Инерция электрона: эксперименты толмена–стюарта и мандельштама–папалекси

Опыт Стюарта–Толмена

Прямое экспериментальное доказательство того, что электрический ток в металлах создаётся движением свободных электронов, было дано в опыте Т.Стюарта и Р.Толмена (1916 год).

Эксперименту Стюарта–Толмена предшествовали качественные наблюдения, сделанные четырьмя годами ранее русскими физиками Л.И.Мандельштамом и Н.Д.Папалекси

Они обратили внимание на так называемый электроинерционный эффект: если резко затормозить движущийся проводник, то в нём возникает кратковременный импульс тока. Эффект объясняется тем, что в течение небольшого времени после торможения проводника его свободные заряды продолжают двигаться по инерции

Однако никаких количественных результатов Мандельштам и Папалекси не получили, и наблюдения их опубликованы не были. Честь назвать опыт своим именем принадлежит Стюарту и Толмену, которые не только наблюдали указанный электроинерционный эффект, но и произвели необходимые измерения и расчёты.

Установка Стюарта и Толмена показана на рис. 3 .

Рис. 3. Опыт Стюарта–Толмена

Катушка большим числом витков металлического провода приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы обмотки с помощью скользящих контактов были подсоединены к специальному прибору — баллистическому гальванометру, который позволяет измерять проходящий через него заряд.

После резкого торможения катушки в цепи возникал импульс тока. Направление тока указывало на то, что он вызван движением отрицательных зарядов. Измеряя баллистическим гальванометром суммарный заряд, проходящий по цепи, Стюарт и Толмен вычислили отношение заряда одной частицы к её массе. Оно оказалось равно отношению для электрона, которое в то время уже было хорошо известно.

Так было окончательно выяснено, что носителями свободных зарядов в металлах являются свободные электроны. Как видите, этот давно и хорошо знакомый вам факт был установлен сравнительно поздно — учитывая, что металлические проводники к тому моменту уже более столетия активно использовались в самых разнообразных экcпериментах по электромагнетизму (сравните, например, с датой открытия закона Ома — 1826 год. Дело, однако, заключается в том, что сам электрон был открыт лишь в 1897 году).

Порядок выполнения работы

1.Внимательно
ознакомиться с методикой эксперимента и описанием измерителя добротности
ВМ-560.

2.Получить
разрешение преподавателя или инженера на включение прибора. Дать прогреться прибору
в течении 15 мин.

3.Подключить
катушку индуктивности к клемме L_х на верхней панели измерителя
добротности. В соответствии с описанием измерителя добротности ВМ-560
произвести калибровку прибора и настроить контур в резонанс.

4.Произведите
измерение добротности Q₁ катушки без образца.

5.Вставьте
в зазор тороидальной катушки эталонный образец с известным сопротивлением и измерьте
Q₂
— добротность контура с образцом.

6.Вычислите
коэффициент С в соответствие с формулой (30).

7.Вставьте
в зазор катушки образцы с неизвестным удельным сопротивлением, измерьте для них
Q₂,
рассчитайте удельное сопротивление по формуле (30).

8.Повторите,
если необходимо, измерения для других образцов с неизвестными сопротивлениями.

9.По
полученным данным рассчитать удельную электропроводность, концентрацию
носителей и время релаксации носителей заряда в исследованных материалах.
Подвижность носителей принять равной 1300 см2 / (В с).

10.Сделать выводы и
составить отчет по проделанной работе.

Ошибка №3 – Измерение без отключения из розетки

Прежде чем проводить какие-либо замеры мультиметром проверьте, отключили ли вы измеряемое оборудование от сети 220В (за исключением проверки схем в режиме вольтметра).

