Landsberg-1985-T2

Н!IЮ! тех же раз:'>н:ров и фОР:l1Ы. Когда мы ГОВОРЮf, что !{а­

кое-либо вещество является диэлектрика:'>!, то это значпт .

только, что при данных его ПРИ:l1енениях :vrbI можем

пренеGречь проходящими через него зарядюш.

Так, наПРИ:\lер, через янтарную пробку элеКТРОСl<опа,

несмотря на то что янтарь является наилучшим из извест­

ных ДlIэлектриков, все же проходит некоторое количество

электричества. Однако заряд, прошедший через пробку за

время эксперимснта, всегда бывает ничтожно мал по срав­

ненИlО с полным зарядом элеJ{троскопа, и поэтому янтарь

является ПОДХОДЯЩI!М диэлеJ{ТРИКОМ для электроскопа.

Совсем не то наGлюдалось бы в элеКТРОСJ{опе с изоляцией из фарфора. В это!\! случае заряды, утеJ{ающие через фарфо­

ровую пробку за время опыта, были бы сравнимы с З<1РЯ­

дом электроскопа, и мы увидели бы, что ЛИСТКII электро­

скопа заметно опадают. Фарфор является недостаТОЧНЫ1\! диэлектриком для этих целей. Однако тот же фарфор ока­

зывается прекрасным материалом для теХНIIческих изоля­

торов, так как заряд, проходящий через такой изолятор за

некоторый промежуток времени, ничтожно мал по сравне­

нию с огромными заряда:\IИ, протекающи;vш через провода

за то же вре:l1Я. МЫ ВИДИ:l1, что разде/1ение на проводника u диЭ/1ектрики УС/10вно. И :I10жет даже оказаться, что одно и

то же вещество в одних случаях должно Р<1сс;vrаТРllВаться как диэлектрик, а в других случаях - как провод­

ник.

До сравнительно недзвнего вре:l1ени в электротехнике применялись почти исключительно либо металлы, по кото­ рым заряд распространяется чрезвычайно леГJ{О, либо ди­ электрики с очень ВЫСОКlIМИ изолирующими свойствами -

такие, как фарфор, стекло, эбонит, янтарь и т. п. Из метал­

лов изготовляются провода, из диэлектриков - опоры,

предотвращающие утечку заряда с проводов. Подавляющее большинство ьеществ природы не принадлежит, однако, ни к той, ни !{ другой группе; эш вещества являются так называемыми ПОЛУПРО80дНU1\1НШ, т. е. по своим свойствам

занимают промежуточное положение между очень хороши­

ми проводниками 11 Очень хорошими диэлеJ{ТРИI{ами. Они

мало пригодны ПОЭТО:VIУ и для изготовления проводов и для

изолирующих опор. Однако в последние десятилетия обна­

ружен и изучен ряд совершенно особых свойств полупровод­

ников, что открыло возможность чрезвычайно важных и

многообещающих применений их в различных областях

науки и техники. Подробнее об этих свойствах полупровод­

ников будет сказано в гл. IX.

14

Изолирующие свойства пещества зависят также от его

состояния и могут сильно изменяться. На рис. 6 изображен опыт, показывающий, что стекло совершенно утрачивает изолирующие свойства при высокой температуре. Разрежем один из проводов, идущих К электрической лампочке, и, счистив изоляцию, прикрутим образовавшиеся концы к стек­

лянной палочке. При включении тока лампочка не светит··

ся, так как при комнатной температуре стекло является достаточно хорошим диэлектриком. Если, однако, сильно

Рис. 6. При разогревании стекло становится проводником и лампочка

начинает светиться

нагреть стеклянную палочку при помощи горелки, лампоч­

ка начинает светиться; следовательно, через нагретую стек­

лянную палочку ток проходит. При этом можно наблюдать

еще одно явление. Электрический ток, проходя через стек­

лянную палочку, сам нагревает ее, притом тем значитель­

нее, чем сильнее ток. Поэтому если взять лампочку доста­

точно мощную, т. е. такую, что через нее может проходить

сильный электрический ток, то этот ток будет сильно разо­ гревать палочку. Горелку можно будет убрать, а стекло

останется горячим и хорошо проводящим; нагревание стек­ ла все время увеличивается, и в конце концов стекло рас­

плавится.

