Текст книги "Трактат об электричестве и магнетизме"

Автор книги: Джеймс Максвелл

сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 34 страниц)

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).

39. Предположим, что мы можем каким-либо из этих методов измерить силу, действующую между двумя наэлектризованными телами. Будем считать, что размеры тел малы по сравнению с расстоянием между ними, так что результат мало изменится от какой-либо неравномерности в распределении электризации по любому из тел, и примем, что оба тела подвешены в воздухе так, что находятся на достаточно большом расстоянии от других тел, на которых они могли бы вызвать электризацию через индукцию.

Тогда оказывается, что если тела помещены на фиксированном расстоянии друг от друга и имеют заряды, равные соответственно 𝑒 и 𝑒' наших временных единиц электричества, то они будут взаимно отталкиваться с силой, пропорциональной произведению 𝑒 на 𝑒'. Если 𝑒 или 𝑒' отрицательно, т. е. один из зарядов стеклообразный, а другой смолообразный, то тела будут притягиваться, если же и 𝑒, и 𝑒' отрицательны, то тела опять будут отталкиваться.

Мы можем считать, что первое тело А заряжено 𝑚 единицами положительного и 𝑛 единицами отрицательного электричества, которые можно считать отдельно помещёнными на тело, как в Опыте V.

Пусть второе тело В заряжено 𝑚' единицами положительного электричества и 𝑛' единицами отрицательного.

Тогда каждая из 𝑚 положительных единиц в теле А будет отталкивать каждую из 𝑚' положительных единиц в теле В с определённой силой, скажем, ƒ, что даёт полную силу 𝑚𝑚'ƒ.

Так как действие отрицательного электричества в точности равно и противоположно действию положительного, то каждая из 𝑚 положительных единиц электричества в теле А будет притягивать каждую из 𝑛' отрицательных единиц в теле В с той же силой ƒ, что даёт полную силу 𝑚𝑛'ƒ.

Точно так же 𝑛 отрицательных единиц в теле А притягивают 𝑚' положительных единиц тела В с силой 𝑛𝑚'ƒ и отталкивают 𝑛' отрицательных единиц тела В с силой 𝑛𝑛'ƒ.

Таким образом, полное отталкивание равно (𝑚𝑚'+𝑛𝑛')ƒ, а полное притяжение (𝑚𝑛'+𝑚'𝑛)ƒ.

Результирующее отталкивание равно

(

𝑚𝑚'

+

𝑛𝑛'

–

𝑚𝑛'

–

𝑛𝑚'

)

ƒ

, или

(𝑚-𝑛)

(𝑚'-𝑛')

ƒ

.

Но 𝑚-𝑛=𝑒 – алгебраическое значение заряда в теле А, а 𝑚'-𝑛'=𝑒' – алгебраическое значение заряда в теле В, так что результирующее отталкивание можно записать в виде 𝑒𝑒'ƒ где величины 𝑒 и 𝑒' всегда подразумеваются взятыми с соответствующими знаками.

Изменение Силы с Расстоянием

40. Установив закон действия силы при фиксированном расстоянии, мы можем теперь измерить силу между телами с неизменным зарядом на разных расстояниях. Прямые измерения показали, что эта сила, как при отталкивании, так и при притяжении, меняется обратно пропорционально квадрату расстояния, так что если ƒ – отталкивание двух единичных зарядов на единичном расстоянии, то отталкивание на расстоянии 𝑟 равно ƒ𝑟^-2, а общее выражение для отталкивания зарядов в 𝑒 и 𝑒' единиц на расстоянии 𝑟 имеет вид ƒ𝑒𝑒'𝑟^-2.

Определение Электростатической Единицы Электричества

41. До сих пор мы использовали в качестве единицы электричества совершенно произвольный эталон, а именно величину электризации некоторого определённого куска стекла, наэлектризованного в начале наших опытов. Теперь мы в состоянии выбрать единицу, руководствуясь определённым принципом; для того чтобы эта единица могла быть включена в общую систему единиц, мы определим её так, чтобы ƒ было равно единице. Иными словами – электростатическая единица электричества – это такое количество положительного электричества, которое, находясь на единичном расстоянии от равного ему количества электричества, отталкивается от него с единичной силой.