То же самое относится и к девайсам, питаемым от источника постоянного напряжения 12/24V. Казалось бы, вполне логичное правило и все его исполняют

Однако здесь есть один подвох

Обратите внимание, что в этом случае всегда нужно именно вытаскивать вилку из розетки, а не просто щелкать встроенным переключателем на переноске или самом приборе

Дело в том, что такой выключатель зачастую разрывает не два провода (фаза и ноль), а всего один. Это касается удлинителей с двухполюсными (они более узкие), а не четырехполюсными выключателями.

И тут все будет зависеть, каким образом вы вставили вилку от переноски или сетевого фильтра в розетку. При одном положении будет разрываться фаза, а при другом – ноль!

Как вы понимаете, во втором случае фаза по-прежнему будет присутствовать на приборе, не зависимо от того, щелкнули вы выключателем на удлинителе или нет.

Функции и конструктивные особенности

Электроизмерительные клещи отличаются электротехническими характеристиками, диапазоном измерений, точностью измерений и дополнительным функционалом. К основным функциям приборов относятся:

Амперметр
Вольтметр
Ваттметр
Фазометр
Ампервольтметр

В большинстве устройств реализованы дополнительные функции тестера – мультиметра, на которые следует обращать внимание при выборе устройства:

измерение сопротивления, частоты, изоляции
проверка диодов
звуковая прозвонка
определение температуры
функция измерения нагрузочных бросков пускового тока

Проведение измерения пускового тока на автомобильном аккумуляторе

Более продвинутые версии приборов оснащены дополнительными вспомогательными элементами, помогающими проводить более точные измерения или измерять в труднодоступных местах, к таким относятся:

двойной датчик Холла (более точные измерители)
измерители с выносными клещами
Токовые клещи со съемным дисплеем
Гибкий токоизмерительный датчик
Увеличенный зажим клещей
Провода-щупы, «Крокодильчики»

Устройство со съемными клещами

Электрический ток в металлах

Электрическим током в физике называется согласованное (упорядоченное, однонаправленное) перемещение электрически заряженных элементарных частиц (электронов, протонов, ионов) или заряженных макроскопических частиц (например, капель дождя во время грозы).

В веществах, находящихся в различных агрегатных состояниях (твердое тело, жидкость, газ) ток может формироваться из разного набора заряженных частиц. Рассмотрим механизм образования электрического тока в металлах.

Вещества, относящиеся к металлам, могут находиться как в твердом, так и в жидком состоянии (ртуть, галлий, цезий и др.). При этом все они являются проводниками электрического тока. Твердые вещества имеют структуру жесткой кристаллической решетки, в узлах которых “сидят” положительно заряженные ионы, совершающие небольшие колебания относительно точки равновесия. В объеме кристалла всегда присутствует большое количество свободных электронов, которые вырвались с орбит атомов в результате механических соударений или воздействия излучений.

Рис. 1. Механизм электрического тока в металлах.

Это электронное “облако” движется беспорядочно, хаотично до тех пор, пока к металлу не будет приложено электрическое поле. Электрическое поле E, созданное внешним источником (батареей, аккумулятором), действует на заряд q с силой F:

Под действием этой силы электроны приобретают ускорение в одном направлении и, таким образом, появляется электрический ток в цепи.

Многочисленные наблюдения показали, что при прохождении электрического тока масса проводников и их химический состав не изменяются. Отсюда следует вывод, что ионы металлов, которые составляют основную массу вещества, не принимают участия в переносе электрического заряда.

Поскольку у электрона есть масса, то он должен подчиняться закону инерции. Поэтому в момент остановки атомы решетки останутся на месте, а свободные электроны по инерции, какое-то время, продолжат движение в прежнем направлении. То есть в цепи должен появиться электрический ток.

Эксперименты подтвердил это предположение — после остановки катушки исследователи регистрировали бросок тока в цепи.

Рис. 2. Опыт Мандельштама и Папалекси.

Этот эксперимент в 1916 г. повторили американцы Стюарт и Толмен. Им удалось повысить точность измерений и получить отношение заряда электрона eэ к значению массы электрона mэ:

$$ {e_э over m_э } = 1,8*10^{11} Кл/кг $$

Этот фундаментальный результат совпал с полученными данными из других экспериментов, поставленных на основе измерения других параметров. Впервые эту величину в 1897 г. измерил англичанин Джозеф Томсон по отклонению пучка электронов в зависимости от напряженности электрического поля.

