Загадки электричества
Первое исследование.
Мы принялись рассматривать принесенную товарищем коробочку. На ней когда-то было что-то написано, но сейчас, кроме штемпеля и непонятного нам значка: „MF—2“, ничего нельзя было разобрать. Это был металлический футляр, закрытый со всех сторон, кроме верхней, которая была, повидимому, залита мастикой, подобной той, какой заливают сухие элементы. Сквозь эту заливку проходили две латунные пластинки,—очевидно, электроды. Первое предположение было, что это —своеобразный сухой элемент. Однако, наш гальванометр, присоединенный к электродам коробочки, не показал ни малейшего отклонения стрелки. Испытывали действие коробочки даже на телефонную трубку, но и в ней не было обнаружено никакого звука. Конечно, элемент мог быть очень старым. Жидкость в нем могла совершенно высохнуть, и тогда, конечно, невозможно было бы обнаружить ток. Но нас смущало, во-первых, то, что он был весь герметически закрыт со всех сторон (таким образом, предположение о полном уничтожении влаги было сравнительно мало вероятно), и, во-вторых, то, что в заливке отсутствовало выводное отверстие для выделяющихся из элемента газов. Было решено, что она—не сухой элемент н вообще не гальванический элемент. Мы совершенно не знали, что предпринять для дальнейших исследований, и растерянно глядели друг на друга. Товарищ, принесший коробочку, улыбнулся таинственно и сказал:
— Попробуйте-ка узнать, проводник ли эта коробочка! — Решено было выяснить этот вопрос.
Рис. 52. Чувствительный звонок, включенный в городскую сеть последовательно с peстатом и исследуемой „коробочкой бочкой“ начал звонить.
Под рукой ничего не оказалось, кроме электрического звонка. Быстро соорудили жидкий реостат и включили последовательно в цепь городского тока звонок, коробочку к реостат (рис. 52). Звонок зазвонил. Отсюда был сделан следующий вывод: между контактами коробочки имеется цепь, состоящая из проводников—твердых или жидких.
Не успели мы придти к этому выводу, как электроды наспех составленного реостата скользнули и коснулись друг друга. „Короткое замыкание!“ — мелькнуло в голове.
Действительно, реостат выключил сам себя. Звонок к коробочка могли мгновенно перегореть. Все кинулись к реостату. Но спокойный голос председателя остановил нас:
— Товарищи, все благополучно. Посмотрите, в прерывателе звонка искра не увеличилась, значит, ток не усилился, а следовательно, наша коробочка сама по себе представляет большое сопротивление.
— Может быть, эта коробочка — реостат?—сказал кто-то.
— Это не противоречит нашему первому определению, только придется еще добавить, что цепь проводников между контактами коробочки имеет большое сопротивление.
Однако, на это резонно возразили другие:
— Никто не спорит, что контакты соединены проводниками, и что эти проводники имеют большое сопротивление, но что совершенно невозможно допустить, это чтобы реостат был эаключей в герметический футляр, да еще был бы валит сверху легкоплавкой мастикой. Каждый реостат нагревается, и первая забота конструкторов подобных приборов заключается именно в том, чтобы создать в нем свободную циркуляцию воздуха.
— А вы попробуйте разогреть коробочку током,—сказал смеясь нашедший ее товарищ. Но сколько мы ни щупали металлический футляр, он оставался таким же холодным, каким был все время. Мы даже рискнули включить свою удивительную коробочку непосредственно в сеть электрического освещения без жидкого реостата, но и в этом случае ни малейшего нагревания обнаружить нам не удалось.
Это было первое совершенно необъяснимое явление, так как от тока температура любой цепи с большим сопротивлением должна была бы неизбежно увеличиться. Таким образом, наше исследование дало такие результаты:
1. Не гальванический элемент и не реостат.
2. Между двумя контактами существует цепь проводников довольно большого сопротивления.
3. Эти проводники совсем не нагреваются от действия проходящего тока.
Результаты странные, если не абсурдные.
Второе исследование.
