекращается, то электрические заряды уходят с поверхности кристалла. Это явление называется пьезоэлектрическим эффектом. Обратно, если одну поверхность пластинки кристаллического кварца зарядить положительно, а другую — отрицательно, то пластинка несколько сожмется и станет 116
тоньше. При перемене знака зарядов пластинка станет толще незаряженной. Если присоединить две поверхности пластинки кристаллического кварца к двум полюсам источника переменного электрического тока (у такого источника знаки заряда полюсов меняются с большой частотой), то кристалл приходит в колебание. При достаточно большой частоте приложенного переменного напряжения (свыше Рис. 138. Аппарат для получения уль- Рис. 139. Свисток тразвука. Высокочастотные электриче- Гальтона для получе- ские колебания вызывают высокочастот- ния ультразвуковых ные колебания кварца, излучающего волн, ультразвук. 20 000 гц) колеблющийся кварц, вызывающий колебания воздуха той же частоты, становится источником ультразвука. Амплитуда ультразвуковых колебаний особенно велика в тех случаях, когда частота переменного электрического напряжения совпадает с собственной частотой механических колебаний пластинки пьезокварца (резонанс). Источником ультразвука служит пластинка кристаллического кварца, которая совершает высокочастотные механические колебания под действием приложенного к ней переменного электрического напряжения высокой частоты. Пьезоэлектрическими свойствами обладают и другие кристаллы, например турмалин и сегнетова соль. Можно получить ультразвуки и чисто механическим способом. Колебания маленького камертона с ножками 117
длиной в несколько миллиметров создают ультразвуковые волны с частотой до 90 кгц. При правильно подобранном натяжении стальной струны длиной 10 см легко получить ультразвук с частотой 25 кгц. В качестве источника ультразвука часто используют так называемый свисток Гальтона (рис. 139). Через трубку а вдувают струю воздуха, который выходит через круглое отверстие с и встречает круглую щель d. Это вызывает колебания воздуха в свистке. Поворотом микрометрических винтов b и е можно изменять объем воздуха в свистке и расстояние cd. С изменением длины свистка изменяется частота звуковых колебаний воздуха. При надлежащей установке винтов b и е можно получить ультразвук с частотой до 40 кгц. Ультразвуком можно удалять газы из жидкостей, расплавленных Рис. 140. Изображение лезвия бритвы, по- МРТЯЛЛОВ И cn/T^ROR мещенной в поле ультразвуковых волн. *ии-»и и v,ii«/icid^d. Две несмешивающие- ся жидкости, например вода и масло, в поле ультразвуковой волны так сильно перемешиваются, что масло распределяется в воде в виде мельчайших капелек. В результате получается жидкость молочного цвета, называемая эмульсией. Для приготовления высококачественной фотографической пленки светочувствительную эмульсию, которой поливают пленку, предварительно обрабатывают ультразвуком. После такой обработки фотоэмульсия становится мелкозернистой. Ультразвук вызывает ряд явлений, которые можно видеть глазом. Разработаны различные методы наблюдения ультразвука. Если ультразвук направить на экран (подобный экрану, применяемому при рентгеноскопии), светящийся в результате предварительного облучения синими или ультрафиолетовыми лучами, то участки экрана, на которые падают ультразвуковые волны, начинают светиться ярче, а затем быстро тускнеют. Поместим в ультразвуковой пучок лезвие безопасной бритвы. Мы увидим на светящемся экране светлое изображение лезвия (рис. 140). Это объясня- 118
ется тем, что в местах «ультразвуковой тени» экран дольше сохраняет способность светиться, чем на участках, которые находятся под действием неослабленной ультразвуковой волны. Этот метод и ряд других применяют для обнаружения дефектов в промышленных изделиях при помощи ультразвука. Если через металлическую деталь, внутри которой имеется трещина или полость, пропустить ультразвуковой пучок, то он сильно отразится на границе металла и полости. Поэтому интенсивность ультразвукового пучка, прошедшего сквозь деталь и встретившего на своем пути полость, окажется меньше интенсивности пучка, прошедшего через сплошной слой металла. Различие в интенсивности таких пучков ультразвука мы обнаружим, наблюдая картину на экране. Там, где в изделии имеется дефект, экран будет светиться ярче. Скорость распространения ультразвуковых волн, например в воздухе и воде, такая же, как скорость звука, который мы способны слышать. Легко создать пучок ультразвуковых волн, т. е. послать их в определенном направлении. Это позволяет применить ультразвук для передачи направленных сигналов. Дальность передачи по воздуху ультразвуковых сигналов с частотой колебаний 10 кгц не превышает 200 м, однако в воде такой сигнал можно передать на расстояние 400 км. Поэтому дальние ультразвуковые передачи возможны только в воде. Под водой можно держать ультразвуковую телефонную связь на расстоянии от 10 до 15 км или передавать сигналы по азбуке Морзе на такое же расстояние. Ультразвук применяют для измерения глубины моря методом эхолота. Корабль, оборудованный ультразвуковой аппаратурой, может в полной темноте или в густом тумане определить местоположение другого корабля или плавучего айсберга. В последнее время ультразвук находит многообразные применения в медицине для лечения болезней. Ультразвук производит энергичный местный массаж клеточной ткани и вызывает в ней усиленное кровообращение. При лечении ишиаса, невралгии и ревматических заболеваний применение ультразвука дает превосходные результаты. Общеизвестно, что летучие мыши летают в полной темноте с большой скоростью поразительно уверенно, замечая все препятствия и уклоняясь от них. Доказано, что 119
летучие мыши ориентируются по ультразвуку. Летящая летучая мышь испускает в секунду приблизительно 100 ультразвуковых сигналов («криков») с частотой от 30 000 до 80 000 гц> не слышимых человеком. Если летучая мышь летит, например, по направлению к дереву или стене, то ультразвук отражается от этих препятствий. Летучая мышь не только испускает ультразвук, она принимает ушами отраженную волну и слышит ультразвук. Распознавая препятствия по отраженным ультразвуковым волнам (эхо), летучая мышь ориентируется в темноте. Упражнения: 146. Источник ультразвуковых колебаний излучает ультразвук с частотой 100 кгц. Какова длина этих ультразвуковых волн в воздухе и воде? 147. Вычислить длину волны ультразвукового сигнала («крика») летучей мыши. Средняя частота равна 55 кгц. 148. На каком физическом явлении основан технический способ получения ультразвуковых волн?
В. ТЕПЛОТА Рис. 141. При автогенной сварке и резке металлов обычно применяют ацетилен и кислород.
47. Тепловое расширение Горячую стальную шину легко надеть на колесо. При охлаждении она снова сожмется и будет прочно держаться на колесе. Как правило, твердые, жидкие и газообразные тела при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. Твердые тела расширяются меньше, чем жидкие и газообразные, так как между частицами твердых тел действуют большие силы сцепления. Железный стержень, имеющий при 0° С длину 1 ж, в процессе нагревания непрерывно расширяется, причем он удлиняется на 0,000012 м каждый раз, как температура повышается на один градус. Число 0,000012 называется коэффициентом линейного расширения железа. Каждое твердое вещество имеет свойственный ему коэффициент расширения (например, алюминий —0,000024). Коэффициент линейного расширения показывает, на какую часть своей длины при 0° С удлиняется тело при нагревании на 1°. „ , ,Л ~ Пример. Стальной мост Рис. 142. Стальные шины надевают на п? Г „„f^ „„„„„ onn ., колеса в нагретом состоянии. При 0 С имеет длину 300 М. При повышении температуры на 1° С мост удлиняется на 0,000012-300 м. Если температура повысится на 30° С, то удлинение будет равно 30-0,000012.300 м = 0,108 м = 10,8 см. Если обозначить длину тела при 0°С через /0, длину при t°C через lt, коэффициент линейного расширения через а («альфа»), то можно записать следующее: Длина при 0° С /0; » » гс .... /0+/0-а; » » 2° С .... /0-(-/0-а.2; » » 3° С .... /o + V*'3; » » fc .... /0-Но'а-*- /, = /0(1+а.*). 122
Эта формула находит многообразные применения при расчетах. Если объем тела при 0°С обозначить через v0, при t°C— через vt, то можно вывести формулу vt=v0(l +3a-t), где а — по-прежнему коэффициент линейного расширения тела. Эту формулу применяют для расчетов объемного расширения тел. Обычно линейное расширение твердых тел имеет большее значение, чем объемное расширение. Сильнее всего расширяются газы, так как силы сцепления молекул у них малы. Все газы расширяются одинаково, тогда как различные твердые и жидкие тела имеют разные коэффициенты расширения. При нагревании газа на 1°С при неизменном давлении объем газа увеличивается на -^ часть того объема, который занимает газ при 0°С и том же давлении. Коэффициент расширения газов Т = 273« Если обозначить объем некоторой массы газа при 0° С через v0, объем при t°C через vv то можно записать: Объем при 0° С ... v0; » » 1°С ... v0 + ±v 2°С ... *, + -}-*„¦ 2; 3°С ... v0 + ±v0.3; t°C ... vQ + ^v0-t; *i = *o(l+Y-')- Если газ при нагревании не может расширяться, то его давление непрерывно возрастает, причем каждый раз, как в процессе нагревания газа его температура повышается на один градус, давление возрастает на gio часть того давления, которое имела эта масса газа при 0°С. Повышение давления газа при нагревании без изменения объема можно рассчитать подобно тому, как выводились 123
предыдущие формулы. Мы получим Pt=p00+Y0- Здесь р0 — давление газа при 0°, a pt — давление при t°C. Коэффициент у имеет прежнее значение. Тепловое расширение используют в термометрах — приборах для измерения температуры. Большое распространение имеют термометры, заполненные^кидкостью — ртутью или спиртом. При градуировке термометра за нуль температурной шкалы принимают температуру тающего льда. Температуру кипения воды при атмосферном давлении в 760 тор обозначают числом 100°С. Для измерения высоких температур пользуются термопарами (см. стр. 204). Температуру раскаленных тел можно определить по их цвету и яркости свечения. Измерительные приборы, основанные на оценке излучения тел, называются оптическими пирометрами. Упражнения: 149. При температуре 0° С длина рельсов на участке железнодорожного полотна равна 1 км. Насколько удлинятся рельсы при повышении температуры до 40° С? Сделайте выводы из результатов расчета. 150. Газ при 1° С занимает объем 274 л. Какой объем займет этот газ при 26° С, если давление его останется прежним? 151. При нагревании воды от 0° С наблюдается своеобразное явление: сначала вода сжимается, и только при температуре выше 4° С вода начинает расширяться. При какой температуре вода имеет наибольший удельный вес? 48. Количество теплоты и удельная теплоемкость Когда к телу подводится теплота, то температура тела повышается. Следует различать понятия: «количество теплоты» и «температура». Количество теплоты измеряется в килокалориях (ккал), температура же — в градусах (°С). Килокалорией называется количество теплоты, которое необходимо сообщить одному килограмму воды, чтобы повысить ее температуру на 1°С. Меньшая единица количества теплоты — калория (кал). 1 ккал = 1000 кал. Заметим, что в приведенном выше определении единицы «килокалория» речь идет не об 1 кГ веса воды, а об I кг массы воды, так как количество теплоты, потребное для нагревания тела, зависит от его массы, а не от веса. 124
Пример. Требуется нагреть 1 гектолитр воды от 17 до 60° С. Воде следует сообщить 100-43 ккал = 4300 ккал, тек как разность конечной и начальной температур равна 43° С* Рис. 143. Железо, нагретое в горне, становится ковким. Каждый килограмм топлива выделяет при сгорании определенное количество теплоты, различное у различных видов топлива (рис. 144). При сгорании 1 кг дров Рис. 144. Каждая лопата угля, которую кочегар бросает в топку, дает определенное количество тепловой энергии. выделяется около 3000 ккал, при сгорании 1 кг каменного угля — приблизительно 7000 ккал. Говорят: теплотворная способность каменного угля равна 7000 ккал/кг (читать: ккал на кг). Теплотворная способность брикетов бурого угля равна 4500 ккал/кг. 125
Количество теплоты, которое получает один килограмм вещества, когда его температура повышается на 1°С, называется удельной теплоемкостью этого вещества. Если мы сообщим равное количество теплоты металлу и воде, то при одинаковой массе металла и воды температура металла возрастет больше, чем температура воды. Измерения показали, что удельная теплоемкость металлов во много раз меньше теплоемкости воды. Среди всех известных веществ вода обладает самой большой теплоемкостью. Удельная теплоемкость вещества несколько изменяется при изменении температуры тела. Например, удельная теплоемкость меди при 20° С равна 0,09 -т^^тг и 0,12 кг-град ' кг-град при 900° С. Удельные теплоемкости различных веществ точно измерены в физических лабораториях. Теплотворная способность и удельная теплоемкость относятся к массе 1 кг, а не к весу 1 кГ, так как эти характеристики зависят от массы, а не от веса. Пример: определение удельной теплоты железа. Железный шар, масса которого равна 100 г, нагрет до 100° С и погружен в 200 г воды,имеющей температуру 18° С. После того как шар передал часть своей теплоты воде, оба тела приобрели одинаковую температуру в 22° С. Определить удельную теплоемкость железа с. Количество теплоты, отданной воде: 0,1 -с-78 ккал. Здесь 0,1 — масса железа, с— его теплоемкость, 78— разность температур железа до и после смешения. Количество теплоты, полученной водой от железа: 0,2-1-4 ккал. Здесь 0,2 — масса воды, 1 — ее теплоемкость, 4 — разность температур воды до и после смешения. По закону сохранения энергии количество теплоты, потерянной железом, должно равняться количеству теплоты, полученному водой. Запишем это в виде уравнения: 7,9с = 0,8; отсюда с = 0,1. Следовательно, удельная теплоемкость железа равна 0,1 кг-град' Упражнения: 152. Чему равна удельная теплоемкость воды? 153. На сколько градусов повысится температура 10 кг воды и 10 кг железа, если им сообщить по 40 ккал теплоты? 154. 10 кг каменного угля выделяют при сгорании такое же количество теплоты, как 7 кг бензина. Чему равна теплотворная способность бензина, если теплотворная способность каменного угля равна 7000 ккал/кг? 126
49. Изменение агрегатного состояния Тепловая обработка металлов При закалке, отпуске и других видах термической Обработки стали изменяют ее свойства в нужную сторону, пользуясь теми или иными тепловыми режимами. При температуре каления изменяются внутренняя структура стали, ее прочность, вязкость, хрупкость и т. д. Когда сталь нагревают до определенной температуры в пределах от 721 до 1145° С, то внезапно изменяется пространственная решетка атомов железа (см. стр. 22). Изменяется также положение атомов углерода в решетке, образованной атомами железа. Тепловая обработка стали основана на подобных изменениях ее внутреннего строения. В зависимости от поставленной задачи выбирают либо тепловой режим, способствующий завершению процесса перестройки решетки, либо режим, затрудняющий перестройку решетки (закалка). Плавление При плавлении пространствен- *?п?Л™™?&!^ ная решетка разрушается. Тело обретает твердость и проч- становится жидким. Когда темпе- ность' ратура тела повышается до точки плавления, дальнейшее сообщение ему теплоты не вызывает повышения температуры вплоть до завершения процесса плавления, потому что поступающая теплота расходуется на разрушение решетки твердого тела. Количество теплоты, которое необходимо сообщить 1 кг вещества при температуре плавления для превращения его в жидкость, имеющую ту же температуру, называется теплотой плавления. Теплотой плавления называется количество теплоты, которое нужно сообщить 1 кг какого-нибудь вещества при температуре плавления для превращения его в жидкость, имеющую ту же температуру. 127
Например, теплота плавления льда 80 ккал/кг, теплота плавления железа 30 ккал/кг. Лед при плавлении сжимается; вода при замерзании расширяется. Один килограмм льда при 0°С занимает Рис. 146. Жидкая сталь сверкающей струей льется из плавильной печи. больший объем, чем 1 кг воды при 0°С. Поэтому лед плавает на воде. Железо имеет другие свойства: оно при плавлении расширяется, а при отвердевании сжимается. Точка плавления многих сплавов лежит значительно ниже точек плавления их составных частей. Кипение Точка кипения жидкости зависит от давления воздуха или иного газа, находящегося над поверхностью жидкости. Чем больше атмосферное давление, тем более затруднено образование пузырьков пара в жидкости. Точкой кипения при нормальных атмосферных условиях называется точка кипения при атмосферном давлении 760 мм рт. ст. Вода кипит при 100°С только тогда, когда давление воздуха равно 760 мм рт. ст. На вершине величайшей на Земле горы Джомолунга (Эверест), высотой 8848 м, атмосферное давление приблизительно равно 230 мм рт. ст., поэтому вода закипает там при 70° С. В котлах паровых машин, где давление пара равно 25 am,вода кипит при 223°С. Во время кипения жидкости ее температура не изменяется, потому что сообщаемая жидкости теплота расхо- 128
дуется на превращение ее в пар. Из одного литра кипящей воды образуется 1700 литров водяного пара, имеющего температуру 100° С и давление 760 мм рт. ст. Количество теплоты, которое нужно сообщить 1 кг жидкости, находящейся при температуре кипения, чтобы обратить жидкость в пар, имеющий ту же температуру, называется теплотой парообразования. Рис. 147. Котел для кипячения на химической фабрике. Как теплота плавления, так и теплота парообразования зависят от природы вещества и от массы тела, изменяющего свое агрегатное состояние. Поэтому в определения этих величин входит единица массы (1 кг), а не веса (1 кГ). Теплота парообразования воды равняется 540 ккал/кг. Парообразование, происходящее только на поверхности жидкости, называется испарением. Теплота, необходимая для испарения жидкости, отбирается у самой жидкости. Поэтому жидкость при испарении охлаждается. Это явление используют в холодильных машинах, в газовых и электрических холодильниках. Упражнения: 155. Точка плавления серого чугуна равна 1200° С, тогда как точка плавления чистого железа равна 1528° С. Дайте объяснение. 156. 2 кг воды при 18° С нужно нагреть до температуры кипения, а затем испарить. Сколько для этого потребуется ккал} 129
50. Механический эквивалент теплоты Плохо смазанные оси станков и транспортных машин нагреваются. Чем больше трение, тем больше выделяется теплоты. При опиловке, сверлении и фрезовании деталь и инструмент нагреваются, потому что их движению препятствуют силы трения. Действие сил трения приводит к тому, что часть механической энергии, расходуемой на выполнение работы, переходит в тепловую энергию. Рис. 148. Смазка уменьшает трение в подшипниках и осях машин (защитный кожух зубчатой передачи снят). Обратно, тепловая энергия может превратиться в механическую, например в паровых машинах. При взаимных превращениях механической и тепловой энергии соблюдается определенное количественное соотношение, установленное опытом и расчетами. Израсходовав 427 кГм механической энергии, всегда можно получить 1 ккал теплоты. Обратно, превратив 1 ккал тепловой энергии в механическую энергию, можно совершить 427 кГм работы. Этот переводной множитель называется механическим эквивалентом теплоты. 1 ккал А 427 кГм. Так как киловатт-час (квт-ч) соответствует округленно 360 000 кГм, то можно вычислить, какое количество тепло- 130
ты соответствует одному киловатт-часу энергии: 427 кГм соответствуют 1 ккал, 1 кГм соответствует -щ ккал, о^а ллл г 360 000 360 000 кГм соответствуют 49у ккал, 1 квт-ч соответствует 860 ккал. Так как ватт-секунда (вт-сек) соответствует 1/10 кГм, то 1/10 кГм соответствует 427.io ккал, 1 вт-сек соответствует 427 1Q кал = 0,24 кал. Теплоту можно получить, замедлив движение тела, и тело можно привести в движение, затратив некоторое количество теплоты. На этом основании уже давно было высказано предположение, что тепловая энергия есть не что иное, как особая форма энергии движения. Было доказано, что атомы твердого тела тем быстрее колеблются около положений равновесия в кристаллической решетке, чем выше температура тела. В газах обычно два или больше атомов соединены в молекулу. Молекулы газов беспорядочно движутся поступательно и, кроме того, вращаются. Линейная скорость молекул и частота, с которой они вращаются, возрастают с повышением температуры. Например, в воздухе средняя скорость молекул азота при 0° С равна 500 м/сек, а при 1092° С — около 1000 м/сек. Чем выше температура тела, тем больше скорость его молекул. Теплота — это энергия движения атомов и молекул. При охлаждении тела скорость беспорядочного движения его молекул и атомов уменьшается. При температуре —273,2° С эта скорость обращается в нуль. Поэтому температура —273,2°С называется абсолютным нулем. Это предел самой низкой температуры, которая возможна в природе. Ученым удалось получить температуры, которые лишь на несколько тысячных долей градуса лежат выше абсолютного нуля. Низкие температуры достигаются при сжижении газов. Например, жидкий воздух, прозрачный как вода, при давлении 760 мм рт. ст. кипит при температуре —191° С, жидкий гелий — при —269° С. 131
Хотя одна килокалория эквивалентна 427 кГм механической энергии, однако из 1 ккал никак нельзя получить все это количество работы. Все тепловые машины, в которых тепловая энергия превращается в механическую, работают со значительными потерями. Обычно в паровых машинах (рис. 149) используется меньше 18% тепловой энергии топлива. Паровые турбины и бензиновые двигатели превращают в механическую энергию в среднем 28%, а дизельные двигатели 34% энергии топлива. Значительная часть тепловой энергии расходуется при этом бесполезно и уходит на нагревание холодильника или воздуха (см. стр. 252—256). Вся расходуемая тепло- бая энергия никогда не превращается без потерь в механическую энергию. Когда стальной шарик падает на стальную плиту, то под действием сил упругие. 149. В паровой машине тепловая Г0СТИ 0Н ™3 ПОДСКаКИВа- энергия превращается в механическую. еТ ВВерХ. ОднаКО ШарИК Это можно использовать для вращения ппгтмгнрт ппм отпм prhpr генераторов электроэнергии. не ДОСТИГНеТ При ЭТОМ СВОеИ первоначальной высоты, потому что при ударе часть энергии движения шарика превращается в тепловую энергию, которая распределяется в стальной плите и шарике. Никаким способом нельзя снова собрать эту тепловую энергию, превратить ее в кинетическую энергию шарика и заставить его вновь подскочить на исходную высоту. Расходуемую тепловую энергию невозможно целиком превратить в механическую энергию. Хотя 1 ккал тепловой энергии соответствует 427 кГм механической энергии, однако, чтобы превратить такое количество теплоты в механическую энергию, нужно иметь в своем распоряжении и затратить значительно больше тепловой энергии. Механическая энергия может превращаться в тепловую без остатка. Это позволило определить численное значе- 132
ние механического эквивалента теплоты. За счет энергии, запасенной в поднятом грузе, приводилась в движение мешалка, помещенная в сосуд с водой. От трения лопастей мешалки о воду вода нагревалась. Израсходованную механическую энергию и полученную водой, мешалкой и сосудом тепловую энергию легко рассчитать по данным измерения температуры, массы и других величин. Затем, пользуясь законом сохранения энергии, можно вычислить механический эквивалент теплоты. Такой опыт был произведен Джоулем около 100 лет назад. Очень прост и нагляден следующий опыт определения механического эквивалента теплоты. В картонную трубку длиной около 1 м насыпают известное количество свинцовой дроби весом, например, 1 кГ. Закрывают трубку пробкой, а затем переворачивают трубку 10 раз. В этом опыте 1 кГ дроби 10 раз падает с высоты 1 м. При этом совершается 10 кГм работы, которая при падении дроби на дно трубки превращается в теплоту. Повышение температуры дроби можно измерить термометром и, зная массу дроби и ее удельную теплоемкость, вычислить количество выделившейся теплоты, а затем оценить значение механического эквивалента теплоты. Упражнения: 157. Если ударить несколько раз молотком по кускам стали и свинца, имеющим равный вес, то свинец нагреется сильнее стали. Почему? 158. Какое количество тепловой энергии (в кГм) можно получить при сжигании 1 кг каменного угля? Теплотворная способность его 7000 ккал/кг. 51. Перенос теплоты Теплота, выделяющаяся при работе двигателя внутреннего сгорания, отводится наружу через охлаждающие ребра мотора. Когда часть атомов куска металла, получив извне тепловую энергию, начинает сильно колебаться, то это колебательное движение передается другим атомам металла. Тепловая энергия быстро распространяется в металлах. Металлы — хорошие проводники теплоты. Стекло, асбест, дерево, жидкости (неметаллы) — плохие проводники теплоты. 133
Шерстяные ткани защищают от холода в значительной мере потому, что в них имеются маленькие воздушные ячейки и прослойки воздуха, образующие вместе с волокнами ткани как бы миниатюрные двойные рамы. Меховая одежда сохраняет тепло лучше, чем хлопчатобумажная, потому что мех содержит больше воздуха, а воздух плохо проводит тепло. Так как теплопроводность основана на передаче колебательного движения от атома к атому, то абсолютно пустое пространство не обладает теплопроводностью. Термос имеет двойные стенки, образующие замкнутую полость. Из этой полости удаляют откачкой почти весь воздух, чтобы затруднить передачу теплоты из термоса в окружающее пространство. Воздух, обдувающий ребра воздушного охладителя двигателя, отводит от них теплоту. Перенос теплоты потоком газа или жидкости называется конвекцией. В электрическом вентиляторе с подогревом воздуха (фен) струя воздуха отбирает теплоту у накаленной металлической спирали. Тепло, которое получает Земля от Солнца, переносится не теплопроводностью и не конвекцией, Рис. 150. Цилиндры двигателей внутрен- ПОТОМУ ЧТО Между ЗеМЛеЙ НеГОСГОР^Иш7ьшР^ГадГеблРемМИ-В°3- И СоЛНЦвМ НЗХОДИТСЯ без- воздушное пространство. Тепло от Солнца приносят нам световые волны, нагревающие поверхность, на которую они падают. Нагретое тело излучает световые (электромагнитные) волны. При этом часть тепловой энергии тела превращается в энергию излучения. Когда излучение поглощается другим телом, то энергия излучения вновь превращается в тепловую энергию. Следовательно, тепло может передаваться от одного тела к другому также посредством лучеиспускания. 134
В излучении Солнца имеются такие волны, которые не воспринимаются сетчаткой человеческого глаза, хотя по своей природе они не отличаются от видимой части солнечного света. Невидимое световое излучение можно распознать по его тепловому действию. Такое излучение тел называют тепловым излучением. Тепловая энергия переносится при помощи теплопроводности, конвекции и лучеиспускания. В водяном отоплении (рис. 151) тепло переносится конвекцией. В подвальном этаже здания устанавливают котел Я. От котла в верхние этажи прокладывают трубы, которые затем снова возвращаются в котел. Между трубами, идущими вверх и спускающимися обратно к котлу, расположены нагревательные батареи R. Вода, нагретая в котле, имеет меньшую плотность, чем холодная вода. Поэтому нагретая вода поднимается вверх и гонит впереди себя холодную воду, которая, попав в котел, в свою очередь нагревается и уходит вверх по трубам. Бак А, помещенный на чердаке здания, принимает в себя излишек воды, появляющийся при ее тепловом расширении, л Черные шероховатые поверхности лучше испускают невидимые лучи, несущие много энергии, чем светлые полированные поверхности. Вместе с тем черное тело хорошо поглощает излучение. Покрытый сажей термометр нагревается на солнце сильнее, чем незачерненный термометр. Если поместить зачерненный термометр возле куска льда, то в нем столбик ртути опустится также скорее, чем у незачерненного термометра. Рис. 151. Схема водяного отопления. 135
Упражнения: 159. Снежный покров защищает посевы от промерзания. Почему? 160. Почему железная печь нагревает комнату быстрее* чем кафельная? 161. Накипь в котлах— плохой проводник тепла. Какую это создает опасность? 162. Стекло прозрачно для видимых лучей света, но непрозрачно для невидимых, несущих много энергии. На этом основано устройство парников. Объясните. 163. Почему ручку у кочерги целесообразно сделать из дерева? 164. У стеклянной и стальной палочек длиной 20 см один конец разогрет до красного каления. Можно ли палочки держать рукой за второй конец?
Г. СВЕТ Рис. 152. Солнце в лесу. В воздухе видны параллельные потоки световых лучей.
