Физика для любознательных. Том 3. Электричество и магнетизм. Атомы и ядра - [9]

Вольтметры как «электрические манометры»

Вольтметры покажутся вам еще более простыми в употреблении приборами, если представлять их себе как электрические манометры. Воспользуемся аналогией между электрическим током и течением воды по трубам и рассмотрим обоснование для такого представления о вольтметрах. Вольтметры изготовляют таким образом, чтобы они показали энергию, отдаваемую каждым кулоном на некотором выбранном участке цепи. Эта величина равна отношению

ОТДАВАЕМАЯ ЭНЕРГИЯ (на некотором участке цепи) / ЧИСЛО ПРОТЕКАЮЩИХ КУЛОНОВ

или

ОТДАВАЕМАЯ ЭНЕРГИЯ (в джоулях) / полный заряд (в кулонах)

Разность давлений на каком-либо участке водяного контура можно выразить таким же образом:

ОТДАВАЕМАЯ ЭНЕРГИЯ (в джоулях) / ПОЛНЫЙ ОБЪЕМ ПРОТЕКШЕЙ ВОДЫ (в кубических метрах)

Правильность проводимой аналогии легко установить путем следующих рассуждений. Предположим, что мы проталкиваем воду по длинной тонкой трубе с помощью поршня Р₁, находящегося в начале трубы, заставляя воду толкать поршень Р₂ на другом конце трубы. Труба обладает сопротивлением, поэтому давление р₁ в точке Р₁ должно быть больше давления р₂ в Р₂. Разность давлений р₁ — р₂ и движет воду, преодолевая силы сопротивления.

Как установил Джоуль, вода на выходе имеет несколько более высокую температуру, приобретая тепло за счет некоторой доли энергии, подводимой при помощи поршня Р₁. Пусть площадь поршня Р₁ равна А₁ квадратных метров; поршень перемещают на расстояние s₁ метров, преодолевая давление воды р₁ ньютон/квадратный метр. Сила, которую необходимо приложить к поршню р₁ чтобы его толкать, равна произведению: ДАВЛЕНИЕ∙ПЛОЩАДЬ, или р₁А₁ ньютон, а энергия, передаваемая от источника движения поршня воде, равна произведению: СИЛА∙ПРОХОДИМОЕ РАССТОЯНИЕ, или р₁∙А₁∙s₁ дж. Точно так же энергия, передаваемая водой телу, испытывающему действие поршня Р₂, равна р₂∙А₂∙s₂. Но произведение: ПЛОЩАДЬ ПОРШНЯ∙ПРОХОДИМОЕ РАССТОЯНИЕ представляет собой объем воды, проталкиваемой по трубе, равный V кубических метров.

А₁∙s₁ = V = А₂∙s₂, поскольку вода несжимаема. В таком случае разность между обоими количествами передаваемой энергии, которая представляет собой механическую энергию, отдаваемую воде, равна

р₁∙А₁∙s₁ — р₂∙А₂∙s₂ = p₁V — p₂V = (р₁ — р₂)∙V.

Следовательно, энергия, выделяющаяся в виде тепла в пределах рассматриваемого участка трубы, равна (р₁ — р₂)∙V дж. Значит,

ОТДАВАЕМАЯ ЭНЕРГИЯ (в джоулях) / ПЕРЕМЕЩАЕМЫЙ ОБЪЕМ (в кубических метрах) =

= (р₁ — р₂)∙V/V = (р₁ — р₂) (в ньютон/квадратный метр).

Таким образом, в гидравлической системе разность давлений р₁ — р₂ ньютон/квадратный метр дается отношением: отдаваемая энергия/перемещаемый объем. Это аналогично соотношению

«ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ РАЗНОСТЬ ДАВЛЕНИЙ» = ОТДАВАЕМАЯ ЭНЕРГИЯ / ПЕРЕМЕЩАЕМЫЙ ЗАРЯД.

Физики никогда, правда, не говорят об «электрической разности давлений», употребляя для выражения этого понятия термин «разность потенциалов».

Фиг. 29.Передача энергии в гидравлической цепи.

Задача 10. РАЗНОСТЬ ДАВЛЕНИЙ = ЭНЕРГИЯ, ОТДАВАЕМАЯ НА ЕДИНИЦУ ОБЪЕМА — очень удачная формулировка, характеризующая давление.

Какие единицы получаются из нее для давления, если:

а) Энергия выражается в килограммометрах, а объем — в кубических метрах?

б) Энергия выражается в джоулях, а объем — в кубических метрах? (Покажите, как вы получили свой ответ.)

в) Согласуется ли такая точка зрения на давление в том, что касается единиц с формулой кинетической теории для газов:

ДАВЛЕНИЕ ∙ ОБЪЕМ = (1/3) ∙ ЧИСЛО МОЛЕКУЛ ∙ МАССА ∙ v^¯2?

Подключение вольтметра к электрической цепи

Величина, которую измеряют вольтметрами, — это разность потенциалов, или электрическое напряжение, смысл ее мы охарактеризовали выражением «электрическая разность давлений». Точно эта величина определяется как энергия, отдаваемая одним кулоном. Показания вольтметра зависят только от количества энергии, отдаваемой на определенном участке цепи, каким может быть, например, электромотор, или катушка из проволоки. Зажимы вольтметра должны присоединяться к концам этого участка цепи. Вольтметр измеряет разность энергий кулона на входе и на выходе участка цепи, поэтому он должен присоединяться как к входной, так и к выходной точкам точно так же, как манометр подсоединяется к двум точкам, хотя часто одна из точек — это атмосфера.

Таким образом, мы говорим о напряжении или разности потенциалов между двумя точками цепи или между выводами какого-то прибора. Мы говорим о подключении вольтметра к зажимам прибора. Эта последняя формулировка удобна с точки зрения начертания или составления цепей, содержащих вольтметры. Если вы не вполне уверены в своих знаниях, то сначала вычерчивайте и составляйте схему без вольтметра, а потом подключайте вольтметр к концам участка, на котором вы хотите измерить разность потенциалов.

Проверка работы и точности вольтметра

Проделайте описанные ниже опыты с вольтметрами и проверьте утверждение физиков и инженеров-прибористов о том, что вольтметры измеряют энергию, отдаваемую одним кулоном.

Опыт 7. Проверка характера шкалы вольтметра. (Вольтметр на 6 или более вольт.) Подсоедините вольтметр прямо к автомобильному аккумулятору, состоящему из трех элементов, потом подсоедините его к двум из трех элементов, потом только к одному. Запишите показания вольтметра. Убедитесь в том, что все три элемента одинаковы, путем предварительной опытной проверки, записывая показания вольтметра. Если вольтметр действительно измеряет