Для проводника с площадью поперечного сечения S = 1 мм2 при силе тока I = 1 A скорость упорядоченного движения электронов равна v = 6*10-5 м/с.

То есть за одну секунду электроны в проводнике за счет упорядоченного движения проходят всего 0,06 мм.

Такие малые значения скоростей движения электронов в проводниках не приводят к запаздыванию включения электрических ламп, включения бытовых приборов и т.д.

, так как при подаче напряжения вдоль проводов со скоростью света распространяется электрическое поле.

Физические свойства электрического тока используются в различных областях жизнедеятельности:

Способность электрического тока нагревать проводники используется для изготовления нагревательных бытовых и промышленных приборов;
Вокруг провода с электрическим током возникает магнитное поле, что позволило создать электродвигатели, без которых сегодня невозможно обойтись;
Передача электроэнергии на различные расстояния осуществляется по проводам линий электропередачи (ЛЭП), по которым течет электрический ток.

Рис. 3. Применение электрического тока.

Итак, мы узнали, что электрический ток в металлах создается упорядоченным движением свободных электронов. Экспериментальное доказательство того, что электрический ток в металлах создают электроны, впервые получили российские физики Мандельштам и Папалекси. Физические свойства электрического тока в металлах позволили создать большое количество бытовых и промышленных устройств.

Средняя оценка: 4.7. Всего получено оценок: 68.

Метод вращающегося зеркала

Wikimedia Commons

Все 5 анимаций, которые вы видите, имеют одну общую черту: каждая из них была записана с использованием той же технологии, которую использовал Майкельсон для измерения скорости света.

Все они используют вращающееся зеркало, чтобы точно направлять свет на ряды крошечных фотопластин. Причина, по которой камера способна отследить снаряд рельсовой пушки (на картинке ниже), движущийся со скоростью около 3 км/с или 1/100000 скорости света, заключается в том, что зеркало перемещается по раме вместе со снарядом. Благодаря такому быстрому вращению ученые смогли зафиксировать все представленные изображения.

Но метод с зеркалом предложил отнюдь не Майкельсон, а французский физик и механик Леон Фуко, который впервые измерил скорость света с помощью вращающегося со скоростью 512 оборотов в секунду зеркального устройства.

Wikipedia

В его эксперименте свет отражался от вращающегося зеркала в неподвижное зеркало с большим радиусом кривизны, которое отражало свет обратно во вращающееся.

Ниже представлена двухмерная схема аппарата Фуко.

На верхней схеме изображено, как свет проходит через устройство, когда зеркало не вращается (черные линии). Когда зеркало приходит в движение, свет распространяется наружу (красные и зеленые линии). В трехмерном изображении это похоже на яркое кольцо.

Измеряя, как далеко находились края светового кольца M’ от источника света, когда зеркало не вращалось (M), и применяя простые математические формулы, Фуко смог рассчитать скорость света, которая была в пределах 0,6% от современного значения. А ведь это было около 250 лет назад!

Майкельсон усовершенствовал эту технику, увеличив расстояние между вращающимся (R) и отражающим зеркалами (от R до M) с 20 метров до 600. В более точных экспериментах Майкельсона расстояние от R до M составляло 35 километров! На 600 метрах полученное число находилось в пределах 0,05% от принятого сегодня значения. Таким образом, на большем расстоянии итоговые показатели были улучшены в десятки раз.

Используя те же основные элементы современных сверхскоростных камер, которые могут захватывать свет, движущийся через определенную среду, Майкельсон измерил скорость, с которой свет распространяется между двумя точками, которые находятся в состоянии покоя относительно друг друга.