I. ЛУЧИ СВЕТА 52. Сила света. Освещенность Рабочий стол чертежника освещается электрической лампочкой, которая имеет силу света в 60 свечей. Это значит, что лампочка дает в 60 раз больше света, чем лампа, сила света которой принята за единицу. Эталонным источником света раньше служила лампа с фитилем (ширина фитиля 8 мм, высота пламени 40 мм, горючая жидкость — амилацетат). Сила света такой лампы называлась свечей Гефнера. Позднее в качестве единицы силы света была введена так называемая международная свеча (ев). Эти две единицы мало отличаются друг от друга: международный эталон равен 1,111 свечи Гефнера. Стеариновая свеча диаметром 2 см при высоте пламени 5 см имеет силу света, близкую к одной международной свече. света — одна международная све- Рис. 153. Характеристикой источников света служит «сила света» источника; поверхность, на которую падает свет, характеризуют ее «освещенностью». силы Единица ча (1 ев). Светильники для освещения улиц имеют силу света приблизительно в 100 св. Поверхность, на которую падает свет, имеет определенную освещенность. Освещенность тем больше, чем ближе к поверхности находится лампа и чем больше сила света этой лампы. Имеет также значение угол, под которым световые лучи падают на поверхность. При косом падении лучей освещенность меньше, чем при перпендикулярном падении. Единица освещенности называется люксом. Такую освещенность имеет небольшая площадка, когда на расстоянии в 1 ж от нее находится источник в I ев и лучи света падают перпендикулярно к поверхности площадки. Если 138
такой источник отдалить от площадки на 2 ж, то освещенность ее снизится до -г- люкса; если расстояние увеличить о « 1 до 3 м, то освещенность станет равной -^- люкса. Единица освещенности —люкс {лк). При чтении рекомендуется обеспечить освещенность в 100 люкс. Упражнение: 165. Какую освещенность создает керосиновая лампа в 20 ев на странице книги, находящейся на расстоянии 1 м, при перпендикулярном падении лучей? 53. Изображения в зеркалах За участком дороги, находящимся позади мотоцикла, мотоциклист наблюдает, глядя в выпуклое зеркало. Такие зеркала дают уменьшенное прямое изображение. Рис. 154. Выпуклое зеркало. Рис. 155. Плоское Рис. 156. Вогнутое зеркало. зеркало. В плоском зеркале изображение имеет те же размеры, что и сам предмет. Зеркало для бритья представляет собой сферическое вогнутое зеркало. Вогнутое зеркало дает прямое увеличенное изображение предмета, поднесенного близко к зеркалу. Выпуклое зеркало дает прямое уменьшенное изображение. 139
(Перпендикуляр Вогнутое зеркало, помещенное на близком расстоянии от предмета, дает прямое увеличенное изображение. Все эти изображения называют мнимыми, ибо нам лишь кажется, что они находятся за зеркалом. Однако линзы или вогнутые зеркала дают и действительное изображение предмета, которое можно увидеть на экране, например в кинотеатре. Луч, падающий на плоское зеркало, перпендикуляр, восстановленный в точке падения, и отраженный луч лежат в одной плоскости (рис. 157). Угол отражения равен углу падения. Упражнение: 166. В зеркальных изображениях правая и левая стороны предмета меняются местами. Как в этом убедиться? Рис. 157 Отражение светового луча. а=р (читать: «альфа равно бета»). 54. Преломление света Кисть, опущенная в стакан с водой, кажется нам переломленной (рис. 158). Но это только обман зрения. Луч, исходящий из точки Л, выходя из воды, изменяет свое направление. Луч преломляется. Преломленный луч имеет такое направление, как если бы он исходил из точки В. Поэтому погруженная в воду часть кисти представляется нам смещенной вправо относительно ее истинного положения. Преломление происходит на границе раздела двух сред, например, когда лучи света переходят из воздуха в воду или из воды в воздух, из воздуха в стекло или из стекла в воздух. Однако световые лучи не преломляются, если они падают перпендикулярно к поверхности раздела сред. Рис. 158. Преломление световых лучей в воде- 140
Угол падения луча в воздухе а (рис. 159) всегда больше угла преломления в воде р. Простыми опытами можно убедиться, что при изменении угла падения луча изменяется также угол преломления, однако значение величины sin a Перпенйикуляр sin jJ всегда остается неизменным для данных двух сред (закон преломления света). Величина п называется показателем преломления. Для воды показатель преломления равен 1,33, для стекла — приблизительно 1,5. Луч света, падающий наклонно на плоско-параллельный слой стекла, воды и т. д., выходит из слоя смещенным параллельно первоначальному направлению (рис. 160 и 161). Каждому приходилось наблюдать, что свет, проходя через граненое стекло, не только преломляется, но и разлагается на цвета (дисперсия света). Преломленный пучок Рис. 159. Преломление светового луча при переходе из воздуха в воду. Рис. 160. Преломление света при прохождении через плоско-параллельную пластинку стекла. Вследствие преломления мы видим черту под пластинкой не там, где она находится в действительности. Она кажется нам параллельно смещенной вверх. Рис. 161. Луч, проходя через кювету, наполненную водой, преломляется и смещается параллельно первоначальному направлению. белого света распадается на ряд примыкающих друг к другу пучков, окрашенных в различные цвета; наиболее ясно выделяются красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. Это составные цвета 141
разложенного белого света. Полученная цветная полоска называется спектром. По обе стороны этой цветной полосы можно обнаружить лучи, которые не создают в нашем глазу светового ощущения, но вызывают ряд физических и химических явлений. За красной частью спектра расположена инфракрасная область спектра, которую можно обнаружить по ясно выраженному тепловому действию инфракрасных лучей. За Рис. 162. Кварцевая ртутная лампа. Электрическая дуга, горящая в парах ртути, излучает не только видимый свет, но и ультрафиолетовые лучи большой интенсивности. фиолетовой частью спектра расположена ультрафиолетовая область спектра, которую проще всего обнаружить по химическому действию ультрафиолетовых лучей (рис. 162). Разложение пучка белого света на ряд цветных пучков, расходящихся веером, объясняется тем, что луч белого света, вступая в стекло, распадается на множество цветных лучей, которые различно преломляются в стекле. Например, красные лучи преломляются в стекле меньше, чем фиолетовые, и выходят из стекла в другом месте и под другим углом, чем фиолетовые. Световые лучи преломляются при переходе из одной среды в другую. Пучок белого света, преломляясь, распадается на множество пучков различного цвета. Действие линз, применяемых во многих оптических приборах для получения изображения предметов, основано на преломлении света в стекле. При этом белый свет не только преломляется, но и разлагается на цвета, что в боль- 142
шинстве случаев нежелательно, потому что при этом края изображения предмета приобретают окраску, несвойственную самому предмету. Для уменьшения этого недостатка в изображении предметов применяют специальные оптические системы, составленные из линз, изготовленных из разных сортов стекла. Упражнения: 167. Почему прозрачный ручей кажется нам, когда мы глядим на его дно, менее глубоким, чем это соответствует действительности? 168. Объясните мерцание света в воздухе, например, над пламенем газовой горелки. 169. Укажите явления, которые объясняются разложением света на цвета. 55. Фокус Выпуклая линза собирает падающие на нее параллельные лучи солнца в одно светлое пятнышко, которое называется фокусом линзы. По этой причине выпуклые линзы Рис. 163. Спичка загорается в фокусе линзы, освещенной солнцем. называют собирательными линзами. Расстояние фокуса от линзы называется фокусным расстоянием. Фокусное расстояние тем короче, чем больше выпуклость (кривизна) линзы. Фокусное расстояние зависит также от сорта стекла, из которого изготовлена линза. Стекло, содержащее свинец (флинтглас), преломляет световые лучи сильнее, чем кронглас — стекло, не содержащее свинца. Поэтому линза из ИЗ
Луч, идуищЯ 0$* параллельно оси флинтгласа имеет более короткое фокусное расстояние, чем линза такой же кривизны из кронгласа. Так как лучи синего света преломляются сильнее красных, то фокус синих лучей лежит ближе к линзе, чем фокус красных лучей. Если источник света поместить в фокусе выпуклой линзы (рис. 164), то световые лучи после преломления выйдут из линзы параллельным пучком. Это свойство линз часто используют в технике. Выпуклые линзы: 1. Параллельные лучи собираются в фокусе линзы. 2. Лучи, исходящие из фокуса линзы, выходят из нее параллельным пучком. Линзы с вогнутыми поверхностями называются вогнутыми линзами. Такие линзы рассеивают пучок параллельных Рис. 164. Выпуклая линза. -?F Рис. 165. Вогнутая линза. Рис. 166. Отражение световых лучей от вогнутого зеркала. лучей (рис. 165) и поэтому называются также рассеивающими линзами. Вогнутые линзы и выпуклые зеркала не имеют действительного фокуса. Они имеют мнимый фокус Z, из которого как бы исходят расходящиеся лучи (в мнимом фокусе пересекаются продолжения этих лучей — пунктирные линии на рис. 165). Вогнутое зеркало собирает падающие на него параллельные лучи в своем фокусе (рис. 166, справа). Лучи, выходящие из фокуса, отражаются от зеркала параллельным пучком (рис. 166, слева и рис. 167). Такое расположение вогнутого зеркала и источника света применяют в прожекторах. Вогнутые зеркала: 1. Параллельные лучи собираются в фокусе зеркала. 2. Лучи, выходящие из фокуса, отражаются от зеркала параллельным пучком. 144
Если предмет находится между фокусом и вогнутым зеркалом, то мы видим в зеркале мнимое прямое увеличенное изображение предмета (см. стр. 138). Если же предмет находится от зеркала дальше, чем фокус, то вогнутое Рис. 167. Лампа автомобильной фа- Рис. 168. Прибор для определения ры помещена в фокусе вогнутого оптической силы очковых стекол в зеркала. диоптриях, а вместе с тем и их фокусного расстояния. зеркало дает действительное перевернутое изображение, которое можно принять на экран. На этом основано устройство астрономических зеркальных телескопов. В них имеется вогнутое зеркало, которое дает действительное уменьшенное изображение изучаемого небесного тела. Это изображение рассматривают в сильную лупу. Чем короче фокусное расстояние линзы, тем сильнее она преломляет лучи света. Мерой преломления лучей в линзе служит оптическая сила линзы — обратная величина ее фокусного расстояния. Если фокусное расстояние измеряют в метрах, то оптическую силу линзы получают в диоптриях. Так, выпуклая линза с фокусным расстоянием 2 м имеет оптическую силу в +-g- диоптрии (рис. 168). Знак плюс показывает, что речь идет о собирательной линзе. Оптическую силу рассеивающей линзы указывают со знаком минус. 145
Упражнения: 170. Чему равно фокусное расстояние линзы в +4 диоптрии? 171. Близорукий носит очки со стеклами в —2 диоптрии. Как понять это обозначение? 56. Изображения предметов, создаваемые выпуклой линзой На матовом стекле фотоаппарата видно действительное, обратное, уменьшенное изображение предмета, созданное выпуклой линзой. Мы поймем, как получаются изображения в выпуклых линзах, если проследим ход световых лучей, исходящих от рассматриваемого предмета (рис. 170). Рис. 169. На матовом стекле фотоаппарата получается обратное изображение предмета. На чертеже, кроме фокусов F и F', отмечены также точки D и D', находящиеся вдвое дальше от линзы, чем фокусы. От уличного фонаря G исходит много лучей, среди Предмет Изображение Рис. 170. Построение изображения в выпуклой линзе. них и луч 1, проходящий через фокус линзы. После преломления в линзе он идет параллельно ее оптической оси. Луч 2, идущий от фонаря параллельно оптической оси, 146
после преломления в линзе проходит через ее фокус. Оба преломленных луча I и II пересекутся в точке S. В этой же точке соберутся и все остальные преломленные линзой лучи, вышедшие из G. Если в точке S поставить матовое стекло или белый экран, то мы увидим на их поверхности светящуюся точку S. Поэтому точка S есть изображение светящегося тела G. Подобным способом можно построить изображения и всех других точек фонаря; мы получим его уменьшенное, обратное и действительное изображение. Изображения, которые можно получить на экране или на матовом стекле, называют действительными изображениями. Положение изображения предмета можно определить не только графическим способом, но и при помощи расчета. Если обозначить фокусное расстояние линзы буквой /, расстояние предмета до линзы через а, расстояние от линзы до изображения через 6, то для выпуклых линз справедливо следующее уравнение: 1 = 1 + 1. Зная две из величин, входящих в эту формулу, можно найти третью. Если, например, известно, что предмет находится на расстоянии а=54 см от линзы с фокусным расстоянием /=18 см, то производят следующий расчет: 1 1 ь" f 1-1+1 1112 "а-18 54 — 54 6 = 27. Следовательно, изображение получается на расстоянии 27 см по другую сторону линзы. Из приведенного примера видно, что формула линзы имеет большое значение для расчетов всех оптических приборов, содержащих линзы. Если предмет удален от выпуклой линзы больше, чем на двойное фокусное расстояние, то получается обратное, уменьшенное, действительное изображение, расположенное по другую сторону линзы между фокусом F' и точкой D'. Предмет и его изображение можно поменять местами: если светящийся предмет находится справа от линзы в 147
точке S, то его изображение мы найдем в точке G, слева от линзы (рис. 170). Следовательно, если предмет находится между фокусом F' и точкой D'', лежащей на двойном фокусном расстоянии, то получается увеличенное, обратное и действительное изображение, расположенное дальше точки D. Выпуклая линза дает действительное изображение, когда предмет находится дальше фокуса линзы. В проекционных аппаратах, кино- и фотоаппаратах и других оптических инструментах используют линзы для получения действительных изображений. Простая линза дает нерезкие и искаженные изображения. Объясняется это тем, что лучи света, падающие на края линзы, преломляются сильнее центральных лучей (сферическая аберрация). Пучки света, имеющие разную окраску, тоже преломляются неодинаково сильно (хроматическая аберрация). Косо падающие на линзу лучи, исходящие из точечного источника света, дают изображение в виде светлой полоски (астигматизм). Эти недостатки линз исправляют, комбинируя несколько линз, изготовленных из разных сортов стекла и имеющих различную кривизну. Объективы высококачественных оптических приборов всегда состоят из нескольких линз. Упражнения: 172. Пользуясь увеличительным стеклом, получите в темной комнате на листе тонкой белой бумаги (писчей) уменьшенное, обратное, действительное изображение горящей свечи. 173. Измените расстояние между увеличительным стеклом и свечой и получите обратное, увеличенное, действительное изображение свечи. 174. Постройте изображение предмета, находящегося на двойном фокусном расстоянии от линзы. Получилось ли изображение увеличенным или уменьшенным? 175. Назовите приборы, в которых имеются линзы. П. ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ 57. Фотографический аппарат Объективом фотографического аппарата в простейшем случае может служить выпуклая линза, дающая на фотопластинке или на фотопленке обратное действительное изображение. Однако обычно объектив состоит из многих 148
линз. Это делается для исправления погрешностей изображения. На оправе объектива указывают его фокусное расстояние. Фокусное расстояние объектива, изображенного на рис. 171, равно 18 см (F = 18 еж). Диафрагма переменного диаметра позволяет изменять размеры круглого отверстия, через которое свет поступает в фотографический аппарат. Если желают получить резкое изображение не только фотографируемого предмета, но и предметов, которые находятся ближе к аппарату и дальше от него, то отверстие диафрагмы следует уменьшить. Чем меньше отверстие диафрагмы, тем больше глубина резкости объектива. Например, при диафрагме 9 объектив широко раскрыт, его диаметр равен -у фокусного расстояния, т. е. 2 СМ. При Диафрагме 36 ДИа- Рис- 171-Объектив фотоаппарата, а- r i"! Tf v м " шкала экспозиции, б — шкала диа- Метр ОТВерСТИЯ ОбъеКТИВа фрагмы, в — рычаг взведения затво- ра, г — спуск (при нажатии на пялрн тштттт. _иягт1Т rhnvvr это1 Рычажок взведенный затвор FaDCtl JimiiD gg чаи и цкжус- сработает и откроет объектив на вре- мя экспозиции). ~2~ Чем меньше отверстие диафрагмы, тем больше должно быть время экспозиции, потому что за равное время в аппарат проникает через маленькое отверстие меньше света, чем через большое отверстие. Время экспозиции следует выбирать с учетом освещенности объекта, установленной диафрагмы и чувствительности фото-пленки. Фотографические пластинки или пленки покрыты слоем желатина, в который введены мельчайшие кристаллики светочувствительной соли серебра. На фотоэмульсию падает изображение предмета, при этом в освещенных местах выделяются черные крупинки металлического серебра. Под действием света этот процесс разложения соли серебра только начинается, а затем он интенсивно проходит при погружении пленки в раствор проявителя. Остатки не- разложившейся соли серебра удаляются в ванночке 149
с закрепителем (фиксажем), в результате получается нечувствительный к свету черно-белый негатив. Для получения отпечатков с негатива без увеличения его кладут (слоем эмульсии вниз) на светочувствительную бумагу. Затем освещают сверху негатив, лежащий на бумаге, проявляют и закрепляют отпечаток, на котором получается позитивное изображение сфотографированного предмета. Упражнение: 176. Фокусное расстояние объектива F = 18 см. Каков будет диаметр отверстия объектива при диафрагме 18 и 12? 58. Проекционный аппарат Проекционный аппарат дает на экране значительно увеличенное изображение. Из-за большого увеличения проектируемый снимок (фотопленка или фотопластинка) следует сильно осветить. Поэтому в проекционном аппарате имеются мощный источник света и конденсор, состоящий Рис. 172. Узкопленочный проектор (375 ватт, 750 вольт). из двух выпуклых линз. Конденсор собирает лучи света и обеспечивает хорошее и равномерное освещение диапозитива или фотопленки, помещенной на некотором расстоянии от объектива, большем фокусного и меньшем двойного фокусного расстояния. Объектив состоит из нескольких линз, он создает на экране изображение проектируемого объекта. 150
Конденсор освещает диапозитив. Объектив дает на экране изображение проектируемого предмета. Эпископ служит для проектирования на экран рисунков и текста книги (рис. 173). Киноаппарат проектирует на экран быстро сменяющиеся фотографические изображения отдельных стадий Зеркало для эпи проекции / Зпиобъектив Рефлектор Вентилятор Выключатель Отратателд/foe зеркало Диаобъектив Диаконденсор Рисунок для зп и проекции Диапозитив^ Рис. 173. Эпидиаскоп (соединение проекционного аппарата и эпископа в одном приборе). движения предметов. Если перед глазами зрителя за одну секунду сменяются двадцать последовательных изображений, то у него создается иллюзия живой картины. Это объясняется нашей способностью сохранять некоторое время зрительное впечатление после того, как изображение ушло с экрана. Мы не замечаем пауз при быстрой смене проектируемых кадров киноленты. Упражнения: 177. Почему диапозитив надо вставлять в аппарат вверх ногами? 178. На каком расстоянии от источника света должна быть помещена первая линза конденсора, если она должна создавать пучок параллельных лучей? 59. Лупа Лупа — это выпуклая линза, позволяющая видеть предмет в увеличенном виде, когда ее помещают достаточно близко к рассматриваемому объекту. На рис. 175 показам рычажок G регулятора хода карманных часов, рассматриваемый в лупу. Лупу приближают 151
к предмету на такое расстояние, при котором предмет находится между фокусом и самой лупой. Луч 2, продолжение которого проходит через фокус, после преломления в линзе пойдет параллельно ее оптической оси (стрелка /). Луч 2, идущий к линзе параллельно оптической оси, после преломления проходит через фокус (стрелка //). Лучи I и II не пересекаются, поэтому действительного изображения рычажка мы не получим. Однако когда лучи I и II попадают в глаз наблюдателя, то он получает такое же впечатление, как если бы эти лучи исходили из точки S, лежащей на пересечении продолжений лучей (показаны на чертеже пунктиром). В этой точке наблюдатель увидит кончик рычажка. Изображение рычажка получается прямое и увеличенное. Изображение, которое мы видим в лупу, называется мнимым, так как его нельзя получить на экране. Прямые, увеличенные и мнимые изображения можно наблюдать только тогда, когда рассматриваемый предмет расположен между фокусом и линзой. Рис 174. Часовщик постоянно пользуется лупой. Рис. 175. Ход лучей в лупе. Если предмет помещен между фокусом и выпуклой линзой, изображение получается прямое, увеличенное и мнимое. Увеличение лупы тем больше, чем меньше ее фокусное расстояние. 152
Упражнение: 179. Воспользуйтесь выпуклой линзой с известным фокусным расстоянием и убедитесь на опыте, что она действует как лупа, когда рассматриваемый предмет помещен между фокусом и самой линзой. 60. Микроскоп Рассматривая в микроскоп маленькие предметы, мы видим их увеличенными во много раз. При работе с микроскопом смотрят в окуляр и, вращая винт микроскопа, приближают объектив к рассматрива- Рис. 176. Работа с микроскопом. Бинокулярный микроскоп создает объемные изображения предметов. емому предмету, пока не станет видно резкое изображение предмета. Объективом служит короткофокусная собирающая система линз, дающая действительное, обратное, увеличенное изображение предмета. Это изображение рассматривают в лупу (окуляр) — рис. 177. Системы линз, из которых составлены объектив и окуляр микроскопа, рассчитаны и изготовлены очень искусно; они обеспечивают не только большое увеличение, но и хорошее качество изображения. 153
К микроскопам прилагают наборы сменных объективов и окуляров. Комбинируя различные объективы и окуляры, можно получать различные увеличения. Предметный столик микроскопа имеет круглое отверстие, позволяющее рассматривать прозрачные предметы, Окуляр Объектиб А Рис. 177. Ход лучей в микроскопе. освещенные снизу. Для лучшего освещения таких предметов служит подвижное вогнутое зеркальце, укрепленное на ножке микроскопа. Объектив микроскопа дает действительное, обратное, увеличенное изображение, которое снова увеличивают, рассматривая в окуляр, как в лупу. Современные микроскопы обеспечивают увеличение в 1000—2000 раз (рис. 178). Неспециалист может подумать, что, применяя более сильные объективы, мы повысим увеличение микроскопа и проникнем в мир атомов. Однако разрешающая способность оптических микроскопов имеет предел. Две точки рассматриваемого предмета видны раздельно в микроскоп только тогда, когда они удалены друг от друга не меньше чем на ?щ мм. Более тонкие детали строения предме- Рис. 178. Бациллы хоп^ы (увеличено TQB мы Re можем 0бкару- жить, потому что световые волны, встретив на своем пути очень близко расположенные детали препарата, огибают их и создают оптическую картину, не соответ- 154
ствующую действительному строению изучаемого предмета. Значительно большей разрешающей способностью обладает ультрамикроскоп. Этим прибором можно обнаружить частички размером в 25Q QQQ мм. Пользуясь ультрамикроскопом, можно сосчитать мельчайшие тельца, взвешенные в жидкости, например в воде. Однако мы не можем установить их форму. В ультрамикроскопе предметы освещены сбоку и рассматриваются на темном фоне. В обыденной жизни мы не раз замечали, что мельчайшие частицы, обычно невидимые, можно обнаружить на темном фоне при боковом освещении. Когда солнечный луч проникает в темную комнату, то на пути луча ясно видны парящие в воздухе пылинки. При ярком дневном свете, заполняющем всю комнату, эти пылинки не видны. В луче света их можно даже сосчитать, но форма пылинок нам представляется в совершенно искаженном виде. Электронные микроскопы, в которых использованы не пучки света, а пучки электронов, и стеклянные линзы заменены электрическими и магнитными фокусирующими устройствами, позволяют получить правильные изображения мельчайших тел, невидимых в оптические микроскопы и наблюдаемых в ультрамикроскопы в искаженном виде. В электронный микроскоп можно увидеть крупные белковые молекулы (например, молекулы красящего вещества крови виноградных улиток). У п р а'ж нения: 180. Укажите возможные применения микроскопа. 181. Убедитесь в огибании лучами света краев малых отверстий: посмотрите на уличный фонарь через раскрытый дождевой зонтик. Вы увидите картину, которая не соответствует истинной форме фонаря» III. ВОЛНОВАЯ ПРИРОДА СВЕТА 61. Световые волны В настоящее время известно, что световые волны имеют ту же природу, что и радиоволны. Подобно источнику света, антенна передающей радиостанции излучает во все стороны электромагнитные волны, распространяющиеся в пространстве со скоростью 155
300 000 км/сек; эти волны, однако, не воспринимаются нашим глазом. Скорость распространения света в пустоте равна 300 000 км! сек. Скорость света в воздухе практически не отличается от скорости в пустоте, в стекле она равна 200 000 км/сек, в воде 225 000 км/сек. После того как скорость света была уже вычислена на основании астрономических наблюдений, Физо впервые Рис. 179. Два излучателя электромагнитных волн. определил ее в 1849 году, поставив следующий остроумный опыт. Луч света, идущий от источника L (рис. 180), падает на стеклянную пластинку G в точке А. Часть света проходит сквозь пластинку, а часть отражается, пробегает путь длиной в километр, отражается от зеркала S в точке В, возвращается обратно к пластинке G, проходит ее в точке А и попадает в глаз наблюдателя. R — зубчатое колесо. Световой луч может пройти от Л до В и обратно только в том случае, если он встречает просвет между зубцами колеса. Если вращать колесо R все быстрее и быстрее, то при определенной скорости вращения наблюдатель отметит исчезновение света. Темнота будет наблюдаться, когда цуг световых волн, идущих от точки А, пройдя между зубцами колеса и отразившись в точке В, на обратном пути встретит не промежуток между зубцами, а сле- 156
дующий зубец колеса. За время, потребовавшееся для поворота колеса на угол, при котором промежуток сменяется зубцом, свет пробегает путь от Л до В и обратно. Этот промежуток времени можно вычислить, если известны число оборотов колеса в единицу времени и число его зубцов и промежутков. Измерив путь, пройденный светом (2-ЛВ), и разделив его на время, Физо получил значение скорости света, приведенное нами выше. Горящая спичка и другие источники света подобны радиопередатчикам; излучаемые ВОЛНЫ ОТЛИЧаюТ- Рис. 180. схема опыта Физо по опреде- СЯ ТОЛЬКО ДЛИНОЙ. лению скорости света. Длины световых волн очень малы. Их можно измерить в лаборатории, применяя специальную аппаратуру. Красная часть спектра, простирается до длин волн приблизительно в 0,0008 мм, фиолетовая — до 0,0004 мм. Отдельные цвета отличаются друг от друга длиной световой волны. Каждому цвету соответствует вполне определенная длина волны. Белый свет можно разложить на все цвета от красного до фиолетового, т. е. на волны длиной от 0,0008 до 0,0004 мм. Длины световых волн видимой области спектра: 0,0008— 0,0004 мм. Световые волны возникают в результате периодических движений мельчайших электрически заряженных частичек (электронов) внутри атомов светящегося тела. Зная скорость распространения света с и длину световой волны А,, можно вычислить частоту периодического движения электронов в атоме / (см. стр. 69): с =. f-X. Для красного света, например, получим: г_ 300 000 км/сек 300 000 000 000 мм/сек. * 0,0008 мм 0,0008 мм ' / = 375 000 000 000 000 гц = 375 биллионов герц. Следовательно, световые волны вызываются периодическими движениями электронов, повторяющимися с чрезвычайно высокой частотой. Специальные исследования показали, что световые волны и радиоволны — это волны поперечные. й?~^ Глаз 157
Упражнения: 182. Солнце находится на расстоянии 153 000 000 км от Земли. Сколько времени требуется солнечным лучам для прохождения расстояния от Солнца до Земли? 183. Луна удалена от Земли на 384 400 км. За какое время свет от Луны доходит до Земли? 184. Вычислите частоту фиолетового света, принимая К= 0,0004 мм. 62. Интерференция световых волн На мокрой мостовой нам приходилось видеть тонкие слои нефти, переливающие различными цветами (рис. 182). Подобные переливы красок можно видеть на крыльях стрекоз, жуков и мух. Изумительно красивая игра цветов мыльных пузырей тем ярче, чем тоньше мыльная пленка. Во всех этих случаях белый дневной свет падает на очень тонкие прозрачные пленки. Цвета тонких пленок появляются не вследствие преломления света, а благодаря волновой природе света. Белый свет можно считать состоящим из световых лучей различных цветов, от красного до фиолетового. Каждому цвету соответствует определенная длина световой волны. Когда белый свет падает на тонкую Рис.181. Разноцветные пленки бензина Прозрачную ПлеНКу, ТО СВе- на мокрой мостовой. Окраска объясняет- thrktp rottwkt птпя-^ятптга ся интерференцией световых волн. ТОВЬШ ВОЛНЫ Отражаются обратно от обеих поверхностей, ограничивающих пленку. Отраженные волны распространяются совместно и налагаются друг на друга. Пленка на некотором ее участке может иметь такую толщину, при которой, например, две красные волны нало- жатся друг на друга так, что вершина одной волны совпадет со впадиной другой волны. Тогда эти волны погасят одна другую (см. стр. 72), и на данном участке ловерхности 158
пленки мы не увидим красного цвета; оставшиеся цвета белого света создадут в совокупности впечатление зеленого цвета. Две волны одинаковой длины, налагаясь, могут усилить, ослабить и даже полностью погасить друг друга. Такое явление называется интерференцией. На явлении интерференции основан метод контроля плоских поверхностей. Между плоской стеклянной пластинкой и проверяемой металлической пластинкой остается Рис. 182. Своеобразная цветная картина интерференции. тонкий слой воздуха. На нижней поверхности стеклянного калибра происходит встреча двух волн. Одна непосредственно отразилась от этой поверхности, вторая прошла через стекло и отразилась обратно поверхностью металла. Вторая волна перед встречей дважды проходит слой воздуха. По форме и цвету создающейся интерференционной картины можно сделать заключение о качестве обработки плоской поверхности металлической детали. Явление интерференции света имеет большое научное значение, так как оно подтверждает волновую природу света. Измерив ширину интерференционных полос, можно было вычислить длины световых волн различных цветов (см. стр. 157). Рентгеновские лучи интерферируют, пройдя через кристаллы или отразившись от них; если сфотографировать картину интерференции и промерить полученный снимок, то можно определить длину волны рентгеновских лучей (см. стр. 246). Обратно, зная длину волны рентгеновских лучей, можно по таким снимкам определить размеры и строение атомной решетки данного кристалла (см. стр. 23). 159
Часто во время радиоприема мы замечаем изменение громкости звука (фединги). Это связано с интерференцией радиоволн: распространяющейся над поверхностью земли и отраженной от верхних слоев атмосферы (см. стр. 245). Явления интерференции наблюдаются также, когда волны света проходят через узкие щели или ячейки частой сетки или когда волны встречаются с тонкими проволоками, мелкими частицами и пылинками. Во всех этих случаях свет огибает края предметов (т.е. отклоняется от своего первоначального направления); при этом возникают интерферен- ционные явления. Иногда в ясные вечера луна бывает окружена светлым кольцом. Такие лунные «венцы» появляются в результате интерференции света и огибания им краев тел (дифракция), так как лунный свет в этом случае проходит через атмосферу, содержащую множество мельчайших капелек воды. На стр. 155 мы указывали, что ультрамикроскоп позволяет обнаружить при боковом освещении частицы очень малых размеров, но не дает возможности судить об их форме, потому что на частицах происходит дифракция света. Около них возникают «венцы», размеры которых значительно превосходят размеры самих частиц. Эти «венцы», собственно, и позволяют нам обнаружить мельчайшие частицы в ультрамикроскоп, но их форма остается при этом неизвестной. Упражнение: 185. Трещины в стекле иногда имеют окраску тонких пленок. Объясните это явление.. Рис. 183. Картина дифракции света на узкой щели. Вследствие интерференции света, проходящего через узкую щель, создаются темные и светлые полосы. Дифракционное изображение щели шире самой щели. Рис. 184. Темные и светлые интерференционные полосы в области тени швейной иглы.
Д. МАГНЕТИЗМ Рис. 185. Магнитные силы имеют электрическую природу.
63. Магниты Магниты обладают способностью притягивать железо, кобальт, никель и их сплавы, равно как и сплавы некоторых других металлов. Магниты отклоняют стрелку компаса. Магнитный железняк — это магнитная железная руда (рис. 187). Полосовые, подковообразные магниты и магнитные стрелки — это искусственные магниты из стали, намагниченной электрическим способом. Они находят многообразное применение, например в элект- р ических измер ител ьных приборах, наушниках для радиоприема и телефонной связи, велосипедных динамо. Магнит, свободно вращающийся в горизонтальной плоскости, устанавливается почти точно в направлении север— юг. Конец магнитной стрелки, показывающий на север, Рис. 186. Работая с маленькими винта- Называется СввврНЫМ ПОЛЮ- ми, удобно пользоваться намагниченной сом ПРОТИВОПОЛОЖНЫЙ КО- отверткой. г нец стрелки — южным полюсом магнита. Одноименные полюсы двух магнитов, например южный и южный, отталкиваются друг от друга. Наоборот, северный и южный полюсы двух магнитов притягиваются один к другому. Одноименные полюсы отталкиваются. Разноименные полюсы притягиваются. Так как во всех компасах магнитные стрелки показывают своим северным полюсом на север, то следует заключить, что вблизи северного географического полюса Земли расположен ее южный магнитный полюс. Земля сама есть магнит огромных размеров, который задает направление магнитным стрелкам компасов. 162
Если магнит, например намагниченную вязальную спицу, переломить посередине, то получатся вовсе не два отдельных полюса; каждая половина будет магнитом, имеющим как северный, так и южный полюсы. Каждая молекула железа обладает магнитными свойствами и имеет северный и южный полюсы. Эти маленькие магнитики называются молекулярными магнитами (рис. 188). В ненамагниченном железе эти магнитики расположены беспорядочно. Их совокупность не обнаруживает намагниченное железо Намагниченное железо Рис. 187. Если поднести к стрелке компа- Рис. 188. Молекулярные маг- са кусок магнитного железняка, то стрел- ниты в железе, ка повернется к куску руды. магнитных свойств при взаимодействии с окружающими телами. Напротив, в намагниченном железе молекулярные магниты расположены упорядоченно рядом с другим и один над другим. Поэтому они в совокупности взаимодействуют с окружающими телами, как магнит. Лезвия ножей, вязальные спицы, стальные перья и т. д. можно намагнитить если несколько раз проводить по ним каким-либо одним полюсом магнита в одном и том же направлении. Таким приемом, а также электрическими методами можно упорядочить расположение молекулярных магнитов в ненамагниченном железе, т. е. намагнитить его. Если нагреть магнит до высокой температуры, то он потеряет магнитные свойства. Впоследствии мы узнаем (см. стр. 193), что проводники с электрическим током обладают магнитными свойствами; проводник подобен намагниченному железу, пока по нему идет электрический ток. Магнетизм полосовых и подково- 163
образных магнитов и магнитных стрелок сохраняется длительное время. Такие магниты называют постоянными магнитами. Во всем остальном нет никакого различия между магнитными свойствами постоянных магнитов и электрического тока (электромагнетизм). Доказано, что магнетизм постоянных магнитов также имеет электрическую природу. Магнитные свойства молекулярных магнитиков связаны с электрическими круговыми токами внутри молекул железа. Поэтому всякий магнетизм есть следствие электрических процессов. Существование электрических круговых токов в молекулах железа можно доказать на опыте. Если приблизить к южному полюсу полосового магнита магнитную стрелку компаса, то северный полюс стрелки повернется к полосовому магниту, потому что северный полюс одного магнита притягивается к южному полюсу другого. Мы получим тот же результат, если между компасом и магнитом введем бумагу, деревянную доску, стеклянную пластинку или кровельную черепицу. Следовательно, магнитные силы действуют и через эти вещества. Упражнения: 186. Железные печи, ведра для угля и многие другие железные предметы часто бывают намагничены. Попробуйте установить при помощи компаса, где находятся магнитные полюсы этих предметов. 187. Где находится южный магнитный полюс Земли? 64. Магнитное поле Направление действия магнитных сил в пространстве, окружающем магнит (например, подковообразный), можно увидеть, если положить на магнит стеклянную пластинку и насыпать на нее железные опилки. Опилки расположатся на стекле в определенном порядке, образуя своеобразную картину, состоящую из множества отдельных линий. Эти линии называются магнитными силовыми линиями. Рисунок, образованный цепочками опилок, позволяет нам как бы увидеть направления действия магнитных сил. По этим направлениям магнит будет притягивать кусочек железа. Силовые линии выходят из северного полюса магнита и тянутся дугами к южному полюсу. Все пространство вокруг магнита пронизано силовыми линиями и называется магнитным полем (рис. 189—192). 164
Магнитное поле пронизано магнитными силовыми линиями. Силы отталкивания, действующие между одноименными полюсами магнитов, наглядно проявляются в картине, которую рисуют упирающиеся друг в друга силовые линии, исходящие из одноименных полюсов (рис. 192). Если поместить маленькую магнитную стрелку в магнитное поле, то она установится параллельно силовым линиям. В каждой точке пространства магнитное поле характеризуется определенной напряженностью поля. Напряженность поля в данной точ- „ 1вп „ Рис. 189. Силовые линии подково- Ке Пространства ЗаВИСИТ ОТ образного магнита. «степени намагничения» магнита и от расстояния этой точки до полюса. Чем больше напряженность поля, тем большая сила действует на магнитную стрелку или на кусок железа, помещенные в эту точку. Рис. 190. Силовые линии полосового магнита. Земля тоже обладает магнитным полем (рис. 193). Южный магнитный полюс Земли расположен на 73°30' северной широты и92°30' западной долготы. Следовательно, 165
ось вращения Земли и ее магнитная ось не совпадают. Поэтому магнитная стрелка отклоняется на несколько градусов от географического направления на север и юг. Рис. 191. Силовые линии между разноименными полюсами двух магнитов. Рис. 192. Силовые линии между одноименными полюсами двух магнитов. Магнитная ось\ \0сь бращемия Силы, исходящие из магнита, представляются на первый взгляд, действующими на расстоянии. Однако их действие получает наглядное объяснение в картине силовых линий, заполняющих пространство. Понятие силы существенно обогащается представлением о поле сил. Благодаря представлению о поле сил в физике, особенно в учении об электричестве, были сделаны важные открытия. В поле подковообразного магнита северный полюс магнитной стрелки направлен к южному полюсу магнита (рис. 194). Если магнит подвесить на нитку и заставить его вращаться, закрутив нитку, то магнитное поле также будет вращаться. Под действием магнитных сил будет вращаться и магнитная стрелка. Магнитое поле, заставляющее вращаться магнитную стрелку, называется «вращающимся магнитным полем». ч*>в Рис. 193. Магнитное поле Земли. 166
В описанном опыте вращающееся поле было создано вращением подковообразного магнита. Поскольку магнитными свойствами обладает не только постоянный магнит, но и электрический ток, то магнитное поле можно создать, воспользовавшись электрическим током. Таким способом можно получить и вращающееся магнитное поле. Так называемый трехфазный ток (см. стр. 190) при известных условиях создает вра- '^^^^^ щающееся магнитное поле, для этого не требуется никаких вращающихся частей. Рис. 194. Получение вращающегося магнитного поля. Рис. 195. Изменение магнитного поля куском железа, а — поле в отсутствии железа, б — внесение железа изменяет поле: большинство силовых линий проходит через железо; на торце s возникает южный полюс, на торце п — северный. Вращающееся магнитное поле имеет особенно большое значение в электротехнике, потому что его можно использовать для вращения не только магнитной стрелки, но и ротора двигателя. На применении вращающегося магнитного поля основано действие электродвигателей трехфазного тока. Во всех генераторах электрического тока, электродвигателях, трансформаторах и многих других электрических устройствах магнитное поле получают при помощи электрического тока. Ненамагниченное железо, внесенное в магнитное поле, изменяет направление силовых линий и, пока оно находится в поле, само становится магнитом (рис. 195). Магнитным силовым линиям условились приписывать определенное направление. Принимают, что силовые линии выходят из северного полюса магнита и приходят к южному полюсу. Если бы возможно было создать маленький магнит с одним только северным магнитным полюсом и поместить его в магнитное поле, то он стал бы двигаться по направлению силовой линии к южному полюсу. В поле, 167
изображенном на рис. 190, такой северный полюс перемещался бы по дуге в направлении от N к S. Поэтому силовые линии можно определять как направления, по которым стал бы двигаться свободный северный магнитный полюс. Электрическое сопротивление многих металлов изменяется при помещении их в магнитное поле; например, сопротивление висмута увеличивается вдвое. Упражнение: 188. Как изменится картина магнитного поля, приведенная на рис. 195, если в него внести кусок меди?