§ 4. Положительные и отрицательные заряды. Зарядим

при помощи стеклянной палочки, потертой о шелк, легкую

гильзу, подвешенную на шелковой нити, и поднесем к ней кусок сургуча, заряженного трением о шерсть. Гильза бу­ дет притягиваться к сургучу (рис. 7). Однако мы видели

(§ 1), что эта же подвешенная гильза отталкивается от ?а­

рядившего ее стекла. Это показывает, что заряды, возни­

кающие на стекле и сургуче, различаются по качеству.

15

Следующий опыт показывает это еще нагляднее. Заря­

ДИМ два одинаковых электроскопа при помощи стеклянной палочки и соединим их стержни металлической ПРОВОЛОКОЙ,

держа последнюю за изолирующую ручку. Если электро­

СIЮПЫ вполне одинаковы, то после соединения отклонения

их листков делаются равными, указывая этим на то, что

полный заряд распределяется поровну между обоими элект­

роскопами. Зарядим теперь один из электроскопов при по­ мощи стекла, а другой - при помощи сургуча, и притом

так, чтобы отклонения их листков стали одинаковы, и опять

соединим их (рис. 8). Оба электроскопа окажутся незаря­

женными, а значит, заряды стекла и заряды сургуча, взятые

в равных количествах, нейтрализуют, или компенсируют,

друг друга.

Если бы в этих опытах мы использовали другие заряжен­ ные тела, то нашли бы, что часть из них действует как заря­

женное стекло, т. е. они отталкиваются от зарядов стеКЛа

ипритягиваются к зарядам сургуча, а часть - как заря­

женный сургуч, т. е. они притягиваются к зарядам стекла

иотталкиваются от зарядов сургуча. Несмотря на обилие

различных веществ в природе, существует только два раз­

ных рода электрических зарядов.

Мы ВИдИм, что заряды стекла и сургуча могут компенси­

ровать друг друга. Но величинам, которые при сложении

уменьшают друг друга, принято припиcыатьь разные знаки.

16

Поэтому условились приписывать и электрическим зарядам

знаки, разделяя заряды нв положительные и отрицатель­

ные (рис. 8).

Положительно заряженными называют тела, которые действуют на другие заряженные тела так же, как стекло,

наэлектризованное трением о шелк. Отрицательно заряжен­

ными нasы8отт тела, которые действуют так же, как сур­

гуч, наэлектризованный трением о шерсть. Из опытов, описанных выше, следует, что одноименные заряды оттал­ киваются, разноименные - притягиваются *).

этих двух OllhlТax.

4.3.Каким образо:-!, IIмея под рука~1И горелку, можно удалить

электрические заряды с диэлектрика, например с наэлектризован.

ной стеклянноii палочки?

4.4. Станьте на деревянную доску, положенную на четыре изо.

Шlрующие подставки, напри\!ер на крепкие стеклянные стаканы,

В03Ыlите в рук)' кусок меха и начните бить мехом по деревянному

столу. Ваш товарищ \lOжет извлечь из вашего тела искру, поднеся

к He\iY руку. Объясните, что при этом происходит,

4.5. Как доказал, на опыте, что шелк при трении о стекло элект.

ризуется и I1rитом отриuательно?

§ 5. Что происходит при электризации? До сих пор мы не

интересовались тем, что происходит с телом, когда мы соз­

даем на нем электрические заряды. Сейчас мы рассмотрим это подробнее.

Прежде всего покажем, что при электризации заряжают­ ся оба тела. Для этого укрепим на хорошо изолирующих

ручках две пластинки: эбонитовую и деревянную, покры­

тую сукном. для более точного суждения о заряде пласти­

IIOK мы будем не просто касаться ими стержня электроско­

па, а предварительно укрепим на электроскопе металличес­

кий стакан (рис. 9). В § 31 мы увидим, что если внести за­

ряженное тело внутрь замкнутой проводящей полости, даже

не касаясь телом ее стенок, то на внешней поверхности

полости появляется заряд, в точности равный внесенному

*) Выбор названия «ПОЛОЖИТCJlьный» для зарядов, возникающих

на стекле. и «отриuательный» для зарядов на сургуче совершенно

случаен.

