ÍT A M É 'jfcA W
„MALE (Ls.
im
KBI BLJ OTEKA I SKI ER
28. STANISŁAW MALEC
I HARCE ELEKTRONÓW 0
B 1 B L 1\0
Państwowego Li co o
,.«*■ n '
VV .
DZIEŁA POPULARNO-NAUKOWE I PODRÓŻNICZE.
2. Marcinowska J. W upalnem sercu W schodu. W rażenia z podróży po Egipcie, Indjach, Cejlonie i Jaw ie.
Z ilustracjam i.
3. Fabre J. H. Szkodniki. Pogadanki o ow adach szkodliwych. Z ilustr.
4. Fabre J. H. Nasi sprzym ierzeńcy.
P ogadanki o zwierzętach pożytecz nych. Z ilustracjam i.
10. Pisulińskt A. Szlakiem słonia afry kańskiego. W rażenia z podróży i po lowań w Afryce środkowej.
13. Sosnow ski Z. Życie w akw arjum . 18. Siem iradzki J. O czem mówią ka
mienie.
20. B ur decki F. Podróże międzyplane
tarne.
25. Burdeckl F. Budowa w szechśw iata.
26. Szafer W. Yellowstone. Kraj gorą
cych żródel i niedźwiedzi.
27. Fournler J. Cuda fizyki.
28. Malec St. H arce elektronów.
B I B L J O T E K A I S K I E R
B I B L J O T E K A I S K I E R E K POWIEŚCIOWA
I POPULARNO-NAUKOWA 1. Rogoszówna Z. D ziecinny dwór.
2. Haberkantówna W. Śm ietnik.
3. O ssendowski F. A . Życie i przygody małpki.
4. Vamba (LulglBerlelU). Cesarz mrówek.
5. Ossendow ski F. A. Mali zwycięzcy.
6. Górska H. O księciu Gotfrydzie.
CD«=>*C3KS»CD*CD*C3*CD4<=3K3SC3*C3*C3(
B I B L J O T E K A I S K I E R
STANISŁAW MALEC
HARCE ELEKTRONÓW
POPULARNY WYKŁAD
O FALACH ELEKTRYCZNYCH, O RADJOFONJI I TELEWIZJI
K S I Ą Ż N I C A - A T L A S
ZJEDNOCZONE ZAKŁADY KARTOORAF. I WYDAWNICZE TOW. NAUCZ. SZKÓŁ ŚREDN. I W., SP. AKC.
LWÓW — WARSZAWA
1 9 3 0
2234
Zakłady Graliczne Ski Ako. Ksiąinica-AUas -we Lwowie
{■' .. Ł y X?.
Słow o w stęp n e.
L
aik, zainteresowany istotą radjofonji, doznaje zwykle zawrotu głowy na widok gm atwaniny drutów, wypełniających skrzynkę aparatu radjowego. To też nic dziwnego, że pyta o książkę, któraby mu była przewodniczką w labiryncie połączeń, wyłączeń, tran s
formatorów, kondensatorów i t. d.
Celem tej książeczki jest właśnie zapoznanie czy
telnika z istotą radjotechniki. Treść książeczki ujęta jest w formę oddzielnych wykładów. Każdy wykład stanowi dla siebie odrębną całość, każdy jednak jest uzupełnieniem wykładów poprzednich. W ten sposób książeczka prowadzi czytelnika od fragm entu do frag
mentu, zapoznaje go kolejno z mechanizmem niewi
dzialnych zakłóceń elektromagnetycznych w m aterji i poza materją, z działaniem najważniejszych elemen
tów nadawczych i odbiorczych, z zadaniem podstawo
wych urządzeń kontrolnych i regulacyjnych, tudzież z częścią praktyczną, jako ilustracją poznanych zja
wisk i praw fizycznych.
Ażeby treść wykładu uczynić łatwiej zrozumiałą, posługuję się często porównaniem i analogją z zakresu mechaniki (w przeciwnym wypadku groziłyby te nie
szczęsne wzory!). Otóż zwracam uwagę czytelnika, że wszelkie przytoczone tu analogje i modele mecha-
Harce elektronów. 1
2 Słowo wstępne.
niczne mają tylko zadanie uwypuklić pewną stronę zjawiska elektrycznego. Mają one tylko wskazać, o co szczególnie w danem zagadnieniu chodzi, a nie pełnić rolę najwyższej instancji odwoławczej, bo świat i jego zjawiska nie są wyłącznie tylko mechaniką.
Niech mi będzie wolno złożyć serdeczne podzięko
wanie JWP. prof. dr. S. Pieńkowskiemu za łaskaw e przeczytanie rękopisu, jakoteż za udzielenie mi cen
nych rad i wskazówek.
Autor.
R o z d z i a ł I.
E lektryczność i prąd elek tryczn y.
Znamy bowiem tylko stany elektryczne ciał na- elektryzowanych, znamy przeróżne objawy, obserwo
wane u tych ciał, — ale poza tem nic więcej.
Nie przeszkadza to jednak mieć pewien sąd o n a
turze elektryczności — sąd, oparty na całym szeregu zjawisk, przemawiających za taką, a nie inną struk
tu rą elektryczności i jej stosunku do materji. Nie wdając się w analizę szeregu takich zjawisk fizycz
nych, jak dyfuzja, osmoza, elektroliza, promieniotwór
czość i t. d., i t. d., przytaczamy odrazu poglądy, jakie, dzięki badaniom powyższych zjawisk, obecnie w nauce panują.
Poglądy te są następujące:
Wszelkie ciała materjalne, a więc zarówno ciała stałe, jak płynne i lotne, składają się z drobniutkich, gołem okiem niedostrzegalnych cząsteczek, zwanych drobinami. Drobiny są zbudowane z jeszcze mniej
szych składników, zwanych atomami. Atomy w resz
cie są jakby zlepkiem czegoś, co nazywamy elektrycz
nością.
Drobiny różnych ciał składają się z różnych ilości atomów, przyczem drobiny pierwiastków (t. j. ciał nie dających się rozłożyć na składniki prostsze) są zbu
o to jest elektryczność? — Niewiadomo.
i*
4 Elektryczność i prąd elektryczny.
dowane z atomów tego samego rodzaju; drobiny zaś związków chemicznych składają się z atomów różnego gatunku, zależnie od natury danego związku. Tak np.
kropla wody składa się z miljardów drobin. Każdą jednak jej drobinę, czyli luźną cząsteczkę pary wodnej, tworzy trójka atomów (2 atomy wodoru i 1 atom tlenu), związanych ze sobą chemicznie w trudno rozerwalną całość. A skoro ją rozerwiemy, otrzymamy wówczas oddzielne atomy, z których każdy składa się z pewnej ilości bardzo malutkich cząsteczek, elektrycznie ujem nych i z pewnej reszty naelektryzowanej dodatnio.
Te m alutkie cząsteczki elektrycznie ujemne nazywamy elektronami, dodatnią zaś resztę jądrem atomu.
Nie wchodząc bliżej w budowę atomów, zwłaszcza w zagadkę jądra i zawiły sposób rozmieszczenia elek
tronów w atomie, nadmieniamy tylko ogólnie, że rdze
niem każdego atomu jest jego jądro, dokoła którego wiruje pewna ilość elektronów — podobnie jak pla
nety dokoła słońca. Całkowita ilość elektronów, zaw ar
tych w atomie, (t. j. łącznie z temi, które ewentualnie tkwią w jądrze), jest dla każdego pierw iastka inna.
O elektronach wiejny tylko tyle, że są to jakieś indywidua, które zachowują się tak, jakgdyby były to kuleczki materjalne, naelektryzowane ujemnie. Czem one są w istocie — tego nie wiemy. I stąd ta ostroż
ność w określaniu natury elektronów, uwarunkowana zastrzeżeniem „jakgdyby“ były one czemś materjal- nem. Zasadnicza bowiem różnica między elektronami a grudkami zwyczajnej m aterji polega chociażby na tem, że dwa, naw et najmniejsze ziarna materji, wza
jemnie się przyciągają (prawo grawitacji), podczas gdy dwa elektrony wzajemnie się odpychają. A że po
Elektryczność i prąd elektryczny. 5
mimo wzajemnego odpychania, utrzym ują się one bli
sko siebie w niewielkim obszarze atomu, to zasługa dodatniego jądra, które przyciąga je ku sobie. I w pa
dłyby one niechybnie do rdzenia atomu, gdyby zno- wuż nie siła odśrodkowa, która, dzięki niezmiernie szybkiemu krążeniu elektronów, utrzym uje je w odpo
wiednich od jądra odległościach. Atom jest więc sie
dliskiem sił wewnętrznych, utrzymujących cały układ w równowadze — przynajmniej tak długo, dopóki ja
kieś czynniki nie wywołają w nim kataklizmu.
