§ 3. Разделение тел на проводники и диэлектрики
Мы
говорили, что стекло не проводит электричества. Однако это утверждение нельзя
понимать безоговорочно. Тщательное наблюдение показывает, что через стекло,
равно как и через всякий другой диэлектрик, могут проходить электрические
заряды. Однако при одних и тех же условиях через тела, именуемые диэлектриками,
проходит за тот же срок несравненно меньший электрический заряд, чем через
проводники тех же размеров и формы. Когда мы говорим, что какое-либо вещество
является диэлектриком, то это значит только, что при данных его применениях мы
можем пренебречь проходящими через него зарядами.
Так,
например, через янтарную пробку электроскопа, несмотря на то, что янтарь
является наилучшим из известных диэлектриков, все же проходит некоторое
количество электричества. Однако заряд, прошедший через пробку за время
эксперимента, всегда бывает ничтожно мал по сравнению с полным зарядом
электроскопа, и поэтому янтарь является подходящим диэлектриком для
электроскопа. Совсем не то наблюдалось бы в электроскопе с изоляцией из
фарфора. В этом случае заряды, утекающие через фарфоровую пробку за время
опыта, были бы сравнимы с зарядом электроскопа, и мы увидели бы, что листки
электроскопа заметно опадают. Фарфор является недостаточным диэлектриком для
этих целей. Однако тот же фарфор оказывается прекрасным материалом для
технических изоляторов, так как заряд, проходящий через такой изолятор за
некоторый промежуток времени, ничтожно мал по сравнению с огромными зарядами,
протекающими через провода за то же время. Мы видим, что разделение на
проводники и диэлектрики условно. И может даже оказаться, что одно и то же
вещество в одних случаях должно рассматриваться как диэлектрик, а в других
случаях – как проводник.
До
сравнительно недавнего времени в электротехнике применялись почти исключительно
либо металлы, по которым заряд распространяется чрезвычайно легко, либо
диэлектрики с очень высокими изолирующими свойствами – такие, как фарфор,
стекло, эбонит, янтарь и т. п. Из металлов изготовляются провода, из
диэлектриков – опоры, предотвращающие утечку заряда с проводов. Подавляющее
большинство веществ природы не принадлежит, однако, ни к той, ни к другой
группе; эти вещества являются так называемыми полупроводниками, т. е. по своим
свойствам занимают промежуточное положение между очень хорошими проводниками и
очень хорошими диэлектриками. Они мало пригодны поэтому и для изготовления
проводов и для изолирующих опор. Однако в последние десятилетия обнаружен и
изучен ряд совершенно особых свойств полупроводников, что открыло возможность
чрезвычайно важных и многообещающих применений их в различных областях науки и
техники. Подробнее об этих свойствах полупроводников будет сказано в гл. IX.
Изолирующие
свойства вещества зависят также от его состояния и могут сильно изменяться. На
рис. 6 изображен опыт, показывающий, что стекло совершенно утрачивает
изолирующие свойства при высокой температуре. Разрежем один из проводов, идущих
к электрической лампочке, и, счистив изоляцию, прикрутим образовавшиеся концы к
стеклянной палочке. При включении тока лампочка не светится, так как при
комнатной температуре стекло является достаточно хорошим диэлектриком. Если,
однако, сильно нагреть стеклянную палочку при помощи горелки, лампочка начинает
светиться; следовательно, через нагретую стеклянную палочку ток проходит. При
этом можно наблюдать еще одно явление. Электрический ток, проходя через
стеклянную палочку, сам нагревает ее, притом тем значительнее, чем сильнее ток.
Поэтому если взять лампочку достаточно мощную, т. е. такую, что через нее может
проходить сильный электрический ток, то этот ток будет сильно разогревать
палочку. Горелку можно будет убрать, а стекло останется горячим и хорошо
проводящим; нагревание стекла все время увеличивается, и в конце концов стекло
расплавится.
Рис. 6. При разогревании стекло
становится проводником и лампочка начинает светиться
