Электризация тел, т. е. возникновение в них электрического состояния происходит при чрезвычайно разнообразных процессах, совершаемых с этими телами. Почти всякое механическое действие, производимое с твердым телом, как, напр., трение об это тело или надавливание на него другого тела, скобление, раскалывание, сопровождается развитием электричества. Так же точно электризуются тела при многих химических действиях; некоторые вещества электризуются при отвердевании; некоторые соли весьма сильно электризуются при своем выкристаллизовании из растворов. Является электричество и в жидкостях при трении этих жидкостей о твердые тела и даже при трении их о некоторые другие жидкости. Наконец, даже простое соприкосновение двух каких-либо разнородных тел, все равно, будут ли эти тела твердые или жидкие, вызывает в обоих этих телах электрическое состояние. Во всех приведенных случаях причиной Э. тел является одно и то же, а именно прикосновение, контакт разнородных тел. Первый Александр Вольта своими опытами, произведенными в самые последние годы XVIII в., доказал, что при прикосновении друг с другом двух каких-либо проводящих электричество тел, но непременно отличающихся одно от другого по химическому составу, происходит Э. обоих этих тел, причем одно из них заряжается положительным электричеством, другое — отрицательным. Количества двух этих противоположных электричеств, являющихся на соприкасающихся телах, равны между собой. Вольта нашел, что металлы и другие твердые проводники, не подвергающиеся, как скажем теперь, электролизу, т. е. не разлагающиеся на химически составные части при прохождении через них электрического тока (проводники первого класса), по своей способности электризоваться при контакте могут быть расположены в известной последовательности (ряд Вольты) — так, что всякое тело при прикосновении с любым из тел, стоящих в этом ряду дальше, электризуется положительно и при прикосновении с любым из тел, ему предшествующих, электризуется отрицательно. Вольта дал следующий ряд тел:
+ цинк, свинец, олово, железо, медь, серебро, золото, уголь, графит, окись марганца.
Впоследствии, при исследовании более чистых химически металлов, их расположение оказалось несколько иным, и в настоящее время мы можем расположить металлы в такой ряд:
+ алюминий, цинк, олово, кадмий, свинец, сурьма, висмут, нейзильбер, латунь, ртуть, железо, сталь, медь, серебро, золото, угли, уран, теллур, платина, палладий.
Химически сложные жидкости и вообще проводники, разлагающиеся от действия тока (проводники второго рода), не могут быть помещены в ряд Вольты вместе с проводниками первого класса; они и отдельно от последних не составляют подобного ряда.
Если заменить выражение электрическое напряжение, употребленное Вольтой для характеристики электрического состояния, являющегося в теле, выражением потенциал, то можно следующим образом формулировать количественный закон, который был найден Вольтой и затем подтвержден многочисленными исследованиями последующих ученых. При соприкосновении двух разнородных проводящих тел на них являются различные потенциалы, неодинаковые при различных условиях, но тем не менее такие, что разность между этими потенциалами получается всегда одна и та же, если только вещества и температура двух испытуемых тел остаются без изменения. Эта разность потенциалов не зависит от формы и размеров тел, а от величины поверхности соприкосновения и от электрического состояния, в котором находятся тела. Она определяется лишь природой тел и, как было найдено позже, температурой их. Разность потенциалов, являющихся на двух каких-либо соприкасающихся друг с другом проводниках первого класса, равна сумме разностей потенциалов, возникающих при соприкосновении попарно (при той же температуре и при той же окружающей их газовой среде) всех проводников, стоящих в ряду Вольты между двумя взятыми. Из этого следует, что в цепи, составленной из произвольного числа различных металлов, имеющей повсюду одну и ту же температуру и оба конечных звена из одного и того же вещества, разность потенциалов на концах равна нулю, или, что то же, в замкнутой цепи, образованной из какого угодно числа разнородных проводников первого класса, если только все части цепи имеют одну и ту же температуру, не может существовать ток без какой-либо внешней причины (индукции). Проводники второго класса, вообще не имеющие места в ряду Вольты, не обладают и этой количественной зависимостью между разностями потенциалов при прикосновении друг с другом. Вследствие этого в цепи, состоящей из проводников первого класса и хотя бы одного проводника второго класса, на конечных звеньях, приготовленных из