Электризация тел. Закон Кулона

Электризация тел, т. е. возникновение в них электрического состояния, происходит при чрезвычайно разнообразных процессах, совершаемых с этими телами. Почти всякое механическое действие, производимое с твердым телом, как, например, трение об это тело или надавливание на него другого тела, скобление, раскалывание, сопровождается развитием электричества. Так же точно электризуются тела при многих химических действиях; некоторые вещества электризуются при отвердевании; некоторые соли весьма сильно электризуются при своем выкристаллизовании из растворов. Является электричество и в жидкостях при трении этих жидкостей о твердые тела и даже при трении их о некоторые другие жидкости. Наконец, даже простое соприкосновение двух каких-либо разнородных тел, все равно, будут ли эти тела твердые или жидкие, вызывает в обоих этих телах электрическое состояние. Во всех приведенных случаях причиной электризации тел является одно и то же, а именно прикосновение, контакт разнородных тел. Александр Вольта своими опытами, произведенными в самые последние годы XVIII в., первым доказал, что при прикосновении друг с другом двух каких-либо проводящих электричество тел, но непременно отличающихся одно от другого по химическому составу, происходит электризация обоих этих тел, причем одно из них заряжается положительным электричеством, другое – отрицательным. Количества двух этих противоположных электричеств, являющихся на соприкасающихся телах, равны между собой. Вольта нашел, что металлы и другие твердые проводники, не подвергающиеся, как скажем теперь, электролизу, т. е. не разлагающиеся на химически составные части при прохождении через них электрического тока (проводники первого класса), по своей способности электризоваться при контакте могут быть расположены в известной последовательности (ряд Вольты) – так, что всякое тело при прикосновении с любым из тел, стоящих в этом ряду дальше, электризуется положительно и при прикосновении с любым из тел, ему предшествующих, электризуется отрицательно. Вольта дал следующий ряд тел: цинк, свинец, олово, железо, медь, серебро, золото, уголь, графит, окись марганца.

Впоследствии, при исследовании более чистых химически металлов, их расположение оказалось несколько иным, и в настоящее время мы можем расположить металлы в такой ряд:

алюминий, цинк, олово, кадмий, свинец, сурьма, висмут, нейзильбер, латунь, ртуть, железо, сталь, медь, серебро, золото, угли, уран, теллур, платина, палладий.

Химически сложные жидкости и вообще проводники, разлагающиеся от действия тока (проводники второго рода), не могут быть помещены в ряд Вольты вместе с проводниками первого класса; они и отдельно от последних не составляют подобного ряда.

Возникновение электризации при трении двух разнородных тел, причем и в этом случае разнородность может быть не по существу, не химическая, а лишь физическая, обязано контакту этих тел. При трении происходит лишь непрерывное изменение места прикосновения, вследствие чего и развивается большое количество электричества. Заметим, что гладкое стекло при трении о кожу, покрытую амальгамой (амальгама Киенмайера представляет собой сплав ртути, цинка и олова), электризуется всегда положительно; смола, а также роговой каучук при трении о мех или шерсть электризуются отрицательно. В следующем перечне тела распределены в таком порядке, что на каждом развивается электричество положительное при натирании его одним из последующих тел, и отрицательное – при трении одним из предшествующих: мех, полированное стекло, шерстяные ткани, перья, дерево, бумага, шелк, шеллак, смола, матовое стекло.

Очевидно, что при надавливании одного тела на другое, отличное от первого, при скоблении, раскалывании, при химических реакциях, при кристаллизации, при отвердевании, наконец, при быстром обращении жидкости в пар, когда образующиеся пары, увлекающие с собой капельки жидкости, а также и твердые частички, находящиеся в жидкости, прикасаются к стенкам сосуда, в котором находится жидкость, во всех этих случаях мы имеем контакт разнородных веществ, а следовательно, имеем причину возбуждения электрического состояния в этих телах. Весьма тщательно произведенные опыты показали, что само по себе испарение или даже кипение какой-либо жидкости, если только в последнем случае удалена возможность трения увлекаемых парами капелек жидкости о твердые предметы, не сопровождается электризацией.

Сразу отметим два интересных момента в законе Кулона. Во-первых, по своей математической форме он повторяет закон всемирного тяготения Ньютона, если заменить в последнем массы на заряды, а постоянную Ньютона – на постоянную Кулона. И для этого сходства есть все причины. Согласно современной квантовой теории, поля и электрические, и гравитационные поля возникают, когда физические тела обмениваются между собой лишенными массы покоя элементарными частицами-энергоносителями – фотонами или гравитонами соответственно. Таким образом, несмотря на кажущееся различие в природе гравитации и электричества, у двух этих сил много общего.

Второе важное замечание касается постоянной Кулона. Когда шотландский физик-теоретик Джеймс Кларк Максвелл вывел систему уравнений Максвелла для общего описания электромагнитных полей, выяснилось, что постоянная Кулона напрямую связана со скоростью света с. Наконец, Альберт Эйнштейн показал, что с играет роль фундаментальной мировой константы в рамках теории относительности. Таким образом можно проследить, как самые абстрактные и универсальные теории современной науки поэтапно развивались, впитывая в себя ранее полученные результаты, начиная с простых выводов, сделанных на основе настольных физических опытов.