Трактат об электричестве и магнетизме
Шрифт:
Работа, затраченная на преодоление трения, сразу переходит в тепло в трущихся друг о друга телах. Электрическая энергия также может быть обращена либо в механическую энергию, либо в тепло.
Если машина не запасает механической энергии, то вся энергия будет обращена в тепло, и единственная разница между теплом от трения и теплом от электрического действия заключается в том, что первое порождается на трущихся поверхностях, в то время как второе может порождаться в проводниках на расстоянии 1.
1 Представляется вероятным, что во многих случаях, когда динамическая энергия превращается в тепло из-за трения, часть энергии может сначала перейти
Мы видели, что электрический заряд на поверхности стекла притягивается щёткой. Если бы это притяжение было достаточно велико, то вместо разряда между стеклом и собирающими остриями мог бы возникнуть разряд между стеклом и щёткой. Чтобы этого не произошло, к щётке прикрепляются кусочки шелка. Они отрицательно электризуются и прижимаются к стеклу и, таким образом, уменьшают потенциал вблизи от щётки.
Поэтому по мере того как стекло отходит от щётки, потенциал возрастает не так быстро и, таким образом, в каждой точке притяжение заряда на стекле к щётке оказывается меньше, а следовательно, уменьшается и опасность прямого разряда на щётку.
В некоторых электрических машинах движущаяся часть сделана из эбонита, а не из стекла, а щётка - из шерсти или меха. В этом случае щётка заряжается положительно, а главный кондуктор - отрицательно.
Электрофор Вольта
208. Электрофор состоит из смоляной или эбонитовой пластины, которая имеет сзади металлическое покрытие, и из металлической пластины того же размера. К задней стороне каждой из этих пластин может быть привёрнута изолированная рукоятка. Эбонитовая пластина имеет металлическую иглу, и, когда металлическая и эбонитовая пластины соприкасаются, эта игла соединяет металлическую пластину с металлическим покрытием на задней стороне эбонитовой пластины.
Эбонитовая пластина электризуется отрицательно трением о шерсть или кошачью шкурку. Затем при помощи изолирующей ручки к эбониту подносится металлическая пластина. Между эбонитом и металлической пластиной не происходит прямого разряда, но вследствие индукции потенциал металлической пластины становится отрицательным, так что, когда она подходит на определённое расстояние к металлической игле, проскакивает искра. Если теперь металлическую пластину отвести на некоторое расстояние, то окажется, что она заряжена положительно, и её заряд может быть передан проводнику. При этом металлическое покрытие на обратной стороне эбонитовой пластины получает отрицательный заряд, равный по величине и противоположный по знаку заряду на металлической пластине.
При использовании этого прибора для зарядки конденсатора или накопителя одна из пластин помещается на проводнике, соединённом с землёй, а другая сначала кладётся на первую, затем снимается и приводится в соприкосновение с электродом конденсатора, затем кладётся на закреплённую пластину, и процесс повторяется. Если закреплена эбонитовая пластина, конденсатор будет заряжен положительно. Если закреплена металлическая пластина, конденсатор будет заряжен отрицательно.
Работа, совершаемая рукой при разделении пластин, всегда превышает работу сил электрического притяжения, совершаемую при сближении пластин, так что процесс зарядки конденсатора связан с затратой работы. За счёт части этой работы создаётся энергия заряженного конденсатора, часть работы идёт на шум и тепло при возникновении искр, а остальная часть - на преодоление других сил, препятствующих движению.
О машинах, создающих электризацию посредством механической работы
209. В обыкновенной фрикционной электрической машине работа, затрачиваемая на преодоление трения, оказывается намного больше, чем та, которая идёт на увеличение электризации. Поэтому любая установка, с помощью которой электризация может производиться целиком за счёт механической работы против электрических сил, представляется важной с научной точки зрения, даже если она и не имеет практического значения. Первой машиной такого рода, по-видимому, был вращающийся удвоитель Никольсона, описанный в Philosophical Transactions за 1788 г. как «прибор, который при вращении рукоятки создаёт два состояния электричества без трения или соединения с Землёй».
210. Именно с помощью вращающегося удвоителя Вольта Смог увеличить электризацию, получаемую от столба, до величины, способной воздействовать на его электрометр. Приборы, действующие на том же самом принципе, были независимо изобретены г-ном Варлеем 2 (Varley) и сэром У. Томсоном.
2 Specification of Patent, Jan. 27, 1860, N 206.
Эти приборы в своей основе состоят из изолированных проводников различной формы, из которых одни закреплены, а другие подвижны. Движущиеся проводники называются носителями, а неподвижные могут быть названы индукторами, приёмниками и регенераторами. Индукторы и приёмники имеют такую форму, что, когда носители при своём обращении достигают определённых точек, они оказываются почти полностью внутри некоторого проводящего тела. Однако индукторы и приёмники не могут полностью окружать носитель и в то же время позволять ему свободно входить и выходить наружу. Этого нельзя добиться без сложного устройства подвижных частей. Поэтому прибор с теоретической точки зрения не является совершенным без пары регенераторов, накапливающих небольшие количества электричества, которые носители удерживают на себе при выходе из приёмников.
Однако мы пока можем предположить, что индукторы и приёмники полностью окружают носитель, когда он находится внутри них, поскольку в этом случае теория очень упрощается.
Мы предположим, что машина состоит из двух индукторов A и C, из двух приёмников B и D и из двух носителей F и G.
Предположим, что индуктор A наэлектризован положительно, так что его потенциал равен A, и пусть носитель F находится внутри индуктора A и имеет потенциал F. Тогда, если коэффициент индукции между A и F равен Q (величину Q считаем положительной), количество электричества на носителе будет равно Q(F-A).
Если носитель, находясь внутри индуктора, соединён с землёй, то F=0, и заряд на носителе будет равен -QA, отрицательной величине. Пусть теперь носитель движется по кругу, пока он не попадёт в приёмник B. Находясь внутри B, носитель касается пружины и, таким образом, приходит в электрическое соединение с B. Тогда, как показано в п. 32, носитель полностью разряжается и передаёт весь свой отрицательный заряд приёмнику B.
Затем носитель войдёт в индуктор C, о котором мы будем предполагать, что он заряжен отрицательно. Находясь внутри C, носитель приходит в соединение с землёй и, таким образом, приобретает положительный заряд, который он уносит и передаёт приёмнику D и т. д.
Таким путём, если потенциалы индукторов остаются всё время постоянными, то приёмники B и D получают последовательно заряды одной и той же величины для каждого оборота носителя, и, таким образом, каждый оборот даёт одно и то же приращение электричества в приёмниках.
Но если индуктор A соединить с приёмником D, а индуктор C с приёмником B, потенциалы индукторов будут непрерывно возрастать, и количество электричества, доставляемое в приёмники при каждом обороте, также будет непрерывно возрастать.