Создан новый тип металла, в котором электроны ведут себя как жидкость

Содержание

Вольтов столб

К своему самому известному открытию ученый пришел занимаясь изучением опытов своего соотечественника Луиджи Гальвани, которому удалось обнаружить эффект сокращения мышечных волокон препарированной лягушки в процессе взаимодействия ее вскрытого нерва с двумя разнородными металлическими пластинками. Автор открытия объяснил явление существованием «животного» электричества, однако Вольта предложил другую интерпретацию. По его мнению, подопытная лягушка выступала своеобразным электрометром, а источником тока был контакт разнородных металлов. Сокращение мышц было вызвано вторичным эффектом от действия электролита – жидкости, находящейся в тканях лягушки.

Чтобы доказать правильность выводов Вольта провел эксперимент на самом себе. Для этого он приложил к кончику языка оловянную пластинку и параллельно к щеке серебряную монету. Предметы были соединены небольшой проволочкой. В результате ученый почувствовал языком кисловатый привкус. В дальнейшем он усложнил свой опыт. На этот раз Алессандро положил себе на глаз кончик оловянного листочка, а во рту разместил серебряную монету. Предметы соприкасались друг с другом с помощью металлических острий. Всякий раз при контакте он чувствовал глазом свечение, подобное эффекту молнии.

В 1799 году Александро Вольта окончательно пришел к выводу, что «животного электричества» не существует, а лягушка реагировала на электрический ток возникающий при контакте разнородных металлов.

Этот вывод Алессандро использовал при разработке собственной теории «контактного электричества». Сначала он доказал, что при взаимодействии двух металлических пластин одна приобретает большее напряжение.  В ходе дальнейшей серии экспериментов Вольта убедился, что для получения серьезного электричества одного контакта разнородных металлов мало. Оказывается, для появления тока необходима замкнутая цепь, элементами которой выступают проводники двух классов – металлы (первый) и жидкости (второй).

В 1800 году ученый сконструировал Вольтов столб – простейший вариант источника постоянного тока. В его основе лежали 20 пар металлических кружочков, выполненные из двух видов материала, которые были разделены бумажными или тканевыми прослойками, смоченными щелочным раствором или соленой водой. Присутствие жидких проводников автор объяснял наличием особого эффекта, согласно которому в ходе взаимодействия двух различных металлов появляется некая «электродвижущая» сила. Под ее воздействием электричество противоположных знаков сосредотачивается на разных металлах. Однако Вольта не смог понять, что ток возникает как результат химических процессов между жидкостями и металлами, поэтому представил иное объяснение.

Если сложить вертикальный ряд пар различных металлов (например, цинка и серебра без прокладок), то заряженная током одного знака цинковая пластина будет взаимодействовать с двумя серебряными, которые заряжены электричеством противоположного знака. В результате вектор их совместного действия будет обнуляться. Для обеспечения суммирования их действий необходимо создать контакт цинковой пластины только с одной серебряной, что можно достичь с помощью проводников второго класса. Они эффективно дифференцируют пары металлов и не создают помех для движения тока.

Вольтов Столб — гальванический элемент (химический источник постоянного тока). По сути дела — это первая в мире аккумуляторная батарея

О своем открытии в 1800 году Вольта сообщил Лондонскому королевскому обществу. С этого времени источники постоянного тока, изобретенные Вольтой, стали известны всему физическому сообществу.

Несмотря на определенную научную ограниченность выводов Алессандро вплотную приблизился к созданию гальванического элемента, который связан с трансформацией химической энергии в электрическую. В дальнейшем ученые многократно проводили эксперименты с вольтовым столбом, которые привели к открытию химических, световых, тепловых, магнитных действий электричества. Одним из наиболее заметных вариантов конструкции вольтова столба можно признать гальваническую батарею В. Петрова.

В качестве эксперимента, можно создать Волтов столб своими руками из подручных средств.

Вольтов столб своими руками. Между медными монетами находится кусочки салфетки смоченные уксусом (электролитом) и кусочки алюминиевой фольги

Электрический заряд можно делить

Если в природе существуют заряженные частицы, значит, заряд, полученный телом при электризации, состоит из суммы зарядов этих частиц.

