Электрический заряд

Гильберт, который ввел понятие о Земле как о магните, также изучал силу притяжения натертого янтаря. Он надел на стержень подвижную металлическую стрелку так, чтобы она поворачивалась под давлением совсем незначительной силы. С его помощью Гильберт смог обнаруживать очень слабые силы притяжения и взялся за поиск других веществ, которые, будучи натертыми, обретали бы подобные свойства. Начав свои исследования в 1570 году, он обнаружил, что некоторые драгоценные камни, такие, как алмаз, сапфир, аметист, опал, карбункул, гагат (черный янтарь) и даже обыкновенный горный хрусталь, будучи натертыми, проявляют силу притяжения. Он назвал такие вещества «электриками». Вещества, проявляющие такую силу притяжения, стали называть наэлектризованными или получившими электрический заряд.

Ряд же других веществ, в частности металлы, оказалось невозможно наэлектризовать, следовательно, они получили характеристику «неэлектриков». В конце концов электричество стали считать чем-то вроде жидкости. Когда вещество, например янтарь, становилось наэлектризованным, считалось, что оно приобрело электрический заряд, остающийся в нем постоянно. Такой заряд был назван статическим электричеством (от латинского слова, означающего «быть неизменным»), а учение о свойствах электричества в таких условиях получило название электростатика.

Для того чтобы полноценно изучать электрические силы, нужно было собрать достаточное количество этой жидкости — больше, чем могут содержать в себе маленькие кусочки драгоценных и полудрагоценных материалов. Необходимо было найти какое-то дешевое и доступное в больших количествах вещество, подверженное электризации.

В 60-х годах XVII века немецкий физик Отто фон Герике (1602–1686) нашел такой материал — им оказалась сера. Он изготовил из серы сферу размером больше человеческой головы и сделал так, чтобы ее можно было вращать рукояткой. Рука, помещенная на нее, по мере того как сфера поворачивалась под рукой, постепенно наэлектризовывала сферу до беспрецедентной для того времени величины. Герике сконструировал первую механическую электростанцию, работавшую от трения.

Герике обнаружил много общего между электростатическими и магнитными силами. Например, он выяснил, что имело место электростатическое отталкивание, так же как и электростатическое притяжение, в то время как магнитам тоже были присущи и отталкивание, и притяжение. Опять же вещество, поднесенное к наэлектризованной сере, само временно становилось наэлектризованным, подобно тому как кусочек железа, поднесенный к магниту, сам временно намагничивается. Таким образом, получалось, что наравне с магнитной индукцией существует и электростатическая индукция.

В 1729 году английский исследователь электричества Стефан Грей (1696–1736) наэлектризовал длинные стеклянные трубки и обнаружил, что пробки, помещенные в концы трубок, так же как и шарики из слоновой кости, прикрепленные к этим пробкам длинными палочками, электризуются при натирании стекла. Электрический ток, который образовался во время трения, по-видимому, распространился по веществу через пробку и палки на слоновую кость. Это было первое четкое свидетельство того, что электричеству не обязательно быть полностью статическим, что оно может перемещаться.

В то время как электрический заряд, однажды созданный путем натирания «электрика», распространяется по всему веществу, он не пройдет полностью через него, войдя в одной точке и выйдя в другой. С «неэлектриками» же именно так и происходит — через них ток проходит насквозь. Действительно, через металлы электрический ток проходит чрезвычайно быстро, так быстро, что заряженное вещество теряло свой заряд, становясь разряженным, если получало контакт с металлом, соприкасающимся, в свою очередь, с землей. Заряд уходил из вещества через металл в огромное тело земли, распространяясь по которому он становился таким слабым, что его уже нельзя было обнаружить.

