Часть 3

Электричество и магнетизм

Микроскопические заряды – колоссальные последствия

12. Некоторые электростатические явления

В части, посвященной механике, мы дали понять, что электромагнитная сила является источником большинства окружающих нас явлений: в механике (большинство сил являются ее производными), в электричестве и в оптике (все явления, связанные со светом, вызваны этой силой). Для того чтобы спокойно приступить к электричеству и оптике, нам необходимо более подробно остановиться на этой важнейшей физической дисциплине – электромагнетизме.

В данной главе мы останемся в рамках электростатики, чтобы познакомить вас со многими важными понятиями в электричестве: поле, потенциал, напряжение и электрический ток. Мы поговорим о наиболее наглядном электростатическом явлении – молнии. Мы объясним, в частности, принцип действия клетки Фарадея, и станет понятно, почему в грозу мы в безопасности внутри автомобиля.

1. Не такое уж пустое пространство…

Электростатическое поле

В начале XIX в. человек научился создавать более или менее заряженные предметы (в частности, с помощью трения). Для начала рассмотрим неподвижный заряженный шар. Если мы положим рядом какой-нибудь заряженный предмет, на него подействует сила сферы. Таким образом, в каждой точке пространства вокруг сферы существует невидимое «нечто», способное придать ускорение заряду, попавшему в эту зону. Это нечто называется электростатическим полем.

Всякий неподвижный заряд создает вокруг себя электростатическое поле, охватывающее пространство. Как только мы поместим в эту область какой-то предмет, электростатическое поле проявит себя в силе, которая придаст предмету ускорение.

Электростатическое поле представлено вектором, обозначаемым E^→;. Он обозначает силу, которую ощутил бы положительный заряд в 1 кулон, помещенный в эту точку (во врезке ниже поясняется, что представляет собой заряд в 1 кулон). Поскольку электростатическая сила уменьшается пропорционально квадрату расстояния, то же самое происходит с электростатическим полем.

Таким образом, положительно заряженный шар создает поле E^→;, действие которого направлено «наружу»: он оказывает отталкивающую силу на любой положительно заряженный предмет. Говорят, что поле «расходится» от положительного заряда (➙ рис. 12.1.а).

В противоположность этому, отрицательно заряженный шар создает поле E^→;, направленное в сторону сферы: он оказывает притягивающую силу на любой положительно заряженный предмет. В этом случае говорят, что поле E^→; сходится к отрицательному заряду (➙ рис. 12.1.b).

Необходимо хорошенько усвоить, что сила может воздействовать только на материальный объект, в то время как поле охватывает все пространство, даже если оно свободно от любой материи.

Рис. 12.1 – Электростатическое поле, созданное заряженным шаром

С одной стороны, электростатическое поле расходится от положительного заряда и сходится к отрицательному, с другой стороны, сила поля уменьшается пропорционально квадрату расстояния.

КУЛОН

Кулон является единицей измерения электрического заряда, так же как килограмм является единицей измерения массы. Чтобы иметь представление о размере этой единицы, мы можем запомнить, что это заряд малюсенького шарика, диаметром меньше 1 мм, у которого удалили все электроны (заряд протонов больше не компенсируется зарядами электронов).

Мы могли бы сказать, что речь идет об очень слабой единице, но это вовсе не так, а совсем наоборот: если положим два таких шарика в 1 кулон на расстоянии 1 метра друг от друга, отталкивающая сила между ними будет равна весу десятков тысяч автобусов, поставленных друг на друга! Таким образом, речь идет о колоссальной силе. Вспомним, что электростатическая сила полностью раздавила бы гравитацию, если бы заряды не уравновешивали друг друга.

Также не следует забывать, что наши шарики содержат десятки миллиардов протонов, что объясняет мощность силы, которую они оказывают.

В конце концов, заряды, с которыми мы традиционно имеем дело, гораздо меньше кулона, потому что предметы всегда заряжены очень поверхностно: совершенно невозможно лишить вещество абсолютно всех электронов! Пример двух наших шариков, потерявших все электроны, полностью вымышленный.

Кроме того, отношение между полем и силой очень простое. Поле – это сила, которая воздействовала бы на заряд в 1 кулон. Если взять некий заряд q, на него будет действовать сила F^→; = qE^→;.

Электростатический потенциал

Таким образом, в каждой точке пространства, окружающего заряженный шар, существует электростатическое поле. Если туда поместить заряд, он получит ускорение, иначе говоря, приобретет кинетическую энергию. То есть заряд, помещенный в эту точку, обладает потенциальной энергией.

Говорят, что в данной точке шар делает возможным существование «потенциала»: по определению, потенциал равен потенциальной энергии, которую имел бы заряд в 1 кулон, помещенный в данную точку. Как и для электростатического поля, можно определить потенциал, созданный шаром в любой точке пространства, даже если оно лишено материи.

Потенциал обозначается φ (фи) и измеряется в вольтах (В).

Потенциал φ соответствует потенциальной энергии заряда в 1 кулон. То есть если мы поместим заряд q в заданную точку, его потенциальная энергия будет E_P = qφ.

ЗНАЧЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛА

В главе 8 мы говорили, что в физике происхождение потенциальной энергии признано условно. Отсюда следует, что только изменения потенциальной энергии имеют смысл. Поскольку E_P = qφ, то же самое верно для потенциала.

Так, потенциал может равняться нулю в положительно или отрицательно заряженной точке (поскольку начало потенциала выбрано условно). В электротехнике нулевой потенциал называют массой, а когда одна точка соединена с землей (то есть заряд нулевой), это называют землей.

Мы условились, что в этой книге мы придаем потенциалу максимальный физический смысл: если нет заряда, потенциал будет нулевым. Если есть отрицательный заряд, потенциал вокруг него будет отрицательным. Если есть положительный заряд, потенциал будет положительным.

Можно показать, что потенциал пропорционален заряду шара, который его создает, и обратно пропорционален расстоянию до этого шара. Это значит, что если шар имеет положительный заряд, то и потенциал будет положительный. Если шар несет отрицательный заряд, то потенциал будет отрицательным (см. врезку ниже).

Электростатическое поле отклоняет положительные заряды и притягивает отрицательные, то есть оно всегда направлено от наиболее положительных зарядов к наиболее отрицательным. Это значит, что положительный заряд естественным образом переместится от положительных зарядов к отрицательным. С отрицательным зарядом все наоборот.

Это также подразумевает, что если потенциал одинаков во всех точках пространства, значит, электростатическое поле ничтожно: нет отрицательного потенциала большего, чем другие, такого, который поле могло бы притягивать.