Эта единица называется Электростатической, в отличие от Электромагнитной единицы, которая будет введена позже.

Мы можем теперь записать общий закон электрического взаимодействия в простой форме:

𝐹=𝑒𝑒'𝑟

^-2

,

или: отталкивание между двумя малыми телами, заряженными соответственно 𝑒 и 𝑒' единицами электричества, численно равно произведению зарядов, делённому на квадрат расстояния.

Размерность Электростатической Единицы Электричества

42. Пусть [𝑄] – определённая электростатическая единица электричества, 𝑒, 𝑒' – численные значения некоторых количеств электричества, [𝐿] – единица длины, а 𝑕 – численное значение расстояния, [𝐹] – единица силы, а 𝐹 – численное значение силы. Тогда наше уравнение принимает вид

𝐹[𝐹]

=

𝑒𝑒'𝑟

^-2

[𝑄

²

]

[𝐿

^-2

]

,

откуда

[𝑄]

=

[𝐿𝐹

^1/2

]

=

[𝐿

^3/2

𝑇

^-1

𝐿

^1/2

]

.

Эта единица называется Электростатической Единицей электричества. Для практических целей и в других разделах теории электричества могут применяться другие единицы, но в уравнениях электростатики количества электричества считаются всегда выраженными в электростатических единицах, подобно тому как в физической астрономии мы пользуемся единицей массы, основанной на явлении гравитации и отличающейся от обычной единицы массы.

Доказательство Закона Действия Электрической Силы

43. Можно считать, что опыты Кулона с крутильными весами установили закон действия электрической силы с определённой степенью точности. Однако опыты такого рода становятся трудными и до известной степени неточными из-за различных возмущающих причин, которые должны быть тщательно прослежены и учтены.

Прежде всего оба наэлектризованных тела должны иметь заметные размеры по сравнению с расстоянием между ними, чтобы быть в состоянии нести заряды, достаточные для создания измеримой силы. При этом под действием каждого тела происходит перераспределение электричества на другом теле, так что заряд уже нельзя считать равномерно распределённым по поверхности или сосредоточенным в центре тяжести. Учёт этого эффекта требует сложных исследований. Эти исследования были всё же весьма искусно проведены Пуассоном для двух сфер. Сэр У. Томсон в своей Теории Электрических Изображений сильно упростил это рассмотрение (см. п. 172-175).

Другая трудность вызывается действием электричества, индуцированного на стенках клетки, в которой находится прибор. Если внутреннюю поверхность прибора сделать металлической, то этот эффект станет определённым и измеримым.

Ещё одна трудность возникает из-за несовершенства изоляции тел, в результате чего заряд постепенно уменьшается. Кулон исследовал закон этой диссипации и ввёл поправку на него в своих опытах.

Методы изолирования заряженных проводников и измерения электрических эффектов значительно улучшены со времён Кулона, особенно сэром У. Томсоном. Однако высокая степень точности закона Кулона установлена не прямыми опытами и измерениями (которые можно использовать лишь для иллюстрации этого закона), а математическим анализом явления, описанного в Опыте VII, а именно того факта, что наэлектризованный проводник В, приведённый в соприкосновение с внутренней поверхностью полого замкнутого проводника С и удалённый затем из него без соприкосновения с С, оказывается совершенно разряженным, независимо от того, каким способом была наэлектризована внешняя поверхность проводника С. С помощью чувствительных электроскопов легко показать, что на В после этого не остаётся никакого заряда, а согласно математической теории, изложенной в п. 74 е, 74 г это возможно лишь в случае, если сила меняется обратно пропорционально квадрату расстояния; при другом виде закона тело В было бы наэлектризовано.

Электрическое Поле

44. Электрическое Поле – это часть пространства в окрестности наэлектризованных тел, рассматриваемая с точки зрения электрических явлений. Она может быть занята воздухом или другими телами или это может быть так называемый вакуум, из которого мы удалили всякое вещество, поддающееся воздействию имеющимися в нашем распоряжении средствами.