Поскольку для разных испытаний использовались разные источники света, а результаты практически не менялись, Майкельсон показал, что свет всех типов проходит через систему отсчета с постоянной скоростью. Особенно когда источник и детектор находятся в покое относительно друг друга. Следовательно, ученый смог измерить постоянную скорость распространения всех типов света через универсальную систему отсчета.

Взаимодействие магнита и проводящего контура

Возникновение индукционного тока демонстрирует следующий опыт:

В замкнутое кольцо из алюминия или меди, подвешенное на нити, вдвигают постоянный магнит, повернутый к кольцу одним из полюсов. При этом кольцо начинает отталкиваться от магнита, проявляя свойства магнита, который сближается с другим магнитом одноименным полюсом. Если приближать магнит к кольцу другим полюсом, то кольцо поведет себя так же.

Постоянный магнит помещают внутри кольца и начинают выдвигать. Кольцо будет тянуться за магнитом, то есть вести себя так, как один из двух магнитов, обращенных друг к другу противоположными полюсами.

Разомкнутое кольцо не будет реагировать на приближение и отдаление магнита.

Когда магнит приближается к кольцу, магнитный поток, проходящий сквозь кольцо, увеличивается. Возникающая в связи с этим электродвижущая сила порождает в замкнутом кольце индукционный ток, а проходящий по кольцу ток создает собственное магнитное поле.

Ток при этом направлен так, что собственное магнитное поле кольца препятствует изменению входящего магнитного потока, то есть отталкивает постоянный магнит. В разомкнутом кольце также генерируется ЭДС, но тока не возникает.

При выдвижении магнита из кольца магнитный поток уменьшается, в замкнутом кольце при этом также возникает индукционный ток с собственным магнитным полем, притягивающим постоянный магнит и препятствующим изменению (в данном случае — уменьшению) входящего магнитного потока.

Подобный опыт можно провести, если использовать вместо кольца катушку, замкнутую на гальванометр.

При перемещении магнита гальванометр показывает наличие тока в катушке. Причем при приближении магнита и, соответственно, увеличении магнитного потока, проходящего сквозь катушку, направление тока будет одним, а при отдалении магнита от катушки и уменьшении магнитного потока направление тока будет противоположным. Если держать магнит неподвижно, ток в катушке будет отсутствовать.

8.Недостатки теории Друде – Лоренца

Теплоемкость электронного газа . Теплоемкость
кристаллической решетки – 3R, следовательно, теплоемкость кристалла должна быть – 4,5R. Закон
Дюлонга и Пти утверждает, что теплоемкость кристалла –3R.

Не объясняется явление сверхпроводимости.

Вычисленное по экспериментальным данным время пробега оказывается слишком большим, т.е. при таком времени
электрон мог бы проходить сотни постоянных решёток.

Данные недостатки объясняются тем, что электронный газ – газ квантовый и подчиняется не статистике
Максвелла-Больцмана, а статистике Ферми – Дирака. Классическая теория Друде –
Лоренца качественно хорошо объясняет известные закономерности, а количественные – удовлетворительно.

Ход эксперимента

Для эксперимента отбирались молодые здоровые люди без психических заболеваний, не имевшие приводов в полицию, представители среднего класса.

Испытуемым сообщалось, что эксперимент направлен на исследование влияния боли на память. Все испытуемые выступали в роли «учителя», каждый из которых должен был взаимодействовать с «учеником» и помочь ему заучить перечень парных слов.

Особенность эксперимента состояла в том, что «ученик» был подключен к специальному аппарату, генерирующему разряды тока, от слабых до очень сильных. На самом деле, роль «ученика» выполнял специально нанятый актер, а аппарат только имитировал воздействие током. Чтобы испытуемый ни о чем не догадался, перед началом опыта проводилась жеребьевка, где актеру доставалась роль ученика.

Ученик запоминал слова, а учитель принимал экзамен. При каждой ошибке он должен был наказывать ученика разрядом тока. Ученик помещался в звукоизолированную комнату и на глазах испытуемого закреплялся на кресле с электродами. Перед началом эксперимента «учитель» получал демонстрационный удар током, чтобы убедиться, что прибор работает.

