Электрические заряды

«В янтаре, — писал Плутарх, — содержится огненная и бестелесная сила, которая выходит из него скрытыми путями, если потереть поверхность янтаря, и производит то же действие, что и магнитный камень».

Более чем через тысячу лет Гильберт подтвердил:

«Велика слава магнита и янтаря, благодаря упоминаниям о них у ученых…» [далее, однако, Гильберт жалуется на современное состояние науки, объясняющей природу этих явлений:] «Наше время создало много книг о скрытых, тайных, сокровенных причинах и чудесах. Во всех янтарь и гагат упоминаются как притягивающие мякину, однако в них нет никаких доводов, основанных на опытах и наглядных доказательствах. Они действуют лишь словами, напуская еще больший туман на существо дела, именно — «скрыто, чудесно, таинственно, недоступно, сокровенно». Поэтому такая философия не дает никаких плодов. Она держится лишь на некоторых греческих или необычных словечках, уподобляясь нашим знахарям и цирюльникам, которые выставляют напоказ перед необразованным народом некоторые латинские слова в качестве вывески для своего искусства и ловят благосклонность толпы. Сами философы по большей части ничего не ищут, не сильны в познании вещей опытом, праздны и ленивы; поэтому они своими трудами ничего не достигают и не видят того, что может внести свет в их рассуждения».

Теперь мы знаем, что электрические силы, если сравнить их с другими с помощью какого-нибудь разумного метода, значительно превосходят, скажем, гравитационные силы и что в любом веществе нет недостатка в электрически заряженных частицах. Поэтому довольно удивительно, что первыми получили объяснение именно гравитационные силы. Электрические силы, как мы увидим, в некоторых отношениях весьма сходны с гравитационными: так, точечные заряды отталкиваются или притягиваются друг к другу с силой, совпадающей по форме с гравитационной силой (const/R²), а именно с силой, спадающей как квадрат расстояния между зарядами. Однако величина этой силы огромна в сравнении с величиной гравитационной силы. Почему же она столь неуловима, что для того, чтобы ее заметить, приходится натирать янтарь и наблюдать, как он притягивает мякину?

Пытаясь ответить на этот вопрос, мы обнаруживаем главное различие между гравитационными и электрическими силами. Гравитационная сила Ньютона — это такая сила, которая заставляет любое тело притягивать любое другое тело, причем величина силы притяжения пропорциональна произведению масс этих двух тел. Что касается электрических зарядов, то не все они притягивают друг друга. Оказалось, что заряды делятся на два класса. Такое утверждение впервые высказал Шарль Франсуа Дюфе (1698—1739):

«Этот принцип таков, что имеется два существенно различных вида электричества; одно из них я назову стеклянным, а другое — смоляным. Первое появляется на потертых стекле, кварце, драгоценных камнях, волосах животных, шерсти и многих других телах. Второе — на потертых янтаре, копале, гуммилаке, шелке, пряже, бумаге и многих других веществах. Отличительным признаком обоих электричеств служит то, что тело, содержащее, скажем, стеклянное электричество, отталкивает все тела с таким же электричеством и, наоборот, притягивает тела, содержащие смоляное электричество».

Мы больше не употребляем выражения «стеклянное» или «смоляное» электричество. Сейчас мы говорим о положительном или отрицательном электричестве. Однако смысл от этого не меняется. Положительные заряды отталкивают друг друга, отрицательные заряды тоже отталкивают друг друга, а положительные и отрицательные заряды притягиваются (фиг. 268).

Между положительными и отрицательными зарядами нет никаких внутренних различий. В настоящее время это свойство рассматривается как фундаментальный принцип симметрии, который гласит, что термины «положительный» и «отрицательный» не имеют никакого абсолютного смысла и что все наши наблюдения нисколько не изменятся, если все положительные и отрицательные заряды поменять местами. Однако именно существование двух видов зарядов и составляет основное различие между электрическими и гравитационными силами. Ибо, несмотря на то, что электрические силы очень велики и что все тела содержат, вероятно, огромное количество электрически заряженных частиц, в любом куске вещества положительные и отрицательные заряды настолько точно сбалансированы, что наблюдать электрические силы оказывается трудным делом. Именно поэтому в первых опытах по наблюдению электрических сил приходилось натирать или поглаживать соответствующие материалы; тем самым производилось разделение положительных и отрицательных зарядов и нарушалось их точное равновесие, вследствие чего и проявлялись электрические силы.

Мы получим некоторое представление об огромной величине электростатических сил и о почти идеальном равновесии положительных и отрицательных зарядов в обычном веществе, если рассмотрим, например, два тела обычных размеров, расположенных на расстоянии порядка 1 м друг от друга. Представим, что на каждом из тел имеется избыток в один заряд на каждые 1000. Тогда сила, действующая между этими телами (сила притяжения или отталкивания — в зависимости от того, противоположны или одинаковы по знаку избыточные заряды), окажется равной примерно 10¹² Н (тысяча миллиардов ньютонов).

Если заряды на телах были разных знаков, то между телами произойдет электрический разряд (пробой), который уравняет числа зарядов. Очень большие силы, пробой и утечка заряженных частиц — в силу всех этих причин большинство наблюдаемых нами тел практически нейтрально. При любом мало-мальски серьезном нарушении нейтральности возникают такие огромные силы, которые восстанавливают ее тем или иным способом.