ГЛАВАЗ
Электричество
У истоков
Эту главу можно было бы начать с того, как некто Фаллес из греческого города Милета, славившийся своей рассеянностью, без малого две с половиной тысячи лет назад увидел то, на что другие не обращали внимания. Фаллес заметил, что янтарь, потертый о ткань, приобретает новое свойство — притягивает к себе мелкие предметы. От греческого слова «электрон» — янтарь подобные явления получили название электрических. А можно было бы начать с того, как датчанин Г.-Х. Эрстед (1777—1851) обратил внимание на то, что намагниченная стрелка обычного компаса показывает совсем не туда, куда ей положено указывать, если где-то поблизости оказывается проводник с протекающим по нему током.
Наконец, совсем правильно было бы начать с анекдота о том, как великий Фарадей, долго таскавший в кармане катушку с проволокой и постоянный магнит, как-то «случайно» догадался подвигать магнит внутри катушки и, по его собственным словам, превратил магнетизм в электричество. Фарадей не только осуществил взаимные преобразования электрического и магнитного полей, он первым среди своих современников и предшественников сделал попытку объяснить эти преобразования.
Пространство заполнено не имеющими толщины упругими нитями, считал Фарадей. Если в такое пространство попадает электрический заряд, нити искривляются, натягиваются и передают действие заряда другим заряженным телам. Пользуясь такими нитями или, как он их назвал, силовыми линиями, Фарадей не только дал качественное объяснение такому явлению, как электромагнитная индукция, но и провел первые количественные расчеты магнитного поля. А физики знают, что даже сегодня при наличии мощных ЭВМ расчет сложного электрического поля — задача далеко не простая.
Электрон
Первооснову всех электрических явлений создают электрические заряды, которые, как известно, бывают двух знаков: положительные и отрицательные. Носителями элементарного (т. е. наименьшего из всех возможных) отрицательного электрического заряда являются электроны, а носителями элементарного положительного электрического заряда — протоны. Существует еще довольно много частиц, несущих элементарные положительные и отрицательные электрические заряды. Например, позитрон, который во всем подобен электрону, кроме знака заряда. Но эти частицы живут очень недолго и потому не принимают заметного участия в интересующих нас явлениях. Что же касается электрона и протона, и тот и другой практически вечны. Никто пока не наблюдал разрушившегося электрона, а о времени жизни протона все еще спорят ученые, но сходятся в том, что это время, выраженное в годах, изображается единицей с большим количеством нулей.
Так незаметно для себя мы пришли к еще одному закону сохранения — закону сохранения электрического заряда.
Любое физическое тело из тех, что окружают нас, или из тех, которых мы никогда не видели, но существование которых предполагаем, состоит в конечном итоге из электронов, протонов и нейтронов. Как правило, количество протонов в теле равно количеству электронов и поэтому тело остается электрически нейтральным. Наличие в нем электрических зарядов не сказывается уже на расстоянии парадка микрометров от его поверхности. Если же количество электронов не равно количеству протонов, тело приобретает свойства электрически заряженного объекта. Так ■ происходило в опытах Фаллеса, когда прк натирании янтаря о материю часть аяежтровов переходила с янтаря на ткань.
Два электрически заряженных тела притягиваются друг к другу, если их заряды разаовмеяны, в отталкиваются друг от друга, если их заряды одвоименьш, с силой, прямо пронорииональной произведению, зарядов и обратно продорциовально* квадрату расстоянии между зарядами. Обычно эти силы имею? вполне доброоора-дочную «комнатную» величину несколько десятых или сотых долей ньютона. Два тела, несущие на себе заряды 1 Кул и разнесенные друг от друга на расстояние 1 м, взаимодействуют с силой I Н. Один кулон — огромная величина заряда, и аолучвть такой заряд в лабораторных условиях, скажем, на шарике диаметром I см.— задача достаточно сложная.
Небезынтересно произвести здесь такой расчет. Металлическим шарик диаметром 1 см содержит при мерно 1025 электродов — мы берем очень приблизительную цифру, потому что, естественно, количество электронов зависит прежде всего от металла, из которого сделан шарик. Заряд электрона составляет 1,6-10г19 Кул. Следовательно, чтобы подучить заряд 1 Кул, шарик должен потерять ила приобрести дополнительно примерно лишь одну мяллмоммуш от полного запаса своих электронов. Если бы во какой-то врвчлне шарик потерял все сваи электроны, он приобрел бы положительный заряд 1 млн. Кул. Два таких шарика, разнесенных на гигантское по сравнению с атомными размерами расстояние I м, взаимодействовали бы с силой W2 Н, или около 106 млн. т.