"Электротехнические средства инженерного вооружения (с основными сведениями по электротехнике). Пособие для военно-инженерных училищ Красной Армии. Второе, исправленное и дополненное издание" - читать интересную книгу автора (Балуев В.)

долгое время, но из еще более мелких частиц, которые были названы протонами и электронами. Протон несет заряд положительного, а электрон - отрицательного электричества. Атомы всех тел состоят из различных комбинаций протонов и электронов, часть которых по определенным кривым движется вокруг положительно заряженного ядра. Простейшее устройство имеет атом водорода, состоящий из одного протона и одного электрона (рис. 16). В центре атома помещается протон, а вокруг него движется электрон. При своем движении вокруг протона электрон удерживается тем притяжением, которое имеется между разноименными зарядами. Масса всякого электрона приблизительно в 2 000 раз меньше массы атома водорода. Масса протона меньше массы атома водорода на величину массы электрона. Электрические заряды протонов и элек-^-"^ тронов одинаковы. Атом водорода,
/'" ^\ имея один заряд положительный и
Электрон один отрицательный такой же величины, электрически нейтрален. Атомы других веществ, более сложного строения, имеют положительно заряженное ядро, состоящее из протонов и части
~v-___-'' электронов, вокруг которого вращается
Рис. 16. Схема строения атома часть свободных электронов. Число 1 водорода электронов и протонов в атоме любого
вещества одинаково, и следовательно,
зная, что заряды их также равны, можно сделать вывод об электрической нейтральности атома любого вещества в обычных условиях.
Непроводники электричества (изоляторы) не имеют свободных электронов, могущих переходить из одного атома в другой. В телах же, проводящих электричество (проводниках), имеется большое количество свободных электронов, не связанных ? атомами.
При электризации трением наблюдается переход части свободных электронов с одного тела на другое. Тело получает отрицательную электризацию, если в нем вызван численный перевес электронов, и наоборот, положительную электризацию при превышении числа протонов. При трении эбонитовой палочки о шерсть часть электронов с последней переходит на эбонит, и так как он является изолятором, то электроны остаются на нем. Шерсть, потеряв часть электронов, оказывается наэлектризованной положительно, а эбонит отрицательно. При трении стекла о кожу стекло отдает часть электронов коже и потому стекло электризуется положительно, а кожа - отрицательно. Следовательно, можно сделать общий вывод: положительная электризация тела происходит вследствие ухода части электронов с данного тела, а отрицательная - вследствие притока электронов извне, но ни в коем случае не ухода протонов с электрически нейтрального тела.
Так же просто объясняется с точки зрения электронной теории и равное количество положительного и отрицательного электричества, возникающего при трении на обоих телах. Электрические заряды электронов, попавшие на другое тело, увеличивают его
20
отрицательный заряд, освобождая в то же время от нейтрализации такой же величины положительный заряд на том теле, где они были раньше.
3. Закон Кулона
Французский физик Кулон в конце XVIII века на основании многочисленных опытов установил, что взаимодействие двух наэлектризованных тел подчиняется определенному закону и зависит от величины зарядов и расстояния между телами. Указанная зависимость и известна под именем закона Кулона.
Если в указанном выше опыте с наэлектризованными одноименным электричеством бумажными гильзами увеличивать величину заряда на одной или на другой гильзе, то силы отталкивания увеличиваются соответственно во столько же раз, во сколько увеличилось количество электричества, т. е. сила взаимодействия увеличивается пропорционально величине зарядов этих гильз. Если же в указанных опытах увеличивать расстояние, то оказывается, что сила взаимодействия уменьшается не пропорционально расстоянию, а расстоянию в квадрате, т. е. если, например, увеличивать расстояние в три раза, то сила взаимодействия уменьшится в девять раз, и т. д.
Объединяя все вышеизложенное, получим следующую общую формулировку закона Кулона: сила взаимодействия наэлектризованных тел, находящихся в воздухе, прямо пропорциональна произведению зарядов на них и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
Значит, если обозначить силу взаимодействия буквой /, величины зарядов через е^ и ?2, а расстояние между ними через /, то
/=?1}Г" (1)
Зная это соотношение, можно вывести понятие о единице количества электричества, если положить / и / равными соответственно единице силы (дина) и длины (см), а е}= ?2, которые также равны единице. За единицу количества электричества можно принять такое количество электричества, которое действует на равное себе количество электричества на расстоянии в 1 см в воздухе с силой, равной одной дине. Такая единица называется абсолютной единицей количества электричества. Практическую единицу количества электричества назвали в честь Кулона кулоном, так как абсолютная единица количества электричества оказалась очень малой и неудобной для практики. Практическая единица количества электричества - кулон - в 3 миллиарда раз больше абсолютной единицы количества электричества.
4. Электрическое поле, потенциал и напряжение
Производя опыты с электроскопом, можно заметить, что листочки его расходятся несколько раньше, чем наэлектризованное тело коснется шарика. Это же самое явление можно наблюдать,
2.1
поднося заряженную эбонитовую палочку к бумажной гильзе, висящей на шелковой нити: гильза начинает притягиваться к палочке. Проделаем еще один опыт: возьмем металлический шар на изоляционной подставке и зарядим его; приближая к этому шару
маленькие шарики, висящие на шелковых нитях и заряженные одинаковым электричеством, заметим, что последние будут отталкиваться от шара. Причем чем ближе расположен шарик к большому шару, тем он сильнее отталкивается, и наоборот. Если поместить маленький заряженный положительным электричеством шарик на шелковой нитке между двумя заряженными разноименным элек-" тричеством металлическими шарами (рис. 17) на изоляционных подставках, то можно наблюдать передвижение шарика от одного шара к другому по определенной кривой. .