Dodamy jeszcze, że w obrębie atomu jest znacznie więcej przestrzeni pustej, niż miejsc zajętych przez elektrony, względnie przez jądro atomu. Elektrony bowiem są bardzo małe w porównaniu z objętością atomu, a jądro także niewiele tam miejsca zabiera.
Gdybyśmy atom zwiększyli do rozmiarów zwyczajnej izby mieszkalnej, to wirujące elektrony wyglądałyby jak rój komarów, krążących z niesłychaną szybkością w obrębie całej izby dokoła jądra, jako punktu cen
tralnego. Porównanie to, aczkolwiek bardzo ogólni
kowe, daje nam przecież poczucie wielkości elektronu w stosunku do atomu. O rzeczywistej zaś wielkości elektronu możemy zdać sobie sprawę dopiero wtedy, gdy uwzględnimy, że nietylko atomy, ale i drobiny, złożone bądź co bądź z większej ilości atomów, nie mogą być dostrzeżone przez najsilniejsze naw et szkła powiększające. Dopiero liczniejsze skupienia drobin, np. ziarenka skrobi ziemniaczanej lub innych związków organicznych, można zobaczyć przy użyciu doskona
łych mikroskopów.
Najmniejszym ładunkiem elektrycznym jest nabój elektronu. Skoro zatem wszystkie ciała zawierają w so
6 Elektryczność i prąd elektryczny.
bie elektrony (i to w tak olbrzymich ilościach!), to należałoby oczekiwać, że wszystkie są zawsze naelek- tryzowane. Tymczasem — jak uczy doświadczenie — bynajmniej tak nie jest. Przeciwnie, wiadomo prze
cież każdemu, że naogół ciała nie są naelektryzowane.
Wyjątkowo tylko spotykam y się w przyrodzie z cia
łami naelektryzowanem i (np. chmury w czasie burzy), albo też wytwarzam y stany elektryczne w sposób sztuczny przy pomocy odpowiednich maszyn, ogniw elektrycznych i t. p.
Otóż taki stan rzeczy nietrudno wytłumaczyć.
W normalnych bowiem warunkach każdy atom zawiera w sobie dokładnie taką ilość elektronów, ile ich po
trzeba do zobojętnienia dodatniego ładunku jądra.
A skoro naboje elektronów neutralizują się całkowicie z ładunkiem jądra, to nazewnątrz atomu stan elek
tryczny wcale się nie objawia. Stąd i zespół atomów, czyto w postaci bryły czy w innej formie materji, jest w normalnych warunkach nazewnątrz elektrycz
nie obojętny.
Zanim przystąpim y do rozważania niektórych (po
trzebnych nam) zjawisk elektrycznych, wglądnijmy jeszcze pobieżnie do w nętrza ciał materjalnych, by poznać nietyle wzajemne wiązania atomów, względ
nie drobin, ile zachowanie się elektronów, a w szcze
gólności rolę, jaką one odgrywają w izolatorach i w przewodnikach elektrycznych.
Wiadomo, że izolatory nie przewodzą elektrycz
ności, podczas gdy metale są naogół znakomitemi jej przewodnikami. Pochodzi to stąd, że wewnętrzna bu
dowa różnych ciał jest różna.
Mianowicie izolatory czyli dielektryki odznaczają
Elektryczność i prąd elektryczny. 7
się tem, że elektrony, zaw arte w łonie poszczególnych atomów izolatora, są w nich jakby uwięzione. Pod działaniem więc sił zewnętrznych może tu nastąpić jedynie przesunięcie elektronów w obrębie ich macie
rzystych atomów. Elektrony bowiem są tutaj mocno trzym ane na uwięzi (są jakby przytwierdzone do ela
stycznych sprężynek), w skutek czego zakres swobody ich ruchów jest ograniczony. Najpospolitsze izolatory to szkło, porcelana, ebonit, jedwab, laki, oleje, powie
trze i t. d.
W metalach natom iast nie wszystkie elektrony są tak niewolniczo związane z atomami, jak w izolato
rach. Wśród elektronów, zawartych w metalu, znaj
duje się zawsze pewien odsetek t. zw. elektronów swobodnych, t. j. elektronów-koczowników, w ałęsają
cych się bezładnie pomiędzy atomami, odbijających się ciągle od atomów, to znowu w padających w ich orbity i t. d.
Z temi to elektronam i swobodnemi musimy się bliżej zapoznać.
Przedewszystkiem dla w yjaśnienia należy zazna
czyć, źe elektrony „swobodne“ to nie jakaś odrębna kasta bezdomnych wagabundów, czy może uprzywi
lejowanych wybrańców, różniących się czemkolwiek od innych „uwięzionych“ elektronów. Nie. One nie różnią się niczem od tamtych. One tylko na chwilę umknęły z więzów atomowych. Po chwili znaczna ich część wpadnie zpowrotem w sidła atomów, a na ich miejsce wymkną się inne, dotychczas uwięzione, by zażyć również krótkotrwałej swobody. Rezultat jest taki, że pewien odsetek całkowitej ilości elektronów, zawartych w metalu, jest ciągle w stanie wolnym —
8 Elektryczność i prąd elektryczny.
podobnie, jak pewien przeciętny odsetek ludności w kraju znajduje się stale w podróży, co bynajmniej nie oznacza, że to te same osoby stale podróżują.
Następnie zwracamy uwagę, że naboje elektronów swobodnych są zobojętnione dodatniemi nabojami ato
mów, wzgl. jąder atomowych. Z tego powodu metal, pomimo wewnętrznego chaosu, nie wykazuje w nor
malnych warunkach żadnych zewnętrznych objawów elektrycznych.
Dalej ruchy, wzgl. drgania elektronów swobodnych, są niezm iernie drobne i niesłychanie szybkie (szyb
kość ta wzmaga się ze wzrostem tem peratury ciała).
Stąd bezustanne potykanie się o atomy, odbijanie się od nich jako od przeszkód i t. d. W czasie takiego chaotycznego ruchu przebiegają elektrony także przez strefy neutralne, t. j. przez takie miejsca pomiędzy atomami, gdzie siły przyciągające, wywierane przez sąsiednie atomy, wzajemnie się równoważą. W tych właśnie momentach są te elektrony najbardziej „swo
bodne“ i jako takie są łatwo podatne na działanie ewentualnej siły zewnętrznej (utworzą prąd elek
tryczny), a naw et — jak niebawem zobaczymy — mogą z metalu wyskoczyć (emisja elektronów w lampce ka
todowej).
Naogół elektrony swobodne, zaw arte w metalach, zachowują się podobnie, jak gazy zamknięte w na
czyniach.
Ustawmy przeto obok siebie dwa balony A i B (ryc. 1), wypełnione powietrzem i połączone ze sobą rurką, zaopatrzoną w zawór W. Obracając zaworem w prawo lub w lewo, możemy otwierać wzgl. zamy
kać wzajemną komunikację między balonami.
Elektryczność i prąd elektryczny. 9
Przenieśmy w jakikolwiek sposób część powie
trza z balonu A do B i zamknijmy zawór W. Każdy rozumie, że dotychczasowy, naturalny stan równowagi powietrza został teraz zaburzony. Powietrze w ba
lonie A jest obecnie
stość zaś powietrza zawartego w B jest
Większa od gęstości Ryc. 1. Dwa zbiorniki powietrza połą-
tego balon A jest na
ciskany silniej od zewnątrz niż od wewnątrz, pod
czas gdy w balonie B zachodzi zjawisko odwrotne.
O ile prężność powietrza atmosferycznego przyj
miemy za normalną, to prężności powietrza zawartego w obu balonach są już nienormalne. Możemy powie
dzieć, że te trzy partje powietrza (t. j. atmosferyczne i w obu balonach) pozostają względem siebie w sta
nie pewnego napięcia. W naszym przykładzie najw ięk
sza różnica napięć panuje między balonami A i B ; mniejsza między atmosferą a każdym z balonów od
dzielnie. Zostawmy na chwilę balony w tym stanie i wróćmy do elektronów.