Е. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО Рис. 196. Переменный ток можно преобразовать в постоянный, воспользовавшись выпрямительными электронными лампами.
I. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК 65. Тепловое действие электрического тока Электрическим нагревателем можно вскипятить воду. Внутри нагревателя имеется тонкая проволока, нагреваемая электрическим током. В проводнике, по которому течет электрический ток, выделяется теплота. Электрический ток обнаруживают по его действиям. Одно из характерных проявлений тока — это выделение теплоты. На тепловом действии тока основано устройство электрических кастрюль, плиток, печей, утюгов, паяльников, ламп накаливания и дуговых ламп. Электрический ток применяют для плавления и сварки металлов. Такие приборы широко применяют на производстве и в быту. Протекание электрического тока всегда сопровождается выделением теплоты, часто полезным, но иногда и нежелатель- Рис. 197. Электрический кипя- ным# JaK> теплОВОе ИЗЛучеНИе осветительных ламп — совершенно ненужное нам побочное явление. Короткое замыкание проводов сопровождается выделением столь большого количества теплоты, что возникает опасность пожара, если проводка своевременно не выключается посредством предохранителей (см. стр. 178). Вследствие выделения fen лоты в электрических приборах, машинах, кабелях и проводах всегда теряется электрическая энергия. Поэтому из экономических соображений заботятся об уменьшении потерь на нагревание. Упражнения: 189. Каким способом можно, действуя на расстоянии, проводить взрывные работы в каменоломнях? 170
190. Нагреваются ли провода осветительных сетей электрическим током? 191. На чем основано действие предохранительных пробок, имеющихся во всех квартирах? 192. Как зажигаются лампы, применяемые для моментальных фотографических снимков? 66. Магнитное действие тока Когда мы нажимаем на кнопку электрического звонка, то через катушки S, и 52 идет электрический ток и молоточек ударяет по колокольчику, потому что укрепленный на пружине железный якорь А притягивается катушками, намагнитившимися при прохождении тока. Электрический ток создает магнитное поле. Это такое же поле, как знакомое нам магнитное поле подковообразного магнита. Но подковообразный магнит обладает постоянным магнитным действием, а катушки имеют магнитные свойства только до тех пор, пока через них проходит ток. Электрический ток создает магнитное поле. Проводник, по которому идет электрический ток, окружен магнитным полем. Провода осветительной сети в вашей квартире тоже окружены магнитным полем, пока по ним идет ток. МаГНИТНЫе СИЛОВые ЛИНИИ Рис. 198. Электрический звонок. электрического тока по своей природе ничем не отличаются от силовых линий постоянных магнитов. Катушка с железным сердечником, обладающая сильным магнитным действием, при пропускании через нее тока в отличие от постоянных магнитов называется электромагнитом. Электромагниты применяют для передвижения тел. Перо телеграфного аппарата прижимается электромагнитом 171
к бумажной ленте. Мембраны телефонных трубок и наушников, излучающие звуковые волны, приводятся в колебание электромагнитом. Сильные электромагниты приводят в движение вращающиеся части электромоторов. Упражнения: 193. Если к проволоке, по которой идет ток, близко поднести компас, то стрелка отклоняется от направления север — юг. Почему? 194. Как объяснить движение стрелки компаса во время ударов молнии? 67. Химическое действие тока В аппарате, изображенном на рис. 199, находится вода, в которую добавлено немного серной кислоты. Когда через жидкость проходит электрический ток, подведенный к платиновым пластинкам, находящимся внутри жидкости, то на пластинках появляются пузырьки газа, которые отрываются, всплывают и лопаются на поверхности жидкости. На рисунке видно, что в левой стеклянной трубке собирается вдвое больше газа, чем в правой трубке. Можно доказать, что на одном полюсе (левая трубка) выделился водород, а на втором полюсе (правая трубка) — кислород. Вода р аз л агается эл ектр ическим током на свои составные части: водород и кислород. Не только вода, но и многие другие жидкости и расплавы химически разлагаются электрическим током. На этом явлении основано множество Рис. 199. Электрический ток разла- ХИМИЧеСКИХ ПрОИЗВОДСТВеН- гает воду на два газа. ду А ных процессов. Жидкости, которые разлагаются электрическим током, называются электролитами. Водные растворы (или расплавы) кислот, оснований и солей являются электролитами. Хи- 172
мически чистая вода, керосин, глицерин и некоторые другие жидкости практически не проводят электрический ток; такие жидкости без специальных добавок нельзя разложить электрическим током. Многие жидкости химически разлагаются электрическим током. Разложение жидкостей электрическим током называется электролизом. Упражнения: 195. Какое назначение имеет третья трубка с шаром в приборе для разложения воды (рис. 199)? 196. Разлагается ли ртуть электрическим током? 197. Приведите примеры технических применений электролиза, 198. Назовите три различных действия электрического тока. 68. Вольт, ампер, ом Напряжение. Источником электричества служит полюс розетки со знаком — (минус). Из этого полюса выделяется электричество. Ко второму полюсу со знаком -f- (плюс) электричество притекает. Путь, по которому проходит ток, называется электрической цепью. Цепь «замкнута», когда по ней идет электрический ток. Если тока в цепи нет, то говорят, что цепь «разомкнута». Для замыкания и размыкания цепи служат выключатели. Электричество можно обнаружить по его действиям. Установлено, что электричество состоит из мельчайших, дальше неделимых частиц, названных электронами. Электроны входят в состав всех атомов. Масса электрона составляет около ущ части массы атома водорода. Электроны отталки- r r ^ Рис. 200. Пробной лампой ВаЮТСЯ Друг ОТ Друга. СИЛЫ ОТТаЛ- проверяют, имеется ли на- КИВаНИЯ ЭЛеКТрОНОВ ИМеЮТ ЭЛеК- пряжение на^штепсельной трическую природу. Отрицательный полюс розетки имеет избыток электронов, положительный полюс — недостаток электронов. 173
Отсюда возникает некоторое электрическое напряжение, под действием которого электроны движутся от минуса к плюсу, если оба полюса соединены проводником электричества (рис. 201). Электрическое напряжение измеряется < К положительному полюсу Рис. 201. Электроны в проводе движутся от минуса к плюсу. в вольтах; прибор для измерения напряжения называется вольтметром (рис. 202). Вольт (в) служит единицей измерения напряжения. Между полюсами лампочки карманного электрического фонарика имеется напряжение около 4 в. Напряжение на Рис. 202. Электрическое напряжение измеряют вольтметром. Рис. 203. Ток измеряют амперметром. розетке осветительной сети равно 120 или 220 в. Трамвай питается от сети напряжением 500 в, электровоз — 15 000 в. Рентгеновские трубки работают под напряжением приблизительно 50 000 в. Провода линий электропередач на далекие расстояния часто бывают под напряжением 110 000 е. Знаки плюс и минус для обозначения полюсов выбраны произвольно. Когда поверхность тела имеет избыточный 174
заряд электронов, то говорят, что оно заряжено отрицательно. Если же на поверхности тела имеется недостаток электронов и оно стремится пополнить свой заряд новыми электронами, то тело считают «заряженным положительно». Ток. Если соединить положительный полюс с отрицательным проволокой или другим каким-нибудь проводником, то электроны будут двигаться в проволоке от минуса к плюсу. В проводнике, соединяющем полюсы, пойдет ток. Величину тока определяют по силе его действия. Единица тока — ампер. Для измерения тока применяют амперметр (рис.203). Ток измеряют в амперах (а). При токе 1 а через поперечное сечение проволоки каждую секунду проходит около 6 триллионов электронов. Это количество электричества называется кулоном или ампер- секундой. Через лампы накаливания проходит ток в несколько десятых ампера. Через спирали электрического утюга идет ток приблизительно 2 а. Предохранительные пробки осветительной сети выдерживают ток 6 а. В электродвигателях трамвая протекает ток 150 а. При электросварке применяют токи до 600 а. Сопротивление. Электроны, проходя через решетку атомов проводника, встречают сопротивление. Алюминиевая и медная проволоки оказывают току меньшее сопротивление, чем железная проволока такого же сечения. Единицей сопротивления служит ом. Сопротивление измеряют в омах (ом). Один ом — это сопротивление ртутного столба длиной 106,3 еж и с площадью сечения 1 мм2 при 0° С. Вагоновожатый трамвая при пуске вагона включает сначала сопротивление 10 ом, а затем, переводя рукоятку, ступенями, по частям выключает его. Сопротивление электрического утюга равно приблизительно 100 ом. Упражнения: 199. Сколько ламп накаливания можно включить в электрическую сеть с предохранительной пробкой на 6 а, если каждая лампа потребляет ток 0,3 а? 200. Каково напряжение батареи накала и анодной батареи радиоприемника? Каково напряжение осветительного устройства автомашины? 201. Стеклянная трубка длиной 212,6 см я с площадью поперечного сечения 1 мм2 наполнена ртутью. Найти сопротивление ртути. 175
69. Сопротивление проводов Для проводки электрического тока более всего подходят медные и алюминиевые провода. Медь и алюминий — хорошие проводники, они имеют небольшое сопротивление. Сопротивление проволоки длиной 1 м и с площадью сечения 1 мм2 называется удельным сопротивлением материала проволоки. Медная проволока длиной 1 ж и с сечением 1 мм2 имеет сопротивление 0,017 ом (при 18° С), алюминиевая проволока тех же размеров—0,032 ом, нейзильберная проволока (сплав меди, никеля и цинка) — 0,5 ом. Нейзильберная проволока длиной 10 м и сечением 1 мм2 имеет в 10 раз большее сопротивление, чем нейзильберная проволока такой же толщины, но длиной 1 м. Ее сопротивление равно 0,5-10 ом. Проволока с поперечным сечением 20 мм2 имеет в 20 раз меньшее сопротивление, чем проволока с сечением 1 мм2. Следовательно, сопротивление нейзильберной проволоки длиной 10 м и се- Рис. 204. Электрический ток проведен ЧеНИеМ 20 ММ2 раВНО даже в отдаленные деревни. ]0 л ог 0,5 • 2q ом = 0,25 ом. Для расчета сопротивления какой-нибудь проволоки надо удельное сопротивление материала проволоки помножить на длину (в м) и разделить на площадь поперечного сечения (в мм2) проволоки. Сопротивление = -У»», сопротивление (2М?)Х c?fe ¦ Если мы обозначим сопротивление проводника буквой R, удельное сопротивление материала проводника — буквой р (следует читать: «ро»), длину /, сечение 5, то получим 176
следующую формулу для расчета сопротивления: Отсюда р = —т- . Так как R измерено в омах, мм2,1 — в м, то удельное сопротивле- ОМ-ММ2 тт ние имеет размерность . Поэтому в таблицах мы находим, например, значение удельного сопротивления меди, равное 0,017 om-mm2jm. Сопротивление ПРОВОЛОКИ ЗаВИСИТ Рис. 205. Секционный от ее температуры. Чем выше тем- реостат, пература проволоки, тем, вообще говоря, больше и ее сопротивление. Следовательно, по сопротивлению специально выбранной проволоки можно судить о ее температуре. Таким методом, например, можно измерять очень высокие и очень низкие температуры. Для электрических проводок применяют металлы с небольшим удельным сопротивлением. Металлы с большим Рис. 206. Ползунковый реостат. сопротивлением — нейзильбер, константан, манганин, никелин — тоже находят разнообразные применения, однако для иных целей. Их используют для уменьшения силы тока в цепи. Устройства, изготовленные из проволок, плохо проводящих ток, кратко называют сопротивлениями. Секционным реостатом (рис. 205) и ползунковым реостатом (рис.206) можно изменять силу тока в цепи. Упражнения: 202. Железная проволока обладает в 8 раз большим сопротивлением, чем медная проволока такой же длины и толщины. Чему равно удельное сопротивление железа, если для меди q = 0,017 ом-мм2/м? 177
203. 1 ом есть сопротивление ртутного столба длиной 106,3 см и с площадью поперечного сечения 1 мм2 при 0° С. Вычислите удельное сопротивление ртути при 0° С. 204. Вычислите сопротивление медной проволоки сечением 5 мм2 и длиной 10 км (q = 0,017 ом-мм2/м). 70. Закон Ома Короткое замыкание! Предохранитель перегорел, потому что в сети соприкоснулись обнажившиеся провода. Ток пошел не по предназначенному для него пути, а непосредственно через место контакта медных проводов. В этом месте сопротивление очень мало и в закороченной цепи идет большой ток. В предохранителе выделилось много тепла, и проволочка предохранителя расплавилась. Благодаря размыканию цепи устраняется опасность пожара, который мог бы произойти от нагревания проводов большим Рис. 207. Один предохранитель тт " перегорел. Чем меньше сопротивление проводника, тем больше ток; чем больше сопротивление, тем меньше электрический ток. Однако значение тока зависит не только от сопротивления цепи, но и от приложенного напряжения, потому что напряжение служит причиной движения электронов. Чем больше напряжение, тем больше ток. Зависимость тока от напряжения и сопротивления можно выразить равенством — Напряжение . г\ \ Ток = Сопротивление <3аК0Н 0ма>« Обозначим ток буквой /, напряжение U, сопротивление R. Тогда получим закон Ома: 1 R ' Чтобы узнать число ампер, следует число вольт разделить на число ом. Закон Ома — основной закон электротехники. По закону Ома рассчитывают сопротивление проводов, ламп на- 178
калйвания и других электрических приборов, после того как измерены напряжение и ток. Если известно сопротивление, то можно рассчитать ток в цепи, к которой подведено то или иное напряжение. Закон Ома позволяет вычислить напряжение, которое нужно приложить для получения определенного тока в цепи, имеющей известное нам сопротивление. Приведенная формула закона Ома пригодна только для расчетов цепей, по которым течет постоянный ток (см. стр. 190). Пример ы: 1. При включении электрического утюга в сеть с напряжением 220 в через него идет ток 2 а. Чему равно сопротивление утюга? _ Напряжение Ток = ^ - . Сопротивление Напряжение 220 в Сопротивление = ^ = -~—„ Сопротивление =110 ом. 2. К лампе накаливания с сопротивлением 500 ом приложено напряжение 220 в. Какой ток пойдет через лампу? „, Напряжение 220 в Ток = г = "спп • Сопротивление 500 ом Ток = 0,44 а. 3. Через сопротивление 12 ом нужно пропустить ток 15 а. Какое надо включить напряжение? ?/=15 а-12 ом = 180 е. Упражнения: 205. Каким способом постепенно затемняют зрительный зал в кино? 206. Какой ток проходит через нагревательный элемент электрической печи, если ее сопротивление равно 12 ом, а приложенное напряжение равно 220 в? 207. Через дуговую лампу проходит ток 10 а, напряжение в сети равно 120 в. Чему равно сопротивление лампы? 208. Лампочка карманного электрического фонарика имеет сопротивление 25 ом, через нее проходит ток 0,2 а. Какой ток пошел бы через эту лампочку, если бы ее включили в сеть с напряжением 220 в? 209. Как изменится ток, если ручку реостата (рис. 205) передвинуть вниз? 210. Какое надо приложить напряжение, чтобы по проводнику с сопротивлением 40 ом пошел ток 5 а? 211. Сопротивление пускового реостата трамвая 10 ом. Приложенное напряжение 550 в. Какой максимальный ток можно было бы получить при полностью включенном реостате? Почему фактически ток получается меньше вычисленного? 179
71. Способы включения электрических приборов Лампы накаливания включают в сеть параллельно. При таком способе включения ко всем лампам приложено полное напряжение сети. Если одна из ламп будет выключена или перегорит, то остальные продолжают гореть по-прежнему. В этом состоит преимущество параллельного включения. Рис. 208 Четыре лампы включены параллельно. При параллельном включении четырех одинаковых ламп (рис. 208) идет ток, в 4 раза больший, чем при включении одной лампы. Но если ток увеличился в 4 раза, то это произошло потому, что сопротивление сети уменьшилось в 4 раза. Следовательно, общее сопротивление четырех ламп, включенных параллельно, меньше сопротивления одной лампы. Так как общий ток при параллельном включении увеличился в 4 раза, то, следовательно, общее сопротивление при параллельном включении составляет только четвертую часть сопротивления одной лампы. Аналогично общее сопротивление семи одинаковых ламп, включенных параллельно, равно только седьмой части со- 180
противления одной лампы. Этот вывод справедлив не только для ламп накаливания, но и для всех других электрических приборов. Общее сопротивление проводников, включенных параллельно, меньше сопротивления одного из них. Рис. 209. Лампочки для освещения новогодней елки включены последовательно. При параллельном включении п одинаковых сопротивлений, по R ом каждое, общее сопротивление цепи равно ? ом. п Общее сопротивление R цепи, составленной из параллельно включенных проводников, имеющих различные сопротивления Rv R2, R3, вычисляют по формуле -L —± i J_-4-± R К% "Г R2 "Г #з • 181
3; z<8> Другой способ соединения ламп состоит в их последовательном включении. При последовательном соединении один и тот же ток проходит через все лампы. Если вывернуть одну из ламп, то погаснут и все остальные. При последовательном соединении к каждой лампе уже не приложено все напряжение сети. Все 220 в напряжения сети приложены к концам цепи, состоящей из последовательно включенных ламп. Например, при освещении новогодней елки 16 лампочками (рис. 209) к каждой лампочке приложено напряжение, равное только приблизительно 14 в (16-14 = 224). Так как *> один и тот же ток проходит через все лам- Т* пы, то он последовательно встречает со- +1 Г противления каждой лампы. Поэтому об- Рис 2 0 пе е- щее сопротивление цепи равно сумме ис'ключатель. сопротивлений ее отдельных участков. При последовательном соединении проводников общее сопротивление цепи равно сумме сопротивлений всех проводников. Если обозначить сопротивления последовательно соединенных проводников через Rv R2, Ri9 то общее сопротивление цепи R находят по формуле Упражнения: 212. Три лампы накаливания, каждая с сопротивлением 500 ом, соединены: а) последовательно; б) параллельно. Вычислить общее сопротивление в том и другом случае. 213. Два сопротивления 40 и 50 ом соединены: а) последовательно; б) параллельно. Вычислить общее сопротивление. 214. Объясните действие переключателя (рис. 210). L — лампа накаливания. 72. Мощность и энергия электрического тока Лампа накаливания, изображенная на рис. 211, имеет мощность 100 ватт, если она включена в сеть с напряжением 220 в. За счет этой мощности лампа дает свет и тепло. По закону сохранения энергии полученная энергия равна израсходованной энергии. Мощность, потребляемая лампой, тем больше, чем больше ток, идущий через лампу, и чем больше приложенное к ней напряжение. Указанную зависимость можно выразить 182
равенством: мощность = ток X напряжение. Единицы тока и напряжения выбраны так, что при перемножении величины тока в амперах и напряжения в вольтах мы получаем значение мощности в ваттах. Например: 6 ватт = 2 ампера хЗ вольта. Мощность = Ток X Напряжение. Это равенство напоминает аналогичное равенство из раздела механики: мощность = сила X скорость (стр. 78). Обозначив мощность через Р, ток /, напряжение ?/, получим формулу P=I-U. Для лампы, мощность которой мы указали выше, можно по этой формуле вычислить ток: г Р 100 вт 5 п ,- /==77 = -220Т=йа=0>45а- Пример. Через обмотку мотора трамвая проходит ток 100 а. Напряжение на концах обмотки равно 440 е. Найти мощность. Р = 100а• 440 в =44 000 вт =44 кет. Согласно закону Ома можно написать: U=I-R. Если это выражение для U подставить в формулу для мощности: P=I-U, то получим: Р=/2-/?. Отсюда можно сделать заключение, что мощность, потребляемая лампой или другим каким-нибудь электрическим прибором (рис. 212 и 213), тем больше, чем больше ток, идущий через прибор и его сопротивление. Может вызвать удивление, что в этой формуле для мощности нет величины приложенного напряжения. Однако напряжение здесь учтено, ибо согласно закону Ома ток / зависит от напряжения: 1=-^. Если подставить это выражение в предыдущую формулу: P=I2-R, то получим: U2 U2 Следовательно, мощность можно вычислять по трем 183 Рис. 211. На лампе накаливания указана ее мощность.
различным формулам: 1. P = hU. 2. P = FR. Uz 3. Р= R * Электрическая энергия, потребляемая сопротивлением, превращается в теплоту. Количество теплоты, которое выделяется в проводнике за t секунд, равно I2-R-1ватт-секунд. Так как одной ватт-секунде соответствует 0,24 кал тепла (см. стр. 131), то для вычисления количества теплоты, выделившейся в проводнике, по которому идет ток, служит формула Q=0,24 R-I2-t. Здесь Q обозначает количество Рис. 212. Электрический Рис 213. Электрический паяльник, утюг на 400 вт. теплоты в калориях, / — ток в амперах, R — сопротивление в омах, t — время в секундах. Мощность электрических устройств Микрофон телефонного аппарата 3 вт Слуховая трубка телефонного аппарата 0,001 вт Освещение в автомобиле 100 вт Электрический утюг 400 вт Электрический кипятильник 800 в/я Мотор на производстве 5000 вт Мотор трамвая 100 000 em Электровоз 1 300 000 em Электроплавильная печь 15 000 000 вт Количество энергии, потребляемой за 1 час машиной или прибором с мощностью 1 кет, называется киловатт-часом (кет-ч). 1 киловатт-час соответствует работе 360 000 кГм, а в тепловых единицах — 860 ккал. Не следует смешивать единицу энергии и работы «киловатт-час» с единицей мощности «киловатт» ¦ 184
При потребляемой мощности 2 кет количество энергии, израсходованной за 1 час, равно 2 квт-ч, за 3 часа — 6 квт-ч, за 7 часов — 14 квт-ч. Чтобы вычислить число киловатт-часов (электроэнергии), надо число киловатт (мощность) умножить на число часов (время). Пример. Мотор трамвая, потребляющий мощность 44 кет, работал в продолжение 2 часов. Каков расход электрической энергии? За 1 час мотор расходует 44 квт-ч, за 2 часа он израсходует 2-44 квт-ч. Расход энергии = 88 квт-ч. Для измерения и указания числа израсходованных киловатт-часов служат специальные счетчики. Согласно уравнению P=I-U ток 1 а при напряжении 1 в имеет мощность Р=1в-1а=1 вт. На этом основании в электротехнике переменного тока принято в известных случаях выражать мощность в «вольт-амперах» (ва)\ 1 ва=1 вт. Применяется и более крупная единица — «киловольт-ампер» (ква); 1 ква=1 кет. В большинстве же случаев мощность указывают в ваттах и киловаттах. В электрических нагревательных приборах подводимая электрическая энергия превращается в теплоту. В лампах накаливания, дуговых лампах и газосветных трубках электрическая энергия превращается и в теплоту, и в энергию излучения (свет). Электромотор потребляет электрическую энергию и служит источником механической энергии. При зарядке аккумуляторов электрическая энергия запасается в форме химической энергии. Вместе с тем электрическую энергию можно получить из механической, тепловой и химической энергии. Упражнения: 215. Электрическая плитка, включенная в сеть с напряжением 220 в, потребляет ток 5 а. Рассчитать мощность плитки в ваттах и киловаттах. 216. Измерение показало, что через спираль электрической печи с сопротивлением 10 ом идет ток 20 а. Найти мощность. 217. Сопротивление 48 ом включено в сеть с напряжением 220 в. Рассчитать мощность, расходуемую на этом сопротивлении. 218. Через электрический кипятильник с сопротивлением 100 ом в продолжение 5 минут течет ток 2 а. Какое количество тепла (в калориях) выделяется при этом? На сколько градусов нагреется 1 кг воды? 219. Применяемая в медицине лампа «Соллюкс» с сопротивлением 55 ом включена в осветительную сеть 220 в. Вычислить ток и мощность 185
(fc em и кет). Сколько киловатт-часов электроэнергии будет израсходовано при работе лампы в течение 3 часов? 220. Измерение показало, что световой коэффициент полезного действия электрической лампы накаливания в 60 вт равен 0,03. Как это понимать? 73. Постоянный ток На счетчиках электрической энергии, установленных в квартирах и на производстве, укреплена табличка, из которой можно узнать, какой ток идет в сети: постоянный или переменный. Постоянный ток — это ток, идущий в одном направлении. В штепсельной розетке сети постоянного тока к правому гнезду подведен, например, положительный полюс, а к левому — отрицательный. При включении в такую розетку Рис. 214. Полюсоискатель какого-либо прибора электроны входят в него всегда из левого гнезда и возвращаются обратно через правое. В случае постоянного тока поток электронов имеет всегда одно и то же направление. Рис. 215. В полюсоискателе лампочка загорается на том конце, который соединен с отрицательным полюсом сети постоянного тока. Условный знак для обозначения постоянного тока: «—». На приборах старых выпусков часто встречается и прежнее обозначение: «=». Знаки полюсов штепсельной розетки можно определить полюсоискателем (рис. 214 и 215). Он состоит из стеклянной трубочки с разреженным газом. В трубочку впаяны два металлических штифта, их внешние концы соединяют про- 186
водниками с контролируемыми полюсами. При включении в сеть постоянного тока вокруг одного из штифтов появляется свечение, имеющее красноватый оттенок. Этот штифт соединен с положительным полюсом сети. Для определения полюсов можно воспользоваться также специальной бумагой; это белая промокательная бумага пропитанная особым вещее- ' твом (фенолфталеином) и высушенная. Бумагу увлажня- _\ А„ ют и помещают на стеклян- к^тлТ° И + №"*«»*«** ную пластинку (рис. 216). А^ЗЙ hLv_ Если приложить к бумаге концы проводов, полюсы ко- торых нужно определить, то ' Стеклящая пластинка вблизи отрицательного полюса бумага приобретает интен- Рис' 216' 0преКеИбумаПгойЮСОВ полюс' сивную малиново-красную окраску. Этот метод основан на химическом действии электрического тока. Осветительная сеть постоянного тока обычно имеет напряжение 220 или ПО е. Хотя известно, что электроны движутся от отрицательного полюса, проходят, например, через лампу накаливания и возвращаются в сеть через положительный полюс однако на практике обычно указывают обратное направление тока, т. е. от плюса к минусу. Сохранение этого неудачного обозначения объясняется тем, что оно прочно укоренилось и вошло в ряд удобных практических правил от которых не хотелось бы отказываться. Батареи элементов для электрических звонков, батареи карманных фонарей и аккумуляторов дают постоянный ток В некоторых городах имеются осветительные и силовые сети постоянного тока. Постоянный ток имеет то преимущество, что им можно воспользоваться для зарядки аккумуляторов. Аккумуляторы применяют, например, в автомобилях для освещения и для питания стартера, которым включают бензиновый двигатель. Электрические станции запасают энергию в больших аккумуляторных установках и расходуют этот резерв в те часы суток, когда потребление электроэнергии особенно велико. Электрический ток другого рода (переменный ток, трехфазный ток) не позволяет запасать энергию ни в аккумуляторах, ни в других устройствах Несмотря на это преимущество постоянного тока, его все 187
больше и больше вытесняют токи другой формы (переменный, трехфазный), так как их можно передавать на большие расстояния со значительно меньшими потерями и легко преобразовывать для тех или иных применений. Перенос электричества в металлических проводах связан с движением электронов. Электрические токи, идущие через безвоздушное пространство в радиолампах, рентгеновских трубках и фотоэлементах, создаются тоже движущимися электронами. Однако в жидкостях, разлагающихся под действием тока, электричество переносится не электронами, а положительно и отрицательно заряженными атомами или группами атомов (см. § 85), которые называются ионами. Положительно заряженные ионы движутся к отрицательному полюсу, отрицательно заряженные ионы — к положительному полюсу. В газосветных трубках и дуговых лампах электричество переносится движущимися электронами и ионами. Проводники электрического тока должны обязательно содержать электроны или ионы. Металлы отличаются тем, что содержат свободные электроны — так называемые электроны проводимости. При растворении кислот, щелочей и солей в воде образуются ионы. Поэтому такие растворы проводят электричество. Многие непроводники, например стекло, при сильном нагревании начинают проводить электричество вследствие образования в них ионов. Упражнение: 221. Для наглядности можно штепсельную розетку сравнить с водопроводом. Какому полюсу розетки будет тогда соответствовать кран водопровода, а какому — сток? 74. Переменный ток На каждом электродвигателе укреплена табличка, в которой указано, каким током следует питать этот двигатель. В сети переменного тока поток электронов вытекает попеременно то из одного, то из другого гнезда розетки. Следовательно, переменный ток периодически изменяет свое направление. Каждое гнездо розетки поочередно становится то положительным полюсом, то отрицательным. В обычных сетях переменного тока каждое гнездо в течение секунды 50 раз бывает положительным полюсом и 50 раз отрицательным. Говорят: переменный ток имеет частоту 50 герц (гц). 188
При этом изменяются не только знаки полюсов, но и величина напряжения и тока. В течение -щ- секунды ток возрастает, подобно амплитуде волны, до некоторого максимального значения, затем уменьшается снова и становится равным нулю. После этого изменяются знаки полюсов. Ток идет теперь в обратном направлении. Величина тока снова к Гол Рис. 217. График переменного тока. Максимальное значение тока 1,4 а. Амперметр покажет среднее значение в 1 а, возрастает, достигает максимума и уменьшается до нуля; знаки полюсов снова меняются и т. д. Следовательно, в переменном токе имеются паузы, регулярно повторяющиеся через каждую -щ- секунды. Измерительные приборы переменного тока показывают нам некоторые средние (эффективные) значения периодически изменяющихся напряжения и тока. Эффективное значение напряжения переменного тока равно 220 в, а максимальное значение — приблизительно 310 в. Частоту переменного тока измеряют частотомером. Переменный ток — это ток, периодически изменяющий свое направление, при этом непрерывно изменяются величины напряжения и тока. Изменения напряжения и тока во времени можно изобразить волнообразной кривой (рис. 217). Такой переменный ток называется также однофазным переменным током. Напряжение и ток при переменном токе достигают, вообще говоря, своего максимального значения не одновременно. Кривая напряжения и кривая тока сдвинуты одна относительно другой по фазе. 189
Переменный ток имеет перед постоянным током то преимущество, что при определенных условиях его можно без больших потерь экономично передавать на большие расстояния. Переменный ток можно преобразовать в постоянный ток посредством так называемых выпрямителей. Это приборы, действующие подобно клапанам и пропускающие ток только в одном направлении. Законы переменного тока отличаются от законов постоянного тока. Например, проволочная катушка представляет для переменного тока большее сопротивление, чем для постоянного. Формула закона Ома и формула для вычисления мощности переменного тока несколько усложняются. Рис. 218. Фазометр. Например, формула для расчета мощности переменного тока имеет вид P = hU cos ф. Здесь cos ф (следует читать: «косинус фи») есть некоторая определенная математическая величина, зависящая от сдвига фаз между током и напряжением. Значение величины cos ф измеряют фазометром (рис. 218). Расчеты переменного тока значительно сложнее, чем постоянного. Упражнения: 222. Можно ли переменным током разложить воду на водород и кислород? 223. Имеет ли катушка, питаемая переменным током, магнитные свойства? 224. Если быстро двигать перед глазами палец, освещенный источником, питающимся переменным током, например неоновой лампой, то увидим ряд отдельных изображений пальца. Объясните это явление. 75. Трехфазный ток Электрические машины и приборы присоединяют к клеммам распределительной доски включением рубильника. Сети постоянного тока или однофазного переменного имеют две клеммы, а сети трехфазного тока — три клеммы. Под трехфазным током понимают систему трех одинаковых однофазных переменных токов, отличающихся друг от друга только сдвигом фаз, причем каждый ток сдвинут по 190
фазе относительно двух других токов на -^ периода (рис. 220). Эти три переменных тока называются фазами трехфазного тока. Рис. 219. а — трехполюсный рубильник трехфазного тока, б — двухполюсный рубильник постоянного или переменного тока (защитный кожух снят). Трехфазный ток, подведенный к трем неподвижным катушкам, причем так, что к каждой катушке подведена одна (Нза трехфазного тока, создает в пространстве между катушками вращающееся магнитное поле (рис. 221). Вращающееся магнитное поле образуется по следующей причине. В ка- Рис. 220. Три фазы трехфазного тока Рис. 221. Магнитная стрелка вращается, увлекаемая полем трехфазного тока. кой-то момент в катушке / возникает магнитное поле, причем конец катушки служит южным полюсом, притягивающим северный полюс магнитной стрелки. Однако через 191
-g- периода южный полюс образуется на катушке // и магнитная стрелка повернется своим северным полюсом к катушке //. Спустя еще -о-пеРи°Аа северный полюс магнитной стрелки притянется южным полюсом катушки /// и т. д. Следовательно, стрелка будет вращаться, следуя вращению магнитного поля трехфазного тока. Так как трехфазный ток состоит из трех однофазных токов, то на первый взгляд представляется, что для подведения и отведения тока требуется шесть проводов (рис. 221). Фаза! Фаза! \ Фаза!! | ^V \,?лл^^_ | \ Фаза!! / Фаза 111 \х**^ Фаза!!! Рис. 222. Соединение звездой. Рис. 223. Соединение треугольником. Но если три провода, отводящих ток, соединить в один, то по нему будут проходить три одинаковых переменных тока, смещенных по фазе на у периода. Сумма таких токов равна нулю (см. стр. 73), следовательно, в обратном нулевом проводе тока не будет, и сам провод становится излишним. Поэтому для проводки трехфазного тока требуется только три провода. Под трехфазным током понимают совокупность трех совместно применяемых одинаковых переменных токов, отличающихся по фазе на — периода. Сеть трехфазного тока состоит из трех проводов. Соединив три обратных провода, изображенных на рис. 221, в один провод и отрезав этот провод в точке соединения трех проводов, мы получим схему включения трех катушек, которая называется «соединением звездой» (рис. 222). Применяется и другая схема соединения катушек — «соединение треугольником» (рис. 223). Обмотки статоров в генераторах электродвигателей трехфазного тока соединяют одним из этих способов. При соединении звездой три конца катушек соединяются в нулевой точке, к которой присоединяют четвертый «ну- 192
левой провод». Обычно напряжение между двумя любыми фазами равно 380 в, между одной фазой и нулевым проводом — 220 в. Поэтому от такой сети трехфазного тока можно получить напряжение и 380, и 220 в. Трехфазный ток в настоящее время имеет наибольшее распространение. Почти все электростанции вырабатывают трехфазный ток. Трехфазный ток по сравнению с постоянным током обладает всеми преимуществами, свойственными всякому переменному току. Далее, в сети трехфазного тока не нужно прокладывать три обратных провода. Кроме того, от такой сети можно получать два различных напряжения. Особенно удобно пользоваться трехфазным током для питания электродвигателей, так как в этом случае ротор вращается в магнитном поле, не нуждаясь в подводке к нему тока. Лампы накаливания и бытовые электрические приборы, рассчитанные на напряжение 220 в, включаются между нулевой точкой и одной фазой. Трехфазные моторы, применяемые на производстве, включаются в сеть под напряжение 380 е. Упражнения: 225. Лампочка, рассчитанная на напряжение 220 в, включена между двумя фазами трехфазной сети. Что произойдет? 226. Какому углу сдвига фаз соответствует сдвиг на */8 периода? 76. Магнитное поле тока Когда по обмотке электромагнита (рис. 224) течет сильный ПОСТОЯННЫЙ ТОК, ТО В ОКру- рис. 224. Для поднятия тя- ЖаЮЩеМ Пространстве СОЗДаеТСЯ желых железных предметов r r г-ч широко применяют электро- мощное магнитное поле. Электро- магниты. магнит удерживает и переносит две тяжелые стальные болванки, весом по 2,5 тонны. В отличие от постоянных магнитов электромагнит сохраняет магнитные свойства лишь до тех пор, пока через его обмотку идет электрический ток. При выключении тока поднятые грузы падают вниз. Проволока, по которой проходит электрический ток, окружена в любом сечении замкнутыми круговыми 193
магнитными линиями, расположенными в плоскости, перпендикулярной к проволоке (рис. 225). Эти линии поля можно обнаружить при помощи железных опилок или маленькой магнитной стрелки. Нанесение на проволоку изолирующего покрытия не изменяет магнитного поля. Напряженность Рис. 225. Проводник с током окружен концентрическими магнитными силовыми линиями. Рис. 22$. Магнитные полюсы кругового тока. 5— южный полюс, N —северный полюс 4в центре оборотной стороны круга). магнитного поля определяется величиной электрического тока. Единичный виток проволоки, по которой проходит ток, действует как маленький полосовой магнит с полюсами, расположенными по обе стороны плоскости витка (рис. 226). Рис. 227. Магнитное поле катушки с током. Рис. 228. Когда железный якорь А притянут к электромагниту, то силовые линии электромагнита идут к якорю только внутри железного сердечника /С. Катушка, состоящая из многих витков проволоки, имеет магнитные полюсы на своих концах. Магнитные силовые линии катушки расположены так же, как у полосового магнита (рис. 227). Внутри катушки силовые линии идут параллельно. Напряженность магнитного поля тем больше, чем больше ток и число витков катушки. Напряженность магнитного поля катушки возрастает во много раз, когда 194
