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

В большой машине роль клетки играет огромный медный шар, иногда настолько больших размеров, что в нем могла бы разместиться настоящая лаборатория [47]. На шелковой ленте нет металлических пластинок, заряды остаются на самом шелке. Заряды наносятся на шелк внизу и снимаются вверху с помощью ряда острий, которые расположены на близком расстоянии от ленты, но не касаются ее [48].

Задача 5. Определение одинаковых и противоположных по знаку зарядов (фиг. 67)

К электроскопу прикреплен небольшой металлический стакан. В стакан вводят маленький кусочек плексигласа и маленький кусочек меха на изолирующих рукоятках. И плексиглас, и мех не заряжены. Если заряды, получаемые трением, равны и противоположны по знаку, то что, по вашему мнению, произойдет с электроскопом на каждой из следующих стадий опыта, если задано, что в стадии б) листочек отклоняется на 60°:

а) Мех и плексиглас потерты друг о друга внутри стакана (они не касаются стенок стакана).

б) Плексиглас извлекается из стакана (листочек отклоняется на 60°).

в) Мех также извлекается из стакана, не касаясь его.

г) Плексиглас снова вводится в стакан.

д) В стакан вводятся снова и плексиглас, и мех.

Фиг. 67. К задаче 5.

Сохранение заряда

Предметы, окружающие нас в повседневной жизни, кажутся незаряженными: между ними нельзя заметить притяжения или отталкивания; молекулы газа не обнаруживают тенденции перемещаться в каком-либо одном направлении в однородном электрическом поле. Если незаряженное вещество содержит положительные и отрицательные заряды, которые можно разделять или переносить, то они должны содержаться в равных количествах. Когда мы заряжаем предметы трением или с помощью батареи, то рассчитываем обнаружить равные количества противоположных по знаку зарядов.

Опыт, о котором идет речь в задаче 5 , дает возможность произвести очень тонкую и вместе с тем важную проверку. Из этого опыта и опытов по наблюдению кулоновской силы взаимодействия зарядов можно заключить, что электрический заряд сохраняется : происходит обмен зарядами между телами без выигрыша или потери заряда, «создавать» можно только равные количества противоположных по знаку зарядов. Мы считаем, что этот фундаментальный принцип сохраняет силу и в атомной и ядерной физике.

Оказывается даже, что фотон излучения высокой энергии (который, конечно, не представляет собой ни вещества, ни электричества) превращается в пару электрон-позитрон с одинаковыми по величине и противоположными по знаку зарядами. Мы говорим о «зарядовом обмене» между некоторыми составными частями ядра — процесс этот происходит слишком быстро, чтобы его можно было описать языком механики, — и по-прежнему считаем закон сохранения заряда незыблемым.

Силы, с которыми заряды действуют друг на друга: закон Кулона

Электричество и заряды — это такие термины, которые употребляют в тех случаях, когда наблюдается отталкивание и притяжение. Силы отталкивания и притяжения словно исходят от заряженных тел в радиальных направлениях. Сила отталкивания или притяжения, с которой один заряд действует на другой, направлена вдоль прямой, соединяющей оба заряда, и уменьшается с увеличением расстояния между ними. Спустя столетие после того, как Ньютон открыл закон всемирного тяготения, французский физик Кулон исследовал экспериментальным путем силу взаимодействия между зарядами и показал, что она так же, как и сила тяготения, изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния. Схема прибора Кулона показана на фиг. 68.

Фиг. 68. Крутильные весы Кулона.

а— вид сбоку; б— вид сверху.

Сила оценивалась по углу закручивания нити. Заряженные шары тщательно изолировались. Весь прибор был закрыт, чтобы уменьшить влияние токов утечки через воздух.

Он по существу не отличается от прибора, который Кавендиш примерно в это же время использовал для измерения гравитационной постоянной G . На изолирующем стержне АВ , подвешенном на тонкой нити CD , укреплен металлический шарик В , которому сообщен заряд. К шарику В приближают другой шарик В ' и по мере приближения измеряют силу отталкивания по углу закручивания нити. Предполагая, что при закручивании нити справедлив закон Гука, Кулон сравнил силы взаимодействия при различных расстояниях d между В и В '. Он установил, что F изменяется пропорционально 1/ d 2. Кулон изменял заряд Q одного шарика, а затем другого до 1/ 2 Q , 1/ 4 Q и т. д., измеряя в каждом случае силу взаимодействия, и установил (или, вернее, предположил и не обнаружил противоречий с этим предположением), что F изменяется п ропорционально заряду шарика В( Q 1) и заряду шарика В'( Q 2).

Объединяя эти выводы, Кулон установил, что

F ~ Q 1∙ Q 2/ d 2, или F ~ ∙( Q 1∙ Q 2/ d 2)

Это закон Кулона. — универсальная постоянная, которая играет такую же роль, что и гравитационная постоянная G .

Задача 6

Кулон не располагал средствами для измерения зарядов Q 1или Q 2. Тем не менее Кулон имел возможность при желании изменять заряд шарика Q до 1/ 2 Q и таким образом исследовать роль каждого из зарядов Q в выражении для силы взаимодействия*

а) Каким образом Кулону удавалось уменьшить заряд Q до 1/ 2 Q ( Указание . Он располагал дополнительным металлическим шариком такого же размера.)

б) Какое предположение относительно природы заряда нужно сделать, прибегая к приему, используемому для решения задачи а) ? (Фактически это предположение было сформулировано почти как аксиома при введении понятия электрического заряда. Сегодня мы можем в известной степени подтвердить его экспериментально путем счета электронов и наблюдая пары электрон-позитрон.)

Значение зависит от выбора единиц измерения заряда точно так же, как значение постоянной G зависит от того, измеряем ли мы массу в килограммах или в фунтах. Мы будем пользоваться кулонами, с которыми вы уже встречались, когда шла речь о движении зарядов, а также метрами и ньютонами [49].

В этом случае значение определяется экспериментально близким к 9 000 000 000, т. е. 9,0∙10 9ньютон∙м 2/ кулон 2.

В нашем курсе не обязательно знать значение , однако, имея в виду проследить связь между законом Кулона и электрическими токами, интересно измерить это огромное число. Чтобы измерить B , нам понадобятся сведения об электрических полях. Мы еще вернемся к этому вопросу.