Nazwijmy całkowitą ilość elektronów, przypadają
cych w normalnych warunkach na każdy centym etr sześcienny jakiegoś metalu, normalnem stężeniem elek
tronów danego metalu. Stężenie to jest wprawdzie dla każdego metalu inne, ale — jak wiemy — nie wy
wołuje ono żadnych zewnętrznych objawów elektrycz
nych, gdyż odpowiada mu zawsze równoważna ilość dodatnich nabojów jąder atomowych.
rzadsze od powietrza atmosferycznego, gę-
atmosfery. W skutek czone rurą.
10 Elektryczność i prąd elektryczny.
Odbierzmy jednak jakiemuś przewodnikowi część jego elektronów i umieśćmy je na innym przewod
niku. Oba te przewodniki (oczywiście izolowane od siebie i od ziemi) znajdą się wówczas w stanie elek
trycznie nienormalnym tak względem siebie, jak i wzglę
dem ciał innych z otoczenia. Oba więc będą wykazy
wały stan napięcia elektrycznego, ale napięcia te będą po
siadały przeciwne dążności.
O ciałach z nad
miarem elektronów mówimy, źe są nae- lektryzowane ujem
nie, z niedoborem — dodatnio. Zarówno nadmiar, jak i nie
dobór elektronów nazywamy nabojem albo ładunkiem elektrycznym danego ciała. Im większy będzie nabój przewodnika, tern większe będzie jego napięcie elek
tryczne. Stan napięcia elektrycznego jest oczywiście stanem wymuszonym, od którego ciało usiłuje się uwolnić.
Niech figury A i B (ryc. 2) oznaczają dwie, róż- noimiennie naelektryzowane kule metalowe, które za chwilę połączymy nienaelektryzowanym prętem m eta
lowym c d. Część elektronów, odebranych kuli A, zo
stała tu przeniesiona na kulę B. Puste kółeczka na fig. A oznaczają właśnie niedobór elektronów, nume
rowane kuleczki od 1 do 5 oznaczają nadm iar elek
tronów na B, kuleczki zaś od 6 do 14 to elektrony
Ryc. 2. Kula A naelektryzowana do
datnio (brak jej elektronów), kula B ujemnie (posiada nadmiar elektronów).
Pręt c d nienaelektryzowany.
Elektryczność i prąd elektryczny. 11
swobodne, zaw arte w pręcie cd. (Na rysunku operu
jemy dla przejrzystości tylko garstką elektronów;
w rzeczywistości mamy zazwyczaj do czynienia z ko- losalnemi ich ilościami, zwłaszcza w tak pospolitych zjawiskach życia codziennego, jak świecenie żarówki elektrycznej, jazda tramwajem i t. p.).
Łącząc obie te kule prętem, powodujemy ich roz
brojenie, czyli wyładowanie elektryczne. Mechanizm takiego rozbrojenia jest następujący: Nadmiar elektro
nów, spływających z kuli B do pręta cd, uderza w ko
lumnę zawartych w nim elektronów swobodnych i po
pycha ją naprzód przed sobą. W skutek tego czoło kolumny wpada do kuli A, zapełniając jej luki odpo
wiednią ilością swoich elektronów. Efekt końcowy jest taki, jakgdyby wymiana elektronów nastąpiła jedynie między kulami A i B — bez współudziału pręta cd.
W ten sposób napięcia elektryczne na obu kulach zo
stają wyrównane.
Przebieg tego zjawiska zależy od wielkości oporu przewodnika cd. (Wpływ innych czynników, t. j. po
jemność i samoindukcję omówimy później). Mianowi
cie każdy przewodnik stawia ruchowi elektronów pe
wien większy lub mniejszy opór, zależnie od rozmia
rów przewodnika i od materjału, z jakiego jest on wykonany. Np. srebro jest lepszym przewodnikiem elektryczności niż miedź, cynk lepszym niż żelazo, lecz gorszym od miedzi i t. d. Niema naw et ostrej granicy pomiędzy przewodnikami a izolatorami, t. zn. naw et ciała najlepiej izolujące są mimo to bardzo słabemi przewodnikami i naodwrót, naw et najlepsze przewod
niki staw iają ruchowi elektryczności zawsze pewien opór.
12 Elektryczność i prąd elektryczny.
Zależnie tedy od wielkości oporu przewodnika cd, wyładowanie może się odbywać zasadniczo w dwo
jaki sposób, a to:
1) jeżeli opór przewodnika jest dostatecznie wielki, to wyrównanie napięć elektrycznych następuje bezpo
średnio po ustąpieniu nadwyżki elektronów z kuli B (wzgl. po zapełnieniu luk na kuli A ), poczem równo
waga elektryczna utrzymuje się już trw ale;
2) jeżeli natomiast opór przewodnika jest mały, to ostateczna równowaga układu nie następuje bynaj
mniej już po pierwszym marszu kolumny elektronów w kierunku od B do A. Rozpędzone bowiem elek
trony posuwają się jeszcze czas jakiś naprzód i wpa
dają do kuli A w nadmiarze (na kuli B równocześnie ich ubywa), wskutek czego pow staje nowa różnica napięć elektrycznych o charakterze przeciwnym, niż poprzednio. Prawda, że nadwyżka elektronów, wtło
czonych obecnie na kulę A, jest już nieco mniejsza, niż była poprzednio na B, niemniej jednak zjawisko wyładowania powtórzy się znowu, lecz w kierunku odwrotnym. W ten sposób strumień elektronów będzie się poruszał naprzemian tam i napowrót; wahania jego będą coraz słabsze, aż wkońcu całkiem ustaną.
Takie perjodyczne wahania strumienia elektronów nazywamy drganiami elektrycznemi. Powstają one dzięki pojawianiu się pewnego czynnika, o którym będzie jeszcze mowa w rozdziałach następnych (sa- moindukcja). Na tern zaś miejscu ograniczamy się tylko do wzmianki, że częstość drgań elektrycznych można zmieniać i dowolnie regulować (przynajmniej w pew
nych granicach). Nadto dodamy jeszcze, że dla każ
dego układu można zgóry wyliczyć wielkość tego „gra
Elektryczność i prąd elektryczny. 13
nicznego“ już oporu, przy którym drgania elektryczne powstaćby nie mogły.
Analogicznie zresztą zachowywałoby się powietrze w balonach A i B (ryc. 1) po otwarciu zaworu W. Za
leżnie mianowicie od rodzaju rury, łączącej oba balony, przebieg zjawiska mógłby być dwojaki:
1) gdyby rurka stawiała prądowi powietrza wielki opór (co można uskutecznić przez dobór rurki dosta
tecznie długiej a cienkiej, albo przez pozostawienie malutkiej tylko szczeliny przy niezupełnie domkniętym zaworze W), to przepływ powietrza odbywałby się powoli w jednym tylko kierunku, aż do zupełnego wyrównania prężności;
2) gdyby jednak rurka była krótka i o wielkim prze
kroju, to rozpędzone cząstki powietrza wpadłyby naj
pierw w nadm iarze do balonu A, wywołując w nim zwyżkę prężności, poczem cofnęłyby się napowrót i t. d.
Równowaga nastąpiłaby dopiero po dłuższej serji co
raz to słabszych w ahań powietrza.
Poruszającą się elektryczność nazywamy prądem elektrycznym. Niezbędnym warunkiem powstawania prądów jest istnienie różnicy napięć elektrycznych.
Opisane wyżej zjawisko rozbrojenia, czyli wyładowa
nia elektrycznego, jest przykładem prądu krótkotrw a
łego, wzgl. całej serji prądów krótkotrwałych, prze
pływających kolejno w przeciwnych kierunkach.
W jaki jednak sposób możnaby zmusić elektrony do marszu w jednym i tym samym kierunku przez czas nieograniczenie długi — na wzór np. prądu wody, płynącego w rzece w jednym kierunku bezustannie?
Odpowiedź na to prosta: Należałoby utrzymywać bezustannie różnicę napięć elektrycznych.
14 Elektryczność i prąd elektryczny.
Wszak gdybyśmy chcieli, ażeby strumień powietrza płynął przez rurkę (ryc. 1) w jednym tylko kierunku przez czas nieograniczenie długi, to należałoby odbie
rać bezustannie w jakiś sposób część powietrza z ba
lonu A I wtłaczać je napowrót do ba
lonu B. Funkcję tę mógłby spełniać mo
torek M (ryc. 3), zaopatrzony w od
powiednie wiatraki oraz przewody p x i pt . W ten sposób, dzięki ssąco - tłoczą
cemu działaniu mo
torka, byłaby utrzy
m ana stała różnica prężności, a prąd powietrza pły
nąłby bez przerwy. (Kierunek prądu wskazują strzałki).