Обнаружить простейший и самый маленький заряд в природе, можно с помощью деления общего заряда тела на части.

Метод половинного деления

Этот метод заключается в делении какой-либо величины на две равные части. После этого, выбирают одну из частей и опять делят на две равные части.

Каждый раз выбирают половину и делят ее пополам, до тех пор, пока не получат самую маленькую часть, заряда которую разделить не получится.

Этот метод можно продемонстрировать на опыте.

Демонстрация деления заряда с помощью электрометров

Для проведения эксперимента потребуется два электрометра. Зарядим один из электрометров, а второй оставим незаряженным (рис. 1).

Рис. 1. Один электрометр заряжен, второй — нет

После соединим электрометры металлическим предметом – линейкой, проволокой и т. п. Мы увидим, что первоначальный заряд распределится между двумя электрометрами поровну (рис. 2).

Рис. 2. Первоначальный заряд разделился на две равные части между двумя электрометрами

Теперь уберем заряд одного из электрометров. А половинный заряд, оставшийся на втором приборе, опять разделим пополам, соединив измерительные приборы – заряженный и незаряженный, металлическим предметом. Этот остаточный заряд распределится между приборами поровну.

Проделав такой опыт некоторое количество раз, получим на одном из электрометров малый остаточный заряд, который разделить на части не получится. Такой заряд называют элементарным.

На пороге великих свершений

Физик и математик Джордж Стони (Королевский Ирландский университет, Дублин) в 1874 году озвучил предположение о дискретности электричества. В каком году и кем был открыт электрон? В ходе экспериментальных работ по электролизу именно Д. Стони определил значение минимального электрического заряда (правда, полученный результат (10-20 Кл) был в 16 раз меньше действительного). Единицу элементарного электрического заряда в 1891 году ирландский ученый назвал «электрон» (от древнегреческого «янтарь»).

Через год Гендрик Лоренс (Лейденский университет, Нидерланды) сформулировал главные положения своей электронной теории, согласно которой в основе строения любого вещества лежат дискретные электрические заряды. Этих ученых не считают первооткрывателем частицы, но их теоретические и практические изыскания стали надежным фундаментом для будущего открытия Томсона.

Явления в природе, связанные с электричеством

Природа богата явлениями электрической природы. Примерами таких явлений, которые связаны с электричеством, служат северное сияние, молния и др.

Северное сияние

Верхние слои воздушной оболочки часто накапливают мелкие частички, прилетающие из космоса. Их столкновение с атмосферой и пылью вызывает свечение на небе, которое сопровождают сполохи. Такое явление наблюдают жители полярных районов. Назвали это явление полярным сиянием. Северное свечение длится порой несколько суток, переливаясь разными цветами.

Молния

Перемещаясь с атмосферными потоками, кучевые облака вызывают трение капель и ледяных кристаллов. В результате трения в облаках накапливаются заряды. Это приводит к образованию между облаками и землей гигантских искр. Это и есть молнии. Они сопровождаются раскатами грома.

Накопление электрических зарядов в воздухе иногда вызывает образование небольших светящихся шариков или крупных искр. Эти шары и искры названы шаровым молниями. Они перемещаются с воздухом, взрываясь от контакта с отдельными предметами. Такие молнии нередко вызывают ожоги и гибель живых существ и людей, возгорание предметов. Точно объяснить причины появления молний ученые пока не могут.

Огни святого Эльма

Так называют явление, знакомое плававшим на парусниках морякам с древности. Они радовались, когда видели свечение мачт в непогоду. Моряки считали, что огни свидетельствуют о покровительстве святого Эльма.

Свечение можно наблюдать в грозу на высоких шпилях. Огоньки выглядят как свечи и кисти голубого или светло-фиолетового оттенка. Длина этих огней иногда достигает метра. Сияние порой сопровождает шипение или негромкий свист.

Моряки пытались отломить часть мачты вместе с огнем. Но это никогда не удавалось, поскольку огонь «перетекал» на мачту и поднимался по ней вверх. Пламя это холодное, от него не происходит возгорания, оно не обжигает руки. И гореть может несколько минут, иногда около часа. Современные ученые установили, что эти огни имеют электрическую природу.

