С.Г. Калашников - Электричество, страница 5

Медь заряжается положительно, а цинк— отрицательно. Положительный электрод часто называют анодом, а отрицатель- -Нф04 ный — катодом. Устройство различных гальванических элементов н процессы, в них происходящие, будут рассмотрены в гл. ХИ11, Риа а Элемеитйольты й 6. Электризация как разделение зарядов Опыт показывает, что возникновение заряда на любом теле всегда сопровождается появлением другого заряда, равного ему по модулю, но противоположного по знаку. Так, например, в гальванических элементах мы имеем всегда два электрода, один из которых заряжается положительно, а другой — отрицательно. При электризации трением также всегда заряжаются оба притираемых тела и притом равными по модулю, но противоположными по знаку зарядами.

Одновременное появление разноименных зарядов ири всяком процессе заряжения привело к заключению, что во всех телах всегда содержатся положительные и отрицательные заряды. В обычных условиях, однако, количество положительного заряда в каждом объеме тела равно количеству отрицательного заряда, и поэтому тело представляется нам незаряженным. Всякий процесс заряжения есть процесс разделения электрических зарядов, при котором на одном из тел (или части тела) появляется избыток положительного заряда, а на другом (или другой части тела) — избыток отрицательного заряда. Общее количество положительного и отрицательного зарядов, содержащихся в телах, не изменяется, а эти заряды только перераспределяются между телами. Поэтому алгебраическая сумма зарядов, возникающих при любом электрическом процессе на всех телах, участвующих в процессе, всегда равна нулю.

й 7. Электроны В настоящее время твердо установлено, что электрические заряды существуют в природе в виде заряженных частиц, которые мы считаем простейшими, или элемеитарнымн.'Элементарная отрицательно заряженная частица, с которой нам приходится встречаться в электрических явлениях, получила название 20 электрические зАРяды электрона. Заряд каждого из электронов равен 1,б0 10 'э Кл Я 144). Масса электрона чрезвычайно мала и составляет всего около 10 эо кг.

Поэтому можно принести на тело и убрать с него огромное число электронов без заметного изменения массы тела. В состав атома каждого элемента входит определенное свойственное ему число электронов. Атом в целом, однако, не заряжен, так как в нем имеется и положительный заряд, равный по модулю сумме зарядов всех электронов атома. Положительный заряд атома заключен в ядре атома, в котором сосредоточена практически вся масса атома. Если атом теряет один или несколько электронов, то он обращается в положительно заряженный атом, или положительный ион. Если атом захватывает дополнительные электроны, образуется отрицательно заряженный атом, нли отрицательный ион.

Процесс заряжения какого-либо тела представляет собой либо перенос на это тело, либо увод с него некоторого количества электронов или ионов. Теория, объясняющая различные свойства вещества наличием в нем электронов и их движением, носит название электронной теории. Хорошие проводники электричества — это такие тела, в которых электрические частицы могут свободно перемещаться. Электропроводность металлов обусловлена тем,что часть электронов, содержащихся в металле, находится в подвижном состоянии. Такие электроны называются свободными электронами или электронами проводимости. Если к изолированному незаряженному металлическому проводнику приблизить заряженное тело, то на проводнике появ- с с с с с с с с с с с с с с с с Рнс. 3.

Схема объяснения электрической индукции в электронной теории лаются наведенные, или нндуцированные, заряды (рис. 3, где кружки с плюсом -- положительные ионы металла, темные точки — электроны проводимости). В рамках электронной теории это объясняется тем, что приближение влияющего тела вызывает появление сил, действующих па электроны проводимости металла, отчего они перемещаются и перераспределяются, пока не будет достигнуто новое положение равновесия.

Если, например, влияющее тело заряжено положительно,. то электроны проводимости будут притягиваться к нему и на ближнем к телу конце ПОНЯТИЕ ОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ проводника появятся избыточные электроны, т.е. отрицательный заряд; на удаленном конце образуется недостаток электронов, а следовательно, здесь появляется избыток положительных ионов, т.е. возникает положительный заряд (рис. 3 б). В дальнейшем мы рассмотрим основные опыты, доказывающие существование электронов, позволяющие определить их свойства и выясняющие участие электронов в различных электрических явлениях.