17

внутрь заряду. Приближенно это будет верно I! для поло­

сти с неБОЛЬШIШ отверстием, например для узкого высокого

стакана.

Поместим каждую нз пластинок в стакан. Электроскоп не

показывает отклОнения листков; это доказывает, что обе

пластинки вначале не заряжены. Затем потрем пластинки

друг о друга и будем снова вносить их порознь В стакан. При внесении каждой пластинки электроскоп обнаружит большое отклонение листков, указывающее, что при трении заря'цНЛИСЬ как эбонит, так и сукно.

Внесем обе потертые друг о друга пластинки в СТaI{ан

электроскопа одновременно. Электроскоп не будет показы­

ные и отрицательные З<lрЯДЫ каким-то образом разделяются,

так что на одной П,1астинке (сукно) оказывается избыток

положительных зарядов, а на другой (эбонит) - такой же избыток отрицательных зарядов. Поэтому, хотя каждая из

пластинок заряжена, общая сумма положительных и отри­

цательных зарядов по-прежнему равна нулю.

18

В дальнейших главах мы покажем, что представление

об электризации КaI{ о разделении зарядов действительно

правильно. МЫ увидим, что отрицательный заряд связан

с мельчайшими частицами вещества, называемыми электро­

нами. Заряды всех электронов одинаковы и равны по моду­ лю так называемому эле;нентаРНОIIIУ заряду е - наимень­

шему заряду, существующему в природе *). Масса электро­

на очень мала и составляет приблизительно 1/2000 долю мас­ сы водородного атома. Поэтому можно придать телу или от­

нять от него очень большое число электронов без заметного

изменения его массы.

В настоящее вре~1Я также известно, что в состав любого

атома входит определенное число электронов. Такой атом

в естественном состоянии не является заряженным, так как

~6~

~ о) :v

Рис. 10. Условная схема: а) нейтрального атома; б) положите.1ЬНОГО иона; в) отрицательного иона

внутри него имеется еще и положительно заряженная

часть - атомное ядро, пр€дставляющее основу всякого ато­

ма. При этом сумма отрицательных зарядов всех электронов

по модулю в точности равна положительному заряду ядра

(рис. 10, а).

Если, однако, тем или иным способом мы удалим из ато­

ма один или несколько электронов, то у атома окажется

избыток положительного заряда; другими словами, он будет

заряжен положительно. Атом в таком состоянии называет­

ся положительным иона.М (рис. 10, б). Точно так же, если к атому присоединятся избыточные электроны, мы получим отрицательно заряженный атом или отрицательный ион

(рис. 10, в). Процесс электризации представляет собой пе­ ренесение с одного тела на другое электронов или ионов. Ясно, что при электризации любого тела на другом теле

должен всегда возникнуть заряд, равный по модулю и про­ тивоположный по знаку заряду, возникшему на первом

теле. Именно это мы и наблюдали в описанных опытах.

*) Элементарный заряд е является фундаментальной физи ческой

ПОСТоянной. (Прuмеч. ред.)

19

§ 6. Электронная теория. Теория, объясняющая электри­

ческие свойства тел наличием в них электронов и их дви­

жею!е~1, носит название электронной теории. Эта теория очень просто н наглядно объясняет многие электрические

явления; И поэтому при изучении электричества целесооб­

разно с самого же начала ввести электронные представле­

ния. Разберем с этой точки зрения некоторые опыты, ОПИ­

санные выше.

В § 2 мы видели, что через металлы и другие проводники

заряды могут легко переходить с одного тела на другое.

