Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

В то время как электрический заряд, однажды созданный путем натирания «электрика», распространяется по всему веществу, он не пройдет полностью через него, войдя в одной точке и выйдя в другой. С «неэлектриками» же именно так и происходит — через них ток проходит насквозь. Действительно, через металлы электрический ток проходит чрезвычайно быстро, так быстро, что заряженное вещество теряло свой заряд, становясь разряженным, если получало контакт с металлом, соприкасающимся, в свою очередь, с землей. Заряд уходил из вещества через металл в огромное тело земли, распространяясь по которому он становился таким слабым, что его уже нельзя было обнаружить.

Это объясняло тот факт, что металлы не электризовались путем натирания. Электрический заряд, как только появлялся, переходил из металла практически в любое тело, соприкасающееся с ним. Грей поместил металлы на блоки канифоли (которые не допускали прохода электрического заряда). В таких условиях куски металла, если их тщательно потереть, действительно наэлектризовывались, так как формировавшийся в металле заряд не мог сразу пройти через канифоль и был, так сказать, пойман в металле. Короче, в конце концов выяснилось, что электрические силы, как и магнитные, присутствуют в материи повсеместно.

По результатам работы Грея вещества были поделены на два класса. Первый класс включает в себя металлы — наилучшие примеры, в частности, золото, серебро, медь и алюминий — материалы, через которые электрический заряд проходит с огромной скоростью. Это электропроводники. Вещества другой группы, представителями которой являются янтарь, стекло, сера и резина (каучук), — материалы, которые с легкостью электризуются при трении, — оказывают огромное сопротивление электрическому потоку. Это электроизоляторы (от латинского слова, означающего «остров», так как такой материал может быть использован для изоляции электрических объектов, не давая электричеству покидать их и, таким образом, делая предметы, так сказать, островами электричества).

Представления об электростатическом притяжении и отталкивании развил в 1733 году французский химик Шарль Франсуа Дюфе (1698–1739). Он наэлектризовал маленькие кусочки пробки, прикасаясь к ним уже наэлектризованным стеклянным стержнем, так что электрический заряд частично переходил со стекла на пробку. Несмотря на то что стеклянный стержень притягивал пробку, пока последняя не была заряжена, стержень и пробка отталкивали друг друга, когда пробка заряжалась. Более того, два кусочка пробки, заряженные от стекла, также отталкивали друг друга.

То же самое происходило, когда два кусочка пробки были заряжены прикосновением уже наэлектризованного стержня из канифоли. Однако пробка, наэлектризованная стеклом, притягивала пробку, наэлектризованную резиной.

Тогда Дюфе решил, что существуют два вида электрического заряда, и он назвал их «стеклянным электричеством» и «канифольным электричеством». Здесь, как и в случае с северным и южным магнитными полюсами, аналоги отталкивают друг друга, а противоположности притягиваются.

Против этой теории выступил Бенджамин Франклин. В 1740-х годах он провел эксперименты, которые довольно ясно показали, что заряд «стеклянного электричества» мог нейтрализовать заряд «канифольного электричества», так что не оставалось вообще никакого заряда. Эти два вида электричества не были просто разными, они были противоположными.

В качестве объяснения Франклин предположил, что существует только один электрический заряд и в норме все тела обладают им в определенной степени. Когда этот заряд имеется в нормальном количестве, тело не заряжено и не проявляет электрических свойств. В некоторых случаях в результате трения часть электрического заряда покидала натираемое тело, в других случаях, наоборот, заряд тела возрастал. Когда тело получало избыточный заряд, Франклин предложил считать его положительно заряженным, а когда заряд уменьшался — отрицательно заряженным.

Положительно заряженное тело притянет отрицательно заряженное, гак как электрический заряд стремится (так сказать) распределиться равномерно, и при контакте электрический заряд перейдет из места, где он в избытке, в место, где он в недостатке. В обоих телах концентрация заряда станет нормальной, и, таким образом, оба тела станут разряженными.

С другой стороны, два положительно заряженных тела будут отталкивать друг друга, так как избыток заряда в одном теле не будет стремиться к прибавлению такого же заряда из другого тела, скорее наоборот. Так же будут отталкиваться и два отрицательно заряженных тела.

Эти понятия помогают объяснить явление электростатической индукции. Если положительно заряженный объект подносится к незаряженному, то избыток заряда в первом будет отталкивать заряд второго и отводить его в дальнюю часть незаряженного тела, делая ближний край второго тела отрицательно заряженным, а дальний край положительно заряженным. (Незаряженное тело останется незаряженным в целом, так как отрицательный заряд одного края будет уравновешивать положительный заряд другого.)

Теперь будет иметь место притяжение между положительно заряженным телом и отрицательно заряженной частью незаряженного тела. Также будет наличествовать и отталкивание между положительно заряженным телом и положительно заряженной частью незаряженного тела. Однако поскольку положительно заряженный край незаряженного тела находится дальше от положительно заряженного тела, чем отрицательно заряженный край, то сила отталкивания будет слабее, чем сила притяжения, и в результате действовать будет сила притяжения.

То же самое происходит, когда к незаряженному телу подносится отрицательно заряженное. В этом случае электрический заряд незаряженного тела приближается к отрицательно заряженному телу. В незаряженном теле формируется положительно заряженная часть, находящаяся около отрицательно заряженного тела (в результате чего имеется сильное притяжение), и отрицательно заряженная часть, находящаяся дальше от отрицательно заряженного тела (в результате чего имеется слабое отталкивание). Общим действием этих двух сил опять же будет притяжение. Таким образом можно объяснить, почему электрически заряженные тела обеих разновидностей одинаково легко притягивают незаряженные тела.

В вопросах притяжения и отталкивания Франклин представлял себе положительный и отрицательный заряды подобно северному и южному полюсам магнита. Однако оставалось одно важное различие. Магнетизм Земли позволял стандартно различать между собой полюса магнита в зависимости от того, на север или на юг указывает определенный полюс. Но способа так же легко отличить отрицательный электрический заряд от положительного не обнаружилось.

По Франклину, положительный заряд получался в результате избытка электричества, но раз уж нет абсолютной разницы в поведении между «стеклянным электричеством» и «канифольным», то как можно определить, какой электрический заряд происходит от избытка заряда, а какой — от недостатка? Обе разновидности различаются только отношением друг к другу.

Франклину пришлось угадывать, четко понимая, что у него один шанс из двух, то есть шансы равны. Он решил, что натертое стекло приобретает электрический заряд и является положительно заряженным, а натертая канифоль теряет электрический заряд и становится отрицательно заряженной. После принятия этого решения все электрические заряды могли быть определены как положительные или отрицательные в зависимости от того, притягивались они или отталкивались зарядом, который уже был определен как положительный или отрицательный.