Кто открыл нейтрон?

Третья составляющая атом частица была открыта в 1932 году. Ученым, открывшим существование нейтронов, стал английский физик Джеймс Чедвик. Изучая поведение атомов, когда их бомбардируют альфа-частицы, Чедвик обнаружил существование радиационного излучения, частицы которого имели массу приблизительно такую же, как протоны, но являлись электрически нейтральными, поскольку не взаимодействовали с электрическим полем. Кроме того, эти частицы были способны пронизывать вещество и заставлять атомы тяжелых элементов делиться на более легкие. Из-за физических свойств новой частицы Чедвик назвал ее нейтроном, поэтому он по праву считается ученым, открывшим нейтрон.

История открытия электрона учёными всего света

  1. Эксперименты английского физика как основоположника электродинамики Фарадея (1791-1867) по электролизу, интерпретированные с точки зрения атомной теории материи, подразумевали, что электричество имеет атомную структуру. То есть электричество появляется в естественных единицах измерения.
  2. В 1891 ирландский физик и математик Джордж Джонстон Стоуни (1826-1911) назвал эти единицы или ввел в науку термин “электрон”.
  3. В 1894 году ирландцем Джозефом Лармором (1857-1942) была предложена электронная теория для преодоления определенных эмпирических и концептуальных проблем, с которыми столкнулась электромагнитная теория Максвелла. Электроны Лармора считались универсальными составляющими материи и были представлены в виде структур во всепроникающем эфире.
  4. Аналогичная электромагнитная теория была предложена нидерландским физиком-теоретиком Хендриком Антуан Лоренц (1853-1928), который разработал классическую электронную теорию в электромагнетизме. Теория Лоренца включала предположение Максвелла о том, что электромагнитные явления представляют собой волновые процессы в эфире, и предположил, что эти явления обусловлены действием заряженных частиц. Лоренц назвал эти частицы “ионами”, в аналогии с ионами электролиза.
  5. Решающим событием для развития теорий Лармора и Лоренца стало экспериментальное открытие Питера Зеемана (1865-1943). В 1896 году Зееман обнаружил, что спектральные линии натрия расширяются под воздействием магнитного поля ( Эффект Зеемана). Это была теория расщепления линий атомных спектровв магнитном поле. Опираясь на теорию Лоренца, он объяснил модификацию спектра натрия влиянием магнетизма на режим вибрации “ионов”. По наблюдаемому расширению он смог рассчитать их отношение заряда к массе, которое, ко всеобщему удивлению, оказалось на три порядка больше, чем у электролитических ионов. Это было первым признаком того, что Лоренц ионы, так же как и электроны Лармора, были намного меньше обычных ионов. В 1899 году Лоренц изменил название своих “ионов” на “электроны”.
  6. Электронные теории получили дополнительную поддержку в результате теоретического и экспериментального исследования катодных лучей. Это были исследования электрического разряда в газе при низком давлении. Природа этих лучей была предметом значительных дебатов где они были отождествлены с электроном.  Споры утихли когда в 1897 году, Дж. Дж. Томсон (1856–1940) показал, что лучи  состоят из “корпускул”, мельчайших заряженных частиц. Суть эксперимента состояла в исследовании газового разряда, то есть процесса прохождения электрического тока через газ. По электрическим и магнитным отклонениям этих частиц при прохождении через газ он рассчитал  отношение массы к заряду (m/е). Оказалось, что значение m/e было на три порядка меньше, известного ранее значения для иона водорода при электролизе.

    Именно с 1897 года считается  открытие электрона английским физиком Дж. Дж. Томсоном

  7.  В 1899 году Томсон сообщил об измерениях отношения массы к заряду частиц, полученных в результате фотоэффекта, а также термоэлектронной эмиссии. Эти измерения показали, что рассматриваемые частицы были идентичны составляющим катодных лучей.

Томсон сделал следующие выводы:

  • Атомы делимы, из них могут быть вырваны отрицательно заряженные частицы под действием определенных сил: электрических, удара частиц, ультрафиолетового света, тепла.
  • Вырванные частицы имеют одинаковую массу, несут одинаковый отрицательный заряд электричества и не зависят от материала.
  • Масса частиц меньше в 1000 раз чем масса атома водорода.
  •  Более подходящий термин «электрон».

