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

Со времен Франклина исследователи электричества считают, что поток электричества идет из точки наибольшей положительной концентрации энергии в точку наибольшей отрицательной концентрации, и этот процесс можно считать подобным тому, как поток воды бежит вниз с горы. Всегда существует стремление к ликвидации неравномерности распределения заряда, т. е. к уменьшению заряда в местах избытка и увеличению его в местах нехватки.

С точки зрения Франклина, подразумевалось, что электрический заряд не может ни появляться ниоткуда, ни исчезать в никуда. Если положительный заряд получается из-за притока электрического заряда, этот заряд должен быть получен откуда-то еще, и там, откуда он взялся, должна возникнуть его нехватка. И размер этой нехватки должен быть в точности равен размеру избытка заряда в точке его окончательного местонахождения. Так, если по стеклу терли шелком и оно приобретало положительный заряд, то шелк приобретал равный отрицательный заряд. Суммарный электрический заряд в стекле и шелке был равен нулю перед натиранием и оставался равным нулю после.

Это представление получило достаточно подтверждений со времен Франклина, и мы можем говорить о законе сохранения электрического заряда.

Мы знаем, что электрический заряд не может быть ни создан, ни уничтожен. Суммарный электрический заряд Вселенной постоянен. Нельзя забывать, что мы говорим о суммарном электрическом заряде. Нейтрализация положительного электрического заряда некоторой величины равным по величине отрицательным электрическим зарядом не является уничтожением электрического заряда. Сумма +x и –x равна 0; при такой нейтрализации меняется не сам электрический заряд, а лишь его распределение. Это верно и тогда, когда незаряженная система становится такой, что часть ее получает положительный заряд, а другая — равный по величине отрицательный заряд. Ситуация в точности аналогична той, что описывает закон сохранения импульса (см. ч. I).

Фактически и в двухзарядной теории Дюфе, и в однозарядной теории Франклина была доля истины. После того как начало приходить понимание внутреннего строения атома в 90-х годах XIX века (эта тема будет подробно рассмотрена в III части нашей книги), было открыто существование субатомарных частиц и то, что одни из них несут электрический заряд, а другие — нет[98].

Из субатомарных частиц, имеющих заряд, самые распространенные — электрон и протон, которые противоположно заряжены. Тогда в известном смысле протон и электрон представляют собой два дюфеевских вида зарядов. С другой стороны, протон в условиях электростатических экспериментов проявил себя как абсолютно неподвижная частица, в то время как электрон, самый легкий из них, легко перемещался из одного тела в другое. В этом плане электрон и представляет собой единственный электрический заряд Франклина.

В незаряженном теле число электронов равно числу протонов и заряд отсутствует. Тело наполнено электрическими зарядами обоих видов, но они находятся в равновесии. В результате трения электроны перемещаются. Одно тело приобретает избыток электронов, а в другом получается их нехватка.

Однако обнаружилась одна печальная вещь. Электроны двигаются в направлении, противоположном предположенному Франклином. Франклин не угадал. Там, где, по его мнению, должен был быть избыток электрического заряда, на самом деле была нехватка электронов, и наоборот. По этой причине пришлось считать электрический заряд электрона отрицательным; избыток электронов приведет к отрицательному заряду, чтобы получалась нехватка заряда, по Франклину, в то время как недостаточное количество электронов приведет к положительному заряду, по Франклину. Поскольку электрон получил отрицательное значение заряда, протон получил положительное.

(Инженеры-электрики до сих пор считают, что электрический ток движется от положительного к отрицательному, несмотря на то что физики определили, что электроны движутся от отрицательного к положительному. Для практических целей не имеет значения, каким считать направление тока, ведь направление всегда одно и то же и никаких изменений в процессе тока не происходит.)

Кулон, измерив отношение силы между магнитными полюсами и расстояниями, сделал то же самое для силы между электрически заряженными телами. Здесь стоящая перед ним задача была несколько легче выполнима ввиду важной разницы между магнетизмом и электричеством. Магнитные полюса не существуют сами по себе. Каждое тело, имеющее северный полюс, должно также иметь и южный магнитный полюс. Соответственно на измерение магнитных сил между полюсами влияют и сила притяжения, и сила отталкивания, и это усложняет измерение. Электрические же заряды можно изолировать. Тело может нести только отрицательный или только положительный заряд. По этой причине притяжение может быть измерено без вмешательства усложняющего ситуацию отталкивания, и наоборот.

Кулон обнаружил, что электрическая сила, как и магнитная, изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния. В сущности, уравнение, которое он использовал для выражения изменения электрической силы по мере изменения расстояния, было аналогично тому, которое он вывел для магнитных сил (см. уравнение 9.1).

Если электрический заряд двух тел соответственно q и q’, а расстояние между ними — d, тогда F — сила, действующая между ними (это может быть как сила притяжения, если заряды противоположные, так и сила отталкивания, если заряды одинаковы), может быть выражена так:

F = qq’/d2, (Уравнение 10.1)

при условии, что между зарядами находится вакуум.

В системе СГС расстояния измеряются в сантиметрах, а силы в динах. Если мы представим, что два равных заряда разделены расстоянием в 1 см и воздействуют друг на друга с силой в 1 дину, то величина электрического заряда — 1 электростатическая единица.

Самый маленький возможный заряд тела — заряд одного электрона[99]. Измерения показали, что он равен –4,8∙10–10 электростатических единиц, где минус означает отрицательный заряд. Это значит, что тело, несущее заряд в 1 электростатическую единицу, содержит около 2 миллиардов лишних электронов.

Другая широко используемая единица заряда в системе МКС — кулон, названа она в честь физика. Кулон равен 3 миллиардам электростатических единиц. Тело, несущее отрицательный заряд в 1 кулон, содержит примерно 6 миллиардов избыточных электронов, а тело, несущее положительный заряд в 1 кулон, имеет такую же их нехватку.