Покоренный электрон

Чтобы отличить избыток от недостатка «мы условимся называть всякое тело наэлектризованным положительно, если оно отталкивается стеклянной палочкой, натертой шелком, и наэлектризованным отрицательно, если оно отталкивается сургучом, натертым кошачьим мехом», — так писал Франклин, который ввел подразделение зарядов на положительные, обозначенные знаком плюс, и отрицательные, обозначенные знаком минус.

Обозначение двух родов зарядов знаками плюс и минус сохранилось и поныне.

Современная наука установила, что в действительности во всех предметах существуют два рода зарядов: положительные и отрицательные, но пока их содержится поровну — они себя не обнаруживают. Если же отнять у предмета часть его отрицательных зарядов, он наэлектризуется положительно, а отнятые отрицательные заряды перейдут на какой-либо другой предмет, который, конечно, зарядится отрицательно.

Так, например, когда натирают стекло кожей, то на стекле образуется избыток положительных зарядов, а на коже — избыток отрицательных. Стекло заряжается положительно, а кожа отрицательно.

Однако заряд на коже не всегда проявляет себя, потому что и кожа и человек, который ее держит в руке, сравнительно хорошо проводят электричество. Заряд с кожи уходит в руку человека, а затем в землю, и, конечно, его обнаружить не удается, — он уже исчез; но если натянуть на руку резиновую перчатку или как-нибудь изолировать кусок кожи, заряд останется, и его можно обнаружить, — поднести кожу к электроскопу, и листочки электроскопа разойдутся.

Еще одно заблуждение

Вслед за Дюфе петербургский академик Эпинус сделал еще одно важное открытие, которое тоже послужило источником нескончаемых споров. Эпинус заметил, что все предметы, находящиеся вблизи какого-либо наэлектризованного тела, приобретают электрические заряды. Когда к наэлектризованному телу подносят электроскоп, то его листочки расходятся в стороны еще до соприкосновения шарика электроскопа с наэлектризованным телом.

В этом явлении для ученых XVIII века самым удивительным было то, что предметы, на которых появлялись электрические заряды, не соприкасались с наэлектризованным телом: его действие сказывалось на расстоянии.

Новое явление получило название электризации наведением или электризации путем индукции, а получившиеся при этом заряды — индуктированными.

Сначала казалось, что индуктированные заряды не совсем «настоящие», ведь стоило только удалить электроскоп от заряженного тела, как его листочки спадались и заряд электроскопа исчезал. Но это было недоразумением, и оно вскоре выяснилось.

Исследуя электризацию наведением, ученые установили, что предмет, на котором возникает индуктированный заряд, электризуется двояко, то есть на его противоположных сторонах скапливаются заряды разных знаков. Если наэлектризованное тело несет положительный заряд, то сторона предмета, обращенная к наэлектризованному телу, приобретает отрицательный заряд, а его другая сторона — положительный.

Один исследователь догадался взять для опыта предмет, состоящий из двух половинок — нечто вроде шара с разъемными полушариями (рис. 6).

Рис. 6. Половинки этого прибора приобретают разноименные заряды.

Он приблизил его к наэлектризованному предмету, а затем раздвинул половинки (каждая половина была укреплена на своей изолирующей подставке); ученый тем самым разделил заряды. Одно полушарие оказалось заряженным положительно, а другое — отрицательно, и заряды на полушариях не исчезали даже, когда наэлектризованный предмет отодвигали в сторону, значит, это были самые «настоящие» заряды.

Такой опыт доказал, что в каждом предмете действительно имеются и положительные и отрицательные заряды, но пока их в теле поровну и пока они распределены равномерно, тело остается нейтральным, а заряды, в нем содержащиеся, никак себя не проявляют. При электризации наведением, под воздействием наэлектризованного тела, заряды рассортировываются: положительные отходят в одну сторону, а отрицательные в другую — одноименные с наводящим зарядом отталкиваются, разноименные к нему притягиваются и стремятся приблизиться.

Другой исследователь захотел узнать, насколько ослабевает электрический заряд оттого, что он создает индуктированные заряды в окружающих его предметах.

Для опыта ученый взял большой металлический диск, положил его на стеклянную пластинку, наэлектризовал положительным электричеством и прикрыл другим куском стекла. Затем ученый взял другой такой же металлический круг, но только снабженный стеклянной рукояткой. Этот второй круг ученый положил поверх наэлектризованного диска, как изображено на рисунке 7.

Рис. 7. Заряд металлического диска, лежащего между стеклянными пластинками, оказался неистощимым.

Разумеется, круг при этом тоже наэлектризовался, то есть в нем разделились заряды: положительные скопились на верхней стороне круга, а отрицательные — на нижней.

Положительные заряды можно было отвести в землю, просто коснувшись круга рукой, тогда на круге остались только отрицательные заряды; их нельзя было удалить, — они удерживались притяжением положительным зарядом на нижнем круге.

Ученый взял этот круг за стеклянную рукоятку, отнес его в сторону и там разрядил. Затем снова положил свой круг поверх наэлектризованного диска, круг снова наэлектризовался, а ученый отнес его в сторону и разрядил.

Исследователь проделал это в третий раз, в четвертый… Ученый носил свой круг туда и сюда, попеременно то заряжая его у диска, то разряжая в стороне. Однако заряд металлического диска, лежавшего на стеклянной пластинке, от этого нисколько не ослабел.

Опыт пришлось прекратить, так как ученый устал таскать круг взад и вперед; он убедился, что истощить заряд металлического диска таким образом невозможно!

Этим опытом было установлено, что электрический заряд, индуктируя в других предметах наведенные заряды, сам не уменьшается и не расходуется.

Все это — и явление индукции, и явная неистощимость заряда, возбуждающего другие заряды, — было непонятно.

Люди придумывали различные, по большей части совершенно необоснованные объяснения и спорили друг с другом, безуспешно стараясь отстоять каждый свое мнение.

Тогда многие физики считали, что электризация наведением является волшебным свойством электрических зарядов и они могут действовать на расстоянии, рождая другие заряды из ничего. Это мнение противоречило ломоносовскому закону сохранения материи, оно было глубоко ошибочным и заводило науку в тупик.

Электрическое поле

Удивительное явление получило правильное объяснение только тогда, когда физики поняли, что вокруг каждого наэлектризованного тела существует что-то такое, что воздействует на другие заряды. Это «что-то» ученые стали называть электрическим полем.

Электрическое поле неразрывно связано с зарядом, однако это не сам заряд. Поле составляет как бы своеобразное продолжение заряда в окружающем его пространстве. Поле отлично от заряда, но оно не менее реально, не менее материально, чем сам заряд.

Обнаружить существование электрического поля возле заряда можно весьма простым опытом. Для этого надо наклеить на стеклянную пластинку кружочек из станиоля или фольги, наэлектризовать его и посыпать мелкими игольчатыми кристалликами гипса или хинина. Кристаллики разложатся по линиям расходящимися лучами во все стороны от заряженного кружка. Если вырезать из фольги два кружка и им сообщить электрические заряды — одному положительный, а другому отрицательный, затем на стекло насыпать мелкие игольчатые кристаллики гипса, то под воздействием электрического поля иголочки гипса улягутся в определенном порядке; их расположение отчасти напоминает размещение железных опилок возле полюсов магнита (рис. 8).