3. Взаимодействие неподвижных электрических зарядов

Первые шаги

Мы никогда не узнаем, кто первым обратил внимание на удивительную способность янтаря, потертого о шерсть, притягивать к себе различные легкие предметы, не соприкасаясь с ними. Произошло это очень давно. По словам древнегреческого философа Фалеса Милетского, жившего в VI веке до нашей эры, это были ткачи.

Позднее было обнаружено, что таким свойством обладает не только янтарь, но и стекло, эбонит и другие вещества, потертые о мех или кожу. Янтарь по-гречески - электрон, и поэтому тела, приведенные в данное состояние, стали называть наэлектризованными.

Термин "электричество" имеет, таким образом, довольно поэтическое происхождение.

В этих простейших опытах люди впервые столкнулись с явным проявлением электрических сил. Но прошло более двух тысячелетий, прежде чем началось систематическое исследование электричества и был открыт закон взаимодействия наэлектризованных тел. Необычайное свойство янтаря и некоторых других предметов казалось странным курьезом: как могут притягиваться тела, не соприкасаясь? Ничто не говорило о том, что здесь в простейшей форме выступают законы, управляющие течением большинства процессов на Земле.

На протяжении многих веков никаких серьезных попыток научного объяснения опытов с наэлектризованными телами фактически не было предпринято. Нельзя же считать объяснением попытки приписать янтарю живую душу. Развлекались этими опытами зачастую просто состоятельные люди, не имевшие никакого отношения к науке. При дворах европейских государей устраивались "электрические сеансы". Особенно увлекалась ими Екатерина II. Были построены электрические машины. Научились получать большие электрические искры.

Тем не менее именно с этих простых опытов началось развитие науки об электричестве. И не только потому, что притяжение наэлектризованных тел поражало воображение и само по себе побуждало искать разгадку, в то время как, скажем, упругие силы столь привычны, что не способны вызвать никаких эмоций. Главное в том, что здесь непосредственно мы встречаемся с прямым проявлением одного из основных законов взаимодействия заряженных тел, установить который оказалось много легче, чем разобраться во взаимодействии атомов, слагающих электрически нейтральные тела.

Когда мы в начале этой главы попытались проследить цепочку вопросов и ответов относительно происхождения сил упругости и остановились в самом начале, то делать это было, конечно, не обязательно. Можно было бы идти дальше, рассказать об атомах, их строении и силах взаимодействия между ними. Просто такой способ изложения мало удобен. Но допустить, что, изучая природу сил упругости, люди могли бы прийти к открытию основных законов электромагнитных взаимодействий, совершенно невероятно. С тем же успехом можно допустить, что люди могли бы сначала изобрести автомобиль, а затем, постепенно упрощая его, им удалось бы создать телегу и, наконец, колесо. Хотя сейчас, объясняя ребенку, живущему в городе, что такое телега, проще всего, пожалуй, начать с автомобиля.

В настоящее время каждому ясно, что объяснить движение камня гораздо проще, чем движение кошки. Настолько правильны у современного человека, даже далекого от науки, представления о мире. Но, говоря по совести, очень многим и сейчас проявления сил упругости (например, подскакивание футбольного мяча) кажутся простыми и понятными, а вот притяжение на расстоянии клочков бумаги к расческе или двух магнитов друг к другу представляется загадкой. На самом же деле все обстоит как раз наоборот. Проще именно эти "загадочные" силы, а привычные силы упругости можно в действительности понять, если свести их к проявлению сил "необычных". В дальнейшем мы этой сделаем.

Молниеотвод

До середины XVIII века успехи в изучении электричества были невелики. Было обнаружено электричество двух родов - положительное и отрицательное, открыта возможность передачи и накопления электричества, правильно истолкована молния, как гигантская электрическая искра между двумя облаками или между облаком и Землей. И, наконец, дело дошло до первого практического применения приобретенных знаний: Франклином был изобретен молниеотвод (часто не вполне правильно называемый громоотводом). Оказалось, что заостренный металлический штырь, приподнятый над зданиями и заземленный, предохраняет эти здания от попадания молнии. Впечатление, созданное этим открытием, было огромно. Молниеотвод буквально вошел в моду. Дамы носили его на шляпках в качестве украшений^*. Любопытно, что английский король Георг III настоял на том, чтобы молниеотводы во дворце имели круглые наконечники, а не острые, как это предложил республиканец Франклин, игравший выдающуюся роль в борьбе с Англией за независимость североамериканских колоний. Воспротивившийся самодурству короля президент Королевского общества вынужден был уйти в отставку.

