Загадки электричества
Когда мы включали нашу коробочку в цепь переменного тока, она тока не размыкала. Однако, в ней, как мы только что установили, цепь разомкнута. Следовательно, мы должны констатировать, что электрический ток (переменный, во всяком случае) может существовать и в разомкнутой цепи. Чего же стоит в таком случае наше категорическое заявление, наш основной закон: „В любой цепи ток может существовать только в том случае, если она представляет собой замкнутую цепь"?
Меньше, чем когда-либо, мы могли ответить на вопрос этой задачи, и попросили хозяина конденсатора рассказать все, что он знает о его свойствах.
— Вы, может быть, вспомните, товарищи, лейденскую банку?—сказал он.—Это и есть конденсатор. Если мы захотим дать очень широкое определение для конденсатора, то его можно определить, как систему двух проводников, заряженных разноименными электричествами и разделенными изолятором. Возьмите в руку стакан и, насыпав в него дроби, сообщите ей тот или иной заряд электричества. В вашей руке будет конденсатор. Если вы сообщили дроби положительное электричество, заряжая ее, например, наэлектризованным стеклом, то благодаря индукции в вашей руке появится на ладони отрицательный, а на тыловой части руки положительный заряд. Положительный заряд уйдет через ваше тело в землю, и тогда останется на вашей руке (один проводник) отрицательное,— а в дроби (второй проводник) положительное электричество. Они будут отделены друг от друга стеклом стакана (изолятор). Мы можем с вами построить и другой конденсатор. Я беру крышку от кастрюльки и прикрепляю ее к горлышку бутылки так, чтобы она находилась в вертикальной плоскости. Так же прикрепляю вторую крышку к другой бутылке. Затем ставлю эти бутылки так, чтобы между крышками было небольшое расстояние (рис. 54). Если мы сообщим этим крышкам противоположные заряды, то наша установка также будет конденсатором. Два заряженных проводника (крышки) будут отделены друг от друга изолятором (воздухом). Как видите, я хорошо знаю, что такое конденсатор, но понять, почему через него может проходить переменный ток, я отказываюсь.
— Тогда заговорил председатель:
— Товарищи, я включаю выпрямитель в сеть городского тока и присоединяю положительный полюс к правой крышке нашего конденсатора, а отрицательный — к левой.
Рис. 54. Конденсатор нашей системы.
Очевидно, правая крышка будет постепенно заряжаться положительным электричеством, пока ее потенциал не станет равным потенциалу положительного полюса сети. В левой крышке благодаря электростатической индукции возникнут заряды положительного и отрицательного электричества, при чем положительное будет выталкиваться из крышки в проволоку, соединенную с отрицательным полюсом. Таким образом получается довольно любопытная картина: кажется, как-будто электрический ток проходит через воздушный промежуток между крышками. Положительное электричество вошло в правую крышку и вышло из левой. Это, очевидно, не то же самое электричество, но результат подобного явления ничем не отличается от того, какой был бы, если бы крышки были сдвинуты вплотную. Однако, этот кажущийся переход электричества через изолятор длится чрезвычайно короткое время. Как уже говорилось, когда потенциал правой крышки сравняется с потенциалом полюса сети, приток в нее положительного электричества прекратится, а следовательно в левой крышке не будут уже разлагаться новые количества электричества, и всякое движение электричества, как в правую крышку, так и из левой, прекратится. Те же соображения применимы и к (—) электричеству.
Но если мы соединим, обе наши крышки с сетью переменного тока, то движение электричества будет совершаться до тех пор, пока мы не разобщим крышки с сетью. Мы уже знаем, что переменный ток мы можем рассматривать, как ряд кратковременных постоянных токов, все время меняющих свое направление. Допустим, что в момент присоединения крышек к сети правая крышка оказалась заряженной положительно, тогда левая будет заряжена отрицательно. Следовательно, мы имеем ту самую картину, которая была при постоянном токе, а отсюда мы должны сделать вывод, что выталкивание электричества из левой крышки будет очень кратковременным. Но ведь и начальный ток весьма кратковременен. Через сотую долю секунды он меняет свое направление на обратное, и следовательно тогда уже проволока, соединенная с левой крышкой, а не с правой, будет заряжаться (+). Это положительное электричество потечет на левую крышку, так как она имеет (—) заряд, а из правой крышки выйдет (+) электричество и потечет в сеть, так как проволока, соединенная с ней, зарядилась теперь уже (—). Таким образом наш конденсатор будет все время перезаряжаться и, благодаря этому, не будет прерывать переменного тока. Ток, который сможет „пройти” через такой конденсатор, как наш, будет настолько слабый, что ни одним из наших приборов мы не сумеем его обнаружить. Ведь сила тока определяется количеством протекающего электричества, а количество электричества, которое необходимо для того, чтобы довести потенциал крышки даже до 110V, весьма ничтожно. Если мы возьмем крышки огромного диаметра и сблизим их до минимума—возрастет количество электричества, необходимое для их зарядки, а значит, и сила тока. Однако, пользоваться конденсатором с такими большими пластинами (их называют обкладками) очень неудобно, и поэтому им придают ту форму, с которой мы ознакомились в нашей коробочке. Вместо одной большой пластинки — ряд маленьких.
— Все это прекрасно, — сказал случайный хозяин коробочки, — но вы так и не дали мне ответа, как же возможно существование тока не в замкнутой цепи, если имеется определенное представление о токе, как о круговороте электричества.
— Скажи: „о круговороте электрических сил“ и тогда мы сможем дать тебе немедленно ответ,— возразили мы. — Разве между пластинками конденсатора не действуют электрические силы? Разве изолятор, находящийся между ними, не пронизывается силовыми линиями электрического поля? Разве же не благодаря этим силовым линиям и появляется индуцированный заряд на второй обкладке конденсатора? Через изолятор не проходит ток, не проходит электричество, но через него проходят силовые линии электрического поля.
— Товарищи, — прервал нас один из присутствующих, — я уже два дня жду разбора моей задачи 95 о беспроволочной передаче электрической энергии. Думаю, что пора было бы приступить к этому вопросу. Сейчас, товарищи, я могу даже предложить вам на эту тему чисто практическую Задачу № 98.