Загадки электричества
Задачей № 14.О стеклянной и медной палке.
Можно ли на концах стеклянной и медной палки получить одновременно два разноименных заряда?
Вопрос о стеклянной палке мы решили немедлено. Мы вспомнили, что одно и то же тело при трении его о другие тела далеко не всегда получает заряд одного и того же знака. Стекло, потертое об амальгамированную кожу, как уже говорилось, электризуется положительно. Потертое о шелк —также положительно, но потертое о мех — отрицательно. Напомним еще раз, что знак электризации зависит часто от стольких причин (см. зад. № 10), что иногда против ожидания стекло, потертое о мех, может получить положительную электризацию. Подобных сюрпризов можно ожидать при трении любых двух тел, но степень возможности подобных „обратных“ электризаций далеко не у всех тел одинакова. Очень стойкими и наиболее доступными в данном случае являются: особый сорт стекла — флинтглас и амальгамированная кожа для (+) электризации, и эбонит и мех или фланель для (-) электризации. Отсюда между прочим понятно, почему при опытах по электричеству употребляют всегда указанные выше материалы.
Первый вопрос задачи 14 был решен просто. Один конец стеклянной палочки мы натерли мехом, а другой — амальгамированной кожей. Но вопрос о медной палке мы решили только после долгого раздумья. Можно было бы так же натереть один конец медной палки одним телом, а другой — другим, чтобы они получили противоположную электризацию. Но медная палка — проводник, и поэтому разноименные заряды в ней мгновенно нейтрализовались бы. Задача казалась совершенно неразрешимой, если бы, наконец, мы не вспомнили о самом главном, самом важном свойстве электричества.
Вспомнили мы об индукции. Все мы учили, что если к наэлектризованному телу приблизить проводник, то в этом проводнике, благодаря влиянию наэлектризованного тела, образуются заряды разноименных электричеств. На конце проводника, ближайшем к наэлектризованному телу, возбуждается электричество противоположного знака, а на удаленном — одноименного с наэлектризованным телом. Таким образом, второй вопрос задачи можно было решить очень просто: достаточно было наэлектризованную стеклянную палку, натертую об амальгамированную кожу, поднести к медной палке, укрепленной на изоляторе, для того, чтобы на ее ближайшем к стеклянной палке конце возбудилось отрицательное электричество, а на противоположном конце — положительное. Если взять вместо проводника изолятор, то и на нем обнаружатся явления индукции, но в значительно более слабой степени и с одной особенностью, которая заключается в том, что электричество одноименного знака не возбудится на удаленном конце, а лишь в более удаленных слоях самого изолятора. Поверхность изолятора, ближайшая к наэлектризованному телу, будет заряжаться противоположным электричеством, а одноименное появится непосредственно за ним в следующих слоях.
После этого предыдущая задача стала для нас также ясной. Действительно, в каждой точке поверхности малого и большого шара индуцируется электричество противоположного знака. Следовательно мы и в данном случае имеем взаимодействие двух зарядов. Для нас стало также понятно, что и в задаче №11 чулок мог притянуться к стене и удержаться на ней только потому, что, благодаря индукции, в стене возник заряд противоположный заряду чулка, следовательно, и в данном случае нельзя было говорить о „притяжении стеной заряда чулка“, а опять таки о притяжении, о взаимодействии двух зарядов.
Явление индукции помогло нам решить и задачу № 7. Вопрос, затронутый в этой задаче, вопрос довольно сложный. Не трудный, а именно сложный. Очень много причин могут не дать возможности оттолкнуться бумажке или нитке от наэлектризованной свечки.
Даже классический „бузиновый“ шарик, с которым вам показывали столько опытов по электричеству, и который кстати сказать делается не из бузины, а из сердцевины подсолнуха, и он может пристать к стеклянной палке и даже будет передвигаться по ее нижней поверхности, если палку держать наклонно. Но против этого вам хочется протестовать. Действительно, в школе вам сколько раз приходилось видеть подобный опыт, и он всегда для того и показывался, чтобы доказать отталкивание шарика. Вы правы. В опыте с бузиновым шариком далеко не всегда удается наблюдать указанное явление. Чаще шарик притянется к палочке и затем резко отскочит от нее. Но если вы были достаточно внимательны, то могли заметить, что и бузиновый шарик иногда отказывается оттолкнуться от палочки.
