Глава 1 Электрическое поле в вакууме

§ 1.1 Закон сохранения электрического заряда

Еще в древности было обнаружено, что янтарь, потертый о шерсть, приобретает способность притягивать пылинки и ворсинки. Однако только в 1600 г. английский врач У. Гильберт подробно исследовал это явление и выяснил, что подобным свойством обладают и другие вещества. Тела, способные, подобно янтарю, после натирания притягивать легкие предметы, он назвал наэлектризованными (от греческого electron – янтарь). Теперь мы знаем, что на телах в таком состоянии имеются электрические заряды, т.е. они заряжены. Наличие электрического заряда проявляется в том, что заряженное тело взаимодействует с другими заряженными телами.

Несмотря на огромное разнообразие веществ в природе, существуют только два рода электрических зарядов: 1) «положительные» - подобные тем, которые возникают на стекле, потертом о шелк, 2) «отрицательные» - подобные тем, которые возникают на эбоните, потертом о мех. Одноименные заряды друг от друга отталкиваются, разноименные  притягиваются. Существование двух родов зарядов открыл французский ученый Ш. Дюфе (1733).

Опытным путем в 19101914 г.г. американский физик Р. Милликен (18681953) показал, что электрический заряд дискретен, т. к. заряд q любого тела является кратным элементарному заряду е (наименьший встречающийся в природе электрический заряд называют элементарным зарядом):

q=Ne, е=1,610^-19 Кл, N=1,2,3,... (1.1)

Однако элементарный заряд настолько мал, что возможную величину макроскопических зарядов можно считать изменяющейся непрерывно. Так, например, электрон (m_e = 9,1110^31 кг) и протон (m_p = 1,6710^27 кг) являются, соответственно носителями элементарных отрицательного и положительного зарядов. Электрон был открыт в 1897 г. английским физиком Дж. Томсоном. Протон был открыт в 1919 г. английским физиком Э. Резерфордом.

Согласно современным представлениям все вещества состоят из атомов, а каждый атом состоит из ядра и движущихся вокруг него электронов. Размер атома порядка 10^10 м, а размер ядра порядка 510^15 м, т.е. отношение объема ядра к объему атома порядка 10^13. Ядро состоит из протонов и нейтронов. Атомный номер элемента Z в таблице Менделеева равен числу протонов. Общее число Z протонов и N нейтронов в ядре называется массовым числом: A=Z+N. В нормальном состоянии атом имеет Z электронов, т.е. атом электрически нейтрален.

Первая последовательная теория электрических явлений была создана американским ученым Б. Франклином. В 1749 г. он высказал гипотезу, что оба рода электричества представляют собой избыток или недостаток «электрической жидкости». При натирании янтарной палочки мехом часть электрической жидкости переходит к меху, порождая недостаток электричества на палочке. В его теории недостаток электрической жидкости определялся как отрицательное электричество, а избыток – как положительное. Величину избытка или недостатка электричества он назвал зарядом тела. Поэтому на янтаре возникает отрицательный заряд. Когда мы натираем стеклянную палочку, часть электричества переходит от шелка к стеклу, которое приобретает положительный заряд. После открытия электрона стало ясно, что именно электроны переходят от стеклянной палочки на шелк. Однако к этому времени представления, введенные Франклином, прочно утвердились в электротехнике. Для того чтобы не менять установившуюся терминологию и маркировку генераторов и моторов, пришлось приписать электронам отрицательный заряд. Мы по-прежнему говорим, что ток течет от шелка к стеклянной палочке.

Установив электрическую природу молнии, Франклин осуществил свое главное изобретение – молниеотвод или громоотвод. Штырь молниеотвода на здании не предотвращает удар молнии, а обеспечивает безопасный путь к земле для любой молнии, оказавшейся рядом со штырем. Проволока, соединяющая штырь с влажной землей, должна быть достаточно массивной, чтобы не сильно нагреваться при проскальзывании молнии. Штырь молниеотвода создает защитный конус с углом около 60⁰ для всего находящегося под ним. Штырь не разряжает облака, которые обычно находятся гораздо выше. Не оказывает он никакого влияния на то, что молния может оборваться в какой-либо точке небосвода, хотя острый конец штыря и может создавать небольшое локализованное облако заряженного воздуха вокруг себя, увеличивая, таким образом, защищенную область.

Б. Франклин сформулировал фундаментальную гипотезу: при натирании стеклянной палочки шелком величина положительного заряда палочки в точности равна величине отрицательного заряда, переданного шелку. Полный заряд изолированной системы палочка – шелковая ткань остается равным нулю (изолированной или замкнутой называют систему, которая не обменивается заряженными частицами с другими системами). Таким образом, при электризации сумма зарядов двух тел не меняется,  электроны переходят от одного тела к другому.

Все тела в природе способны электризоваться, т. е. приобретать электрический заряд. Электризация тел может осуществляться различными способами (соприкосновением, трением, электростатической индукцией и т.д.), но всегда сводится к разделению зарядов, при котором на одном из тел (или части тела) появляется избыток положительного заряда, а на другом (или другой части тела)  избыток отрицательного заряда. Общее количество зарядов обоих знаков, содержащихся в телах, не изменяется: эти заряды только перераспределяются между телами.

Из обобщения опытных данных был установлен фундаментальный закон природы, экспериментально подтвержденный в 1843 г. английским физиком М. Фарадеем (17911867),  закон сохранения заряда: алгебраическая сумма электрических зарядов любой замкнутой системы остается неизменной, какие бы процессы не происходили внутри этой системы.

Электрический заряд тела не зависит от выбора (инерциальной) системы отсчета, в которой он измеряется. Он инвариантен относительно перехода от одной инерциальной системы отсчета к другой.

В 1729 г. англичанин С. Грей обнаружил, электричество может перемещаться по нити и другим телам, и ввел понятия проводник и изолятор (он же открыл явление электростатической индукции).

В зависимости от концентрации свободных зарядов все тела можно делить на проводники, диэлектрики и полупроводники. Проводники  тела, в которых электрический заряд может перемещаться по всему его объему. Проводники делятся на две группы:

- проводники первого рода (металлы)  перенесение в них зарядов (свободных электронов) не сопровождается химическими превращениями;

- проводники второго рода (например, расплавленные соли, растворы кислот, щелочей, солей)  перемещение в них зарядов (положительных и отрицательных ионов) сопровождается химическими превращениями.

Диэлектрики (например, стекло, пластмассы)  тела, в которых практически отсутствуют свободные заряды. Полупроводники (например, германий, кремний) занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Указанное деление тел является весьма условным, однако большое различие в них концентраций свободных зарядов обусловливает огромные качественные различия в их поведении и оправдывает деление тел на проводники, диэлектрики и полупроводники.

Единица заряда  кулон (Кл)  является производной единицей и определяется как заряд, проходящий за 1 с через сечение проводника при силе постоянного тока 1 А (1 Кл = 1 Ас). Определение ампера основано на законе магнитного взаимодействия токов и будет дано в § 5.24.