Китайгородский Александр Исаакович
«ЭЛЕКТРОНЫ»
«ФИЗИКА ДЛЯ ВСЕХ»
Книга 3
Предисловие
В первой книге серии «Физика для всех» читатель познакомился с закономерностями движения больших тел и силами тяготения. Вторая книга была посвящена молекулярному строению вещества и движению молекул.
В этой третьей книге мы рассмотрим электрическое строение вещества, электрические силы и электромагнитное поле.
В следующей, четвертой книге пойдет речь о фотонах, строении атомного ядра и ядерных силах.
Четыре книги будут содержать сведения о всех основных понятиях и законах физики. Конкретные факты, излагаемые в них, отобраны так, чтобы как можно более отчетливо проиллюстрировать содержание физических законов, продемонстрировать характерные для физики приемы рассмотрения явлений, дать представление о том, какими путями шло развитие физики, и, наконец, в самых общих чертах показать, что физика является фундаментом всего естествознания и техники.
На глазах одного поколения лицо физики изменилось. Многие ее главы разрослись в самостоятельные области, имеющие огромное прикладное значение. Думается, что сегодня нельзя считать себя образованным человеком, зная лишь основы физики. Физикой для всех должна стать серия книг, с помощью которых лица самых разных профессий смогут получить представление о принципах физики и узнать, какие новости произошли в физических науках за последние десятилетия. Конечно, наибольший интерес эта серия представит все же для преподавателей и для школьников, желающих посвятить себя физике.
Я очередной раз напоминаю читателю,-что он держит в руках не учебник, а научно-популярную книгу. В учебнике объем, отведенный тому или иному материалу, диктуется трудностью его понимания. Научно-популярная книга не следует этому правилу, и поэтому разные ее страницы читаются не одинаково легко. Другим существенным отличием является то, что в наших книгах мы можем разрешить себе схематичное изложение ряда традиционных глав, заставив старый материал потесниться и дать место новому.
Теперь о книге «Электроны». Необходимость напомнить определения простейших понятий, с помощью которых описываются электрические явления, я использовал в несколько своеобразной форме, а именно попытался дать представление о феноменологическом подходе к физике.
Две главы из шести посвящены прикладной физике. Электротехника дана в виде конспекта. Детальное описание этого предмета требует обращения к чертежам и схемам. Поэтому мы сочли возможным ограничиться изложением лишь основных принципов электротехники и важных фактов, которые должен знать каждый.
Так же обстоит дело и с главой, посвященной радио. Малый объем книги позволил коснуться лишь истории вопроса и беглого изложения основ радиотехники.
А. И. Китайгородский
Глава 1
Электричество
На примере учения об электричестве можно (и должно) знакомить читателя, проявляющего интерес к физике, с так называемым феноменологическим подходом к изучению природы. Слово «феномен» в переводе означает явление. Подход же, о котором идет речь, состоит в следующем. Исследователь не интересуется «природой вещей». Он пользуется словами лишь для того, чтобы рассказать о фактах. Его цель — не «объяснить», а лишь описать явление. Почти все термины, которые он вводит, имеют для него смысл лишь в том случае, если можно указать способ оценки числом тех или иных понятий.
Только для того, чтобы облегчить словесное изложение фактов, он прибегает к некоторым вспомогательным названиям. Но их роль совершенно второстепенная; вместо них можно было бы предложить другие имена или говорить «нечто» или «что-то».
Феноменологический метод играет в естествознании огромную роль. А электрические явления — на редкость подходящий пример для того, чтобы читатель понял его сущность.
В конце этой главы я вкратце расскажу, в какой последовательности развивались события, а сейчас Изложу некую идеальную схему создания феноменологической теории электрических явлений.
Объединим в одном мифическом персонаже Шарля Огюстена Кулона (1736–1806), Алессандро Вольта (1745–1827), Георга Симона Ома (1789–1854), Андре Мари Ампера (1775–1836), Ганса Христиана Эрстеда (1777–1851), Эмиля Христиановича Ленца (1804–1865) и еще нескольких замечательных ученых. Представим себе, что этот исследователь обладает современным научным мышлением, и вложим ему в уста современную терминологию. От имени этого исследователя мы и поведем изложение.
Он начинает свою работу построения феноменологической теории электричества с внимательного рассмотрения аккумулятора. Обращает прежде всего внимание, что у аккумулятора имеются два «полюса». Взявшись за них руками, он выяснит сразу, что лучше так не делать (удар довольно неприятен). Но после этого первого опыта ему приходит в голову такая мысль: видимо, через мое тело что-то пробежало; назовем это «что-то» электричеством.
Действуя со всей осторожностью, исследователь начинает соединять полюса различными проволочками, стерженьками и шнурами. Он убеждается в следующем факте: предметы, приведенные в соприкосновение с полюсами, иногда нагреваются сильно, иногда слабо; в некоторых случаях нагревания нет.
Подбирая подходящие слова для описания сделанного открытия, исследователь решает говорить о нем так. Когда я соединяю полюса проволокой, по ней течет электричество. Назову это явление электрическим током. Опыт показал, что разные предметы нагреваются по-разному. Те, которые нагреваются плохо, видно плохо «проводят» электричество или создают большое сопротивление протекающему току. Их можно назвать изоляторами или диэлектриками.
Исследователь начинает работать с жидкостями. Выясняется, что и здесь разные вещества ведут себя по-разному. Наконец, делается интересное открытие: взяв в качестве жидкости раствор медного купороса и опустив в ванночку угольные электроды (такое название дается предметам, прикрепленным к полюсам), ученый обнаруживает на одном из углей красноватый осадок меди.
Теперь исследователь уже совершенно убежден, что явление, которое он изучает, связано с течением какого-то флюида. Ясно, что имеет смысл говорить о направлении тока. Скажем, условимся пометить знаком минус тот электрод, на котором осаждается медь, а другой считать положительным. Поскольку длинно говорить «отрицательный электрод» и «положительный электрод», для них предлагаются термины катод и анод. Ток течет от плюса к минусу, т. е. от анода к катоду.
Но ценность открытия на этом далеко не кончается. Устанавливается, что каждую секунду на катоде откладывается одинаковая масса меди. Видимо, атомы меди несут на себе электрический флюид. Поэтому Исследователь вводит в обиход два новых термина. Во-первых, он полагает, что масса М меди пропорциональна количеству q прошедшего по цепи электричества, т. е. вводит определение
q = k∙M,
где k — коэффициент пропорциональности. И, во-вторых, он предлагает назвать силой тока количество электричества, протекающее по цепи в единицу времени:
I = q/τ.
Исследователь существенно обогатился. Он может характеризовать ток двумя измеряемыми величинами: количеством тепла, которое выделяется на определенном участке цепи в единицу времени, и силой тока.
Теперь у него возникает новая возможность: сравнить токи, создаваемые разными источниками. Измеряется сила тока I, измеряется энергия Q, которая выделяется в форме тепла одним и тем же кусочком провода. Повторяя опыты с разными проводниками, исследователь выясняет, что отношение количества тепла к количеству электричества, протекающему через провод, различно для разных источников тока. Остается придумать подходящий термин для этого отношения. Было выбрано слово «напряжение». Чем выше напряжение, тем больше выделяется тепла.