Электродвижущая сила

Если мы потрем стеклянный стержень кусочком шелка, электроны перейдут из стекла в шелк, таким образом, стекло станет положительно заряженным, а шелк — отрицательно. С каждым движущимся электроном положительный заряд стекла и отрицательный заряд шелка будут возрастать, и новым электронам станет все труднее и труднее перемещаться. Для того чтобы выпустить больше отрицательно заряженных электронов из уже положительно заряженного стекла, надо вытягивать электроны наперекор притяжению противоположно заряженного стекла. Чтобы добавить эти электроны к уже заряженному отрицательно шелку, надо перемещать их вопреки отталкиванию одинаково заряженных тел. Так как продолжается увеличение положительного заряда стекла и отрицательного заряда шелка, притяжение и отталкивание становятся все сильнее и сильнее до тех пор, пока простое ручное натирание не потеряет способность перемещать электроны в дальнейшем.

Эта ситуация полностью аналогична той, которая получается при взаимодействии с гравитационными силами у человека, копающего яму. По мере того как он выбрасывает землю на край ямы, уровень земли вокруг вырастает, в то время как уровень земли внутри ямы понижается. Расстояние от дна ямы до верхнего края увеличивается, и становится все труднее и труднее добросить землю наверх. В конце концов копающий не может так высоко добросить землю, чтобы она достигла края, и выкопать яму глубже он не может.

Это указывает на ценность использования знакомых ситуаций, включающих гравитацию как аналогию менее известной ситуации, включающей электрические силы. Давайте же еще немного продолжим рассуждения о гравитационном поле Земли.

Мы можем полагать, что некое тело имеет определенную потенциальную энергию, зависящую от его положения относительно гравитационного поля Земли (см. ч. I). Чем выше тело (т. е. чем больше расстояние от него до центра Земли), тем больше его потенциальная энергия. Чтобы поднять тело против земной гравитации, мы должны увеличить его потенциальную энергию, а для этого должны взять эту энергию откуда-то еще (видимо, из наших мышц).

Количество энергии, которая должна быть добавлена, не зависит от абсолютной величины изначальной потенциальной энергии тела или его конечной энергии, а от разницы потенциальных энергий в двух состояниях. Мы можем назвать эту разницу потенциальных энергий разностью гравитационных потенциалов.

Таким образом, предмет на 80-м этаже небоскреба имеет большую потенциальную энергию, чем предмет, находящийся на 10-м этаже того же самого небоскреба. Все точки на 80-м этаже имеют одну и ту же потенциальную энергию, и все точки 10-го этажа тоже имеют одинаковую потенциальную энергию. Оба этажа представляют собой равнопотенциальные поверхности.

Чтобы сдвинуть предмет с одной точки 10-го этажа на другую (игнорируя силу трения), не понадобится затратить никакой энергии, так как гравитационная разница равна нулю. То же самое будет верно при сдвиге предмета с одного места на другое на 80-м этаже. Несмотря на то что абсолютная потенциальная энергия на 80-м этаже больше, постоянная гравитационная разница также равна нолю.

Таким же образом, не сложнее поднять тело с 80-го этажа на 82-й, чем с 10-го на 12-й. (Если быть совсем точным, на 80-м этаже гравитационная сила чуть слабее, чем на 10-м, но разница столь незначительна, что ею можно пренебречь.) Значение имеет лишь разница в 2 этажа, которая одинакова в обоих случаях. Мы можем измерить разницу в высоте (единственно важную для нас) по количеству энергии, которое мы должны внести, чтобы поднять тело определенной массы на эту разницу в высоте.

В системе МКС единица энергии — джоуль (см. ч. I), а килограмм — единица массы. Таким образом, единица постоянной гравитационной разницы — Дж/кг.

Эта ситуация аналогична наблюдаемой в электрическом поле. Как требуется энергия, чтобы отодвинуть одну массу от другой, точно так же требуется энергия, чтобы отодвинуть положительно заряженное тело от отрицательно заряженного, и наоборот. (Надо затратить энергию, чтобы придвинуть отрицательно заряженное тело к другому отрицательно заряженному телу или положительно заряженное тело к другому положительно заряженному. Для описанной ситуации нет подходящей аналогии в гравитационной системе, так как не существует такого явления, как гравитационное отталкивание.) При отдалении противоположно заряженных тел и приближении одинаково заряженных возрастает электрическая потенциальная энергия; однажды заряженные тела поменяли положение по отношению друг к другу, и разница в их потенциальной электрической энергии — разность электрических потенциалов.