^*(Интерес со стороны дамских мод к новейшим достижениям науки и техники не угас и сегодня. Запуск первого советского искусственного спутника Земли радикально повлиял на форму шляпок и причесок.)

Лишь после громадных успехов механики Ньютона оказалось возможным открытие точного закона взаимодействия неподвижных наэлектризованных или, как теперь обычно говорят, электрически заряженных тел. Этот закон был первоначально открыт не для отдельных элементарных частиц, о существовании которых в то время ничего не было известно, а для больших заряженных тел. При электризации трением, как мы теперь хорошо знаем, наиболее подвижные заряженные частицы - электроны - переходят с одного тела на другое. В результате этого перехода тело, потерявшее электроны, заряжается положительно, а получившее их в избытке - отрицательно.

Задачи науки

Создание Ньютоном механики, открытие сил всемирного тяготения и объяснение с их помощью движения планет оказало столь сильное влияние на умы ученых, что и в других областях физики стремились найти законы по образцу ньютоновских. Тем самым было задано верное направление научной мысли. Вместо бесплодных попыток придумать какой-либо неосязаемый механизм, который обеспечил бы силы, действующие на расстоянии между заряженными телами, стали искать опытным путем количественную форму для данного типа взаимодействия. Трудно переоценить значение этого переворота в подходе к изучению природы. Это был, несомненно, один из величайших переворотов в естествознании, начатый еще, как об этом уже говорилось в главе о гравитационных силах, до Ньютона и далеко не оконченный с его смертью. Сущность этого переворота в том, что задачу науки перестали видеть в попытках сведения непривычных, "непонятных" явлений к привычным и "понятным" с точки зрения здравого смысла. Задачей науки стало отыскание математически выражаемых общих законов природы, которые охватывали бы громадную совокупность фактов. Стали требовать объяснения на основе этих законов привычных нам вещей, которые, казалось бы, не требуют объяснения. Этим был брошен прямой вызов "здравому смыслу". Вызов, который в таких теориях, как теория относительности и квантовая механика, привел к прямому противоречию с подобным "здравым смыслом". Суть этой направленности науки далеко не вошла, к сожалению, в плоть и кровь всех людей. В связи с этим очень часто и сейчас возникает масса недоуменных вопросов. Прочувствовать все это не легко. Переворот, который должен здесь произойти в сознании человека, можно сравнить с переворотом в голове дикаря, который от лечения такими понятными средствами, как изгнание злых духов и т. д., должен перейти к таинственным мерам: соблюдению гигиенических правил, кипячению воды, прививкам, антибиотикам и т. д. Изгонять нужно, как выясняется, не привычных "здравому смыслу" человекоподобных существ, а микробы и вирусы, которые даже в микроскоп не всегда видны.

Закон Кулона

Открытие взаимодействия неподвижных друг относительно друга электрических зарядов было сделано под прямым влиянием идей Ньютона и, в частности, его закона всемирного тяготения. Можно сказать, что это открытие было осуществлено без особых затруднений. В середине XVIII века уже высказывались предположения, что закон взаимодействия зарядов аналогичен закону всемирного тяготения. Первым доказал это экспериментально англичанин Кевендиш. Но этот выдающийся ученый отличался также выдающимися странностями. Преданность его науке была просто фанатической. Так, для сбережения времени он объяснялся с домашними раз и навсегда установленными знаками. Своих работ по электричеству Кевендиш не печатал. Более ста лет рукописи пролежали в библиотеке Кембриджского университета, пока их не извлек Максвелл и не опубликовал. К этому времени закон взаимодействия зарядов был установлен во Франции Кулоном и с тех пор носит его имя.

Кулон пришел к цели более простым, хотя и менее строгим путем, чем Кевендиш. Мы остановимся на экспериментах Кулона.

