Kvant. Опыты с переменным током
Паравян Н. Простые опыты с переменным током //Квант. — 1994. — № 1. — С. 43-44.
По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"
Цветная прерывистая линия
Все знают, что переменный ток — ток, периодически изменяющийся по величине и направлению. Вы хотите на опыте убедиться в том, что он и в самом деле «периодически изменяющийся по направлению»? Оказывается, это возможно и не очень сложно.
Соберите установку, схематически изображенную на рисунке 1. К деревянной доске или листу фанеры прикрепите обычными канцелярскими кнопками кусок алюминиевой фольги. К одной кнопке припаяйте медный изолированный провод. Другой такой же провод присоедините (например, пластмассовой или деревянной бельевой прищепкой) к железному «жалу» обыкновенного шила. Оба провода соедините с клеммами вторичной обмотки понижающего — (220/6 - 10) В — трансформатора. Не вздумайте включать установку прямо в сеть, без трансформатора: неизбежно произойдет короткое замыкание со всеми вытекающими отсюда неприятностями!
Возьмите полоску фильтровальной бумаги (в крайнем случае — полоску газетной бумаги), смочите ее 10%-ным раствором хлорида аммония (нашатыря), в котором растворено 0,3 г роданистой либо желтой кровяной соли, и наложите бумагу на фольгу. Включите установку в цепь переменного тока (напоминаем — через трансформатор) и быстро, но не очень сильно нажимая, проведите шилом вдоль листа бумаги. На бумаге появится отчетливо видимая цветная прерывистая линия — розово-красная в случае роданистой соли или синяя в случае желтой кровяной соли. Почему прерывистая?
Дело в том, что в растворе, которым смочена фильтровальная бумага, имеются ионы, прежде всего NH+4 и Сl-. Когда включают ток, в течение одного полу периода шило становится анодом, на котором разряжаются ионы хлора\[~2Cl^- + 2e^- \to Cl_2\]. Тут же хлор образует с железом хлорид железа\[~2Fe + 3Cl_2 = 2FeCl_3\]. А хлорид железа дает с роданидом или желтой кровяной солью окрашенные продукты розово-красного или синего цвета.
Когда же ток проходит в обратном направлении, анодом становится алюминиевая фольга и образуется бесцветный хлорид алюминия\[~2Al + 3Cl_2 = 2AlCl_3\], не дающий цветных реакций с находящимися в растворе ионами. Значит, на нашей линии будет «пробел». Потом направление тока опять изменяется — анодом становится железо и снова появляется окрашенная линия и, т.д. Вот и получается прерывистая линия с правильно чередующимися черточками и пробелами между ними.
Электролитические часы
Известно множество различных «часовых механизмов», созданных самой природой. Бывают геологические часы, биологические, химические. А можно сделать и электролитические часы. И вот как.
Возьмите небольшой сосуд, лучше всего — прямоугольную плоскую кювету (рис. 2). Налейте в сосуд на 2/3 его высоты насыщенный раствор поваренной соли. Вырежьте из куска жести, например от железной, но не алюминиевой! консервной банки, два электрода почти такой же высоты, как и сосуд, и с помощью деревянных палочек погрузите электроды в раствор. К обоим электродам припаяйте изолированные медные проводки. Один проводок соедините с клеммой понижающего — (220/6 - 10) В — трансформатора. Второй проводок соедините с одной клеммой амперметра переменного тока на 5 А, а другую его клемму соедините со второй клеммой трансформатора.
Итак, наша установка состоит из последовательно включенных источника переменного тока, сосуда с раствором поваренной соли, в который опущены два электрода, и амперметра. Включите установку в сеть и внимательно следите за происходящими в банке явлениями, а также за показаниями амперметра.
Вы увидите, что сила тока в цепи постепенно растет, а жидкость возле поверхности электродов начинает закипать — появляется самый настоящий водяной пар (точнее — туман). Через некоторое время кипение усиливается до бурного, сила тока достигает максимума и... вдруг резко падает почти до нуля. Одновременно прекращается и кипение. Вскоре ток снова начинает расти, кипение усиливается до бурного, вслед за чем процесс опять почти полностью приостанавливается. Так продолжается до тех пор, пока вы не выключите установку из сети. И в самом деле — настоящие часы, только электролитические. Как же объяснить это периодическое кипение жидкости и одновременное периодическое изменение силы тока в цепи?
Раствор поваренной соли имеет значительное сопротивление и при пропускании через него электрического тока разогревается. Да так сильно, что закипает. Из-за все увеличивающегося количества пузырьков пара электроды через некоторое время (определенный временной интервал) практически полностью изолируются от жидкости (пар — диэлектрик). Тогда цепь размыкается, кипение прекращается — электроды снова начинают контактировать с раствором. И опять начинается кипение, и т.д.
Ну, а почему увеличиваются показания амперметра? При нагревании раствора уменьшается его электрическое сопротивление, что, по закону Ома, естественно влечет за собой увеличение силы тока в цепи.
А теперь продолжите ваш эксперимент. Выключите трансформатор из сети, оставьте в растворе один жестяной электрод, а второй совсем удалите. Вместо него к клемме трансформатора присоедините очень тонкую голую медную или железную проволочку диаметром 0,5 мм или даже еще меньше. Оберните проволочку липкой изоляционной лентой и, придерживая за нее проволочку, включите трансформатор в сеть. Коснитесь свободным концом проволочки поверхности электролита и постепенно опустите его на глубину порядка сантиметра.
То, что начинается в растворе, даже нельзя назвать кипением — процесс сопровождается свечением раскаленного конца проволочки, эффектными вспышками желтого пламени и резким периодически повторяющимся трескучим звуком. И это нетрудно объяснить.
Во-первых, из-за того что проволочка тонкая, она сильно раскаляется. Правда периодичность накала глазу незаметна, так как частота прерывания тока в этом случае очень большая. Во-вторых, в нашей системе, состоящей из одного очень большого электрода и другого очень маленького, возникает как бы односторонняя проводимость электрического тока, т.е. происходит частичное выпрямление переменного тока. В результате начинается электролиз раствора поваренной соли. При этом водород, выделяющийся на маленьком электроде (проволочке), смешивается с мельчайшими капельками раствора хлорида натрия и вспыхивает желтым пламенем с резким звуком. Кроме того, на поверхности раскаленной проволочки при высокой температуре водяной пар разлагается\[~2H_2O = 2H_2 + O_2\]. Образующаяся смесь водорода и кислорода (гремучий газ) от малейшей искры также вспыхивает, точнее — взрывается с сильным звуком.
А можно ли будет наблюдать все эти эффекты, если воспользоваться не переменным, а постоянным электрическим током? Взяв выпрямитель электрического тока, дающий постоянное напряжение 6 - 10 В, вы можете убедиться в том, что все эти явления будут еще более эффектными — ведь параллельно будет происходить еще и электролиз водного раствора хлорида натрия.
И последнее. Если у вас не окажется амперметра переменного тока — не беда. Возьмите вместо него электрическую лампочку, например на 6 - 10 В и 5 - 10 Вт. С ее помощью вы обнаружите не меньший эффект.
