III Электричество и магнетизм

3.1 Электростатика

3.1.1 Электрические заряды. Закон Кулона

Опытами установлено, что существуют электрические заряды двух родов. Условились заряды, подобные заряду стекла (натертого о шелк), называть положительными зарядами; заряды же, подобные заряду эбонита (натертого о мех), назы­вать отрицательными зарядами. Одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются. При трении любых двух тел на каждом из них возникает электрический заряд, при этом оба заряда всегда противоположны по знаку. Например, металлы при трении об эбонит электризуются положительно, а эбонит — отрицательно.

В незаряженных телах имеются разные по величине и противоположные по знаку заряды, вследствие чего действия их компенсируют друг друга. Тело, содержащее избыток положительных зарядов, заряжено. Тело, содержащее избыток отрицательных зарядов, заряжено отрицательно. При электризации двух тел соприкосновением заряды этих тел перераспределяются, вследствие чего на одном из них появляется избыток положительных зарядов, на другом - отрицательных.

Электричество имеет дискретное строение. Существуют электрические заряды только вполне определенной величины— «элементарный заряд», носителем которого является электрон. Они строго одинаковы по величине. Нет более крупных или более мелких «атомов электричества». На основании измерений элементарный электрический заряд, (отрицательный заряд электрона) считается равным е = 1,603 _*10^-19 Кулон. В настоящее время общеизвестно, что электроны входят в состав всех атомов химических элементов и могут существовать в свободном состоянии, образуя своим движением электрический ток в металлах и в вакууме.

В 1932 г. были открыты частицы с таким же по величине, как у электронов, но положительным зарядом и с такой же массой, какую имеют электроны; эти частицы называют позитронами. До открытия позитронов предполагали, что положительное электричество всегда неразрывно связано с атомами веществ. Обнаружилось, что позитроны в отличие от электронов весьма недолговечны: их заряд нейтрализуется (аннигилирует) в сочетании с зарядом электрона; при этом образуется электромагнитное излучение с очень малой длиной волны. Положительные заряды ядер атомов всегда кратны заряду электрона, причем порядковый номер элемента в периодической таблице Менделеева точно указывает число элементарных положительных зарядов ядра. Даже в ядрах атомов, где заряды находятся в наибольшем сближении, не происходит слияния электрических зарядов. Все более крупные заряды представляют собой конгломерат раздельно существующих элементарных зарядов: электронов и заряженных остовов атомов — ионов. Атом, утративший один, два, три своих нормальных электрона,— это соответственно одновалентный, двухвалентный, трехвалентный положительный ион. Атом, захвативший избыточные электроны сверх нормального числа, определяемого зарядом ядра, является отрицательным ионом соответствующей валентности (анионом). Ионы представляют собой тесную группу атомов — осколок молекулы, целую молекулу, ассоциацию молекул — с недостатком или избытком электронов.

Атомное строение электричества было установлено в прошлом веке, началом которого были эксперименты Фараде по электролизу. Исследуя электролиз, он установил, что масса вещества, отложившегося на электродах, пропорциональна количеству электричества, протекшего при электролизе. Исходя из атомистической теории строения вещества, этот закон Фарадея можно было объяснить только тем, что каждая отложившаяся частица вещества при электролизе является носителем некоторой порции электричества. Чем больше таких частиц отложится при электролизе, тем больший заряд пройдет через раствор. Фарадей экспериментально доказал, что при перемещении к электродам определенного (равных числу Авагадро) количества ионов, имеющих валентность п, отношение количества перенесенного электричества к валентности ионов всегда равно одному и тому же заряду, который получил название заряда Фарадея и который по позднейшим измерениям оказался равным F = 96500 Кулонов. Отсюда был сделан вывод, что валентные ионы любой химической природы имеют в п раз больший заряд, чем одновалентные. Далее, стало очевидным, что заряд е одновалентного иона равен частному от деления заряда Фарадея на число Авогадро. Исходя из таких представлений и опытных данных по электролизу, были получены сведения о величине элементарного заряда. После был проделан и ряд других дополнительных исследований для определения наиболее достоверных значений элементарных зарядов.