Obracając wiatrakami motoru w kierunku przeciw
nym, odwrócilibyśmy także kierunek prądu.
W analogiczny sposób zachowywałyby się elektrony w przewodniku cd, gdybyśmy oba jego końce (wzgl.
kule A i B) połączyli z biegunami ogniwa elektrycz
nego. Działanie bowiem ogniw polega właśnie na pod
trzymywaniu trwałej różnicy napięć elektrycznych.
Ogniwo takie byłoby tutaj — podobnie jak motor M na ryc. 3 — źródłem owej siły, która odbiera bez
ustannie część elektronów z jednego końca przewod
nika cc? i wtłacza je przem ocą na drugi jego koniec.
Nie bez słuszności przeto nadano tej sile miano siły elektromotorycznej (nazywają ją także siłą elektro- bodźczą).
Ryc. 3. Motor M podtrzymuje stały prąd powietrza.
Istnieją różne źródła siły elektromotorycznej, np.
różne typy ogniw, akumulatory, dynamomaszyny i t. d.
Wielkość siły elektromotorycznej zależy od rodzaju źródła. Np. duża dynamomaszyna może dostarczać siły elektromotorycznej kilka tysięcy razy większej, niż ogniwo elektryczne. Można jednak zestawić więk
szą ilość ogniw w t. zw. baterję elektryczną i uzyskać w ten sposób źródło dostatecznie wielkiej siły elek
tromotorycznej. Należy je tylko odpowiednio ze sobą połączyć, a mianowicie szeregowo. Sposób takiego po
łączenia wskazuje ryc. 4 a, gdzie — jak widać —■ do
datni biegun jednego ogniwa jest połączony z biegu
nem ujemnym ogniwa następnego i t. d. W skutek tego w obwodzie prądu z baterją szeregową elektrony prze
chodzą kolejno przez każde ogniwo, a mechanizm prądu jest następujący:
Elektrony, rozpędzone siłą elekromotoryczną pierw
szego ogniwa, w padają do ogniwa drugiego; tu do
znają ponownego pchnięcia w kierunku posiadanego już ruchu, wskutek czego rozpędzają się jeszcze wię
cej i t. d. Rezultat jest taki, że siła elek
tromotoryczna całej baterji jest tyle razy większa od siły jedne
go ogniwa, ile ogniw wchodzi w skład ba
terji.
Należy jednak pa
miętać, że każde ogni
wo, aczkolwiek sa- ’ . . D Ryc. 4. Ogniwa elektryczne połączone:. .
m o ]6 S t ź r ó d ł e m s i ł y a — szeregowo, b — równolegle.
Elektryczność i prąd elektryczny. 15
16 Elektryczność i prąd elektryczny.
elektromotorycznej, stawia mimo to pewien opór ru
chowi elektronów — podobnie, jak motorek z w iatra
kami (ryc. 3) stawia prądowi powietrza pewien nie
unikniony opór pomimo, że dzięki działaniu motorka ten prąd w przewodach istnieje.
A zatem prąd elektryczny, przechodząc przez sze
reg ogniw połączonych szeregowo, ma też do poko
nania znaczny opór, stawiany przez całą baterję. Mia
nowicie opór baterji jest w tym wypadku tyle razy większy od oporu jednego ogniwa, ile jest ogniw w ba
terji. Opór, stawiany prądowi przez samo źródło siły elektromotorycznej, nazywamy oporem wewnętrznym, w przeciwieństwie do oporu zewnętrznego, jaki sta
wiają przewodniki zwyczajne, zamykające obwód prądu.
Odmiennie przedstawia się sprawa przy t. zw. rów- noległem połączeniu ogniw (ryc. 4 b). Baterja w ten sposób zestawiona daje wprawdzie siłę elektromoto
ryczną tej samej wielkości, co jedno ogniwo elek
tryczne, ale jej opór wewnętrzny jest tyle razy mniej
szy od oporu jednego ogniwa, ile jest ogniw w bate
rji. Możnaby więc ją zastąpić ogniwem pojedyńczem o dostatecznie wielkich rozmiarach.
Zależnie od tego, czy ilość elektryczności, przepły
wającej w pewnym określonym czasie przez każdy przekrój przewodnika, jest mała czy wielka, mówimy, że prąd jest słaby, wzgl. silny. Ten stosunek ilości elektryczności do czasu, w jakim ona przepływa przez przekrój przewodnika, nazywamy natężeniem prądu.
Natężenie prądu jest tern większe, im większa jest siła elektromotoryczna, oraz im mniejszy opór prze
wodnika. Opór zaś przewodnika zależy od długości,
Elektryczność i prąd elektryczny. 17
od przekroju i od rodzaju materjału, z jakiego prze
wodnik został wykonany.
W obwodzie zamkniętym, zawierającym stałą siłę elektromotoryczną i stały opór, natężenie prądu po
siada również pewną stałą wartość. Chcąc to natęże
nie zmieniać (np. regulować żarzenie włókna lampki elektronowej wradjoodbiorniku), włączamy do obwodu prądu odpowiedni opornik. Opornik taki składa się zazwyczaj z drutu, wykonanego z gorszego przewod
nika elektryczności i — dla zaoszczędzenia miejsca — zwiniętego zwykle w spiralę, po której przesuwa się metalowa rączka. Przez przesuwanie (albo obracanie) rączki w jednym lub drugim kierunku, włączamy wzgl.
wyłączamy z obwodu odpowiednią ilość drutu oporo
wego, wskutek czego natężenie prądu doznaje zmiany.
W obwodzie o stałym oporze zmiany natężenia prądu mogą odbywać się jedynie pod działaniem zmien
nej siły elektromotorycznej. O ile siła elektromoto
ryczna zmienia się przytem perjodycznie i to zarówno pod względem wielkości jak i kierunku, to w obwo
dzie powstaje wówczas prąd zm ienny.
Jeżeli zaś zmienia się tylko wielkość siły elektro
motorycznej (nie kierunek) albo, jeżeli — przy stałej sile elektromotorycznej — zmienia się ustawicznie opór obwodu (co ma np. miejsce w obwodzie z mi
krofonem), to prąd, powstający w takim obwodzie, płynie wprawdzie ciągle w tym samym kierunku, lecz jego natężenie jest co chwila inne. Prąd taki nazywa
się pulsującym.
H arce elektronów . 2
18 Pole elektryczne.
R o z d z i a ł II.
P o le elek tr y czn e.
Każde ciało naelektryzowane zmienia własności otaczającej je przestrzeni. W przestrzeni bowiem, roz
taczającej się dokoła ciała naelektryzowanego w ystę
pują pewne znamienne cechy fizyczne, jakich nie po
siada przestrzeń zwyczajna, t. j. przestrzeń elektrycz
nie obojętna. Dlatego obszar, roztaczający się dokoła ciała naelektryzowanego, nazywamy polem elek- trycz nem.
Jakież są objawy pola elektrycznego?
Odpowiedź na to pytanie znajdujemy w następują- cem doświadczeniu:
Zawieśmy wpobliżu naelektryzowanej dodatnio kuli metalowej m alutkie wahadełko elektryczne, naelektry
zowane również dodatnio. W ahadełkiem elektrycznem nazywamy małą i lekką kuleczkę, zawieszoną na izo
lującej nitce (np. jedwabnej).
Zastrzeżenie, ażeby kuleczka w ahadełka była „m ała“
nie jest bez znaczenia. Chodzi bowiem o możliwość dokładnego zbadania ustroju pola, wytworzonego przez nabój kuli, a w szczególności o zbadanie sposobu roz
mieszczenia sił elektrycznych w polu, o zmierzenie wielkości tych sił w poszczególnych miejscach pola, o wykrycie kierunków ich działania i i. d. Tymczasem zbyt wielki nabój, umieszczony na kuleczce wahadełka, wytwarzałby także ze swej strony dość silne „własne“
pole elektryczne, które łącznie z polem pierwotnem, pochodzącem od naboju kuli, składałoby się na jakieś nowe pole wypadkowe. Dlatego nabój kuleczki, jako
Pole elektryczne. 19
nabój li tylko kontrolny, powinien być tak mały, ażeby swoją obecnością nie zakłócał właściwej struk
tury pola badanego. Najidealniejszą taką kuleczką byłby pojedynczy atom, naelektryzow any dodatnio, t. zn. pozbawiony np. jednego ze swoich elektronów.