Самый первый разряд был очень слабым, всего 15 Вольт, но с каждой ошибкой сила тока увеличивалась еще на 15 вольт. Максимальная величина разряда составляла 450 вольт. Это в два раза больше, чем в обычной бытовой розетке, то есть достаточно много, чтобы нанести серьезные физические повреждения.

Вся процедура эксперимента была стандартизирована, «ученик» выдавал в среднем один верный ответ на три ошибочных. На отметке в 150 вольт «ученик» просил прекратить процедуру. По мере роста напряжения он просил все более эмоционально, жаловался на боли в сердце и возрастающий дискомфорт, под конец уже просто кричал, разыгрывая сильные мучения от удара током. Если испытуемый начинал колебаться, экспериментатор говорил ему заранее заготовленную фразу: «Абсолютно необходимо, чтобы вы продолжили».

Зависимость сопротивления от температуры

Опыт показывает, что при нагревании металлического проводника его сопротивление увеличивается. Как это объяснить?

Причина проста: с повышением температуры тепловые колебания ионов кристаллической решётки становятся более интенсивными, так что число соударений свободных электронов с ионами возрастает. Чем активнее тепловое движение решётки, тем труднее электронам пробираться сквозь промежутки между ионами (Представьте себе вращающуюся проходную дверь. В каком случае труднее проскочить через неё: когда она вращается медленно или быстро? :-)). Скорость упорядоченного движения электронов уменьшается, поэтому уменьшается и сила тока (при неизменном напряжении). Это и означает увеличение сопротивления.

Как опять-таки показывает опыт, зависимость сопротивления металлического проводника от температуры с хорошей точностью является линейной:

Здесь — сопротивление проводника при . График зависимости (1) является прямой линией (рис. 4 ).

Множитель называется температурным коэффициентом сопротивления. Его значения для различных металлов и сплавов можно найти в таблицах.

Длина проводника и его площадь поперечного сечения при изменении температуры меняются несущественно. Выразим и через удельное сопротивление:

и подставим эти формулы в (1) . Получим аналогичную зависимость удельного сопротивления от температуры:

Коэффициент весьма мал (для меди, например, ), так что температурной зависимостью сопротивления металла часто можно пренебречь. Однако в ряде случаев считаться с ней приходиться. Например, вольфрамовая спираль электрической лампочки раскаляется до такой степени, что её вольт-амперная характеристика оказывается существенно нелинейной.

Рис. 5. Вольт-амперная характеристика лампочки

Так, на рис. 5 приведена вольт-амперная характеристика автомобильной лампочки. Если бы лампочка представляла собой идеальный резистор, её вольт-амперная характеристика была прямой линией в соответствии с законом Ома. Эта прямая изображена синим пунктиром.

Однако по мере роста напряжения, приложенного к лампочке, график отклоняется от этой прямой всё сильнее и сильнее. Почему? Дело в том, что с увеличением напряжения ток через лампочку возрастает и больше разогревает спираль; сопротивление спирали поэтому также увеличивается. Следовательно, сила тока хотя и продолжит возрастать, но будет иметь всё меньшее и меньшее значение по сравнению с тем, которое предписывается «пунктирной» линейной зависимостью тока от напряжения.

Почему металлы хорошие проводники

Ведь все заряженные частицы являются частью атомов вещества. Дело в том, что в металлах в процессе образования кристаллической решетки атомы вещества сильно взаимодействуют друг с другом, следствием чего является потеря электронами связи с ядрами своих атомов.

Они остаются связанными только с самой формой вещества, не имея возможности покинуть его границы, но свободно перемещающимися внутри кристаллической решетки в любых направлениях.

Такая особенность металлов дает возможность существования электрического тока внутри проводника, а также обусловливает еще одно интересное свойство металлов, на котором стоит остановиться подробнее.

