Электрический заряд

Электричество или всё обо всём.
Электрический заряд.
Закон сохранения.
Электризация тел.
Эмпирические факты.
В природе существует два типа электрических зарядов: положительные и отрицательные. Одноименные заряды отталкиваются, разноименные заряды притягиваются. Существование зарядов двух типов демонстрируется простыми опытами по электризации тел
трением. На нити подвешена стеклянная палочка,
предварительно натертая куском шелковой материи; Если поднести к палочке точно такую же палочку из стекла, натертую шелком, то они отталкиваются; Если поднести к стеклянной палочке на нити другую, из органического стекла, натертого кусочком меха, то палочки притягиваются. Электрические заряды всех тел кратны по модулю некоторому элементарному электрическому заряду. Измерение величины элементарного электрического заряда впервые с достаточной точностью провел Р.
Милликен (см. Движение заряженной частицы в
однородном электрическом поле. Катодная трубка). Электрический заряд замкнутой системы сохраняется. Иными словами, алгебраическая сумма зарядов всех тел в системе не
меняется со временем. Пусть заряды тел обозначаются q1, q2, ..., qN. Тогда закон сохранения заряда можно записать в виде: q1 + q2 + ... + qN = const. Опыты по электризации
тел показывают, что если одно из тел в результате трения заряжается положительно, то
взаимодействовавшее с ним тело заряжается отрицательно и наоборот, так, что суммарный заряд всех тел не меняется.
Заряжание тел по индукции
Показана последовательность действий, в результате которых металлический шар на
подставке оказывается заряженным. Современные представления о структуре материи.
Понимание причины квантованности заряда макроскопических тел и существования
двух типов зарядов пришло лишь в начале XX в. после установления структуры атомов
(см. Опыты Резерфорда. Модель атома Бора). Сейчас можно считать совершенно твердо
установленными следующие факты:
1. Атомы всех веществ в нормальном состоянии электронейтральны и состоят из положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов.
2. Электроны являются носителями элементарного электрического заряда – e.
3. Ядра состоят из положительно заряженных протонов – носителей положительного
элементарного заряда +е и не имеющих заряда нейтронов. Число протонов в ядре атома
равно числу электронов, находящихся вокруг ядра.
Таким образом, наличие заряда у макроскопического тела связано с нарушением строгого баланса между числом протонов и числом электронов в данном теле. Электроны в некоторых случаях могут быть сравнительно легко оторваны от своих ядер и переходят на
другое тело (как это происходит, например, в случае натирания стеклянной палочки куском шелка). В результате оба тела электризуются, причем приобретают заряды разных
знаков. Вопрос о том, почему электрон имеет электрический заряд и почему этот заряд
равен тому числу, которое известно из опыта, на данном этапе развития науки ответа не
имеет. Наличие заряда у электрона – его неотъемлемое свойство, которое в совокупности
с другими характеристиками отличает электрон от других элементарных частиц. Это же
можно сказать о заряде протона и т.п. (Подробнее о современных взглядах на структуру
материи см. Современные представления о структуре материи).
По страницам прошлого…
Ампер Андре-Мари
(10.01.1775 - 10.06.1836)
Выдающийся французский физик, заложивший своими работами основы электромагнетизма. Сын преуспевающего лионского коммерсанта, Ампер получил домашнее образование, главным образом самостоятельно изучая книги по
математике и физике из отцовской библиотеки. После Великой французской революции Ампер стал учителем физики и математики, сначала в Лионе, затем в Бурже. Позднее
ему удалось перебраться в Париж, где он получил должность в Политехнической школе, а в 1808 г. стал генеральным инспектором парижских университетов. Начиная с
1824 г. преподавал физику в Коллеж де Франс и философию в Сорбонне. Научная и педагогическая деятельность
Ампера была всегда чрезвычайно интенсивной, несмотря
на тяжелые жизненные обстоятельства (смерть отца на гильотине во время якобинского террора, ранняя смерть первой жены, катастрофически неудачный второй брак).
