Проявление электричества в природе известно каждому. Это молнии — мгновенные разряды атмосферного электричества. Реже встречаются шаровые молнии — бесшумно парящие скопления электрических зарядов. Но электричество играет большую роль в самых разнообразных явлениях природы, которые на первый взгляд кажутся совсем не электрическими.
Янтарь-электрон
В древние времена к берегам Балтийского и Северного морей металл привозили из средиземноморских стран. Среди товаров, получаемых в обмен, особенно ценилась ископаемая смола. На севере ее называли янтарем, а на юге — электроном. Из янтаря-электрона делали украшения.
Обрабатывая янтарь, греки заметили, что, если его натереть, он притягивает ворсинки шерсти, обрывки ниток, волосы, перья. В обиходе появились даже янтарные палочки, которыми собирали пыль с одежды.Удивительное свойство натертого янтаря не привлекало до Гильберта внимание ученых. Гильберт первым обнаружил, что этим свойством обладают очень многие вещества — алмаз, сера, кварц и, как потом обнаружилось, даже металлы. Электризацию металлов наблюдал в начале XVIII в. английский ученый Грей. Чтобы обеспечить изоляцию от земли, он натирал металлические предметы, расположившись на качелях, которые были сделаны из волосяных веревок.
Силу притяжения, которой обладает натертое тело, Гильберт назвал электрической, а связанные с этим явления — электрическими явлениями. Этим он подчеркнул роль янтаря-электрона в новой области науки.
Магнитные исследования Кулона помогли вывести законы взаимодействия магнитных полюсов; исследования Ампера — закон взаимодействия проводников с токами, а также проводника с током и магнита. Величина силы F, действующей на помещенный между полюсами магнитов проводник с током, пропорциональна силе тока (/), длине проводника (l) и синусу угла между направлением тока и тем направлением, по которому устанавливается магнитная стрелка там, где расположен проводника
F=B•1•l•sin.
То, что в формуле участвует синус угла означает, что величина действующей силы зависит от ориентации проводника с током. Величина F будет наибольшей, когда угол прямой. При этом sin=1.
Некоторые из ученых объяснили взаимодействия магнитных полюсов, магнитного полюса и тока, проводников с током действием на расстоянии, без участия окружающей среды (теория дальнодействия). Другие придерживались мнения Фарадея: полюса взаимодействуют благодаря особому состоянию среды, которое вызывается присутствие магнитного полюса или проводника с током (теория близкодействия). Дальнейшие исследования подтвердили правильность второй точки зрения.
Джемс Клерк Максвелл родился в том же году, когда Фарадей открыл электромагнитную индукцию. Через 30 лет Максвелл обогатил открытие Фарадея более глубоким физическим содержанием, а затем разработал теорию взаимосвязи электрических и магнитных явлений — теорию электромагнитного поля.
Изучая электромагнитную индукцию, Максвелл обратил внимание на то, что Фарадей не заметил. Его заинтересовала причина, порождающая ток в проводнике, когда магнитное поле изменяется. Он хотел понять, как и почему это происходит.
Ток — это перемещение свободных зарядов в проводнике. Они приходят в движение, лишь когда существует электрическое поле. А единственная возможность появления электрического поля связана в свою очередь с изменением магнитного поля, в котором находится проводник. Учитывая это, можно представить себе явление электромагнитной индукции так: при изменении магнитного поля вокруг него возникает вихревое электрическое поле с замкнутыми силовыми линиями. Обнаружить это электрическое поле проще всего с помощью витка проволоки, в котором возникает ток свободных зарядов.
Таким образом, ЭДС индукции определяется в законе Фарадея величиной работы сил электрического вихревого поля, которое возбуждается вокруг изменяющегося магнитного поля.
Накануне XX века теорию электромагнитного поля постигла неудача. Г. Герц открыл новое физическое явление — фотоэффект. Это явление подробно исследовал русский физик А. Г. Столетов.
Фотоэлектрические опыты Столетова удивили и озадачили весь ученый мир. Удивление было вызвано действием света, т. е. электромагнитных волн на заряженную отрицательным электричеством металлическую пластинку. Закономерности, обнаруженные при этом, противоречили уже известным свойствам электромагнитных волн. Поэтому объяснить фотоэффект казалось невозможным.
Если освещать отрицательно заряженную металлическую пластинку, она разрядится. Это означает, что «свободные» электроны покинули металл. Если вылетевшие электроны попадут в электрическое поле положительно заряженной пластинки, соединенной с пластинкой освещаемой, то в цепи потечет ток. Этот ток назвали фотоэлектрическим. Вызвать его можно не всяким освещением. При одном цвете света (т. е. при одной длине электромагнитной
волны), как ни увеличивать его интенсивность, фотоэлектрического тока совсем нет. Зато при другом цвете по мере увеличения интенсивности света возрастает и ток. При этом обнаруживается зависимость фотоэффекта от металла пластинки. Каждому металлу соответствует определенная частота колебаний световой волны, при которой начинается эффект. Частоту эту назвали порогом фотоэффекта или «красной границей». Если частота электромагнитных колебаний света, которым освещают металл, больше порога, эффект наблюдается; если меньше, то, как ни увеличивать интенсивность света, эффект отсутствует.