При наличии внешнего электростатического поля напряженность поля внутри проводника равна нулю. Это происходит вследствие свойства электростатической индукции.

4.Электроны в металле

Электрон в атоме находится в потенциальной яме.

Когда атомы объединяются в кристаллическую решетку, их потенциальные ямы перекрываются. Энергии электрона может хватить, чтобы
преодолеть потенциальный барьер. Электрон начинает принадлежать не одному атому, а всему кристаллу. Говорят, что электроны обобществляются или
коллективизируются и в металлах существует электронный газ.

Электроны абсолютно свободны в металле, т.к. очень малой разности потенциалов хватает для возникновения тока. Электронный газ
выполняет связывающую роль для кристаллов.

Несложно оценить концентрацию электронов в металле.

Такой же порядок концентрации дают и другие, в том числе экспериментальные, методы, например, эффект Холла (см. далее).

Свободные электроны в металлах

Виды исполнения

Измерители «дитца» подразделяются на аналоговые и цифровые:

Аналоговые измерители. Как правило способны измерять только переменный ток, показания в них снимаются со встроенного амперметра. Такие приборы были широко распространены до появления цифровых измерителей.

Цифровые (самые популярные). Внутри таких приборов установлена интегральная схема, как правило они обладают расширенным функционалом или дополнительными функциями мультиметра (тестера).

Специализированные высоковольтные электроизмерительные клещи

В отдельный вид следует выделить измерители специального назначения, измерительные клещи Ц 90 (более современный вариант Ц 4502), предназначенные для измерения силы тока в мощных электроустановках до 10 000 вольт. С помощью этого инструмента можно измерить только силу переменного тока от 15 до 600А. Принцип действия измерителя аналогичен с обычными измерителями трансформаторного типа, конструкция таких клещей немного видоизменена для безопасной работы оператора. В конструкции предусмотрены изолирующая часть с изолирующими рукоятками, а также разработаны правила безопасности при проведении измерений данным способом.

«В настоящее время с развитием технологий такой способ измерения практически не применяется из-за высокого риска поражения электрическим током.»

Отсутствие электростатического поля внутри проводника

Можно рассмотреть это на примере металлической пластины. При помещении проводника в электрическое поле, в первый момент возникает электрический ток. Под действием внешнего поля электроны начинают перемещаться.

Они перераспределяются по пластине таким образом, что положительные заряды пластины оказываются со стороны отрицательных зарядов, создающих поле, и наоборот. Отрицательные заряды пластины притягиваются положительными зарядами, создающими внешнее поле.

При этом уже сами заряды пластины создают свое собственное поле, которое противоположно по направлению линиям напряженности внешнего поля и компенсирует его.

Так и выходит, что по принципу суперпозиции полей их напряженности складываются, и результирующая напряженность поля внутри проводника оказывается равной нулю. Перераспределение зарядов происходит за ничтожно короткое время, поэтому можно считать, что оно происходит мгновенно.

Выходит, что внутри тела, сделанного из проводника, электростатического поля не будет. Именно на этом свойстве металлов основано применение защиты от внешних полей.

Особо чувствительные приборы и механизмы помещают в оболочку из металла, например, в ящик или оплетают металлической сеткой, которая обладает теми же свойствами, что и цельные куски металла.

Таким образом, объекты не подвергаются внешнему воздействию вроде электризации, намагничивания и так далее.

Какой металл является наилучшим проводником?

Самый лучший проводник тепла и электричества является также и самым отражающим из всех химических элементов. Главный недостаток серебра в том, что оно слишком дорогое. Единственная причина, почему в нашем электрооборудовании мы используем не серебряные, а медные провода, заключается в том, что медь – второй по проводимости элемент – намного дешевле.

Помимо украшений, серебро главным образом используется в фотопромышленности, батарейках с длительным сроком эксплуатации и солнечных панелях.