внутрь катушки введен железный сердечник. Таким способом достигается усиление поля до 10 000 раз. Катушка проволоки, навитая на изолированный железный сердечник, называется электромагнитом. Электромагнитом называется катушка проволоки, навитая на изолированный железный сердечник. Усиление магнитного поля железным сердечником зависит от качества железа, которое характеризуется так называемой магнитной проницаемостью. Особенно большой подъемной силой обладают электромагниты, в которых, в отличие от прямых цилиндрических катушек, магнитные силовые линии не выходят во внешнее пространство (рис. 228). Поскольку магнитное поле проводника, по которому течет электрический ток, ничем не отличается от поля постоянных магнитов, можно предположить, что магнетизм постоянных магнитов имеет также электрическую природу. Установлено, что магнетизм молекулы железа вызван движением электронов внутри молекулы по круговым орбитам. Магнитное поле создается электрическим током. Усиление магнитных свойств катушки железным сердечником объясняется тем, что под действием тока, идущего по катушке, круговые токи внутри молекул железа определенным образом ориентируются в пространстве. Во-первых, круговые орбиты электронов ориентируются параллельно виткам катушки. Во-вторых, электроны молекул железа движутся в том же направлении, что и электроны в витках катушки, по которой идет ток. Это равноценно увеличению тока в катушке и числа ее витков, а потому и приводит к усилению магнитного поля катушки. Если вынуть железный сердечник из катушки, то он почти полностью теряет свои магнитные свойства. Напротив, стальной сердечник остается намагниченным и после удаления его из катушки. Поэтому постоянные магниты можно изготовлять, вводя стальные стержни в катушку, по которой идет электрический ток. Если по проводнику идет переменный ток, то магнитное поле получается тоже переменным как по напряженности, так и по направлению магнитных силовых линий. Упражнения: 227. Когда мы нажимаем кнопку электрического звонка (рис. 198), то якорь А автоматически поочередно то замыкает, то размыкает цепь тока. Дайте объяснение. 228. Можно ли электромагнитом поднимать медные болванки? 195
II. ПОЛУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ 77. Получение электрической энергии из механической На гидроэлектростанциях электрическая энергия получается за счет кинетической энергии движущихся масс воды. Электростанции, работающие на угле, используют теплоту Рис. 229. Генератор (А — якорь, F — индуктор) вырабатывает" электрическую энергию и потребляет механическую энергию, подведенную посредством ременной передачи. сгорания топлива, которая паровыми турбинами или паровыми машинами превращается сначала в механическую (кинетическую) энергию. Затем механическую энергию передают динамо-машинам (генераторам), пользуясь, например, ременной передачей. Генераторы, потребляя механическую энергию, вырабатывают электрическую энергию. Электрическая энергия передается потребителям по проводам. Уже более 100 лет, как известно, что электрический ток вызывает магнитные явления. Тогда же были поставлены опыты по получению электрического тока посредством магнитов; эти опыты привели к открытию явления, которое легло в основу устройства динамо-машин. Соединим концы проволочной катушки с прибором, позволяющим обнаружить и измерить электрический ток 196
(рис. 230). Резким движением введем в катушку полосовой магнит. Мы увидим, что стрелка прибора быстро отклонится, однако вернется в нулевое положение, как только магнит перестанет двигаться. Выдернем затем магнит из катушки. Стрелка отклонится в обратную сторону. При быстром вдвигании и выдвигании магнита в катушке возникает ток переменного направления, т. е. переменный ток. В этом опыте безразлично, движется ли магнит относительно неподвижной катушки или катушка относительно Рис. 230. При вдвигании полосового магнита в катушку в ней возникает электрический ток. неподвижного магнита. В обоих случаях возникает электрический ток. До опыта через полость катушки не проходили магнитные силовые линии. С приближением магнита к катушке силовые линии начинают проникать внутрь катушки. При выдвигании магнита из катушки силовые линии удаляются из проводящего контура. Число магнитных силовых линий, пронизывающих в данный момент проводящий контур, называется магнитным потоком. Напряженность магнитного поля условно характеризуют определенным числом силовых линий, проходящих через квадратный сантиметр данного участка поля перпендикулярно к этому участку. Исследования показали, что при всяком изменении магнитного потока в проводящем контуре возникает электрический ток. Это явление называется электромагнитной индукцией, а возникающий ток называется индукционным током. При всяком изменении магнитного потока в проводящем контуре возникает индукционный ток. 197
Пользуясь электромагнитной индукцией, можно механическую энергию превратить в электрическую. Индуцированное электрическое напряжение тем больше, чем больше скорость изменения магнитного потока и чем больше число витков катушки. На явлении электромагнитной индукции основано действие динамо-машин как источников электрического тока. Магнитное поле в динамо-машинах создается сильными электромагнитами (индукторами) (рис. 232). Между полюсами индуктора сосредоточены магнитные силовые линии. Когда якорь Рис. 231. Модель генератора посто- Рис. 232. Катушки индуктора янного тока. и обмотки якоря генератора. динамо-машины вращается силой водяной струи или паровой машиной, или, как показано на рис. 231, рукой, то изменяется магнитный поток, пронизывающий катушку якоря. На модели, изображенной на рис. 231, магнитный поток, проходящий через поверхность, охваченную проводником, имеет наибольшую величину, когда контур проводника (якорь) расположен перпендикулярно к плоскости стола. При горизонтальном положении контура (якоря) магнитный поток равен нулю. При вращении якоря в его катушке возникает индукционный ток вследствие непрерывного изменения магнитного потока. В опыте с моделью (рис. 231) мы получим переменный ток, как и в опыте с полосовым магнитом (рис. 230). Этот переменный ток подводится к двум изолированным контактным кольцам (рис. 233), укреплен- 198
ным на оси якоря. Две пришлифованные угольные или металлические щетки снимают ток с контактных колец и подают его во внешнюю цепь. Если от динамо-машины хотят получить постоянный ток, то щетки следует менять местами в те моменты, когда ток изменяет свое направление. Для этой цели контактные кольца заменяют переключателем тока (коллектором или коммутатором), который автоматически производит смену контактов. Коллектор можно сразу узнать по множеству медных пластин, отделенных изолирующими прокладками (рис. 234). Рис. 233. Генераторы и двигатели пе- Рис. 234. Машину постоянного тока ременного тока обычно можно узнать узнают по коллектору, по контактным кольцам. Катушки индуктора возбуждаются постоянным током, причем источником постоянного тока служит обычно сама динамо-машина. Динамо-машины имеют большой коэффициент полезного действия, достигающий значения 0,98. Следовательно, подводимая кинетическая энергия почти вся превращается в электрическую энергию. Якорь и индуктор часто меняются ролями. Неподвижную часть генератора электрического тока называют статором, а вращающуюся — ротором. В статоре генератора трехфазного тока имеются три катушки, сдвинутые друг относительно друга на 120°, Ротором служит индуктор, возбуждаемый постоянным током. Три фазы трехфазного тока отводятся от катушек статора. 199
По одному взгляду на коллектор или контактные кольца (рис. 235) мы можем определить, с каким родом тока мы имеем дело. Хотя эти характерные признаки пригодны не для всех конструкций, однако они в равной мере относятся к генераторам электроэнергии и к моторам. Индукционные токи возникают не только в проводах, но и в массивных кусках проводящего материала, например в железных полюсных наконечниках индуктора и в сердечнике якоря. Индукционные токи в массивных проводниках называются вихревыми токами. Так как электрическая энергия вихревых токов превращается в теплоту, то обычно а) 61 6) Рис. 235. а — коллектор (постоянный ток), б — два контактных кольца (однофазный переменный ток), в — три кольца (трехфазный ток). стремятся воспрепятствовать появлению вихревых токов. С этой целью применяют железные сердечники не из целого куска металла, а из сложенных вместе, изолированных друг от друга железных пластин. Этим удается уменьшить силу вихревых токов. На мощных электростанциях установлены генераторы колоссальных размеров. На крупных предприятиях, имеющих собственные электростанции, мы также найдем генераторы. На автомобилях и мотоциклах устанавливают небольшие генераторы, которые дают ток для фар машины и, кроме того, заряжают аккумуляторы. В велосипедах тоже имеется маленькая динамо-машина для питания лампочки. Изготовляются и карманные электрические фонари с миниатюрным генератором, который приводится в действие рукой. Упражнение: 229. Генератор работает от двигателя в 100 л. с. и развивает электрическую мощность 55,2 кет. Каков коэффициент полезного действия этого генератора? 200
78. Получение электрической энергии из химической В электрических звонках источником тока иногда служат сухие элементы. Они преобразуют химическую энергию в электрическую. Батарейки карманных фонарей составлены из сухих элементов. Рис. 236. Батарея сухих элементов. Цинковый стаканчик сухого элемента (рис. 237) обычно заполняют опилками, смоченными раствором нашатыря с добавкой глицерина, желатина или других вяжущих средств. Рис. 237. Вскрытая батарейка карманного фонаря. Три маленьких сухих элемента соединены последовательно. В каждый цинковый стаканчик вставлена угольная палочка, помещенная в мешочке. В эту влажную массу погружают угольный стержень. С раствором нашатыря соприкасаются два проводника: уголь и цинк. Между ними возникает электрическое напряжение 201
приблизительно 1,5 в. Угольная палочка служит положительным полюсом, цинковый стаканчик — отрицательным. Электрическое напряжение возникает потому, что при определенных химических процессах освобождаются электроны. Процесс получения тока от сухих элементов сопровождается химическими реакциями, в результате которых истощается запас цинка и раствора нашатыря в элементе. Угольная палочка сухого элемента помещена в мешочек с толченым углем и перекисью марганца. Это обеспечивает длительную работу элемента без снижения напряжения. Между двумя проводниками из различных материалов, погруженными в электропроводящую жидкость, возникает электрическое напряжение. Такой источник тока называется гальваническим элементом Рис. 238. Аккумуляторы запасают (ЭТО Явление ОТКрЫЛ ГаЛЬ- электрическую энергию. вани) ^ Су X()fl элшент _ это гальванический элемент, всегда готовый к употреблению, простой в обращении и не пачкающий предметов, с ним соприкасающихся. Аккумуляторы по принципу действия следует тоже отнести к гальваническим элементам (рис. 238). Однако химическое восстановление аккумуляторов производится электрической зарядкой, тогда как в других гальванических элементах приходится заменять израсходованные пластинки металла и химические материалы новыми. Два проводника из различных материалов, погруженные в проводящую жидкость, создают электрическое напряжение. Несколько элементов можно соединять в батарею. Если положительный полюс одного элемента соединяют с отрицательным полюсом следующего элемента, то такое соединение называется последовательным (рис. 236). Общее на- 202
пряжение последовательно соединенных элементов равно сумме напряжений отдельных элементов. Аккумулятор при разрядке дает определенное ограниченное количество электрической энергии. Это количество энергии называется емкостью аккумулятора и указано в его паспорте. Если аккумулятор способен давать ток Зав течение 10 часов, то его емкость равна 30 ампер-часов. Свинцовые аккумуляторы очень тяжелы. Еще не удалось построить аккумулятор, который был бы легким и вместе с тем обладал большой емкостью. В этом отношении преимуществом обладают аккумуляторы, составленные из никеля и железа (или кадмия), погруженных в раствор едкого кали. Аккумуляторы дают постоянный ток и могут заряжаться только постоянным током. Не существует аккумуляторов и элементов переменного тока. Можно аккумулировать только энергию постоянного тока, а не переменного. Упражнения: 230. Две медные пластинки погружены в раствор серной кислоты. Будет ли такое устройство гальваническим элементом? 231. Батарейка карманного фонаря состоит из трех последовательно соединенных сухих элементов. Напряжение каждого элемента равно 1,5 в. Каково напряжение батарейки? 232. К свинцовым аккумуляторам для радиоприемников иногда прилагаются ареометры. Когда аккумулятор разряжен, они глубже погружаются в электролит. Объясните причину. 79. Получение электрической энергии за счет теплоты Обычный ртутный термометр можно применять для измерения температур не выше 360° С, потому что при этой температуре ртуть кипит. Для измерения более высоких тем- пп „ г Рис. 239. Измерение температуры Ператур ПРИГОДНЫ Термопары. плавильной печи термопарой. Термопара состоит из двух проволок из различных металлов, с одного конца сваренных или спаянных. Если нагреть место спайки L (рис. 240) и держать точки соединения термопары с подводящими проводами Кг и К2 203
при более низкой температуре, то в цепи пойдет слабый электрический ток, который можно обнаружить и измерить чувствительным прибором М. Показания прибора будут тем больше, чем выше температура точки L по сравнению с температурой точек /С, и /С2. Шкалу измерительного прибора калибруют в градусах. Это позволяет непосредственно без перерасчетов узнать температуру спая. Таким способом измеряют температуры в плавильных тиглях, в печах для закалки, в топках и пр. В термопарах тепловая энергия превращается в электрическую. Однако коэффициент полезного действия такого /и «г Рис. 240. Термопара. LK,— проволока из чистой платины. Проволока LK.2 изготовлена из особого платинового сплава. В точках Ki и Кг припаяны медные провода, соединяющие термопару с измерительным прибором. устройства настолько мал, что оно не нашло еще применения в качестве источника электрической энергии большой мощности. Термоэлементы применяют для измерения высоких температур. Было бы весьма интересно построить прибор, непосредственно превращающий тепловую энергию в электрическую и обладающий хорошими экономическими характеристиками. Это позволило бы отказаться от сопряженного с большими потерями энергии обходного пути, которым пользуются в настоящее время, сжигая уголь и приводя в действие паровые машины или турбины, вращающие электрические генераторы. Упражнения: 233. Какое количество теплоты надо затратить для получения 1 квт-ч электрической энергии, если считать, что превращение тепловой энергии в электрическую происходит без потерь? 234. Может ли электрическая энергия полностью превращаться в тепловую? 204
80. Электризация трением и электрическое поле Между шкивом и приводным ремнем при его скольжении иногда проскакивают искры. Искровой разряд может происходить также при сматывании рулонов бумаги в типографиях. В этих случаях электричество возникает вследствие трения. Хотя количество электричества при этом невелико, но напряжения могут достигать значений в несколько тысяч вольт. Выравнивание напряжений происходит посредством искровых разрядов. Трением нельзя получить большие токи, представляющие практический интерес. Янтарь, сургуч или эбонитовая палочка, потертые о шерсть, способны притягивать к себе кусочки бумаги. Причиной служат электрические заряды, которые возникают, например, на сургучной палочке при трении ее о шерсть. Электричество возникает при этом собственно не столько ОТ ТРеНИЯ, СКОЛЬКО блаГОДа- Рис. 241. Между ремнем и шкивом г ' проскакивают электрические искры. ря тесному соприкосновению двух различных веществ. Одно из тел отдает другому электроны и потому оказывается заряженным положительно. Другое тело принимает эти электроны, и его заряд становится отрицательным. Следовательно, электроны отбираются у одного из трущихся тел. Всякое незаряженное тело содержит огромные запасы электричества, заключенные в атомах. Опыты с заряженными телами показали, что разноименные заряды (положительные и отрицательные) притягиваются. Одноименные заряды отталкиваются. Взаимодействие электрически заряженных тел можно объяснить, пользуясь понятием электрического поля, заполняющего пространство между заряженными телами. Силовые линии этого поля, подобно магнитным линиям, можно обнаружить, однако, не при помощи железных опилок, а воспользовавшись мелко истолченными кристаллами гипса (рис. 242—245). 205
Рис. 242. Электрическое поле разно- Рис. 243. Электрическое поле одноименных зарядов. именных зарядов. Рис. 244. Силовые линии электрического поля металлических пластинок, заряженных разноименно. Рис. 245. Силовые линии электрического поля металлических пластинок, заряженных одноименно. Металл Вблизи заряженного тела / (рис. 246) поместим незаряженное тело //. Тогда на теле // появятся заряды, как на стороне, близкой к телу /, так и на удаленной. Это явление называется электризацией через влияние. Удалим тело // за пределы заметного влияния тела /. Тогда заряды на теле // снова соединятся и тело станет незаряженным. Положительные и отрицательные заряды грозовых облаков возникают вследствие распыления ветром водяных капель в воздухе. Оторванные и отброшенные вверх мельчайшие капельки воды заряжены отрицательно, остающиеся в нижней части облака более крупные Стекло п Рис. 246. Электризация через влияние. 206
капли заряжены положительно. Между заряженными облаками возникают электрические поля. Электрические и магнитные поля играют главную роль во всех электрических и магнитных явлениях. Электроны, движущиеся в проводнике, когда по нему идет ток, перемещаются под воздействием электрического поля, которое направлено от отрицательного полюса к положительному. Упражнения: 235. Грозовые облака часто обладают большим напряжением относительно Земли. Что можно сказать с точки зрения учения об электричестве о пространстве между облаком и землей? 236. Имеется ли электрическое поле между положительным и отрицательным полюсами штепсельной розетки? Притягиваются ли ее полюсы друг к другу? III. ПЕРЕДАЧА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПО ПРОВОДАМ 81. Передача на далекие расстояния Передача электрической энергии на большие расстояния всегда сопровождается потерями, происходящими из-за нагревания проводов электрическим током. До потребителя доходит меньше энергии, чем посылает станция. Рис. 247. Электрическую энергию выгодно передавать на большие расстояния сетями высокого напряжения, например 110 000 в. Экономические соображения побуждают принимать меры к уменьшению количества тепла, выделяющегося в проводах 207
дальней передачи. Для этого надо по возможности уменьшить ток, идущий по проводам. Чем меньше ток, тем меньше Рис. 248. На подстанции высокое напряжение преобразуется в более низкое, например в 3000 в. выделяется тепла. Чтобы передать большую мощность при слабом токе, необходимо применять высокое напряжение. Ток 1 а при напряжении ПО 000 в обеспечивает такую же мощность, как ток 500 а при 220 в. В обоих случаях мощность равна ПО 000 em. Сл едовател ьно, экономически выгодно передавать электрическую энергию на большие расстояния слабыми токами при высоком напряжении. Поэтому ток передают на далекие расстояния после преобразования, обеспечивающего высокое напряжение и малый ток. Линии дальней передачи находятся под напряжением от 15 000 до 220 000 в. Так как потребитель не нуж- Рис. 249. В небольших трансформаторных будках подведенное напряжение, например 3000 в, преобразуется в низкое напряжение, 220 или 380 в, нужное потребителю электроэнергии. 208
дается в высоком напряжении, то высоковольтные линии оборудованы промежуточными трансформаторными подстанциями и трансформаторными будками (рис. 248 и 249), в которых напряжение снижается до 220 и 380 в. Экономически выгодно передавать электроэнергию на далекие расстояния линиями высокого напряжения, по которым идет слабый ток. Переменный ток легче и дешевле преобразовать, чем постоянный. По этим причинам электрическую энергию передают на далекие расстояния почти всегда в виде переменного тока. В большинстве случаев применяют трехфазный ток. Переменный ток имеет большое преимущество по сравнению с постоянным током: его легко трансформировать. Преимущество постоянного тока состоит в том, что он позволяет запасать электрическую энергию в аккумуляторах. Упражнения: 237. В проводах, по которым идет ток 10 а, каждую секунду выделяется некоторое количество теплоты. Какая часть этого количества теплоты выделится за то же время в проводнике при токе ОД а? 238. При каком напряжении на проводах ток 0,1 а имеет ту же мощность, что и ток 10 а при напряжении 220 в> 239. Потребителю постоянного тока требуется мощность 22 кет (округленно 30 л. с.) при напряжении 220 в. Каков должен быть ток? 82. Трансформатор Рис. 250. Трансформатор, понижающий напряжение с 10 000 б до 400 е. Ток при этом соответственно увеличивается; поэтому ток пониженного напряжения должен отводиться толстыми медными шинами. Преобразователь переменного тока, обеспечивающий прежнюю мощность, но другие значения напряжения и тока, называется трансформатором. Трансформаторы, которые работают только на переменном токе, не содержат движущихся частей. Они 209
не нуждаются в наблюдении и уходе. Трансформация тока производится почти без потерь, и этот процесс не только прост, но и экономичен. На замкнутом железном сердечнике К (рис. 251) имеются две изолированные обмотки. Обмотка / содержит небольшое число витков толстой проволоки, а обмотка 77 — много витков тонкой проволоки. Когда через обмотку 7 проходит переменный ток, то он периодически с большой частотой изменяется по величине и направлению. Вследствие этого происходит периодическое изменение магнитного поля, создаваемого током, протекающим через обмотку 7. Так как магнитные силовые линии пронизывают замкнутый железный сердечник, то периодически изменяется и магнитное поле обмотки //. При усилении электрического тока магнитное поле обмотки // также усиливается, а при ослаблении тока оно уменьшается до нуля. Следовательно, внутри обмотки // периодически изменяется магнитный поток. Поэтому в обмотке II возникает индукционный ток переменного направления. Рис. 251. Схема трансформатора. Переменные токи в обмотках I и II имеют одинаковую частоту, но напряжение на обмотке // выше, потому что она имеет больше витков, чем обмотка /. Если, например, обмотка 77 имеет в 10 раз больше витков, чем обмотка 7, то на ее концах возникает напряжение в 10 раз большее, чем подведенное к обмотке /. Согласно закону сохранения энергии мощность, снимаемая с обмотки 7/, в наилучшем случае равна мощности, потребляемой в обмотке 7. Поэтому индуктированный ток не может превосходить -г^ части тока, идущего в обмотке /. Такие же трансформаторы применяют и для понижения напряжения. В этих случаях высокое напряжение подводят к обмотке 77. Тогда от обмотки / можно получить ток более 210
низкого напряжения, но соответственно большей силы. Обмотка, к которой подводят ток, называется первичной, а обмотка, от которой берут трансформированный ток, называется вторичной. Коэффициент полезного действия трансформаторов достигает значения 0,98. Для лучшей изоляции и для охлаждения обмоток трансформатора их обычно погружают в масло. Рис. 252. Мощный трансформатор, погруженный на железнодорожную платформу. Для преобразования трехфазного тока применяют трехфазные трансформаторы (рис. 252). Переменный в том числе и трехфазный ток можно преобразовать и получить любое нужное напряжение. Для повышения или понижения напряжения постоянного тока применяют агрегат, состоящий из электродвигателя, питающегося от сети, и электрического генератора, дающего нужное напряжение. Таким же способом, пользуясь постоянным током, получают переменный и обратно. Агрегат, состоящий из электродвигателя и генератора, называется умформером. В отличие от трансформатора умформеры содержат движущиеся части. Трансформаторов постоянного тока, подобных трансформаторам переменного тока, не существует. Упражнения: 240. Через первичную обмотку из 600 витков проходит ток 4 а при напряжении на концах обмотки 220 в. Число витков вторичной обмотки равно 12 000. Найти напряжение и величину тока во вторичной обмотке. 241. Какие причины приводят к потере мощности в трансформаторах? 211
IV. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ 83. Лампы накаливания В лампах накаливания электрическая энергия превращается в тепловую энергию и энергию излучения (свет). Нагревание лампой окружающей среды — явление нежелательное и экономически невыгодное. Доля световой энергии, излучаемой лампой, тем больше, чем выше температура ее раскаленной нити. Поэтому нити ламп накаливания изготовляют из тугоплавких металлов: вольфрама, осмия, тантала. Чем выше температура нити лампы, тем больше ее светоотдача. Чтобы нить, раскаленная добела, не перегорела, надо или удалить воздух из лампы, или наполнить ее газом, в котором нить не сгорает и не вступает в химические реакции, поиводящие к ее разру- Рис. 253. Лампа накаливания. шению! ОбыЧНО ЛЗМПЫ НаПОЛ- няют азотом. Газонаполненные лампы имеют еще одно преимущество: давление газа значительно уменьшает испарение раскаленной металлической нити. Но вместе с тем наполнение баллона лампы газом увеличивает ее теплоотдачу. Отдачу тепла можно снизить свертыванием нити в спираль или двойную спираль. Чаще всего применяют лампы мощностью 15, 25, 40. 60, 75 и 100 вт. Для специальных целей изготовляют лампы до 50 000 вт. Пустотные лампы с металлической нитью потребляют мощность 1,5 вт на свечу, газонаполненные лампы — только 1 am на свечу. Газонаполненные лампы повышенной мощности потребляют лишь 0,5 вт на свечу и потому называются «полуваттными», 212
Упражнение: 242. На газонаполненной лампе накаливания обозначено: 220 в, 40 вт. Каков ток, проходящий через лампу? Каково ее сопротивление? За какое время эта лампа израсходует 1 квт-ч электроэнергии? Сколько стоит час горения такой лампы при тарифе 40 коп. за 1 квт-ч? 84. Дуговая лампа Приведем в соприкосновение два проводника, включенных в сеть последовательно с реостатом. При достаточно большом токе проводники в месте соприкосновения раскалятся добела. Если мы теперь раздвинем проводники, то в межэлектродном промежутке будет гореть электрическая дуга (рис. 254). В электрических дуговых лампах дуга горит между угольными электродами . Положител ь- ный угольный стержень надо выбирать толще, Чем ОТрИЦатеЛЬНЫЙ, ПО- Рис. 254. Электрическая дуга постоянного tywv итппиггппярт^тгт тока' НаУгле» включенном в качестве ано- 1иму 4iu ин ^lujjdei иькл да, в0 время горения дуги образуется уг- рее. БОЛЬШУЮ ЧаСТЬ СВе- лубление (кратер). та излучает положительный угольный электрод. Температура положительного кратера дуги равна приблизительно 4000° С. В дуговых лампах переменного тока оба угля сгорают равномерно. Дуговые лампы применяют в прожекторах, проекционных аппаратах и киноаппаратах. Кроме того, электрическую дугу используют в электросварке и в электрических плавильных печах. Электрическая дуга служит в качестве источника света и для получения очень высоких температур. В ртутной дуговой лампе электрическая дуга горит между двумя резервуарами со ртутью. Возникает своеобразный яркий белесый свет, применяемый в медицине для облучения. Ртутная дуговая лампа называется также «горным солнцем», потому что ее свет богат ультрафиолетовыми лучами, вызывающими загар. Это невидимые лучи, которые 213
особенно интенсивны в спектре солнечного света на больших высотах, в горах. Когда ток идет в проводах, то он создается электронами, движущимися от отрицательного полюса к положительному. В электрической дуге носителями зарядов служат как электроны, движущиеся к положительному полюсу, так и положительно заряженные атомы и молекулы газов, из которых состоит атмосфера, заполняющая дуговой промежуток. Такие электрически заряженные атомы и молекулы называются «ионами». Упражнение: 243. Электрическая дуга для электросварки горит при напряжении 22 в, потребляя ток 580 а. Найти ее мощность. 85. Электролизные установки Металлические предметы часто покрывают никелем, хромом и другими металлами (рис. 255—257), придающими Рис. 255. Ванна для никелирования. Металлический предмет, который нужно покрыть слоем никеля, соединяют с отрицательным полюсом и погружают в раствор никелевой соли, через который пропускается электрический ток. поверхности повышенную прочность или красивую окраску. Для этого в гальванических цехах используют электрический ток, который, проходя через водные растворы и расплавы химических соединений, выделяет их составные части. 214
Электролизом называется разложение химических соединений на составные части электрическим током. Например, при нанесении медного покрытия предмет погружают в раствор медной соли; присоединяют к предмету отрицательный полюс источника питания и через раствор пропускают ток. Положительным полюсом служит Рис. 256. В автоматическом Рис. 257. Для глубокой печати при- аппарате для хромирования меняют стальные цилиндры, на железные детали покрывают которые электролитически нанесен хромом в электролитической слой меди. На этом медном по- ванне. крытии вытравляют кислотой рисунок, который нужно отпечатать. пластинка металлической меди. При пропускании тока на предмете отлагаются мельчайшие частички меди из раствора медной соли. Растворы солей, кислот и щелочей проводят электрический ток и вместе с тем разлагаются химически электрическим током. Такие жидкости называются электролитами. Однако следует помнить, что химически чистая вода, спирт, керосин и многие другие жидкости сами не проводят электрический ток. В разведенном растворе соляной кислоты часть молекул распадается на положительно заряженный атом водорода и отрицательно заряженный атом хлора (рис. 258). Каждый атом хлора несет на себе свободный отрицательный заряд одного электрона, тогда как каждый положительно заряженный атом водорода лишен одного электрона. 215
Опустим в раствор соляной кислоты две угольные пластинки и присоединим их к источнику постоянного тока. Положительно заряженные атомы водорода будут притягиваться к отрицательному полюсу (катоду) и предвигать- ся к нему через слой жидкости. Отрицательно заряженные атомы хлора пойдут к положительному полюсу (аноду). п л На электродах заряженные "Я* - Hqmoa атомы разрядятся, на катоде будет выделяться водород, а на аноде — свободный хлор. Этот процесс позволяет глубже проникнуть в строение молекул кислот, оснований и солей . Он показывает, что силы, связывающие Рис. 258. Электролиз соляной кислоты. аТОМЫ В МОЛекуЛу, ИМеЮТ электрическую природу. Молекулы кислот распадаются в водном растворе на положительно заряженные атомы водорода и отрицательно заряженные «кислотные остатки». НС1 (соляная кислота) распадается на Н+ и СГ. H2S04 (серная кислота) распадается на 2Н+ и (SOJ" ". Основания содержат положительно заряженные атомы металла и отрицательно заряженные группы ОН. КОН (едкий кали) распадается на К+ и (ОН)"". NaOH (едкий натр) распадается на Na+ и (ОН)". В растворах солей содержатся положительно заряженные атомы металла и отрицательно заряженные кислотные остатки. NaCl (хлористый натрий, или поваренная соль) распадается на Na+ и С1 . K2S04 (сульфат калия) распадается на 2К+ и (S04)~ "". Такие заряженные атомы или группы атомов называются ионами. Положительно заряженные ионы называются катионами (потому что они движутся к катоду). Отрицатель- 216
ные ионы называются анионами (потому что они движутся к аноду). Ионы — это заряженные атомы или группы атомов. Ионы металлов, находящиеся в основаниях и солях, а также ионы водорода, присутствующие в кислотах, всегда заряжены положительно и движутся к катоду. Водород и металлы выделяются на катоде. Если пропускать ток через раствор азотнокислого серебра, то на катоде будет выделяться серебро. Ток 1 а выделяет в секунду 1,118 мг серебра. Поэтому, взвесив выделившееся серебро и измерив время, можно определить ток. Один ампер — это ток, который из водного раствора азотнокислого серебра выделяет в одну секунду 1,118 мг серебра (принятое определение ампера). Химические действия кислот, оснований и солей основаны на присутствии в них ионов. Ионы служат причиной быстро протекающих химических реакций. При электролизе разведенной серной кислоты (H2S04) оба иона H+ перемещаются к катоду и там разряжаются. В результате на катоде выделяется водород. Кислотный остаток SCT~~~, несущий двойной отрицательный заряд, движется к аноду и отрывает от молекулы воды водород. В результате снова образуется молекула H2S04. Оставшийся кислород выделяется на аноде. Следовательно, число молекул серной кислоты после электролиза остается таким, как было до электролиза. Под действием тока разлагаются лишь молекулы воды. Химически чистая вода не проводит электрический ток потому, что молекулы воды практически не разлагаются на ионы. Для электролиза воды в нее необходимо добавить несколько капель серной кислоты. Действие свинцовых аккумуляторов основано на электрических процессах. При зарядке аккумулятора на его положительных плааинах образуется перекись свинца, на Рис 259 лизе разведенной При электросерной кислоты на катоде образуются пузырьки водорода, на аноде — пузырьки кислорода. 217
отрицательных — чистый свинец. При этом электролит обогащается серной кислотой. При разрядке аккумулятора серная кислота разлагается и на обеих пластинах образуется химическое соединение свинца — сернокислый свинец. Положительную пластинку аккумулятора легко узнать по коричневой окраске перекиси свинца. Упражнения: 244. Магний получают электролизом расплавленного соединения MgCl2. Алюминий получают электролитически из расплавленного глинозема А1203. На каком полюсе выделяются эти металлы? 245. А.ожно ли разложить электролизом керосин? 86. Телеграф Если нажать на телеграфный ключ Л, то через электромагнит Е пойдет электрический ток. Электромагнит, по которому проходит ток, притягивает железную пластинку F и Рис. 260. Телеграфный аппарат Морзе. прижимает карандаш 5 к протягиваемой бумажной ленте Р. На ленте появится штрих. Если ключ замкнуть на очень короткое время, то на бумажной ленте приемной станции получится точка. При более длительном нажатии получится черта. Каждой букве алфавита соответствует определенная комбинация этих знаков. Так, запись.— обозначает букву «а»; запись —. обозначает букву «н». 218
Телеграф Морзе основан на магнитном действии тока. В качестве обратного провода двусторонней связи можно использовать землю (рис. 261). На длинных телеграфных линиях передаваемый ток очень слаб и не может привести в действие записывающий Рис. 261. Схема телеграфной связи. аппарат. В подобных случаях на приемной станции используют электромагнит только для замыкания местной цепи, питаемой более сильным источником тока. Эта цепь и обслуживает пишущий аппарат (релейная схема). Упражнение: 246. Какая из батарей дает ток при указанном на рис. 261 положении ключей? 87. Телефон Телефонная трубка содержит в верхней части слуховой аппарат (собственно телефон), а в нижней части — микрофон. Между графитовой пластинкой Мг и тонкой графитовой мембраной М2 (рис. 262) помещены зерна графита, которые вследствие звуковых колебаний мембраны М2 спрессовываются то сильнее, то слабее. Пусть, например, на микрофон падает звуковая волна тона «ля» первой октавы, тогда зерна графита 440 раз в секунду прижимаются друг к другу колеблющейся мембраной. При каждом тесном сближении зернышек уменьшается электрическое сопротивление микрофона, и ток во всей цепи возрастает. Следовательно, микрофон, на который падает звуковая волна тона «ля», создает 440 импульсов тока в секунду. 219
Микрофон создает импульсы тока с частотой звуковых колебаний. В слуховой трубке находится магнит ?, на который надета катушка проволоки. Через эту катушку проходят импульсы тока. Вблизи одного из полюсов магнита помещена стальная мембрана М. Каждый импульс тока усиливает магнитное поле магнита и притяжение к нему мембраны. Поэтому мембрана совершает 440 колебаний в секунду и издает тон «ля». Следовательно, слуховая трубка превращает импульсы тока в колебания мембраны. Описанный микрофон называется порошковым угольным микрофоном. Телефон и микрофон соединены в одну телефонную трубку, которую Рис. 262. Телефон. удобно ДержаТЬ В ру- ке (рис. 262). В ленточном микрофоне между полюсами постоянного магнита или электромагнита помещена рифленая полоска металла, металлическая ленточка. Звуки речи приводят ее в колебания, и в микрофоне возникают индукционные токи той же частоты (см. стр. 197). Эти импульсы тока передаются слуховой трубке принимающего телефонного аппарата. Конденсаторные микрофоны описаны на стр. 236. Упражнение: 247. Будет ли работать микрофон с медной мембраной? 88. Усилители на электронных лампах Ораторы, выступая перед большой аудиторией, говорят обычно перед микрофоном. Токи микрофона проходят через усилитель и приводят в действие громкоговорители. Усилители применяют также на длинных линиях телефонной 220
связи и в радиоприемниках. Такие усилители называются усилителями низкой частоты, потому что частоты колебаний музыкальных тонов и речи относятся к области низкой частоты (до 5000 гц). Усилительные устройства содержат несколько усилительных ламп. Усилительная лампа (рис. 264 и 265) — это стеклянная трубка, из которой выкачан воздух. В трубку впаяны металлические вводы. К ним присоединены: анод в виде металлической пластинки, сетка и катод (нить накала). Хотя лампа находится под напряжением около 100 в, подведенным от анодной батареи, через лампу сначала ток не проходит, потому что разреженный воздух — непроводник. Йиод(- ¦*'*±\ Сетка^ Трансаэорматор\ uwwwJ (у*) Миллиамперметр -=- Л модная батарея Громкоговоритель 3 Рис. 263. Микрофон. I j_j Раскаленный катод __ ^батарея накала Рис. 264. Электронная лампа с сеткой в схеме усилителя. Если же нагреть нить до белого каления током батареи накала, то миллиамперметр, включенный в анодную цепь, покажет, что через лампу течет электрический ток. Этот ток называется анодным током, в отличие от тока накала. Электроны, создающее анодный ток, вылетают из раскаленного катода. Они поступают в разреженное пространство лампы, притягиваются анодом и проходят через отверстия сетки. Анодный ток усилительных ламп достигает значений в несколько миллиампер. Пустотные лампы, в которых свободно движутся электроны, называются электронными лампами. Если воспользоваться дополнительной схемой и зарядить сетку отрицательно относительно катода, то анодный ток 221