Это значит, что в проводниках электрические частицы могут свободно перемещаться. И обратно: всякое тело, в котором

электрические частицы могут легко перемещаться, должно

оказаться хороши:У1 проводником. Наоборот, 113 того факта,

что cTeKJ10 плохо проводит электричество, :У1Ы :-,юже~1 за­

КЛlочить, что ВНУТрИ стекла (и других диэлектриков) пере­

мещею!е электрнчеСIШХ частиц от одного ;VIeCTa к другому

BeCb:lla затруднено. В хорошо проводящих раСТIюрах, на­

прш.lер в растворах поваренной соли, легко перемещаются

как ПО.l0житеЛЫIЫе, так и отрицательные ионы. В металлах

же ионы передвигаться не могут, и единственными перенос­

чикам!! заряда в металлах являются электроны. Эти элект­ роны, свободно перемсщаЮЩllеся по' j\Iеталлу, называют свободНЫ.ни электроншш или электронамu nроводиЛlOсти.

Когда мы заР$1жаем KcJl{oe-либо тело, то мы создаем на

нем либо недостаток, либо избыток электронов по сравнению

сих нормальным числом, при котором тело не заряжено.

При Этом электроны заШ,lстСУЮI71СЯ у какого-либо другого

тела uли удаляются из тела, но отнюдь не уничтожаются

и не создаются вновь. Таким образом, явление зарядки и

разрядки тел сводится к перераспределению электронов

без изменения общего числа их.

Мы знаем, что при соединении заряженного проводника с незаряжен:шм заряд распределяется :У1ежду обои:У1И тела­ ми. С электронной ТОЧКИ зрения это происходит следующим образо:v!. Если первое тело заряжено отрицательно, то

электроны под действием взаJ!\1НОГО отталкивания перехо­ дят на второе тело. ЕСЛJ! же первое тело заряжено ПОЛОЖи­ тельно, то оно ПРIlтяГ!шает к себе электроны второго тела.

В обоих случаях заряд будет У\1еньшаться на первом теле

и увеличиваться на втором до тех пор, пока вновь не насту­

пит равновесие.

Наконец, мы видели (§ 4), что положительные и отрица­

тельные заряды компенсируют друг друга, так что, соеди­

няя равные по модулю разноименные заряды, мы получаем

20

отсутствие заряда. С электронной точки зрения это очевид­

но: соединяя два проводника, в одном из которых не хва­

тает стольких же электронов, сколько их содержится в из­

бытке в другом, мы получим н,орltШлыюе число электронов

в каждом иа проводников, т. е. каждый из проводников

окажется незаряженным. Появление положительных и от­

рицательных зарядов при электризации тел трением пред­

ставляет более сложный процесс, в деталях еще не вполне

выясненный; но и в этом случае дело сводится именно к

разделенuю зарядов, а не к образованию их.

§ 7. Электризация трением. Основной причиной явления,

которое мы называем «электризация трением», является то,

что при тесном соприкосновении двух различных тел часть

электронов переходит с одного тела на другое (рис. 11). В результате этого на по~ерхности первого тела оказывает­ ся положительный заряд (недостаток эл~ктронов), а на по­

вР.рхности второго тела - отрицательный заряд (избыток

электронов). Смещение электронов при этом очень мало, оно бывает порядка межатомных расстояний (""" 10-10 м) *). Поэтому возникший на границе двух тел так называемый двойной электрuческой слой ничем не проявляет себя во внешнем пространстве. Но если тела раздвинуть, то на каждом изних окажется заряд того или иного знака (рис. 12). В этом мы и убеждаемся, внося каждое из этих тел в стакан

Говоря о «тесном соприкосновении» двух тел, мы имели

в виду такое сблщкение их, при котором расстояние между

частицами разных тел становится примерно таким же, как

расстояние между атомами или молекулами одного и того

же тела. Только при этих условиях возможен «захват» одним

*) Знак"" перед ЧИCJIом означает «порядка». (Прuмeч. ред.)