В 1814 г. Ампер независимо открыл закон Авогадро. Однако главнейшие научные открытия Ампера приходятся на
период с 1820 по 1827 гг., когда он, вдохновленный открытием Эрстеда, заключавшемся
в том, что магнитная стрелка поворачивается вблизи провода с током, стал заниматься
этим кругом проблем. Ампер объяснил опыт Эрстеда, предположив, что ток создает в
пространстве магнитное поле. Далее Ампер установил, как направление поля связано с
направлением тока в проводнике, и нашел количественную формулу, связывающую
напряженность магнитного поля с током. Далее Ампер вывел формулу для силы взаимодействия двух проводников с током (закон Ампера). Для объяснения магнетизма веществ
Ампер ввел понятие о микроскопических токах, создающих намагниченность (гипотеза
молекулярных токов Ампера). Предложил определение силы тока (сейчас единица силы
тока в СИ называется ампер).
Джоуль Джеймс Прескотт
(24.12.1818 – 11.10.1889)
Выдающийся английский ученый. Джеймс Джоуль родился вблизи Манчестера в Англии в семье богатого владельца пивоваренного завода. Он получил домашнее образование. В течение трех лет его наставником был выдающийся химик Джон Дальтон. Именно Дальтон привил Джоулю любовь к науке и страсть к сбору и осмыслению численных данных, на которых основаны научные теории и законы. К сожалению, математическая подготовка Джоуля
была слабой, что в дальнейшем очень мешало ему в исследованиях и, возможно, не дало ему сделать еще более значительные открытия.
У Джоуля не было никакой профессии и никакой работы, кроме помощи в управлении заводом отца. Вплоть до
1854 г., когда завод наконец был продан, Джоуль работал на
нем и урывками, по ночам, занимался своими опытами. После 1854 г. у Джоуля появились и время, и средства, чтобы построить в собственном доме физическую лабораторию и полностью посвятить себя экспериментальной физике.
Позднее Джоуль начал испытывать материальные затруднения и для продолжения исследований обратился за финансовой помощью к королеве Виктории.
В течение 1837-1847 гг. Джоуль все свободное время посвятил разнообразным экспериментам по превращению различных форм энергии – механической, электрической,
химической, – в тепловую энергию. Он разработал термометры, измерявшие температуру с точностью до одной двухсотой градуса, что позволило ему проводить измерения с
наилучшей для того времени точностью. В 1840 г. Джоуль формулирует закон, определяющий количество теплоты, выделяющейся в проводе при прохождении тока (известный сейчас как закон Джоуля).
В июне 1847 г. Джоуль представил доклад на собрании Британской ассоциации ученых, в котором он сообщил о наиболее точных измерениях механического эквивалента
теплоты. На полусонных слушателей доклад не произвел никакого впечатления, пока
молодой пылкий Уильям Томсон (будущий лорд Кельвин) не объяснил своим престарелым коллегам значение работы Джоуля. Доклад стал поворотным пунктом в его карьере.
В 1850 г. Джоуль был избран членом Лондонского королевского общества. Он стал
одним из авторитетнейших ученых своего времени, обладателем многих титулов и
наград. Королева возвела его в рыцарское достоинство. Именем Джоуля была названа
единица энергии.
Джоуль обладал выдающимися способностями физика-экспериментатора. Его
страсть к науке была беспредельной. Даже во время медового месяца он находил время
для измерения температуры воды у вершины и подножия живописного водопада, около
которого они с молодой женой жили, чтобы убедиться, что разность значений температуры воды соответствует закону сохранения энергии! Джоуль верил, что природа устроена просто, и стремился найти простые соотношения между важными физическими величинами. Ему удалось найти два таких соотношения, которые навсегда сохранили его
имя в науке.
Кулон Шарль Огюстен
(14.03.1736 – 28.08.1806)
Выдающийся французский инженер и физик. Шарль Огюстен Кулон родился во
французском городе Ангулеме в семье чиновника. Он закончил высшую военно-инженерную школу в Мезьере –
одном из лучших технических учебных заведений того
времени. После окончания учебы Кулон в течение ряда
лет служил на острове Мартиника, где руководил строительством крупного форта. После возвращения на родину Кулон постепенно отошел от военной службы и стал
заниматься научными исследованиями. Первая же научная работа Кулона, начатая еще на Мартинике, была посвящена методам решения задач строительной механики.
Она сразу принесла Кулону известность.
Кулон был одним из первых ученых, сочетавших высокий уровень научных исследований с упором на практические приложения. Ярким примером такого сочетания
явилась работа Кулона по изучению сухого трения. На
основе простых и весьма убедительных опытов Кулон изучил зависимость силы трения
покоя и силы трения скольжения от множества факторов (нормального давления, площади и длительности контакта тел, относительной скорости движения тел и т.п.). Особенно
важно то, что опыты Кулона были полномасштабными, т.е. проводились с реальными
телами в реальной обстановке. Итогом работ Кулона стало подтверждение пропорциональности силы трения скольжения и силы нормального давления в широком диапазоне
нагрузок. Надо заметить, что закон Fтр = mN был сформулирован еще Г. Амонтоном в
1699 г., но только Кулон полностью экспериментально обосновал его.
За работу по внешнему трению Кулон в 1781 г. получил премию Парижской академии наук и был избран ее членом. Он переехал в Париж, полностью посвятив себя научной работе. В 1780-е гг. он исследует кручение тонких металлических нитей и на этой
основе создает необычайно чувствительный прибор – знаменитые крутильные весы. Эти
весы стали основным инструментом в цикле работ Кулона по электричеству и магнетизму. В этом цикле из семи мемуаров были установлены важнейшие количественные законы электростатики и магнитостатики. Попытки экспериментального определения закона
«электрической силы» предпринимались с середины XVIII в., но все они до работы Кулона оказались неудачными, поскольку не проводилось различия между силами, действующими между заряженными телами произвольных размеров и формы, и силами,
действующими между точечными зарядами (в действительности, достаточно малыми заряженными телами, находящимися на расстоянии, намного превышающем их размеры).
Метод измерения этих сил по закручиванию нити в крутильных весах, предложенный
Кулоном, позволил не только измерить сами силы, но и установить единицу электрического заряда, что имело особое значение для дальнейшего развития науки об электричестве. В последние годы жизни Кулон занимался изучением вязкого трения. Он также
много занимался вопросами улучшения народного образования во Франции.
Ом Георг Симон
(16.03.1789 – 06.07.1854)
Немецкий физик. Георг Симон Ом родился в Эрлангене в семье слесаря. Отец Ома
хотел дать детям хорошее образование. Хотя семья постоянно нуждалась в средствах, Георг учился сначала в гимназии, а затем в Эрлангенском университете. Однако ему
пришлось по воле отца прервать учебу, так как отец Ома
считал, что его сын слишком много времени уделяет развлечениям. Ом начал преподавать математику в частной
школе в Швейцарии. Лишь в 1811 г. ему удалось сдать экзамены в университете и получить степень доктора философии. По материальным соображениям Ом вынужден был
вернуться к преподаванию в школе. Но ему повезло. Он
устраивается на должность старшего преподавателя иезуитской гимназии в Кельне. В этом учебном заведении царил дух стремления к знаниям, и преподаватели имели достаточно времени для собственных исследований. Именно
после переезда в Кельн Ом начинает заниматься физическими опытами (в гимназии была хорошо оборудованная
физическая лаборатория). Под влиянием прочитанных книг, особенно об открытиях Эрстеда, Ом в 1820 г. приступает к изучению электромагнетизма.
В 1826 г. он публикует работу с формулировкой своего закона. Ому принадлежит
также заслуга введения понятий ЭДС, падения напряжения, проводимости. Не ограничившись установлением эмпирического закона протекания постоянного тока, Ом попытался построить теорию электрических цепей, опираясь при этом на аналогию между током и теплопроводностью.
К сожалению, открытие Ома было скептически воспринято в немецких научных
кругах. Только к концу 1830-х гг. его работы стали получать признание. Большую часть
своей жизни Ому пришлось заниматься незначительной, плохо оплачиваемой работой.
Лишь перед самой смертью, в 1850 г., ему была предоставлена кафедра в Мюнхенском
университете.
Фарадей Майкл
(22.09.1791 – 25.08.1867)
Великий английский физик, основоположник науки об электромагнетизме. Майкл Фарадей родился в Лондоне в семье кузнеца. Мальчик смог получить лишь начальное образование. С двенадцати лет
он работал, сначала разносчиком газет, затем подмастерьем в переплетной мастерской. Однако недостаток знаний Фарадей компенсирует самообразованием. Благодаря счастливой случайности юноша
попадает в поле зрения известного химики Г. Дэви, который делает
Фарадея своим ассистентом в Королевском институте (1813 г.).
Главное научное достижение Фарадея в химии – методика сжижения газов. Опыты, проведенные Фарадеем в 1823 г., положили
начало новому научному направлению – физике низких температур.
Очень быстро Фарадей обогнал в искусстве эксперимента своего
научного руководителя Дэви, что позднее было причиной многих
трений между ними.
В 1821 г. Фарадей начал заниматься электрическими и магнитными явлениями. Он считал очевидным, что если ток в проводе создает магнитное поле, действующее на магнитную стрелку, если
проводник с током движется в магнитном поле, то должно быть верно и обратное – магнитное поле должно индуцировать ток в проводнике. В течение многих лет Фарадею не удавалось доказать это экспериментально, так как он не понимал, что для возникновения тока
важно относительное движение магнита и провода. Однажды почти случайно он заметил, что в момент
вдвигания магнита в катушку стрелка гальванометра отклоняется. Так был открыт закон электромагнитной индукции. На окончательную его формулировку (1831 г.) потребовалось десять лет напряженных исследований.
Все свои работы по электромагнетизму Фарадей в течение двадцати пяти лет представлял в виде
докладов-серий в Лондонское королевское общество. Одно только перечисление полученных им результатов вызывает изумление его гением: открытие явления электромагнитной индукции (1831 г.); открытие законов электролиза (1834 г.); обнаружение поляризации диэлектриков и понятие о диэлектрической проницаемости (1837 г.); экспериментальное доказательство закона сохранения электрического
заряда (1843 г.); открытие диамагнетизма и обнаружение явления вращения плоскости поляризации
света в веществе, помещенном в магнитное поле (1845 г.); идея об электромагнитной природе света
(1845 г.); открытие парамагнетизма (1847 г.).Величайшей заслугой Фарадея стало то, что он высказал
идею об электрическом и магнитном поле. Он не мог математически развить эти идеи, и в его монументальной работе «Экспериментальные исследования электричества» нет ни одного уравнения! Однако
именно идеи Фарадея легли в основу уравнений Максвелла. Позднее Эйнштейн говорил, что в развитии
электромагнетизма Фарадей по отношению к Максвеллу – то же самое, что в развитии механики Галилей по отношению к Ньютону.
Несмотря на успехи в науке, признание всего мира, Фарадей всю жизнь оставался скромным, очаровательным, простым человеком. Он многократно отказывался от наград и возможного благосостояния, полностью отдаваясь науке и разделяя идеалы закрытой сандеманской религиозной секты, которой
он всю жизнь был предан. Он отклонил предложение стать президентом Лондонского королевского
общества, а также предложение быть возведенным во дворянство. В завещании Фарадей просил, чтобы
его прах покоился под самым простым могильным камнем.
Однако мы храним память о великом ученом в названиях законов электромагнитной индукции и
электролиза, в названии единицы емкости.