Часть 3 ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ

Раздел 8 ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

8.1. Развитие представлений о электричестве

Еще в древности человеку были знакомы электрические явления. Древнегреческий мыслитель Фалес Милетский за шесть веков до нашей эры обратил внимание на наблюдения ткачей за способностью янтарных челноков притягивать легкие тела. От греческого слова «электрон» - янтарь - и происходит введен 1600 г. В. Гільбертом, придворным врачом английской королевы Елизаветы, термин «электричество».

С. Грей 1729 г. разделил тела на проводники и непровідники электричества, а через шесть лет показал, что существуют два рода электричества - положительная и отрицательная - и что одноименные электрические заряды отталкиваются, а разноименные - притягиваются.

При электризации тел трением всегда одновременно электризуются оба тела, причем одно из них достает положительный заряд, а второе - отрицательный. Положительный заряд возникает, например, на стекле, потерев их кожей, а отрицательный - на янтаре, натертом шерстью. Положительный заряд первого тела точно равен отрицательному заряду второго тела, если к электризации оба тела не были заряжены. Это положение известно под названием закон сохранения электрического заряда: электрические заряды не возникают и не исчезают, они могут лишь передаваться от одного тела к другому или смешиваться внутри этого тела. Из этого закона следует, что в любой нейтральной веществе есть заряды обоих знаков и к тому же в одинаковых количествах. Вследствие соприкосновения двух тел при трении часть зарядов переходит от одного тела к другому. Равенство в каждом из этих тел суммы положительных и отрицательных зарядов нарушается, и они заряжаются разноименно. Наэлектризовать тела можно не только трением, но и поместив вблизи них электрически заряженное тело (электризация через влияние). При электризации тела вследствие влияния в нем нарушается равномерное распределение зарядов. Заряды перераспределяются так, что в одной части тела возникает избыток положительных зарядов, а в другой - отрицательных.

На основе опытов, которые рассмотрим далее, установлено, что электрический заряд любого тела состоит из целого числа элементарных зарядов, «атомов электричества», равен 1,6 ∙ 10^-19 Кл. Носителем элементарного отрицательного заряда является электрон. Масса электрона составляет 9,1 ∙ 10^-31 кг. Наименьшая устойчивая частица, имеет элементарный положительный заряд, называется протоном. Масса протона приближенно равна массе атома водорода 1,67 10^-27 кг. Протоны и электроны входят в состав всех атомов и молекул.

В 1749 г. Б. Франклин доказал, что при электризации всегда одновременно возникают оба рода электричества. Важные исследования в области атмосферного электричества сделали в середине XVIII в. М. В. Ломоносов и Г. В. Рихман. Количественное изучение сил взаимодействия неподвижных электрических зарядов провел Ш. Кулон (1785 г.). Большое значение в развитии знаний о электричество имели исследования Л. Гальвани (1789 г.) и А. Вольта (1792 г.), которые привели к созданию источников электрического тока, работающих длительное время, - гальванических элементов. С этого времени электричество все шире применяется на практике.

В 1802 г. В. В. Петров открыл явление электрической дуги, а в 1876 г. П. М. Яблочков применил ее для освещения. М. Г. Слав'янов и М. М. Бенардос использовали ее для электросварки металлов.

Создания источников постоянного тока привело к изобретению и совершенствованию электроизмерительных приборов, открытие электромагнетизма X. Ерстедом (1820 г.) и электромагнитной индукции М. Фарадеем (1831 г.). М. Фарадей привлек внимание экспериментаторов на исследования среды, в котором содержатся заряженные тела и действуют электрические силы. Этим он положил начало учению об электромагнитном поле.

Идея М. Фарадея получила дальнейшее развитие и математическое оформление в электромагнитной теории Дж. Максвелла (1865 г.). Экспериментально теорию Дж. Максвелла подтвердил Г. Герц (1888 г.). Своими опытами он доказал, что свободные электромагнитные волны можно действительно достать и наблюдать. Блестящим применением электромагнитных волн на практике был изобретение радио А. С. Поповым (1895 г.), который заложил фундамент современной радиотехники.

Все тела делятся на проводники и диэлектрики. Проводником называют тело, содержащего свободные электрические заряды, которые могут двигаться по всему его объему. Если проводниками являются жидкости или газы, то в них движутся как положительно, так и отрицательно заряженные частицы: положительно и отрицательно заряженные ионы и электроны. В металлах проводимость обусловлена только движением электронов.

Диэлектриком является любая среда (газ, жидкость или твердое тело), в котором длительное время может существовать электрическое поле. В отличие от проводников в диэлектриках нет свободных электрических зарядов. Внешнее электрическое поле вызывает в них поляризацию атомов, молекул или ионов, суммарное электрическое поле которых является обратным полем поляризации.

К проводникам относятся все металлы, растворы кислот, солей и щелочей, расплавленные соли, разогретые газы, к диэлектриков - янтарь, стекло, каучук, масло, сера, слюда, эбонит, газы за обычных температур. Вообще разделение тел на проводники и диэлектрики условно, поскольку способность тел хуже или лучше проводить электричество зависит от тех условий, в которых они находятся. Например, газы или стекло за высокой температуры становятся проводниками. Кроме того, есть большая группа веществ полупроводников, которые по своими электрическими свойствами занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.