Трактат об электричестве и магнетизме
Шрифт:
Об электрических накопителях и об изменении ёмкости
226. Накопителем или Конденсатором называется прибор, состоящий из двух проводящих поверхностей, разделённых изолирующей диэлектрической средой.
Лейденская банка представляет собой накопитель, в котором внутренняя обкладка из оловянной фольги отделена от внешней обкладки стеклом, из которого сделана банка. Первоначальная лейденская склянка (phial) представляла собой стеклянный сосуд, содержавший воду, которая отделялась стеклом от руки, державшей сосуд.
Внешняя поверхность любого изолированного проводника может рассматриваться как одна из поверхностей накопителя, в то время как другую
Ёмкость накопителя измеряется тем количеством электричества, которым нужно зарядить внутреннюю поверхность, для того чтобы разность между потенциалами поверхностей сделать равной единице.
Поскольку каждый электрический потенциал есть сумма некоторого числа частей, отыскиваемых как результат деления каждого элемента заряда на его расстояние до точки наблюдения, отношение количества электричества к потенциалу должно иметь размерность длины. Таким образом, электростатическая ёмкость есть величина размерности длины, т. е. мы можем измерять её в футах или метрах, не внося никакой неоднозначности.
В электрических исследованиях накопители используются для двух основных целей: для получения и удержания больших количеств электричества в настолько малых объёмах, насколько это возможно, и для измерения определённых количеств электричества по величине потенциала, который они создают в накопителе.
Для удержания электрических зарядов не было создано ничего более совершенного, чем лейденская банка. Основная часть потерь вызывается перетеканием электричества по влажной непокрытой поверхности стекла от одной обкладки к другой. Это может быть в значительной степени предотвращено с помощью искусственного осушения воздуха внутри банки, а также лакировкой поверхности стекла там, где оно соприкасается с атмосферой. В электроскопах сэра У. Томсона потери ото дня ко дню составляют очень малый процент, и я полагаю, что никакая часть этих потерь не вызывается прямым прохождением электричества через воздух или через стекло, если стекло хорошего качества, но что потери происходят главным образом из-за прохождения электричества вне банки вдоль различных изолирующих стержней и стеклянных поверхностей прибора.
Действительно, этот же самый исследователь электричества сообщил заряд серной кислоте, помещённой в большую колбу с длинным горлом, затем герметически закрыл горло, расплавив его, так что заряд был полностью окружён стеклом; по истечении нескольких лет было обнаружено, что заряд ещё сохранялся.
Однако стекло обладает этими изолирующими свойствами только тогда, когда оно холодное; заряд утекает сразу, если стекло нагреть до температуры чуть ниже 100 °С.
Если желательно получить большую ёмкость в малом объёме, удобно использовать накопители, в которых изолятором служит листовой каучук, слюда или бумага, пропитанная парафином.
227. Для накопителей второго класса, предназначенных для измерения количеств электричества, все твёрдые диэлектрики должны применяться с большой осторожностью из-за свойства, которым они обладают, называемого Электрической Абсорбцией.
Единственным надёжным диэлектриком для таких накопителей является воздух, который имеет то неудобство, что если пыль или грязь попадает в узкое пространство между двумя поверхностями, где должен быть воздух, то при этом не только изменяется толщина воздушной прослойки, но и может произойти соединение между противолежащими поверхностями, и тогда накопитель не будет держать заряд.
Чтобы определить ёмкость накопителя в абсолютной мере, т. е. в футах или метрах, мы должны либо сначала определить его форму и размер, а затем решить задачу о распределении электричества на его противоположных поверхностях, либо должны сравнить его ёмкость с ёмкостью другого накопителя, для которого эта задача уже решена.
Поскольку эта задача очень трудна, лучше всего начать с накопителя такой формы, для которой решение известно. Так, известно, что ёмкость изолированного шара в неограниченном пространстве измеряется радиусом шара.
Действительно, шар, подвешенный в комнате, использовался гг. Кольраушем и Вебером как абсолютный стандарт, с которым они сравнивали ёмкость других накопителей.
Однако, ёмкость шара умеренных размеров настолько мала по сравнению с ёмкостью обычно используемых накопителей, что шар не является подходящей стандартной мерой.
Его ёмкость может быть значительно повышена, если окружить шар пустотелой концентрической сферической поверхностью несколько большего радиуса. Тогда ёмкость внутренней поверхности есть четвёртый член пропорции, в которую входят толщина воздушного слоя и радиусы обеих поверхностей.
Сэр У. Томсон использовал такое устройство, как стандарт ёмкости, однако имеются значительные трудности, связанные с изготовлением правильных сферических поверхностей, с приведением их в концентрическое расположение и с достаточно точным измерением их радиусов и расстояния между ними.
Поэтому мы склоняемся к тому, чтобы предпочесть для абсолютного измерения ёмкости форму, в которой противоположные поверхности представляют собой параллельные плоскости.
Точность изготовления плоской поверхности может быть легко проконтролирована, расстояние между ними может быть измерено микрометрическим винтом и может меняться, принимая непрерывный ряд значений, что является особенно важным качеством измерительного прибора.
Единственная остающаяся трудность вызывается тем обстоятельством, что плоскости с необходимостью должны быть ограничены и что распределение электричества вблизи от границ этих плоскостей не вычислено надёжно. Верно, что если мы возьмём плоскости в виде одинаковых круглых дисков, радиус которых велик в сравнении с расстоянием между ними, то мы можем рассматривать края дисков такими, как если бы они были прямолинейными, и вычислить распределение электричества по методу, развитому Гельмгольцем и описанному в п. 202. Однако следует заметить, что в этом случае часть электричества распределена на задней стороне каждого диска и при вычислении предполагалось, что поблизости нет других проводников, а это предположение не выполняется и не может выполняться в случае малого прибора.
228. Мы поэтому предпочитаем следующую установку, созданную сэром У. Томсоном, которую мы можем назвать установкой с защитным кольцом, с помощью которой количество электричества на изолированном диске может быть точно определено по его потенциалу.
Накопитель с защитным кольцом
Bb представляет собой цилиндрической сосуд, сделанный из проводящего материала, внешняя поверхность его верхнего торца есть точная плоскость Эта верхняя поверхность состоит из двух частей: из диска A и широкого кольца BB, окружающего диск и отделённого от него по всей окружности очень малым интервалом, как раз достаточным для того, чтобы не проскакивала искра. Верхняя поверхность диска находится точно в той же плоскости, что и поверхность защитного кольца. Диск поддерживается стойками GG из изолирующего материала. C представляет собой металлический диск, нижняя поверхность которого является точной плоскостью и параллельна BB. Диск C значительно больше, чем A. Его расстояние от диска A устанавливается и измеряется микрометрическим винтом, который не показан на чертеже [рис. 21].