Otóż po umieszczeniu takiego w ahadełka wpobliżu naszej kuli stwierdzilibyśmy, że ono odchyla się ze swego normalnego położenia równowagi, oddalając się od kuli, czyli, że jest przez nią odpychane. Gdyby wahadełko było naelektryzowane ujemnie, to odchyli
łoby się w stronę kuli, co dowodzi, że byłoby wów
czas przyciągane. Umieszczając wahadełko w coraz to innych odległościach od kuli, przekonalibyśmy się, że siła przyciągająca (wzgl. odpychająca) jest w różnych miejscach pola różna. Mianowicie ta sam a kuleczka, umieszczona w odległości większej od kuli, jest przy
ciągana znacznie słabiej, niż z odległości mniejszej.
Po przecięciu nitki w ahadełka kuleczka zaczęłaby oddalać się od kuli (wzgl., o ile naelektryzowana ujemnie, zaczęłaby się zbliżać) ze zmieniającą się ciągle szyb
kością po pewnym, naogół krzywym torze, którego kształt zależałby od obecności i sposobu rozmieszcze
nia najbliższych przewodników w otoczeniu. Gdyby takowych wcale nie było, wzgl. wprawdzie były, ale od kuli nieskończenie daleko, to tor kuleczki byłby prostolinijny w postaci promienia, biegnącego od kuli do nieskończoności.
Jak widać z powyższego, pole elektryczne jest sie
dliskiem dziwnych i tajemniczych sił, zdolnych do wprawiania w ruch wprowadzonych tam ciał m ate
rialnych. Siły te są rozmieszczone we wszystkich punk
tach na obszarze całego pola i skierowane w szcze-
2*
20 Pole elektryczne.
gólny sposób w odpowiednie strony. Siły te możemy dokładnie zbadać, t. zn. zmierzyć ich wielkości i wy
znaczyć ich kierunki. Dowiemy się także niebawem, źe siły te mogą w pewnych warunkach ulegać perio
dycznym zmianom, t. j. mogą naprzemian pojawiać się i zanikać, mogą zmieniać kierunki swojego działania i t. d.
Celem zmierzenia wielkości siły, działającej w pewr- nem miejscu pola na umieszczone tamże Wahadełko elektryczne, można posłużyć się całym szeregiem róż
nych zabiegów fizycznych, jak np. przytrzym anie od
pychanej kuleczki w miejscu zapomocą dostatecznie czułej wagi sprężynowej i t. p. Zwracamy jednak uwagę, że wielkość tej siły zależy nietylko od wiel
kości naboju (kuli) wytwarzającego pole i od odle
głości między wahadełkiem a kulą, ale również i od wielkości naboju wahadełka. Mianowicie z pośród kilku wahadełek o różnych nabojach, wprowadzanych kolejno w jedno i to samo miejsce pola, najsilniej będzie odpychane to wahadełko, które posiada naj
większy nabój elektryczny. I naodwrót, w ahadełka te możnaby rozmieścić w różnych, lecz tak dobranych miejscach pola, że każde z nich byłoby odpychane (przyciągane) z taką sam ą siłą.
Doświadczenie wykazuje, że odpychanie, wzgl.
przyciąganie wahadełka, umieszczonego w pewnem miejscu pola, w zrasta w stosunku prostym do wielkości naboju wahadełka, czyli ile razy większy jest nabój kuleczki, tyle razy silniej jest ona odpychana (przy
ciągana). W ynika z tego, że chcąc scharakteryzować stan elektryczny, panujący w któremkolwiek miejscu pola, należy podać nietylko wielkość zmierzonej tamże
Pole elektryczne. 21
siły, ale i wielkość naboju kontrolnego, na który ta siła działała. Stosunek tych dwóch wielkości, a mia
nowicie stosunek siły działającej w pewnym punkcie pola na nabój tamże umieszczony do wielkości tego naboju nazywamy natężeniem pola elektrycznego w danym jego punkcie.
Kierunki działania sił elektrycznych, rozmieszczo
nych w poszczególnych punktach pola, możnaby wy
znaczyć przez wprowadzanie naelektryzowanej kuleczki w coraz to inne miejsca pola
i obserwowanie torów, po których ona zacznie się po
ruszać. O wiele jednak pla
styczniej możemy je uwi
docznić w sposób, przedsta
wiony n a ryc. 5. Oto w du-
żem naczyniu szklanem, wy- Ryc' 6’ | f £ S ! sił elek' pełnionem jakimkolwiek pły
nem izolującym (np. oliwa, płynna parafina i t. p.), zanurzone są dwie kule, z których^L jest naelektryzo- wana dodatnio, zaś B ujemnie. Drobne strzępy tkaniny jedwabnej, wrzucone do płynu, układają się w pęki charakterystycznych linij, które są właśnie wskaźni
kami kierunków sił elektrycznych w polu. Linje te na
zywamy linjami sił elektrycznych.
Linjom sił elektrycznych, które — jak widać na rycinie — tkwią swojemi końcami w ciałach A i B, przypisujem y pewien zwrot czyli kierunek biegu, a mia
nowicie ten kierunek, w którym poruszałaby się na- elektryzowana dodatnio kuleczka kontrolna, gdybyśmy ją wprowadzili w rozważane miejsce pola (na ryc. od ciała A do B). Nadto po stopniu skupienia tych linij
22 Pole elektryczne.
możemy także rozpoznać wielkość natężenia pola, w któremkolwiek jego miejscu.
Jak widać, linje te są jakby mapą, zapomocą któ
rej można wskazać obszar objęty polem elektrycznem i scharakteryzować zasadnicze jego własności. Dlatego celem ożywienia opisu różnorodnych zmian stanów elektrycznych (i magnetycznych), zachodzących w prze
strzeni, będziemy się niemi często posługiwali. Zwła
szcza takie określenia, jak „w ytrysk“ linij sił z od
powiednich źródeł pola (zam iast: pojawienie się pola),
„posuwanie się“ tychże linij w pewnych kierunkach przestrzeni (zam iast: rozprzestrzenianie się pola), ich
„zagęszczenie“ w odpowiednich miejscach pola (za
miast: natężenie pola) i t. p. m ają zadanie roztoczyć przed oczyma czytelnika plastyczny obraz, a raczej film pola elektrycznego (i magnetycznego), we wszyst
kich stadjach jego istnienia w przestrzeni i w czasie.
Analogiczną zresztą „m apę“, napiętnowaną odpo- wiedniemi „linjami“, możnaby wprowadzić także w dzie
dziny innych zjawisk. Tak np. mówimy o promieniach świetlnych, wysyłanych przez słońce, przez świecę, przez żarzące się ciała i t. p. Ilości tych promieni po
liczyć niepodobna. Jednakże operowanie różnemi ilo
ściami promieni świetlnych jest bardzo wygodne, szczególnie w celach porównawczych. Oto na rycinie 6 (a, b, c) przedstawione są trzy świecące się żarówki elektryczne, każda o innej sile światła. Z żarówki pierwszej wykreślono 16 promieni, z drugiej 25, z trze
ciej 32, co daje nam do zrozumienia, że każda na
stępna żarówka świeci jaśniej od swojej poprzedniczki.
Kierunki tych promieni są zgodne z kierunkiem roz
chodzenia się światła. Jeśli do tego umówimy się, że
Pole elektryczne. 23
ilość promieni, wykreślonych z poszczególnych żaró
wek, odpowiada blaskowi światła, t. j. ilości świec, reprezentowanych przez każdą żarówkę, to z „mapy“
takiej można odrazu wyczytać, że żarówki te posia-
Ryc. 6. Trzy żarówki o różnej sile światła.
dają kolejno siłę 16, 25 i 32 świec, że natężenie światła w pewnem miejscu przestrzeni jest np. tyle a tyle razy większe, niż w innem miejscu i t. d.
Rozważymy teraz zachowanie się przewodnika nienaelektryzowanego, umieszczonego w polu elek- trycznem.
