Физика. Великие открытия: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Рис. 33. Металлы и неметаллы, атомы которых легко приобретают или теряют электроны, часто получают с помощью электролиза из их ионных соединений. Например, хлор (I) можно получить электролизом раствора хлорида натрия (2) на графитовых анодах (3). При этом на катодах (5) в результате электролиза воды выделяется водород (4), а в растворе остаются ионы натрия и гидроксид-ионы, т. е. образуется раствор гидроксида натрия (6). В промышленных установках катоды и аноды разделены перегородками, препятствующими взаимодействию водорода и хлора, ведущего к образованию хлористого водорода.

Рис. 34. Фарадей придумал аппарат с разным расположением проволоки и магнита, для того чтобы показать направление энергии между электрическим током и магнитом. Слева: подобный (такой же) электромагнитный ротационный аппарат, находящийся в Немецком музее в Мюнхене.

Стеклянный сосуд содержит проводящую ток жидкость (соленая вода). Электрический ток поступает сюда через погруженную в раствор проволоку.

Если течет ток, то подвижный магнит вращается вокруг (влево) установленной сверху неподвижной проволоки. В правую сторону вращается подвижный кусок проволоки закрепленный вверху, вокруг неподвижно закрепленного снизу магнита.

Рис. 35. 28 ноября 1825 г. Фарадей обнаружил электромагнитную индукцию При включении в первый круг тока (от батареи) во втором наблюдалось отклонение стрелки измерительного прибора. Конечно, «соединение» круга тока было очень плохим. 28 апреля 1828 г. при возобновленных опытах были использованы вращательные весы. При приближении магнита появлялся, особенно в левом положении, ток, магнитное поле которого тормозило движение. Эта сила реагировала по закону «Действие равно противодействию». 29 августа 1831 г. успех был достигнут. Расположение было как в ноябре 1825 гола, но соединение теперь было значительно лучше. Фарадей показал эффект вольта — электрической индукции, для различия с немного позднее открытой электромагнитной индукцией. Фарадей 17 октября 1831 г. провёл опыт, с помощью которого получил индукцию.

Рис. 36. Железный круг с двумя разделенными катушками, предшественник трансформатора.

С этим кругом был проведен 29 августа 1831 г. знаменитый индукционный опыт. С одной стороны Фарадей замкнул круг измерительным прибором, а с другой стороны расположил батарею как источник напряжения. При отключении тока в измерительном инструменте отклоняется стрелка.

Рис. 37. Катушка и магнит, с помощью которого Фарадей получил инлукцию. При движениях магнита внутри катушки на ней появлялись улары током, которые фиксировал измерительный прибор (опыт 17 октября 1831 г.).

Рис. 38. Если вблизи металлической заряженной пластики или проволоки поместить стальные опилки, то они будут вести себя подобно небольшим магнитным стрелкам и установятся вдоль линий магнитной индукции, давая наглядную картину распределения поля.

Максвелл сформулировал и обосновал теорию электродинамики. С этого времени понятие «силовое поле» играет центральную роль в физике.

Рис. 39. Когда лучи света проходят через прозрачную стеклянную плоскость в магнитном поле, они преломляются и становятся параллельными ему.

Рис. 40–41. При электролизе (А) ток проходит между платиновыми электродами (I) через разбавленный раствор соляной кислоты (2). Положительно заряженные катионы (3) двигаются к катоду, а отрицательно заряженные анионы (4) — к аноду. Ионы водорода, соединяясь с молекулами волы, образуют ионы гидроксония (Н,O+). Достигнув катода, каждый из ионов гидроксония присоединяет по электрону, образуя водород (Б). При электроосаждении меди (В) медь из раствора сульфата меди (электролит) осаждается на поверхности предмета (5), покрываемого металлом, а медь, из которой изготовлен анод (6), переходит в раствор. Современные промышленные электролизеры (Г) позволяют одновременно металлизировать множество мелких изделий (7).

Рис. 42. Топливный элемент, как и гальванический, вырабатывает электроэнергию за счет химической реакции. В одном из простейших элементов в качестве «топлива» используются водород и кислород. В таком элементе водород находится в пространстве, окруженном очень тонкой мембраной, насыщенной водой. Последняя пропускает ионы, но задерживает нейтральные атомы и молекулы. Электроды представляют собой металлическую сетку, поверхность которой покрыта платиной. Из газовых камер к сетке поступают молекулярные водород и кислород. На поверхности одной платиновой сетки кислород образует гидроксил-анионы. Проходя сквозь мембрану, они реагируют с ионами водорода, образующимися на другой платиновой сетке из молекулярного водорода — в результате образуется вода. Электроны, освобождающиеся из водорода на второй платиновой сетке, по электрической цепи поступают на первую сетку, где кислород превращается в гидроксил-анионы.

Рис. 43. Электрический генератор, построенный в 1883 г. французом И. Пикси, состоял из подковообразного магнита, соединяющего концы двух катушек. Магнит вращался вручную. При вращении магнита в катушках индуцировалось переменное напряжение. Коммутатор, добавленный позднее, обеспечивал, с одной стороны, положительное, а с другой — отрицательное напряжение, создавая постоянный ток. Электрический ток, текущий по проводнику, создает вокруг себя магнитное поле. Если в двух параллельных проводниках токи протекают в одном направлении (А), то проводники притягиваются; если токи текут в противоположных направлениях (Б) — отталкиваются Устройство (В) измеряет силы притяжения или отталкивания между двумя проводниками с током.

Рис. 44. Движущимся электрический заряд создает магнитное поле. Оно взаимодействует с полем постоянного магнита, в результате чего заряд отклоняется (А). Если заряд движется по проводнику, то отклоняется проводник, что и происходит в электродвигателе. Если же изменяется магнитное поле, то электроны двигаются так, что их собственное магнитное поле оказывается направленным противоположно изменяющемуся нолю (Б). На этом основано действие электрического генератора (В).

Рис. 45. Проводник, по которому течет ток, создает магнитное пате, силовые линии которого представляют собой систему концентрических окружностей, расположенных в плоскостях, перпендикулярных проводнику. Плотность силовых линий (пунктирные линии на рис. Б. В и Г) характеризует интенсивность магнитного поля. Направление поля находят, применяя «правило правой руки» (Б). Если провод держать в правой руке так, что указательный палец показывает направление протекания тока (его принято считать противоположным направлению движения электронов), то остальные пальцы покажут направление поля. Если провод изогнуть, то изменится и форма линий поля. Когда провод намотан в Blue катушки юн соленоида (В), силовые линии поля проходят в одном направлении вдоль оси катушки. Такое поле в общем напоминает поле плоского магнита (северный полюс которого находится справа). Если внутрь соленоида поместить железный брусок, то силовые линии будут в основном концентрироваться внутри его; соответственно увеличится концентрация линий на концах бруска. Это устройство, называемое электромагнитом, может создавать очень сильные магнитные поля.

Рис. 46. Электромагниты часто используют для извлечения черных металлов на свалках металлического лома.