Опыт показывает, что действие электрических сил проявляется не только непосредственно возле заряженного тела, но и на большом расстоянии от него. Пространство, в
котором обнаруживается действие электрических сил, называется электрическим полем, а линии, по которым движутся заряды под влиянием электрических сил, называются электрическими силовы милициям и.
Рис. 17. Электрическое поле:
1 - шар, заряженный положительным электричеством; 2- шар, заряженный отрицательным электричеством; а - шарик, заряженный положительным электричеством
Рис. 18. Прибор для обнаружения электрического поля:
1иб - стеклянные пластинки; 2- станиолевая пластинка; 3 - зажим; ё-медная проволока; б - электрод
Представление об электрическом поле, о распределении и направлении электрических силовых линий может дать следующий опыт (рис. 18). Возьмем две стеклянные пластинки, хорошо промытые чистым спиртом, высушенные и электрически нейтральные. Как видно на рис. 18, к концам длинной стеклянной пластинки (/) прикреплены станиолевые пластинки (2) и зажимы (3) для присоединения проводников. Далее, к станиолевым пластинкам присоединены медные проволоки (4} с электродами (5). Электроды и пространство между ними покрываются второй стеклянной пластинкой (6),
22
на которую насыпаются в небольшом количестве кристаллики гидрохинона. Если теперь наэлектризовать зажимы разноименным электричеством, то кристаллики гидрохинона расположатся в направлении силовых линий поля (рис. 19, а). Расположение кристалликов в направлении электрических силовых линий называется спектром электрического поля. Если зарядить зажимы одноименным электричеством, то спектр электрического поля примет вид, указанный на рис. 19, б.
Начало электрических силовых линий условно считается на положительном электроде, а конец - на отрицательном.
Если внимательнее присмотреться к опытам с двумя одинаковыми электроскопами (рис. 15), то можно заметить следующее: когда мы соединим заряженный электроскоп с незаряженным, листочки последнего расходятся на тот же угол, который получился у листочков первого электроскопа. Следовательно, при соединении шариков обоих электроскопов проводником происходит выравнивающий процесс, благодаря которому степень электризации на обоих электроскопах будет одинакова. Однако ДЛЯ того, чтобы разош- Ри?. 19. Спектры электрических полей лись листочки незаряженного
электроскопа, надо затратить небольшое количество энергии. Эта энергия пришла вместе с электрическим зарядом с первого электроскопа, где она до этого была в скрытом потенциальном состоянии, поэтому эту энергию и называют потенциальной энергией. Потенциальная электрическая энергия тела зависит исключительно от находящихся на теле электрических зарядов. Количество потенциальной энергии, приходящейся на единицу количества электричества, характеризует степень электрического состояния. Эта величина и называется электрическим потенциалом или напряжением электричества. Совершенно естественно, что электрический потенциал различных наэлектризованных тел может быть различен. Если взять опять два одинаковых электроскопа и зарядить их одноименным электричеством, но не одинаково, а так, чтобы один электроскоп имел больший электрический потенциал, а другой меньший, и снова соединить шарики этих электроскопов проводником, то можно наблюдать выравнивающий процесс электрического состояния их, причем у первого электроскопа угол расхождения листочков уменьшится, а у второго увеличится. Следовательно, электричество с тела с большим потенциалом перешло на тело с меньшим потенциалом.
Разность электрических потенциалов называется напряжением. В электростатике выравнивающий процесс происходит мгновенно. Однако.надо теперь же оговориться, что он может существовать и длительное время, если поддерживать разность электрических состояний - напряжение.
23
Проделаем еще несколько опытов. Возьмем пустотелый металлический шар (рис. 20), укрепленный на изоляционной подставке (2). Сверху шара сделано небольшое отверстие (/), внутрь которого
можно вставить пробный шарик (рис. 21). Пробный шарик представляет собой металлический полированный шарик, укрепленный на изоляционной ручке; он служит для снятия заряда с поверхности заряженного тела. Наэлектризуем пустотелый металлический шар и будем касаться различных точек его пробным шариком, перенося им заряд на электроскоп. При касании пробным шариком различных точек на наружной поверхности шара и затем шарика электроскопа можно обнаружить распределение электричества на всей наружной поверхности шара. На внутренней же поверхности шара электричества не обнаруживаем.
Рис. 20. Полый шар на изоляционной подставке:
1 - отверстие шара; 2 - изоляционная подставка
Рис. 21. Шарик для проб
Размещение заряда на наружной поверхности проводника можно наблюдать также на гибкой металлической сетке, помещенной на
изолирующих стойках (рис. 22). Действительно, при заряжении на сетке отклоняются только те прикрепленные к ней легкие листки* которые расположены в наружной части (на-
Рис. 22. Гибкая металлическая сетка на изолирующих стойках
Рис. 23. Шар с двумя съемными полушариями
ружном изгибе.) Меняя изгиб сетки, можно заставить подняться те листочки, которые оказались на наружной поверхности сетки, и опасть те, которые попали во внутреннюю часть.
24
Возьмем металлический шар на изоляционной подставке и наэлектризуем его, а затем покроем двумя полыми металлическими полушариями с изолирующими ручками (рис. 23). Снимая полушария, убеждаемся при помощи электроскопов, что они зарядились, а шар потерял заряд.