Загадки электричества
Пусть каждый из нас прочтет какую-нибудь книгу, статью, заметку о современном взгляде на электричество, и наше последнее заседание посвятим беседе на эту тему.
Мы с радостью приветствовали это предложение. Однако, мы не нашли одной какой-нибудь теории, могущей дать объяснение всем тем явлениям, с которыми нам пришлось встретиться. Тогда мы решили выбрать из своей среды двух товарищей, обязать их ознакомиться с существующими теориями и сообщить нам свой взгляд — свою комбинированную теорию, которая дала бы объяснение знакомым нам явлениям. Председатель был выбран докладчиком, а один из наших товарищей— содокладчиком.
Наступил, наконец, день последнего нашего собрания. Председатель начал:
— Товарищи, все, что я буду говорить,—лишь приблизительно соответствует принятым в науке теориям, которые требуют математических вычислений для своего развития. Я не хотел бы заканчивать нашу работу в ином плане, чем она шла до сегодняшнего дня. Поэтому я дам лишь схематическую картину, лишь набросок современного взгляда на сущность электрических явлений.
Речь докладчика.
Мельчайшая частичка материи — атом — содержит в себе положительное и отрицательное электричество. Ядро атома, в котором и заключена вся его масса, оказывается всегда заряженным положительно. Электроны окружают ядро и двигаются вокруг него так же, как земля и планеты двигаются вокруг солнца. Масса электрона почти в 2000 раз меньше массы ядра атома водорода, который имеет наименьшую из всех известных нам масс. Для того, чтобы получить отрицательный заряд в одну электростатическую единицу, необходимо сообщить проводнику около 2 миллиардов электронов. В нейтральном атоме положительный заряд всегда равен отрицательному. Отрицательное электричество (электроны) мы можем в настоящее время отделять от материи (опыты с электрической лампочкой, зад. № 31). положительное — не отделимо от нее.
В каждом атоме электроны двигаются с огромными скоростями. Сами атомы принимают участие в беспорядочном тепловом движении. Естественно допустить, что частые столкновения между ними легко могут выбивать электрон из одного атома, вбивать его в другой и, наконец, выбрасывать электрон с поверхности тела в пространство. Ядра также не неподвижны, но, благодаря их большей массе, а также благодаря тому, что они расположены внутри электронов, они в значительно меньшем количестве могут выбиваться из тела.
Какой же можно сделать из этого вывод? Каждое тело постепенно теряет электроны, следовательно, в конце концов, положительного электричества в нем будет больше, чем отрицательного. Тело самопроизвольно будет заряжаться положительным электричеством. Не нужно ни трения, ни какой бы то ни было химической реакции для того, чтобы тело получило заряд, и притом заряд положительный. Будет ли так на самом деле?
Первый же электрон, отделившийся от тела, вызовет его положительную электризацию. Уже второму электрону придется при отделении от тела преодолевать силу электрического притяжения, которая образуется между телом (+) и электроном (—). Очевидно, что очень быстро должно наступить такое положение, при котором, взамен вылетевшего электрона, тело притянет один из ранее удалившихся из него. Таким образом, если подобная электризация и будет существовать, то неизмеримо слабая. Однако, если мы каким-нибудь способом участим столкновения атомов, повысим скорость их движения, то очевидно, мы вправе ожидать усиления процесса выбрасывания телом электронов, проще всего это выполнить повышением температуры тела. Опыт подтверждает это соображение. Мы уже говорили о том, что из раскаленного тела электроны вылетают в окружающее пространство.
Так будет обстоять дело в том случае, если тело помещено в пустоту, т.-е. его поверхности не касается никакое другое тело; в противном случае явление изменится. Представьте себе, товарищи, что мы взяли медную пластинку и приложили вплотную к ее поверхности вторую медную пластинку. Очевидно, что электроны будут выбрасываться с поверхности первой пластинки, но они встретят на своем пути вторую пластинку, а не пустоту. Наэлектризуются ли такие две пластинки? Опыт убеждает нас, что нет. Они сделаны из одного и того же вещества. Масса атома, его скорость и прочие свойства у них одинаковые. Сколько бы электронов из одной пластинки ни вылетало и ни сообщалось другой, равное им количество будет вылетать из второй пластинки и сообщаться первой. В результате в обеих пластинках будет прежнее количество электронов, т.-е. то, при котором пластинки были нейтральными. Приложим, теперь, товарищи, к медной пластинке пластинку иного металла, например, цинковую. Произойдет ли теперь электризация? Несомненно. И опыт подтверждает это. Теперь у этих двух пластинок будет все разнос: масса атомов, количество электронов, входящих в нейтральный атом, скорость их движения. Можно ли при этих условиях допустить, что один квадратный сантиметр поверхности медной и цинковой пластинки выделяет одинаковое количество электронов? Опыт показывает, что нет. Мало того: количество отделяющихся электронов при соприкосновении двух разнородных пластинок будет большее, нежели в пустоте. Движение электронов одной пластинки, не совпадающее с движением другой, столкновение атомов, разных масс и проч. должны способствовать усиленному отделению электронов с той пластинки, в которой они менее прочно связаны с ядром.
