Трактат об электричестве и магнетизме

В результате тело А будет иметь на P+N единиц отрицательного электричества больше, чем осталось на нём положительного, причём это положительное электричество считается находящимся в соединённом (связанном) состоянии с равным количеством отрицательного электричества. Количество электричества P+N называется Свободным, остальное электричество называется Связанным, Латентным (скрытым) или Фиксированным электричеством.

В большинстве изложений этой теории эти два вида электричества называются «Жидкостями», так как они способны передаваться от одного тела другому и крайне подвижны в проводящих телах. Другие свойства жидкостей, такие, например, как их инерция, вес, упругость, не приписываются электрическим жидкостям теми авторами, которые используют теорию в чисто математических целях. Но применение слова «Жидкость» способно сбить столку людей несведующих, в том числе и многих учёных, которые, не являясь естествоиспытателями, ухватываются за слово «Жидкость» как за единственный термин, показавшийся им понятным в утверждениях этой теории.

Мы увидим, что математическое рассмотрение вопроса в значительной мере было разработано авторами, пользующимися терминологией «Двухжидкостной» теории. Однако их результаты выведены исключительно из данных, поддающихся экспериментальной проверке, и, следовательно, должны быть истинны независимо от того, принимаем мы теорию двух жидкостей или нет. Поэтому опытное подтверждение математических результатов не является свидетельством ни за, ни против специфических доктрин этой теории.

Введение двух жидкостей позволяет нам рассматривать отрицательную электризацию А и положительную электризацию В как следствие любого из трёх различных процессов, приводящих к одинаковому результату. Мы выше приняли, что электризация вызвана передачей Р единиц положительного электричества от А к В и N единиц отрицательного электричества от В к А. Но если бы P+N единиц положительного электричества было передано от А к В или же P+N единиц отрицательного электричества было передано от В к А, то получающееся в результате количество «свободного электричества» на А и на В было бы такое же, как и раньше, но количество «связанного электричества» на А было бы во втором случае меньше, а в третьем больше, чем в первом.

Таким образом, согласно этой теории, казалось бы, можно изменять не только количество свободного электричества в теле, но и количество связанного электричества. Однако до сих пор не было обнаружено ни одного явления при электризации тел, в котором можно было бы проследить изменение в них количества связанного электричества. Таким образом, либо связанное электричество не имеет поддающихся наблюдению свойств, либо количество связанного электричества не может меняться. Первое предположение для чистого математика не представляет никаких трудностей; он не приписывает этим жидкостям никаких свойств, кроме притяжения и отталкивания, так как он считает эти жидкости просто уничтожающими друг друга, подобно +е и – е, т. е. их комбинацию он считает истинным математическим нулём. Для тех же, кто не может пользоваться словом Жидкость, не думая при этом о веществе, трудно себе представить, как может смесь двух жидкостей не иметь вообще никаких свойств, так что добавление большего или меньшего количества этой смеси никак не сказывается на теле ни в увеличении его массы или веса, ни в изменении каких-либо других его свойств. Исходя из этого, некоторые авторы предположили, что в любом процессе электризации передаётся в точности одинаковое количество обеих жидкостей в противоположных направлениях, так что полное вместе взятое количество обеих жидкостей в любом теле остаётся всегда неизменным. С помощью этого нового закона они попытались «соблюсти приличия», забыв о том, что в этом законе нет никакой нужды, кроме как для согласования «Двухжидкостной» теории с фактами и предотвращения предсказания ею несуществующих явлений.

Теория Одной Жидкости

37. Теория Одной Жидкости отличается от теории Двух Жидкостей лишь тем, что оба вещества не считаются во всех отношениях одинаковыми, но противоположными; одному из них, обычно отрицательному, придаются свойства и наименование Обычного Вещества, а второе сохраняет название Электрической Жидкости. Частицы жидкости считаются отталкивающимися друг от друга, согласно закону обратной пропорциональности квадрату расстояния, и притягивающимися к частицам вещества, согласно тому же закону. Частицы вещества считаются отталкивающимися друг от друга и притягивающимися к частицам электричества.