Однако существование электронов целесообразно учесть уже с на~ала изучения электричества, так как это сразу позволяет просто и наглядно объяснить многие электрические явления. ГЛАВА 11 ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ й 8. Понятие об электрическом поле При исследовании взаимодействия электрических зарядов, естественно, возникает вопрос, почему появляются силы, действующие на заряды, и как они передаются от одного заряда к другому? Совершенно так же можно поставить и следующий вопрос: механические силы возникают только при наличии двух зарядов; происходят ли, однако, какие-либо изменения в окружающем пространстве при наличии только одного заряда, когда второго нет вовсе? В процессе развития физики существовали два противоположных подхода к ответу на поставленные вопросы. При одном из них предполагалось, что телам присуще свойство действовать на другие тела на расстоянии, без участия промежуточных тел или среды, т.е.

предполагалось, что силы могут передаваться от одного тела к другому через пустоту и притом мгновенно (теории дальнодействия). С этой точки зрения при наличии только одного заряда никаких изменений в окружающем пространстве не происходит. Согласно второму взгляду силовые взаимодействия между разобщенными телами могут передаваться только при наличии какой-либо среды, окружающей эти тела, последовательно от одной части этой среды к другой, и с конечной скоростью ~теории близкодействия); даже при наличии одного-единственного заряда в окружающем пространстве происходят определенные изменения. Современная физика сохраняет только идею близкодействвя и отвергает дальнодействие.

Действительно, допущение возможности передачи силовых взаимодействий, т.е. движения, через 22 гл. и ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ пустоту, без участия материи, равносильно допущению возможности движения без материи, что бессодержательно. Таким образом, для понимания происхождени~ и передачи сил, действующих между покоящимися зарядами, необходимо допустить наличие между зарядами какого-то физического агента, осуществляющего это взаимодействие. Этим агентом и является электрическое поле. Когда в каком-либо месте появляется электрический заряд, то вокруг него возникает электрическое поле.

Основное свойство электрического поля заключается в том, что на всякий другой заряд, помещенный в это поле, действует сила. Рассматривая взаимодействие покоящихся зарядов, мы приходим к понятию электрического поля. Подобным же образом, рассматривая магнитное взаимодействие движущихся зарядов (токов) или постоянных магнитов, мы придем к понятию магнитного поля. Мы увидим (гл. Х111), что электрические и магнитные поля могут превращаться друг в друга и что каждое из ннх есть лишь частный случай более общего электромагнитного поля.

Далее будет показано, что электрические (и магнитные) поля могут существовать и без зарядов (и токов), первоначально нх породивших (гл. ХХП1), и что именно в электромагнитном поле нужно видеть основную причину электрических и магнитных явлений. Электромагнитное поле заключает в себе и переносит определенную энергию Я 242), а также обладает импульсом н массой Я 245). Следовательно, электромагнитное поле не есть абстрактный образ, введенный нами для описания электрических и магнитных взаимодействий, но представляет собой объективную реальность, обладающую физическими свойствами. Оно является определенной формой материи, которая осуществляет электрические и магнитные взаимодействия. Таким образом, современная физика при помощи понятия поля расширяет представление о близкодействии и распространяет его на немеханические явления.

й 9. Напряженность электрического поля Для количественной характеристики электрического поля служит специальная физическая величина — напряженность электрического поля. Рассмотрим точечный электрический заряд д и будем вносить в электрическое поле этого заряда другой точечный пробный заряд дь На пробный заряд 91 будет действовать сила 1г, различная в разных точках поля, которая, согласно закону Кулона, будет пропорциональна пробному заряду дь Поэтому отношение этой силы к пробному заряду 1г/д1 уже не зависит от выбора пробного заряда и характеризует электрическое поле в 19 НАПРЯЖЕННОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ 23 о О+- Е 19.2) Отметим в заключение, что для случая поля, вызванного точечным зарядом, выбор величины пробного заряда безразличен.

В более сложных и!учаях, рассматриваемых ниже, может оказаться, что само его внесение вызывает перераспределение зарядов, создающих поле, и поэтому пробный заряд может вызвать искажение поля. Чтобы это не имело места, пробный заряд должен быть достаточно малым.