Михаил Ивановский - Покоренный электрон

На рисунке 11 расходящиеся прямые линии показывают направления сил, действующих на положительный заряд в поле положительно заряженного шара.

Рис. 11. Силовые линии и поверхности равного потенциала вокруг положительно заряженного шара.

Эти линии называют силовыми линиями.

Поднося наш заряженный шарик к большому шару, приходится совершать работу, преодолевая сопротивление электрических сил отталкивания. Чем ближе мы поднесем шарик к шару, тем больше совершенная нами работа. Величину, пропорциональную этой работе, назвали потенциалом.

Очевидно, на одинаковых расстояниях от шара потенциал одинаков.

На рисунке замкнутые линии соединяют точки, в которых потенциал одинаков. На плоском чертеже это — окружности, а в пространстве — сферы. Поверхности; для которых потенциал одинаков, называют поверхностями уровня потенциала. Силовые линии и поверхность уровня дают представление о поле.

Разумеется, и силовые линии и поверхности уровня в действительности не существуют. Это только воображаемые линии и воображаемые поверхности, которые нам нужны для изображения сил, действующих в электрическом поле так же, как меридианы и параллели на земном глобусе нужны для указания местоположения и в действительности тоже не существуют.

Силовая линия показывает направление, в котором начнет двигаться положительный заряд, помещенный в данную точку поля. Отрицательный заряд движется в противоположном направлении.

Поверхности уровня позволяют оценить величину работы, которая совершается при перемещении определенного положительного заряда из одной точки поля в другую. Для перемещения зарядов по поверхности уровня не нужно усилий, не нужна затрата работы. Переместить положительный заряд с поверхности более низкого потенциала на поверхность более высокого потенциала можно только посторонней силой, производя работу против сил поля. Обратный переход на более низкий уровень потенциала совершается силами самого поля, за счет энергии этого поля. Поле двух разноименных зарядов изображено на рисунке 12 — оно значительно сложнее, чем поле одиночного заряда, силовые линии его искривлены.

Рис. 12. Силовые линии и поверхности уровня потенциала в электрическом поле вокруг двух разноименно заряженных шариков.

Постоянно наблюдая взаимодействие зарядов — их притяжение и отталкивание, ученые пришли к мысли, что сила притяжения или отталкивания может быть измерена. Ломоносов еще в 1756 году указывал, что «электрическая сила с помощью весов определена быть может».

Сила, с которой притягиваются или отталкиваются два электрических заряда, была «взвешена» французским ученым Шарлем Кулоном в 1785 году. Кулон изобрел весьма точный и чувствительный измерительный прибор, построенный по образцу крутильных весов.

Для изготовления этого прибора Кулон воспользовался круглой стеклянной банкой. Снаружи на банку он наклеил шкалу в виде узкой ленточки с нанесенными на нее градусными делениями, а внутри банки поместил легкую стрелочку, подвешенную на длинной шелковой нити. На тупом конце стрелки Кулон укрепил легкий шарик.

С помощью головки в верхней части прибора можно было поворачивать шелковую нить, а вместе с ней и стрелку с шариком (рис. 13).

Рис. 13. Прибор Кулона.

Другой точно такой же шарик Кулон прикрепил к стеклянному стерженьку величиной с карандаш. Сквозь отверстие в крышке стерженек можно было опускать в банку и доставать его, когда он не был нужен.

Начиная измерение, Кулон установил стрелку так, чтобы подвешенный шарик слегка касался шарика на стерженьке, затем он сообщил этому шарику электрический заряд.

Оба шарика, соприкоснувшись, поделили заряд поровну и, приобретя, таким образом, одноименные заряды, начали отталкиваться. Стрелочка же, преодолевая упругое сопротивление шелковой нити, повернулась.

Кулон измерил, на сколько градусов она повернулась в результате взаимодействия зарядов. Затем он вынул из банки стерженек. При этом стрелка прибора, разумеется, вернулась на прежнее место.

Коснувшись заземленного предмета шариком стерженька, Кулон нейтрализовал его заряд. Шарик лишился заряда, «опустел». Ученый вставил стерженек с «опустевшим» шариком обратно в прибор.

Шарики опять соприкоснулись. Так как на подвешенном шарике заряд оставался, то при соприкосновении шарики опять поделились зарядами. Но величина этих зарядов, очевидно, была уже вдвое меньше прежней.

Одноименные заряды оттолкнулись друг от друга. Стрелка опять отошла в сторону, но уже меньше, чем в первый раз, а Кулон записал, на сколько градусов она отошла.

Проделав этот опыт несколько раз, Кулон убедился, что сила, с какой отталкиваются два равных заряда, в точности пропорциональна произведению этих зарядов, — если каждый из зарядов уменьшается вдвое, то, следовательно, их произведение уменьшается в четыре раза, и сила, с какой они отталкиваются, ослабевает тоже в четыре раза.

В своих дальнейших опытах Кулон измерил, с какой силой отталкиваются два заряда, если изменяется расстояние между ними. Оказалось, что когда расстояние между шариками увеличивается вдвое, сила отталкивания ослабевает вчетверо. Если расстояние возрастало втрое, — сила отталкивания уменьшалась в девять раз.

Так было установлено, что сила взаимодействия двух зарядов пропорциональна произведению величин этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Эта зависимость получила название закона Кулона.

С помощью крутильных весов можно определить не только силу отталкивания двух одноименных зарядов, но и величину самих зарядов. Для этого необходимо выбрать единицу заряда.

Ученые условились принять за единицу количества электричества заряд шарика, который отталкивает другой точно такой же заряд с силой в 1 дину [1] Дина — единица силы, принятая в физике. Приблизительно равна весу 1 миллиграмма. при расстоянии между шариками в 1 сантиметр и при условии, что они разделены сильно разреженным пространством — находятся в вакууме.

Для практических целей эта мера оказались слишком маленькой, и в употребление вошла другая, более крупная мера — кулон.

Кулон больше первоначальной единицы ровно в три миллиарда раз.