7. Чудеса электричества

Лучше всего это получается зимой, когда воздух особенно сухой. Наденьте полиэстеровую рубашку или свитер, встаньте перед зеркалом в темной комнате и начинайте их снимать. Думаю, вы прекрасно знаете, что услышите приблизительно такое же потрескивание, как когда вынимаете постиранное белье из сушилки (если, конечно, вы не пользуетесь этими неромантичными салфетками с антистатиком, предназначенными для избавления от ненужного электричества). Но, кроме того, вы еще и увидите свечение десятков крохотных искр. Я люблю так делать, потому что это напоминает мне, насколько близка физика к нашей повседневной жизни, если мы, конечно, знаем, где ее искать. И, как я всегда говорю своим студентам, эта маленькая демонстрация еще забавнее, если проводить ее вместе с подружкой или бойфрендом.

Вы наверняка знаете, что, пройдя по ковру в зимнее время года и взявшись за ручку двери (что, вы поморщились?), можно получить удар током; и вам известно, что это «работа» статического электричества. Вам, скорее всего, и самому не раз приходилось бить током при рукопожатии другого человека или чувствовать удар тока, принимая пальто от гардеробщика. Откровенно говоря, такое впечатление, что зимой статическое электричество буквально повсюду. Вы чувствуете, как волосы шевелятся сами по себе, когда вы причесываетесь, и встают дыбом, когда снимаете шапку. Что же не так зимой, и почему в это время года так много искр вокруг?

Ответ на эти вопросы начали искать еще древние греки; они же первыми назвали и сделали письменную запись о явлении, которое сегодня всем известно как электричество. Более двух тысяч лет назад греки знали, что если потереть янтарь – окаменелую смолу, из которой и они, и египтяне делали ювелирные украшения, – тканью, он начинает притягивать кусочки сухих листьев. А если потереть хорошенько, может и хорошенько долбануть.

Я читал истории о том, что, когда древние греки скучали на вечеринках, женщины натирали ювелирные изделия из янтаря тканью своих одежд и прикасались украшением к лягушкам. Лягушки, ясное дело, прыгали, отчаянно стараясь удрать от сумасшедших гуляк, что, по всей видимости, здорово веселило праздных бездельников. Так вот, эти истории начисто лишены какого-либо смысла. Во-первых, вы можете себе представить вечеринку, на которой полно лягушек, только и ожидающих, чтобы их били током какие-то пьяницы? Во-вторых, по причинам, которые я скоро объясню, статическое электричество относительно слабо работает в течение нескольких месяцев в году, в которые как раз чаще всего встречаются лягушки, и когда воздух достаточно влажен – особенно в жаркой Греции. Но независимо от правдивости этой истории один факт абсолютно неоспорим: «янтарь» по-гречески звучит как электрон, так что именно греки дали имя электричеству, равно как и многому другому во Вселенной, как большому, так и малому.

Европейские физики XVI и XVII веков, когда физика еще именовалась натуральной философией, ничего не знали об атомах или их компонентах, но были потрясающими наблюдателями, экспериментаторами и изобретателями, а некоторые – еще и фантастическими теоретиками. Вспомните о Тихо Браге, Галилео Галилее, Иоганне Кеплере, Исааке Ньютоне, Рене Декарте, Блезе Паскале, Роберте Гуке, Роберте Бойле, Готфриде Лейбнице и Христиане Гюйгенсе. Все они делали открытия, писали книги, опровергали теории друг друга и переворачивали средневековую схоластику вверх ногами.

К 1730-м годам поистине научные исследования (в отличие от салонных фокусов) электричества активно велись в Англии, Франции и, конечно же, в Филадельфии. Экспериментаторы выяснили, что если потереть стеклянную палочку куском шелка, то получишь заряд определенного вида (назовем его А), а если точно так же потереть янтарь или резину, получишь другой заряд (назовем его пока что Б). Они знали, что эти заряды разные, потому что, когда они брали две стеклянные палочки, натертые шелком и, следовательно, заряженные зарядом А, и клали их рядом, они отталкивались друг от друга с абсолютно невидимой, но тем не менее вполне ощутимой силой. Объекты, оба заряженные зарядом Б, тоже отталкивались друг от друга. А вот по-разному заряженные объекты, скажем стеклянная (A) и резиновая (Б) палочки, не отталкивались, а напротив, притягивались друг к другу.

