Электричество и магнетизм

Взаимодействие неподвижных заряженных тел. Электрическое поле

Когда впервые появилось слово "электрон"? Элементарная частица - электрон - была открыта английским физиком Джозефом Джоном Томсоном в конце XIX в. Однако само это слово существовало с незапамятных времен. "Электрон" по-гречески -"янтарь".

Вероятно, древнегреческие ткачи впервые обратили внимание на то, что янтарь, потертый о шерсть, притягивает к себе легкие предметы, не соприкасаясь с ними. Потом выяснилось, что и другие тела - стекло, эбонит и т. д., потертые о мех или кожу, приобретают такое же свойство. Их стали называть наэлектризованными. Отсюда и берут свое начало слова "электричество", "электрический". В опытах по электризации трением люди впервые столкнулись с явным действием сил, играющих главную роль почти во всех процессах природы. Но поняли это через много сотен лет.

К середине XVIII в. электричество по-прежнему оставалось таинственным. Никто не умел измерять электрический заряд тела, никакие количественные законы не были известны. Была открыта возможность передачи электричества по проводникам -влажной веревке или металлической проволоке; построили электрическую машину, которая могла давать большое количество электричества, что позволило наблюдать электрические искры; научились накапливать электричество в так называемой лейденской банке, состоящей из цилиндрического стеклянного сосуда с двумя металлическими обкладка-ми снаружи и внутри (рис. 4). Разряд лейденской банки имел заметную мощность. Это открытие произвело огромное впечатление на всех людей, даже совершенно далеких от науки. Каждый хотел испытать электрический разряд на себе и увидеть его действие на других.

Слухи об "электрических опытах" дошли из Европы до Филадельфии в Северной Америке, и выдающийся ученый и общественный деятель В. Франклин впервые истолковал молнию как огромную электрическую искру (рис. 5). Он же положил начало практическому применению приобретенных знаний, сконструировав громоотвод. Оказалось, что заостренный металлический штырь, приподнятый над зданиями, предохраняет от попадания молнии.

Закон Кулона

Построение законченной количественной теории электромагнитных явлений было начато открытием закона взаимодействия неподвижных электрических зарядов. Этот закон экспериментально установил французский ученый Шарль Кулон в 1785 г.

Кулон изобрел довольно простой прибор — крутильные весы (рис. 6). С помощью этого прибора Кулон измерял силу взаимодействия между двумя заряженными металлическими шариками. Один из них был закреплен неподвижно, а второй — на конце коромысла, прикрепленного к длинной упругой нити. Силу взаимодействия можно было определить по углу закручивания нити, а расстояние между шариками — простой линейкой. Эти измерения показали, что сила взаимодействия убывает обратно пропорционально квадрату расстояния: F~1/r². Но как она зависит от величины зарядов? Ведь измерять заряд пока еще не умели. Кулон нашел простой и остроумный выход. Он приводил в соприкосновение заряженный шарик с таким же нейтральным. Естественно было предполагать, что заряд шарика разделится пополам. Оказалось, что сила при этом также уменьшается в два раза. Таким образом Кулону удалось показать, что сила взаимодействия пропорциональна произведению зарядов q₁ и q₂ шариков: F = k*(q₁q₂/r²) . Здесь k — коэффициент пропорциональности, который целиком определяется выбором единиц зарядов.

Закон Кулона является фундаментальным законом природы. Все заряженные тела, если только их геометрические размеры много меньше расстояния между ними, взаимодействуют по закону Кулона. Это в равной степени относится как к металлическим шарикам, так и к элементарным частицам. Этот же закон позволяет измерять заряд. Мельчайшая порция электрического заряда - заряд электрона и других элементарных частиц - очень мала. Она теперь измерена очень точно: 1,6*10^-19 Кл.

Близкодействие или действие на расстоянии!

Закон Кулона устанавливает силу взаимодействия неподвижных зарядов. Но как осуществляется это взаимодействие? Происходят ли в пространстве, окружающем электрические заряды, какие-либо изменения, какие-либо процессы или же ничего подобного нет? Сам Кулон считал, что заряды непосредственно через пустоту чувствуют присутствие друг друга. Перемещение любого из них мгновенно меняет силу, действующую на соседние заряды, из-за того, что меняются расстояния между ними. Такова сущность представлений о дальнодействии -мгновенном действии на расстоянии через пустоту.

Некоторое время эта точка зрения была господствующей в физике. Она казалась самой простой и позволяла получать важные результаты, согласующиеся с опытом. Однако с самого начала идея, что тело может непосредственно действовать там, где его нет, очень многим представлялась противоречащей самой себе - бессмыслицей. Вот почему английским ученым Майклом Фарадеем была выдвинута теория близкодействия, противоположная теории дальнодействия. По этой теории действие тел друг на друга на расстоянии всегда должно объясняться присутствием некоторых промежуточных агентов, передающих действие. Иногда это может быть незаметным. Тот, кому незнакомы свойства воздуха, может подумать, что автомобильный гудок непосредственно действует на наши уши. В действительности же в воздухе происходит процесс распространения звуковой волны и звук от автомашины до нас распространяется в конечное время.

Наличие определенного процесса в пространстве между взаимодействующими телами, процесса, который длится некоторое время, - вот главное, что отличает теорию близкодействия от теории дальнодействия. Все прочие аргументы в пользу той или другой теории не могут считаться решающими.

Согласно Фарадею, электрические заряды не действуют друг на друга непосредственно. Каждый неподвижный заряд создает в окружающем пространстве нечто, называемое электрическим полем. Поле одного заряда действует на другой заряд. Соотечественник Фарадея - Максвелл, основываясь на идеях Фарадея, сумел теоретически показать, что воздействие одного электрического заряда на другой распространяется в пространстве с конечной скоростью.