уменьшится, потому что отрицательный заряд сетки будет тормозить и отбрасывать назад электроны, летящие с катода. Если же сетку зарядить положительно относительно катода, то анодный ток возрастет. Обратим внимание на важную характерную особенность электронной лампы: очень малый положительный или отрицательный заряд сегки вызывает большие изменения анодного тока. На этом основано действие усилительных ламп. Посредством небольших изменений напряжения на сетке лампы можно сильно изменить идущий через нее ток. -J-4 ^ 0 +2 +4 -6 +8 +10 Напряжение на сетке, в Рис. 265. Усилительные электронные Рис. 266. Характеристика электронной лампы. лампы при анодном напряжении 50 в. Небольшие изменения напряжения на сетке вызывают значительные изменения тока в анодной цепи лампы. На рис. 266 изображена зависимость анодного тока от напряжения, поданного на сетку при постоянном анодном напряжении 50 в. Когда напряжение на сетке равно нулю, анодный ток равен 0,3 ма. Повышение напряжения на сетке до значения +10 в вызывает увеличение анодного тока с 0,3 до 1 ма, т. е. больше чем в 3 раза. Если на сетку наложено отрицательное напряжение, то анодный ток уменьшается. Приложив к сетке напряжение —5 в, можно запереть лампу, т. е. снизить до нуля анодный ток, возникший при анодном напряжении 50 в. Кривая, показывающая зависимость анодного тока ог напряжения на сетке, называется характеристикой электронной лампы. 222
Сетку соединяют со вторичной обмоткой трансформатора. Первичную обмотку трансформатора соединяют с микрофоном, вблизи которого выступает оратор, или с телефонной линией дальней связи. Небольшие изменения тока в первичной обмотке вызывают небольшие изменения напряжения во вторичной обмотке, т. е. между сеткой и катодом. Однако, как мы видели, небольшие изменения сеточного напряжения вызывают значительные колебания анодного тока, Громкоговоритель & Рис. 267. Трехкаскадный усилитель низкой частоты с общей анодной батареей. достаточные для приведения в действие громкоговорителя, включенного в анодный контур. Если колебания тока имеют недостаточную амплитуду, то их подают через трансформатор на вторую усилительную лампу, которая обеспечивает дальнейшее усиление тока. Такое устройство называется двухкаскадным усилителем низкой частоты. Отдельные усилительные лампы действуют как реле (спусковые устройства); они включают дополнительные источники тока (анодные батареи), позволяющие усилить ток, созданный звуковыми колебаниями микрофона. Усилители низкой частоты имеются во всех ламповых радиоприемниках (рис. 267). Они применяются также в аппаратуре звукового кино и в радиолампах. Нити накала катода изготовляют из тугоплавких металлов, например из вольфрама, точка плавления которого близка к 3000° С. Покрывая нить накала некоторыми веществами, удается обеспечить большой выход электронов при температурах, значительно меньших температуры каления. Ток проходит через электронную лампу, только тогда, когда нить накала соединена с минусом анодной батареи. 223
Если к лампе подведено переменное напряжение, то она пропускает ток только водном направлении. Поэтому электронные лампы могут служить выпрямителями. Такие выпрямительные лампы не содержат сеток, которые нужны лишь для усиления. Электронные лампы применяют не только в качестве усилителей и выпрямителей, но и в передатчиках, излучающих радиоволны (генераторные лампы). В радиотехнике электронные лампы вытеснили кристаллические детекторы, которые применяются теперь только в маломощных радиоприемниках. Почти все современные рентгеновские трубки (стр. 231) содержат основные части устройства электронных ламп. Многие фотоэлементы, в которых изменение интенсивности света вызывает изменение электрического тока (звуковое кино), также содержат элементы конструкции электронных ламп. В трубках телевизоров тоже используются элементы устройства электронных ламп. Трудно указать другой физический прибор, который нашел столь разнообразное применение, как электронная лампа. Упражнение: 248. Начертите схему четырехкаскадного усилителя низкой частоты с общей анодной батареей. 89. Громкоговоритель В громкоговорителе имеется мембрана, обычно конической формы. Мембраны изготовляют из плотной бумаги, картона и т. п. Мембрану заставляют совершать колебания и служить источником звуковых волн. В магнитных громкоговорителях (рис. 269) переменный ток звуковой частоты проходит по неподвижным катушкам, надетым на подковообразный магнит. Колебания тока изменяют силу, с которой полюсы магнита действуют на стальную пластинку, связанную с конусом мембраны. Это заставляет мембрану колебаться с звуковой частотой. Особую форму магнитного громкоговорителя представляет устройство, в котором свободный железный язычок Z (рис. 270) намагничивается током, идущим через катушку Sp. Благодаря этому язычок, связанный с мембраной, колеблется с частотой тока. 224
В динамических громкоговорителях (динамиках) в колебания приходит сама катушка, через которую проходит ток звуковой частоты. Катушка жестко соединена с конусом мембраны (рис. 271). Смотря по тому, создается ли магнитное поле постоянным магнитом или электро- Рис. 268. Большой репродуктор. Мембрана Пластинка Рис. 269. Магнитный репродуктор. магнитом, различают динамики с постоянными магнитами и динамики с подмагничиванием. Рис. 270. Язычковый репродуктор. Рис. 271. Динамик. Типы громкоговорителей: магнитные и динамические. Упражнение: 249. Какой тип громкоговорителя изображен на рис. 271, с постоянным магнитом или с подмагничиванием? 225
90. Электрические измерительные приборы Устройство электрических измерительных приборов основано на тепловом, магнитном или химическом действий тока. Рис. 272 Работа электрических машин контролируется измерительными приборами. Пульт управления большой электростанции. В тепловых приборах для измерения величины тока (рис. 273) используется тепловое действие тока. Измеряемый ток пропускают через проволоку, которая нагревается и удлиняется. Удлинение проволоки тем больше, чем больше ток. Изменение длины проволоки вызывает поворот стрелки, показывающей величину тока в амперах. Тепловые приборы применяют в качестве амперметров для измерения постоянного и переменного тока. В приборах с вращающейся катушкой используют магнитное поле тока. Ток пропускают через катушку, способную вращаться в поле подковообразного магнита (рис. 274). Катушка намагничивается током и поворачивается подобно якорю электродвигателя. Угол поворота катушки тем больше, чем сильнее ток. В приборе имеется спиральная пру- жина, противодействующая вращению и возвращающая ка- 226
тушку и стрелку в нулевое положение после прекращения тока. Приборы с вращающейся катушкой непригодны для измерения переменного тока. При быстром изменении знака магнитных полюсов катушка будет 100 раз в секунду испытывать отклоняющее действие поля, поочередно то вправо, то влево; не успевая следовать за этими толчками, катушка остается в покое. Приборы с вращающейся катушкой применяют в качестве амперметров и вольтметров постоянного тока. Iй"/', ' с» / Qjpom/c Спиральная прутипа Рис. 273. Схема теплового прибора. Рис. 274. Прибор с вращающейся катушкой. Для измерения величины тока и напряжения переменного тока обычно применяют приборы с сердечником из быстро размагничивающегося мягкого железа. Мягкое железо тем глубже втягивается в катушку, чем больше ток, проходящий через катушку (рис. 275), С подвижным сердечником соединена стрелка, движущаяся по шкале. Часто применяют приборы, конструкция которых пояснена на рис. 275, справа. Видны два железных сектора, один неподвижный, а другой поворачивающийся. Оба сектора намагничиваются током и отталкиваются друг от друга. Приборы с сердечником из мягкого железа применяют в качестве амперметров и вольтметров постоянного и переменного тока. Амперметры, подобно водомерам, включают непосредственно в цепь измеряемого тока (рис. 276). Напротив, вольт- 227
метр, которым измеряют напряжение, например, на полюсах горящей лампы накаливания, включают вне цепи тока лампы; его присоединяют двумя проводами к полюсам лампы. Говорят: вольтметр включается параллельно (рис. 277). Рис. 275. Схема приСора со втягивающимся железным сердечником. Амперметр включают последовательно.. Вольтметр включают параллельно. Чтобы измерительные приборы заметно не изменяли ток в измеряемом контуре, надо правильно выбрать их Рис. 276. Амперметр А включен последовательно. Рис. 277. Вольтметр V включен параллельно. сопротивление: амперметр должен иметь малое сопротивление, а вольтметр — большое сопротивление. Амперметр должен иметь малое сопротивление» Вольтметр должен иметь большое сопротивление. 228
Зная силу тока и напряжение, можно рассчитать потребляемую мощность. Мощность можно измерить и непосредственно, при помощи ваттметра или киловаттметра Рис» 278. Ваттметр. Рис. 279. Частотомер переменного тока. (рис. 278). Отклонение стрелки ваттметра зависит как от величины тока, так и от напряжения. В прорезь частотомера (рис. 279—281) видны маленькие прямоугольные пластинки, расположенные над шкалой частот. Если при измерении частоты пластинка, отмеченная, например, числом 50, сильно колеблется вверх и вниз, то частота тока в сети равна 50 гц. Измеряемый ток проходит через катушку электромагнита. Переменный ток, имеющий частоту 50 герц, обращает верхний конец катушки 50 paj в секунду в северный полюс и 50 раз в южный. Упругие стальные язычки 100 раз в секунду притягиваются к электромагниту и приходят в колебание. ЯЗЫЧКИ ИМеюТ разную Рис 280. Устройство частотомера. длину и каждый из них обладает своей собственной частотой колебаний. Большие амплитуды колебаний будут только у гех язычков, собственная 229
частота которых близка к частоте импульсов переменного тока (резонанс). Частотомер, изображенный на рис. 279, предназначен для измерения частот от 14 до 19 гц. Его применяют для контроля сети электрических железных дорог, где частота тока равна 16~тг Щ- В счетчиках, показывающих потребленную электроэнергию, обычно имеется мотор. Это маленькие электродвигатели, число оборотов которых регистрируется счетным ме- 97 98 99 100 101 102 103 Частота колебании язычков Рис. 281. Шкала частотомера. При частоте тока 50 гц колеблются сильнее те язычки, которые имеют собственную частоту колебаний 100 гц. ханизмом. По числу оборотов двигателя можно заключить о числе потребленных киловатт-часов. Эту величину и указывает шкала счетчика. Счетчики киловатт-часов можно построить также, используя химическое действие тока. Можно, например, определять количество водорода или ртути, выделившихся при электролизе. Счетчики электроэнергии устанавливают на производстве и в жилых домах. Такой счетчик имеется в каждой квартире. По показаниям счетчика определяется количество потребленной электроэнергии и производится ее оплата. Сопротивление измеряют омметрами. Однако обычно сопротивление находят расчетом по измеренным значениям напряжения и тока. Когда требуется особая точность, сопротивление измеряют мостиком Уитстона. Упражнения: 250. Амперметр с пределом измерения 5 а включили непосредственно в штепсельную розетку сети 220 в. Что произойдет? 251. Вольтметр с пределом измерения 250 в включен непосредственно в штепсельную розетку сети с напряжением 220 в. Что произойдет? 252. Какова собственная частота колебаний язычка частотомера, который находится в резонансе с переменным током 50 гц} 230
91. Рентгеновские трубки Рентгеновские лучи — это невидимые глазом лучи, обладающие способностью проникать через тела. Дерево, кожа, металл, камень, мышцы, кости и т. д. тем меньше поглощают рентгеновские лучи, чем меньше плотность вещества. Свинец, обладающий большой плотностью, даже в тонких слоях почти непроницаем для рентгеновских лучей. Различные химические вещества, например плати- но-синеродистый барий, светятся в темноте, если Рис. 282. Рентгеновские лучи приме- Рис. 283. Рентгеновский снимок руки няются в медицине для распознава- (негатив), ния и лечения болезней. на них падают рентгеновские лучи. Это явление используют в светящихся экранах, применяемых в рентгеноскопии. На экране, покрытом таким веществом, хорошо видны теневые изображения предметов, просвечиваемых рентгеновскими лучами. Если на пути рентгеновских лучей поместить руку, то лучи будут почти без ослабления проходить через мышцы, но сильно поглощаться костями. На поверхности 231
светящегося экрана, расположенного на пути рентгеновских лучей, прошедших сквозь руку, мы увидим темные очертания костей, а мышцы дадут лишь слабые тени. Рентгеновские лучи регистрируют также фотографическими пластинками и пленками. Если положить руку на фотографическую пластинку, завернутую в черную бумагу, непроницаемую для света, а затем облучить руку рентгеновскими лучами, то после обычной фотографической обработки пластинки мы получим рентгеновский снимок руки (рис. 283). Рентгеновские лучи обладают способностью проникать через тела. Рентгеновские лучи действуют на фотографическую пластинку подобно свету. Рентгеновские лучи вызывают свечение некоторых веществ. Источником рентгеновских лучей служат рентгеновские трубки (рис. 284). батарея накала Это стеклянные трубки со впаянными Рис. 284. рентгенов- металлическим анодом и подогреваемым екая трубка. катодом. Батарея накала дает ток, который доводит катод до белого каления. Горячий катод испускает электроны. К аноду присоединен положительный полюс, а к катоду — отрицательный полюс источника постоянного тока высокого напряжения, например 20 000 в. Электроны, вылетевшие с катода, притягиваются к аноду и движутся со скоростью от 10 000 до 100 000 KMJceK к аноду — косо поставленной металлической пластинке. При ударе электронов об анод возникают рентгеновские лучи. Они проходят через стекло трубки и распространяются в окружающем пространстве, оставаясь невидимыми. Рентгеновские лучи широко применяются в медицине. Они позволяют врачу распознать переломы костей, обнаружить в организме человека инородные тела, правильно поставить диагноз внутренних болезней. Рентгеновские лучи применяют и для лечебных целей, прежде всего при злокачественных опухолях и кожных болезнях. Однако слишком сильное облучение рентгеновскими лучами может вызвать опасные поражения тканей. Медицинский персонал защищается от рентгеновских лучей свинцовыми передниками и перчатками. йно9 Раскаленный катод 232
Рентгеновские лучи с небольшой проникающей способностью называются мягкими. Жесткие лучи обладают большой проникающей способностью. Жесткость лучей возрастает с увеличением напряжения, приложенного к трубке. Рентгеновские лучи применяют и в технике для просвечивания материалов и изделий. Таким способом легко обнаружить дефекты в литье, трещины в стальных балках п трубах, изоляторах и пр. Рентгеновские лучи, прошедшие через кристаллы, дают на фотографии своеобразную картину (рис. 16 и 17 на стр.23), которая объясняется интерференцией рентгеновских лучей, встретивших атомную решетку кристалла. Картина интерференции позволяет сделать ценные заключения о строении пространственной решетки кристалла. Рентгеновские лучи — это электромагнитные волны, отличающиеся от световых волн и радиоволн малой, длиной волны. Длина волны жестких рентгеновских лучей меньше, чем мягких. Упражнение: 253. Почему на рис. 283 приведены светлые изображения костей руки на темном фоне, тогда как при просвечивании рентгеновскими лучами мы видим темные очертания костей на светлом поле? V. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ 92. Емкость Электрический заряд можно накапливать и удерживать в конденсаторах. Простейший конденсатор состоит из двух металлических пластинок (обкладок), расположенных на небольшом расстоянии одна против другой (рис. 286). Между металлическими обкладками помещают изолятор: воздух, парафинированную бумагу, керосин или слюду. Блокировочный конденсатор (рис. 285 и 287) состоит из двух групп станиолевых листков, отделенных небольшим расстоянием. Между каждыми двумя станиолевыми листками находится изолирующая прокладка, например из парафинированной бумаги. Присоединим оба зажима конденсатора на короткое время к полюсам штепсельной розетки осветительной сети 233
постоянного тока. Конденсатор зарядится и сохранит заряд после отключения его от розетки. Конденсатор приобрел определенное количество электричества; между обкладками конденсатора существует в этом случае определенное напряжение, например 220 в; между обкладками возникло электрическое поле. Способность конденсатора сохранять электрические заряды объясняется тем, что на соседних обкладках конденсатора, находящихся друг от друга на небольшом расстоя- Рис. 28G. Конденсатор. + Рис. 287. Устройство блоки- Рис. 285. Конденсаторы. ровочного конденсатора. нии, располагаются разноименные заряды. Они притягивают друг друга и поэтому сохраняются в конденсаторе часами и даже днями. Заряжая конденсатор, можно соединить только одну из его обкладок с одним полюсом штепсельной розетки. Однако тогда вторую обкладку конденсатора следует заземлить. Вследствие индукции (см. стр. 206) на заземленной обкладке появится равное количество электричества противоположного знака и конденсатор зарядится так, как описано выше. Чтобы разрядить конденсатор, надо соединить проводником оба его зажима. Каждый конденсатор при напряжении между его обкладками в 1 вольт имеет определенный электрический заряд обоих знаков. Величина этого заряда характеризует так называемую емкость конденсатора. Единица емкости С называется фарадой (ф). 234
Конденсатор имеет емкость в 1 фараду (1 ф), если при напряжении в 1 вольт он заряжен количеством электричества в 1 кулон (такое количество электричества протекает за 1 секунду через поперечное сечение проводника, по которому идет ток в 1 ампер). Более мелкие единицы емкости: микрофарада (мкф), пикофарада (пф) и сантиметр (см; такую емкость имеет шарик радиусом 1 см): 1 мкф = 1/1 000 000 ^5 = Ю-6 ф; 1 пф= 1/1 000 000 мкф= ИГ11 ф; 1 пф = 0,9 см. Емкость конденсатора зависит от размеров его обкладок, от расстояния между ними и от свойств изолятора, находящегося между обкладками. В конденсаторах переменной емкости (рис, 288) одна группа обкладок вдвигается в зазоры между обкладками другой группы. Батареи конденсаторов и конденсаторы переменной емкости имеются во всех радиоприемниках. Часто вместо слова «конденсатор» употребляют термин «емкость». Если вы спросите в магазине радиоаппаратуры емкость в 100 пф, то вы получите конденсатор емкостью в 100 пф. Конденсатор, включенный последовательно в цепь постоянного тока, прерывает ток. Конденсатор не пропускает (блокирует) постоянный ТОК. Переменный ТОК Не Пре- Рис- 288« Конденсатор пере- r r меннои емкости. рывается конденсатором, потому что чередующиеся импульсы тока заряжают, разряжают, сновя заряжают конденсатор и т. д. Поэтому в цепи идет ток. Конденсатор представляет и для переменного тока известное сопротивление, которое приходится учитывать при расчете общего сопротивления цепи. Конденсатор не прерывает цепи переменного тока. Сопротивление конденсатора переменному току тем меньше, чем больше емкость конденсатора и чем больше частота переменного тока. 235
В радиотехнике применяют не угольные порошковые микрофоны, а обычно конденсаторные микрофоны, в которых тонкая алюминиевая мембрана помещается против металлической пластинки, образуя с ней конденсатор. Когда на мембрану падает звуковая волна, то в такт с частотой звука изменяется расстояние между обкладками конденсатора и его сопротивление переменному току. Упражнение: 254. Скольким см равна 1 пф? Скольким пф и мкф равны 500 см? 93. Самоиндукция Электрическая искра, которую мы часто наблюдаем при выключении рубильника, бывает особенно сильной, когда в цепи тока имеется катушка или электромагнит. Напряжение, возникающее в месте разрыва контакта и вызывающее искровой разряд, может достигать нескольких тысяч вольт при напряжении в сети, равном лишь 220 в. Это имеет следующее объяснение. Всякий проводник с током окружен магнитным полем (см. стр. 193). Когда в цепь включена катушка или электромагнит, то магнитное поле особенно сильно. При выключении тока магнитное поле Рис. 289. При быстром выключении тока ИСЧеЗаеТ. СкОрОСТЬ И3- в мест\^3?п^п^н^аяКа°и^^0Скаки" менения магнитного по- вает электрическая искра. ля особенно велика при быстром выключении тока. Тогда в цепи возникает сильный индукционный ток (см. стр. 197). Напряжение в цепи значительно превосходит начальное сетевое напряжение, и в месте разрыва контакта происходит искровой пробой. Индукция в самой цепи тока называется самоиндукцией. 236
Ток самоиндукции, возникающий при размыкании цепи, называется током размыкания. Он имеет то же направление, что и выключаемый ток. Энергия этого индукционного тока черпаегся из запаса энергии исчезающего магнитного поля. При замыкании тока часгь электроэнергии расходуется на создание магнитного поля и запасается в магнитном поле. Поэтому при замыкании цепи ток не сразу достигает того значения, которое ожидается по закону Ома. Эту величину ток имеет лишь после того, как напряженность магнитного поля принимает окончательное значение. В первые мгновения после замыкания тока в цепи имеется встречное напряжение, в известной мере противодействующее включенному току. При размыкании цепи может возникнуть напряжение больше приложенного, а при замыкании цепи встречное индуктивное напряжение может быть таким большим, что сначала ток практически вовсе не пойдет. Встречное напряжение, возникающее при пропускании переменного тока через катушку с большим числом витков, может быть так велико, что переменный ток будет заперт. Колебания тока и перемена полюсов, свойственные переменному току, вызывают такие же явления самоиндукции, как замыкание и размыкание цепи. Катушки, применяемые для ограничения или запирания переменного тока, называются дросселями. Напряжение, возникающее на участке разрыва тока, тем больше, чем сильнее исчезающее магнитное поле и чем быстрее оно исчезает. Резкое выключение рубильника создает на участке разрыва тока большее напряжение, чем постепенное выключение тока. Напряженность магнитного поля зависит не только от величины тока, но и от геометрической формы контура, по которому течет ток. Магнитное поле особенно сильно, когда в цепь включена катушка. Если катушка имеет железный сердечник, то напряженность магнитного поля еще больше возрастает. Каждый электрический контур обладает большей или меньшей самоиндукцией. Численное значение этой величины называется индуктивностью цепи L. Единица индуктивности — генри. Проводник обладает индуктивностью в 1 генри, если при изменении силы тока на 1 ампер в секунду на его концах 237
возникает индуктивное напряжение в 1 вольт 1 миллигенри (мгн) = ущ генри (гн). Очень малые индуктивности измеряют в единицах «сантиметр». Один генри равен 109 см. Эта единица индуктивности относится к системе электрических единиц, которая в настоящее время не применяется в технике, однако используется в научных исследованиях. Следует помнить, что 1 см может быть и единицей длины, и единицей индуктивности, и единицей емкости. Каждый раз нужно оговаривать, о какой единице идет речь. 1 мгн = 1 000 000 см. 1 гн = 109 см. Индуктивность катушки (рис. 290) зависит от ее Рис. 290. Каждая катушка обладает оп- 'х ределенной индуктивностью (самоиндук- ДИЗМеТра И ДЛИНЫ, 8. ТЗК- цией), которая зависит от диаметра и же от ЧИСЛя ВИТКОВ На СаН- длины катушки, а также от числа витков. ^с U1 ^nc/ia опи\иа na s^an тиметре длины катушки. Рассчитывая величину переменного тока, проходящего через катушку, следует к омическому сопротивлению цепи прибавить также величину, зависящую от индуктивности цепи и частоты переменного тока. Самоиндукция играет в радиотехнике важную роль. Упражнение: 255. Катушка имеет индуктивность 700 000 см. Сколько это составляет мгн? Сколько гн? 94. Электрический колебательный контур В схемах радиоприемников имеются замкнутые контуры, содержащие конденсатор и самоиндукцию (катушку). Такая цепь называется электрическим колебательным контуром. Он служит основной частью всякого передающего и приемного устройства и позволяет создавать электрические колебания. Между обкладками заряженного конденсатора имеется электрическое поле (рис. 292). Если к конденсатору при- 238
соединить катушку, то конденсатор станет через нее разряжаться. Разрядный ток создает в катушке магнитное поле. В момент, когда конденсатор разряжен, вся электрическая энергия, запасенная в конденсаторе, превращается 1 >—4 > 1 " II Г I *ч 1 —] Jt- Й" г [ад V- Колебательный контур Рис. 291. Схема радиоприемника. в магнитную энергию, накопленную в катушке (//). Поскольку ток прекращается, магнитное поле исчезает и вследствие самоиндукции в катушке возникает ток того же направления, что и разрядный ток. Этот ток самоиндукции снова зарядит конденсатор, но знаки зарядов на его обкладках будут обратными по сравнению с первоначальными. HF- =№- /// НЬ Члгщр-1 tfpgy HnnnmpJ vmmj Члмр IV * • Линии электрического поля ¦ Линии магнитного поля Рис. 292. Различные стадии электрических колебаний. Когда магнитное поле исчезнет, вся магнитная энергия снова превратится в электрическую (///). Снова конденсатор начинает разряжаться. Разрядный ток вызывает появление магнитного поля (IV). Затем магнитное поле исчезнет. Возникнет ток самоиндукции, снова заряжающий конденсатор до исходного состояния /. Мы рассмотрели один цикл процесса; за ним последует второй, третий и т. д. Этот процесс называется электрическими колебаниями. Промежуток времени между двумя одинаковыми состояниями заряженного конденсатора называется периодом колебания. При электрических колебаниях электрическая энергия превращается в магнитную, которая снова переходит в электрическую, и т. д. 239
Колебательный контур состоит из самоиндукции и емкости. Обозначим период колебаний (в секундах) через Г, емкость в фарадах — через С, индуктивность (в генри) — через L. Тогда закон колебаний выразится формулой Период колебаний тем больше, чем больше индуктивность и емкость контура. Частота колебаний и период связаны уравнением f-T=l. Следовательно, частота тем меньше, чем больше индуктивность и емкость. Колебательный контур высокой частоты должен содержать малую емкость и малую индуктивность. Всякий колебательный контур обладает собственным периодом и собственной частотой; обе эти величины зависят от индуктивности и емкости. Колебания, возбужденные в изо- " колебательный контур лированном контуре, постепенно за- рис. 293. схема обратной тухают вследствие неизбежных потерь связи. электрической энергии, связанных с нагреванием проводов током. Незатухающие колебания мы получим, если регулярно будем возмещать эти потери, подводя энергию от дополнительного источника тока. Для этой цели применяют электронные лампы, соединенные определенной схемой с колебательным контуром. Такая весьма важная схема соединения называется схемой обратной связи (рис. 293). Не входя в детали работы этой схемы, заметим, что колебания, возникающие в контуре, содержащем заряженный конденсатор, скоро затухли бы, если бы колебательный контур не был связан «индуктивно» с контуром сетки лампы двумя близко расположенными катушками. При каждом отдельном колебании, происходящем в колебательном контуре, сетка заряжается импульсами тока, возникающими в ее контуре вследствие индукции. Колебания напряжения на сетке управляют анодным током, и он при каждом колебании сообщает колебательному контуру ту энергию, которая теряется вследствие затухания. Таким способом получают незатухающие колебания. Незатухающие электрические колебания получают, применяя электронные лампы в схеме обратной связи. 240
Мощные электронные лампы, применяемые для этой цели на радиостанциях, называются генераторными лампами. Радиотелеграфная и радиотелефонная связь работает на незатухающих колебаниях. Каждый радиопередатчик и приемник содержат колебательный контур. Упражнение: 256. Как изменяется период и частота колебательного контура, если его емкость увеличить в 4 раза? 95. Излучение и прием электромагнитных волн Для радиовещания применяют электрические колебания с частотой выше 100000 герц. Только при таких высоких частотах колебаний (см. стр. 115) можно обеспечить большую дальность приема. Если расположить рядом два колебательных контура (рис. 294), то колебания в контуре / вызовут колебания и в контуре //, потому что магнитные линии катушки / проникают в катушку // и вследствие индукции вызывают в ней импульсы тока. Колебания, полученные таким способом в контуре //, имеют, вообще говоря, очень малую амплитуду. Они зна- рис. 294. два индук- чительно усиливаются, если контур // тивно ^уЯрааанных кон" находится в резонансе с контуром /, т. е. если оба контура имеют одинаковые собственные частоты колебаний (см, стр. 66). Контур // можно настроить в резонанс с контуром /. Это достигается подбором катушки и конденсатора или включением в контур // конденсатора переменной емкости. Если оба контура находятся в резонансе, то контур / возбуждает сильные колебания в контуре //, даже если расстояние между ними равно 3—4 м. Электрические колебания можно передавать и на гораздо большие расстояния, если обеспечить воздействие на контур // не только магнитных, но и электрических силовых линий. Электрическим линиям предоставляют свободный выход в пространство, развертывая контур / (рис. 295). Излучение этого открытого контура еще больше увеличивается, если соединить А (рис. 295) с антенной и Е с землей (например, с водопроводом). Для излучения и приема электромагнитных волн применяют открытые контуры. Однако для создания самих электромагнитных коле- 241
баний на передающей и приемной станциях применяют закрытые колебательные контуры, связанные индуктивно с открытыми контурами. Для излучения и приема электромагнитных волн с большой частотой колебаний применяют открытые колебательные контуры, настроенные в резонанс. Электромагнитные волны распространяются в свободном пространстве, как заполненном воздухом, так и без- ^д_ воздушном. Электромагнитные волны могут проникать и через стены зданий. Простейший радиоприемник, не требующий питания электрическим то- Замкнутый Разогнутый \?ф?/ ком, содержит Кристалли- открытыи ческий детектор, колеба- Рис. 295. Закрытый колебательный кон- ТеЛЬНЫЙ КОНТур И ТелефОН- тур можно развернуть в открытый. ные науШНИКИ. В КрИСТаЛ- лическом детекторе острие тонкой проволочки упирается в маленький кристалл (например, свинцового блеска). Это устройство действует как выпрямитель и выделяет из поступающих электрических колебаний те импульсы тока, которые были вызваны в микрофоне диктором на передающей станции. В колебательном контуре такого приемника обычно имеется конденсатор переменной емкости, позволяющий настроить колебательный контур на передающую станцию, т. е. настроить в резонанс контуры приемника и передатчика. Вблизи передающей станции можно обойтись и без колебательного контура; достаточно соединить один контакт детектора с антенной, а другой контакт — с землей, подключив параллельно детектору наушники. В современных радиоприемниках, питающихся от сети, кристаллический детектор заменен электронными лампами. В приемнике имеются и другие электронные лампы, служащие для усиления. Ток для накала нити и необходимое напряжение обеспечиваются осветительной сетью. Сеть дает также ток для подмагничивания динамиков, имеющихся в приемнике. В многоламповых приемниках устроен так называемый «магический глаз». Его зеленый зрачок широко раскрывается, когда приемник далек от резонанса с радиостанцией, на передачу которой хотят настроиться. Если же приемник 242
настроен точно в резонанс, то зрачок «магического глаза» стягивается в узкую зеленую полоску. Приемники, работающие на постоянном и на переменном токе, называются универсальными. Обычно приемники содержат несколько колебательных контуров. Приемник, предварительно усиливающий принятые колебания и направляющий их затем через электронную лампу, работающую как детектор, к следующим усилительным лампам, называется приемником прямого усиления. Особенно острой настройкой, обеспечивающей хороший прием во время работы мешающих станций с близкой длиной волны, отличаются суперы. Они содержат контур с маленькими электронными лампами, которые генерируют собственные электромагнитные волны, интерферирующие с принимаемыми радиоволнами. В результате интерференции возникают новые, промежуточные волны. Колебания на промежуточной частоте усиливают, детектируют ненова усиливают. Упражнение: 257. На какие частоты надо настраивать колебательный контур радиоприемника, чтобы слушать передачи станций Берлин II и Берлин III, работающих на средних волнах (от 100 до 1000 м)} 96. Модулирование высокочастотных колебаний для передачи музыки и речи Передающая радиостанция создает высокочастотные колебания и излучает незатухающие волны, которые распространяются в пространстве, принимаются антенной радиоприемника и вызывают в его контуре высокочастотные колебания. Если эти незатухающие высокочастотные колебания тока будут происходить в телефонных наушниках или громкоговорителе, то даже после предварительного усиления мы не услышим звука. Колебания происходят с такой частотой, что мембрана не успевает следовать за ними, да и человеческое ухо не могло бы слышать звук, имеюший столь высокую частоту. Например, колебания, возбуждаемые передатчиком Берлин II, имеют частоту 910 000 гц, тогда как человеческое ухо способно воспринимать лишь колебания с частотой до 20 000 гц. Пока на микрофон не падает звуковая волна, волны, излучаемые включенным передатчиком, имеют вид, изображенный на рис. 296. 243
Если же на микрофон действует звуковая волна, например тона «ля», то ток в микрофоне усиливается 440 раз за ГХЛЛЛЛЛЛЛ Рис. 296. Незатухающие высокочастотные волны служат несущими волнами для низкочастотных колебаний музыки и речи. секунду (рис. 297). Во вторичной обмотке трансформатора возникнут 440 импульсов тока в секунду, которые будут поступать на сетку лампы. При надлежащей электрической схеме благодаря этому 440 раз в секунду будут усиливаться колебания в контуре передатчика. Соответственно изменится и форма электромагнитных волн, излучаемых передатчиком. Будут излучаться так называемые модулированные волны (рис. 298). Следовательно, электромагнитные волны, излучаемые при высокочастотных колебаниях контура передатчика, как бы помечены тоном «ля». Высокая частота + -f- Низкая частота = Модулированная частота. Модулирова иные электромагнитные волны принимают антенным контуром радиоприемника. Затем колебания усиливают усилителем высокой частоты и подают на ту часть схемы приемника, которая служит для выделения колебаний низкой частоты, наложенных на колебания высокой частоты. Для этой цели применяют электронные лампы, включенные по особой схеме. Лампа, которая из модулированных высокочастотных колебаний выделяет наложенные на них колебания низкой частоты, называется детекторной. Де- Микродюн Трансформатор с железным сердечником Рис. 297. Модуляция незатухающих высокочастотных колебаний звуковыми частотами. Рис. 298. Модулированные волны, излучаемые высокочастотным контуром. Если пропеть перед микрофоном тон «ля» основной октавы, то возникают 440 цугов модулированных волн в секунду. 244
[лллШлйа.!. i i i i i 1 i i i L. 1 nfllflflftnJ I i i i i 1 1 1 41 й .afllMiliJ ' текторная лампа работает как выпрямитель (подобно кристаллическому детектору) и пропускает только половину каждого цуга колебаний (рис. 299, средний чертеж). Вследствие особенностей схемы включения детектора каждая половина цуга колебаний создает в анодном контуре лишь один импульс тока (рис. 299, внизу). В рассматриваемом частном примере в анодном контуре детекторной лампы возникает 440 импульсов тока в секунду. Они усиливаются усилителем низкой частоты и подаются на репродуктор, в котором 440 импульсов тока в секунду вызывают звук «ля». Электромагнитные волны, излучаемые при высокочастотных колебаниях контура передатчика и несущие пометки, наложенные низкими частотами звуков музыки или речи, применяют потому, что только такие волны распространяются на достаточно „, .. . большие паССТОЯНИЯ без перед входом в детектор (вверху) и после иильшие раи-шмнил иез детектир0вания (в середине). Импуль- ЧреЗМерНОГО ОСЛаблеНИЯ. сы тока в репродукторе (внизу). Радиоволны расходятся от антенны передатчика во всех направлениях. Часть волн движется вдоль поверхности земли. Дальность распространения таких волн, если они имеют длину меньше 1000 м, не превышает 150 км, потому что они поглощаются препятствиями (леса, дома и т. д.) и теряют свою энергию. Часть радиоволн излучается антенной в мировое пространство. Они встречают на высоте 60—200 км так называемый слой Хэвисайда, состоящий из ионизированного газа, и отражаются от него обратно на землю. В этом состоит объяснение большой дальности действия коротковолновых передатчиков. С наступлением темноты от этого слоя начинают отражаться также средние и длинные волны. Поэтому вечером дальний прием на этих волнах бывает лучше, чем днем. Упражнение: 258. Назовите различные применения электронных ламп в радиотехнике* Рис. 299. Модулированные волны, из- ДОСТаТОЧНО лученные высокочастотным контуром, 245
97. Шкала электромагнитных волн Длинные волны Свыше 1000 м Свыше 105 см Средние волны . . 100 м— 1000 м 104—103 см Короткие волны 10 ж— 100 м 103— 104 см Ультракороткие волны \ м—10 м 102—103 см Дециметровые и сантиметровые волны 0,4 мм—1 м 4-Ю"2—102 см Инфракрасные волны 0,0008 мм — 0,4 мм 8- Ю-5—4-10-2 см Свет, видимый глазом . . . . 0,0004 мм — 0,0008 мм 4-10"5—8-10~5 см У льтр афиолетовые волны 0,000004 мм — 0,0004 мм 4-10~7—4-10~5 см Рентгеновские лучи 0,000000005 мм — 0,00005 мм 5-10~"10—5- 10"в см Гамма-лучи . . . 0,0000000005жж—0,00000003 лш5-10"п—3-10~9см Радиоволны часто называются электрическими волнами. Это название не безупречно, потому что здесь происходит передача не только электрической, но и магнитной энергии. Каждая точка пространства, через которую проходит такая волна, характеризуется как напряженностью электрического, так и напряженностью магнитного поля. Поэтому следует называть радиоволны электромагнитными волнами. Каждая электрическая волна связана с магнитной волной. Доказано, что световые волны, инфракрасное излучение, ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи тоже принадлежат к электромагнитным волнам. Эти виды излучения отличаются только различной длиной волны или частотой. Электромагнитные волны: Радиоволны Ультрафиолетовые лучи Инфракрасные лучи Рентгеновские лучи Световые волны Гамма-лучи Все электромагнитные волны распространяются в пустом пространстве со скоростью 300 000 км/сек. Зная частоту колебаний, можно по формуле c=f-'k (см. стр. 69) вычислить длину волны. Упражнение: 259. Радиостанция работает на частоте 185 кгц. Вычислите длину волны. Станцию Берлин II следует принимать на волне 329,7 м+ Найдите частоту.