То, что предметы заряжаются посредством трения, – чрезвычайно любопытное явление; у него даже название какое-то волшебное: «трибоэлектрический» эффект, от греческого слова, которое переводится как «трение». Такое впечатление, будто трение между двумя объектами создает заряд, однако это не так. Оказывается, некоторые материалы жадно притягивают заряд Б, в то время как другие материалы только и ждут, чтобы от него избавиться и тем самым получить заряд А. Трение работает, потому что увеличивает число точек контакта между веществами, облегчая передачу заряда. На сегодняшний день составлен ранжированный перечень множества материалов, образующих так называемый трибоэлектрический ряд (вы можете без труда найти его в интернете), и чем дальше расположены два материала на этой шкале, тем легче они заряжают друг друга.

Возьмем, например, пластик или твердую резину, из которых обычно делают расчески. Эти материалы отстоят в трибоэлектрическом ряду довольно далеко от человеческого волоса, чем и объясняется то, что ваши волосы при расчесывании в зимнее время года часто электризуются и искрят – мои, кстати, делают это постоянно. И подумайте вот о чем: они не только искрят, ведь, энергично расчесываясь, я заряжаю и гребень, и волосы, но так как все волосинки заряжаются одним и тем же зарядом, неважно, каким именно, каждая заряженная волосинка отталкивает остальные одинаково заряженные волосы и я еще больше начинаю напоминать безумного ученого. А когда вы третесь обувью о ковровое покрытие, то заряжаете себя зарядом А или Б, в зависимости от материала ваших подошв и ковра. И когда после этого вашу руку бьет током дверная ручка, ваша рука либо получает от нее заряд, либо передает ей свой заряд. Для вас это, впрочем, не имеет никакого значения; в любом случае неприятный удар током чувствуете вы, а не дверная ручка!

Идею о том, что все вещества пронизаны «электрической жидкостью», или «электрическим огнем», выдвинул Бенджамин Франклин – дипломат, государственный деятель, редактор, политический философ, изобретатель бифокальных очков, ласт, одометра и чугунной печки. Эта теория казалась очень убедительной, потому что она отлично объясняла результаты экспериментов коллег-естествоиспытателей. Англичанин Стивен Грей, например, продемонстрировал, что в металлической проволоке электричество проводится на большие расстояния, поэтому в идее обычно невидимой жидкости или огня (в конце концов, искры действительно напоминают огонь) имелся здравый смысл.

Франклин утверждал, что если вы получаете слишком много огня, то заряд будет положительным, а если мало, то отрицательным. Он также предложил использовать для зарядов такие условные обозначения, как плюс и минус, и определил, что, потерев стекло куском шерсти или шелка (заряд A), вы передаете ему избыток огня и, стало быть, такой заряд следует называть положительным.

Франклин не знал истинных причин возникновения электричества, но его идея электрической жидкости была блестящей и очень полезной, хотя и не во всем правильной. Ученый утверждал, что если перенести жидкость из одного вещества в другое, то вещество с избытком жидкости становится положительно заряженным, а то, из которого жидкость изъяли, отрицательно заряженным. Франклин открыл закон сохранения электрического заряда, который гласит, что на самом деле невозможно создать или избавиться от заряда. Создавая определенное количество положительного заряда, вы автоматически генерируете такое же количество отрицательного заряда. Электрический заряд – это игра с нулевым результатом; как говорят физики, заряд сохраняется.

Франклин понял – сегодня это известно всем, – что одноименные заряды (положительный и положительный, отрицательный и отрицательный) отталкиваются друг от друга, а разноименные (положительный и отрицательный) притягиваются. Его опыты показали, что чем больше «огня» в предметах и чем ближе они находятся друг к другу, тем мощнее действующие между ними силы, будь то притяжение или отталкивание. Он также определил, – подобно Грею и другим ученым, сделавшим это примерно в то же время, – что одни вещества проводят жидкость или огонь (теперь мы называем их проводниками), а другие нет, почему их и называют непроводниками, или изоляторами.

