Загадки электричества
— Перед вами та же установка, какая была в задаче № 37. Пожалуйста, пусть кто-нибудь подойдет и опустит один палец в соленую воду между шпильками.
— Ага, вы морщитесь и отдергиваете палец! Что ж, может быть, вы и сейчас скажете, что ваш один палец находится в двух точках „Немецкого моря“?
Это геометрическая, а не физическая задача. Напрасно иронизировал наш товарищ—один палец находится безусловно не в одной точке. Поверхность пальца будет касаться различных точек воды, имеющих и различные потенциалы. Токи будут проходить, конечно, только через ту часть пальца, которая погружена в жидкость.
Мы вспомнили, между прочим, что хотя разность потенциалов и является причиной движения электричества (тока), но должна существовать еще причина, которая создает эти разницы в потенциалах — основная причина движения тока. Эту причину называют электродвижущей силой. Э.Д.С генератора измеряется разностью потенциалов его полюсов. Следовательно, в практической системе Э.Д.С. измеряется вольтами.
Бывает иногда, что простой вопрос труднее разрешается, чем сложный. Эта простенькая задача действительно в первые мгновения поставила нас в тупик, но с помощью наших сильных товарищей мы одолели и ее. Автор этой задачи согласился с нами, но сказал, что проделывая опыт, он заметил совершенно непонятное явление, которое, может быть, не только заинтересует нас, но и удивит.
— Смотрите, товарищи: я насыпаю много соли в нашу банку, лампочка горит почти полным светом, так как сопротивление раствора малое. Опустите теперь в банку палец. Он не чувствует ни малейшего раздражения. Теперь я сменяю воду в банке и насыпаю очень мало соли, так мало, что лампочка едва накаливается. Если теперь вы опустите палец в воду, то он испытает весьма болезненное раздражение.
— Как же понять эти два опыта? В первом ток был гораздо сильнее, чем во втором, а палец ощущал именно этот слабый ток, а не сильный.
Для решения этой задачи нужно вспомнить знаменитый закон, открытый немецким ученым Омом. Этот закон дает зависимость между силой тока, электродвижущей силой и сопротивлением. Закон Ома может быть символически записан так:
I =E/R, где I—сила тока в амперах, Е—Э.Д.С. в вольтах и R — полное сопротивление всей цепи, выраженное в омах.
Нашу задачу мы решили следующим образом.
Для нашего опыта мы брали 10-свечную экономическую лампочку. Для полного накаливания ее волоска требовалось немного больше 0,1 ампера. Так как в первом опыте лампочка почти не изменяла яркости своего горения при включении банки с соленой водой, то мы приняли силу тока равной 0,1 ампера. Общее сопротивление лампочки и раствора можно было найти, пользуясь формулой Ома. Э.Д.С. в нашей цепи была 110 V, следовательно
R =110/0,1 = 1100 ом.
Сопротивлением проводов можно пренебречь ввиду его незначительной величины.
Ясно, конечно, что на долю сопротивления раствора соли приходилась очень незначительная часть всего сопротивления. Допустим для круглого счета, что оно равнялось 100 омам. Это во всяком случае больше истинной величины.
Мы уже говорили, что потенциал падает пропорционально сопротивлению цепи. Следовательно, если электрический ток, пройдя сопротивление в 1100 омов, снизил потенциал на 110 V то очевидно, что пройдя 100 омов, он понизит потенциал на 10 V. Таким образом, даже между шпильками будет существовать разность потенциалов всего в 10 V, а на поверхности пальца еще меньше. Это недостаточно для того, чтобы ощутить физиологическое действие тока.
Теперь нальем в банку наш слабый раствор, сопротивление которого огромно. Скажем даже, что сила тока в цепи теперь уменьшилась только в 10 раз. Тогда сопротивление всей цепи будет:
R =110/0,01 = 11000 ом.
Лампочка из предыдущего расчета имеет сопротивление в 1000 ом, следовательно, на долю раствора теперь приходится 10 000 ом.
Повторяем предыдущее рассуждение: если потенциал на протяжении 11000 ом снизился на 110 V, то на 10000 ом он должен упасть на
V=110 x 10000 /11000= 100 вольт.
Итак, теперь между шпильками разность потенциалов равна уже 100 V, и хотя, конечно, на палец будет действовать меньшая Э.Д.С., но все же она будет достаточной для того, чтобы оказать физиологическое действие.
Вот и весь секрет этой задачи. Чем больше сопротивление будет у раствора соли, тем большая разность потенциалов будет между шпильками, а значит, и у пальца. Физиологическое действие тока происходит главным образом за счет величины Э.Д.С. В электротехнике Э.Д.С. до 220 V считают не опасными, до 500 V—опасными, а выше—смертельными.(PS: Книга написана в 1925г. Согласно современных ПУЭ, опасным считается напряжение свыше 42В- переменного тока, и 110В постоянного. НЕ ИСПЫТЫВАЙТЕ СВОЙ ОРГАНИЗМ НА ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ!)
Мы не удовлетворились одними теоретическими доказательствами. Мы показали и на опыте нашему товарищу, что он не прав. Мы опустили в раствор соли вместо пальца один конец проволочки, а к другому притрагивались пальцем, — как и следовало ожидать, мы ничего при этом не чувствовали.
После решения этой задачи нам пришлось вновь выслушать критику ее автора уже по другому вопросу.
— Товарищи, мы определенно запутались в двух понятиях: сила тока и Э.Д.С. Мы начали с того определения, что ток произведет тем больший эффект, чем больше его сила. Это было вполне понятно. Но в решении задачи № 42 вы уже говорили, что физиологическое действие тока будет тем сильнее, чем больше Э.Д.С. Конечно, может быть такое странное влияние Э.Д.С. оказывает только на нервно-мышечную систему животных, но и тогда остается совершенно непонятным, почему же сила тока не оказывает на нее никакого влияния.
— Ничего подобного,—заговорил другой товарищ,—сила тока не менее непонятно ведет себя и по отношению к электрической лампочке. Я давно уже ищу случая поделиться с вами моим горем.