На початку 80-х рр. минулого століття французький інженер П'єр Грано поставив дивовижний досвід. Він пустив плавати мідний провідник по поверхні ртуті, налитої в ванночку довжиною 300 мм. Провідник був невеликим циліндрик діаметром 3 мм. Зі зрозумілих навіть школярам причин він не тонув, а плавав по поверхні ртуті. Але ось дослідник підключив до ванні постійний струм, провідник відразу ж зник під шаром ртуті і почав рухатися, як справжній підводний човен. При силі струму в 400 А мідний циліндрик поспішив до негативного полюса зі швидкістю 15 см / с.
Занурення провідника пояснити легко. Струм розділяється на два потоки - по ртуті і через мідь. Магнітне поле створює сили, спрямовані проти закону Архімеда. В результаті провідник прагне до осі, на якій розташований центр ваги даного обсягу ртуті. Але як бути з законами електромагнетизму Максвелла і Лоренца? Адже вони не допускають виникнення сил в напрямку руху струму.
У наш час всі закони електрики і магнетизму як би устоялися. Ніхто зараз не експериментує в цих областях, а звертається до довідників. П'єр Грано провів досвід, який треба було б зробити ще на початку XIX ст. наприклад, Амперу.
Зіткнувшись з явищем "мідного дроту в ртутному море", фізики спершу розгубилися, а потім розділилися на два протиборчі табори. Прихильники одного з них були впевнені: нове явище в області електромагнетизму розкриває невідомі ще науці закономірності, які слід пізнати і внести в підручники і довідники. Більша ж частина фізиків вирішила просто відмахнутися від досвіду Грано і ігнорувала його результати, не бажаючи відмовлятися від рівнянь Максвелла і Лоренца, що пояснюють всі інші явища в області електромагнетизму.
На даному етапі думку останніх запанувало, і за двадцять з гаком років, що минули з того моменту, як француз поставив свій досвід, його результати так і не пояснені. Мабуть, тому, що ефект Грано проявляється в прикордонній області між гидродинамикой і електродинаміки, а значить, вимагає від вченого, який вирішив його пояснити, одночасно глибокого знання двох цих дисциплін. Мабуть, поки настільки ерудованого людини в сучасному науковому світі немає, інакше як ще зрозуміти мовчазний змову вчених, які роблять вигляд, що "ефекту Грано" не існує?
Дмитро Конорєв,
інженер
Для початку, парадоксальним є той факт, прийнятий в електродинаміки, що умовний напрямок струму і реальний рух електронів не збігаються. Насправді, електрони рухаються від негативного полюса до позитивного, а за позначення струму прийнято зворотній напрямок, від позитивного, до негативного полюса. Не знаю як вченим, але мені доводилося дуже туго, коли в електричних схемах позначення одне, а напрямок абсолютно інше. Спочатку, перші 5-10 хвилин, як тільки починаєш розбирати якусь схему і шукати несправності, все розумієш, але коли простежується ланцюга, куди тече струм, то обов'язково заплутаєшся.
Але ближче до справи. Почнемо по порядку. На малюнку 1, представлена схема експерименту Грано. Мідний провідник 1, знаходиться на поверхні ртуті 2. Ртуть знаходиться в ванні 3, з обох кінців якої в неї опущені проводять пластини, негативна 4 і позитивна 5. До пластин підключені контакти від акумулятора 6, через вимикач 7.
При замиканні ключа, в ланцюзі піде струм, від негативного полюса батареї, через ванночку з ртуттю, і, відповідно мідний провідник, вільно плаваючий на її поверхні, до позитивного полюса батареї. Мідний провідник, внаслідок дії магнітної сили Ампера, зануриться в ртуть, малюнок 2. Але за законами електромагнетизму Максвелла і Лоренца, провідник не повинен куди-небудь рухатися, а повинен залишатися в тому місці, в якому і відбулося його занурення в ртуть. Але, мідний провідник, починає свій рух, під шаром ртуті.
