Эрик Роджерс - Физика для любознательных. Том 3. Электричество и магнетизм. Атомы и ядра

Заряды, с которыми имеют дело в опытах по электростатике, очень малы, меньше одной миллионной кулона. Разности потенциалов велики: 10 000 в для заряженной пластинки электрофора, миллионы вольт в больших машинах. В очень грубом приближении можно считать, что для возникновения искры длиной 2,5 см в воздухе требуется напряжение 50 000 в.

Например, если Р 2в 3 раза дальше от D , чем Р 1, то конус с вершиной в D расширяется в направлении к Р 2до тех пор, пока его основание у Р 2не станет в 3 раза шире, чем у Р 1. Если это круговой конус, вырезающий на сфере круговую область, то диаметр области Р 2будет в 3 раза больше диаметра области Р 1. Следовательно, диаметры относятся, как 3:1, отношение радиусов тоже 3:1, а площади относятся, как З 2:1, или 9:1.

Эти рассуждения справедливы для конусов любой формы. Если доказательство для круговых конусов кажется вам трудным, представьте себе узкую пирамиду, вырезающую на поверхности сферы прямоугольники. Построение такой пирамиды производится следующим образом. Сначала постройте маленький прямоугольник Р 1. Соедините его вершины с точкой D , где находится пробный заряд, и продолжите проведенные линии за D до нового пересечения со сферой, в результате него получится подобный прямоугольник Р 2другого размера.

Большинство этих очень узких конусов пересекает поверхность шара наклонно, но это не нарушает рассуждений, поскольку наклон одинаков у обоих оснований конусов Р 1и Р 2. Любая хорда окружности или сферы образует равные углы с касательными, проведенными через ее концы.

Если не считать поля, силовые линии которого перпендикулярны поверхности металлического стержня; эти силовые линии начинаются на поверхности и идут от нее.

Такое направление силы, действующей на электроны, является следствием первоначального выбора знаков «+» и «—», сделанного учеными. Стоило им выбрать знаки по-другому, и стрелки, обозначающие направление электрического поля (и тока на схемах), указывали бы направление движения электронов. Теперь менять первоначальный выбор слишком поздно: развитие электротехники утвердило его в качестве всеобщего соглашения. И студенты, которые способны разобраться в электрических цепях и полях, смогут запомнить, что на электроны действует сила, направленная противоположно стрелкам, указывающим от «+» к «—». Правда, не всегда движутся отрицательные электроны. В жидких растворах и в газах есть положительные и отрицательные носители тока, движутся и те, и другие, разумеется, в противоположных направлениях. Существуют, кроме того, положительные электроны, которые движутся в направлении стрелок (пока не исчезают в результате гибельного столкновения с отрицательными электронами). Наконец, в некоторых кристаллических полупроводниках мы находим так называемые «дырки» — места в кристалле, не занятые электронами. Электрон из другого места кристалла может пойти по направлению к «дырке» и заполнить «пустое место», оставив пустое место там, где он ранее находился. Таким образом, «дырки» могут перемещаться так, как будто перемещаются положительные заряды.

Фиг. 99. Электрон в электрическом поле.

Силовые линии электрического поля снабжают стрелками, указывающими направление силы, действующей со стороны поля на малый положительный пробный заряд. Электроны обладают отрицательным зарядом, поэтому со стороны поля на них действует сила в строго противоположном направлении.

Катод— это давнее название отрицательного электрода в электролитической ванне. Положительный электрод, через который, как об этом говорилось, в раствор входит ток положительного направления, был назван анодом. Положительный электрод в радиолампах или электрод с отверстием в электронной пушке называется анодом.

Для работы триода нужны две вспомогательные батареи или два других источника постоянного напряжения. Чтобы изменения напряжения на сетке достаточно эффективно влияли на поток электронов, сетка должна быть слегка отрицательной по отношению к катоду. Этого добиваются включением небольшой батареи последовательно с источником изменяющегося сигнала или применением равнозначной схемы, которая позволяет обойтись без батареи. Чтобы создать поле, увлекающее электроны к аноду, необходимо высокое напряжение; источником этого напряжения служит специальная батарея (так называемая «анодная батарея») или выпрямитель, работающий от сети переменного тока.

Между прочим, длительная бомбардировка одного места экрана вредна, луч может «прожечь» экран. Поэтому, работая с осциллографом в лаборатории, не следует надолго оставлять пятно в одной точке экрана. Трубку телевизионной камеры тоже можно повредить таким образом (хотя со временем ее свойства восстанавливаются), и оператору приходится внимательно следить за тем, чтобы не прожечь трубку.

Если вы представляете себе ток как медленное перемещение роя отрицательных электронов по проволоке, в которой остается неподвижным такое же скопление положительно заряженных атомов, то вы должны, кроме того, представить себе, что электроны несут с собой пучок силовых линий, входящих в электроны, в то время как положительные атомы связаны с пучком неподвижных силовых линий, выходящих из них. Движение силовых линий поля по-прежнему имеет место.

Физика далеко не всегда нуждается в формальных определениях, подобных тем, которые встречаются в словарях. Физическая идея может быть понятна и плодотворна, хотя и не поддается точному определению. (Напомним о трудности определения понятия СПРАВЕДЛИВОСТИ в религии и философии.) С другой стороны, нам, безусловно, необходимо выработать четкие определения для тех физических величин , которые мы измеряем (например, температуры, напряженности электрического поля и т. п.). «Так как, без сомнения, истинный смысл физической величины следует находить на основании того, что человек делает с ней, а не того, что он говорит о ней», — P. W. Вгidgmen , The Logic of Modern Physics.

Если наблюдать магнит в действии, то в существование полюсов очень легко поверить как в реальность. Сейчас мы уже знаем, что на самом деле никаких полюсов не существует, так как все свойства магнитов связаны с внутриатомными электронными токами, не имеющими разделенных «полюсов». Хотя привлечение понятия полюсов в учебных целях в настоящее время и но поощряется, мы все же пока воспользуемся им, не вкладывая в него какой-либо реальный смысл.