Если передвинуть один заряд, то сила, действующая на другой заряд, изменится не в то же мгновение, а лишь спустя некоторое время (рис. 7). И скорость распространения взаимодействия будет с = 300 000 км/с, т. е. совпадет со скоростью света. Между взаимодействующими зарядами в пустоте действительно происходит некоторый процесс, длящийся конечное время. Это фундаментальный факт, ставящий крест на теории дальнодействия!

Из-за очень большой скорости распространения электромагнитных взаимодействий обнаружить то, о чем мы сейчас говорили, прямыми опытами не так-то просто. Существование электромагнитного поля, теоретически предсказанное Максвеллом, было экспериментально подтверждено немецким физиком Генрихом Герцем. Сейчас вы можете просто прочитать в газетах, что электромагнитная волна (радиоволна) идет от Земли до космической станции, приближающейся к Венере, более 4 мин.

Неподвижные электрические заряды взаимодействуют друг с другом посредством электрического поля. Но что же представляет собой это поле? Ответить на этот вопрос кратко еще труднее, чем на вопрос, что такое электрический заряд. Мы знаем, что электрическое поле есть на самом деле. Мы можем исследовать его свойства опытным путем. Но мы не воспринимаем его ни одним из наших органов чувств и, самое главное, не можем сказать, из чего это поле состоит.

Дом, например, состоит из кирпичей, плит. Последние, в свою очередь, из молекул, а молекулы - из атомов. Атомы - из элементарных частиц. Элементарные же частицы... ни из чего более простого, чем они сами, не состоят. По крайней мере более простых'образований мы сейчас не знаем. Точно так же дело обстоит и с электрическим полем. Ничего более простого, более элементарного, чем поле, мы не знаем. Поэтому на вопрос о том, что такое электрическое поле, ответ может быть только таким: поле материально в том смысле, что оно существует независимо от нас, от наших знаний о нем. И это поле обладает определенными свойствами, которые не позволяют спутать его с чем-либо другим в мире, вокруг нас. Перечень этих свойств и является ответом на вопрос, что же такое электрическое поле.

Свойств этих много, и, надо думать, не все они сейчас известны. Главные свойства таковы: электрическое поле создается электрическими зарядами (неподвижными и движущимися) и обнаруживает себя единственным образом - оно действует на заряды с некоторой силой. По действию поля на заряды не только устанавливается присутствие поля, но и изучается распределение его в пространстве и все его характеристики.

Основная величина, характеризующая электрическое поле, представляет собой силу, действующую на единичный положительный заряд. Она называется напряженностью (не путать с напряжением) электрического поля.
 

Рис. 8. Силовая линия электрического поля.

Наглядно распределение поля в пространстве можно изобразить силовыми линиями. Силовая линия электрического поля - это линия, касательная к которой в каждой точке дает направление поля (рис. 8). Силовые линии можно сделать видимыми. Для этого достаточно продолговатые кусочки диэлектрика (вещества, не проводящего электрический ток), например хинина, хорошо перемешать в такой вязкой жидкости, как касторка. Тогда вблизи заряженных тел кристаллики хинина выстроятся в цепочки, образуя линии более или менее причудливой формы. На рисунке 9 показано несколько примеров силовых линий электрического поля, полученных таким способом. Чем больше густота линий, тем больше напряженность электрического поля.

Рис. 9. Примеры силовых линий электрического поля: а - силовые линии заряженного шарика направлены по лучам, идущим от центра шарика; б - силовые линии двух зарядов противоположного, знака (электрического диполя). Линии идут от одного заряда к другому и как бы стягивают их; в - силовые линии двух одноименно заряженных шариков. Они как бы отталкиваются друг от друга.

Напряжение, или разность потенциалов

Электрическое, точнее электростатическое, поле (т. е. поле, созданное неподвижными зарядами) обладает одним очень важным свойством. Оказывается, что работа, которую совершают силы электрического поля при перемещении электрического заряда из одной точки в другую, совершенно не зависит от формы пути (рис. 10). На замкнутом пути эта работа просто равна нулю (рис. 11). Поля, обладающие таким свойством, называются потенциальными.

Рис. 10. Работа электростатического поля при перемещении электрического заряда из точки А в точку В не зависит от формы пути. Она одинакова на путях I, II и III.

Итак, если поле потенциально, то положение двух любых точек А и В в этом поле однозначно определяет работу по перемещению электрического заряда между этими точками. Эта работа называется напряжением между точками А и В или разностью потенциалов. Так что, зная напряжение в розетке, мы тем самым знаем работу, которую электрическое поле может совершить при перемещении данного заряда от одного отверстия розетки до другого по любому пути и, значит, по любой электрической цепи.

Рис. 11. Работа сил электростатического поля на замкнутом пути равна нулю.

Величину напряжения важно знать потому, что она определяет силу электрического тока в цепи.

Майкл Фарадей (1791-1867)

Английский физик, член Лондонского королевского общества, создатель учения об электромагнитном поле. Самое значительное открытие Фарадея - открытие явления электромагнитной индукции (1831) - явилось крупнейшим вкладом в развитие представлений о природе электричества и способствовало развитию электротехники. Он открыл явления парамагнетизма и диамагнетизма (1845); установил связь между электромагнитными и световыми явлениями, открыв вращение плоскости поляризации света в магнитном поле (1846). Фарадей установил основные законы электролиза, создав, таким образом, основы электрохимии. Являясь основоположником учения об электрическом и магнитном полях, предвидел существование электромагнитных волн.