Физические парадоксы, софизмы и занимательные задачи - Ланге В.Н.
Скачать (прямая ссылка):
физики А. В. Перышкина для X класса. Ток и напряжение совпадают по фазе,
когда в сеть переменного тока включен прибор, обладающий только активным
сопротивлением, например электрическая плитка. В этом случае мощность,
потребляемую прибором, можно вычислить по формуле
N = I-U, (1)
где I и ^ - эффективные значения тока и напряжения соответственно.
Однако не всегда ток и напряжение совпадают по фазе. Если включить в цепь
переменного тока катушку самоиндукции или конденсатор, то максимальные и
минимальные значения током и напряжением будут достигаться
неодновременно. В этом случае формула мощности приобретает иной вид - в
ней появляется
143
третий сомножитель k, называемый коэффициентом мощности: ,
\ N-k-1-U. (2)
/ и (J здесь имеют тот же смысл, что и в формуле (1). Множитель k
называют часто иначе - "косинус фи". "Фи" - это угол сдвига фаз между
током и напряжением.
Обмотки электромотора обладают не только активным сопротивлением, но
также и индуктивным. В результате между током, протекающим по обмоткам
электромотора, и напряжением, приложенным к нему, возникает сдвиг по
фазе. Косинус угла сдвига фаз при нормальном режиме работы равен:
и N 900 вт п ЦО
R ~ 7U ~ 220 в-5 а Т '
Обычно значение "косинуса фи", соответствующее оптимальному режиму
работы, указывается в паспорте электродвигателя.
97
Прежде всего отметим, что описанный процесс не противоречит закону
сохранения энергии, так как зарядка конденсатора происходила бы не "сама
собой", а за счет энергии теплового движения электронов. Однако действие
изображенной на рисунке 27 установки противоречило бы второму началу
термодинамики (см. о нем задачу № 72 второго раздела), поскольку процесс
требует самопроизвольного возникновения "сгущений" и- "разрежений"
электронного облака, а это так же невозможно, как невозможно
самопроизвольное разделение электронов или молекул на быстрые и медленные
(последнее означало бы самопроизвольное возникновение разности
температур).
Следует, впрочем, отметить, что второй закон термодинамики в отличие от
первого носит не столь категорический характер; он не совсем отрицает
возможность самопроизвольного разделения молекул на быстрые и ,медленные,
или возможность возникновения флуктуаций (местных сгущений и разрежений)
плотности. Он
лишь утверждает, что такие события маловероятны и вероятность тем меньше,
чем больше флуктуации.
Из-за хаотичности движения электронов на концах проводника действительно
может возникнуть разность потенциалов. Но возникновение значительного
напряжения, как уже отмечено, маловероятно, а при
малых - конденсатор будет разряжатьея через детектор, так как при малых
разностях потенциалов вольт-амперные характеристики всех детекторов
линейны, как это показано на рисунке 44, и эффект выпрямления
отсутствует. Нелинейность вольт-амперной характеристики, объясняющая
эффект выпрямления, обнаруживается лишь при достаточно больших
напряжениях, вероятность возникновения которых за счет флуктуации
плотности распределения электронов практически равна нулю.
Зарядка конденсатора также невозможна, как невозможно практически (хотя
это и мыслимо в принципе), чтобы хаотическое движение молекул воздуха в
запаянной консервной банке превратилось в направленное вверх, способное
приподнять банку над поверхностью Земли. Расчет показывает, что
самопроизвольное "подпрыгивание" банки из-за- флуктуации в движении
молекул может наблюдаться не чаще, чем раз в миллиарды миллиардов лет.
Хорошо известен научно-фантастический роман А. Р. Беляева "Ариель". Герой
романа мог по своему желанию управлять характером движения собственного
тела. К сожалению, это, как мы видели, противоречит второму началу
термодинамики й возможно лишь на страницах научно-фантастического романа.
98
Разряд банки носит колебательный характер, так как вместе с намотанной на
спицу спиралью она образует, как принято говорить в радиотехнике,
колебательны й конт у р. Поскольку проволока обладает сопротив-
лением и происходит излучение энергии в пространство в виде
электромагнитных волн, колебания постепенно затухают. Спица сохраняет
намагничение того знака, который соответствует последнему размаху
колебаний, настолько еще сильному, что он пробивает искровой промежуток,
через который происходил разряд лейденской банки.
Как ни заманчив описанный Фламмарионом способ ознакомиться с прошлым
нашей планеты, приходится примириться с мыслью, что он никогда не будет
осуществлен: как вытекает из теории относительности, созданной трудами
гениального немецкого физика А. Эйнштейна, никакое материальное тело не
может двигаться со скоростью, превышающей скорость света в пустоте, то
есть примерно 300 000 км/сек.
Более того, для тел с "массой покоя", отличной от нуля (а к ним
принадлежат электроны, протоны, нейтроны, целые атомы и молекулы, а также
построенные из них тела - куски металла, камни и т. д.), даже и эта
скорость недостижима. Оказывается, что по мере роста скорости масса
