[вернуться к содержанию сайта]
При исследовании взаимодействия электрических зарядов, естественно, возникает вопрос, почему появляются силы, действующие на заряды, и как они передаются от одного заряда к другому? Совершенно так же можно поставить и следующий вопрос: механические силы возникают только при наличии двух зарядов; происходят ли, однако, какие-либо изменения в окружающем пространстве при наличии только одного заряда, когда второго нет вовсе?
В процессе развития физики существовали два противоположных подхода к ответу на поставленные вопросы. При одном из них предполагалось, что телам присуще свойство действовать на другие тела на расстоянии, без участия промежуточных тел или среды, т. е. предполагалось, что силы могут передаваться от одного тела к другому через пустоту и притом мгновенно (теории дальнодействия). С этой точки зрения при наличии только одного заряда никаких изменений в окружающем пространстве не происходит.
Согласно второму взгляду силовые взаимодействия между разобщёнными телами могут передаваться только при наличии какой-либо среды, окружающей эти тела, последовательно от одной части этой среды к другой, и с конечной скоростью (теории близкодействия); даже при наличии одного-единственного заряда в окружающем пространстве происходят определённые изменения.
Современная физика сохраняет только идею близкодействия и отвергает дальнодействие. Действительно, допущение возможности передачи силовых взаимодействий, т. е. движения, через пустоту, без участия материи, равносильно допущению возможности движения без материи, что бессодержательно.
Таким образом, для понимания происхождения и передачи сил, действующих между покоящимися зарядами, необходимо допустить наличие между зарядами какого-то физического агента, осуществляющего это взаимодействие. Этим агентом и является электрическое поле. Когда в каком-либо месте появляется электрический заряд, то вокруг него возникает электрическое поле. Основное свойство электрического поля заключается в том, что на всякий другой заряд, помещённый в это поле, действует сила.
Рассматривая взаимодействие покоящихся зарядов, мы приходим к понятию электрического поля. Подобным же образом, рассматривая магнитное взаимодействие движущихся зарядов (токов) или постоянных магнитов, мы придём к понятию магнитного поля. Мы увидим (гл. XIII), что электрические и магнитные поля могут превращаться друг в друга и что каждое из них есть лишь частный случай более общего электромагнитного поля. Далее будет показано, что электрические (и магнитные) поля могут существовать и без зарядов (и токов), первоначально их породивших (гл. XXIII), и что именно в электромагнитном поле нужно видеть основную причину электрических и магнитных явлений. Электромагнитное поле заключает в себе и переносит определённую энергию (§ 242), а также обладает импульсом и массой (§ 245). Следовательно, электромагнитное поле не есть абстрактный образ, введённый нами для описания электрических и магнитных взаимодействий, но представляет собой объективную реальность, обладающую физическими свойствами. Оно является определённой формой материи, которая осуществляет электрические и магнитные взаимодействия. Таким образом, современная физика при помощи понятия поля расширяет представление о близкодействии и распространяет его на немеханические явления.
При помощи гальванометров можно измерить не только силу тока, но и заряд, находящийся на каком-либо конденсаторе.
Рассмотрим магнитоэлектрический гальванометр и будем считать, что трение при движении рамки настолько мало, что им можно пренебречь. Рамка является механической колебательной системой. Она имеет определённый момент инерции I и на неё действует сила упругости подвеса. Момент сил упругости подвеса Мп можно считать пропорциональным углу поворота рамки:
Мп=-fα,
где
f зависит от устройства подвеса или спиральных пружин. Поэтому, будучи выведена из положения равновесия, рамка совершает механические крутильные колебания с периодом
Положим теперь, что мы замкнули на гальванометр какой-нибудь заряженный конденсатор. Конденсатор начнёт разряжаться и в гальванометре возникнет кратковременный ток (импульс тока). Будем считать, что время импульса τ мало по сравнению с периодом колебаний рамки: τ
<<Т (баллистический режим). Тогда за всё время импульса рамка не успеет заметно сместиться и всё явление будет подобно явлению удара в механике.За время τ на рамку подействует импульс момента силы, равный, согласно (55.1),
где
q – полный заряд, прошедший через гальванометр. Поэтому рамка приобретает момент импульсаIω0=aq
(ω0 – угловая скорость рамки) и кинетическую энергию
Wк=Iω02/2
После окончания импульса тока рамка начнёт поворачиваться и её кинетическая энергия будет превращаться в потенциальную энергию закрученного подвеса:
Wк=fα2/2.
Поэтому, если α
m есть максимальный отброс, тоfαm2/2=Iω02/2
Из этих уравнений находим
(56.1)
где
b — постоянная для данного прибора, называемая баллистической постоянной. Мы видим, что, измеряя первый максимальный отброс гальванометра, можно определить полный заряд, прошедший через гальванометр.Баллистический метод измерения заряда весьма удобен и широко применяется на практике. Употребляемые для таких измерений гальванометры называют баллистическими гальванометрами. В отличие от обычных гальванометров, в которых затухание колебаний рамки должно быть значительным (чтобы время установления рамки было малым), в баллистических гальванометрах затухание делают возможно меньшим. Кроме того, для лучшего выполнения условия баллистического режима увеличивают момент инерции рамки, что обеспечивает большой период её собственных колебаний (10–20 с).
В предыдущих рассуждениях мы не учитывали затухания колебаний рамки вследствие трения. При учёте трения теория получается более сложной. Однако это не имеет особого значения, так как обычно баллистическую постоянную
b определяют не расчётом, а на опыте, т. е. градуируют гальванометр на заряды. Употребляемая для этого принципиальная схема показана на рис. 80. Здесь С — конденсатор известной ёмкости, а Б — батарея с известным напряжением U. В этом случае известен и заряд конденсатора q=CU, и поэтому, наблюдая отброс гальванометра αm, можно по формуле (56.1) найти b.
Рис. 80. Принципиальная схема для определения баллистической постоянной и для сравнения ёмкостей
Если в схему рис. 80 один раз включить конденсатор с ёмкостью
C1, а другой раз—с ёмкостью С2, то отношение отбросов гальванометра в обоих случаях будет равно отношению ёмкостей:α
1/α2=C1/C2.Поэтому баллистический гальванометр позволяет просто сравнивать емкости, причем напряжение батареи знать не нужно.
Дата установки:
12.05.2009