одного и того же вещества, получается разность потенциалов, равная сумме разностей потенциалов, соответствующих всем парам соприкасающихся разнородных частей цепи. Такую цепь и представляют собой так наз. гальванические элементы. Благодаря существованию разности потенциалов на конечных звеньях подобных цепей на полюсах элементов или полюсах батареи, составленной из последних, и возникает электрический ток, когда эти полюсы соединяются друг с другом каким-либо проводником (когда замыкается цепь). Разность потенциалов, являющаяся на полюсах элемента или батареи, когда эти полюсы не соединены друг с другом проводником, т. е. когда элемент или батарея не замкнуты, и представляет собой то, что носит название электродвижущей силы этого элемента или этой батареи. Дальнейшие исследования обнаружили, что Э. при контакте, т. е. так называемое явление Вольты, получается не только тогда, когда приводятся в прикосновение друг с другом два тела, отличающиеся одно от другого химически, но и тогда, когда эти тела только физически неоднородны. Достаточно различия в плотностях или в температурах, чтобы при соприкосновении тел получилось явление Вольты. Явление Вольты получается и при контакте разнородных непроводников, равным образом и при контакте проводника и непроводника, а также и при контакте металлов с газами. Впрочем, до сих пор существует иное воззрение на причину Э. По мнению некоторых, Э. при соприкосновении двух разнородных тел получается только тогда, когда между соприкасающимися веществами происходит химическое соединение или существует в них стремление к такому химическому действию. Если два тела не могут образовать химического соединения и тем не менее электризуются при соприкосновении, то явление это объясняют влиянием окружающей среды, влиянием кислорода воздуха, когда опыт, как это обыкновенно бывает, производится в воздухе. Говорят, что в этом случае неодинаковое химическое действие окружающей среды на то и другое из соприкасающихся тел обусловливает возникновение разности потенциалов на этих телах. По этой теории теплота, развивающаяся при химическом соединении эквивалентов двух тел, и определяет величину разности потенциалов, возникающую при соприкосновении этих тел. Хотя до настоящего времени мы не имеем ни одного вполне строгого опытного доказательства правильности идеи Вольты, что одно соприкосновение двух разнородных тел является причиной Э. этих тел, но, с другой стороны, мы не имеем также и ни одного вполне безупречного доказательства неверности этой идеи. Приводимые против мнения Вольты факты могут быть истолкованы в пользу последнего. Наконец, имеются и некоторые косвенные указания справедливости объяснения Вольты. Развивающаяся в настоящее время электронная теория (см.) в вопросе об Э. при контакте стоит на стороне учения Вольты. Было упомянуто, что наблюдается Э. и при контакте двух разнородных изоляторов. Весьма интересные опыты Хоорвега показали, что изоляторы не подчиняются ряду Вольты. Такой результат находится в соответствии с другими свойствами изоляторов. Ни один из изоляторов не представляет собой абсолютного непроводника электричества. Все изоляторы хотя слабо, но все-таки проводят ток и в этом отношении уподобляются проводникам второго класса, а следовательно, и не могут поместиться в ряду Вольты.
Возникновение Э. при трении двух разнородных тел, причем и в этом случае разнородность может быть не по существу, не химическая, а лишь физическая, обязано контакту этих тел. При трении происходит лишь непрерывное изменение места прикосновения, вследствие чего и развивается большое количество электричества. Исследуя Э., получающуюся в различных металлах при трении их о смесь серы и гуттаперчи, Гоген нашел возможным расположить металлы в ряд, причем ряд этот получился схожим с рядом Вольты. По мнению проф. П. А. Гезехуса («Журн. Русск. физ.-хим. общ.», 1901, т. XXXIII, стр. 89), «некоторые несовпадения и несоответствия в рядах соприкосновения (ряд Вольты) и трения (ряд Гогена) несущественны; они обусловливаются, главным образом, изменениями температуры при трении». Заметим, что гладкое стекло при трении о кожу, покрытую амальгамой (амальгама Киенмайера представляет собой сплав ртути, цинка и олова), электризуется всегда положительно; смола, а также роговой каучук при трении о мех или шерсть электризуются отрицательно. В следующем перечне тела распределены в таком порядке, что на каждом развивается электричество положительное при натирании его одним из последующих тел и отрицательное — при трении одним из предшествующих: мех, полированное стекло, шерстяные ткани, перья, дерево, бумага, шелк, шеллак, смола, матовое стекло.