21

телом электронов другого тела и возникновение ДIЮЙНОГО электрического слоя. Но тела, с которыми мы IIмеем дело, никогда не бывают идеально гладкими. Поэтому даже тогда, когда мы прижимаем: два тела вплотную друг 1( другу, дей­

ствительно тесное· сопр"косновение их в указанном смысле

слова имеет MecT.Q не на всей поверхности тел, а только в отдельных небольшпх участках. Когда мы трем тела друг

о друга, мы увеличиваем число таких участков тесного со­

прикосновения, в которых происходит электризация, и тем

сюшм увеЛИЧIIвае,\( общий заряд, который окажется на

каждом из тел, когда мы их раздвинем. Только в этом и заключается роль трения. «Электризация трением» - это на­

звание, имеющее только историческое проис~ождение.

Рис. 13. Электризация ВОДЫ и парафинового шарика, погруженного

внее

Втом, что дело обстоит именио так и что возникновение

электрических' зарядов при тесном соприкосновении различ­

ных тел происходит и тогда, когда трения между э"ТИми тела­

ми в обычном смысле слова нет, нас убеждает опыт, изобра­ женный на рис. 13. Возьмем' два электроскопа и укрепим на стержне каждого из них высокий металлический стакан, как на рис. 9. В один из этих стаканов нальем дистиллиро­

ванную воду и погрузим В нее шарик из парафина, укреп­

ленный на изолирующей ручке (рис. 13, а). Вынув этот ша­

рик из воды, мы увидим, что листки электроскопа разой-

22

дутся (рис. 13, б справа). Опыт удается независимо от того,

погрузим мы шарик в воду на малую или -на большую глубину

и будем ли мы вынимать его из воды медленно или быст­

ро. Это показывает, что заряды раз~еляются при соприкос­

новении шарика и жидкости и что трение, как таковое,

здесь роли не играет. Перенеся шарик во второй стакан

(рис. 13, б слева), мы увидим, что ЛJJСТЮI вт(!)рого электро­

скопа расходятся, т. е. шарик приобрел электрический за­

ряд при соприкосновении с водой. Соединим теперь электро­

скопы проволокой (рис. 13, в); листкп обоих электроскопов опадают, и этО показывает, что заряды, приобретенные водой

и шариком, равны по модулю и противоположны по знаку.

Разделение зарядов и возникновение двойного электри­ ческого слоя имеет место при соприкосновении любых двух

различных тел: диэлектриков или проводников, твердых

тел, жидкостей или газов. Мы увидим дальше (§ 76), какое

значение имеет этот факт дпя объяснения ряда важных яв­ лений, в том числе действия гальванических элементов. Почему же, описывая явления электризации трение:\1, мы всегда брали для опыта только хорошие диэлектрики - янтарь, стекло, шелк, эбонит и т. П.? Причина этого за­

ключается в TO:VI, что в диэлектриках заряд остается там, где

он возник, и не может через всю поверхность тела перейти

на другие соприкасающиеся с данным телом предметы.

Впрочем, одно из натираемых тел могло бы быть и куском металла, укрепленным на изолирующей ручке. Однако наш

опыт электризации трением не удалея бы, если бы оба тру­ щиеся друг о друга тела были металлами, даже если оба

эти тела были изолированы. Причина заключается в том,

что мы практически не можем отделить наши тела одно от другого сразу по всей поверхности. Вследствие неизбежной

их шероховдтости в момент отрыва всегда будут оставаться

какие-то последние точки соприкосновения, и так как

электроны свободно движутся через металл, то через эти «мостики» в последний момент все избыточные электроны

перетекут С'одного куска металла на друrой, и оба они ока­

жутся незаряженными.

7.1.Почему при расчесывании сухих волос пластмассовым греб­

?нем ВО,10СЫ «прилипают» ктребню (при этом иногда слышно легкое потрескивание, а в темноте удается наблюдать и маленькие ис­ корки, проскакивающие между волосами и гребнем)?

7.2.Прижмите к теплой кафельной печи лист бумаги и потрите его ладонями. Лист пристанет к поверхности печи. При отрывании слышен треск, и в темноте видны искры между бумагой и печью.

Объясните явление. Почему опыт обычно не удается с холодной, нетопленной печью? Обратите внимание на сказанное в § 2.

_23