Беседа 16. Природа электрического заряда

          Коллега. Мы уже упомянули электротехнику. И хотелось бы выяснить природу электрического заряда. Не могли бы Вы пояснить, что такое электрический заряд?

Здесь всё предельно просто, ибо значение электрического заряда в конкретной точке потенциального поля определяет разность между давлением (объёмной плотностью энергии) в данной точке и давлением окружающего электрический заряд пространства.

          Лихо, коллега. Просто разность давлений и всё?

Именно так, мой друг. Как мы уже не раз убеждались в предыдущих беседах, объёмная плотность энергии или просто ДАВЛЕНИЕ (точнее – разность давлений) объясняет в Физике многое, в том числе и Природу гравитации. Однако здесь важно всегда помнить, между чем и чем мы измеряем эту разность давлений. В данном случае (вынужден повторить) мы сравниваем давление в точке нахождения электрического заряда с давлением окружающего данный заряд поля.

          Интересно, кто, кроме Вас, коллега, думает так же? И можете ли Вы это доказать?

Более ста лет назад Александр Столетов (1839-1896) связал давление с напряжённостью электрического поля (читай – с электрическим зарядом в центре этого поля). Изучая электрические разряды в газах, он установил, что отношение напряжённости электрического поля к давлению газа при максимальном токе есть величина постоянная (константа Столетова). Однако многие из нас так и не смогли осознать, что эта зависимость верна не только в газе, но и в любой другой материальной среде. Более того, далеко не все знают физический смысл константы Столетова. Но, это вовсе не значит, что зависимость электрического заряда от объёмной плотности энергии не существует.

Нет особой проблемы и в доказательстве. Для этого проведём следующие опыты:

Опыт 1. Металлический стержень укреплён на диэлектрической подставке (изоляторе), а к его концам присоединены два электроскопа.

Натираем фланелью каучуковую палочку и прикасаемся ею к металлу. Листочки обоих электроскопов разойдутся в разные стороны и останутся в таком же положении даже после того, как мы уберём палочку в сторону.

Объяснение: Натирая каучуковую палочку, мы добавили ей энергию. Значит, объёмная плотность энергии (проще – давление) в палочке возросла (возник отрицательный заряд).

Когда мы коснулись палочкой металлического стержня, то избыток энергии от палочки перешёл к металлу и далее к листочкам электроскопов. Здесь следует заметить, что металл (как и листочки электроскопа) является хорошим проводником для потока энергии.

Теперь в листочках электроскопов плотность энергии (давление) больше, чем в окружающем их пространстве. Стремясь рассосредоточить избыток энергии в пространстве, листочки расходятся в разные стороны.

Понятно, что дополнительная энергия в металле и листочках электроскопов должна сохраниться после того, как мы уберём каучуковую палочку в сторону. И данный опыт нам это доказывает.

Дополнение: Если натереть стеклянную палочку кошачьим мехом, то мы отберём у неё часть энергии. Значит, объёмная плотность энергии в палочке уменьшится (возник положительный заряд).
Далее всё происходит аналогично, но с обратным знаком: недостаток энергии, при касании палочки с металлом, переходит к листочкам электроскопов и они тоже расходятся в разные стороны для рассосредоточения этого недостатка энергии в окружающем пространстве.

Опыт 2.Теперь мы лишь поднесём предварительно натёртую фланелью каучуковую палочку к металлическому стержню, не касаясь его.

Листочки обоих электроскопов и в этом случае разойдутся в разные стороны, но возвратятся в своё нормальное положение, как только мы удалим палочку от металла.

Объяснение: Избыток энергии в каучуковой палочке создаёт вокруг неё потенциальное поле, напряжённость которого убывает с увеличением расстояния от палочки в квадратичной зависимости. Следовательно, ближний к палочке конец металлического стержня взаимодействует с более сильным полем, чем противоположный.

Чтобы уравнять потенциальное поле вокруг металлического стержня, часть энергии от его ближнего к палочке конца перетекает к противоположному. В результате плотность энергии в листочках ближайшего к палочке электроскопа ниже, чем в окружающем их пространстве (положительный заряд), а удалённого – выше (отрицательный заряд).

Когда каучуковую палочку (следовательно, и созданное ею поле) убираем от металлического стержня, то плотность энергии в нём и листочках электроскопов выравнивается.

Выводы: Объёмная плотность энергии (давление) в замкнутом пространстве относительно окружающего пространства определяет величину электрического заряда. Повышенная плотность энергии определяет отрицательный заряд (так уж принято), а пониженная – положительный заряд.
Разноимённые заряды притягиваются друг к другу, а одноименные – отталкиваются.

          Коллега, любая теория должна приводить нас к новым фактам, экспериментам и явлениям. В данном случае Вы можете привести подобные примеры.

Конечно же, могу. К примеру, из объяснения опыта 2 следует, что плотность энергии в металлическом стержне не должна восстановиться после удаления каучуковой палочки, если до этого мы разделим стержень на две части. Ведь, энергия после удаления каучуковой палочки уже не может перетечь назад из одной половины металлического стержня в другую.

Эксперимент подтверждает это теоретическое предсказание. Листочки обоих электроскопов в этом случае действительно остаются разведёнными и после удаления каучуковой палочки.

Теперь предположим, что в опыте 2 мы не удаляем каучуковую палочку от металлического стержня и не разделяем этот стержень на две половины, но прикасаемся своим пальцем к дальнему от каучуковой палочки концу стержня. Что теперь должно произойти?

Согласно теории, объёмная плотность энергии в этой части металлического стержня должна уравняться с плотностью энергии окружающей среды и листочки электроскопа сблизятся. А в ближайшей к каучуковой палочке части металлического стержня плотность энергии останется меньше, чем в окружающей среде и там листочки электроскопа должны остаться разведёнными. И действительно, эксперимент подтверждает и это предсказание.