За исследование прохождения электричества через газ, которые привели к открытию электрона в 1906 году получил Нобелевскую премию по физике.

Дж. Дж. Томсон

  1.   Французский физик Анри Беккерель (1852-1908) пришел к аналогичному выводу об идентичности недавно открытых β-лучей (рентген), которые, как было показано, были  полностью сопоставимым с катодными лучами.

Таким образом, к концу девятнадцатого века электрон появился в различных теоретических и экспериментальных контекстах.

Открытие протона

Ученик Дж. Дж. Томсона, новозеландский физик Эрнест Резерфорд, считается ученым, открывшим протон. Он в начале XX века предложил планетарную модель строения атома, в которой основная масса находится в центре. К такой гипотезе Резерфорд пришел после анализа экспериментов, в которых ученые Ганс Гейгер и Эрнест Марсден бомбардировали альфа-частицами пластинку из золота.

В 1918 году Резерфорд провел самостоятельно эксперименты по взаимодействию альфа-частиц с азотом. В этих экспериментах ученый наблюдал испускание ядер атома водорода и пришел к заключению, что они являются «кирпичиками» для всех других ядер. Так Резерфорд открыл протон. Впоследствии было установлено, что ядерная масса значительно превосходила суммарную массу всех протонов атома, поэтому Резерфорд предположил, что в ядре атома существует еще некоторая тяжелая частица, не обладающая зарядом. Этой частицей стал нейтрон, который был открыт позже.

Область применения электричества

Сказать, что сегодня область применения электричества широка – это не сказать практически ничего. Пожалуй, сложно найти сферу, где электричество е применялось бы.

Конечно, самый очевидный и общедоступный способ применения электроэнергии, о котором знает даже ребенок, — это освещение. Эта система освещения получила свое распространение с изобретением ламп накаливания русским электротехником А.Н. Лодыгиным во второй половине XIX века. Первые лампы состояли из закрытого сосуда без кислорода и со стержнем из угля внутри. Замена свечного освещения на электрическое существенно повысило пожарную безопасность.

Сфера применения электричества не ограничивается освещением. Оно также широко применяется для передачи информации. Такие устройства, как телефоны, телеграф, радио и телевидение не смогли бы работать без электричества.

Все мы с детства знаем виды транспорта, работающие на электроэнергии – это трамваи, троллейбусы, поезда, в том числе и в метро. Из-за роста цен на бензин все большее распространение получается и частный электротранспорт, например, на Западе уже достаточно широко используются электромобили.

Электричество достаточно широко применяется в сфере отопления или охлаждения. Надо отметить, что электрическое отопление является достаточно дорогим и ресурсозатратным, поэтому в некоторых странах оно запрещено к применению. А вот системы конидиционирования воздуха, работающие с применением электроэнергии, используются практически повсеместно.

Работа бытовой и офисной техники также невозможна без электричества – это утюги, стиральные и посудомоечные машины, электроплиты, принтеры, сканеры и многое другое. Не смогут работать без электроэнергии и компьютеры и планшеты, без которых сложно представить современную жизнь. Ведь приходя домой вечером, мы обязательно ставим свой телефон или планшет на зарядку, которая происходит от электрической розетки.

Электроэнергия широко применяется для таких процессов, как производство и обработка материалов (без электричества не работали бы аппараты для сварки, сверления, резки).

Еще одной сферой, где сегодня достаточно широко применяется электричество, является медицина. Многие обследования и процедуры были бы невозможны без него (электрофорез, электрокардиограмма и многие другие).

Очень важным вопросом сегодня является генерация электроэнергии. Для этого создаются электростанции.Все большее распространение получают электростанции, работающие за счет природных явлений – солнца, ветра, приливов.

Благодаря существованию линий электропередач (ЛЭП) электроэнергию возможно передавать на очень большие расстояния. Это позволяет электрифицировать даже самые отдаленные уголки (хотя, стоит отметить, что по информации Всемирного банка, существует большое число стран, где электроэнергия практически не используется, больше миллиарда людей на Земле не пользуются электричеством. Но как правило, это представители достаточно отсталых стран, например, в Африке).