Стремление понять физический смысл законов электролиза неизменно привлекало мысль многих физиков к идее об атомном строении электричества. Обоснованно и довольно подробно теория атомного строения электричества была высказана Вебером в своих публикациях. В этих статьях Вебера отражались первые сведения об электронной проводимости металлов, о строении диэлектриков, о происхождении магнитных свойств тел и т. д. Вебер писал, что положительные и отрицательные элементарные заряды неодинаково связаны с массивными ядрами атомов. Ядра атомов оказались заряженными одним родом электричества, а частицы вокруг них - другого рода электричеством, масса которых мала в сравнении с массой ядра атомов. В этом предвидении фактов, которые были открыты много позже, Вебер ошибся только в знаке зарядов (он предполагал, что легчайшие частицы электричества заряжены положительно, а ядра — отрицательно).

В 70-х годах XIX в. новые указания на атомное строение электричества были даны опытами Крукса и других ученых по исследованию катодных лучей. В 1881 г. идея атомного строения электричества была поддержана Гельмгольцем. «Если применить,— писал он,— атомную теорию к электрическим процессам, то в соединении с законами Фарадея она приводит к поразительным следствиям. Допуская существование химических атомов, мы принуждены заключить далее, что также и электричество, как положительное, так и отрицательное, разделяется на определенные количества, которые играют роль «атомов электричества».

Стройная, обоснованная физически и математически, электронная теория, была создана трудами ученых Лоренца, Дж. Дж. Томсона, Лармора и др. Лоренц синтезировал теорию Максвелла о непрерывности электромагнитного поля с фактами дискретности электрических зарядов и присутствия электронов в атомах вещества. В последующие годы теория Лоренца была дополнена, в основном, по двум направлениям:

- в 1905—1908 гг. Альберт Эйнштейн, продолжая исследования Лоренца и Пуанкаре, построил электродинамику явлений, происходящих при движении электронов со скоростями, близкими к скорости света (теорию относительности);

- в более поздние годы — с 1913 и, в особенности, с 1926 г.— электронная теория была дополнена выводами, сделанными в связи с развитием квантовой физики.

Следует отметить, что одно из основных положений электронной теории, а именно утверждение, что все элементарные электрические заряды строго одинаковы, долгое время вызывало сомнения. Неоднократно высказывалось предположение, что обычно наблюдаемые электроны не представляют собой наименьших электрических зарядов, какие могут существовать в природе. Делались гипотезы о существовании частиц, имеющих заряд в десятки, в сотни или в тысячи раз меньший, чем заряд одного электрона; но такие гипотезы не получили никаких подтверждений.

Наиболее точные опыты по определению заряда электрона и по выяснению вопроса о существовании субэлектронов были произведены (1909—1914) американским физиком Милликеном. Он наблюдал движение мельчайших заряженных электричеством капелек. При помощи особого пульверизатора мелкие капельки масла вдувались в камеру А, где они медленно падали на дно (рисунок - 3.1). Многие из этих капелек благодаря трению в пульверизаторе оказывались заряженными. Некоторые из них, падая, попадали в отверстие а и сквозь него в электрическое поле конденсатора. Здесь движение капелек наблюдалось сквозь небольшое окошечко при помощи короткофокусной трубы. Производя перезарядку конденсатора и меняя, таким образом, направление электрического поля в конденсаторе, можно было заставлять двигаться одну и ту же капельку то вверх, то вниз, не выпуская ее в то же время из поля зрения трубы. Изменением напряжения на обкладках конденсатора уравновешивалась сила тяжести капельки, и таким образом, можно было определить заряд капельки. Опыт показал, что капельки всегда несут на себе заряды, кратные заряду одного электрона.

Во многих случаях движение одной и той же капельки можно было наблюдать в течение нескольких часов. В продолжение этого времени заряд капли несколько раз вдруг резко менялся благодаря случайному присоединению к ней ионов воздуха. Изменение заряда всегда происходило на величину заряда одного или двух электронов. Таким образом было доказано, что заряд электрона представляет собой не какую-либо среднестатистическую величину, но является истинным атомом электричества.