Если наэлектризованное тело поместить в какой-либо части электрического поля, то оно, вообще говоря, вызовет заметное возмущение в электризации других тел.

Но если это тело очень маленькое и заряд его очень мал, то возмущение электризации других тел незначительно, а положение тела можно считать определяемым его центром масс. При этом сила, действующая на тело, будет пропорциональна его заряду и меняет свой знак при изменении знака заряда.

Пусть 𝑒 – заряд тела, a 𝐹 – сила, действующая на тело в определённом направлении. Тогда при очень малых 𝑒 сила 𝐹 пропорциональна 𝑒 т.е. 𝐹=𝑅𝑒 где 𝑅 зависит от распределения электричества на других телах в поле. Если бы заряд 𝑒 можно было сделать равным единице, не возмущая электризации других тел, то мы имели бы 𝐹=𝑒.

Назовём 𝑅 Результатирующей Электродвижущей Напряжённостью в данной точке поля. Когда мы захотим выразить векторный характер этой силы, мы будем обозначать её готической буквой 𝔈.

Полная Электродвижущая Сила и Потенциал

45. Если малое тело, несущее малый заряд 𝑒, переместить из одной данной точки А в другую точку В по некоторому пути, то это тело будет испытывать в каждой точке пути действие силы 𝑅𝑒, где 𝑅 меняется от точки к точке вдоль пути. Пусть полная работа, совершаемая над телом электрической силой, равна 𝐸𝑒, тогда величина 𝐸 называется Полной Электродвижущей Силой вдоль пути АВ. Если путь представляет собой замкнутый контур и если при этом полная электродвижущая сила вдоль контура не равна нулю, то электричество не может находиться в равновесии и должен течь ток. Таким образом, в электростатике полная электродвижущая сила вдоль любого замкнутого контура должна равняться нулю, так что если А и В – две точки на контуре, то полная электродвижущая сила от А до В одна и та же вдоль обоих участков, на которые разбивается контур, а так как каждый из них можно менять независимо от другого, то полная электродвижущая сила от А до В одна и та же вдоль любого пути от А к В.

Если точка В принимается за начало отсчёта для всех других точек, то полная электродвижущая сила от A до В называется Потенциалом точки A. Потенциал зависит только от положения точки A. При математических исследованиях точку В обычно помещают на бесконечно большом расстоянии от наэлектризованных тел. Положительно заряженное тело стремится двигаться из области большего положительного потенциала в область с меньшим положительным или же отрицательным потенциалом; тело, заряженное отрицательно, стремится двигаться в обратном направлении.

В проводнике электризация может свободно перемещаться относительно проводника. Поэтому если две части проводника имеют различные потенциалы, то положительное электричество перемещается из области большего потенциала в область меньшего потенциала до тех пор, пока эта разность потенциалов существует. Таким образом, проводник не может находиться в электрическом равновесии, если все точки проводника не имеют одинакового потенциала. Этот потенциал и называется Потенциалом Проводника.

Эквипотенциальные Поверхности

46. Если реальная или воображаемая поверхность в электрическом поле такова, что электрический потенциал во всех её точках один и тот же, то эта поверхность называется Эквипотенциальной Поверхностью.

Заряженная частица, вынужденная оставаться на этой поверхности, не проявляет стремления переместиться из одной точки поверхности в другую, поскольку потенциал во всех точках один и тот же. Таким образом, эквипотенциальная поверхность является поверхностью равновесия или поверхностью уровня.

Результирующая сила, действующая в каждой точке поверхности, направлена вдоль нормали к поверхности, а величина силы такова, что работа, совершаемая над единицей электричества при её перемещении с поверхности V на поверхность V' равна V-V'.

Никакие две эквипотенциальные поверхности, имеющие различные потенциалы, не могут пересечься, так как одна и та же точка не может обладать несколькими значениями потенциала, но эквипотенциальная поверхность может пересекаться сама с собой. Это имеет место во всех точках и вдоль всех линий равновесия. При электрическом равновесии поверхность проводника обязательно является эквипотенциальной поверхностью. Если проводник заряжен положительно по всей своей поверхности, то потенциал будет уменьшаться при удалении от поверхности в любом направлении и проводник будет окружён последовательностью поверхностей меньшего потенциала.