(Понятие об изменении потенциальной энергии гораздо более широко используется в электрофизике, чем в других областях физики, поэтому, когда термин разность потенциалов используется без определения, он будет с большей вероятностью относиться к разности электрических потенциалов, чем, скажем, гравитационных.)

Опять же, разность электрических потенциалов может быть измерена в количестве единиц энергии, которые нужно приложить к определенному заряду, чтобы переместить его на определенное расстояние.

В системе МКС единица заряда — кулон, следовательно, единица энергетической потенциальной разницы — джоуль на кулон. Эта единица используется так часто, что ей было дано специальное название — вольт — в честь итальянского физика Алессандро Вольты (1745–1827), чья работа будет описана ниже. Из-за этого разность электрических потенциалов (или электрическое напряжение) могут иногда называть «вольтаж». Вернемся опять к гравитационной аналогии и представим предмет, покоящийся на ровной поверхности. Он не имеет стремления к спонтанному перемещению на другой участок этой ровной поверхности, так как разность гравитационных потенциалов между разными точками ровной поверхности равна нулю. С другой стороны, если предмет поднять над поверхностью на расстояние метра и отпустить, то он самопроизвольно упадет, двигаясь из точки с большей потенциальной энергией в точку с меньшей потенциальной энергией. Это спонтанное движение производит разность гравитационных потенциалов.

Таким же образом, и электрический заряд не имеет стремления к спонтанному движению из одной точки электрического поля в другую с таким же уровнем потенциальной энергии. Однако если разность электрических потенциалов имеет место, то у электрического заряда будет тенденция к самопроизвольному движению из точки с большей энергией в точку с меньшей. Поскольку именно разность электрических потенциалов является причиной спонтанного движения энергетического заряда, то мы можем говорить об этой разности как об электродвижущей силе (силе, которая «двигает электричество»), сокращенно ЭДС. Поэтому часто вместо того, чтобы говорить о потенциальной разнице во столько-то вольт, часто говорят «ЭДС во столько-то вольт».

Чтобы создать разность потенциалов, или ЭДС, сначала надо так или иначе произвести отдаление противоположных зарядов или сближение одинаковых зарядов. Таким образом, с помощью трения стеклянного стержня шелком убирают отрицательно заряженные электроны из стержня (положительный заряд которого возрастает) и добавляют отрицательно заряженные электроны к кусочку шелка (который становится все больше и больше отрицательно заряженным).

Иногда можно создать ЭДС путем сдавливания некоторых кристаллов. Кристалл часто состоит из положительно и отрицательно заряженных частиц, расположенных таким образом, что все положительно заряженные частицы и все отрицательно заряженные частицы сгруппированы около одной центральной точки. Если кристалл сдавить с двух сторон, он подвергнется уплощению и разрушению, и заряженные частицы, составляющие кристалл, будут сдвинуты вместе и будут расплющиваться в стороны. В большинстве случаев оба типа частиц поменяют позицию одинаковым образом и останутся распределены вокруг той же центральной точки.

Однако в некоторых случаях изменения будут такими, что среднее положение отрицательно заряженных частиц немного сместится по отношению к среднему положению положительно заряженных частиц. Это означает, что произведено отделение положительных зарядов от отрицательных, а следовательно, произведена и разность потенциалов между двумя сторонами кристалла.

Этот феномен был открыт Пьером Кюри (который открыл точку Кюри, см. гл. 9) и его братом Жаком в 1880 году. Они назвали феномен пьезоэлектричество («электричество через давление»).

Ситуация также может быть и обратной. Если кристалл, способный проявлять пьезоэлектричество, поместить в электрическое поле так, чтобы разность потенциалов проходила сквозь кристалл, то он изменит свою форму соответствующим образом. Если потенциальная разница применяется и устраняется много раз подряд, то можно заставить кристалл вибрировать и производить звуковые волны. Если кристалл имеет подходящие размер и форму, то он будет производить звуковые волны такой высокой частоты, что они будут лежать в ультразвуковом диапазоне (см. ч. I). Такого рода взаимные переходы звука и электрического напряжения используются в современных проигрывателях.