Ж. ПОЛУЧЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Рис. 300. Промышленность и транспорт потребляют огромное количество механической энергии, которую получают из других видов энергии. 247
98. Водяные турбины Текущие массы воды несут с собой кинетическую энергию, использование которой представляет важную хозяйственную задачу. Турбины гидростанций отнимают энергию у текущей воды и используют ее для совершения работы. Из различных типов водяных турбин мы рассмотрим только турбину Фрэнсиса. Рис. 301. Водяные турбины применяются на электростанциях для приведения в действие электрических генераторов. Машина-возбудитель вырабатывает постоянный ток для питания магнитов генератора. Ротор этой турбины (рис. 302) помещается в улиткообразном кожухе и приводится во вращательное движение протекающей через него водой. Лопатки ротора изогнуты винтообразно с тем расчетом, чтобы вода, поступающая в ротор с большой скоростью со всех сторон, меняла направление течения всегда на 90° и вытекала в направлении оси турбины. Прежде чем поступить на лопатки ротора, вода проходит систему неподвижных направляющих лопастей, которые задают ей нужное направление. Это обеспечивает равномерное поступление воды в ротор, необходимое для получения высокого коэффициента полезного действия турбины. Большой коэффициент полезного действия турбины объясняется рациональным расположением неподвижных лопастей и формой лопаток ротора. Турбина отбирает приблизительно 90% кинетической энергии протекающей через нее воды. Водяные турбины строят на различное число оборотов: от 50 до 1000 в минуту. На гидроэлектростанциях турбины 248
монтируют на одном валу с электрическим генератором. Энергия, отнятая у воды, превращается при этом в электрическую энергию. Водяные турбины отбирают у текущей воды ее кинетическую энергию. На водяных мельницах энергия потока воды используется для помола зерна, распиловки древесины. Рис. 302. Ротор турбины. Рис 303. Наливное водяное колесо. Водяные колеса подразделяют на наливные и подливные. В наливном колесе (рис. 303) верхние ковши колеса наполняются водой, и вес этих ковшей приводит колесо во вращение. Такие колеса отнимают у воды главным образом потенциальную энергию, а не кинетическую. В подливных колесах (рис. 304) в поток воды погружены нижние ковши, которые отнимают у нее кинетическую энергию. К турбинам с центральным подводом воды подают воду приблизительно На ВЫСОТе ОСИ КОЛеса. Рис- 304- Подливное водяное колесо. Подливное колесо, изображенное на рис. 304, имеет коэффициент полезного действия около 70%. Наливное колесо (рис. 303) позволяет использовать кинетическую энергию воды на 85%. Коэффициент полезного действия среднебойных колес ниже — приблизительно 65%. Использование энергии текущей воды имеет большое хозяйственное значение. Однако пока используется лишь небольшая часть водных ресурсов Земли. Электростанция Вальхензее обладает самой большой турбинной установкой в Германии. Восемь мощных турбин этой станции вращают генераторы общей мощностью 168 000 л. с. 249
Огромные запасы энергии были бы поставлены на службу человека, если бы удалось использовать запасы энергии той части воды в океанах, которая дважды в сутки поднимается во время приливов. Небольшие «приливные» станции уже построены. Океанская вода заполняет специальные бассейны и во время отлива стекает в море через турбины. Много столетий человек использует силу ветра в ветряных мельницах и парусных судах. Однако до сих пор нет электростанций, работающих за счет энергии ветра, хотя планы устройства подобных станций уже имеются. Упражнения: 260. В водопаде низвергаются ежесекундно бОО^г воды с высоты 10 м. Какую мощность (в л. с.) можно было бы получить от этого водопада? 261. В машинном зале гидростанции установлены четыре турбины по 24 000 л. с. и четыре турбины по 18 000 л. с. Сколько киловатт-часов электроэнергии производит станция за каждый час? 262. Скольким кет соответствуют 168 000 л. с.? 99. Паровые турбины и паровые машины В паровых турбинах используют кинетическую энергию струи водяного пара. Пар высокого давления, от 10 до 60 am, полученный в паровом котле, направляется на лопатки Рис. 305 Паровая турбина на одном валу с генератором (турбогенератор). рабочего колеса турбины (рис. 306) через несколько сопел, имеющих форму воронок. В сопле, сечение которого постепенно возрастает, пар теряет давление, но благодаря этому приобретает большую скорость. Струи пара ударяют 250
в лопатки колеса турбины и приводят его во вращение. Пар, уходящий с лопаток первого колеса турбины, поступает в систему неподвижных направляющих лопаток, а затем на второе рабочее колесо, где снова отдает свою кинетическую энергию. Так пар проходит ряд неподвижных и подвижных лопаток, которые расположены на общей оси. Когда пар выходит из последнего рабочего колеса, его кинетическая энергия уже израсходована. В паровых турбинах используют кинетическую энергию струи водяного пара. На электростанциях паровые турбины используют для вращения генераторов. Около 20% теплотворной способности угля превращается паровыми турбинами в- механическую энергию. Паровые турбины, в отличие от поршневых паровых машин, не имеют частей, совершающих возвратно-поступательное движение. В котлах паровых машин образуется пар высокого давления. Этот пар поступает в цилиндр поочередно то с пра- Рис. 306. Принцип действия паровой турбины. 251 Рис. 307. Схема паровой машины: а — шатун, б — ползун, в — золотник. вой, го с левой стороны поршня. Поршень, находясь под избыточным давлением, движется то в одну, то в другую сторону (рис. 307). В стационарных машинах отработанный пар направляется в так называемый конденсатор, где, охлаждаясь, пар снова превращается в воду. В движущихся машинах, например в паровозах, отработанный пар, как правило, выпускают в воздух. Машины высокого давления: свыше 25 ати *). Машины среднего давления: от 10 до 25 ати. Машины низкого давления: ниже 10 ати. х) Ати — избыточное давление в шпь
Золотники паровой машины управляют подачей пара в цилиндр и выпуском пара. В мощных паровых машинах парораспределение производится клапанами, которые поочередно впускают и выпускают пар. В «машинах с расширением» подача пара прекращается раньше, чем поршень заканчивает весь свой путь. Расширяющийся пар продолжает толкать поршень дальше. Этим сокращается расход пара и горючего. В машинах компаунд пар проходит последовательно один за другим два цилиндра и энергия пара лучше используется. Мощность, развиваемая поршнем, называется индикаторной мощностью. Эффективной мощностью называется мощность, которую паровая машина передает другим машинам. Если разделить эффективную мощность на индикаторную, то получим значение механического коэффициента полезного действия; обычно он равен 0,9. Экономический коэффициент полезного действия мы найдем, если разделим количество энергии, полученной от машины, на израсходованную энергию топлива. Значение этого коэффициента зависит от мощности и качества паровой машины; оно лежит в пределах от 0,02 до 0,16. Поршень паровой машины движется под давлением водяного пара. В турбинах и в поршневых паровых машинах только небольшая часть энергии топлива превращается в механическую энергию. Упражнения: 263. В паровой машине с коэффициентом полезного действия 0,16 теряются 84% энергии топлива. Где происходят эти потери? 264. В цилиндр машины среднего давления впускают пар под давлением 18 ати. Площадь поршня равна 5000 см2. Как велика сила, движущая поршень? 265. Почему эффективная мощность всегда меньше индикаторной? 100. Двигатели внутреннего сгорания В цилиндр двигателя внутреннего сгорания вводится газовая смесь, состоящая из горючего газа и воздуха. Высокое давление продуктов сгорания смеси приводит в движение поршень. В качестве горючего могут служить светильный газ, генераторный газ, пары бензина, бензола и спирта. Жид- 252
кие горючие вещества распыляются и обращаются в пар в карбюраторе струей воздуха, поступающего в цилиндр. При первом такте движения поршня четырехтактного двигателя в цилиндр всасывается горючая газовая смесь Рис. 308. Мотор автомобиля. (рис. 309). При втором такте смесь в цилиндре сжимается. Затем происходит зажигание смеси электрической искрой, создаваемой свечой зажигания. Газовая смесь взрывается и толкает поршень из цилиндра — третий такт. При четвертом такте движения поршня газообразные продукты сгорания выталкиваются из цилиндра через клапан. В четырехтактном двигателе, таким образом, работа выполняется только при третьем такте. Чтобы обеспечить плавный ход автомобиля, применяют моторы, имеющие на одном валу от четырех до восьми ци* линдров, работающих со сдвигом на один такт. Четыре такта двигателя: 1. Всасывание (рис. 309,/). 2. Сжатие (рис. 309,2). 3. Рабочий ход (рис. 309,3). 4. Выхлоп (рис. 309,4). 253
В дизельных двигателях можно использовать в качестве горючего трудноиспаряющиеся дешевые сорта нефти- Дизельные двигатели тоже работают в четыре такта, но всасывают только воздух. Во время такта сжатия воздух р/ сжимается до 30—40 am, его Рис. 309. Схема яаботы четырех- Рис. 310. Принцигшаль- тактного двигателя. пая схема двухтактного двигателя. Двигатели внутр еннего сгорания могут работать и в два такта (рис. 310). У двухтактных двигателей каждый второй такт рабочий. В этих двигателях нет отдельных тактов всасывания и выхлопа. Предварительно сжатая газовая смесь, находящаяся в картере, поступает в цилиндр во время рабочего такта, незадолго перед тем, как поршень начнет обратное движение, выполняя такт сжатия. Продукты сгорания вытесняются свежей порцией газовой смеси, поступающей в цилиндр. Работу двигателей внутреннего сгорания обеспечивает давление газов, образующихся при сгорании топлива. Преимущество двигателей внутреннего сгорания перед паровыми машинами состоит прежде всего в их малом весе. Кроме того, они требуют меньше места, чем паровые машины той же мощности. Поэтому создание самолетов стало возможным лишь после того, как появились двигатели внутреннего сгорания. Двигатели внутреннего сгорания имеют коэффициент полезного действия от 0,25 до 0,35. 254 температура благодаря сжатию повышается приблизительно до 600° С, и вспрыснутое в этот момент жидкое горючее воспламеняется.
В цилиндрах двигателей, работающих на угольной пыли, взрывается воздух, содержащий тончайшую угольную пыль. Упражнения: 266. Отчего происходят опасные взрывы угольной пыли в шахтах? 267. Почему паровая машина, несмотря на ее низкий коэффициент полезного действия, не вытеснена двигателем внутреннего сгорания? 101. Электродвигатели Электродвигатели превращают электрическую энергию в кинетическую энергию, которую применяют, например, для приведения в действие станков. Электродвигатели имеются повсюду на самых различных производствах. Большинство машин, например то- Рис. 311. Электродвигатель потребляет электрическую энергию и приводит в действие станки. карные и строгальные станки, прессы и штамповочные машины, краны и подъемники и т. д., приводится в действие электродвигателями. Они занимают мало места, легко управляемы, могут иметь различную мощность и конструкции, приспособленные для конкретных целей. Применение электромоторов служит основой широкой механизации и автоматизации промышленного производства. По характеру потребляемого тока различают двигатели постоянного, переменного и трехфазного тока. Имеются двигатели, работающие и на постоянном, и на переменном токе. Такие двигатели называются универсальными. В электродвигателях происходит процесс превращения энергии, обратный происходящему в динамо-машинах. 255
По принципу устройства обе эти электрические машины одинаковы, хотя и отличаются отдельными техническими деталями. Одинаковы и их конструкции. Основные элементы конструкции генераторов (см. стр. 196) имеются также в электродвигателях. Полюсными магнитами электродвигателей служат неподвижные электромагниты, которые создают сильное магнитное поле. На железном сердечнике подвижного якоря укреплены катушки, к которым через коллектор подводится ток. В катушках якоря также возбуждается магнитное поле, полюсы которого притягиваются или отталкиваются) полюсами индуктора. Электродвигатели превращают электрическую энергию в механическую. Электродвигатель постоянного тока Двигатели, у которых обмотка якоря и катушки индук*- тора включены последовательно и поэтому питаются одним и тем же током, называются двигателями с последовательным возбуждением (рис. 312). Они характеризуются большой силой тяги и применяются, например, в качестве двигателей в трамвае. Электродвигатель с последовательным возбуждением развивает большую силу тяги. Двигатели с параллельным возбуждением, у которых обмотка якоря и катушки индуктора соединены параллельно (рис. 313), обладают тем преимуществом, что сохраняют почти постоянным число оборотов независимо от нагрузки. Число оборотов двигателя с параллельным возбуждением почти не зависит от нагрузки. У двигателей компаунд индуктор имеет две обмотки: одна соединена последовательно с обмоткой якоря, а другая параллельно. В таких машинах совмещаются положительные качества двигателей с последовательным и параллельным возбуждением. Рис. 312. Схема электродвигателя с последовательным возбуждением. Рис. 313. Схема электродвигателя с параллельным возбу ждением 256
Двигатели компаунд обеспечивают большую силу тяги и сохраняют почти постоянное число оборотов, которое легко регулировать. Когда якорь электродвигателя, вращаясь, совершает полное число оборотов, то в нем, как и в якоре динамо-машины, индуктируется напряжение, направленное противоположно питающему напряжению сети и противодействующее току, пропускаемому через якорь. Встречное напряжение тем больше, чем больше число оборотов якоря. При пуске электродвигателя, когда якорь еще не вращается, встречного напряжения нет. Поэтому если мы включим якорь сразу на полное напряжение сети, то по его обмотке пойдет такой большой ток, что обмотка может сгореть. Для защиты обмотки последовательно с электродвигателем устанавливают пусковой реостат, который выводят по частям, пока якорь не приобретает полное число оборотов. Электродвигатель переменного тока Двигатель постоянного тока может работать и на переменном токе, потому что направление тока изменяется как в якоре, так и в катушке индуктора. В результате якорь вращается в неизменном направлении. Следует только обеспечить быстрое и полное перемагничивание железного сердечника, что достигается применением не сплошного сердечника, а составленного из тонкого листового железа. Моторы такого типа имеют коллектор (коммутатор), характерный для машин постоянного тока. Эти моторы называются коллекторными или универсальными. Синхронные моторы однофазного переменного тока применяют редко, преимущественно в электрических часах, где нагрузка незначительна и требуется лишь постоянство числа оборотов. Трехфазный мотор В трехфазных моторах ток подводят только к обмоткам статора, окружающим ротор. Обмотки ротора коротко замкнуты. В них возбуждаются индукционные токи, намагничивающие ротор. Он начинает вращаться подобно Магнитной стрелке во вращающемся магнитном поле (стр. 167 и 191). Эти моторы не содержат ни колец, ни щеток. Их называют моторами с короткозамкнутым ротором. 257
Такие моторы отличаются простотой устройства и надежностью в работе. Ротор в трехфазном моторе вращается всегда медленнее, чем магнитное поле. Поэтому такие моторы называются также асинхронными. Если в цепь обмоток ротора асинхронного двигателя надо включить пусковое сопротивление, Ротор стартер ^ПГ I Контактные j j Рис. 314. Включение трехфазного мотора с контактными кольцами (асинхронный мотор). то для этого пользуются контактными кольцами. Трехфазные моторы такого типа называются моторами с контактными кольцами (рис. 314). Большинство трехфазных моторов имеет короткозамк- нутые обмотки ротора. В синхронных моторах число оборотов ротора равно числу оборотов магнитного поля. К ротору через контактные кольца подводится постоянный ток, к статору — трехфазный. Синхронный мотор имеет то преимущество, что сохраняет строго постоянное число оборотов. Но он имеет и недостаток: синхронный мотор работает, только когда число оборотов ротора совпадает с частотой вращающегося поля. Поэтому синхронный мотор снабжают особым пускателем, доводящим обороты ротора до частоты магнитного поля. После этого пускатель выключают. Электромоторы работают очень экономично. Их коэффициент полезного действия равен в среднем 0,8—0,9. Для электродвигателей характерно, что они потребляют электрическую энергию, только когда производят работу. Мотор, работающий без нагрузки, берет из сети небольшую часть той мощности, которую потребляет под нагрузкой. Упражнения: 268. Из чего составляются потери энергии в электродвигателях? 269. Двигатель постоянного тока питается током 30 а при напряжении ПО в. Сколько кГм работы совершит этот двигатель в секунду, если его коэффициент полезного действия равен 0,9?