Рисунок - 3.1.

К тому же выводу привели и опыты акад. Абрама Федоровича Иоффе (1912 г.). В этих опытах проводилось наблюдение мельчайших металлических пылинок, заряженных отрицательно, взвешенных в электрическом поле плоского конденсатора и освещавшихся ультрафиолетовым светом небольшой интенсивности. Под действием света отрицательный заряд металлических пылинок уменьшался. Явление потери отрицательного электрического заряда металлами при освещении их ультрафиолетовым светом было изучено еще в 1888 г. русским ученым А. Г. Столетовым (впоследствии это явление было названо фотоэффектом). Опытами А. Ф. Иоффе было доказано, что уменьшение заряда металлических пылинок под действием света происходит прерывисто, всегда на величину заряда электрона.

Эти результаты являются прямым доказательством атомного строения электричества. Все электрические заряды в этих опытах оказываются равными либо некоторому «элементарному» заряду, либо его целому кратному. В результате многочисленных опытов такого рода было установлено, что во всех случаях заряды были кратными некоторому наименьшему заряду. Результаты измерений доказали дискретность электрического заряда и позволяли определить величину элементарного заряда.

В настоящее время атомистическая теория строения вещества и электричества подтверждена многими непосредственными измерениями и всеми следствиями из нее. Наиболее точным значением элементарного заряда следует в настоящее время считать

е = 1,6 10 -19 Кулон

До конца XVIII в. электрические явления изучались только качественно. Одновременно делались попытки теоретически объяснить наблюдаемые явления. Ш. Кулон в 1785 г. опытно установил количественный закон взаимодействия точечных зарядов (точечный заряд есть заряженное тело, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстояниями до других заряженных тел). Согласно измерениям сила взаимодействия между двумя точечными зарядам направлена по линии, соединяющей их центры, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и прямо пропорциональна количеству электричества каждого из шариков:

F = (1/4πε0) (q1q2)/ εr2,

(3.1),

где ε₀ = 8,85 10^-12Ф/м – электрическая постоянная, ε – диэлектрическая проницаемость среды, r - расстояние между двумя зарядами q₁ и q₂. Следует заметить, что закон Кулона выражает лишь силы, действующие между покоящимися зарядами, являясь, таким образом, законом электростатики. После установления закона Кулона учение об электричестве становится более точной наукой.

Таким образом, электрический заряд, или количество электричества, подобно другим физическим величинам, не имеет самостоятельного существования, представляя собою лишь количественную характеристику особого свойства, присущего некоторым элементарным частицам (в отличие, например, от массы и энергии, которые свойственны всем частицам). Т.е. можно сказать, что электрический заряд является физической величиной, служащей количественной характеристикой частиц материи в отношении их специфической способности как оказывать особое (электрическое) воздействие, так и подвергаться этому воздействию:

Важнейшее свойство электрических зарядов заключается в том, что они подчиняются закону сохранения электрических зарядов: в изолированной системе алгебраическая сумма зарядов не изменяется - q = ∑q_i. Это значит, что при любых процессах и превращениях движущейся материи положительные и отрицательные заряды могут появляться и исчезать лишь в равных количествах или перемещаться из одной части системы в другую. Закон сохранения количества электричества не запрещает превращаться электрически заряженным формам материи в электрически нейтральные и обратно. Например, электрически заряженный протон может превратиться в нейтрон, позитрон и нейтрино; электрически нейтральный фотон достаточно высокой энергии может в поле ядра превратиться в «пару», состоящую из электрона и позитрона, которые в свою очередь при встрече один с другим могут «исчезнуть», превратившись в два фотона. Закон сохранения заряда — это фундаментальный закон сохранения, который соблюдается при любых процессах, протекающих в природе — как в макро-, так и в микромире. Электрические заряды не создаются и не исчезают, они могут только передаваться от одного тела к другому или смещаться внутри данного тела. Этот закон (закон сохранения электрических зарядов) является основой учения об электричестве.