Серебро обладает любопытнейшей способностью стерилизовать воду. Причем требуется буквально крошечное количество – десять частей на миллиард. Сей удивительный факт был известен еще с древнейших времен: так, в V веке до н. э. Геродот писал о персидском царе Кире, который постоянно возил с собой личный запас воды, взятой из особого источника, вскипяченной и запечатанной в серебряные сосуды.

И римляне, и греки не раз отмечали, что еда и питье, помещенные в серебряную посуду, сохраняются намного дольше. Сильные бактерицидные качества серебра использовались за множество веков до того, как были обнаружены сами бактерии. Этим можно объяснить, почему на дне древних колодцев часто находят серебряные монеты.

Небольшое предостережение, прежде чем вы начнете лить пиво в свою серебряную кружку.

Во-первых, серебро хоть и убьет бактерии в лабораторных условиях, однако далеко не факт, что оно даст тот же самый эффект, оказавшись у вас внутри. Многие из предполагаемых достоинств серебра до сих пор не подтверждены. А Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов в США даже запретило компаниям рекламировать пользу серебра для здоровья.

Во-вторых, существует такая болезнь – аргирия. Ее развитие напрямую связано с попаданием внутрь организма человека частиц серебра, растворенных в воде. Наиболее явным симптомом аргирии является отчетливый голубой оттенок кожи.

С другой стороны, соли серебра являются наиболее безопасным заменителем хлора в воде плавательных бассейнов, а в США серебром даже пропитывают носки легкоатлетов, чтобы ноги не пахли.

Вода – исключительно плохой проводник электричества, особенно вода чистая, которая, кстати, используется как диэлектрик. Все дело в том, что электричество проводят не молекулы H 2O, а растворенные в воде химикаты – например, соль.

Морская вода проводит электричество в сто раз лучше пресной, но даже при этом она в миллион раз худший проводник электричества по сравнению с серебром.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Опыт Мандельштама и Папалекси

Электронную природу тока в металле первыми экспериментально доказали российские физики Мандельштам и Папалекси в 1913 г. Для того, чтобы выяснить, какие частицы создают электрический ток в металлах, они — без подключения внешнего источника — регистрировали ток в катушке из металлического провода, которую сначала сильно раскручивали вокруг собственной оси, а затем резко останавливали. Поскольку у электрона есть масса, то он должен подчиняться закону инерции. Поэтому в момент остановки атомы решетки останутся на месте, а свободные электроны по инерции, какое-то время, продолжат движение в прежнем направлении. То есть в цепи должен появиться электрический ток. Эксперименты подтвердил это предположение — после остановки катушки исследователи регистрировали бросок тока в цепи.

Рис. 2. Опыт Мандельштама и Папалекси.

$$ {e_э over m_э } = 1,8*10^{11} Кл/кг $$

Откуда берётся ток

Следует отметить, что электрический ток может образоваться не только в металлическом проводнике, но и в других веществах. Например, атмосферная энергия появляется в дождевых облаках, но использовать её не представляется возможным. Для получения электричества, применяемого в хозяйственных нуждах, катушки медных генераторных установок, подходят идеально.

Электрический ток в металлах создаётся упорядоченным движением электронов. Термин «Электричество» впервые был введён Уильямом Гилбертом в XVI веке, но естествоиспытатель ограничился только получением электрических разрядов статического электричества. Два столетия спустя, Майкл Фарадей уже создал действующую модель динамо-машины, появление на свет которой обязано именно эффекту образования электричества в металлах.

Учёный усовершенствовал ранее известный физический опыт, при котором ток в металлах создавался движением магнитного поля вокруг статичного металлического объекта. Первый генератор представлял собой конструкцию, состоящую из вращающего постоянного магнита и медной катушки. Такая машина позволяла получить относительно небольшое напряжение в проводнике. В то время доподлинно ещё не было известно какими частицами создаётся ток в металлах. Только в 1913 году учёным удалось доказать электронную природу этого явления.

