С.Г. Калашников - Электричество, страница 13

Добавление 1). Поэтому, исследуя на опыте, действительно ли в объеме проводника нет зарядов, можно проверить справедливость закона Кулона и притом гораздо более точно, нежели в опытах с крутильными весами. Такие опыты произвел впервые Кавендиш, который за несколько лет до Кулона установил, что сила взаимодействия зарядов обратно пропорциональна квадрату расстояния. В этих опытах металлический шар 1 (рис. 34) был укреплен на изолирующей подставке в.

Две металлические полусферы 3, изолированные от земли, были укреплены на подвижных подставках (на рисунке не изображены) и могли быть соединены в одну сферу, охватывающую 5 шар 1. В одной из полусфер имелось малое отверстие, в которое можно было вставлять 4 г короткий металлический проводник 4 подвешенный на изолирующей нити б, и соединять шар и сферу, не разряжая прибора. Саы опыт заключался в следующем. Полусферы 3 складывали вместе, соединяли 1 их проводником 4 с шаром 1 и заряжали. О заряде сферы судили по показаниям электрометра. Затем проводник 4 с помощью нити б удаляли, обе полусферы раздвигали 1\ 340 к и РазРЯжали, соеДинЯЯ их с землей, После эеяляша этого электрометр присоединяли к 1пару 1 и проверяли, имеется ли на нем какой-либо заряд.

Опыт всегда показывал, что на шаре нет никаких следов заряда. Вследствие большого принципиального значения вопроса о законе силового взаимодействия зарядов подобные опыты были повторены позднее Максвеллом в улучшенной форме. Исходя из чувствительности своих опытов, Максвелл рассчитал, что отклонение 6 от величины 2 в показателе закона Кулона если и существует, то не превышает 1/21600.

В настоящее время закон Кулона для макроскопических расстояний проверен гораздо точнее. бО ГЛ. Н1 РАзность пОтенциАлОВ ~ 29. Острия При исследовании распределения зарядов на проводнике сложной формы (рис, 35 а) оказывается, что поверхностная плотность заряда различна в разных точках поверхности: она близка к нулю внутри углубления (точка 1), принимает наибольшее значение на заострении 1точка л) и имеет промежуточную величину в точках боковой поверхности (Я).

Но напряженность поля Я, согласно (13.7), пропорциональна поверхностной плотности заряда гг. Поэтому и напряженность поля у поверхности проводника сложной формы также весьма неодинакова. Она особенно велика возле участков с малым радиусом кривизны, т.е. у заострений. Это приводит к своеобразному явлению «стекания» зарядов с металлических острий. Если соединить изолированное металлнческос острие с источником высокого напряжения, то находящиеся поблизости изолированные проводники заряжаются.

Помещая недалеко от острия электрометр, соединенный с металлической пластиной, можно видеть, что пластина заряжается до значительного напряжения и притом зарядом того же знака, что и на острие. Если, наоборот, предварительно зарядить пластину с электрометром, а острие присоединить к земле, то при поднесении острия к пластине последняя разряжается: индукционные заряды стекают с острия и нейтрализуют заряд пластины. Причина этого явления заключается в большой напряженности поля возле острия. Когда эта напряженность становится достаточно большой, в окружающем воздухе начинается ионизация (подробнее см.

3 165) и появляются положительные и отрицательные ионы (рис. 35 б). Иовы с тем же знаком заряда, Рис. 35. Напряженность электрического поля и поверхностная плотность у заострения проводника 1«)1 причина стекания зарядов (О) что и у острия, движутся от острия; ионы с противоположным знаком заряда движутся к острию и уменьшают его заряд. Ионы, движущиеся от острия, увлекают в своем движении и нейтральные молекулы, отчего возникает направленное течение ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР $ 30 воздуха от острия, или электрический ветер. Его можно обнаружить, поднося к острию зажженную свечу: пламя свечи сильно отклоняется от острия и может быть погашено струей электрического ветра. Рассмотренное свойство заостренных проводников используют на практике для съема зарядов в различных устройствах.

Для предотвращения стекания зарядов у всех приборов и машин, работающих под высоким электрическим напряжением, металлические части делают хорошо закругленными, а концы металлических стержней снабжают гладкими шариками; наличие заострений вызвало бы стекание зарядов и нарушение изоляции. $30. Электростатический генератор То обстоятельство, что заряды всегда распределяются только на внешней поверхности проводника, используют для устройства электростатических генераторов, предназначенных для получения весьма высоких напряжений. Принцип их действия разъясняется опытом, изображенным на рис. Зб. Соединим изолированный проводник а с источником напряжения В (удобно воспользоваться заряженным конденсатором или техническим выпрямителем на 2-3 тысячи вольт) и расположим поблизости полый изоли- + ~',~ б ~ рованный проводник б, ~~~ + соединенный с электро- метром. Соединим на момент проводники а и б металлическим стерж- В нем (на изолирующей ручке).