Все это противоречило классическим представлениям о физических процессах. Если электрону нужна энергия, чтобы покинуть металл, то, казалось бы, чем выше интенсивность электромагнитной волны, тем больше она принесет энергии. А этого-то как раз и не видно у тех волн, частота которых меньше порога.
Объяснить порог фотоэффекта классическая электродинамика не смогла.
Об элементарной частице — электроне — подробно рассказывается в статье «Элементарные частицы». Здесь же мы подчеркнем лишь то, что исследование свойств электрона позволило многое узнать о природе электромагнетизма. Именно его движение в проводнике и создает электрический ток.Первым эту мысль высказал голландский физик Гендрик Лоренц. Электронную природу тока в металлах доказывает, например, опыт, предложенный советскими академиками Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси.
Если металлическое кольцо быстро и равномерно вращать, то вместе с ним начнут вращаться и свободные электроны атомов металла. Что же произойдет, если резко остановить кольцо? Свободные электроны по инерции будут продолжать движение, и в кольце пройдет ток. Он создаст магнитное поле, и его можно легко обнаружить магнитной стрелкой.
Если размеры наэлектризованных тел по сравнению с расстоянием между ними малы, то величина силы, с которой они взаимодействуют, определяется законом Кулона. Трудность, как и в решении проблемы взаимодействия намагниченных тел, была связана с пониманием, как действуют заряды. И в этом случае одержала верх «теория близкодействия»: каждый из электрических зарядов возбуждает вокруг себя электрическое поле, которое оказывает действие на другой заряд.
Силовая характеристика электрического поля — напряженность. Она определяется силой, действующей на единичный положительный заряд в каждой точке поля:E=F/q.
В Международной системе единиц (т. е. в системе СИ) сила F измеряется единицей н (ньютон), а заряд q — единицей k (кулон). У единиц напряженности электрического поля нет специального названия, она измеряется единицей н/k. Напряженность поля удобнее измерять единицей в/м, которая выводится из уравнений н•м=дж и дж=k•в.
Общий признак электрического тока — его влияние на магнитную стрелку — обнаружили при своеобразных обстоятельствах. Датский физик Ханс Кристиан Эрстед во время лекции об электричестве и магнетизме заметил, что магнитная стрелка компаса уклоняется от своего направления. После лекции он установил, что вблизи от компаса находился провод, который соединял полюсы гальванического элемента. Как только элемент замыкался, стрелка меняла направление. Эрстед долго размышлял над этим странным явлением, экспериментировал со стрелками и железными опилками, которые в момент замыкания располагались кругами вокруг провода. Наконец, в 1820 г. он установил связь между магнетизмом и электричеством. Затем было установлено, что магнетизм сопутствует току и в проводниках, и в электролитах, и в газах, а это значит, что действие на магнитную стрелку— общий признак электрического тока.
Французские физики Ж. Био и Ф. Савар осенью того же 1820 г. установили, что каждая часть проволоки с током действует на магнитный полюс. Это исследование привело к закону взаимодействия тока и магнитного полюса.
Число опытов, которые обнаруживали взаимодействие постоянного магнита с электрическим током, текущим по проволокам различной формы, быстро увеличивалось. Среди них привлекает внимание опыт, при котором электрический ток пропускали через катушку проволоки — соленоид. На концах катушки было обнаружено два противоположных полюса, ничем не отличавшиеся от полюсов магнита. Эти полюсы вступали с магнитом во взаимодействие. Полюсы появлялись даже при одном витке.
Нет, наверное, такого человека, который не слыхал бы или не читал детскую сказочку о Мальчике-с-пальчик. А каждый тот, кто помнит ее, знает, как Мальчик-с-пальчик ухитрился найти дорогу домой: он оставлял на дороге камушки. Но такое происходит не только в сказках. Например, некоторые виды муравьев отмечают себе обратную дорогу капельками сильно пахнущей жидкости.Отправляясь в поход или в путешествие, прежде всего позаботься о компасе. Он надежнее, чем камушки мальчика из сказки. Магнитная стрелка определит направление стран света и не даст заблудиться в дороге.В древние времена свойства магнитной стрелки казались волшебными. В древней Греции это свойство связывали с деятельностью богов. Камень, которым натирали железную иглу, называли камнем Геркулеса.
«Этот камень не только притягивает железное кольцо,— он одаряет своей силой и кольцо, так что оно в свою очередь может притягивать другое кольцо, и таким образом может висеть друг на друге множество колец или кусков железа; это происходит благодаря силе магнитного камня». Так древнегреческий мудрец Сократ описывал свойство камня, найденного вблизи города Магнесия, в Малой Азии.
Древние народы хорошо знали этот удивительный камень. В Китае и Индии о нем ходили легенды. Там же, на Востоке, впервые догадались, что намагниченной иглой можно пользоваться как указателем севера или юга. И по сей день компас — надежный помощник путешественника, штурмана, геолога, туриста.