Если же (под действием внешних наэлектризованных тел) одни участки поверхности проводника заряжены положительно, а другие отрицательно, то полная эквипотенциальная поверхность будет состоять из поверхности самого проводника и совокупности других поверхностей, смыкающихся с поверхностью проводника вдоль линий, разделяющих области с положительным и отрицательным зарядом. Эти линии будут линиями равновесия: за заряженную частицу, помещённую на одной из таких линий, ни в каком направлении не будет действовать никакая сила.

Если часть поверхности проводника заряжена положительно, а часть отрицательно, то кроме этого проводника в поле обязательно должно присутствовать ещё одно заряженное тело. Ибо если допустить, что положительно заряженная частица движется всё время в направлении результирующей силы, начиная с положительно заряженной части поверхности, то потенциал у частицы будет непрерывно уменьшаться до тех пор, пока частица либо попадёт на отрицательно заряженную поверхность, находящуюся при потенциале, меньшем потенциала проводника, либо уйдёт в бесконечность. Поскольку потенциал на бесконечности равен нулю, то последний случай может иметь место лишь при положительном потенциале проводника.

Точно так же отрицательно заряженная частица, начинающая движение с отрицательно заряженной части поверхности, должна либо попасть на положительно заряженную поверхность, либо уйти в бесконечность, причём последнее возможно лишь при отрицательном потенциале проводника.

Таким образом, если на проводнике имеются как положительные, так и отрицательные заряды, то в поле должно быть ещё какое-то тело с потенциалом того же знака, что и потенциал этого проводника, но большей абсолютной величины. Если же проводник произвольной формы находится один в поле, то заряд любого его участка будет того же знака, что и потенциал проводника.

Внутренняя поверхность полого проводящего сосуда, не содержащего заряженных тел, совершенно лишена зарядов. Действительно, если бы какой-то участок поверхности был заряжен положительно, то положительно наэлектризованная частица, движущаяся от этого участка в направлении действующей на неё силы, должна была бы достигнуть отрицательно заряженной поверхности, находящейся под меньшим потенциалом. Но вся внутренняя поверхность проводника имеет один и тот же потенциал. Таким образом, на ней не может быть никакого заряда.

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. Поскольку поверхность проводника является эквипотенциальной поверхностью, результирующая напряжённость перпендикулярна этой поверхности. В п. 80 будет показано, что она пропорциональна поверхностной плотности электризации. Таким образом, на электричество, находящееся на небольшом участке поверхности проводника, действует сила, направленная от проводника и пропорциональная произведению результирующей напряжённости на плотность, т.е. пропорциональная квадрату результирующей напряжённости.

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.

Гуттаперча, каучук, эбонит, парафин и смолы являются хорошими изоляторами; так сопротивление гуттаперчи при 75° F в 6×10¹⁹ раз больше сопротивления меди.

Лёд, кристаллы и затвердевшие электролиты также являются изоляторами.

Некоторые жидкости, как, например, керосин, скипидар и некоторые масла, также являются изоляторами, но значительно уступающими хорошим твёрдым изоляторам.

ДИЭЛЕКТРИКИ

Удельная индуктивная способность

52. Все вещества, изолирующая способность которых такова, что при их помещении между двумя проводниками, находящимися под различным потенциалом, действующая на них электродвижущая сила не производит немедленного перераспределения электричества до установления постоянного значения потенциала, названы Фарадеем Диэлектриками.

Из пока не опубликованных работ Кавендиша видно, что он ещё до 1773 г. измерил ёмкость пластин из стекла, смолы, пчелиного воска и шеллака и установил, во сколько раз их ёмкость больше ёмкости воздушной пластины тех же размеров.

