До 1650 года в Европе не существовало способа получения больших электрических зарядов, и лишь с ростом числа ученых, занимающихся исследованиями в этой области, ожидалось, что будут разработаны более эффективные методы.
Изобретатель вакуумного насоса Отто фон Герике создал первую электростатическую машину. Он наполнил полый стеклянный шар расплавленной серой и, когда она застыла, разбил стекло. Однако Герике не подозревал, что сам стеклянный шар мог бы успешно служить его целям. Затем он закрепил серный шар так, чтобы его можно было вращать рукояткой.
Эксперименты Отто фон Герике
Для зарядки шара нужно было одной рукой вращать его, а другой рукой прижимать к нему кусок кожи. Трение поднимало потенциал шара до такой величины, что можно было получать искры длиной в несколько сантиметров.
Эта машина сыграла важную роль в экспериментальных исследованиях электричества. Однако более сложные задачи, связанные с “хранением” и “накоплением” электрических зарядов, удалось решить только благодаря последующим достижениям в физике. Мощные заряды, создаваемые с помощью электростатической машины Герике, быстро рассеивались в воздухе. Сначала думали, что это связано с “испарением” зарядов.
Для предотвращения “испарения” зарядов предложили заключать заряженные тела в закрытые сосуды, сделанные из изоляционных материалов. В качестве таких сосудов часто использовали стеклянные бутылки, а в качестве электризуемого материала — воду, которую легко можно было наливать в бутылки. Чтобы зарядить воду, не открывая бутылку, через пробку пропускали гвоздь, который можно было вращать снаружи.
Несмотря на хороший замысел, прибор не всегда работал так, как ожидалось, по причинам, которые в то время оставались загадкой.
В конце концов выяснилось, что если заряженную бутылку держать в одной руке и коснуться гвоздя другой рукой, то человек, согласно наблюдениям первых исследователей, испытывал удар, проходящий по рукам и плечам.
Один ученый, взявший вместо бутылки полый стеклянный шар, сообщил, что удар был поразительно сильным и что он пришел в себя лишь спустя несколько дней. Другой заявил, что он не испытывал такого удара ни в одной битве за короля Франции.
Как легко убедиться, однако, повторив эти опыты, сила удара была весьма преувеличена. Все же удар был достаточно силен, и сообщение о новом опыте разнеслось с быстротой лесного пожара по Германии, Франции и Голландии, где спустя небольшое время многие развлекались тем, что "ударяли" своих знакомых с помощью этого простого прибора.
В результате интенсивного экспериментирования вскоре же было открыто, что запасенный заряд и тем самым силу электрического удара можно резко увеличить, если бутылку изнутри и снаружи покрыть проводящим материалом, например тонкими листами оловянной фольги. Более того, если соединить гвоздь с помощью хорошего проводника со слоем металла внутри бутылки, то оказалось, что можно вообще обойтись без воды.
Это первое "хранилище" электричества было изобретено в 1745 году в голландском городе Лейдене и получило название лейденской банки.
Было также открыто, что "толщину" искры можно увеличить, если увеличить размеры бутылки или же соединить вместе две бутылки. Франклин соединил вместе две 20-литровые лейденские банки и, разряжая их, мог убивать индюшек и другую домашнюю птицу.
Лейденские банки
Как работают лейденские банки
Привлечем электронную теорию для истолкования результатов многих опытов из области электростатики.
Лейденская банка служит для запасания электрических зарядов. Она состоит из двух тонких металлических обкладок, разделенных изолирующим материалом.
Для объяснения действия лейденской банки допустим, что внутренняя ее металлическая оболочка соединена с отрицательным полюсом электростатической машины.
Поскольку одноименные заряды отталкиваются, то электроны в процессе зарядки переходят на внутреннюю оболочку, и она приобретает отрицательный заряд.
Этот заряд отталкивает отрицательные заряды с внешней металлической оболочки, и они уходят в землю через заземленный провод или пластину, в результате чего внешняя оболочка банки приобретает положительный заряд.
При разряжении банки вилкообразным разрядником избыточные электроны перескакивают с внутренней отрицательной на внешнюю положительную оболочку.
Конденсатор
Лейденская банка, способная хранить электрический заряд, является разновидностью конденсатора.
Бенджамин Франклин усовершенствовал лейденскую банку, заменив стеклянный сосуд просто куском стекла, покрытым с обеих сторон металлическими фольгами, или обкладками. Впоследствии было обнаружено, что в качестве изолирующего материала между пластинами можно использовать воздух, слюду и другие вещества.
Материалы, служащие для этой цели или для изоляции вообще, получили название диэлектриков.
Франклин установил, что количество электричества, которое можно запасти в конденсаторе:
а) прямо пропорционально площади обкладок конденсатора,
б) прямо пропорционально разности потенциалов обеих обкладок,
в) обратно пропорционально расстоянию между обкладками.
Если пластины конденсатора находятся на слишком малом расстоянии, электроны могут "пробить" диэлектрик и вызвать разрядку конденсатора.
Емкость конденсатора
Количество электричества, которое может быть запасено в конденсаторе при указанных выше условиях, определяет емкость конденсатора. Емкость конденсатора, по крайней мере в двух отношениях, можно сравнить с емкостью, скажем, стальной бомбы для хранения сжатого воздуха. Количество последнего в баллоне зависит, как мы знаем, не только от размеров цилиндра, но также и от работы, затраченной на накачивание в него воздуха.
Подобно этому, количество электричества, которое может быть запасено в конденсаторе, зависит как от площади его обкладок, так и от напряжения на них, т. е. работы, совершенной для "перекачивания" в конденсатор 1 кулона. Поэтому емкость конденсатора определяется не зарядом, который он может вместить, а тем зарядом, который может быть "введен" в него при разности потенциалов его обкладок в 1 вольт.
Смотрите также: