Покоренный электрон

Первое знакомство

В 1663 году священник села Новые Ерги, именовавший себя «поп Иванище», сообщил в ближайший монастырь о некоем непонятном и страшном событии, которое в том селении наблюдалось. Поп Иванище писал: «огнь на землю падал по многим дворам, и на путех, и по хоромам, аки кудели горя и люди от него бегали, а он катается за ними, а никого не ожег, а потом поднялся вверх во облак».

Сравнение с горящей куделью помогает понять, что именно случилось в селе Новые Ерги. Кудель — это пеньковые или льняные очёсы. Их обычно хранят на чердаках или в сараях. Во время пожара восходящие потоки горячего воздуха подхватывают легкие пушистые хлопья загоревшейся кудели, и они летают над пожарищем, как огненные мячики.

Следовательно, таинственный «огнь» был похож на горящую кудель, он катался за людьми, а потом поднялся вверх. Все это позволяет думать, что поп Иванище наблюдал шаровые молнии — редкое и до сих пор плохо изученное электрическое явление.

Старинные книги рассказывают и о так называемых огнях святого Эльма, которые иногда появляются перед грозой на высоких и остроконечных предметах. Эти огни похожи на бледные, светящиеся кисти, колеблющиеся на верхушках корабельных мачт, на крестах и шпилях церквей и даже на остриях копий и пик у ратников в походе.

Издавна наблюдали русские люди полярные сияния или «пазори» — бледнозеленые, розовые или даже багряно-красные столбы света, которые иногда колышутся ясной зимней ночью на северной части неба.

И, конечно, с незапамятных времен людям было известно такое обычное проявление атмосферного электричества как молния.

Рис. 1. С этим проявлением атмосферного электричества люди были знакомы с незапамятных времен.

Но не только атмосферные электрические явления указывали людям на существование этой могучей силы природы. Более двух с половиной тысяч лет назад ремесленники древней Греции познакомились с электрическими свойствами янтаря. Обтачивая и полируя янтарные бусы, серьги, браслеты и другие украшения, греческие камнерезы заметили, что от трения этот материал начинает притягивать к себе соломинки, волоски шерсти, кусочки ниток.

В шестом веке до начала нашего летоисчисления странная особенность янтаря привлекла внимание греческого философа Фалеса Милетского. Фалес натирал янтарь сукном и наблюдал, как янтарь притягивал пушинки. Эти опыты философ показывал своим ученикам, но объяснить их не мог.

Значит, с незапамятных времен люди были знакомы с электризацией трением. Однако серьезного значения этому явлению они не придавали, — его воспринимали как редкостную диковинку. И никому не приходило в голову связать представление о молнии и громе с забавными свойствами янтаря.

О природе электрических явлений ученые древнего мира высказывали разные, не подкрепленные опытом предположения и догадки. Одно из таких объяснений предложил римский философ и поэт Лукреций Кар, живший две тысячи лет назад. О молнии Лукреций писал:

Только сравнительно недавно люди узнали, что в стихах Лукреция о молнии есть доля истины, но эта доля истины была рождена не научным исследованием, а просто догадкой.

Древние ученые ничего не сделали для того, чтобы проникнуть в суть электрических явлений, да они и не могли ничего сделать, так как техника того времени была еще очень слаба.

В течение первых полутора тысяч лет нашей эры, которые известны в истории под названием средневековья, наука почти не развивалась.

Но уже в X и XI веках начинают расти города, происходит разделение труда между городом и деревней, расширяется обмен; в городах развивается ремесленное производство и вслед за этим возникает потребность в научном обобщении накопленных знаний. В следующие столетия естествознание делает заметные успехи. Наряду с богословскими книгами все чаще появляются научные трактаты. Одно из сочинений, вышедших в свет в 1600 году, называлось: «О магните, магнитных силах и о великом магните Земли». Автором его был английский медик Уильям Джильберт.

В этой книге он рассказывал не только о магнетизме, но и описывал свои «электрические опыты с янтарем и другими веществами».

Рождение нового слова

Джильберт повторил опыты Фалеса Милетского и убедился, что не только янтарь, но и алмазы, драгоценные камни, горный хрусталь, сера, смолы, сургуч, стекло и многие другие твердые вещества, когда их натирают сукном, кожей или мехом, приобретают свойство притягивать легкие предметы.

Это уже само по себе было важным открытием. Оно показывало, что таинственная притягательная сила присуща не только одному янтарю. Эта сила, решил Джильберт, является не свойством какого-либо одного вещества, а свойством того, что скрывается во многих веществах, пропитывая их, как вода пропитывает губку.

Это нечто, содержащееся в порах разных веществ, думал Джильберт, — особая невидимая жидкость. При трении она выдавливается из пор и проявляет свои «янтарные» свойства.

Для этой жидкости Джильберт придумал название: «янтарная субстанция». Но, составляя новый термин, Джильберт взял корень греческого названия янтаря — «электрон». Отсюда и получилась «электрическая субстанция» или, короче, «электричество».

Так родилось слово, которым стали обозначать всю совокупность электрических явлений.

После Джильберта в течение полутора столетий исследованиями электрических явлений занимались многие ученые.

Для своих опытов они добывали электричество трением. В одних случаях лисьим мехом натирали сургуч, в других — кожей терли стекло. Ученому Отто Герике пришла в голову мысль соорудить машину для добывания электричества. Он налил в большую круглую колбу расплавленной серы. Когда сера застыла, Герике разбил колбу, извлек серный шар, насадил его на ось и поместил в станок так, чтобы шар можно было вращать.

Рис. 2. Серный шар и станок Отто Герике для добывания электричества.

Помощник крутил шар, а Герике прикладывал к нему различные предметы, желая найти наиболее подходящий материал, чтобы электризовать серу. Он перепробовал множество материалов и наилучшим оказались… собственные ладони ученого. С тех пор Герике и многие его последователи добывали электричество буквально собственными руками.

Рис. 3. Электричество для опытов добывали тогда собственными руками.

Во время своих опытов с наэлектризованным серным шаром Герике заметил, что пушинка, на миг притянувшаяся к шару, затем отрывается от него и больше уже не притягивается, наоборот, она отталкивается. Тогда Герике подбросил наэлектризованную пушинку вверх и, держа серный шар под пушинкой, заставил ее летать в воздухе. Наэлектризованный шар, отталкивая пушинку, мешал ей упасть. И она летала до тех пор, пока Герике не надоедало ее гонять.

Так было открыто свойство наэлектризованных тел не только притягивать другие тела, но и отталкивать их.

Наблюдая отталкивание наэлектризованных тел, Герике встретился с явлением, чрезвычайно изумившим его. Когда ученый вынул из станка наэлектризованный серный шар, маленькое перышко, лежавшее на земле, поднялось, подлетело к шару и, на мгновение коснувшись его; тотчас опустилось на землю. Едва дотронувшись до поверхности земли, перышко снова подскочило к шару. Чуть продержавшись у его поверхности, оно опять совершило путешествие до земли и вернулось затем к шару. Пляска перышка продолжалась до тех пор, пока электризация шара не ослабела.

Ученые, повторившие этот опыт, дали ему такое объяснение: серный шар имеет некоторый запас электричества. Перышко, притянувшись к шару, заимствует часть его электричества, электризуется и отталкивается от шара. Опустившись на землю, перо отдает земле захваченную им порцию электричества и снова приобретает способность притягиваться к шару.

Коснувшись серного шара, перышко захватывает новую порцию электричества, какая только может поместиться на перышке, и опять несет его на землю. Так, подобно носильщику, перышко перетаскивает электричество от серного шара в землю.

Из этого опыта родилось представление об электрическом заряде как о порции электричества, которая может поместиться на том или ином предмете. На крупном предмете, вроде серного шара, заряд большой, а на крохотной пушинке — маленький.

После было установлено, что заряд, полученный от трения на стекле или на сере, не может сам по себе передвигаться но их поверхности; он долго сохраняется в тех местах, где возник. Нужно коснуться такого места, чтобы частично снять заряд.

Далее выяснилось, что те предметы, которые не удавалось наэлектризовать трением, когда держали их в руке, прекрасно электризуются, если их поместить на подставку из вещества, легко заряжающегося трением.

При этом оказалось, что заряд растекается по всей поверхности таких предметов, а не связан с тем местом, которое подверглось натиранию. Эти вещества были названы проводниками заряда. Стало понятно, почему сначала заряды на них не были замечены, — они просто стекали на другие предметы.

Вещества, по которым заряды не могли перемещаться, тогда были названы изоляторами. Они позволяли уединить, задержать заряд, возникающий на проводнике, не давали ему растекаться по окружающим предметам.

Два рода зарядов

Во время одного опыта с Герике случилось маленькое, но забавное происшествие. Пушинка, оттолкнувшись от наэлектризованного серного шара, стремительно полетела в сторону и притянулась к кончику носа ученого. Это показало, что при трении руки о серный шар наэлектризовался не только шар, но и человек. Он тоже стал притягивать пылинки и пушинки.

Ученые наблюдали часто притяжение наэлектризованных предметов к ненаэлектризованным. Пушинка, получив электрический заряд, обязательно оседала на каком-либо предмете, не имевшем заряда.

Такие опыты показали, что электрические заряды отталкиваются друг от друга, а притяжение возникает лишь между телами, из которых одно несет электрический заряд, а другое его не имеет. Два предмета — наэлектризованный и ненаэлектризованный, притянувшись друг к другу, как бы делят заряд между собой и затем отталкиваются.

Таковы были сведения об электрическом заряде, накопленные наукой к середине XVIII столетия.

Первым прибором, позволившим измерить электрические заряды, был электрометр, построенный русским академиком Г. В. Рихманом — другом М. В. Ломоносова.

Электрометр Рихмана состоял из вертикальной изолированной смолой или стеклом металлической линейки и привязанной к ее верхнему концу нитки. Когда линейке сообщали электрический заряд, он растекался также и по нитке. Заряды, скопившиеся на линейке и на нитке, заставляли нитку отталкиваться от линейки. Нитка отклонялась в сторону тем круче, чем больший заряд она получала. Измеряя угол между линейкой и ниткой, Рихман судил о величине заряда (рис. 4).

Рис. 4. Электрометры Рихмана.

Последующие исследователи заметили еще одну важную особенность электрических зарядов.

Французский физик Дюфе изготовил для своих опытов прибор с двумя нитками вместо одной.

Сквозь пробку стеклянной банки он пропустил металлический стержень.

Верхний конец стержня был увенчан металлическим шариком, а с нижнего свешивались две тончайших длинных полоски из сусального золота или две ниточки, не доходившие до дна. Когда металлическому стерженьку сообщали электрический заряд, ниточки отталкивались друг от друга, сигнализируя о присутствии заряда. Такой прибор назвали электроскопом (рис. 5).

Рис. 5. Электроскоп.

Дюфе натер кожей стеклянную палочку и приложил ее к шарику электроскопа. Тотчас же ниточки растопырились. Затем исследователь, натер сукном сургучную палочку. Она, разумеется, тоже наэлектризовалась и стала притягивать к себе соринки. Но когда Дюфе поднес наэлектризованный сургуч к электроскопу, уже получившему заряд от стеклянной палочки, произошло нечто странное. Ниточки электроскопа, приобретя дополнительный заряд от сургуча, не разошлись в стороны еще круче, как этого можно было ожидать, а наоборот — сблизились. Они показали, что заряд исчез! Тогда Дюфе натер сукном сургуч и поднес его к электроскопу — ниточки разошлись. Затем наэлектризовал стеклянную палочку и коснулся ею шарика электроскопа. Опять ниточки, потеряв заряд, повисли.

Дюфе ставил опыт за опытом. Два бузинных шарика, подвешенные на шелковинках и получившие заряды от стеклянной палочки, отталкивались друг от друга. Точно так же вели себя шарики, заряженные от сургучной палочки. Но когда Дюфе зарядил один шарик электричеством стеклянной палочки, а другой — сургучной, то они не отталкивались, а начинали притягиваться.

Дюфе решил, что существуют два совершенно противоположных по своим свойствам электричества — «стеклянное» и «смоляное». Однородные электрические заряды отталкиваются, разнородные — притягиваются. Придя в соприкосновение, говорил Дюфе, разнородные заряды исчезают.

Другие исследователи, производившие эти же опыты, заметили, что когда натирают сукном сургуч (или кожей стекло), то электризуются сразу оба предмета — и сукно и сургуч, но заряды получаются на них хотя и одинаковые по величине, но разных «сортов», на сукне — «стеклянные», а на сургуче — «смоляные».

Ученые возражают

Не все физики согласились с предположением Дюфе. Особенно резко возражал против его гипотезы гениальный русский ученый М. В. Ломоносов. Как это может быть, спрашивал Ломоносов, чтобы что-то превращалось в ничто? Было порознь два электрических заряда, а как только они сошлись вместе — исчезли оба!

Гипотеза Дюфе противоречила одному из величайших и основных законов природы — закону сохранения материи и движения, который был установлен и доказан Ломоносовым:

«Все перемены в Натуре случающиеся такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько же присовокупится другому. Так, ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте; сколько часов положит кто на бдение, столько же сну отнимет. Сей всеобщей естественной закон простирается и в самые правила движения: ибо тело, движущее своей силой другое, столько же оныя у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает».

Что-либо не может превратиться в ничто, из ничего нельзя сделать что-то. Материя и движение неразрывны, вечны, они только изменяют форму, но ни при каких условиях не исчезают.

Современник М. В. Ломоносова В. Франклин выдвинул против Дюфе такие доводы: почему эти два сорта электричества всегда одинаковы по количеству? Почему они всегда появляются одновременно и никогда порознь? Не есть ли это то же самое, что предмет и его тень? А мы, не зная, где предмет и где его тень, считаем тень другим предметом!

Электричество — одно, оно распространено всюду, содержится во всех без исключения телах, но не проявляет себя, так как его везде поровну. Когда мы натираем кожей стекло, или сукном сургуч, то никакого особого «стеклянного» или «смоляного» электричества не возникает. При трении происходит только перераспределение зарядов: на одном из соприкасающихся при трении тел образуется избыток электричества, на другом — недостаток.

И когда наэлектризованные сургуч и стекло соприкасаются, избыток встречается с недостатком и заряды не исчезают, а лишь уравновешиваются или, как обычно говорят, нейтрализуются, действие их перестает чем-либо проявляться.

Чтобы отличить избыток от недостатка «мы условимся называть всякое тело наэлектризованным положительно, если оно отталкивается стеклянной палочкой, натертой шелком, и наэлектризованным отрицательно, если оно отталкивается сургучом, натертым кошачьим мехом», — так писал Франклин, который ввел подразделение зарядов на положительные, обозначенные знаком плюс, и отрицательные, обозначенные знаком минус.

Обозначение двух родов зарядов знаками плюс и минус сохранилось и поныне.

Современная наука установила, что в действительности во всех предметах существуют два рода зарядов: положительные и отрицательные, но пока их содержится поровну — они себя не обнаруживают. Если же отнять у предмета часть его отрицательных зарядов, он наэлектризуется положительно, а отнятые отрицательные заряды перейдут на какой-либо другой предмет, который, конечно, зарядится отрицательно.

Так, например, когда натирают стекло кожей, то на стекле образуется избыток положительных зарядов, а на коже — избыток отрицательных. Стекло заряжается положительно, а кожа отрицательно.

Однако заряд на коже не всегда проявляет себя, потому что и кожа и человек, который ее держит в руке, сравнительно хорошо проводят электричество. Заряд с кожи уходит в руку человека, а затем в землю, и, конечно, его обнаружить не удается, — он уже исчез; но если натянуть на руку резиновую перчатку или как-нибудь изолировать кусок кожи, заряд останется, и его можно обнаружить, — поднести кожу к электроскопу, и листочки электроскопа разойдутся.

Еще одно заблуждение

Вслед за Дюфе петербургский академик Эпинус сделал еще одно важное открытие, которое тоже послужило источником нескончаемых споров. Эпинус заметил, что все предметы, находящиеся вблизи какого-либо наэлектризованного тела, приобретают электрические заряды. Когда к наэлектризованному телу подносят электроскоп, то его листочки расходятся в стороны еще до соприкосновения шарика электроскопа с наэлектризованным телом.

В этом явлении для ученых XVIII века самым удивительным было то, что предметы, на которых появлялись электрические заряды, не соприкасались с наэлектризованным телом: его действие сказывалось на расстоянии.

Новое явление получило название электризации наведением или электризации путем индукции, а получившиеся при этом заряды — индуктированными.

Сначала казалось, что индуктированные заряды не совсем «настоящие», ведь стоило только удалить электроскоп от заряженного тела, как его листочки спадались и заряд электроскопа исчезал. Но это было недоразумением, и оно вскоре выяснилось.

Исследуя электризацию наведением, ученые установили, что предмет, на котором возникает индуктированный заряд, электризуется двояко, то есть на его противоположных сторонах скапливаются заряды разных знаков. Если наэлектризованное тело несет положительный заряд, то сторона предмета, обращенная к наэлектризованному телу, приобретает отрицательный заряд, а его другая сторона — положительный.

Один исследователь догадался взять для опыта предмет, состоящий из двух половинок — нечто вроде шара с разъемными полушариями (рис. 6).

Рис. 6. Половинки этого прибора приобретают разноименные заряды.

Он приблизил его к наэлектризованному предмету, а затем раздвинул половинки (каждая половина была укреплена на своей изолирующей подставке); ученый тем самым разделил заряды. Одно полушарие оказалось заряженным положительно, а другое — отрицательно, и заряды на полушариях не исчезали даже, когда наэлектризованный предмет отодвигали в сторону, значит, это были самые «настоящие» заряды.

Такой опыт доказал, что в каждом предмете действительно имеются и положительные и отрицательные заряды, но пока их в теле поровну и пока они распределены равномерно, тело остается нейтральным, а заряды, в нем содержащиеся, никак себя не проявляют. При электризации наведением, под воздействием наэлектризованного тела, заряды рассортировываются: положительные отходят в одну сторону, а отрицательные в другую — одноименные с наводящим зарядом отталкиваются, разноименные к нему притягиваются и стремятся приблизиться.

Другой исследователь захотел узнать, насколько ослабевает электрический заряд оттого, что он создает индуктированные заряды в окружающих его предметах.

Для опыта ученый взял большой металлический диск, положил его на стеклянную пластинку, наэлектризовал положительным электричеством и прикрыл другим куском стекла. Затем ученый взял другой такой же металлический круг, но только снабженный стеклянной рукояткой. Этот второй круг ученый положил поверх наэлектризованного диска, как изображено на рисунке 7.

Рис. 7. Заряд металлического диска, лежащего между стеклянными пластинками, оказался неистощимым.

Разумеется, круг при этом тоже наэлектризовался, то есть в нем разделились заряды: положительные скопились на верхней стороне круга, а отрицательные — на нижней.

Положительные заряды можно было отвести в землю, просто коснувшись круга рукой, тогда на круге остались только отрицательные заряды; их нельзя было удалить, — они удерживались притяжением положительным зарядом на нижнем круге.

Ученый взял этот круг за стеклянную рукоятку, отнес его в сторону и там разрядил. Затем снова положил свой круг поверх наэлектризованного диска, круг снова наэлектризовался, а ученый отнес его в сторону и разрядил.

Исследователь проделал это в третий раз, в четвертый… Ученый носил свой круг туда и сюда, попеременно то заряжая его у диска, то разряжая в стороне. Однако заряд металлического диска, лежавшего на стеклянной пластинке, от этого нисколько не ослабел.

Опыт пришлось прекратить, так как ученый устал таскать круг взад и вперед; он убедился, что истощить заряд металлического диска таким образом невозможно!

Этим опытом было установлено, что электрический заряд, индуктируя в других предметах наведенные заряды, сам не уменьшается и не расходуется.

Все это — и явление индукции, и явная неистощимость заряда, возбуждающего другие заряды, — было непонятно.

Люди придумывали различные, по большей части совершенно необоснованные объяснения и спорили друг с другом, безуспешно стараясь отстоять каждый свое мнение.

Тогда многие физики считали, что электризация наведением является волшебным свойством электрических зарядов и они могут действовать на расстоянии, рождая другие заряды из ничего. Это мнение противоречило ломоносовскому закону сохранения материи, оно было глубоко ошибочным и заводило науку в тупик.

Электрическое поле

Удивительное явление получило правильное объяснение только тогда, когда физики поняли, что вокруг каждого наэлектризованного тела существует что-то такое, что воздействует на другие заряды. Это «что-то» ученые стали называть электрическим полем.

Электрическое поле неразрывно связано с зарядом, однако это не сам заряд. Поле составляет как бы своеобразное продолжение заряда в окружающем его пространстве. Поле отлично от заряда, но оно не менее реально, не менее материально, чем сам заряд.

Обнаружить существование электрического поля возле заряда можно весьма простым опытом. Для этого надо наклеить на стеклянную пластинку кружочек из станиоля или фольги, наэлектризовать его и посыпать мелкими игольчатыми кристалликами гипса или хинина. Кристаллики разложатся по линиям расходящимися лучами во все стороны от заряженного кружка. Если вырезать из фольги два кружка и им сообщить электрические заряды — одному положительный, а другому отрицательный, затем на стекло насыпать мелкие игольчатые кристаллики гипса, то под воздействием электрического поля иголочки гипса улягутся в определенном порядке; их расположение отчасти напоминает размещение железных опилок возле полюсов магнита (рис. 8).

Рис. 8. Кристаллики гипса расположены в определенном порядке между наэлектризованными кружками.

Одноименно заряженные кружки, когда их обсыпают гипсом, дадут картину электрического поля, изображенную на рисунке 9.

Рис. 9. Вид электрического поля между кружками, одноименно заряженными.

Благодаря гипсовым кристалликам электрическое поле между двумя наэлектризованными кружками становится видимым.

Академик А. Ф. Иоффе рассказывал, какой случай ему однажды пришлось наблюдать. Вместе с известным физиком К. Рентгеном Иоффе работал на вершине горы. И вдруг длинные волосы Рентгена распушились, а его большая борода взъерошилась так, что Рентген стал похожим на Черномора.

Внезапное превращение Рентгена в Черномора было вызвано большой тучей, проходившей в это время над вершиной горы. Туча несла с собой большой электрический заряд; между тучей и горой образовалось электрическое поле. Под влиянием этого поля волосы Рентгена расположились так же, как и кристаллики гипса между станиолевыми наэлектризованными кружочками, то есть вдоль так называемых силовых линий электрического поля.

Рис. 10. Электрическое поле между отрицательно заряженным кольцом и кружком, заряженным положительно.

Ларчик просто открывался

Тот ученый, который носил взад и вперед свой круг, попеременно то заряжая его, то разряжая, думал, что электрические заряды возникают сами собой из ничего, и это было ошибкой. Заряды не создавались — они и до опыта присутствовали в круге, как и во всяком теле. А электрическое поле только разделило их. Круги приобрели разноименные заряды. Эти заряды, а вместе с ними и сами круги, притягивались друг к другу с определенной силой.

Чтобы оторвать верхний круг от нижнего, приходилось приложить некоторое усилие, произвести работу. И когда ученый удалял верхний круг, на нем оказывался свободный заряд, обладающий заметной энергией; она проявляла себя при разряде круга в виде яркой искры.

Эта энергия создавалась тем усилием, которое затрачивал ученый, его работой.

Учитывая работу, которую приходится производить, двигая определенный заряд в поле, можно получить наиболее точное представление о силе электрического поля в каждой его точке.

Возьмем проводник в виде шара на изолирующей подставке, заряженный положительно. Если мы поднесем к нему шарик, заряженный также положительно, на него будет действовать сила отталкивания, направленная по продолжению радиуса шара. Чем больше эта сила, тем больше напряженность поля в данной точке.

На рисунке 11 расходящиеся прямые линии показывают направления сил, действующих на положительный заряд в поле положительно заряженного шара.

Рис. 11. Силовые линии и поверхности равного потенциала вокруг положительно заряженного шара.

Эти линии называют силовыми линиями.

Поднося наш заряженный шарик к большому шару, приходится совершать работу, преодолевая сопротивление электрических сил отталкивания. Чем ближе мы поднесем шарик к шару, тем больше совершенная нами работа. Величину, пропорциональную этой работе, назвали потенциалом.

Очевидно, на одинаковых расстояниях от шара потенциал одинаков.

На рисунке замкнутые линии соединяют точки, в которых потенциал одинаков. На плоском чертеже это — окружности, а в пространстве — сферы. Поверхности; для которых потенциал одинаков, называют поверхностями уровня потенциала. Силовые линии и поверхность уровня дают представление о поле.

Разумеется, и силовые линии и поверхности уровня в действительности не существуют. Это только воображаемые линии и воображаемые поверхности, которые нам нужны для изображения сил, действующих в электрическом поле так же, как меридианы и параллели на земном глобусе нужны для указания местоположения и в действительности тоже не существуют.

Силовая линия показывает направление, в котором начнет двигаться положительный заряд, помещенный в данную точку поля. Отрицательный заряд движется в противоположном направлении.

Поверхности уровня позволяют оценить величину работы, которая совершается при перемещении определенного положительного заряда из одной точки поля в другую. Для перемещения зарядов по поверхности уровня не нужно усилий, не нужна затрата работы. Переместить положительный заряд с поверхности более низкого потенциала на поверхность более высокого потенциала можно только посторонней силой, производя работу против сил поля. Обратный переход на более низкий уровень потенциала совершается силами самого поля, за счет энергии этого поля. Поле двух разноименных зарядов изображено на рисунке 12 — оно значительно сложнее, чем поле одиночного заряда, силовые линии его искривлены.

Рис. 12. Силовые линии и поверхности уровня потенциала в электрическом поле вокруг двух разноименно заряженных шариков.

Единица заряда

Постоянно наблюдая взаимодействие зарядов — их притяжение и отталкивание, ученые пришли к мысли, что сила притяжения или отталкивания может быть измерена. Ломоносов еще в 1756 году указывал, что «электрическая сила с помощью весов определена быть может».

Сила, с которой притягиваются или отталкиваются два электрических заряда, была «взвешена» французским ученым Шарлем Кулоном в 1785 году. Кулон изобрел весьма точный и чувствительный измерительный прибор, построенный по образцу крутильных весов.

Для изготовления этого прибора Кулон воспользовался круглой стеклянной банкой. Снаружи на банку он наклеил шкалу в виде узкой ленточки с нанесенными на нее градусными делениями, а внутри банки поместил легкую стрелочку, подвешенную на длинной шелковой нити. На тупом конце стрелки Кулон укрепил легкий шарик.

С помощью головки в верхней части прибора можно было поворачивать шелковую нить, а вместе с ней и стрелку с шариком (рис. 13).

Рис. 13. Прибор Кулона.

Другой точно такой же шарик Кулон прикрепил к стеклянному стерженьку величиной с карандаш. Сквозь отверстие в крышке стерженек можно было опускать в банку и доставать его, когда он не был нужен.

Начиная измерение, Кулон установил стрелку так, чтобы подвешенный шарик слегка касался шарика на стерженьке, затем он сообщил этому шарику электрический заряд.

Оба шарика, соприкоснувшись, поделили заряд поровну и, приобретя, таким образом, одноименные заряды, начали отталкиваться. Стрелочка же, преодолевая упругое сопротивление шелковой нити, повернулась.

Кулон измерил, на сколько градусов она повернулась в результате взаимодействия зарядов. Затем он вынул из банки стерженек. При этом стрелка прибора, разумеется, вернулась на прежнее место.

Коснувшись заземленного предмета шариком стерженька, Кулон нейтрализовал его заряд. Шарик лишился заряда, «опустел». Ученый вставил стерженек с «опустевшим» шариком обратно в прибор.

Шарики опять соприкоснулись. Так как на подвешенном шарике заряд оставался, то при соприкосновении шарики опять поделились зарядами. Но величина этих зарядов, очевидно, была уже вдвое меньше прежней.

Одноименные заряды оттолкнулись друг от друга. Стрелка опять отошла в сторону, но уже меньше, чем в первый раз, а Кулон записал, на сколько градусов она отошла.

Проделав этот опыт несколько раз, Кулон убедился, что сила, с какой отталкиваются два равных заряда, в точности пропорциональна произведению этих зарядов, — если каждый из зарядов уменьшается вдвое, то, следовательно, их произведение уменьшается в четыре раза, и сила, с какой они отталкиваются, ослабевает тоже в четыре раза.

В своих дальнейших опытах Кулон измерил, с какой силой отталкиваются два заряда, если изменяется расстояние между ними. Оказалось, что когда расстояние между шариками увеличивается вдвое, сила отталкивания ослабевает вчетверо. Если расстояние возрастало втрое, — сила отталкивания уменьшалась в девять раз.

Так было установлено, что сила взаимодействия двух зарядов пропорциональна произведению величин этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Эта зависимость получила название закона Кулона.

С помощью крутильных весов можно определить не только силу отталкивания двух одноименных зарядов, но и величину самих зарядов. Для этого необходимо выбрать единицу заряда.

Ученые условились принять за единицу количества электричества заряд шарика, который отталкивает другой точно такой же заряд с силой в 1 дину[1] при расстоянии между шариками в 1 сантиметр и при условии, что они разделены сильно разреженным пространством — находятся в вакууме.

Для практических целей эта мера оказались слишком маленькой, и в употребление вошла другая, более крупная мера — кулон.

Кулон больше первоначальной единицы ровно в три миллиарда раз.

Электричество может течь

Уже на заре изучения электрических явлений ученые убедились, что электрические заряды могут не только накапливаться, но и перетекать с одного предмета на другой по проводнику.

Герике, привязав к серному шару хлопчатобумажную нитку с шариком из слоновой кости на конце, заметил, что заряд серного шара распространился по нитке и наэлектризовал костяной шарик, который тоже стал притягивать легкие предметы.

Другие исследователи научились передавать заряд по изолированным бечевкам и шнуркам на большие расстояния. При этом выяснилось, что лучше всего заряды движутся по изолированным металлическим проволокам.

Именно металлы, которые Джильберт называл «неэлектрическими материалами», оказались хорошими проводниками электричества, а почти все остальные твердые вещества — плохими проводниками. Изоляторы, по которым заряды совсем не передвигались, стали называть диэлектриками.

Копилка зарядов

В середине XVIII века было сделано важное изобретение. Придумали прибор, получивший название лейденской банки, ее изготовили из обыкновенной стеклянной банки. Снаружи банку обернули листом тонкого металла, который охватил ее наподобие подстаканника; внутри также поместили металлическую обкладку. Внутреннюю обкладку соединили с металлическим стержнем, увенчанным шариком и пропущенным сквозь крышку банки (рис. 14).

Рис. 14. Лейденская банка.

Чтобы зарядить лейденскую банку, шарик соединяют с каким-либо источником электричества, а внешнюю обкладку заземляют — для этого достаточно держать банку в руке. Внутренняя обкладка приобретает электрический заряд, а заряды во внешней обкладке разделяются, положительные сдвигаются в одну сторону, а отрицательные — в другую. Заряды, оказавшиеся на наружной поверхности внешней обкладки, уходят в землю, и тогда каждая из обкладок приобретает заряды разных знаков.

Заряды, разделенные стенкой банки, как перегородкой, взаимно притягиваясь, удерживают друг друга. Благодаря этому лейденская банка способна накапливать и сохранять исключительно большие заряды — гораздо больше, чем могла бы накопить каждая из ее обкладок, взятая порознь.

Чтобы обнаружить заряд банки, достаточно соединить металлическим проводником наружную обкладку с шариком. Электрический разряд происходит в виде искры, с треском проскакивающей между концом проводника и шариком.

Если разрядить банку собственными руками, то человек почувствует болезненный удар. Двести лет назад один из физиков соорудил большую лейденскую банку и дал испробовать ее действие своей любознательной жене. Разряд лейденской банки был так силен, что женщина заболела и слегла в постель.

Разряд большой банки или батареи, то есть группы банок, у которых все внутренние обкладки соединены между собой металлическим проводником, а все наружные — между собой другим проводником, может оказаться смертельным. Лейденские банки следует разряжать не рукой, а металлическим разрядником.

Позже ученые убедились, что копилку электрических разрядов не обязательно делать в виде банки. Ее может заменить тонкая стеклянная пластинка, обложенная с двух сторон металлическими листочками: фольги или станиоля. Можно также укладывать куски стекла стопкой, прослаивая их станиолем. Все четные и все нечетные металлические прослойки следует порознь соединить между собой.

Вместо стекла годится любой другой изолятор-диэлектрик: слюда, парафинированная бумага, наконец, воздух (рис. 15).

Рис. 15. Первоначально в лейденской банке внутренней обкладки не делали, а наливали в банку воду.

Такие приборы получили название: конденсаторы, то есть «уплотнители».

При разряде лейденской банки весь заряд одной обкладки переходит на другую и нейтрализует накопленный на ней противоположный заряд. По проводу, соединяющему обкладки, хотя бы он и был сделан из длинной проволоки, перетекает весь электрический заряд. Такое передвижение заряда получило название — электрический ток.

Так постепенно, шаг за шагом, на протяжении почти трехсот лет люди изучали электрические явления.

Многие исследователи ошибались и выдвигали необоснованные, не подкрепленные опытом догадки. Другие ученые увязали в разнообразных бесчисленных опытах, никак не осмысливая свою работу, и их исследования напоминали бесцельное блуждание в лесной чаще.

Но все же ценой огромных усилий, в постоянной борьбе с заблуждениями и ошибочными гипотезами, постепенно развивалась наука об электричестве.

Мнение древних философов и ученых о незначительности электрических явлений превратилось в свою противоположность — наука устанавливала, что мир электрических явлений безгранично обширен.

Не в шутку, а совершенно серьезно один ученый как-то воскликнул: «Скажите мне, что такое электричество, и я объясню вам все остальное».

В представлении этого ученого происходящие в природе электрические явления приобрели важное, всеобъемлющее значение.