Это объясняло тот факт, что металлы не электризовались путем натирания. Электрический заряд, как только появлялся, переходил из металла практически в любое тело, соприкасающееся с ним. Грей поместил металлы на блоки канифоли (которые не допускали прохода электрического заряда). В таких условиях куски металла, если их тщательно потереть, действительно наэлектризовывались, так как формировавшийся в металле заряд не мог сразу пройти через канифоль и был, так сказать, пойман в металле. Короче, в конце концов выяснилось, что электрические силы, как и магнитные, присутствуют в материи повсеместно.

По результатам работы Грея вещества были поделены на два класса. Первый класс включает в себя металлы — наилучшие примеры, в частности, золото, серебро, медь и алюминий — материалы, через которые электрический заряд проходит с огромной скоростью. Это электропроводники. Вещества другой группы, представителями которой являются янтарь, стекло, сера и резина (каучук), — материалы, которые с легкостью электризуются при трении, — оказывают огромное сопротивление электрическому потоку. Это электроизоляторы (от латинского слова, означающего «остров», так как такой материал может быть использован для изоляции электрических объектов, не давая электричеству покидать их и, таким образом, делая предметы, так сказать, островами электричества).

Представления об электростатическом притяжении и отталкивании развил в 1733 году французский химик Шарль Франсуа Дюфе (1698–1739). Он наэлектризовал маленькие кусочки пробки, прикасаясь к ним уже наэлектризованным стеклянным стержнем, так что электрический заряд частично переходил со стекла на пробку. Несмотря на то что стеклянный стержень притягивал пробку, пока последняя не была заряжена, стержень и пробка отталкивали друг друга, когда пробка заряжалась. Более того, два кусочка пробки, заряженные от стекла, также отталкивали друг друга.

То же самое происходило, когда два кусочка пробки были заряжены прикосновением уже наэлектризованного стержня из канифоли. Однако пробка, наэлектризованная стеклом, притягивала пробку, наэлектризованную резиной.

Тогда Дюфе решил, что существуют два вида электрического заряда, и он назвал их «стеклянным электричеством» и «канифольным электричеством». Здесь, как и в случае с северным и южным магнитными полюсами, аналоги отталкивают друг друга, а противоположности притягиваются.

Против этой теории выступил Бенджамин Франклин. В 1740-х годах он провел эксперименты, которые довольно ясно показали, что заряд «стеклянного электричества» мог нейтрализовать заряд «канифольного электричества», так что не оставалось вообще никакого заряда. Эти два вида электричества не были просто разными, они были противоположными.

В качестве объяснения Франклин предположил, что существует только один электрический заряд и в норме все тела обладают им в определенной степени. Когда этот заряд имеется в нормальном количестве, тело не заряжено и не проявляет электрических свойств. В некоторых случаях в результате трения часть электрического заряда покидала натираемое тело, в других случаях, наоборот, заряд тела возрастал. Когда тело получало избыточный заряд, Франклин предложил считать его положительно заряженным, а когда заряд уменьшался — отрицательно заряженным.

Положительно заряженное тело притянет отрицательно заряженное, гак как электрический заряд стремится (так сказать) распределиться равномерно, и при контакте электрический заряд перейдет из места, где он в избытке, в место, где он в недостатке. В обоих телах концентрация заряда станет нормальной, и, таким образом, оба тела станут разряженными.

С другой стороны, два положительно заряженных тела будут отталкивать друг друга, так как избыток заряда в одном теле не будет стремиться к прибавлению такого же заряда из другого тела, скорее наоборот. Так же будут отталкиваться и два отрицательно заряженных тела.

Эти понятия помогают объяснить явление электростатической индукции. Если положительно заряженный объект подносится к незаряженному, то избыток заряда в первом будет отталкивать заряд второго и отводить его в дальнюю часть незаряженного тела, делая ближний край второго тела отрицательно заряженным, а дальний край положительно заряженным. (Незаряженное тело останется незаряженным в целом, так как отрицательный заряд одного края будет уравновешивать положительный заряд другого.)

