Механическое истолкование свойств диэлектриков
334. Пять трубок 𝐴, 𝐵, 𝐶, 𝐷 и 𝑃 равного поперечного сечения расположены так, как показано на рисунке. 𝐴, 𝐵, 𝐶 и 𝐷 расположены вертикально, а 𝑃 - горизонтально [рис. 27].
Рис. 27
У трубок 𝐴, 𝐵, 𝐶, 𝐷 нижняя половина наполнена ртутью, а их верхняя половина и горизонтальная трубка 𝑃 наполнены водой.
Трубка с запорным краном 𝑄 соединяет нижнюю часть трубок 𝐴 и 𝐵 с нижней частью трубок 𝐶 и 𝐷, а поршень 𝑃 сделан так, чтобы он мог скользить в горизонтальной трубке.
Начнём с предположения, что уровень ртути во всех четырёх трубках один и тот же, и обозначим этот уровень через 𝐴0, 𝐵0, 𝐶0 и 𝐷0 Пусть при этом поршень находится в положении 𝑃0, а запорный кран 𝑄 закрыт.
Пусть теперь поршень перемещается из положения 𝑃0 в положение на расстояние 𝑎. Тогда, поскольку сечения всех трубок равны, уровень ртути в 𝐴 и 𝐶 поднимется на высоту 𝑎, т. е. до отметок 𝐴1 и 𝐶1 а ртуть в 𝐵 и 𝐷 опустится на такое же расстояние 𝑎, т.е. до отметок 𝐵1 и 𝐷1.
Разность давлений по обе стороны поршня будет представлена величиной 4𝑎.
Эту установку можно использовать для того, чтобы представить диэлектрик, на который действует электродвижущая сила, равная 4𝑎.
Можно считать, что избыток воды в трубке 𝐷 представляет положительный заряд электричества на одной стороне диэлектрика, а избыток ртути в трубке 𝐴 может представлять отрицательный заряд на другой стороне. Тогда избыток давления в трубке 𝑃 с той стороны поршня, которая обращена к 𝐷 будет представлять избыток потенциала на положительной стороне диэлектрика.
Если поршень может двигаться, он будет двигаться назад к положению 𝑃0, где он будет в равновесии. Это представляет полный разряд диэлектрика.
Во время разряда имеет место обратное движение жидкостей во всей установке, и оно представляет то изменение электрического смещения, которое, по нашему предположению, имеет место в диэлектрике.
Я предположил, что каждая часть системы трубок наполнена несжимаемыми жидкостями, с тем чтобы представить свойство полного электрического смещения, состоящее в том, что ни в каком месте не происходит действительного накопления электричества.
Теперь рассмотрим, что произойдёт, если мы откроем запорный кран 𝑄 в то время, когда поршень 𝑃 находится в положении 𝑄1.
Уровни 𝐴1 и 𝐷1 останутся неизменными, но уровни в трубках 𝐵 и 𝐶 станут одинаковыми и убудут совпадать с 𝐵0 и 𝐶0.
Открытый запорный кран 𝑄 отвечает наличию в диэлектрике части, которая обладает некоторой проводящей способностью, но которая не простирается через весь диэлектрик так, чтобы образовать открытый канал.
Заряды на противоположных сторонах диэлектрика остаются изолированными, но отвечающая им разность потенциалов уменьшается.
Действительно, за время прохождения жидкости через 𝑄 разность давлений по обе стороны от поршня падает с 4𝑎 до 2𝑎.
Если мы теперь закроем запорный кран 𝑄 и дадим возможность поршню 𝑃 свободно двигаться, он придёт к равновесию в точке 𝑃2, и разряд, очевидно, будет равен половине заряда.
Уровень ртути в 𝐴 и 𝐵 будет выше первоначального уровня на 𝑎/2, в то время как уровень в трубках 𝐶 и 𝐷 будет на 𝑎/2 ниже первоначального. Эти уровни изображены отметками 𝐴2, 𝐵2, 𝐶2, 𝐷2.
Если теперь закрепить поршень и открыть кран, ртуть будет перетекать из 𝐵 в 𝐶 до тех пор, пока уровень в этих двух трубках не придёт снова к отметкам 𝐵0 и 𝐶0. Тогда разность давлений по обе стороны от поршня 𝑃 будет равна 𝑎. Если теперь закрыть запорный кран и освободить поршень 𝑃, он опять придёт к равновесию в некоторой точке 𝑃3 находящейся на полпути между точками 𝑃2 и 𝑃0. Это соответствует остаточному заряду, который наблюдается, когда заряженный диэлектрик сперва разряжается, а потом предоставляется самому себе. Он постепенно восстанавливает часть своего заряда, и если его потом опять разрядить, образуется третий заряд, причём эти последовательные заряды убывают по величине. В случае рассматриваемого иллюстративного эксперимента каждый заряд равен половине предыдущего, а разряды, которые равны 1/2, 1/4 и т. д. от первоначального заряда, образуют ряд, сумма которого равна первоначальному заряду.
Если бы вместо открывания и закрывания крана мы бы в течение всего эксперимента держали кран почти, но не совсем закрытым, мы бы получили случай, напоминающий случай электризации некоторого диэлектрика, который является совершенным изолятором и, кроме того, обнаруживает явление, называемое «электрическим поглощением».