Ефект Грано і полягає в тому, що мідний провідник, починає досить швидке свій рух від позитивного полюса, позитивної пластини 5, до негативного полюса, негативною пластині 4. В рамках електродинаміки, такий рух провідника, як мінімум дивина. Яким же чином, можливо, пояснити даний ефект?
А пояснити його дуже легко, насправді. Справа в тому, що питомий електричний опір міді одно 0,0172 мкОм * м, а ртуті 0,958 мкОм * м. Іншими словами, електричний опір міді приблизно в 55 разів менше ртуті. Це означає, що через мідний провідник, струм буде текти в п'ятдесят п'ять разів краще, ніж через ртуть. На малюнку, схематично, ток електронів через ртуть і мідь, зображений червоними лініями. Але магнітний момент, зображений синіми кільцевими лініями, у всьому провіднику, вірніше навколо ванночки, буде абсолютно однаковий. Так що ж викликає рух мідного провідника?
Для цього, необхідно зрозуміти, як поводиться мідний провідник, з низьким питомим опором, в провіднику, з високим питомим опором, вірніше як виявляється різниця в опорі міді і ртуті, при струмі електронів. Але, в першу чергу, необхідно розібратися, що таке є електричний опір провідника, і як воно впливає на електропровідність.
Якщо взяти два провідники, абсолютно однакових по довжині і перетину, але з різним питомим опором, підключити їх до абсолютно однаковим акумуляторів, то через провідник з меншим опором, потече більший струм, і, навпаки, через провідник з високим опором, потече менший струм. Ці шкільні істини, знайомі кожному. Але на практиці, це означає те, що за один і той же час, через провідник з меншим питомим опором, проходить більшу кількість електронів, а через провідник з великим питомим опором, менша кількість електронів. Іншими словами, в провіднику з меншим опором, швидкість електронів буде більше, і відповідно, в провіднику з великим опором, швидкість електронів буде меншою. Тут теж все зрозуміло.
Тепер повернемося до експерименту Грано. Так як мідь має питомий опір, меншу ніж у ртуті, то всередині мідного провідника, швидкість електронів буде вище, ніж швидкість електронів в самій ртуті. Тобто через мідний провідник буде проходити за 1 секунду, більше електронів, ніж через ртутний провідник. Це, в свою чергу, викличе те, що магнітне поле, яке породжене навколо мідного провідника, що рухаються в ньому електронами, буде гальмуватися магнітним полем, що породжується електронами, що рухаються в ртуті. Іншими словами, електрони, поточні в мідному провіднику, будуть гальмуватися електронами, поточними в ртутному провіднику, внаслідок збуджується ними магнітного поля. Це, в свою чергу, призводить до того, що виникає якийсь механічний момент, для того, щоб компенсувати це гальмування.
Іншими словами, в мідному провіднику, щодо ртутного провідника, виникає "реактивне" рух електронів, внаслідок якого, і виникає механічний момент, який і штовхає мідний провідник, від позитивного полюса, до негативного полюса.
Але, якщо використовувати в експерименті замість мідного провідника, який або провідник, у якого питомий опір буде вище, ніж питомий опір ртуті, то даний ефект проявить себе в точності навпаки. Такий провідник не "пірне" в ртуть, а тільки частково зрівняється з її поверхнею, і буде рухатися в ртуті від негативного полюса, до позитивного полюса, так як швидкість руху електронів усередині провідника буде менше, ніж у ртуті, то буде прискорення електронів в провіднику , електронами, що рухаються під ртуті.
А якщо ж провідник, буде мати питомий опір, рівний питомому опору ртуті, то абсолютно ніякого руху провідника, після його часткового занурення в ртуть, виявити не вдасться, тек як швидкості електронів в провіднику і в ртуті, буде абсолютно однаковою.
Записатися на тренінг ТРИЗ з розвитку творчого, сильного мислення від Майстра ТРИЗ Ю.Саламатова >>>