Скорость такого перемещения невелика — она составляет всего несколько десятков сантиметров в секунду, однако скорость распространения «волны» тока в проводнике чрезвычайно велика — она близка к скорости света, т. е. к 300 000 км/сек. Это объясняется тем, что все блуждающие электроны в проводнике при подаче на него напряжения практически одновременно начнут двигаться в направлении поля.
Электрический ток, проходя через вещество, напревает его вследствие столкновений движущихся электронов с атомами и молекулами. Проводник, сильно разогретый электрическим током, может явиться источником светового излучения. На основе этого явления построены различные источники света, яркость которых может изменяться от ничтожной величины до миллионов свечей.
В настоящее время для осветительных целей используй ют не только лампы накаливания, но и различные другие источники света: газоразрядные лампы низкого, высокого и сверхвысокого давления, в которых излучение света обусловлено высвечиванием «возбужденных» атомов, возникших при столкновениях атомов с движущимися электронами.
В лампах дневного света используются различные люминесцирующие вещества. Неоновые и аргоновые осветители можно видеть на рекламных надписях, названиях магазинов, кинотеатров и т. д.
Для получения очень мощных источников света пользуются дуговыми разрядами в инертных газах или в парах ртути, находящихся под давлением в несколько десятков атмосфер. Сила света таких источников может измеряться десятками миллионов свечей. Эти источники с успехом применяют в маяках, прожекторных установках, в мощных проекционных аппаратах и т. п.
Другим не менее важным свойством электрического тока является способность создавать магнитное поле вокруг проводника, по которому течет ток. Это явление впервые было открыто М. Фарадеем, обнаружившим, что магнитная стрелка компаса, вблизи которого находится проводник с током, поворачивается. В то время никто, включая и самого Фарадея, не мог себе представить тех поистине гигантских возможностей, которые открывает это явление.
Что же представляет собой магнитный эффект электрического тока?
Движущийся электрический заряд создает вокруг себя магнитное поле, силовые линии которого замыкаются по концентрическим окружностям с центром в самом заряде. Плоскость, в которой лежат магнитные силовые линии, перпендикулярна к направлению движения заряда. Если имеются два заряда, движущихся относительно друг друга, то, кроме обычного электростатического кулоновского взаимодействия между ними, возникнет еще и магнитное взаимодействие, обусловленное взаимодействием магнитных полей, созданных этими зарядами. Таким образом, два проводника, по которым протекает электрический ток, будут взаимодействовать между собой с силой, пропорциональной величине протекающего тока. В случае одинакового направления электрического тока, в обоих проводниках они будут притягиваться друг к другу, в случае взаимно противоположного направления тока — отталкиваться. На основании открытия Фарадея были созданы электродвигатели и генераторы, электровозы и электростанции, различные электрические приборы.
При конструировании электромагнитов (рис. 9), электродвигателей и генераторов тока необходимо добиваться максимально возможных значений напряженности магнитного поля, поскольку полезный эффект пропорционален величине напряженности магнитного поля. При этом используют эффект «усиления» магнитного поля, имеющий место в некоторых металлах и сплавах, называемых ферромагнитными. Эти вещества обладают способностью как бы впитывать в себя (внешнее магнитное поле. В результате этого напряженность поля электромагнитов с железными сердечниками становится во много раз больше, чем без сердечников.
Исследование магнитных свойств ферромагнитных веществ показало, что величина их магнитной восприимчивости зависит от напряженности внешнего магнитного поля. При достаточно сильных магнитных полях происходит насыщение ферромагнитного материала; при дальнейшем увеличении внешнего поля эффект «усиления» не наблюдается.
Для получения еще более сильных полей, необходимых для исследования различных физических явлений, применяют катушки без железных сердечников с малым числом витков. При разряде батареи заряженных конденсаторов на такую катушку возникают огромные магнитные поля, напряженность которых может достигать нескольких сотен тысяч эрстед.
Впервые такие эксперименты были проведены советским физиком П. Л. Капицей, которому удалось получить магнитное поле в полмиллиона эрстед. При этом силы взаимодействия соседних витков катушки были настолько велики, что иногда обрывались провода и ломались сами катушки.
В недалеком будущем, несомненно, будет решена проблема получения сверхсильных постоянных магнитных полей, необходимых для создания гигантских ускорителей элементарных частиц — синхрофазотронов, с помощью которых ученые открывают новые тайны атомного ядра и элементарных частиц.
Развитие науки и техники требует решения многих задач, связанных с усовершенствованием старых и конструированием новых типов машин и приборов. Наиболее производительными и совершенными машинами являются электрические машины.
«Коммунизм — это есть Советская власть плюс электрификация всей страны», — говорил В. И. Ленин.
С увеличением числа мощных электростанций увеличивается энерговооруженность нашей страны, а значит, увеличивается и производство материальных благ, необходимых людям.
Овладение электроэнергией и всемерное ее использование — главная задача, которую успешно выполняет наш народ для создания материально-технической базы коммунизма.
Молекулярная физика в химии и технике
В окружающем нас мире все тела состоят из молекул. Изменение структуры молекул и молекулярных соединений приводит к изменению таких свойств вещества, как прочность, гибкость или пластичность.
Все молекулы в веществе находятся в непрерывном хаотическом движении. Чем больше средняя скорость движения молекул в веществе, тем выше его температура.
Отсчет температуры ведется от абсолютного нуля, соответствующего такому состоянию вещества, когда молекулярное движение полностью прекращается. Абсолютный нуль температуры лежит на 273,13° ниже температуры замерзания воды (по шкале Цельсия).
Физические и химические свойства тел весьма сильно зависят от температуры. Изучением физических свойств и различных агрегатных состояний веществ в зависимости от их молекулярного строения, взаимодействия между молекулами и характера их движения занимается молекулярная физика.
В отличие от химии, задачей которой является изучение строения различных веществ и синтез соединений с заданными свойствами, молекулярная физика выявляет возможности такого синтеза и практические пути его осуществления на основе глубокого изучения строения молекул и законов их движения.
Что же представляют собой молекулы?
Наименьшие частички вещества, которые еще обладают всеми его химическими свойствами, называются молекулами данного вещества. Молекулы могут состоять из одного или нескольких атомов, связанных между собой электрическими силами, которые обычно называют молекулярными.
Так, например, молекулы всех инертных газов, таких как неон, аргон и т. д., состоят всего из одного атома; такие газы называются одноатомными. Водород, кислород, азот и некоторые другие газы состоят из двухатомных молекул (рис. 10), а молекулы органических веществ обычно состоят из весьма большого числа атомов, которые могут образовывать целые цепочки длиной до нескольких миллиметров и более. (Напомним, что размеры атомов составляют всего несколько стомиллионных долей сантиметра.)