Фарадей, которому эти исследования не были известны, установил, что ёмкость накопителя зависит от природы изолирующей среды между проводниками, а также от размеров самих проводников и их взаимного расположения. Заменяя воздух в накопителе на другие изолирующие среды в качестве диэлектрика и оставляя его во всем остальном неизменным, Фарадей установил, что при замене воздуха другими газами ёмкость заметно не меняется, но при замене воздуха на шеллак, серу, стекло и т. п. ёмкость воздуха возрастает в отношении, различном для разных веществ.

Благодаря применению более тонких методов измерения Больцману удалось заметить зависимость индуктивной способности газов от давления.

Эта характеристика диэлектриков, названная Фарадеем Удельной Индуктивной Способностью, называется также Диэлектрической Постоянной вещества. Она определяется как отношение ёмкости накопителя, в котором диэлектриком служит данное вещество, к ёмкости этого же накопителя с вакуумным диэлектриком.

Если диэлектрик является плохим изолятором, то измерить его диэлектрическую постоянную довольно трудно, так как заряд в накопителе не будет держаться достаточно долго, чтобы можно было произвести измерения. Однако ясно, что индуктивная способность существует не только для хороших изоляторов; возможно, она существует вообще для всех тел.

Поглощение электричества

53. Было обнаружено, что при использовании некоторых диэлектриков в накопителе имеют место следующие явления. Если накопитель был заряжен в течение некоторого времени, затем внезапно разряжен и вновь изолирован, то он становится опять заряженным электричеством того же знака, что и раньше, но в меньшей степени, так что он может быть вновь разряжен несколько раз подряд всё более слабыми разрядами. Это явление называется Остаточным Разрядом.

Мгновенный разряд оказывается всегда пропорциональным разности потенциалов в момент разряда, и отношение этих величин является истинной ёмкостью накопителя. Но если контакт с разряжающим элементом длительный, так что включает несколько остаточных разрядов, то кажущаяся ёмкость накопителя, рассчитанная при таком разряде, получится слишком большой.

Если такой накопитель зарядить и оставить изолированным, то кажется, что он теряет свой заряд за счёт проводимости. Однако, как было показано, вначале относительная потеря заряда происходит значительно быстрее, чем позже, так что величина проводимости, если её определить по начальному периоду, будет слишком большой. Так, при испытании изоляции подводного кабеля создаётся впечатление, что его изоляция улучшается по мере его электризации.

Аналогичные на первый взгляд явления имеют место при передаче тепла в случае, когда противоположные стороны тела поддерживаются при разных температурах. В случае теплоты мы знаем, что это объясняется теплотой, передаваемой самому телу или отдаваемой им. Поэтому и в случае электрических явлений было выдвинуто предположение, что электричество поглощается или испускается частями тела. Однако мы увидим в п. 329, что эти явления можно объяснить, не прибегая к гипотезе о поглощении электричества, приняв, что диэлектрик в некоторой степени неоднороден.

То, что эти явления, называемые Поглощением электричества, не есть истинное поглощение электричества веществом, можно показать, зарядив каким-либо образом электричеством тело, окружённое металлическим изолированным сосудом. Если после зарядки и изоляции этого тела мгновенно разрядить сосуд и оставить изолированным, то никакой заряд не будет впоследствии передан сосуду за счёт постепенного растекания электричества с заряженного тела, находящегося внутри него.

54. Этот факт выражается утверждением Фарадея о том, что нельзя зарядить вещество абсолютным и независимым зарядом электричества одного рода ⁴.

⁴Exp. Res., vol I, Series XI, II. «On the Absolute Charge of Matter» and § 1244.

Действительно, из всех проведённых экспериментов следует, что, каково бы ни было электрическое взаимодействие в системе тел, окружённых металлическим сосудом, заряд на внешней поверхности сосуда остаётся неизменным.

Между тем если бы какая-то часть электричества могла быть введена в тело и поглощена им, или переведена в скрытое состояние, или каким-либо образом могла существовать в нём, не будучи связанной с равной частью противоположного электричества линиями индукции, или же если бы это поглощённое электричество могло постепенно освобождаться и возвращаться в своё обычное состояние, то мы наблюдали бы некоторое изменение электризации окружающего сосуда.