3. АТОМНАЯ ЭНЕРГИЯ Рис. 315. В циклотроне и других подобных установках протоны, ядра атомов гелия и другие электрически заряженные частицы разгоняются электрическим полем высокого напряжения до больших скоростей. Быстрые заряженные части цы применяются для бомбардировки атомных ядер. 259
102. Строение атома Еще приблизительно 60 лет назад ученые были убеждены, что химические элементы не могут превращаться друг в друга; полагали, например, что неосуществима мечта алхимиков получить золото из неблагородных металлов. Однако в последние десятилетия было установлено, что превращения элементов возможны. Такие превращения происходят не только в природе, но и осуществляются искусственно в специальных установках. Примером естественного процесса служит образование атомов свинца из атомов урана и радия. Из водорода — горючего газа, может образовываться гелий — негорючий инертный газ. Искусственным, путем азот превращают в кислород и водород, натрии — в магний, уран — в барий. Технически вполне возможно — хотя и невыгодно экономически — превращать ртуть в золото. В принципе каждый химический элемент может быть превращен в любой другой химический элемент. Аппаратура и методы, необходимые для превращения элементов, успешно разрабатываются учеными. В настоящее время уже известно около 500 атомных превращений. Путем искусственных превращений удалось получить даже такие элементы, которые не встречаются на Земле в природных условиях. Возможность превращения элементов объясняется тем, что атомы всех элементов построены из одинаковых частиц. Эти частицы называются элементарными частицами. Например , атом серы построен из таких же элементарных частиц, как атом кислорода. От элемента к элементу изменяется лишь число элементарных частиц, содержащихся в атоме. Изучение химических закономерностей, электрических разрядов в разреженных газах, исследование естественных и искусственных превращений элементов показали, что атомы всех элементов построены из электронов, протонов и нейтронов. Электроны Электроны —это частицы, имеющие наименьший заряд отрицательного электричества. Заряд электрона равен 1,6-10"19 ампер-секунды, или кулона. Масса электрона равна 0,9-Ю"27 г. Масса 2 000 электронов приблизительно равна массе одного атома водорода. 260
Мы познакомились уже с электронами как носителями электрического тока в металлических проводниках (см. стр. 174) и в электронных лампах (стр. 221). Электроны принимают также участие в переносе электричества в газосветных лампах, трубках с тлеющим разрядом (рис. 316), электрической дуге. Отрицательные ионы в водных растворах кислот, оснований и солей состоят из атомов или групп атомов, свя- Рис. 316. Газосветная трубка, наполненная разреженным газом (например, водородом), светится, если к ее электродам приложено высокое напряжение. занных, смотря по их валентности, с одним или несколькими электронами. Поэтому такие ионы имеют отрицательный заряд. Каждый атом состоит из очень маленького ядра, в котором сосредоточена почти вся масса атома, и оболочки. Оболочка атома построена из электронов. Электроны, входящие в электронную оболочку атома, обращаются вокруг ядра по замкнутым орбитам, подобно тому как вокруг Солнца обращается Земля и другие планеты. Число электронов, движущихся вокруг ядра, различно у различных элементов. Например, вокруг ядра водорода обращается один электрон, вокруг ядра гелия —2, кислорода — 8, железа — 26 электронов. Протоны Протоны —это положительно заряженные частицы, ничем не отличающиеся от ядер атомов водорода. Мы получим протон, если из электрически нейтрального атома водорода удалим единственный электрон, обращающийся вокруг ядра. Следовательно, протоны —это ядра атома водорода. Они несут положительный заряд, величина которого равна отрицательному заряду электрона. Масса протона почти равна массе атома водорода. С протонами —ядрами атома водорода —мы уже познакомились раньше. Положительно заряженные ядра 261
атомов водорода (Н+) содержатся в водных растворах кислот и принимают участие в перекосе тока при электролизе (стр. 214). Протоны можно обнаружить и в электрическом разряде, протекающем в разреженном водороде. Во время такого разряда ток переносится электронами, которые вылетают из отрицательного электрода под действием высокого напряжения, приложенного к разрядной трубке. Эти электроны устремляются к положительному полюсу (аноду) и приобретают огромную скорость. Встречая на своем пути атом водорода в трубке, электрон действует подобно снаряду и выбивает электрон из оболочки нейтрального атома водорода. Для пояснения этого процесса напомним, что два одноименных заряда отталкиваются друг от друга (см. стр. 205). В результате соударения от атома водорода остается только его положительно заряженное ядро (протон), которое притягивается к катоду и начинает к нему перемещаться. Следовательно, в газоразрядной трубке, содержащей разреженный водород, образуются протоны вследствие бомбардировки атомов водорода быстрыми электронами. Протоны входят в. состав всех атомных ядер. Ядро атома водорода содержит только один протон, ядро атома гелия —2, ядро атома кислорода —8, ядро атома железа —26 протонов. Число протонов в ядре всегда равно числу электронов, обращающихся вокруг ядра. Водород — единственный элемент, ядра атомов которого состоят только из протонов. Ядра атомов всех остальных элементов кроме протонов содержат еще и нейтроны. Нейтроны Бомбардируя атомы водорода электронами, можно выбить из оболочек атомов электроны, обращающиеся вокруг ядер. Таким же способом можно выбивать электроны из оболочек других атомов. Атомное ядро не разрушается при бомбардировке атомов электронами. Для этого нужно бомбардировать ядра положительно заряженными частицами, например дважды ионизованными атомами гелия, т. е. атомами гелия, потерявшими два электрона и поэтому заряженными двумя положительными элементарными зарядами. Такими опытами было установлено, что продукты разрушения ядер состоят не только из протонов, но и из электрически не- 262
заряженных частиц, которые называются нейтронами. Нейтрон имеет почти такую же массу, как протон, и отличается от него отсутствием заряда. Электроны и протоны можно наблюдать также и при других физических и химических процессах, нейтроны же появляются только при разрушении атомных ядер. Ядро атома гелия содержит кроме двух протонов еще два нейтрона. Ядро атома кислорода имеет 8 протонов и 8 нейтронов. Ядро атома железа содержит 26 протонов и 30 нейтронов. Атомы всех элементов построены из протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны находятся в ядре атома, вокруг которого обращается столько электронов, сколько протонов содержится в ядре. Упражнения: 270. Ядро атома цинка содержит 30 протонов. Сколько электронов обращается вокруг него? 271. Оболочка атома урана содержит 92 электрона. Сколько протонов находится в его ядре? 272. Ядро атома азота содержит 7 протонов и 7 нейтронов. Сколько электронов находится в оболочке электрически нейтрального атома азота? 103. Периодическая система элементов Современные данные о строении атома были получены в результате научных исследований, проводившихся на протяжении десятилетий. Русский химик Д. И. Менделеев установил в 1869 г., что между химическими свойствами элементов и их атом- Рис. 317. Все химические соединения, которых в настоящее время известно около 500 000, состоят из небольшого числа основных веществ (элементов). Всего в природе встречаются 92 элемента. Атомы элементов построены из протонов, нейтронов и электронов. 263
ными весами существует тесная связь *). Д. И. Менделеев составил так называемую периодическую систему элементов. Под этим понимают таблицу элементов, расположенных в порядке возрастания атомных весов, из которой непосредственно видно, что в совокупности следующих друг за другом элементов периодически повторяются их важнейшие характерные физические и химические свойства. 1 н 1,01 2 Не 4,00 3 Li 6,94 4 Be 9,01 5 В 10,82 6 С 12,01 7 N 14,01 8 О 16,00 9 F 19,00 10 Ne 20,18 t t 11 Na 23,00 12 Mg 24,32 13 Al 26,97 14 Si 28,06 15 P 30,98 16 S 32,07 17 CI 35,46 В этой таблице символы первых 17 химических элементов периодической системы приведены один за другим в порядке возрастания атомного веса. Водород (Н) имеет наименьший атомный вес 1,01; гелий (Не) имеет атомный вес 4,00; литий (Li) —6,94 и т. д. Число, стоящее над символом элемента, мы будем называть порядковым номером элемента. Водород имеет порядковый номер 1, гелий — 2, углерод —6, хлор — 17. В этой последовательности бросается в глаза, что на восьмом месте после инертного газа гелия снова стоит инертный газ неон (Ne). Точно так же на восьмом месте после щелочного металла лития (Li) снова стоит щелочной металл натрий (Na). После щелочноземельного бериллия (Be) на восьмом месте снова находим щелочноземельный металл магний (Mg). На восьмом месте после галоида фтора (F) стоит галоид хлор (С1) и т. д. Такая закономерность позволяет предполагать, что при продолжении ряда на восьмом месте после инертного газа неона мы встретим снова какой-нибудь инертный газ, а на восьмом месте после щелочного металла натрия будет находиться опять щелочной металл. В ряде элементов, г) Под атомным весом элемента понимают отвлеченное число, показывающее, во сколько раз масса атома данного элемента больше Vie части массы атома кислорода. Атомный вес водорода округленно равен 1,01. Следовательно, масса атома водорода лишь немногим больше !/ie части массы атома кислорода. Атомные веса всех элементов известны. 264
расположенных в порядке возрастания атомных весов, элементы со сходными химическими свойствами следуют на определенном расстоянии один от другого. I II III IV V VI VII 1 н 1.01 2 Не 4.00 3 Li 6,94 11 Na 23,00 4 Be 9.01 12 Mg 24,32 5 В 10,82 13 Al 26,97 6 С 12,01 14 Si 28,06 7 N 14,01 15 P 30,98 8 0 16,00 16 S 32,07 9 F 19,00 17 CI 36,46 10 Ne 20,18 Если оборвать ряд первых 17 элементов на десятом элементе (неон) и остаток этого ряда расположить так, чтобы элемент с порядковым номером 11 (натрий) стал под элементом с порядковым номером 3 (литий), то химически сходные элементы расположатся один над другим, например: литий (Li) и натрий (Na), углерод (С) и кремний (Si), галоиды фтор (F) и хлор (С1). Столбцы I, II, III содержат основные металлы, хорошо растворимые окислы которых образуют щелочи. В столбцах IV, V, VI, VII стоят символы кислотообразующих неметаллов (металлоидов). Если для элементов от номера 3 до номера 17 выписать те соединения с кислородом и водородом, в которые эти элементы входят с их максимальной валентностью, то получится следующая таблица: Порядковый номер з 4 5 6 7 8 1 9 10 11 12 13 14 15 16 17 -I Элемент Li Be В С N О F Ne Na Mg Al Si P S CI Соединен] Кислородное соединение Ы.0 BeO в2о3 co2 NA Na20 MgO A1208 Si02 p2o5 so3 ciA ле возмож Максимальная валентность по кислороду 1 2 3 4 5 — — 1 2 3 4 5 6 7 но лишь тео Водородное соединение LiH ВеН2 [ВНз]1) СН4 NH3 н2о HF — NaH MgH2 А1Н3 SiH4 РН3 H2S НС1 ретически. Максималь- 1 пая валентность по водороду — 4 з 1 2 1 — — 4 3 2 1 265
По приведенной таблице можно установить, что валентность элементов от номера 3 до номера 7 в их кислородных соединениях возрастает на единицу с каждым последующим порядковым номером. То же самое можно сказать о валентности по кислороду элементов от номера И до номера 17. Валентность элементов от номера 3 до номера 5 и от номера 11 до номера 13 в их водородных соединениях возрастает на единицу с каждым последующим порядковым номером. У элементов от номера 6 до номера 9 и от номера 14 до номера 17 валентность по водороду с каждым номером убывает на единицу. Если сложить валентности азота (порядковый номер 7) по кислороду (5) и по водороду (3), то получим в сумме число 8. Это справедливо и для углерода (С), кремния (Si), фосфора (Р), серы (S) и хлора (С1). Рассмотрение первых 17 элементов периодической системы уже показывает, что в этой системе периодически повторяются определенные химические свойства элементов. Точки плавления и кипения—также периодические функции порядкового номера элементов. Если продолжить таблицу и расположить аналогичным способом все остальные элементы, то получим всю периодическую систему элементов (см. таблицу на стр. 267). В каждом столбце находятся один под другим символы химически сходных элементов. Так, в столбце I находятся щелочные металлы, в столбце II — щелочноземельные металлы, в столбце VII —галоиды, в столбце 0 (нулевом) — инертные газы. Элементы, стоящие в одном вертикальном столбце периодической системы, образуют группу. Горизонтальные строчки периодической системы называются периодами. Периодическая система элементов состоит из семи периодов и девяти групп. Чтобы символы химически сходных элементов во всей периодической системе стояли один под другим, пришлось сделать некоторые отступления в порядке расположения элементов по атомным весам. Так, аргон с порядковым номером 18 пришлось поместить перед калием, хотя атомный вес аргона больше, чем атомный вес калия. Необходимость в подобных перестановках позволила обнаружить, что порядковые номера лишь приблизительно, а не точно согласуются с последовательностью атомных весов. Было установлено, что порядковый номер элемента определяется числом протонов в ядре атома данного элемента. Например, инертный газ аргон имеет порядковый номер 18, 266
Периодическая система элементов I И III IV V VI VII VIII О период группа группа группа группа группа группа группа группа группа I I 1 Н I I I I I I I I 2 Не 1,008 4,003 тт 3 Li 4 Be 5 В 6С 7N 80 9F 10 Ne II 6,94 9,013 10,82 12,010 14,008 16,000 19,00 20,183 ITT 11 Na 12 Mg 13 Al 14Si 15 P 16S 17CI 18 Ar III 22,997 24,32 26,97 28,06 30,98 32,066 35,457 39,944 19 К 20 Ga 21 Sc 22 Ti 23 V 24 Cr 25 Mn 26Fe27Co26Ni 39,096 40,08 45,10 47,90 50,95 52,01 54,93 55,85 58,94 58,69 IV 29 Gu 30 Zn 31 Ga 32 Ge 33 As 34 Se 35 Br 36 Кг 63,54 65,38 69,72 72,60 74,91 78,96 79,916 83,7 37 Rb 38 Sr 39 Y 40 Zr 41 Nb 42 Mo 43 Tc 44Ru45Rh46Pd 85,48 87,63 88,92 91,22 92,91 95,95 99 101,7 102,91106,7 V 47 Ag 48 Cd 49 In 50 Sn 51 Sb 52 Те 53 J 54 Xe I 107,88 J 112,41 114,76 118,7 121,76 127,61 126,92 131,3 55 Cs 56 Ba 57 до 71 72 Hf 73 Та 74 W 75 Re 76 Os77 Ir 78 Pt 132,91 137,36 Лантаниды 178,6 180,88 183,92 186,31 190,2193,1195,23 VI 79 Au 80 Hg 81 Tl 82 Pb 83 Bi 84 Po 85 At 86 Rn 197,2 200,61 204,39 207,21 209,0 210 210 222 VIT 87 Fr 88 Ra 89 Ac 90 Th 91 Pa 92 U 1223 I 226,05 |227 1232,12 1231 1238,07 | | | Слева от химических символов элементов указаны их порядковые номера. Числа приведенные в каждой клетке внизу,— атомные веса элементов. Элементы с порядковыми номерами больше 92 — искусственные элементы, не встречающиеся в природе,— в эту таблицу не включены. 267
потому что его атомное ядро содержит 18 протонов. Ядро атома железа содержит 26 протонов, и порядковый номер железа в периодической системе равен 26. Число протонов в ядре атома, а следовательно, и порядковый номер химического элемента в большинстве случаев можно определить рентгеноскопическими исследованиями. Порядковый номер элемента показывает, сколько протонов имеется в ядре атома, и вместе с тем показывает, сколько электронов обращается вокруг ядра. Периодическая система элементов имеет важнейшее значение для химии и физики. При построении периодической системы в ней были обнаружены пробелы, которые позволяли определить свойства тогда еще не известных элементов. Эти сведения способствовали открытию новых элементов. Периодическая система элементов и строение атома Все закономерности, особенности и детали периодической системы, в разбор которых мы здесь не входим, объясняются закономерностями строения атомов. Вместе с тем изучение периодической системы элементов дает указания относительно строения атомов различных элементов. Периодическая система показывает, например, что гелий имеет порядковый номер 2. Отсюда мы заключаем, что в ядре гелия имеются 2 протона и что вокруг этого ядра обращаются 2 электрона. Так как атомный вес гелия равен приблизительно 4, то, следовательно, в ядре атома гелия кроме 2 протонов должны находиться и 2 нейтрона. Атомный вес — Порядковый номер = Число нейтронов в ядре. Подобные рассуждения, основанные на данных периодической системы, приводят к следующим выводам, касающимся кислорода, меди и урана: Порядковый номер 8 29 92 Число протонов в ядре 8 29 92 Число электронов, обращающихся вокруг ядра Атомный вес *) Число нейтронов в ядре Кислород (О) Медь (Си) . . Уран (U) . . 8 29 92 16 64 238 8 35 146 *) Округленные значения, уточненные данные см. на стр. 267. 268
Пользуясь аналогичными данными для лругих элементов, мы можем получить представление о строении различных атомов. Упражнения: 273. Сколько протонов, нейтронов и электронов содержит атом: а) водорода, б) азота, в) хлора, г) железа, д) магния, е) золота? Атомные веса, приведенные в периодической системе элементов, следует округлять до целых чисел. 274. Вычислите разность чисел электронов в атомах двух инертных газов, расположенных один над другим в нулевом столбце периодической системы элементов: гелий (Не) — неон (Ne); аргон (Аг) — криптон (Кг), ксенон (Хе) — радон (Rn). 104. Строение атомов различных элементов Водород. Ядро атома водорода состоит из одного протона. Вокруг ядра обращается один электрон (рис. 318). Диаметр ядра равен приблизительно 10 ~12 см. Диаметр орбиты электрона приблизительно 10"8 см. На рис. 318 / \ / ЯРВ1 * ЯЯпп \ 1 i to i в ЯП в V / \ W / \ хт. *' *Г--^ Орбита Орбита электрона электронов Рис. 318. Модель ато- Рис. 319. Модель атома ма водорода. Ядро со- гелия. Ядро состоит из стоит из протона (+), двух протонов и двух вокруг которого обра- нейтронов(ф), вокруг щается электрон (—). которых обращаются два электрона. масштабы не соблюдены; в действительности диаметр орбиты электрона в 10 000 раз (10~8 : 10~12 = 104) больше диаметра ядра. Гелий. Ядро атома гелия (рис. 319) содержит 2 протона и 2 нейтрона. Вокруг ядра обращаются 2 электрона на одной и той же орбите. Диаметр орбиты такой же, как у электрона атома водорода. Литий. Из периодической системы элементов следует, что щелочной металл литий имеет порядковый номер 3. Его атомный вес, округленный до целого числа, равен 7. Следовательно, ядро атома лития содержит 3 протона 269
и 4 нейтрона (рис. 320). Вокруг ядра обращаются 3электрона. Исследования показали, что 2 электрона движутся в пределах такой же электронной оболочки, как у атома водорода, а третий электрон образует вторую оболочку. Рис. 320. Модель атома Рис. 321. Модель атома лития. бериллия. Первая электронная оболочка атома может содержать не более 2 электронов, а вторая оболочка —до 8 электронов. Бериллий. Соответственно порядковому номеру 4 ядро атома бериллия содержит 4 протона. Так как атомный вес бериллия равен 9, то в ядре кроме 4 протонов имеются 5 нейтронов (рис. 321). Вокруг ядра обращаются 4 электрона. Бор. Порядковый номер 5. Число протонов в ядре 5. Атомный вес 11. Число нейтронов в ядре 6. Число электронов 5 (рис. 322). Рис. 322. Модель атома Рис. 323. Модель атома бора. углерода. Углерод. Порядковый номер 6. Число протонов в ядре 6. Атомный вес 12. Число нейтронов в ядре 6. Число электронов 6 (рис. 323). Азот. Порядковый номер 7. Заряд ядра (число протонов в ядре) 7. 270
Атомный вес 14. Число нейтронов в ядре 7. Число электронов 7 (рис. 324). Кислород. Порядковый номер 8. Заряд ядра 8. Атомный вес 16. Число нейтронов в ядре 8. Число электронов 8 (рис. 325). Рис. 326. Модель атома Рис. 327. Модель атома фтора. неона. Фтор. Порядковый номер 9. Заряд ядра 9. Атомный вес 19. Число нейтронов в яд- ^. .~ ре 10. Число электронов 9 s'~ -©-^ ~"х (рис. 326). /VZ—OeN Неон. Порядковый номер / / / \ \ \ 10. Заряд ядра 10. Атомный вес / / / ^^ * \ \ 20. Число нейтронов в ядре 10. i © © Щр 9 ^ ' Число электронов 10 (рис. 327). \ \ \ / / / Натрий. Порядковый но- \ N@N^ .У е' / мер 11. Заряд ядра 11. Атомный \ ч^^@^'' •' вес23.Числонейтроноввядре12. ч^ ^' ЧИСЛО ЭЛеКТрОНОВ 11, ИЗ НИХ На Рис. 328. Модель атома натрия. внутренней оболочке находятся 2 электрона, на следующей оболочке — 8 электронов, а девятый обращается на третьей оболочке (рис. 328), 271
Приведенные примеры можно было бы продолжить и составить модели атомов всех остальных элементов. В моделях атомов гелия и неона внешние оболочки предельно заполнены электронами. У атомов остальных инертных газов внешние оболочки также заполнены. Атомы щелочных металлов (например, лития и натрия) содержат на внешней оболочке только по одному электрону. На внешних оболочках атомов щелочноземельных металлов (например, бериллия и магния) находятся два электрона. Если внешние оболочки атомов различных элементов имеют одинаковое число электронов, то эти элементы обладают близкими химическими свойствами и находятся в одной и той же группе периодической системы элементов. Электроны в атомах распределяются по оболочкам. На внутренней оболочке может находиться не более 2 электронов, на второй оболочке — 8. Когда внешняя оболочка предельно заполнена электронами, атомы приобретают особенно большую устойчивость и не вступают в химические соединения; этим объясняются химические свойства инертных газов. Упражнения: 275. Какими данными периодической системы элементов следует воспользоваться для построения модели атома магния? 276. Нарисуйте модель атома алюминия. 105. Изотопы Просматривая периодическую систему, мы видим, что у некоторых элементов атомные веса выражаются целыми числами, например у кислорода (16) и фтора (19). У многих других элементов атомные веса близки к целым числам. Например, литий имеет атомный вес 6,94; бериллий 9,013; гелий 4,003; углерод 12,010; натрий 22,997. Исследования показали, что те элементы, атомные веса которых не выражаются целыми числами, состоят из смеси разновидностей атомов одного и того же элемента. Масс- спектрографы позволили установить, что, например, хлор, атомный вес которого равен 35,457, состоит из двух разновидностей хлора с атомными весами 35 и 37. Эти разновидности хлора смешаны в природном хлоре в отношении 3:1. 272
Поэтому атомный вес хлора в среднем равен 35,46. Разновидности атомов хлора называются изотопами хлора. Рис. 329. Небольшой лабораторный масс-спектрограф. Положительные ионы газа, возникающие при электрических разрядах в разреженных газах, можно рассортировать по массе ионов, применяя масс-спектрограф, в котором имеются электрические и магнитные поля. Все изотопы данного элемента имеют вполне одинаковые химические свойства. Поэтому их нельзя разделить химическими методами. Для этого нужно применить физические Диафрагма Рис. 330. Принцип масс-спектрографа. Положительно заряженные ионы атомов элемента, имеющие различную массу и различную скорость, отклоняются в электрическом и магнитном полях тем сильнее, чем меньше масса и скорость ионов. Применяя электрические и магнитные поля, силовые линии которых направлены перпендикулярно друг к другу, удается собрать ионы одинаковой массы, но различной скорости, в одно место фотографической пластинки и получить на ней «масс-спектрограмму». (Силовые линии магнитного поля перпендикулярны к плоскости чертежа, северный магнитный полюс — над плоскостью чертежа.) методы: масс-спектрометрию, фракционную диффузиюх) или дистилляцию 2). *) Диффузия — проникновение атомов или молекул через пористые перегородки. 2) Дистилляция — многократное испарение и конденсация вещества. 273
Изотопы одного и того же элемента имеют одинаковый порядковый номер, но различный атомный вес. Рис. 331. Масс-спектрограмма. Положительно заряженные молекулы и атомы, разделенные в масс-спектрографе по их массам, дают на фотографической пластинке ряд линий («спектр»), по положению которых можно очень точно определить массы отдельных групп атомов и молекул. При таких опытах были получены целочисленные отношения масс атомов различных изотопов. Изотопы водорода. Водород имеет атомный вес 1,008 и состоит из двух изотопов. Один изотоп —это обыкновенный водород (рис. 332). Другой изотоп, имеющий больший атомный вес, называется тяжелым водородом или дейтерием (рис. 333). Ядро тяжелого водорода содержит один протон и один нейтрон. Заряд ядра его равен 1, как и у обыкновенного Рис. 332. Модель обычного атома водорода. Порядковое число 1. Атомный вес 1 (округленно). Рис. 333. Модель атома тяжелого водорода (дейтерия). Порядковое число 1. Атомный вес 2 (округленно). Ядро тяжелого водорода называется дейтроном. водорода. Атомный вес тяжелого водорода вдвое больше, чем у обычного водорода. Химический символ тяжелого водорода (дейтерия) D. Отношение количеств двух изотопов водорода в естественной смеси атомов равно приблизительно 6500 : 1. Поэтому среднее значение атомного веса водорода получается равным 1,008.
Поскольку имеются два различных изотопа водорода, то существует и вода двух видов: Н20 D20 обычная вода тяжелая вода Тяжелая вода ядовита, кипит при 101,4° С, замерзает при +3,8° С. В 100 дм3 дождевой воды находится около 2 смг тяжелой воды. Изотопы свинца. Свинец состоит из 4 изотопов с атомными весами 204, 206, 207 и 208. Изотопы урана. В природном уране (атомный вес 238,07) имеются 3 изотопа с атомными весами 234, 235 и 238. Сокращенные обозначения этих изотопов: т т234 т т235 т т238 ^92 , U92 , U92 • Верхнее число обозначает атомный вес изотопа, нижнее — порядковый номер элемента. Поскольку все три изотопа урана имеют порядковый номер 92, в ядрах каждого из них находится 92 протона. Ядро изотопа U2g2 содержит кроме 92 протонов еще 142 нейтрона, ядро атома изотопа и2!! содержит 143 нейтрона, а ядро изотопа \}2\\ содержит 146 нейтронов. Изотоп урана U292 имеет важнейшее значение для получения атомной энергии. Упражнения: 277. В природной ртути содержатся следующие изотопы: Hg 28°02 , Hg28°04, Hg g907, Hg 28°0°. Сколько протонов, нейтронов и электронов содержат атомы этих изотопов? 278. Как изменятся порядковый номер и атомный вес атома, если из его ядра удалить один протон? 279. Как изменятся порядковый номер и атомный вес атома, если из ядра удалить один нейтрон? 280. Как изменятся порядковый номер, атомный вес и заряд ядра, если из атомной оболочки удалить один электрон? 281. Как изменятся порядковый номер и атомный вес атома, если в ядро ввести дополнительно один протон и один нейтрон? 282. Сколько зарядов несет ядро атома гелия? 106. Превращение элементов Естественная радиоактивность Элемент уран был открыт в 1800 г. берлинским аптекарем Клапротом. Уран относится к неблагородным тяжелым металлам. В измельченном состоянии он имеет вид 275
Рис. 334. Урановая руда (урановая смолка) — черная, как смола, массаi содержащая элемент уран. серого или черного порошка. Массивный кусок урана выглядит как серебро. В 1896 г. французский физик Беккерель установил, что уран испускает невидимые лучи. Под действием этих лучей фотографическая пластинка чернеет, как от рентгеновских лучей. Экран, покрытый платино-синеродис- тым барием (см. стр. 231), светится в темноте под действием лучей, испускаемых ураном. Воздух становится электропроводящим. Эти лучи вызывают покраснение кожи, волдыри и трудно излечимые язвы. Это излучение называется радиоактивным. Известны и другие элементы, испускающие радиоактивное излучение, например радий и торий. Радиоактивное излучение может состоять из а- частиц, (3-частиц и у-лучей (следует читать: альфа- и бета-частицы, гамма-лучи). Эти составные части радиоактивного излучения можно отделить друг от друга сильными электрическими и магнитными полями. а-частицы — это ядра атомов гелия, а-частицы вылетают из радиоактивных ядер со скоростью приблизительно 1500 км/сек. Каждая а-частица несет положительный заряд, так как ядро атома гелия содержит два протона (см. рис. 319, стр. 269). (3-частицы — это электроны, летящие с различной скоростью (до близкой к 300 000 км\сек). Рис. 335. Пути я-частиц, вылетающих из радиоактивного препарата, можно сделать видимыми, применяя камеру Вильсона, в которой находится пересыщенный водяной пар. Вдоль траектории а-частицы пар конденсируется и образует прямолинейную нить тумана. Длина пробега а-частицы в воздухе ограничена, потому что а-частица, соударяясь со встречными атомами и молекулами, постепенно теряет свою скорость, захватывает два электрона из окружающей среды и превращается в нейтральный атом гелия, который не вызывает конденсации водяного пара. 276
Траектории а- и (3-частиц можно сделать видимыми, если поместить источник излучения в атмосферу, пересыщенную водяным паром; пар конденсируется на ионах азота и кислорода, образующихся при соударении атомов этих газов с а- и (3-частицами. Вдоль пути а- и р-частиц создается нить тумана, подобная следу сконденсировавшихся паров воды за летящим самолетом (рис. 335 и 336). а-частицы, несущие положительный заряд, отталкиваются от пластинки, заряженной положительным электричеством, р-частицы притягиваются к такой пластинке. Y-лучи —это электромагнитное излучение, у которого волны еще короче, чем у рентгеновских лучей (см. стр. 246). По своей проникающей способности у-лучи значительно превосходят рентгеновские лучи. Распад атома. Через два года после открытия Беккереля французские физики супруги Кюри нашли, что радиоактивное излучение урана связано с распадом его атомов. Эти ученые открыли далее, что при распаде урана образуются опять-таки радиоактивные продукты —элементы полоний и радий. Из ядер тяжелых радиоактивных элементов вылетают а-частицы. Когда а-частица покидает ядро атома, то атомный вес оставшегося атома уменьшается на 4, потому что атомный вес вылетевшей а-частицы (ядро гелия) равен 4. Так как с вылетевшей а-частицей из ядра распавшегося атома радиоактивного элемента удаляются 2 протона, то вместе с тем и порядковый номер продукта распада уменьшается на 2 единицы. Например, если Рис. 336. Пути р-частиц в камере Вильсона, р-частица имеет небольшую массу и поэтому сильно отклоняется при столкновении с молекулами. Следы получаются искривленные, причудливого вида. Прямолинейный след в середине снимка принадлежит электрону с необычно большой скоростью. 277
а-частица вылетает из ядра атома изотопа радия Rail6, то атом радия превращается в атом радона Rn2H. Радий — это блестящий щелочноземельный металл, реагирующий с водой подобно калию и образующий соли, подобные солям бария, а радон — инертный газ без цвета и запаха. Радий и все другие радиоактивные элементы распадаются сами собой, образуя другие элементы. Часто происходит цепочка распадов. Совокупность всех изотопов исходного вещества, промежуточных продуктов и конечного продукта получила название радиоактивного семейства. Например, радон, образующийся при распаде радия, сам радиоактивен. Из ядра радона в свою очередь вылетают а-час- поп тицы. При этом из радона Rn86 образуется новый элемент, изотоп полония Pol1/, который также радиоактивен и распадается дальше, образуя следующий изотоп семейства. В цепочке распада радиоактивного семейства встретятся случаи не только «а-распада», но и так называемого «Р-распада». При р-распаде из ядра вылетает р-частица (электрон), а один из нейтронов ядра (электрически нейтральный) превращается в положительно заряженный протон. При р-распаде порядковый номер ядра продукта увеличивается на единицу. Атомный вес при этом остается без изменения. Например, из изотопа радия Raj^8 вследствие Р-распада образуется изотоп с порядковым числом 89 и прежним атомным весом 228. Этот изотоп АсЦ8 тоже радиоактивен и также распадается. Конечный продукт распада изотопов естественных радиоактивных семейств —стабильный (нерадиоактивный) свинец. При радиоактивном распаде атомов освобождается большое количество энергии. Энергия, выделяющаяся при радиоактивном распаде, превращается в кинетическую энергию а- и р-частиц и в энергию у_излУчения- При взаимодействии радиоактивного излучения с частицами окружающей среды энергия излучения переходит в тепло. Искусственная радиоактивность В специальных установках можцо получить радиоактивные изотопы почти всех элементов. Для этой цели применяют, в частности, циклотроны (рис. 315). Искусственная радиоактивность была открыта в 1934 г. французскими 278
учеными, супругами Жолио-Кюри. Процесс создания искусственных изотопов состоит либо в удалении протонов и нейтронов из ядра атома, либо во введении протонов и нейтронов в атомное ядро. Искусственные радиоактивные изотопы имеют большое значение для медицины и промышленности. Искусственный радиоактивный изотоп кобальта применяется при лечении рака. Тяжелые заболевания, связанные с изменением состава крови, лечат радиоактивным фосфором. Искусственные радиоактивные изотопы служат также для распознавания болезней и для изучения биологических процессов, протекающих в живом организме. Если, например, добавить в лекарственный препарат, содержащий фосфор, ничтожную примесь радиоактивного фосфора, то, проследив движение радиоактивного фосфора в организме, можно установить, какими органами поглощается лекарство. Такое исследование очень просто выполняется и обеспечивает чувствительность значительно большую, чем химические реакции. В настоящее время сотни искусственных радиоактивных изотопов применяются в научных и технических исследованиях в качестве «радиоактивных индикаторов». Трудно полностью оценить огромное значение искусственных радиоактивных веществ для медицины, биологии и техники. Деление ядер Естественные радиоактивные элементы распадаются самопроизвольно и превращаются в другие элементы. Можно, однако, искусственно вызвать превращения атомов, бомбардируя атомные ядра быстрыми частицами, например протонами, нейтронами, ядрами гелия. Порядковые номера продуктов атомных превращений естественных или искусственных радиоактивных веществ обычно сравнительно мало отличаются от порядкового номера исходного изотопа. Из урана (порядковый номер 92) получается конечный продукт распада —свинец (порядковый номер 82). Следовательно, большая часть исходного ядра сохраняется. Известны, однако, атомные превращения, при которых порядковый номер существенно изменяется (например, на 50%) в результате распада ядра на два или больше осколков. Такие процессы называются делением ядра. 279
Если, например, атомы гелия (рис. 319), подвергнутые бомбардировке, распадаются на две половины (рис. 337), то из одного ядра гелия возникают два ядра ^Ядрогелия дейтерия (дейтрОНЫ, СМ. рис. 333). Некоторые процессы деления плотно упакованных тяжелых ядер (например, ядер урана) имеют в настоящее время первостепенное значение. При таких процессах энергия разлетающихся осколков ядра в 10 или даже Продукты ЮО раз больше, чем при других ядерных деления превращениях. Нейтроны, возникающие в зультате деле- качеСТве ДОПОЛНИТеЛЬНЫХ ПрОДуКТОВ Деления ядра гелия ния ядра, вызывают новые акты деления дваРдейтрона, ядер, и благодаря цепной реакции выделяют- т. е. два ядра ся колоссальные количества энергии. атомов тяже- г лого водорода. Искусственные ядерные превращения вызываются бомбардировкой мишени дейтронами, ядрами гелия (а-частицами) и нейтронами. Особенно эффективна бомбардировка ядер нейтронами. Принцип действия циклотрона Когда превращение ядер вызывают бомбардировкой мишени электрически заряженными частицами, то этим частицам придают большую скорость. Заряженные частицы разгоняют электрическим полем. Протон, помещенный в электрическое поле, созданное двумя заряженными пластинками (рис. 338), отталкивается от пластинки, имеющей положительный заряд, и притягивается к отрицательно заряженной пластинке. Электрон, помещенный в это поле, отталкивается от отрицательной и притягивается к положительной пластинке. В поле, изображенном на рисунке, протон будет двигаться вправо, а электрон — влево. Скорость, приобретенная частицей в электрическом поле, тем больше, чем больше напряжение, приложенное к пластинам. Излучаемые радиоактивным препаратом а-частицы, способные вызвать превращение ядра, имеют скорость, какую ядра гелия приобрели бы в электриче- Протон Электрон Рис. 338. Заряженные частицы помещены в электрическое поле, созданное двумя пластинкам и, из которых одна заряжена положительно, а другая — отрицательно. Частицы приобретают скорость и движутся к пластинкам тем быстрее, чем больше напряженность поля. 280
ском поле, пройдя между пластинками, к которым приложено напряжение 9 миллионов вольт. Технически невозможно создать электрическое поле, в котором протон прошел бы по прямой линии разность потенциалов порядка 10 миллионов вольт. Однако в циклотроне, применяя напряжение около 10 000 вольт, протону можно сообщить такую скорость, какую он приобрел бы, пройдя поле с напряжением 300 миллионов вольт. Это достигается действием гигантских магнитов, заставляющих заряженные частицы многократно пробегать по спирали электрическое поле циклотрона. При помощи циклотрона можно получить а-частицы, имеющие значительно большую скорость, чем а-частицы, испускаемые радиоактивными веществами. Бомбардируя ядра атомов мишени частицами, разогнанными в циклотроне до огромных скоростей, удалось провести уже сотни различных ядерных превращений. В циклотроне можно, например, превратить азот в водород. Однако выход этой ядерной реакции настолько мал и ее продукты обходятся так дорого, что метод непригоден для получения водорода из азота воздуха. В циклотроне электрически заряженные частицы многократно проходят электрическое поле и приобретают большую скорость. Циклотрон доставляет нам снаряды для ядерных превращений. Бомбардировка ядер нейтронами Применение положительно заряженных частиц для ядерных превращений затрудняется тем, что влетающая в атом положительно заряженная частица отталкивается от положительно заряженного ядра, в которое она должна проникнуть. Нейтроны не имеют заряда и поэтому особенно легко вызывают ядерные превращения. Нейтроны можно получить, бомбардируя ядра атомов (например, бериллия) электрически з-аряженными частицами, например дейтронами, ускоренными в циклотроне. При попадании этих частиц в ядро из него вылетает нейтрон. Кроме того, нейтроны получают в урановых реакторах (стр. 285). В циклотроне в результате бомбардировки ядер урана нейтронами и протонами был впервые получен изотоп плутония Ри29349 — элемента, не встречающегося на Земле в 281
естественных условиях. Ядра плутония, взятого в достаточном количестве, самопроизвольно расщепляются, вызывая взрыв страшной силы. Плутоний Ри29349 наравне с ураном U29325 имеет очень большое значение для получения атомной энергии. В настоящее время плутоний в больших количествах производится в урановых реакторах. Упражнения: 283. Какой элемент образуется при симметричном делении ядра гелия? 284. Какой элемент образуется, когда два ядра водорода и два нейтрона соединяются вместе? 285. Как изменяется порядковый номер радиоактивного элемента, когда из его атомов вылетает одна а-частица? 286. В чем состоит принцип действия циклотрона? 287. Какую частицу нужно ввести в ядро атома урана U29328, чтобы получить плутоний Ри29349? 107. Технические применения атомной энергии Атомная энергия Под атомной энергией понимают энергию, освобождающуюся в огромном количестве в форме тепловой энергии и энергии излучения при делении ядер. Для получения атомной энергии применяют прежде всего элементы уран U29325 и плутоний Ри29349. При делении 1 кг урана U29325 выделяется такое же количество энергии, как и при сгорании 3000 тонн угля. Не только при делении ядер, но в известных условиях и при образовании новых ядер могут выделяться колоссальные количества энергии (на этом основано устройство и действие водородной бомбы, выделяющей значительно больше энергии, чем атомная бомба). Образование 1 кг гелия из водородных ядер и нейтронов сопровождается выделением такого количества энергии, какое дают 30 000 тонн угля. ИзотопыU||5 и Pug39 особенно пригодны для получения атомной энергии, так как не требуют применения методов искусственного деления ядер; при известных условиях ядра атомов этих изотопов делятся самопроизвольно. Для получения атомной энергии особенно пригодны уран Ull5 И ПЛУТОНИЙ PU949« 282
Цепная реакция В декабре 1938 г. Отто Ган и его сотрудники Фриц Штрассман и Лиза Мейтнер открыли, что при бомбардировке урана нейтронами ядро урана распадается на ядра других элементов: бария, криптона, стронция и др. При этом масса продуктов деления оказывается меньше массы исходного ядра урана, так как часть его массы полностью превращается в электромагнитное излучение. Продукты деления ядра урана разлетаются со скоростью около 20 000 км/сек. Впоследствии было установлено, что распадается только изотоп Ugl5, который содержится в обычном уране в количестве около 1%. В настоящее время уран Ugl5 получают в чистом виде в больших количествах. В циклотроне можно искусственно получать изотоп плутония Puft9, ядра которого, подобно ядрам Ugl5, при бомбардировке нейтронами распадаются на ядра других элементов с выделением большой энергии. Изотопы урана иЦ5 и плутония Pu|f9 радиоактивны и в нормальных условиях медленно распадаются. Однако если взять достаточно большое количество этих веществ, то в результате так называемой цепной реакции вся их масса распадается в доли секунды со взрывом огромной силы. Цепную реакцию может вызвать один нейтрон. Ко^да этот нейтрон проникает в ядрои^5 или Pug*9, to ядро делится. При этом из ядра вылетают два новых нейтрона, которые в свою очередь проникают в два других ядра и освобождают из них нейтроны. Вследствие быстрого возрастания числа нейтронов реакция деления ядер идет во все большем и большем масштабе, подобно тому как одна искра может вызвать взрыв заряда чрезвычайной разрушительной силы. Под цепной реакцией понимается лавинообразное нарастание числа реагирующих атомов или молекул при химической реакции и числа делящихся ядер при реакции деления ядер. Когда масса делящегося вещества достигает критического значения, начинается цепная реакция и все количество урана или плутония распадается со взрывом огромной силы. 283
Делящиеся материалы. Атомная бомба Изотопы урана U2!! и плутония Pu2g4, взятые в достаточно большом количестве, становятся взрывчатыми веществами. Сила взрыва у этих веществ во много тысяч раз больше, чем у всех других взрывчатых веществ. Колоссальную энергию, выделяющуюся при делении ядер, можно использовать для взрывов горных массивов при прокладке новых дорог. Вместе с тем изотопы урана U2gi и плутония Pu2g4 служат взрывчатым материалом атомных бомб. Взрыв атомной бомбы вызывает не только механические разрушения в огромном масштабе. Одновременно создаются температура в миллионы градусов, мощные взрывные волны большого радиуса действия и опасное радиоактивное излучение. Атомная бомба, сброшенная 6 августа 1945 г. над японским городом Хиросима, жертвой которой стали около 70 000 убитых и 100 000 раненых, содержала U2!!- Вторая атомная бомба, сброшенная 9 августа 1945 г. над городом Нагасаки и вызвавшая смерть 30 000 человек, была плутониевой бомбой. Еще большей разрушительной силой обладает водородная бомба. В стальной оболочке содержится смесь сжиженных изотопов водорода (дейтерия и трития), которая поджигается урановой или плутониевой бомбой. Происходит реакция превращения изотопов водорода в гелий, сопровождающаяся взрывом огромной силы. Кобальтовая бомба — это водородная бомба в оболочке из кобальта, способного на многие годы загрязнить атмосферу радиоактивной пылью. Обе сброшенные на Японию атомные бомбы были взорваны, когда исход войны был уже предрешен и война подходила к концу. Атомные бомбы — это орудия массового уничтожения. Их применение является злоупотреблением научным открытием. Величайшие достижения науки должны служить прогрессу человеческого общества, а не средством его истребления. Наша общая задача состоит в работе по укреплению взаимного понимания между народами и сохранению мира, по обеспечению мирного развития и процветания человечества. 284
Урановый реактор Урановый реактор — это установка, в которой атомная энергия освобождается не в виде взрыва, а достаточно медленно, со скоростью, допускающей техническое использование этой энергии. Урановый реактор состоит из урановых стержней и графитовых блоков. Уран и графит размещены в реакторе слоями. Графит замедляет нейтроны, освобождающиеся при цепной реакции, и тем повышает Рис. 339. Урановый реактор. Служит для медленного выделения фез взрыва) атомной энергии, а также для получения плутония и радиоактивных изотопов, применяющихся в качестве индикаторов. их способность вызывать деление ядер урана. Для этой цели можно применять также тяжелую воду. Решающее значение при использовании уранового реактора имеет такое управление реакцией деления, при котором она не приводит к взрыву. Реактор устроен так, что при чрезмерном ускорении реакции в него автоматически вдвигается система кадмиевых стержней. Кадмий поглощает большую часть нейтронов, что замедляет реакцию деления ядер урана. Урановые реакторы служат для получения плутония и радиоактивных изотопов, применяемых в качестве 285
индикаторов (см. стр. 279) и для производства атомной энергии. Так как при делении ядер в урановом реакторе создается мощное чрезвычайно опасное радиоактивное излучение, то урановые реакторы окружены свинцовыми листами и бетонными стенами метровой толщины. Первый атомный реактор на европейском континенте был разработан французским физиком Жолио-Кюри в 1945—1948 гг. Атомные электростанции Большинство современных электростанций работает на угле. В котельной установке химическая энергия сжигаемого угля превращается в тепловую энергию. Тепловая энергия приводит в действие паровые машины и турбины, а они в свою очередь вращают роторы генераторов, вырабатывающих электрическую энергию, которая передается потребителям по проводам электрической сети. Атомные электростанции будут тоже вырабатывать электрическую энергию во все возрастающем количестве. Источником энергии на атомной станции могут служить урановый или плутониевый реактор. В таких реакторах при замедленных ядерных реакциях деления урана и плутония выделяется огромное количество энергии в форме тепла. Продукты деления ядер движутся с большой скоростью и при соударении с урановыми стержнями и графитовыми блоками способны нагревать их до постоянной температуры приблизительно 800° С. Тепло уранового реактора можно использовать для нагревания паровых котлов, в которых будет получен пар высокого давления при температуре приблизительно 500° С. Пар будет приводить в движение паровые машины и паровые турбины. Атомные силовые станции будут превращать энергию, освобождающуюся при делении ядер в урановых или плутониевых реакторах, в тепловую энергию. Первая в мире атомная электростанция была пущена в Советском Союзе 27 июня 1954 г. Она имеет мощность 5000 кет и снабжает электроэнергией промышленные и сельскохозяйственные предприятия окружающего района. Нет сомнения, что мы стоим перед началом новой эры, на пороге атомного века, когда человек будет извлекать для 286
мирных целей огромные запасы энергии, скрытые в недрах атома. Запасы угля и нефти на Земле обеспечивают потребность в них лишь на несколько столетий, запасы же атомной энергии почти неисчерпаемы. Для покрытия годовой потребности в энергии Германия нуждалась бы только в 100 тоннах урана. Урановый куб такого веса имел бы ребро длиной только 7 метров. Упражнения: 288. Объясните смысл термина «атомная энергия». 289. Что такое цепная реакция? 290. Деление ядер каких изотопов используется в реакторах атомных силовых станций?