Теперь будет иметь место притяжение между положительно заряженным телом и отрицательно заряженной частью незаряженного тела. Также будет наличествовать и отталкивание между положительно заряженным телом и положительно заряженной частью незаряженного тела. Однако поскольку положительно заряженный край незаряженного тела находится дальше от положительно заряженного тела, чем отрицательно заряженный край, то сила отталкивания будет слабее, чем сила притяжения, и в результате действовать будет сила притяжения.

То же самое происходит, когда к незаряженному телу подносится отрицательно заряженное. В этом случае электрический заряд незаряженного тела приближается к отрицательно заряженному телу. В незаряженном теле формируется положительно заряженная часть, находящаяся около отрицательно заряженного тела (в результате чего имеется сильное притяжение), и отрицательно заряженная часть, находящаяся дальше от отрицательно заряженного тела (в результате чего имеется слабое отталкивание). Общим действием этих двух сил опять же будет притяжение. Таким образом можно объяснить, почему электрически заряженные тела обеих разновидностей одинаково легко притягивают незаряженные тела.

В вопросах притяжения и отталкивания Франклин представлял себе положительный и отрицательный заряды подобно северному и южному полюсам магнита. Однако оставалось одно важное различие. Магнетизм Земли позволял стандартно различать между собой полюса магнита в зависимости от того, на север или на юг указывает определенный полюс. Но способа так же легко отличить отрицательный электрический заряд от положительного не обнаружилось.

По Франклину, положительный заряд получался в результате избытка электричества, но раз уж нет абсолютной разницы в поведении между «стеклянным электричеством» и «канифольным», то как можно определить, какой электрический заряд происходит от избытка заряда, а какой — от недостатка? Обе разновидности различаются только отношением друг к другу.

Франклину пришлось угадывать, четко понимая, что у него один шанс из двух, то есть шансы равны. Он решил, что натертое стекло приобретает электрический заряд и является положительно заряженным, а натертая канифоль теряет электрический заряд и становится отрицательно заряженной. После принятия этого решения все электрические заряды могли быть определены как положительные или отрицательные в зависимости от того, притягивались они или отталкивались зарядом, который уже был определен как положительный или отрицательный.

Со времен Франклина исследователи электричества считают, что поток электричества идет из точки наибольшей положительной концентрации энергии в точку наибольшей отрицательной концентрации, и этот процесс можно считать подобным тому, как поток воды бежит вниз с горы. Всегда существует стремление к ликвидации неравномерности распределения заряда, т. е. к уменьшению заряда в местах избытка и увеличению его в местах нехватки.

С точки зрения Франклина, подразумевалось, что электрический заряд не может ни появляться ниоткуда, ни исчезать в никуда. Если положительный заряд получается из-за притока электрического заряда, этот заряд должен быть получен откуда-то еще, и там, откуда он взялся, должна возникнуть его нехватка. И размер этой нехватки должен быть в точности равен размеру избытка заряда в точке его окончательного местонахождения. Так, если по стеклу терли шелком и оно приобретало положительный заряд, то шелк приобретал равный отрицательный заряд. Суммарный электрический заряд в стекле и шелке был равен нулю перед натиранием и оставался равным нулю после.

Это представление получило достаточно подтверждений со времен Франклина, и мы можем говорить о законе сохранения электрического заряда.

Мы знаем, что электрический заряд не может быть ни создан, ни уничтожен. Суммарный электрический заряд Вселенной постоянен. Нельзя забывать, что мы говорим о суммарном электрическом заряде. Нейтрализация положительного электрического заряда некоторой величины равным по величине отрицательным электрическим зарядом не является уничтожением электрического заряда. Сумма +x и –x равна 0; при такой нейтрализации меняется не сам электрический заряд, а лишь его распределение. Это верно и тогда, когда незаряженная система становится такой, что часть ее получает положительный заряд, а другая — равный по величине отрицательный заряд. Ситуация в точности аналогична той, что описывает закон сохранения импульса (см. ч. I).