Для хранения электроэнергии применяются всем нам знакомые аккумуляторы и батареи. Сегодня их можно приобрести практически в любом магазине, в любой точке планеты.

Похожие материалы:

← Предыдущая страница

Следующая страница →

1 Комментарий Добавить свой

  1. Руслан

    Апрель 29, 2021 в 16:21

    познавательная статья, хочу добавить что кроме Лодыгина А.Н ещё освещением занимался Томас Эдисон по моему у него было кучу патентов на свой изобретения, и электрический патрон назван в честь него. Е — 14 ,27,40.

    Ответить

Атом и субатомные частицы

Материя Вселенной состоит из маленьких частиц, которые называются атомами. Эта концепция была выдвинута греческим математиком и философом Демокритом еще в V веке до нашей эры. С древнегреческого языка слово «атом» переводится как «неделимый». Ввиду технической невозможности проверить, что представляет собой атом, эта гипотеза существовала вплоть до XIX века, когда достижения науки и технологий позволили изучить атом более тщательно. Благодаря изучению атома в конце XIX века было установлено, что он не является элементарной единицей материи и состоит из более мелких частиц, которые были названы субатомными. К этим частицам принято относить электрон, протон и нейтрон, поскольку они образуют атомы всего вещества.

В настоящее время в вопросе изучения элементарных частиц наука продвинулась далеко вперед. Так, было установлено, что даже субатомные частицы тоже имеют свою внутреннюю структуру. Кроме того, существует так называемая антиматерия, образованная атомами, состоящими из античастиц, которые тоже являются субатомными. Тем не менее начало ядерной физики и ядерной истории человечества положило именно открытие электронов, протонов и нейтронов. Кто открыл эти субатомные частицы, рассматривается в этой статье.

Откуда берется электрический ток

Электричество, поступающее по проводам в дома, вырабатывается электрическим генератором на различных электростанциях. На них генератор соединён с постоянно вращающейся турбиной.

В конструкции генератора есть ротор – катушка, которая располагается между полюсами магнита. При вращении турбиной этого ротора в магнитном поле по законам физики появляется или наводится электрический ток. Таким образом назначение генератора – преобразовывать кинетическую силу вращения в электричество.

Заставить турбину крутиться можно многими способами, используя разнообразные источники энергии. Они разделяются на три вида:

  • Возобновляемые – энергия, получаемая из неисчерпаемых ресурсов: потоков воды, солнечного света, ветра, геотермальных источников и биотоплива;
  • Невозобновляемые – энергия, получаемая из ресурсов, которые возникают очень медленно, несоизмеримо с темпами расходования: уголь, нефть, торф, природный газ;
  • Ядерные – энергия, получаемая из процесса ядерного деления клеток.

Чаще всего электроэнергия возникает благодаря работе:

  • Гидроэлектростанций (ГЭС) – строятся на реках и используют силу водного потока;
  • Тепловых электростанций (ТЭС) – работают на тепловой энергии от сжигания топлива;
  • Атомные электростанции (АЭС) – работают на тепловой энергии, получаемой от процесса ядерной реакции.

Преобразованная энергия по проводам поступает в трансформаторные подстанции и распределительные устройства и уже потом доходит до конечного потребителя.

Сейчас активно развиваются так называемые альтернативные виды энергии. К ним относят ветрогенераторы, солнечные батареи, использование геотермальных источников и любые другие способы получить электроэнергию через необычные явления. Альтернативная энергетика сильно уступает по производительности и окупаемости традиционным источникам, но в определённых ситуациях помогают сэкономить и снизить нагрузку на основные электросети.

Также есть миф о существовании БТГ — бестопливных генераторов. В интернете есть ролики демонстрирующие их работу и предлагается их продажа. Но о достоверности этой информации идут большие споры.

Watch this video on YouTube

СМИ ПОН

Подлинная история советского «ограбления века». Дело братьев Калачян

В 1977 году в Армении произошло крупнейшее в истории СССР ограбление Госбанка.

