Физика для всех. Электроны - Китайгородский А.И.
Скачать (прямая ссылка):
Теперь можно приступить к следующей серии опытов. С разных аккумуляторов шариками разных размеров можно забирать различные количества электричества* Помещая шарики на разные расстояния друг от друга, можно измерить силу взаимодействия между ними. Исследователь находит следующий важный закон природы:
F,
г2 1
сила взаимодействия прямо пропорциональна произведению зарядов шариков и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Читатель узнает в > написанной формуле закон Кулона, который был установлен совсем не так, как мы рассказываем. Но наш исследователь — фигура внеисторическая.
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ
" Исследователь знаком с. силами двух типов. Одни из них возникают при прямом контакте одного тела с другим. Так обстоит дело в случае тяги или толчка. Что касается сил, действующих на расстоянии, то до сих пор он знал только силу тяжести или шире ~. силу всемирного тяготения. *
Теперь к этой знакомой присоединилась еще одна: сила кулоновского притяжения или отталкивания между двумя заряженными телами. Она очень похожа на силу тяготения. Даже и формулы яапоминают друг ДРУга. ' , *¦
Сила тяжести, действующая на тело со стороны Земли, не доставляла особых неудобств при расчетах. Что же касается кулоновских или, как. их еще назы-
15
вают, электростатических сил, то здесь можно столкнуться с такими случаями, когда электрические заряды распределены в пространстве каким-то очень сложным, да еще вдобавок неизвестным способом.
Но ведь можно обойтись без знания распределения этих зарядов. Мы знаем, что эти заряды «чувствуют» друг друга на расстоянии. Почему бы не сказать так: заряды создают электрическое поле. Может показаться, что должна возникнуть трудность из-за того, что мы не видим электрического поля. Но я думаю,— говорит исследователь,— что электрическое поле не следует рассматривать как математическую фикцию, облегчающую расчет. Если на заряд, помещенный в какой-то точке, действует сила, то это означает, что эта точка (пространства) находится в особом состоянии. Электрическое поле является физической реальностью, т. е. существует само по себе, хотя мы и не можем его видеть. Конечно, доказать свою мысль исследователь, работающий в начале девятнадцатого века, не может. Но буду-, щее покажет, что он был прав.
Закон Кулона устанавливает формулу, с помощью Которой мойшо определить дейетвие одного маленького шарика на другой. Можно один из шариков укрепить, а другой помещать в разные точки пространства. Во всех местах на подвижный (пробный) шарик будет действовать сила. Теперь тот же факт формулируется иначе: заряженный электричеством шарик создает вокруг себя поле электрических сил, или, короче, электрическое поле.
Источниками электрического поля могут служить заряженные тела любой формы. Закон Кулона в этом случае уже непригоден, но с помощью пробного шарика можно измерить электрическое поле, окружающее заряженное тело, и ,охарактеризовать его вполне исчерпывающим образом, указав величину и направление силы. Чтобы описание поля не зависело-ют выбора величины заряда пробного шарика; электрическое поле характеризуют его напряженностью:
E = FIq,
где q — электрический заряд пробного шарика.
Существует наглядный способ описания электрического поля с помощью силовых линий. В зависимости
16
Рис. 1.1.
от формы заряженных тел и от их взаимного расположения эти графики могут иметь самый различный вид. Ha^ рис. 1.1 показаны простейшие картины полей. Смысл этих картинок следующий: касательная к силовой линии в какой-либо точке указывает направление элек^ри- . ческой силы в этом месте, Число линий, приходящихся на единицу площадки, перпендикулярной силовым линиям, совершенно условно, лищь бы оно было пропорционально значению Ё. Ну, а когда говорят о числе силовых линий и не пользуются картинками, то полагают это число просто равным величине Е.
Если поместить свободный электрический заряд в электрическое поле, то он будет двигаться вдоль силовых линий,— если, конечно в дело не вмешиваются другие силы, например силы тяжести.
Самый простой вид имеют силовые поля тел, имеющих форму сферы. Если две сферы или два заряда, которые можно представить в виде точек, сближать друг с другом, то поля налояштся. Напряженности поля складываются по правилу параллелограмма. В любой точке А можно выяснить, как направлена силовая линия и чему равна напряженность поля, производя поЧ строение, показанное на рисунке.
Если заряженные тела имеют форму пластин^ то лоле будет выглядеть так, как показано на рисунке внизу. Сближая пластину и увеличивая площадь пластин, можно достигнуть почти идеальной однородности поля; краевой эффект будет незначительным. Про две близко расположенные пластинки можно сказать, что
17
они сгущают пола.. Такое устройство называют конден-сатором^ что в переводе на русский язык и означает «сгуститель». ^
Как мы знаем, работа по перемещению тела под действием силы равна произведению силы на длину пути. Чтобы перенести заряд от одной пластины конденсатора к другой вдоль силовой линии, требуется работа, равная qEl. Работа, необходимая для переноса единицы количества электричества, равна EL