ОТВЕТЫ К УПРАЖНЕНИЯМ 1. Туман, который мы видим глазом, состоит из маленьких капелек воды. Собственно водяной пар невидим. 2. Да. Железо кипит при 3250° С. Жидкий воздух кипит при температуре—191° С и прозрачен как вода. 3. Углерод можно расплавить только в особых условиях при температуре 3500° С. Огромное техническое значение имеет «гидрогенизация углерода» — химическое превращение угля в жидкие углеводороды. Искусственный бензин служит примером гидрогенизированного углерода. 4. Возможно для большинства веществ. 5. Для выхода воздуха из формы, заполняемой расплавленным металлом. •6. Воздуху следует предоставить возможность выходить из бутылки. 7. Потому что в стакане находится воздух, который лишь немного сжимается давлением воды. 8. Через второе отверстие в бочку проникает воздух при выцежива- нии жидкости. 9. Золото, серебро, никель, сурьма, вольфрам и др. 10. Соляная кислота, едкий натр, бензол, поваренная соль, магнезия белок, рудничный газ и др. 11. Нет. Вода есть соединение, мельчайшими частичками которого служат молекулы воды. Воздух — это смесь различных газов. Мельчайшими частичками этой смеси служат молекулы азота, кислорода и других газов. 12. Нет. Фосфор — это элемент, поэтому его молекулы состоят из однородных атомов. 13. Да. Каждая молекула поваренной соли состоит из одного атома хлора и одного атома натрия. 14. 4000 триллионов (4 триллиарда; 4-Ю21). 15. В элементарном кубике объемноцентрированной решетки имеются 9 атомов; в кубике гранецентрированной решетки — 14 атомов, 16. Футбольный мяч деформируется и приводится в движение под действием силы. 17. Сила воды, пара, ветра, сила взрыва, электрические и магнитные силы, сила тяжести, центростремительная сила. 18. Сила ветра равна 12 кГ, сила мотора — 20 кГ. 19. Рх ^-0,6 см\ Р2^6 см; Р3^ 1,5 см\ Р^ 12 см. 20. 7,8 см. 21. 7,8 мм. 288
22. Равнодействующая равна 5 кГ\ углы равны приблизительно 37 и 53°. 23. При помощи теоремы Пифагора. Нет. 24. Z ^ 26 кГ\ D ^ 19 кГ\ Р ^ 33 /сГ. Сила Z движет вагонетку, сила D не оказывает влияния на движение вагонетки. 25. Гидростанции, мельничные водяные колеса, водопровод. 26. Сила тяжести. 27. См. рис. 29. 28. Да, например у кольца. 29. В центре. 30. В точке пересечения медиан. 31. Да, например в часах с гирями. 32. О массе. 33. Вес. 34. Приближенно 2 кГ. 35. 1 кГ/дм3* 36. а) 2,7 Г; б) 200 кГ. 37. Удельный вес равен 8,9 кГ/дм3. Медь. 38. Вода. 39. Большая поверхность гусениц уменьшает давление, трактор не погружается глубоко в землю. 40. На коньках давление большое, на лыжах малое. 41. Лечь на лед или положить доску! Тогда вследствие малого давления (большой площади опоры) уменьшается опасность проломить лед. 42. Стакан действует с силой на пол. Сила противодействия пола, приложенная к стакану, разбивает его. 43. Весы покажут больший вес. Сила, с которой поднимают руки, вызывает равное по величине противодействие, прижимающее тело вниз. 44. Двигаясь по инерции, молоток прочно насаживается на рукоятку* 45. Чемодан продолжает сохранять свою первоначальную скорость. 46. Трение скольжения: коньки, лыжи. Трение качения: колеса, мяч. 47. Вследствие трения воды о берега. 48. Шкив увлекает ремень вследствие сильного трения на поверхности их соприкосновения. 49. Для увеличения трения между ремнем и шкивом. Это устраняет проскальзывание ремня. 50. Для уменьшения,трения. 51. G = 1,7 кГ; Р=1,Ь кГ. Да (#=0,75 кГ; Z=0,9 кГ). 52. Песок увеличивает трение и уменьшает опасность поскользнуться. 53. 0,5 кГ. 54. 1. 55. Центростремительная сила, действующая на воду, больше силы тяжести. 56. Велосипедист наклоняется, чтобы создать центростремительную силу, необходимую для движения по кривой. 57. Для разделения тел различной плотности (например, для отделения сливок от молока), для отделения частиц, взвешенных в жидкости. 58. У ртути силы сцепления больше сил прилипания. У воды соотношение этих сил обратное (исключение составляют капли воды на поверхности промасленной бумаги). 59. Горючая жидкость поднимается по капиллярам фитиля. 60. Кофе поднимается по куску сахара по капиллярным порам. 61. На явлении капиллярности. 62. Да. 63. Нет. Силы сцепления больше сил прилипания. 64. Вследствие капиллярности. 65. 8,4 м/сек. 66. 209,8 м/сек. 67. 2,025 м. 68. 400 м. 289
69. 2,38 км. Округленно 100 000 70. 6 м/сек\ 90 м. 71. 55 сек; 605 м. 72. 29,43 м/сек; 49,05 м/сек. 73. Пушинка падает медленно с постоянной скоростью. Ускорение погашается сопротивлением воздуха. 74. 4,91 м; 19,62 м. 75. В направлении к центру Земли. 76. 25 об/сек; ^ сек; 235,5 м/сек. 1 3 77. т-щ мин; jx сек. 78. 50 об/сек. 79. 0,19 сек. 80. 464 м/сек. 81. На полюсе, там ускорение падающих тел больше, чем на экваторе. 82. Короткий маятник. Период его колебаний вдвое меньше, чем у длинного маятника. 83. jr- сек. 84. -— колебания в секунду. 85. 99,4 см. 86. а) Опустить чечевицу; б) поднять чечевицу. 87. Период колебания маятника не зависит от его массы. 88. Значительно медленнее. 89. Частота колебаний не зависит от амплитуды. 90. —т сек. 91. Объясняется резонансом. 92. 0,77 м. 440 93. Да. Да. В точках, где нет света (или звука), налагаются волны с разностью фаз в у. 94. 22 кГ. 95. 3 м/сек2. кГ 96. Масса 11 —;—~=110 кг (приблизительно). Вес НО кГ (прибли- м/сек2 зительно). кГ 97. Масса приблизительно 10 ——5, вес 100 кГ. г м/сек2 98. 1,3 м/сек2. 99. Тело не будет вращаться. Оба вращающих момента равны по величине, противоположны по направлению и уравновешивают друг друга. 100. Вращающий момент 8 кГ-0,40 м = 3,2 кГм. Момент будет вдвое меньше: 1,6 кГм. Вращающие моменты равны 1,6 и 0,8 кГм. 101. 123 000 000 em; 167 120 л. с. 102. 7,2 кГ м/сек; 72 em; 0,072 кет; 0,10 л. с. 103. 15 000 кГм. 104. 9 000 кГм. 105. 90 кГм. 106. 28 800 кГм. 107. 1,36 л. с. 108. 450 000 кГм/мин. 100 л. с. 109. Механическая энергия превращается в тепло. 110. Электродвигатель: электрическая энергия превращается в механическую. Генератор: механическая энергия превращается в электрическую. 111. В низшей точке траектории маятник имеет только дополнительную кинетическую энергию, в высшей точке— только потенциальную. 112. 25% энергии горючего превращаются в механическую энергию движения. 75% химической энергии остаются неиспользованными. 290
113. 15%, или ш. 114. Что выигрывается в силе, проигрывается в пути («золотое правило механики», вытекающее из закона сохранения энергии). 115. 90 кГ. 116. Масса 38 кг. Вес 38 кГ. 117. Десятичные весы—это рычажные весы. Все рычажные весы измеряют массу, но при массе в 1 кг тело весит приблизительно 1 /сЛ Поэтому, зная массу тела, можно сделать заключение и о его весе. 118. 17 кГ\ 60 м\ 1020 кГм. 119. 16,7/сЛ 120. i Ю°. о 121. Уклон -1г. Угол уклона 30°. 122. Длина 4 м. Уклон -j. Угол уклона 14°* 123. Сила будет равна весу тела. 124. Большую чувствительность имеет уровень с надписью 0,15. 125. Вода поднимается в водопроводе только до высоты уровня в водонапорной башне. 126. Визирная линия, касающаяся поверхности обоих уровней жидкости в U-образной трубке, горизонтальна. 127. На законе сообщающихся сосудов. В лейке и в ее носике уровень жидкости одинаковый. 128. Отверстие, из которого бьет фонтан, сообщается под землей с резервуарами воды, расположенными выше отверстия. 129. При поднятии рычага правый клапан открывается, а левый закрывается; в правой трубке жидкость поднимается. При опускании рычага закрывается правый клапан и открывается левый; жидкость перегоняется в левый цилиндр. 130. Выигрыш в силе равен проигрышу в пути. Работа, совершенная в правой трубке, равна потенциальной энергии, приобретенной поднятым грузом. 131. Да, например ртуть. 132. Морская вода, содержащая соли, тяжелее пресной воды. Плавающее тело вытесняет воду в количестве, вес которого равен весу тела. Морская вода, весящая столько, сколько весит тело, занимает меньший объем, чем пресная вода. 133. 2,5 см3, 134. Масса 108,4 кг. Вес 108, 4 кГ. 135. 742,5 тора. 136. 150 л. 137. 6,7 am. 138. При увеличении давления вдвое плотность также увеличивается вдвое. 139. Пневматический молоток, пневматический тормоз, пескоструйный аппарат. Сжатый воздух получают от компрессора. 140. Давление в камере равно 3,5 am. Наружное давление воздуха равно 1 am. Следовательно, избыточное давление равно 2,5 am. 141. Крыша поднялась вверх вследствие всасывающего действия потоков воздуха. 142. Бумага не падает, она держится благодаря всасывающему действию струи продуваемого воздуха. 143. 340 м. 144. 880 гц; 39 см. 145. 9,7 см\ 12,36 м. 146. 0,34 см; 1,435 см. 147. 0,62 см, 148. На пьезоэлектрическом эффекте. 149. 0,48 м. Оставлять зазоры между рельсами! 150. 299 л. 151. При 4° С. 152. 1 ккал/кг-град, 291
153. Вода на 4° С, железо на 40° С. 154. 10 000 ккал/кг. 155. Чугун — это сплав железа с углеродом. Точка плавления сплавов часто лежит значительно ниже точек плавления их составных частей. 156. 1244 ккал. 157. Удельная теплоемкость свинца меньше, чем у стали. 158. 2 989 000 кГм. 159. Маленькие воздушные включения между снежинками плохо проводят тепло и препятствуют отдаче тепла наружу. 160. Железо—хороший проводник тепла и быстро отдает тепло наружу. 161. Участки стенок котла, лежащие под слоем накипи, нагреваются сильнее других участков котла. Первые участки расширяются больше вторых. Неравномерное тепловое расширение приводит к образованию трещин и взрыву котла. 162. Свет проходит через стекло парника и, частично поглощаясь землей, нагревает ее. Тепло хорошо сохраняется в парнике, так как стекло, отделяющее парник от внешнего холодного воздуха,— плохой проводник тепла. 163. Дерево — плохой проводник тепла. 164. Стеклянную палочку можно держать рукой, второй конец остается почти холодным. Второй конец железного стержня нагреется и за него нельзя будет взяться рукой. Железо — хороший проводник тепла, стекло— плохой. 165. 20 люкс. 166. Если двигать перед зеркалом левой рукой, то в изображении будет двигаться рука, которая была бы правой у человека, стоящего против вас. 167. Вследствие преломления света дно ручья кажется приподнятым. 168. Чем горячее воздух, тем он менее плотен. Когда луч света из прохладного воздуха проникает в нагретый воздух, то свет преломляется, как при переходе из стакана с водой в воздух. 169. Роса, капли дождя, радуга, стеклянная призма. 170. 25 см. 171. Рассеивающая линза с фокусным расстоянием -^ м. 172. Свеча должна находиться дальше двойного фокусного расстояния от увеличительного стекла. 173. Свечу надо поместить между фокусом линзы и точкой, находящейся на двойном фокусном расстоянии от линзы. 174. Величина изображения равна величине предмета. 175. Зрительная труба, бинокль, фотоаппарат, микроскоп, проекционный аппарат, киноаппарат. 176. 1 см; 1,5 см. 177. Потому что объектив дает обратное изображение. 178. Расстояние от источника света до линзы должно равняться фокусному расстоянию линзы. 179. Фокусное расстояние можно определить по способу, указанному на рис. 162. 180. Для исследования промышленных материалов, минералов, тканей растений и животных, например при анализе на трихины. 181. Наблюдаемая картина состоит из расположенных в шахматном порядке светлых точек, окруженных цветными ободками. 292
182. 8,5 мин. 183. 1,28 сек. 184. 750 биллионов герц (75-1013 гц), 185. Интерференция света, непосредственно прошедшего через стекло и тонкий слой воздуха в месте трещины, и света, прошедшего через стекло после двукратного прохождения слоя воздуха в трещине. 186. Южный магнитный полюс наверху, северный — внизу, 187. В канадском арктическом архипелаге. 188. Заметно не изменится. 189. Проводниками, нагретыми током. 190. Очень мало, применяются хорошие проводники тока. 191. Тонкая проволочка в предохранителе расплавляется при сильном токе. 192. Такая лампа заполнена кислородом и содержит тонкие листки алюминия или магния. Лампа включена на батарею от карманного фонаря. Электрический ток разогревает и воспламеняет листки металла. 193. Действие магнитного поля тока. 194. Действие магнитного поля электрического тока молнии* 195. Выделяющиеся газы вытесняют жидкость в трубку с резервуаром. 196. Нет. Ртуть — элемент. 197. Производство алюминия, магния, рафинирование меди. 198. Тепловое действие, магнитное действие, химическое действие. 199. 20. 200. Батарея накала: 4 в\ анодная батарея: 100 в\ освещение в автомобиле: 6 в. 201. 2 ом. 202. 0,136 ом-мм2\м. 203. 0,94 ом-мм21м. 204. 34 ом. 205. Постепенным включением реостата. 206. 18,3 а. 207. 12 ом. 208. 8,8 а. Лампа перегорит. 209. Сопротивление уменьшится, ток увеличится. 210. 200 в. 211. 50 а. Потому что электродвигатель тоже имеет некоторое сопротивление. 212. а) 1500 ом\ б) 166,7 ом. 213. 90 ом; 22,2 ом. 214. Каждым выключателем можно включить и выключить лампу* Одним выключателем можно включить, а другим выключить лампу. 215. 1100 вт; 1,1 кет. 216. 4000 вт; 4 кет. 217. 1008 ет\ 1,008 кет. 218. 28 800 кал; 28,8 ккал; 28,8° С. 219. 4 а; 880 ет\ 0,88 кет\ 2,64 квт-ч. 220. Лампа накаливания потребляет 60 вт и излучает только 1,8 ет световой энергии. 221. Водопроводный кран соответствует плюсу, сток—минусу. 222. Да. На обоих полюсах получится смесь водорода и кислорода. 223. Слабо. При каждой перемене направления тока изменяются и магнитные полюсы катушки. 224. В момент пауз переменного тока неоновая лампа гаснет и палец не освещается. 225. Лампа перегорит, она включена под напряжение 380 в, 226. 120°. 227. Якорь А притягивается электромагнитом и прерывает ток, магнитное поле исчезает и якорь, укрепленный на упругой пластинке, быстро возвращается назад, снова замыкая ток. Затем процесс повторяется. 293
228. Нет. Медь не притягивается магнитом. 229. 75о/0. 230. Нет. Гальванический элемент должен содержать два разных металла. 231. 4,5 в. 232. Плотность кислоты при разрядке уменьшается. Под действием разрядного тока на свинцовых пластинках образуется сернокислый свинец, при этом расходуется серная кислота и жидкость в аккумуляторе становится менее плотной. 233. 860 ккал. 234. Да, например в электрическом кипятильнике. 235. В этом пространстве имеется электрическое поле. 236. Да. Да. Эту силу можно измерить. 237. ш1000. 238. При 22 000 в. 239. 100 а. 240. 4400 в\ 0,2 а. 241. Потери на нагревание проводов (потери в меди) и железного сердечника (потери в железе). 242. 0,18 а\ 1210 ом; 25 часов; 1,6 коп. 243. 12,76 кет. 244. На катоде. 245. Нет, керосин — не электролит. 246. Левая батарея. 247. Нет, медь электромагнитом не притягивается. 248. По схеме рис. 265, но с четырьмя лампами. 249. Электродинамический. Содержит электромагнит, а не постоянные магниты. 250. Перегорит, так как сопротивление амперметра очень мало и через него пойдет очень большой ток. 251. Покажет 220 в. Сопротивление вольтметра очень велико 252. 100 гц 253. Участки фотографической пластинки, заслоненные костями руки, облучаются слабее. На этих участках при проявлении выделяется меньше серебра и они имеют меньшее почернение, чем окружающие участки пластинки. Пластинка после проявления — это «негатив» с обратным соотношением освещенности (светлый объект выходит черным на негативе, и наоборот). 254. 1 пф= 0,9 см; 500 см= 555,6 пф= 5,556-10~4 мкф. 255. 0,7 мгн; -0,0007 гн. 256. Период увеличится в 2 раза, частота во столько же раз уменьшится. 257. См. рис. 293. 258. Применяются в схемах усилителей, выпрямителей, генераторов колебаний (лампа передатчика). 259. 1621,6 м; 910 кгц. 260. 80 л. с. 261. 123 648 квт-ч. 262. 123 648 кет. 263. Потери тепла в топке, в котле, в холодильнике, с уходящим паром и т. д. 264. 90 000 кГ. 265. Теряется тепловая энергия, выделяющаяся при трении. 266. Смесь угольной пыли с воздухом обладает способностью самопроизвольно взрываться. 267. Уголь дешев. Кроме того, отработанный пар можно использовать для отопления и выполнения ряда производственных операций. 294
268. Из потерь в меди и железе. 269. Приблизительно 297 кГм. 270. 30. 271. 92. 272. 7. 273. а) б) в) г) д) е) Число протонов 1 7 17 26 12 79 Число нейтронов — 7 19 30 12 118 Число электронов 1 7 17 26 12 79 274. 8; 8; 18; 18; 32. 275. Порядковый номер (12) и атомный вес (24). 276. Ядро атома магния содержит 13 протонов и 14 нейтронов. На первой оболочке имеются 2 электрона, на второй — 8, на третьей — 3. 277. Изотопы Hg2802 HgT0-H^907 Hg2™ Число протонов .... 80 80 80 80 Число нейтронов ... 122 124 117 120 Число электронов ... 80 80 80 80 278. Порядковый номер и атомный вес уменьшаются на 1. 279. Порядковый номер остается без изменения, атомный вес понижается на 1. 280. Порядковый номер и атомный вес не изменяются. Нейтральный атом после удаления электрона станет ионом, заряженным положительно. 281. Порядковый номер повысится на 1, атомный вес увеличится на 2. 282. Двойной положительный заряд, так как ядро гелия содержит два протона. 283. Тяжелый водород (дейтерий). 284. Гелий. 285. Порядковый номер понизится на 2 единицы. 286. Заряженные частицы многократно проходят электрическое поле циклотрона. 287. Внедрением двух протонов и выбрасыванием одного нейтрона. 288. Атомная энергия освобождается при делении ядер. 289. Быстро развивающийся лавинообразный процесс деления ядер. 290. Деление ядер и2Ц и Pu2|;j.
АЛФАВИТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ Аберрация сферическая 148 — хроматическая 148 Агрегатные состояния 16 Адиабатный процесс 109 Аккумулятор 202, 217 Альфа-распад 278 Ампер 175, 217 Амперметр 175, 226 Ампер-секунда 175 Ампер-час 203 Анионы 217 Анод 216 Ареометр 102 Астигматизм 148 Атмосфера техническая 107 — физическая 107 Атмосферное давление 106 Атома распад 277 — строение 269 Атомная бомба 284 — электростанция 286 — энергия 282 Атомные превращения 260 Батарея элементов 201 Барограф 106 Барометр 105 Бензотрамбовка 30 Бета-распад 278 Ватт 79, 82, 183 Ваттметр 229 Ватт-секунда 82 Векторы 25 Вес 32 Весы десятичные 90 — пружинные 33 — сотенные 91 Винт 97 Вода тяжелая 274 Водород тяжелый 274 —, ядро 269 Водородная бомба 284 Водоструйный насос 111 Водяное отопление 135 Водяные колеса 249 — турбины 248 Волны 67 — звуковые 114 —, наложение 70 — несущие 244 — поперечные 69 — продольные 69 — световые 155 — электромагнитные, шкала 246 , излучение и прием 241 Вольт 174 Вольтметр 174, 228 Вращательный момент 76 Вращающееся поле 166 Выпрямители 190 Гаечный ключ 76 Гальтона свисток 117 Генератор 196 Генри 237 Герц 62 Гефнера свеча 138 Гидравлический пресс 101 Горелка Бунзена 111 Громкоговоритель 224 Давление 38 — атмосферы 104 — в жидкостях 100 — газов 107 — динамическое 109 — статическое 109 Двигатели внутреннего сгорания 252 296
Двигатели двухтактные 254 — дизельные 252 — четырехтактные 253 Движение вращательное 76 — равномерное и прямолинейное 52 — ускоренное, замедленное 53 Действие тока магнитное 171 тепловое 171 химическое 172 Дейтерий 274 Дейтрон 274 Детектор кристаллический 242 Деформация 48 Диаграмма Дебая—Шеррера 23 Диапозитив 151 Диафрагма 149 Диоптрия 145 Диссонанс 116 Дифракция 160 Дифференциальный блок 92 Длина световых волн 157 Дуга электрическая 213 Единицы массы 34 — мощности 82 — работы 82 — силы 24, 33 Емкость 233 — аккумулятора 203 Жолио-Кюри 279 Закалка 127 Закон Бойля—Мариотта 108 — всемирного тяготения 29 — инерции 41 — Ома 178 — сохранения энергии 85 Законы падения 57 Замедление 55 Звонок электрический 171 Звука скорость 114 Зеркало вогнутое 139, 144 — выпуклое 139, 144 — плоское 139 Излучения радиоактивные 276 Изменения агрегатного состояния 127 Измерительные плитки 49 Изображения в зеркалах 139 — действительные 147 — мнимые 152 Изотермический процесс 109 Изотопы 272 Индикаторы радиоактивные 279 Инертность тел 40 Индукторы 198 Индукционный ток 197 Индукция электромагнитная 197 Интерференция 72, 159 Ионы 216 Искра электрическая 236 Калория 124 Капилляры 50 Катионы 216 Катод 216 Киловатт 79, 82 Киловатт-час 184 Килогерц 62 Килограммометр 81 Килокалория 124 Кипение 128 Кипения точка 128 Колебания затухающие 64 — незатухающие 63, 241 — упругие 64 — электрические 239 Колебательный контур 238 Коллектор 199 Кольца контактные 200 Конвекция 134 Конденсатор 233 — переменной емкости 235 Конденсор 150 Консонанс 116 Коэффициент полезного действия 249, 252, 255, 258 Лампа дуговая 213 Лампы генераторные 241 — кварцевые 162 — накаливания 212 — усилительные 221 Лауэграмма 23 Линза вогнутая 144 — выпуклая 146 Линзы 143, 146 — формула 147 Лошадиная сила 79, 82 Лупа 151 Лучеиспускание 134 Лучи инфракрасные 142 — ультрафиолетовые 142 Люкс 139 297
Магический глаз 243 Магнетизм 162 Магнитное поле тока 193 Магнитные действия тока 171 — полюсы 162 Магнитный железняк 162 — поток 197 Магниты 162 — молекулярные 163 Манометр 108 Масса 33 Масс-спектрограф 273 Маятник 61 Менделеев 264 Механический эквивалент теплоты 130 Микроскоп 153 Микрофарада 235 Микрофон 219 — конденсаторный 236 Миллибар 106 Миллигенри 238 Модулирование 243 Молекулы 19 Молекулярные силы 47 Момент инерции 77 Мостик Уитстона 230 Мощность индикаторная 224 — используемая 86 — подводимая -86 — тока 182 — эффективная 224 Наклонная плоскость 95 Напряжение высокое 208 — электрическое 173 Напряженность магнитного поля 165 Нейтрон 262 Номер порядковый 264 Нулевой провод 192 Нуль абсолютный 131 — температуры 124 Обратная связь 240 Обмотка вторичная 211 — первичная 211 Объектив 148, 151, 153 Окуляр 153 Ом 175 Омметр 230 Освещенность 138 Основные вещества 18 Параллелограмм сил 27 Параллельное включение 180 Паровая машина 250 — турбина 250 Передача энергии на далекие расстояния 207 Перенос теплоты 133 Период колебаний 62 Периодическая система элементов 263—268 —,группа 266 ,период 267 Перпетуум мобиле 85 Пикофарада 235 Пирометр 124 Плавание 102 Плавление 127 Пластичность 48 Плечо груза 88 — силы 88 Плотность 104 Плутоний 282 Поверхностное натяжение 49 Подшипник качения 43 — скольжения 43 Подъем 43 Подъемная сила 102 Поле магнитное 164 — электрическое 207 Полиспаст 91 Полюс магнитный северный 162 южный 162 Полюсная бумага 187 Полюсоискатель 186 Последовательное соединение проводников 182 элементов 202 Поток воздушный 109 Преломление света 140 Преломления угол 141 Приборы с мягким железным сердечником 227 Приемник универсальный 243 Приливные станции 250 Прилипание 49 Проекционный аппарат 150 Проницаемость магнитная 195 Противодействие 34 Протоны 261 Приемник прямого усиления 243 Работа 81 Равнодействующая сила 27 Радий 276 298
Радиоактивность естественная 275 — искусственная 278 Радиоволны 246 Радиоприемник 242 Радон 278 Расширение газов 123 — линейное 122 Расширения коэффициент 122 Реактор урановый 285 Резонанс 241 Реле 223 Рентгеновские лучи 231 — трубки 231 Реостат ползунковый 177 — пусковой 257 — секционный 177 Репродуктор язычковый 225 Решетка кристаллическая 21 Ротор 199 — короткозамкнутый 258 Рычаги 88 Самоиндукция 236 Свеча 138 — международная 138 Свободное падение 57 Сдвиг фаз 189 Сердечник железный 195 Сетка 221 Сила 24, 25, 26, 76 — света 138 — тяжести 28, 30 Силовые линии магнитные 164 электрические 206 Силы уравнение 75 Скорость 51 — звука 114 — окружная 60 — света 156 Слухового восприятия область 115 Соединение звездой 192 — треугольником 192 Соединения химические 19 Сообщающиеся сосуды 99 Сопротивление 175 — проводов 176 — удельное 176 Спектр 142 Статор 199 Супер 243 Сцепление 47 Счетчик киловатт-часов 230 — оборотов 59 Телеграф 219 Телефон 219 Теплоемкость удельная 124 Теплопроводность 133 Теплота плавления 127 Теплотворная способность 126 Теплоты количество 124 — превращения 132 Термометр 124 Термоэлемент 204 Ток (величина) 175 — переменный 188 — постоянный 186 — размыкания 237 Токи вихревые 200 Тон ля3 89 Тор 105 Торможения измеритель 55 Точка плавления 127 Трансформатор 209 Трение скольжения 43 — качения 43 Трения коэффициент 42 — сила 41 Трехфазный мотор (двигатель) 257 — ток 190 Турбины 248, 250 Угол отражения 140 — падения 140 Уклон 95 Ультразвуки 116 Ультрамикроскоп 155 Упругость 48 Урана изотопы 275 Урановый реактор 285 Уровень 76 — круглый 99 Усилитель низкой частоты 221 Ускорение 54 — свободного падения 57 Устойчивость 31 Фаза 64 Фазы трехфазного тока 191 Фарада 234 Фокус 143 Фокусное расстояние 143 Фотографический аппарат 148 Фотография 148 Хрупкость 48 Хэвисайда слой 245 299
Центр тяжести 31 Центрифуга 47 Центробежная машина 46 Центростремительная сила 44 Цепная реакция 283 Цепь электрическая 173 Циклотрон 280 Частота 157, 189 — высокая 115, 241, 243 — звуковая 116 — низкая 116 — собственная 66 — средняя 116 Частотомер 229 Число оборотов 59 Щетки 199 Электризация трением 225 — через влияние 206 Электрические измерительные приборы 226 Электрон 173, 260 Электронные лампы 221 Электронный микроскоп 155 Электродвигатель 255 — асинхронный 258 — синхронный 258 — с параллельным возбуждением 256 — с последовательным возбуждением 256 Электролиз 173, 214 Электролиты 172 Электромагнит 171, 193 Элемент сухой 201 Элементы гальванические 202 — химические 18 Энергия кинетическая 83 — механическая 83 — потенциальная 83 Эпископ 151 Ядра деление 279 — заряд 279 Ядро атомное 261 Якорь 198