Рис. 4. Два шарика касаются наэлектризованной поверхности изолятора. Что произойдет с каждым из них ?
Если бы вы сами проделали десятки подобных опытов, то заметили бы следующее: бузиновый шарик хуже отталкивается в том случае, если он касается наэлектризованной палочки своей помятой стороной. Кусочки бумажки почти всегда не отталкиваются, если они касаются наэлектризованного тела не ребром, а плашмя.
На рис. 4 показаны два шарика — А и В, касающиеся наэлектризованной поверхности изолятора. Шарик В сплюснут. Зададимся таким вопросом: у какого шарика большая поверхность касается наэлектризованного тела? Двух мнений быть не может — конечно, у шарика В. Но касается ли шарик В наэлектризованного тела всеми точками своей нижней поверхности? Конечно, нет, так как его нижняя поверхность не плоскость. Следовательно, во всех точках, не касающихся поверхности, будет индуцироваться электричество знака противоположного наэлектризованному телу. А так как этих точек гораздо больше, чем тех, которые касаются заряженного тела, то, очевидно, сила притяжения может превысить силу отталкивания. Однако, на первый взгляд кажется, что все наши рассуждения одинаково применимы и к шарику А. Пожалуй, даже еще в большей степени, так как шарик А касается наэлектризованного тела меньшим числом точек своей поверхности. Однако, благодаря правильной форме шарика А, точки, не касающиеся наэлектризованной поверхности изолятора, отстоят от нее значительно дальше, нежели у шарика В. Таким образом, силы притяжения между шариком А и наэлектризованным телом будут значительно меньше, чем у шарика В. Не надо забывать, что из формулы Кулона следует, что сила взаимодействия двух зарядов не только зависит от квадрата расстояния между ними, но и от величины самих зарядов. На шарике А количество индуцированного электричества будет значительно меньше, чем на В, так как точки его поверхности отстоят дальше. Следовательно, сила притяжения будет по сравнению с шариком В очень малая, благодаря чему сила отталкивания может взять перевес, и шарик оттолкнется. . Совершенно так же разъяснится и вопрос о притяжении бумажек, ниточек и т. д.
Надо заметить еще, что разбираемое явление усугубляется в случае применения бумажек и ниток тем, что их поверхность покрыта волосками. Волоски не дают нитке коснуться поверхности заряженного тела. Действительно, чем более гладкой поверхностью и лучшей проводимостью будут обладать тела, притягивающиеся к наэлектризованному изолятору, тем легче вызвать отталкивание Например, маленькие кусочки сусального золота, алюминиевой фольги и проч. почти всегда отталкиваются от наэлектризованного изолятора. Чем более сильный заряд имеется на нем, тем больше шансов на отталкивание. Это происходит потому, что между зарядом изолятора и индуцированным зарядом в теле получается столь сильное притяжение, что они взаимно нейтрализуются, вызывая искорку. Наконец, если у нас наэлектризованным телом будет проводник, то можно ручаться (при условии, что и притягивающееся тело хороший проводник), что явления притяжения будут всегда сопровождаться отталкиванием. Это понятно, так как достаточно, чтобы притягивающееся тело коснулось заряженного хотя бы одной точкой, и весь заряд проводника уже может перейти в него. Может быть, вы пожелаете ответить на вопрос: с чистой или загрязненной поверхностью наэлектризованного тела легче показать силы отталкивания?
Разрешение нашей старой загадки (зад. № 7) еще больше ободрило нас, и мы поняли, что наши беседы идут правильным путем.
Разрешив все свои сомнения, мы были награждены председателем, предложившим нам задачу №15.
Смотрите также: Электростатическая индукция