Об ограблении денежных хранилищ Госбанка не думали даже матёрые уголовники. И тем не менее в 1977 году случилось немыслимое — злоумышленники покусились на святая святых советской финансовой системы.

Операция «Архив». Как Советский Союз окончательно избавился от Гитлера

На рубеже 1980–1990-х годов, когда в Восточной Европе произошло обрушение просоветских режимов, а Западная Германия поглотила Восточную, произошло резкое усиление позиций неонацистов.

На фоне ниспровержения социализма крайне правые силы пытались добиться хотя бы частичной реабилитации нацизма.

Непобедимая страна. 15 интересных фактов о Советском Союзе

30 декабря 1922 года на Первом Всесоюзном съезде Советов было утверждено образование Союза Советских Социалистических республик. Советский Союз занимал территорию площадью 22 400 000 квадратных километров, являясь самой большой страной на планете, имел самую протяжённую границу в мире (свыше 60 000 километров) и граничил с 14 государствами.

Великая душа. Жизнь и принципы Махатмы Ганди

Мохандас Карамчанд Ганди родился 2 октября 1869 года в индийском городе Порбандар в состоятельной семье из варны вайшьев. Маленький Мохандас, или Мохан, меньше всего напоминал философа, мыслителя и политика, идеи которого перевернут мир.

Продукт гуманизма. Как сердобольный дантист придумал «электрический стул»

6 августа 1890 года человечество вписало новую страницу в свою историю. Научно-технический прогресс добрался и до такого специфического рода деятельности, как исполнение смертных приговоров. В Соединённых Штатах Америки была проведена первая смертная казнь на «электрическом стуле».

Придуманный из гуманных соображений «электрический стул» оказался одним из самых жестоких способов смертной казни.

Теория одного электрона. Теория одноэлектронной Вселенной

Теория одноэлектронной Вселенной  —, в которой всеявляются одним электроном, находящимся попеременно в разных точках. Предпосылкой для создания гипотезы являлся принцип, то есть невозможность экспериментально различить два электрона. Основоположником гипотезы считается. Ввиду своей простоты гипотеза может быть сформулирована в рамках школьной программы по физике.

Формулировка

Рассмотрим для простоты двумерную Вселенную — одна ось пространства и одна ось времени. Вначертим произвольную кривую. Укажем направление обхода этой кривой. Выделим две части этой кривой: та часть, которая идёт вправо (синяя линия) и та часть, которая идёт влево (красная линия). Эти цвета соответствуют электрону и. Фрагментируем время: разделим ось времени на множество составляющих, при этом шаг разбиения может быть различным. Выберем на каждой полосе только одну составляющую кривой. Проделав всё это, мы имеем Вселенную, в которой в каждый момент времени всегда существует только один электрон, при этом может показаться что их несколько (на рисунке такое число достигает четырёх).

История создания

Фейнман пришёл к своей основной идее, когда он был студентом ввесной 1940 года, во время телефонного разговора со своим профессором физики. В речи при получении Нобелевской премии Фейнман следующим образом передаёт эту историю: «Фейнман, — сказал Уилер, — я знаю, почему все электроны обладают одним и тем же зарядом и одной и той же массой». «Почему?» — спросил Фейнман. «Потому, — ответил Уилер, — что все они являются одним и тем же электроном!»

В 1948 году Ричард Фейнман разработал математический подход к квантовой теории, в котором античастица рассматривалась как частица, движущаяся обратно во времени.

Проблемы теории

  • Электронейтральность Вселенной. По этой теории число электронов должно быть или равным числу позитронов или отличаться на единицу. Однако во Вселенной(вот почему, когда Уилер описал свою гипотезу, Фейнман сразу же спросил его: «Но, профессор, вокруг нас нет столько позитронов, сколько электронов». «Хорошо, — парировал Уилер, — может быть, они скрываются в протонах или ещё в чём-нибудь»).
  • Трудности при объяснении некоторых реакций элементарных частиц.
  • Достаточно создать одну пару электрон-позитрон, а потом их же аннигилировать, и тогда мировая линия электрона замкнется в кольцо, никак не связанное с мировой линией другого электрона, значит, электрон не один.