Umieśćmy taki nienaelektryzowany przewodnik me
talowy wpobliżu naelektryzowanej ujemnie kuli’ A (ryc. 7). Elektrony swobodne, zaw arte w przewodniku i wprowadzone wraz z nim w pole elektryczne, to
O
Ryc. 7. Przewodnik w polu elektrycznem.
jakby kuleczki kontrolne, naelektryzowane ujemnie i wystawione na działanie pola, zaś część przestrzeni, zajęta przez przewodnik, to jakby pieczara wyżłobiona w polu, w obrębie której mogą się one „swobodnie“
2 4 Pole elektryczne.
poruszać. Pędzone więc siłami elektrycznemi poła zaczną się gromadzić na najdalszym końcu przewod
nika (bo są odpychane), w skutek czego oba końce przewodnika zostają naelektryzow ane; koniec bliższy ciała A — dodatnio, dalszy — ujemnie. Ilość elektro
nów, zagęszczonych na dalszym końcu przewodnika, zależy od natężenia pola w miejscu, gdzie znajduje się ten przewodnik. Oczywiście elektrony, stłoczone w nadmiarze na jednym końcu przewodnika, są tam utrzymywane przemocą działaniem pola elektrycznego.
To też po zniszczeniu pola, wzgl. po usunięciu prze
wodnika z pola, powrócą one napowrót do stanu stę
żenia normalnego.
Obszary, zajęte przez metale i wogóle przez prze
wodniki elektryczności, to jakby luki wydrążone w polu, na których uryw ają się linje sił elektrycznych. Na
„mapie“ pola przedstaw iają się one, jako pustkowia, w obrębie których niema zupełnie linij sił elektrycznych.
Siedliskiem pola może być tylko izolator, wzgl.
próżnia, która jest najdoskonalszym izolatorem. Mo
żemy powiedzieć, że linje sił elektrycznych przecho
dzą przez izolatory tak, jak przechodzą promienie świetlne przez ciała przezroczyste. Izolatory wywie
rają tylko swojemi wewnętrznemi własnościami pe
wien wpływ na przebieg zjawisk elektrycznych (i ma
gnetycznych) — podobnie jak ciała przezroczyste wpły
w ają w pewien sposób na przebieg zjawisk świetlnych (np. powodują załam anie promieni świetlnych i t. p.).
Istotne cechy fizyczne, występujące w przestrzeni, objętej polem elektrycznem, to pewne ciśnienia i na
pięcia natury elektrycznej, o których nic więcej po
wiedzieć nie możemy, jak tylko tyle, że one rzeczy
Pole elektryczne. 25
wiście są i że w tych a tych miejscach tak a tak dzia
łają. Jakie jest podłoże tych ciśnień i napięć, trudno coś o tem powiedzieć. Trudno, bo w ystępują one także w absolutnej próżni, gdzie niema ani cząstki zwy
czajnej materji. Należy więc zadowolić się stw ierdze
niem faktu, że stan elektryczny może się objawiać nietylko w ciałach materjalnych, ale i w przestrzeni pustej. Komu zaś to nie wystarcza, niech sobie wy
obrazi próżnię, jako przestrzeń wypełnioną czemś nie- m aterjalnem i zmysłami nieuchwytnem, lecz zdolnem do pośredniczenia w przenoszeniu zjawisk elektrycz
nych (eter kosmiczny).
Nasuwa się jeszcze pytanie, jak daleko sięga pole elektryczne, stworzone przez jakiś nabój.
Zamiast odpowiedzi na to pytanie, rozważmy naj
pierw, cobyśmy odpowiedzieli, gdyby nas zapytano, jak daleko sięgają promienie światła. Otóż wiadomo, że promienie świetlne rozchodzą się w nieskończo
ność. Jednakże w praktyce spraw a przedstaw ia się inaczej. W praktyce bowiem chodzi o możność wyzy
skania tych promieni (np. szyć, czytać, pisać przy lampie) albo przynajmniej o stwierdzenie, że one rze
czywiście do naszego oka dochodzą (np. widzieć b ar
dzo odległą gwiazdę).
Tak samo ma się rzecz z polem elektrycznem. Za
sadniczo sięga ono do nieskończoności. Praktycznie jednak zasiąg pola ogranicza się do pewnej przestrzeni skończonej, w obrębie której zdołamy jeszcze w jaki
kolwiek sposób stwierdzić jego istnienie. Zależy to oczywiście zarówno od wielkości naboju, wytwarza
jącego pole, jak i od czułości przyrządów kontrolnych, służących do wykrycia pola. W miarę udoskonalania
26 Pole magnetyczne.
przyrządów kontrolnych, możemy wykrywać istnienie pola w coraz to większych odległościach od jego źródła.
Takie przyrządy kontrolne nazywamy ogólnie dete
ktorami. Najprostszym detektorem jest wahadełko elek
tryczne. Jednakowoż naw et najlepiej wykonane w aha
dełko jest niesłychanie lichym przyrządem kontrolnym w porównaniu z najnowszym detektorem o nadzwy
czajnej czułości, t. j. z lam pką katodową.
R o z d z i a ł III.
P o le m agn etyczn e.
Każdemu wiadomo, że magnes przyciąga gwoździe, druty, kawałki niektórych metali i t. p.
Spróbujmy włożyć magnes do pudełka z gwoździ
kami mosiężnemi, a okaże się, że magnes mosiądzu nie przyciąga. Spróbujmy przykładać do magnesu różne monety metalowe, a zobaczymy, że tylko mo
nety niklowe zostaną przez magnes przyciągnięte.
Wogóle stwierdzono, że magnes przyciąga tylko nie
liczne metale (żelazo, stal, nikiel, kobalt).
Dotknijmy magnesem najpierw żelaznego haka, wykutego przez kowala, a potem ostrza scyzoryka lub igły krawieckiej. Przekonamy się, że igła, scyzoryk i wogóle przedmioty stalowe, raz jeden nam agneso
wane, stają się same magnesami trwałemi. Natomiast hak, wykonany z żelaza kutego lub jakikolwiek inny przedmiot z żelaza „miękkiego“ nie daje się trw ale namagnesować, pomimo że w czasie zetknięcia, a n a
wet tylko sąsiedztw a z magnesem, wykazuje także własne objawy magnetyczne.
Pole magnetyczne. 27
Jeśli n a stole położymy zegarek a od spodu stołu zbliżymy doń silny magnes (ryc. 8), to zegarek prze
stanie natychm iast chodzić. Dzieje się tak dlatego, że magnes usiłuje przyciągnąć ku sobie ruchome części stalowe zegarka i — naprzekór działaniu sprężyny — nie pozwala im wykonywać żadnych ruchów.
Zjawiska te są wymownym dowodem, że z ma
gnesu — podobnie jak z ciała naelektryzowanego —
Rye. 8. Siły magnetyczne przenikają przez drzewo.
wychodzi również jakaś siła, która przenika naw et przez drzewo. Cały szereg doświadczeń wykazuje, że magnes działa na odległość nietylko przez powietrze i drzewo, ale i przez inne ciała. Niema naw et takiej substancji, z której możnaby wykonać ściankę, zatrzy
mującą działanie magnesu. Przeciwnie — wszelkie ciała albo przepuszczają działanie magnesu albo też,
28 Pole magnetyczne.
zbliżone do magnesu, same stają się magnesami (np.
żelazo) i w ten sposób pośredniczą niejako w prze
noszeniu siły magnetycznej.
Czy wszystkie miejsca magnesu, na całej jego dłu
gości, przyciągają z jednakową siłą?
Nie. Tylko końce magnesu ciągną najsilniej. W miarę zaś zbliżania się ku środkowi magnesu działanie jego słabnie; wreszcie w samej połowie długości magnesu siła przyciągająca zanika zupełnie. W łasność tę po
siada każdy magnes bez względu na to, czy jest sil
niej lub słabiej namagnesowany, czy ma kształt rów
nej sztabki, czy postać podkowy i t. p. Końce ma
gnesu określamy nazw ą biegunów magnetycznych.
Jakkolwiek oba bieguny każdego magnesu przed
stawiają jednakow ą siłę, to jednak posiadają one prze
ciwne sobie własności kierunkowe. Obserwować to można na zachowaniu się dwu magnesów sztabkowych, zawieszonych wpobliżu siebie na dwu oddzielnych nit
kach. Zauważymy wówczas, że bieguny magnesów za
chowują się względem siebie tak, jak dwa naboje elek
tryczne, t. j. albo przyciągają się albo odpychają wza
jemnie, zależnie od tego, czy są to bieguny różno- czy równoimienne. Oba końce każdego m agnesu są względem siebie zawsze biegunam i różnoimiennemi.
