Трактат об электричестве и магнетизме
Шрифт:
Проводник, помещённый внутрь сосуда и соединённый с ним, может рассматриваться как ограниченный внутренней поверхностью. Поэтому на таком проводнике заряда нет.
Силовые Линии
47. Линия, описываемая точкой, движущейся всё время в направлении результирующей напряжённости, называется Силовой Линией. Она пересекает эквипотенциальные поверхности под прямым углом. Свойства силовых линий будут в дальнейшем рассмотрены более подробно, так как Фарадей выразил многие законы электрического взаимодействия через введённое им понятие силовых линий, проходящих в электрическом поле и указывающих как направление, так и напряжённость в каждой точке.
Электрическое Натяжение
48.
Эту силу, действующую подобно натяжению наружу на каждый участок поверхности проводника, мы назовём электрическим Натяжением. Подобно обычному механическому натяжению, оно измеряется силой, действующей на единицу площади.
Слово Натяжение (Tension) употребляется в электричестве в нескольких довольно неопределённых значениях, и в математическом языке его пытаются использовать как синоним Потенциала. Однако, рассмотрев различные применения этого слова, я полагаю, что наиболее соответствует его применению и механической аналогии понимание натяжения как тянущей силы во столько-то фунтов веса на квадратный дюйм поверхности проводника или какой-либо иной поверхности. Мы увидим, что представление Фарадея о том, что это электрическое натяжение существует не только на заряженной поверхности, но и вдоль всей длины силовых линий, приводит к теории электрического взаимодействия как явления напряжения (stress) в среде.
Электродвижущая Сила
49. При соединении тонкой проводящей проволокой двух проводников с различными потенциалами стремление электричества течь по проводу измеряется разностью потенциалов обоих тел. Поэтому разность потенциалов между двумя проводниками или между двумя точками называется Электродвижущей Силой между ними.
Не во всех случаях электродвижущая сила может быть выражена в виде разности потенциалов. Однако такие случаи не рассматриваются в Электростатике. Мы встретимся с ними, когда перейдём к кусочно-однородным (heterogeneous) контурам, химическим действиям, движениям магнитов, неодинаковым температурам и т. п.
Ёмкость Проводника
50. Пусть один проводник изолирован, а все окружающие его проводники находятся под нулевым потенциалом, будучи соединёнными с землёй, и пусть этот проводник, заряженный количеством электричества E, имеет потенциал V. Тогда отношение E к V называется Ёмкостью проводника. Если проводник полностью заключён внутри проводящего сосуда, не прикасаясь к нему, то заряд на внутреннем проводнике будет равен и противоположен по знаку заряду на внутренней поверхности внешнего проводника и будет равен ёмкости внутреннего проводника, умноженной на разность потенциалов между обоими проводниками.
Электрические Накопители
Система, состоящая из двух проводников, прилегающие поверхности которых отделены друг от друга тонким слоем изолирующей среды, называется электрическим Накопителем (Accumulator). Эти два проводника называют Электродами, а изолирующая среда называется Диэлектриком. Ёмкость накопителя прямо пропорциональна площади прилегающих поверхностей и обратно пропорциональна толщине слоя между ними. Лейденская банка является накопителем, в котором изолирующей средой является стекло. Накопители иногда называют конденсаторами, но я предпочитаю ограничить применение термина «конденсатор» лишь к приборам, служащим не для хранения электричества, а для увеличения его поверхностной плотности.
СВОЙСТВА ТЕЛ В ИХ ОТНОШЕНИИ К СТАТИЧЕСКОМУ ЭЛЕКТРИЧЕСТВУ
Сопротивление прохождению электричества через тело
51. Если электрический заряд передаётся некоторой части металлического тела, то электричество быстро перемещается из областей высокого потенциала в области низкого до тех пор, пока потенциал всего тела не становится одинаковым. Для образцов металла, применяемых в обычных экспериментах, этот процесс совершается за столь малое время, что его нельзя измерить, однако в случае очень длинных и тонких проводов, таких, например, как в телеграфии, потенциал уравнивается лишь по истечении некоторого вполне ощутимого промежутка времени вследствие сопротивления провода прохождению электричества по нему.
Различные вещества очень сильно различаются по сопротивлению прохождению электричества, как можно видеть из таблиц в п. 362, 364 и 367, которые будут пояснены при рассмотрении Электрических Токов.
Все металлы являются хорошими проводниками, хотя сопротивление свинца в 12 раз больше сопротивления меди или серебра, сопротивление железа в 6 раз больше, а сопротивление ртути в 60 раз больше сопротивления меди. Сопротивление всех металлов увеличивается с повышением температуры.
Многие жидкости проводят электричество посредством электролиза. Проводимость такого рода будет рассмотрена в части II. Здесь же мы можем рассматривать все жидкости, содержащие воду, и все влажные вещества как проводники, значительно уступающие металлам, но неспособные изолировать электрический заряд в течение времени, достаточного для наблюдения. Сопротивление электролитов уменьшается с ростом температуры.
С другой стороны, газы при атмосферном давлении, как сухие, так и влажные, являются столь совершенными изоляторами при малых электрических натяжениях, что мы до сих пор не имеем свидетельств прохождения через них электричества за счёт обычной проводимости. Постепенная потеря заряда наэлектризованным телом всегда в конце концов сводится к несовершенной изоляции опоры: электричество утекает либо через вещество его опоры, либо вдоль её поверхности.
Поэтому если рядом подвешены два заряженных тела, то их заряд будет сохраняться дольше, если они заряжены разноимённо, нежели в случае одноимённого заряда. Ибо хотя электродвижущая сила, стремящаяся вызвать движение электричества через газ, разделяющий проводники, значительно больше в случае противоположного заряда тел, никакой заметной потери заряда через газ не наблюдается. Фактические потери происходят через опоры, а электродвижущая сила через опоры больше при одноимённых зарядах тел.
Этот результат кажется странным лишь до тех пор, пока мы ожидаем утечки заряда за счёт прохождения электричества через воздух между телами. Прохождение электричества через газы имеет место при пробое и не наступает, прежде чем электродвижущая напряжённость достигнет определённого значения.
Предельное значение электродвижущей напряжённости в диэлектрике, не вызывающей в нём разряда, называется Электрической Прочностью диэлектрика. Электрическая прочность воздуха уменьшается по мере понижения давления от атмосферного до примерно трёх миллиметров ртутного столба. При дальнейшем уменьшении давления электрическая прочность быстро увеличивается, а при максимально достижимом в настоящий момент разряжении электродвижущая напряжённость, необходимая для получения искры в четверть дюйма длиной, больше напряжённости, вызывающей восьмидюймовую искру при обычном давлении.
Таким образом, вакуум, т. е. то, что остаётся в сосуде после того, как из него удалено всё, что можно удалить, является изолятором с очень большой электрической прочностью.
Электрическая прочность водорода значительно меньше, чем прочность воздуха при том же давлении.
Некоторые сорта стекла в холодном состоянии являются изумительно хорошими изоляторами. Сэр У. Томсон сохранял электрические заряды в герметически запаянных колбах в течение нескольких лет. Однако то же стекло становится проводником при температуре, не превосходящей температуры кипения воды.