Мы взяли для примера два металла, но ведь, очевидно, те же рассуждения, если только они правильны, будут относиться к любым двум телам. Если я кусок кожи плотно прижму к поверхности стекла, то и кожа и стекло должны наэлектризоваться, и наэлектризоваться разноименными электричествами. Опыт говорит, что это справедливо, что для электризации стекла совершенно не нужно натирать его, что трение в данном случае является просто длительным прикосновением и только. Конечно, поскольку трение вызывает нагревание, это последнее может по разным причинам усилить электризацию. Сейчас должно стать понятным, почему электризация тел происходит не только тогда, когда они из разного вещества, но и тогда, когда у них разнородные поверхности. Матовое стекло электризуется при трении о полированное стекло, несмотря на то, что и массы атомов, и число и скорость электронов у них одинаковые, только потому, что их поверхности разные. На один квадратный сантиметр поверхности того и другого стекла придется неодинаковое количество атомов. Нам должны быть теперь понятны все случаи электризации двух однородных тел (зад. № 10), из которых одно сжато или нагрето сильнее другого.
Как легко, например, понять, почему электрический заряд распространяется только по поверхности проводника! Представьте себе, что мы каким-либо образом сообщили середине медного шара некоторое количество электронов. Они будут отталкиваться друг от друга, и, следовательно, разойдутся на возможно большее расстояние, т.-е. отойдут на поверхность шара. Дальше электроны двигаться не смогут, так как воздух не проводник. Кстати, проводимость тела зависит от большей или меньшей свободы движений электронов, а эта последняя зависит от плотности тела, массы атомов, числа электронов вокруг ядра, и главное—от степени легкости их отделения от атома. У металлов свобода передвижения электронов огромная, у изоляторов — весьма слабая. Когда электроны двигаются— текут по проволоке, они сталкиваются с частицами металла, в результате чего появляется теплота. Так проводники нагреваются током.
Очевидно, что при нагревании проводника, его сопротивление должно возрастать, так как от этого увеличивается скорость беспорядочных движений частиц металла, препятствующая движению электронов. Наоборот, понижение температуры должно уменьшать сопротивление. При абсолютном нуле (—273оС), когда частицы тела перестают двигаться, любой металл должен стать идеальным проводником. Так, например, если катушку из свинцовой проволоки замкнуть самое на себя, и поместив в сосуд, охладить жидким гелием до 1,8о абсолютной температуры (—273оС), то при действии переменного магнитного поля на эту катушку в ней появляется ток. Подобное поле может существовать одно мгновение, а индуцированный ток в катушке продолжается, несмотря на то, что магнитного поля уже нет. Подобный опыт имел действительно место: наблюдение показало, что ток в катушке не изменялся в течение двух с половиной часов; этот срок обусловливался единственно необходимостью возобновить порцию охлаждающего гелия.
Если мы опустим металлическую пластинку в раствор поваренной соли, то, очевидно, соприкосновение этих двух разнородных тел вызовет их электризацию. Чем большее количество электронов будет входить в металлическую пластинку, тем больше будет повышаться ее потенциал. Однако, это будет продолжаться лишь до определенного момента. Чем больший заряд получит пластинка, тем с большей силой электроны будут стремиться вновь соединиться с положительным электричеством раствора и, наконец, наступит момент равновесия, при котором заряд пластинки, а следовательно, и ее потенциал не будет увеличиваться. Этим и объясняется постоянство разности потенциалов на электродах гальванического элемента. На самом деле теория усматривает значительно более сложные процессы при работе гальванического элемента. Выделение электронов происходит уже в самом растворе без какого бы то ни было погружения в него металла. Ведь каждый раствор это уже есть соприкосновение двух разнородных тел. В нашем случае этими телами будут соль и вода.
Рис. 60. Заряженный медный круг, вращающийся под магнитной стрелочкой, оказывает на нее то же действие, как и соответствующего направления ток.
Частицы хлористого натрия сами расщепляются на хлор и натрий, причем оказывается, что разделившиеся атомы хлора и натрия наэлектризованы—первые отрицательно, а вторые—положительно. Эти-то заряженные атомы, или как их называют— ионы, играют главную роль во всех электрохимических процессах.
Каждый движущийся электрон создает вокруг себя магнитное поле. Для создания его совершенно не нужно электрического тока. Искра машины с трением, искра электрофора также вызывает магнитное поле. В этом можно убедиться, поднеся к сильной искре очень чувствительную магнитную стрелку. Наконец, если просто привести в быстрое движение заряженный проводник, то и он явится источником магнитного поля. Например, если круглую медную пластинку зарядить положительным или отрицательным электричеством и привести в быстрое вращение, то установленная над ней магнитная стрелка будет отклоняться, согласно правилу Ампера, так, как-будто бы под ней был не движущийся электрический заряд, а соответствующего направления круговой ток (рис. 60).
Однако, если мы говорим, что движущийся электрон создает вокруг себя магнитное поле, то мы вынуждены сделать отсюда заключение, что атом каждого тела представляет из себя элементарный магнитик, так как и в нем существует движение электронов. Отсюда напрашивается вывод, что и каждое тело должно проявлять магнитные свойства. Это так и есть, на все тела сильный магнит оказывает влияние. Намагниченная сталь от ненамагниченной стали отличается только тем, что в первой электроны вращаются в атомах приблизительно все в параллельных друг другу плоскостях и почти все в одном направлении, а во второй — в самых разнообразных направлениях, вследствие чего их действия взаимно уничтожаются. Двигающийся равномерно электрон создает вокруг себя постоянное магнитное поле, двигающийся неравномерно— переменное магнитное поле. Это переменное магнитное поле вызывает, в свою очередь, движение электронов в любом проводнике, помещенном в этом поле. Это и есть индукционный ток.
Наконец, товарищи, мы сейчас можем ответить на тот вопрос, которого мы с вами не раз касались в частной беседе. Этот вопрос я хочу предложить вам, как задачу № 105.