Po usunięciu jednego z magnesów zauważymy, że pozostały magnes zwraca się stale jednym końcem ku północy, skąd wnioskujemy, że i nasza ziemia fest wielkim magnesem. Ten koniec sztabki, który zwraca się ku północy, nazywamy biegunem północnym ma
gnesu, koniec przeciwny biegunem południowym.
Zamiast sztabki zawieszonej na nitce, używa się zwykle lekkiej lecz silnie namagnesowanej, podłużnej
Pole magnetyczne. 29
blaszki stalowej, zwanej powszechnie igłą m agne
tyczną. Igłę taką zawiesza się na ostrzu szpilki, um ie
szczonej pionowo na dnie małej puszki. Przyrząd ten znany jest pod nazwą busoli.
Widzimy zatem, że i magnes zmienia własności otaczającej go przestrzeni. Włóżmy mianowicie ma
gnes do szklanki, napełnionej gliceryną, do której wsypano garść opiłek żelaznych. Jak długo tkwi tam magnes, opiłki tworzą pęki linij, rozpiętych dokoła magnesu. Po wyjęciu m agnesu ze szklanki opiłki że
lazne jako cięższe od gliceryny, opadają natychm iast na dno naczynia.
Te linje, wzdłuż których układają się opiłki żelazne, zdradzają nam istnienie pewnych sił, rozmieszczonych dokoła magnesu. Dlatego nazywamy je linjami sił magnetycznych. Przestrzeń zaś, roztaczającą się dokoła magnesu, nazywamy polem magnetycznem.
Ustrój pola magnetycznego może być bardzo różno
rodny, zależnie od źródła pola. Inny jest rozkład linij sił magnetycznych, jeżeli źródłem pola jest jeden magnes, inny, jeżeli są dwa magnesy, skierowane biegunami różnoimiennemi w tę samą stronę, inny wreszcie przy dwu magnesach, skierowanych biegu
nami równoimiennemi w tę sam ą stronę.
Własności pola magnetycznego są analogiczne do własności pola elektrycznego. A więc natężenie pola magnetycznego maleje w miarę oddalania się od źródła pola. Zasiąg jest teoretycznie nieograniczony, ale prak
tycznie pole sięga tylko dotąd, gdzie zdołamy jeszcze stwierdzić jego istnienie zapom ocą jakiegokolwiek de
tektora, np. zapomocą bardzo czułej busoli.
Istnienie pola magnetycznego poznajemy po skut
30 Pole magnetyczne.
kach działania rozmieszczonych tam sił magnetycz
nych, przyczem jest rzeczą zupełnie obojętną, skąd te siły pochodzą i kto jest przyczyną ich pow staw a
nia. A skoro tak jest, to wystarczy wynaleźć inny sposób wytwarzania sił magnetycznych i stwarzać pola magnetyczne bez posługiwania się magnesem.
Istotnie taki sposób jest nam znany. Mianowicie zam iast magnesu można użyć prądu elektrycznego.
Zanurzmy część drutu, przez który płynie prąd elektryczny, do naczynia wypełnionego gliceryną z opiłkami żelaznemi. Opiłki ułożą się wówczas do
koła drutu, tworząc kształty współśrodkowych kół w płaszczyznach prostopadłych do drutu. Gęstość tych linij sił m agnetycznych maleje w miarę, jak się odda
lamy od drutu. Ponadto gęstość ich zależy także od natężenia prądu elektrycznego. Igła magnetyczna bu
soli, umieszczonej wpobliżu drutu, ustawia się równo
legle względem linij sił magnetycznych (ściśle mó
wiąc, ustaw ia się stycznie, gdyż linje sił są kołami).
Jeżeli zmienimy kierunek prądu w drucie, to także igła magnetyczna ustawi się w kierunku wręcz prze
ciwnym (patrz ryc. 30).
Ponieważ każda, naw et najkrótsza część drutu, wytwarza dokoła siebie pew ną ilość linij sił m agne
tycznych, więc można to zjawisko z pożytkiem wyzyskać. Mianowicie wystarczy skupić dość długi drut w możliwie małej przestrzeni przez zwinięcie go w spiralę, a wówczas wszystkie jego linje sił zagę
ścimy w małym stosunkowo obszarze. Obszar ten b ę
dzie wówczas siedliskiem bardzo silnego pola magne
tycznego. Spirala taka posiada więc wszelkie cechy magnesu. Ma nadto tę wyższość nad magnesem trw a
Pole magnetyczne. 31
łym, że możemy w niej dowolnie prąd wzmacniać, osłabiać lub całkiem przerywać. Jest to więc najw y
godniejszy sposób w ytw arzania i niszczenia pól ma
gnetycznych.
Zazwyczaj wkłada się jeszcze do wnętrza spirali rdzeń żelazny. Doświadczenie bowiem wykazało, że żelazo wpływa również na zagęszczenie linij sił magnetycznych, skupiając je w najbliższem swojem otoczeniu. Taką spiralę z rdzeniem żelaznym nazy
wamy elektromagnesem, bez rdzenia — solenoidem.
Jak z dotychczasowych rozważań wynika, naboje elektryczne, pozostające w spoczynku, są źródłem tylko pola elektrycznego, naboje zaś będące w ruchu (prąd elektryczny) są jednocześnie źródłem pola ma
gnetycznego.
Z obu powyższych wypadków ten drugi wymaga jeszcze pewnego uzupełnienia. Mianowicie ruch naboju może być jednostajny lub niejednostajny.
Otóż w otoczeniu przewodnika z prądem stałym (gdzie właśnie elektryczność porusza się jednostajnie) pole magnetyczne posiada również charakter stały i niezmienny — podobnie jak niezm ienne jest pole, roztaczające się dokoła zwyczajnego m agnesu stalo
wego (nieruchomego).
W otoczeniu zaś przewodnika z prądem zmiennym odbywają się ustaw iczne w ahania pola magnetycz
nego (t. j. zmiany natężenia pola i jego kierunku, chwilowe zanikania pola i t. d.). Wahaniami temi zaj
miemy się później. Tutaj ograniczamy się tylko do uwagi, że rezultatem takich zmian pola magnetycz
nego jest pojawianie się krótkotrwałych sił elektro-
32 Szybkość rozchodzenia się pól.
motory cznych we wszystkich przewodnikach, znajdu
jących się na obszarze pola. We wszystkich bez wy
jątku — a więc nietylko w przewodnikach obcych, które znajdują się we władaniu pola, ale i w przewod
niku „własnym“, t. j. w tym, dzięki któremu pole istnieje (indukcja i samoindukcja).
R o z d z i a ł IV.
Szybkość rozch odzenia s ię pól.
Wiadomo już nam, że tak pola elektryczne, jak i magnetyczne sięgają do nieskończoności. Jednakże w dotychczasowych rozważaniach pomijaliśmy mo
menty powstawania i zanikania pól. Zapytajmy przeto, jak to się odbyw a?
Czy w chwili pojawienia się naboju elektrycznego, wzgl. magnetyzmu, linje sił elektrycznych, wzgl. ma
gnetycznych obejmują całą, nieograniczoną przestrzeń m omentalnie? Czy może linje sił rozchodzą się ze swoich źródeł na wszystkie strony z pewnym mniej
szym lub większym pośpiechem i do miejsc dalszych dochodzą później, niż do bliższych?
Aczkolwiek zagadnienie to nie jest łatwe do spraw dzenia, zostało już jednak stwierdzone niewątpliwie, że tak pola elektryczne, jak i magnetyczne nie roz
przestrzeniają się bynajmniej momentalnie, tylko roz
chodzą się z pewną skończoną prędkością. Prędkość zaś, z jaką biegną linje sił elektrycznych i magnetycz
nych, jest olbrzymia, gdyż w przeciągu każdej sekundy posuwają się one o 300.000 km naprzód.
Umieśćmy np. w miejscu A elektromagnes (ryc. 9),
w różnych zaś odległościach od niego poustawiajmy bardzo lekkie a czułe busole lub inne przyrządy, słu
żące do wykrycia pola magnetycznego. B jest to ogniwo elektryczne, K — klucz do zamykania i przerywania prądu. (Doświadczenie to jest praktycznie niewyko
nalne, gdyż nie istnieją tak czułe busole!).