Если тело содержит такое количество электрической жидкости, что частица электрической жидкости, находящаяся вне тела, настолько же отталкивается электрической жидкостью в теле, насколько она притягивается к веществу тела, то такое тело называется Насыщенным. Если количество жидкости в теле больше, чем требуется для насыщения, то излишек называют Избыточной жидкостью, а тело называется Перезаряженным. Если количество жидкости меньше насыщающего, то тело называется Недозаряженным, а количество жидкости, требуемое для его насыщения, называют иногда Недостающей жидкостью. Число единиц электричества, необходимое для насыщения одного грамма обычного вещества, должно быть очень большим, потому что грамм золота можно расплющить в лист площадью в квадратный метр и в таком виде он может иметь отрицательный заряд по крайней мере в 60 000 единиц электричества. Чтобы насытить заряженный таким образом лист золота, требуется ввести в него именно такое количество электрической жидкости, так что полное количество жидкости, необходимое для насыщения, должно быть больше этого. Предполагается, что притяжение между веществом и жидкостью в двух насыщенных телах чуть больше, чем отталкивание между веществом обоих тел и между их жидкостями. Эта остаточная сила считается ответственной за гравитационное притяжение.

Эта теория, как и Двухжидкостная, не слишком много объясняет. Но она заставляет нас считать массу электрической жидкости столь малой, что ни при каких достижимых положительных или отрицательных степенях электризации не обнаруживается увеличение или уменьшение массы или веса тела. Кроме того, эта теория до сих пор не в состоянии дать достаточно разумное основание тому, что именно стеклообразную, а не смолообразную электризацию следует считать обусловленной избытком электричества.

Против этой теории иногда выдвигалось одно возражение людьми, которым следовало бы рассуждать более мотивированно. Утверждалось, что учение о взаимном отталкивании тех частиц вещества, которые не связаны с электричеством, находится в прямом противоречии с хорошо установленным фактом, что любая частица вещества притягивается к любой другой частице всюду во Вселенной, и что если бы теория Одной Жидкости была верна, то небесные тела взаимно отталкивались бы.

Ясно, однако, что, согласно этой теории, если бы небесные тела состояли из вещества, не связанного с электричеством, то они были бы чрезвычайно сильно наэлектризованы отрицательно и взаимно расталкивались бы. Однако у нас нет никаких оснований полагать, что они находятся в таком сильно наэлектризованном состоянии или могли бы поддерживаться в таком состоянии. Земля и все тела, притяжение которых обнаружено, находятся, скорее всего, в ненаэлектризованном состоянии, т. е. содержат нормальный электрический заряд, и единственное взаимодействие между ними - это упомянутая выше остаточная сила. Значительно более оправданным основанием для возражений против этой теории является искусственный характер введения остаточной силы.

В настоящем трактате я предполагаю на различных стадиях исследования проверить эти различные теории в свете дополнительных классов явлений. Со своей стороны, я ожидаю дополнительного освещения природы электричества от изучения того, что имеет место в пространстве, разделяющем электрические тела. В этом характерная особенность манеры исследований, принятой Фарадеем в его «Экспериментальных Исследованиях», и по мере продвижения вперёд я намерен представить результаты Фарадея, У. Томсона и др. в связной и математической форме, чтобы можно было почувствовать, какие явления описываются в равной мере хорошо всеми теориями, а какие указывают на присущие каждой теории трудности.

Измерение силы между наэлектризованными телами

38. Силы могут быть измерены различными способами. Например, одно из тел можно подвесить на одном плече чувствительных весов, уравновесив его в ненаэлектризованном состоянии разновесами, подвешенными ко второму плечу . После этого можно поместить под первым телом другое тело на известном расстоянии от него, так что притяжение или отталкивание тел при их электризации может увеличить или уменьшить кажущийся вес первого тела. Вес, который нужно добавить или убавить на втором плече, выраженный в динамических единицах, служит мерой силы между телами. Такое приспособление использовалось сэром К. Сноу Харрисом и принято в абсолютных электрометрах сэра У. Томсона (см. п. 217).

Иногда удобнее использовать крутильные весы, в которых горизонтальный стержень подвешен на тонкой проволочке или нити, так что он может колебаться вокруг вертикальной проволочки, как оси, а тело прикреплено к одному из концов стержня, и на него действует сила в касательном направлении, стремящаяся повернуть стержень вокруг вертикальной оси и закрутить нить подвески на некоторый угол. Крутильная жёсткость проволочки находится измерением периода колебаний стержня, момент инерции которого заранее известен, а по углу закручивания и крутильной жёсткости можно найти силу притяжения или отталкивания. Крутильные весы были придуманы Майчеллом (Michell) для определения силы гравитационного притяжения между двумя малыми телами и применены Кавендишем для этой цели. Кулон, работая независимо от этих исследователей, вновь изобрёл их, тщательно исследовал их действие и успешно применил их для установления законов действия электрических и магнитных сил. С тех пор крутильные весы всегда используются в исследованиях, требующих измерения малых сил (см. п. 215).