Для получения точных результатов учёным пришлось создавать специальные машины, благодаря применению которых и удалось определить причину возникновения тока. Если кратко изложить суть экспериментов, проведённых с целью доказать электронную природу появления тока, то получится конспект следующего содержания:

Необходимо подготовить катушку, которая может вращаться вокруг своей оси.
Поставить изделие на твёрдую поверхность, например, на пол.
Выход проводников этой электрической машины подключить к гальванометру.
Раскрутить катушку (скорость вращения должна быть значительной).
Резко затормозить устройство.

Результаты и дополнительные предположения

Перед экспериментом Милгрэм опросил студентов и коллег, как они думают, сколько испытуемых дойдут до конца эксперимента. Большинство называли цифру не более 20%. Результаты эксперимента показали, что это количество гораздо больше.

Всего было проведено 40 опытов. Из них только один раз испытуемый остановился на напряжении до 300 В, еще 5 выбыли на отметке 300 В, 4 — на 315 В, 2 после 330 В, 1 после 345 В, 1 после 360 В, один после 375 В. Оставшиеся 26 из 40 дошли до конца эксперимента.

Также были выдвинуты дополнительные предположения, для проверки которых были проведены отдельные опыты. Всего модификаций было более 19.

Испытуемые подчиняются авторитету (в данном случае Йельского университета). Чтобы избежать этого, Милгрэм снял помещение в городке Бриджпорт и проводил опыты от имени коммерческой организации «Исследовательская Ассоциация Бриджпорта». Но результаты не слишком отличались: до конца дошли 48% испытуемых.
Все испытуемые были мужчинами и поэтому более склонны к агрессии. Для этого был проведен эксперимент с выборкой из женщин. Их поведение не отличалось.
Испытуемые имели склонность к садизму. Такое было маловероятно, так как для опыта специально отбирались психически здоровые люди, но, чтобы исключить этот фактор, испытуемые прошли дополнительные тесты для оценки личности. Результат показал, что они ничем не отличались от обычных людей.
Дополнительный опыт показал интересный результат. Когда экспериментатор покидал комнату, а с испытуемым оставался его ассистент, только 20% продолжали опыт. Это могло служить доказательством преимущественного влияния авторитета, усиливавшегося в непосредственном присутствии.

Статья Стэнли Милгрэма с описанием эксперимента была опубликована в 1963 году в «Журнале патопсихологии» (Journal of Abnormal Psychology).

В 1973 году Американская психологическая ассоциация приняла новый этический кодекс, по которому запрещалось проводить эксперименты с сообщением участникам заведомо ложной информации. Несмотря на это, книга Милгрэма «Подчинение авторитету», вышедшая в 1974 году, обрела большую популярность, как и сам ее автор.

Алюминий

Алюминий при сравнении по удельному весу на самом деле более проводящий, чем медь, и стоит дешевле. Алюминиевый материал используется в бытовых изделиях или в проводке, но это не всегда так, поскольку он имеет несколько структурных недостатков. Например, алюминий имеет тенденцию образовывать электрически стойкую поверхность оксида в электрических соединениях, что может привести к перегреву соединения. Все же алюминий используется алюминий для высоковольтных линий электропередач (например, телефонных кабелей), которые могут быть обрамлены в сталь для дополнительной защиты.

6.О нарушениях закона Ома

Закон Ома справедлив, пока электростатическая энергия много меньше тепловой.

Для газов:

Данное значение напряженности для газов достаточно скромное, поэтому в газах закон Ома не выполняется.

Для металлов:

Для металла такие напряженности невозможны, т.к. нагревание столь велико, что металл испаряется, следовательно, для металлов
закон Ома выполняется практически всегда.

Закон Ома нарушается, если характерное время процесса меньше или равно времени пробега.

Закон Ома не выполняется для нелинейных элементов (диод, триод и т.д.), для полупроводников и для контактов металл-полупроводник
и полупроводник-полупроводник. Это хорошо, т.к. иначе не существовало бы электроники.