Проводник б зарядится до напряжения проводника а, которое и определим по показаниям Рис. Зб. Принцип действия электростати- ческого генератора электрометра. Возьмем теперь металлический шар в, укрепленный на изолирукпцей ручке, коснемся им проводника а, а затем внутренней поверхности проводника б. Заряд шара в перейдет полностью на проводник б, отчего напряжение на б увеличится. Повторяя этот процесс многократно, мы сможем сделать напряжение на проводнике б намного ббльшим, чем на проводнике а; в принципе можно увеличивать его неограниченно. РАЗНОСТЬ ПОТЕНЦИАЛОВ Гл гч При помощи описанного процесса мы переносим положительные заряды от тела с более низким потенциалом к телу с более высоким потенциалом.

На первый взгляд это может показаться удивительным, твк квк прн соединении двух проводников положительные заряды всегда перемещаются от более высокого потенциала к более низкому. На самом же деле здесь никакого противоречия нет, твк квк при перемещении шара е от а к б мы преодолеваем силу оттвлкиввиия и совершаем механическую работу. Поэтому, перемещая е по направлению к б, мы увеличиваем потенциал шара е. Когда е окажется внутри полости б, его потенциал сравняется с потенциалом б. Таким обрезом„ценой совершения механической работы мы можем, располагая источником небольшого напряжения, зврядить какой-либо проводник до напряжения более высокого. Это и осуществляется в электростатическом генераторе.

Он состоит из большого полого проводника 1 (рис. 37), обычно шарообразной формы, укрепленного на изолирующей колонне Я. Внутри колонны проходит бесконечная лента Ю из прорезиненной ткани, движущаяся на двух шкивах 4 и играющая роль ша- ра а на рис. 36. Лента заряжается при 2 МВ помощи системы острий Б, соединенных е с одним из полюсов источника напряжения, второй полюс которого заземлен. Против острий, с обратной стороны лен- 4 ! у ты, помещают заземленную пластину б, которая увеличивает заряды, стекающие ейФ с острия 5 на ленту.

Проходя мимо си- стемы острий 7, соединенных с шаром 1, 3 е 2 резиновая лента отдает им принесенные заряды, которые полностью переходят на внешнюю поверхность шара независимо от того, какое напряжепие имеется б! между шаром и землей. 1 С 20кв М им ьное апряжение, которое 4 практически можно получить на шаре, определяется утечками зарядов с шара (главным образом вследствие иопизации воздуха). Напряжение шара перестает ческий генератор повышаться, когда заряд, приносимый лентой в единицу времени (ток ленты), делается равным заряду, теряемому вследствие утечки (току утечки).

Поэтому на практике стремятся по возможности увеличить ток ленты. Электростатические генераторы применяют в настоящее время для ускорения заряженных частиц (электронов и ионов). С их помощью удается получить напряжения до 3-5 миллионов вольт. Высота таких генераторов достигает 10-15 м, а диаметр шара— нескольких метров.

Электростатические генераторы иногда помещают в камеры со сжатым газом, так кэк ионизация газа при повышении давления наступает при ббльших напряжениях. электРическАя емкость 63 ГЛАВА 1Ч ЭНЕРГИЯ ЭЛЕКТРИх1ЕСКОГО ПОЛЯ 3 31. Электрическая емкость Рассмотрим два проводника, между которыми существует электрическое напряжение, и предположим, что все линии смещения, исходящие из одного проводника, заканчиваются на другом.

Такую пару проводников мы будем называть простым конденсатором или просто конденсатором. Простым конденсатором является шаровой конденсатор, состоящий из двух проводников в виде концентрических сфер (3 24), так как линии смещения, исходящие из внутренней сферы, обязательно все заканчиваются на внешней сфере. Две параллельные проводящие пластины (плоский конденсатор) можно считать также простым конденсатором, если расстояние между пластинами мало по сравнению с их размерами.

Простым конденсатором является и цилиндрический конденсатор (3 24), если длина цилиндров велика по сравнению с зазором между ними. Оба проводника, образующие конденсатор, называются его ойсладка.ив. Так как линии смещения начинаются и заканчиваются на электрических зарядах, то отсюда следует, что заряды, находящиеся на обкладках простого конденсатора, всегда равны по модулю и противоположны по знаку. Напряженность поля в любой точке между обкладками конденсатора всегда пропорциональна заряду обкладок.