Открытию закона Кулоном способствовало то обстоятельство, что силы взаимодействия между зарядами велики. Поэтому здесь не нужно было применять особо чувствительную аппаратуру, как при проверке закона тяготения в земных условиях. Несложное устройство, получившее название крутильных весов Кулона, позволило ответить на вопрос, как взаимодействуют друг с другом неподвижные заряженные тела. Крутильные весы - это просто подвешенная на тонкой упругой проволочке палочка, на одном конце которой закреплен заряженный металлический шарик, а на другом - противовес. Еще один шарик закреплен возле весов неподвижно. Сила взаимодействия измерялась по закручиванию проволочки, и исследовалась зависимость силы от расстояния и величины зарядов. Измерять силу и расстояние умели. Единственная трудность была с зарядом. Кулон поступил просто и остроумно. Он менял величину заряда одного из шариков в 2, 4 и т. д. раз, соединяя его с таким же незаряженным шариком. Заряд при этом распределялся поровну между шариками, что и уменьшало величину исследуемого заряда в известном отношении. Одновременно наблюдалось, как изменяется сила.

Закон Кулона

Опыты Кулона привели к открытию закона, поразительно напоминающего закон тяготения. Сила взаимодействия неподвижных заряженных тел прямо пропорциональна произведению их зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Сразу надо оговориться, что, как и ньютоновский закон, закон Кулона справедлив только для "точечных" зарядов, т. е. для зарядов, геометрические размеры которых малы по сравнению с расстоянием между ними. Вообще же сила зависит от геометрических размеров и формы заряженных тел. Ее обычно называют кулоновской.

Открытие закона Кулона впервые позволило рассматривать заряд как определенное количество - измерять его.

Для этого надо располагать единицей измерения. Эту единицу и дает возможность установить закон Кулона. Ведь создать эталон заряда, подобный эталону длины - метру, практически невозможно из-за всегда имеющейся утечки заряда. Естественно было бы за единицу заряда взять заряд электрона (это и сделано сейчас в атомной физике), но в то время ничего еще не было известно о прерывном строении электричества. За единицу заряда был принят такой заряд, который действует на равный себе в пустоте на расстоянии 1 сантиметра с силой в одну единицу - дину^*. В этой системе единиц заряд электрона равен 4,8 ·10^-10. Это весьма и весьма малая величина.

^*(На практике часто используется единица заряда кулон, которая в 3·10⁹ раз больше данной.)

Кулоновские силы медленно убывают с расстоянием и принадлежат к дальнодействующим, как и ньютоновские.

Но наряду со сходством законов имеются и серьезные различия. Прежде всего, это существование зарядов двух знаков, в то время как гравитационная масса всегда положительна. Наряду с притяжением электрических зарядов бывает и отталкивание.

Далее, между нейтральными телами кулоновские силы не действуют и поэтому не являются столь же универсальными, как силы всемирного тяготения. Универсальность их проявляется лишь в том, что один и тот же закон справедлив для взаимодействия как макроскопических тел, так и отдельных элементарных частиц. Это выяснилось сразу же после того, как эти частицы были открыты. С современной точки зрения справедливость закона Кулона для макроскопических зарядов имеет место именно потому, что он непосредственно выполняется для элементарных частиц.

Важнейшной особенностью кулоновских сил является их величина

Еще одной важнейшей особенностью кулоновских сил является их величина. Электрические силы между отдельными элементарными частицами, как уже упоминалось раньше, неизмеримо больше гравитационных. Два заряда в один кулон на расстоянии одного километра отталкивались бы с силой 918 килограммов. Однако взаимодействие между заряженными частицами настолько велико, что создать у небольшого тела очень большой заряд невозможно. Отталкиваясь друг от друга с большой силой, частицы не смогут удержаться на теле. Никаких же других сил, которые были бы способны в данных условиях компенсировать кулоновское отталкивание, в природе не существует. Вот одна из причин, почему заметное притяжение или отталкивание больших заряженных тел не встречается в природе. Кроме того, заряженные тела проявляют очень большую склонность к нейтрализации. С большой жадностью впитывают они заряды противоположного знака, притягивая их к себе.

Большинство тел в природе электрически нейтрально. Впрочем, сама Земля имеет отрицательный заряд около 6·10⁵ кулонов. В чистом виде кулоновские силы работают главным образом внутри нейтральных атомов и в заряженных атомных ядрах. Но об этом мы будем говорить в дальнейшем.

Подчеркнем еще, что знакомство с законом Кулона - это первый конкретный шаг в направлении изучения свойств электрического заряда и тем самым в выяснении смысла самого понятия электрического заряда. Наличие электрического заряда у элементарных частиц или тел означает, что они взаимодействуют друг с другом по закону Кулона.