Очевидно, что при надавливании одного тела на другое, отличное от первого, при скоблении, раскалывании, при химических реакциях, при кристаллизации, при отвердевании, наконец, при быстром обращении жидкости в пар, когда образующиеся пары, увлекающие с собой капельки жидкости, а также и твердые частички, находящиеся в жидкости, прикасаются к стенкам сосуда, в котором находится жидкость, во всех этих случаях мы имеем контакт разнородных веществ, а следовательно, имеем причину возбуждения электрического состояния в этих телах. Весьма тщательно произведенные опыты показали, что само по себе испарение или даже кипение какой-либо жидкости, если только в последнем случае удалена возможность трения увлекаемых парами капелек жидкости о твердые предметы, не сопровождается Э.
Интересные явления Э. наблюдаются в телах кристаллических. Еще в начале XVIII стол. было известно, что кристалл турмалина при нагревании или охлаждении является наэлектризованным на поверхности, причем на двух его концах наблюдается разноименное электричество. На том и другом конце турмалина знак электричества меняется в противоположный, как только вместо нагревания начинается охлаждение кристалла. В настоящее время мы знаем, что подобная Э. при изменении температуры кристалла наблюдается во всяком кристалле, имеющем оси, не тождественные одна другой, причем при повышении температуры получается Э., противоположная той, какая возникает при понижении температуры. В кристаллах, в которых обнаруживается гемиморфизм, являются при изменении температуры на обоих концах гемиморфной оси взаимно противоположные электричества. В кристаллах с одинаковым развитием обоих концов каждой оси, т. е. не показывающих гемиморфизма, наблюдается одинаковая полярность на обоих концах одной оси, места же с различными по знаку электричествами соответствуют в этих кристаллах концам различных осей. Возбуждение электричества прекращается, как только кристалл всею своею массой принимает одну и ту же температуру. Электричество, явившееся на поверхности кристалла при изменении его температуры, может вследствие дурной проводимости кристалла сохраняться на нем продолжительное время. Улучшение проводимости кристалла с увеличением температуры его дает возможность получить при нагревании этого кристалла электрический ток в проводнике, соединяющем две части поверхности кристалла. Все подобные явления носят название явлений пироэлектричества. Термин «пироэлектричество» был введен в науку Брюстером (см. Пьезо- и Пироэлектричество).
Замечено, что в некоторых кристаллах наблюдается развитие электричества не только при непосредственном нагревании или охлаждении их, но и при простом освещении лучами света, в особенности лучами большой преломляемости (цветные плавиковые шпаты). Это явление было исследовано Ганкелем и им было названо явлением фотоэлектричества. К этой же области явлений относят обыкновенно возникновение разности потенциалов на двух чистых металлических пластинках или же на пластинках, покрытых хлористыми или йодистыми соединениями их металлов, находящихся в воде или в каком-либо растворе кислоты или соли, когда одна из этих пластинок подвергается освещению лучами большой преломляемости.
В довольно близкой связи с явлениями пироэлектричества находится другая категория явлений в кристаллах, а именно явления пьезоэлектричества, т. е. возбуждение в кристаллах электричества сжатием. И в пьезоэлектрических явлениях на распределение электричества по поверхности кристалла оказывает главное влияние строение кристалла (см. Пьезо- и пироэлектричество). По всей вероятности, как пьезоэлектрические, так и пироэлектрические явления происходят от одной и той же причины. Как при сдавливании кристаллов являются натяжение и внутреннее давление в слоях их, так подобное же натяжение и давление вызываются и изменением температуры кристаллов. Вследствие возникновения упругих натяжений и к тому же неодинаковых по разным направлениям, так как кристаллы суть тела анизотропные, получается разнородность в отдельных прилегающих друг к другу слоях кристаллов, что и является причиной возбуждения электрического состояния.
Иная, по-видимому, причина Э. встречается в явлениях термоэлектричества, открытых в 1822 г. Зеебеком. Зеебек нашел, что если к двум концам какого-либо металлического стержня, проволоки или полоски припаять по проволоке какого-нибудь другого металла, то при нагревании одного из спаев или охлаждении другого, одним словом, при сообщении разности температур этим спаям обе конечные проволоки, а также и другие соединенные с ними тела являются противоположно наэлектризованными. При изменении нагреваемого спая меняется и знак Э. на той и другой проволоке. На самом деле причина термоэлектричества заключается опять-таки в возникновении явления Вольты. Но в этом случае явление Вольты получается не только в самом месте соприкосновения двух разнородных металлов, но и в слоях обоих металлов на некотором расстоянии от нагреваемого или охлаждаемого места соприкосновения их. В самом деле от места соприкосновения двух металлов, нагреваемого или охлаждаемого, температура распределяется в обоих телах или убывая в обе стороны, или возрастая в обе стороны. Таким образом, следующие друг за другом слои одного и того же металла получаются отличающимися один от другого по температуре, т. е. являются неоднородными, а следовательно, в месте соприкосновения этих слоев должно возбудиться явление Вольты. Итак, Э. концов цепи, составленной из разнородных тел, при существовании различия в температурах в местах соприкосновения этих тел, т. е. Э. вследствие явления термоэлектричества, представляет собой результат возникновения явления Вольты как в местах соприкосновения различных частей этой цепи, так и в самих этих частях. Явления термоэлектричества относятся, таким образом, к той же группе явлений, к которой принадлежат явления Э. при соприкосновении, трении, химическом действии и т. д.
Вполне отличными от всех приведенных случаев Э. представляются: 1) явления возбуждения электрического состояния в проводящих телах действием индукции в электрическом и магнитных полях и 2) явление возбуждения электрического состояния проводящего тела, металла, при освещении этого тела лучами большой преломляемости, точнее — лучами ультрафиолетовыми. Опыты показывают, что в любом проводящем теле, когда оно изолировано, являются одновременно два электричества, и положительное, и отрицательное, как только это тело вносится в электрическое поле, т. е. помещается в некотором расстоянии от другого наэлектризованного тела и отделяется от последнего непроводящей средой. Это явление Э. носит название электростатической индукции. Если данное проводящее тело не изолировано, на нем вследствие индукции получается всегда электричество, противоположное по знаку тому электричеству, которое находится на другом наэлектризованном, индуктирующем теле. Фарадей нашел, что подобное же возбуждение двух противоположных электричеств в проводящем теле получается и тогда, когда это тело находится в магнитном поле, причем напряжение этого поля в точках пространства, занимаемого телом, подвергается непрерывному изменению или само тело находится в определенном движении в этом поле. Существенная разница между этими двумя случаями индукции заключается именно в том, что в электрическом поле при полном постоянстве его напряжения и неизменности положения проводящего тела возникает и поддерживается постоянным электрическое состояние этого тела; напротив, в поле магнитном возбуждается Э. только или при изменении напряжения поля в месте, занимаемом телом, или при движении тела, соединенном с перерезыванием им магнитных силовых линий. Согласно опытам Фарадея, вполне подтвердившимся исследованиями последующих экспериментаторов, являющаяся вследствие индукции магнитного поля разность потенциалов e на концах какого-нибудь проводника, выражается числом магнитных силовых линий, перерезываемых этим проводником в единицу времени, т. е. e выражается формулой . Эта разность потенциалов, или, как она называется обыкновенно, электродвижущая сила индукции, не зависит от вещества проводника.
Возбуждение электрического состояния в металле, а именно появление на нем положительного электричества, когда этот металл подвергается освещению ультрафиолетовыми лучами, наблюдается лучше всего при чрезвычайно сильном разрежении газа, в котором находится металл. Причина этому — возникновение на поверхности металла при действии на него ультрафиолетовых лучей катодных лучей, т. е. выбрасывание при этих условиях поверхностью металла отрицательных электронов. Вообще, как впервые показал это на опыте Гальвакс, ультрафиолетовые лучи, падая на отрицательно наэлектризованный металл, вызывают исчезновение с этого металла электричества, т. е. возбуждают рассеяние отрицательного электричества в воздухе. На заряд положительный ультрафиолетовые лучи не влияют. Это явление, названное актиноэлектрическим, послужило предметом исследований А. Г. Столетова, Риги, Эльстера, Гейтеля, Томсона и др. Из опытов, произведенных в последние годы, главным образом при участии лорда Кельвина (В. Томсона), оказалось, что на двух разнородных металлах, отделенных друг от друга воздухом, возникает разность потенциалов, когда сквозь этот воздух проходят лучи Рентгена. Эта разность потенциалов одинакова с той, какая получается на этих металлах при непосредственном прикосновении их друг к другу.