Загадки электричества: читать начало книги онлайн

По улыбке председателя мы сразу почувствовали, что в этой задаче есть какая-то хитрость. Однако через час мы любовались дымящимся чаем, но, попробовав, нашли его не очень вкусным.

Рис. 12. Ножи, которые мы употребляли для кипячения чая, были с металлическими черенками

Прежде всего мы сообразили, что для подобных опытов совершенно не нужно пропускать ток через электрическую лампочку. Ведь мы могли изменением концентрации раствора получить любую силу тока, которая оказалась бы не опасной для наших проводов. Для нас было совершенно ясно, что чай сам по себе не проводит электричества и что его следует превратить в раствор щелочи, соли или кислоты. Мы приготовили чай с лимоном, и тут-то для нас стало ясно, почему председатель предложил ножи вместо шпилек. Если мы предполагали сварить чай, годный для употребления, то мы не могли выжать в него много лимона, а при слабом кислотном растворе сила тока при пользовании ножами будет, очевидно, значительно больше, чем при шпильках, так как ширина ножа во много раз больше ширины шпильки.

Из рис. 12 видно, как мы соединили все части для кипячения чая.

Во время опытов по кипячению растворов я подметил одно новое явление, о котором и хотел рассказать моим товарищам. Однако меня попросили подождать с новым, когда имеется еще и старый материал.

Задача № 46

О даровом получении теплоты

– Товарищи, закон Джоуля – Ленца говорит, что количество выделяемого в проводнике тепла пропорционально его сопротивлению. Но ведь отсюда следует, что мы можем от самого ничтожного тока получить неограниченное количество теплоты, пользуясь огромными сопротивлениями. Если это так, то электрические грелки были бы самыми выгодными в мире. Однако практика показывает, что, наоборот, они самые неэкономные.

Товарищ, безусловно, прав, когда говорит, что от самого слабого тока можно получить очень большой тепловой эффект, употребляя большие сопротивления. Но представьте себе, что мы хотим использовать, например, силу тока всего в 1 А. Тем самым мы уже не можем брать произвольное сопротивление. Действительно, при определенной э. д.-с. в нашей осветительной сети (110 V) сопротивление по закону Ома должно быть равно

Понятно, что, сколько бы мы ни старались увеличивать сопротивление, мы при этом неизбежно понизим силу тока. Мало того, если мы увеличим сопротивление в два раза, то сила тока уменьшится также в два раза, а так как количество тепла, выделяемое током, пропорционально квадрату силы тока, то оно уменьшится в четыре раза от ослабления тока и увеличится в два раза от увеличения сопротивления.

Таким образом, в результате количество тепла уменьшится в два раза. Как видите, вместо выигрыша – проигрыш. Конечно, если мы, увеличивая сопротивление, будем повышать и э.-д. с. нашей осветительной сети, то мы сможем добиться того, что при каком угодно сопротивлении у нас в цепи может быть 1 А. Однако повышать э.-д. с. нашей осветительной сети мы не можем, а если бы даже ради нас ее повысили на центральной станции, то это потребовало бы усиленной работы динамо-машины и также не принесло нам никакой экономии.

К сожалению, и после решения этого вопроса мне не дали рассказать о моем наблюдении, так как нашелся еще один вопрос по поводу закона Джоуля – Ленца. Признаюсь, что он очень заинтересовал и меня.

– Товарищи, – сказал кто-то из нас, – я хочу обратить ваше внимание на пропорциональность теплоты квадрату силы тока. Почему именно квадрату?

На это председатель сказал:

– Удивительно, товарищи, как только в какой-нибудь формуле встречается квадрат, так вас начинают разбирать сомнения. Ведь с таким же правом можно было бы спросить и о пропорциональности первой степени. Это такой же вопрос, как если бы вы спросили, почему меня зовут Андреем.

Почти все накинулись на председателя.

– Ничего подобного! Если бы была пропорциональность первой степени, то было бы все совершенно ясно. Я тебе сейчас докажу всю абсурдность существующей пропорции.

Задача № 47

Пытающаяся подорвать доверие к закону джоуля – ленца

– Пусть у нас сила тока в 1 А выделяет в проволоке 10 калорий в 1 сек. Мы говорим, что если силу тока увеличить в два раза, т. е. довести ее до 2 А, то выделяться будет не 10 калорий, а 40 калорий.

Представьте себе, что мы этот опыт проделаем несколько иначе: возьмем вторую, точно такую же проволоку, как первая, и пустим через нее ток также в 1 А. Очевидно, что и в этой второй проволоке будет выделяться 10 калорий. Следовательно, 2 А в двух проволоках дадут 20 калорий, а в одной те же 2 А дали 40 калорий в 1 сек. Нечего сказать, хорошенький закон! Примените-ка к этому случаю ваше I2.

Во втором своем вычислении товарищ, безусловно, прав: ток в 2 А будет в каждую секунду выделять 20 калорий. Но в первом расчете товарищ опять забыл, что увеличить силу тока в два раза можно при постоянной э.-д. с. только за счет уменьшения (в 2 раза) сопротивления проволок. Следовательно, и в первом случае в каждую секунду будет выделяться 20 калорий, а не 40.

Рис. 13. Эти лампочки включены в сеть последовательно

Товарищ сомневается, можно ли вообще применить ко второму случаю закон Джоуля – Ленца. Но ведь он опять упустил из вида то обстоятельство, что, взяв вторую проволоку, он тем самым изменил сопротивление цепи. Для того чтобы этот вопрос был ясен, напомним, что соединение проводников, источников тока или электрических приборов может быть двух родов: последовательное и параллельное. На рис. 13 показано последовательное соединение лампочек накаливания, на рис. 14 – параллельное. При последовательном соединении ток проходит последовательно (по очереди) через все отдельные части цепи. При параллельном – ток, разветвляясь, входит одновременно во все части цепи, соединенные параллельно, и, пройдя их, опять объединяется (сливается) в одном проводе.

Очевидно, что товарищ не мог включить вторую проволоку в цепь последовательно с первой, так как тогда сопротивление цепи увеличилось бы вдвое и сила тока вдвое же уменьшилась бы. Включив в цепь вторую проволоку параллельно первой, он тем самым уменьшил в два раза сопротивление цепи, а значит, повысил силу тока до 2 А.

Рис. 14. А эти лампочки включены параллельно

Действительно, ведь две параллельно соединенные проволоки (рис. 15) равноценны одной, с сечением в два раза большим, имеющей половинное сопротивление. Таким образом, в формулу Джоуля – Ленца нам придется вместо I2 подставить 22 ампера, но вместо R в два раза меньшее сопротивление, что и даст в конечном итоге увеличение тепла только в два раза.