Jeżeli naciśniemy klucz K, to ze sztabki żelaznej, jako z chwilowego magnesu, w ytrysną strugi linij sił
Szybkość rozchodzenia się pól. 33
Ryc. 9. Pole m agnetyczne obejmuje coraz dalsze obszary.
magnetycznych, a rozprzestrzeniając się na wszystkie strony, potkną się najpierw o najbliższe busole (1, 2, 3), potem o następne (4, 5, 6) i t. d. W ten sposób zaczną się wychylać (t. j. ustawiać równolegle do linij sił ma
gnetycznych) kolejno coraz to dalsze busole, spełnia
jąc niejako rolę zwiastunów nadciągających linij sił magnetycznych.
Rozważmy teraz następujące trzy wypadki:
1. Naciskamy klucz K, załączając prąd na stałe.
Wówczas sztabka żelazna staje się magnesem na
H arce elektronów . 3
34 Szybkość rozchodzenia się pól.
dłuższy czas. Linje sił magnetycznych dobiegają do najdalszych krańców przestrzeni. Cały obszar staje się polem magnetycznem. Wszystkie busole odchylają się kolejno z pierwotnego położenia równowagi i trw ają w tern wychyleniu tak długo, jak długo jest przyci
śnięty klucz K.
2, Naciskamy klucz K przez krótką tylko chwilę, stwarzając w ten sposób chwilowe pole magnetyczne.
W tedy linje sił magnetycznych mkną wprawdzie rów
nież do najdalszych krańców przestrzeni, ale z chwilą przerwania prądu tracą zaraz łączność ze swojem źró
dłem. Biegną one teraz jak strzały, wypuszczone z łuku, a całość wygląda w przekroju tak, jak rozszerzanie się pierścienia dymu, puszczonego przez wprawnego palacza tytoniu. Przed niemi i za niemi jest przestrzeń obojętna, a one, jak huragan, obejmują coraz to nowe w arstwice przestrzeni.
Łatwo wywnioskować, że grubość takiej warstwy kulistej, wypełnionej linjami sił magnetycznych, za
leży od czasu trw ania prądu elektrycz- , i r t * nego. Gdybyśmy np., nacisnąwszy klucz K, przerwali prąd już po upływie sekundy, to grubość takiej warstwicy, t. j. długość //IW : każdej strzały, wynosiłaby 150 tysięcy
i i kilometrów.
isaóóótm Dlaczego? Oto w chwili naciśnięcia Ryc 10 klucza rozpoczyna się w ytrysk lińij sił
Obszarobjęty magnetycznych. W przeciągu V* sekundy
tycznenTpou- czo*° oddaliło się już (w różnych
pływ ie ‘/ssek. kierunkach) o 150 tysięcy kilometrów od
od chw ili po- źródła, podczas gdy tylny koniec każdej źródła1 poial? z tych linij jest jeszcze ciągle związany
Szybkość rozchodzenia się pól. 35
ze swojem źródłem. Ale w tym właśnie momencie następuje przerwanie prądu elektrycznego. Linje sił odrywają się niejako od elektrom agnesu i posuwają się w dalszym ciągu naprzód, zachowując swą nie
zmienną długość. Po upływie dalszej Va sekundy czoło oddaliło się już o 300 tysięcy kilometrów od źródła, podczas gdy tylne końce linij sił odbiegły o 150 ty-
stw icy magnetycznej.
sięcy kilometrów od bieguna elektromagnesu. Po upły
wie następnej 7a sekundy linje sił odbiegną o dalsze 150 tysięcy kilometrów i t. d.
Gdyby czas trw ania prądu był krótszy, to grubość posuwającej się warstwicy magnetycznej byłaby oczy
wiście odpowiednio mniejsza.
3. Naciskajmy wreszcie kluczem A rytm icznie, t. j.
w równych odstępach czasu, ale tak, aby czas trw a
nia prądu i czas przerwy były sobie równe. A więc
450.000 km
Rys. 11. Rozprzestrzenia
nie się pierwszej war- Ryc. 12. Drugi w ytrysk linij sił magnetycznych.
36 Szybkość rozchodzenia się pól.
niech ktoś zamyka i przerywa prąd naprzemian co Va sekundy. Nietrudno przewidzieć, jaki otrzymamy obraz w przestrzeni. Oto ze źródta zaczną rozchodzić się raz za razem coraz to nowe okręgi linij sił m a
gnetycznych o równych sobie długościach (strzał) z za-
Ryc. 13. Okręgi pól m agnetycznych działają kolejno na coraz inne busole.
chowaniem równych odstępów (między okręgami). Za
raz bowiem po upływie pierwszej połowy sekundy otrzymamy zjawisko, przedstawione na ryc. 10, (gdzie elektromagnes i baterję opuszczono). Po upły
wie pierwszej całej sekundy uzyskamy obraz, przed
stawiony na ryc. 11 (gdzie elektromagnes znowu opu
szczono). Źródłem pola jest punkt A. Po upływie
Znamiona pól. 37
lVa sekundy zjawisko będzie miało przebieg przed
stawiony na ryc. 12. Oczywiście z pośród busolek, rozmieszczonych w przestrzeni, wychylać się będą ko
lejno tylko te, przez które przebiegają w danym mo
mencie okręgi huraganu magnetycznego (ryc. 13).
Wszystkie powyższe rozważania odnoszą się w ca
łej rozciągłości także i do pól elektrycznych. Należy tylko zamiast elektromagnesów użyć nabojów elek
trycznych, a zam iast busolek np. odpowiednio czułych wahadełek elektrycznych. (Praktycznie jest również niewykonalne, bo niema takich wahadełek).
R o z d z i a ł V.
Znam iona pól.
W rozdziale tym rozważymy te wszystkie cechy, które stanowią niejako metrykę każdego pola. Poznamy mianowicie pewne charakterystyczne znamiona, na podstawie których można będzie orzec, czy i jakie zachodzą różnice pomiędzy dowolnemi dwoma polami elektrycznemi, wzgl. pomiędzy polami magnetycznemi.
Oto przedewszystkiem tak pola elektryczne jak i magnetyczne, wzgl. ich linje sił, posiadają pewne kierunki w przestrzeni. W ahadełka bowiem, wzgl. bu
sole, rozmieszczone w dowolnych miejscach pola, od
chylałyby się w jedną lub w drugą stronę, zależnie od kierunku biegu (zwrotu) linij sił danego pola. (Ana
logicznie, jak linjom sił elektrycznych, przypisujemy także linjom sił magnetycznych taki kierunek biegu, w którym poruszałby się północny biegun magne
38 Znamiona pól.
tyczny, wprowadzony w celach kontrolnych w badane miejsce pola).
Powtóre, oprócz kierunków, także natężenia pól mogą być między sobą różne. Prawda, że natężenie nawet tego samego pola słabnie w miarę oddalania się od jego źródła, jednakże chodzi tutaj właśnie o po
równanie źródeł pól — podobnie jak porównywamy ze sobą dwie lampy pod względem intensywności wy
chodzącego z nich światła. Silniejsze źródło pola wy
syła „większą ilość“ linij sił, w skutek czego ich gę
stość jest naw et w znacznych od źródła odległościach dostatecznie wielka. Wzmacniając zatem lub osłabia
jąc źródło pola, zwiększamy wzgl. zmniejszamy zara
zem także natężenie pola we wszystkich jego miejscach.
Następnie — o ile chodzi o pola zmienne — to pola takie mogą pojawiać się i zanikać z dowolną częstością. Wszystko zależy od zachowania się źródeł, od których pola pochodzą.
Tak np. jedno pole może pojawiać się i zanikać naprzem ian 5 razy na sekundę, drugie natom iast co pół sekundy. Jedno może za każdym razem zmieniać swój kierunek, a drugie nie; oba mogą chwilami słab
nąć (nie zmieniając kierunku), lecz jedno może słab
nąć więcej, a drugie m niej; jedno może zmieniać się perjodycznie, drugie nieperiodycznie i t. p. Wszystkie te zmiany możemy dowolnie sami wywoływać, ma
newrując odpowiednio u źródła pola.
Wreszcie jest jeszcze jedna, bardzo ważna cecha pól elektrycznych i magnetycznych. Dotychczas po
mijaliśmy milczeniem proces tworzenia się i zanika
nia pola. Przeskakiwaliśmy z rozmysłem pewne okresy czasu, mianowicie okres od chwili, kiedy pola jeszcze