Было решено тщательно заняться выяснением этого вопроса. Для того, чтобы не подвергнуть случайной порче коробочку, большинство предложило вести дальнейшее исследование, пользуясь током от двух „чугунных элементов“, а не от городской станции. Включили последовательно коробочку, звонок и элементы, к нашему величайшему удивлению, звонок отказался работать. Звонок заменили нашим чувствительным гальванометром—стрелка его не шелохнулась. Невольно подумалось: может быть, причина заключается в том, что в первом случае пользовались током с большой э.-д. с. (110V), а во втором — лишь 3 V. Тогда включили в городскую сеть выпрямитель и пропустили через коробочку постоянный ток в 110 V, но ни звонок, ни гальванометр не отметили ни малейшего присутствия тока.
— Погодите, товарищи, да, может быть, мы просто пережгли проводники в нашей заколдованной коробочке, когда включали ее в сеть электрического освещения?
Для того, чтобы убедиться в справедливости этого предположения, мы выключили выпрямитель, так что через коробочку проходил теперь опять переменный ток. В то же мгновение звонок начал звонить. Включили вновь выпрямитель—и звонок упрямо замолчал.
Хозяин коробочки принялся смеяться над нами и предложил включить вместо звонка лампочку накаливания на 110V. Без выпрямителя она накалялась, с выпрямителем — нет.
Вывод напрашивался сам собой:
Или—1. Коробочка пропускала через себя только переменный ток и не пропускала постоянного.
Или — 2. Коробочка представляла из себя различные сопротивления для переменного и постоянного тока. Ее сравнительно небольшое сопротивление при переменном токе превращалось в сопротивление колоссальной величины при постоянном.
Кто-то сказал:
— Товарищи, может быть, эта коробочка—катушка самоиндукции? Вспомните нашу задачу № 89.
— Это совершенно нелепое предположение, — возразил хозяин коробочки. — Не говоря о том, что коробочка своей формой меньше всего походит на какую бы то ни было катушку, но если бы она и оказалась таковой, то ее действие должно было быть как раз обратно наблюдаемому: для переменного тока она должна была бы представить большее сопротивление, чем для постоянного!
Мы поняли, что наш товарищ что-то знает о коробочке, но скрывает от нас.
Что же представляла из себя эта непонятная коробочка, по своим свойствам непохожая ни на один знакомый нам прибор?
Третье исследование.
Решено было коробочку принести в жертву нашей любознательности и вскрыть ее. Вы никогда не угадали бы, чем была наполнена коробочка. В ней лежала плотно сложенная стопка каких-то листиков. Оказалось, что все нечетные листики (1, 3, 5,7 и т. д.) были листиками слюды, а четные (2, 4, 6 и т. д.) оловянной фольгой. Они были чрезвычайно тонки и их было большое количество. Мы моментально сообразили, что слюда проложена между фольгой в качестве изолятора. Тогда мы принялись рассматривать, как отдельные листки фольги были соединены с двумя латунными пластинками („электродами“).
Рис. 53. В действительности как толщина металлических и слюдяных пластинок, так и расстояние между ними в десятки раз меньше.
Оказалось, что все четные листки фольги соединены с одной пластинкой, а нечетные с другой (рис. 53). Каждый четный листик оловянной фольги был изолирован слюдой от нечетного. Таким образом в коробочке не было никакого соединения между одним и другим „электродом“. Следовательно, то, что постоянный ток не мог пройти через коробочку, было не только понятно, но и неизбежно. Однако, тем загадочнее становилось явление прохождения черев нее переменного тока.
— Товарищи,—сказал нашедший коробочку,—я должен признаться, что я знал и как называется эта коробочка и кое-что об ее свойствах. Эта коробочка—конденсатор.
Значок: „MF—2“ определяет его электроемкость в микро-фарадах.
Электроемкость нашего конденсатора равна 2 микрофарадам.
Вы конечно вспомните, что такое микрофарад?
За единицу электроемкости проводника принимают такую емкость, при которой потенциал проводника становится равным 1 V, если ему сообщить 1 кулон электричества.
Эту единицу электроемкости называют фарадом.
Микрофарад в миллион раз меньше фарада.
1 фарад = 106 микрофарадов (1 F=106 MF).
Однако, — продолжал товарищ, — прежде чем разобраться в свойствах конденсатора, я предлагаю поставить на обсуждение следующую задачу.