Франклину не удалось выяснить только одного – из чего же на самом деле состоит этот «огонь». И если это не огонь и не жидкость, то что тогда? И почему его, судя по всему, намного больше в зимнее время, по крайней мере там, где живу я, то есть на северо-востоке США, и где нас постоянно бьет током?

Прежде чем заглянуть внутрь атома, чтобы разобраться с природой электрического огня, нам нужно понять, что электричество пронизывает весь наш мир, причем гораздо сильнее, чем представлял Франклин и чем считает большинство из нас. Оно не только скрепляет львиную долю того, с чем мы ежедневно сталкиваемся, именно благодаря ему возможно все, что мы видим, знаем и делаем. Мы способны думать, чувствовать, размышлять и удивляться лишь потому, что электрические заряды ежесекундно перетекают между несчетными миллионами из примерно 100 миллиардов клеток в нашем мозгу. А дышать мы можем только потому, что электрические импульсы, генерируемые нейронами, заставляют разные мышцы нашей груди сокращаться и расслабляться в сложной симфонии движений. Например – опишу как можно проще, – по мере того как ваша диафрагма сжимается и опускается к грудной клетке, она увеличивает ее объем, втягивая воздух в легкие. А когда она расслабляется и расширяется, она выталкивает воздух из легких. Ни одно из этих движений не было бы возможно без бесчисленных крошечных электрических импульсов, постоянно рассылающих сообщения по всему телу, в данном случае приказывая мышцам сокращаться и прекращать это делать, когда эстафету принимают другие мышцы. Туда-сюда, туда-сюда – и так всю нашу жизнь.

А наши глаза видят только потому, что крошечные клетки-рецепторы сетчатки, палочки и колбочки, воспринимающие соответственно черно-белые и цветные образы, стимулируются падающими на них фотонами и «выстреливают» электрические сигналы через зрительные нервы в наш мозг. А мозг уже определяет, на что это мы смотрим: на подставку для фруктов или на небоскреб. Большинство наших автомобилей работают на бензине (хотя гибриды все больше используют электроэнергию), но мы не смогли бы использовать бензин ни в каком двигателе, если бы не электричество, поступающее через систему зажигания от аккумуляторной батареи в цилиндры, где электрические искры создают контролируемые взрывы, по много тысяч в минуту. Поскольку молекулы образуются благодаря электрическим силам, связывающим атомы, химические реакции – такие как сгорание бензина – без электричества были бы просто невозможны.

Благодаря электричеству лошади бегут, собаки сопят, а кошки потягиваются. Благодаря электричеству пленка для заворачивания продуктов мнется, липкий упаковочный скотч липнет сам к себе, а целлофановая упаковка не слетает с коробки конфет. Этот список, конечно же, далеко не исчерпывающий; на самом деле все, что мы только можем себе представить, существует благодаря электричеству. Как я уже сказал: без него мы не могли бы даже думать.

Это относится даже к вещам, по размерам меньше микроскопических клеток нашего организма. Любая материя на Земле состоит из атомов, и чтобы действительно разобраться, что такое электричество, мы должны заглянуть внутрь атома и кратко обсудить его части (пока что не все, потому что объяснение постепенно становится невероятно сложным, так что ограничимся лишь теми частями, которые нас интересуют на данном этапе).

Сами по себе атомы настолько малы, что увидеть их можно только с помощью самой мощной и сложной аппаратуры – сканирующих туннельных, атомно-силовых и просвечивающих электронных микроскопов. (Потрясающие изображения, полученные с помощью этих инструментов, можно найти в интернете по адресу: .)

Если бы я взял 6,5 миллиарда атомов и выстроил их в ряд, один к одному, у меня получилась бы линия длиной около 60 сантиметров. Ядро же атома меньше самого атома почти в десять тысяч раз и состоит из положительно заряженных протонов и нейтронов. Последние, как понятно из их названия, электрически нейтральны; они вообще не имеют заряда. Протоны (от греческого слова «протос», то есть «первый») имеют примерно такую же массу, как нейтроны, – непостижимо малюсенькие, примерно две миллиардные от одной миллиардной одной миллиардной (2 × 10^–27) килограмма. Поэтому независимо от того, сколько протонов и нейтронов в ядре – а в некоторых ядрах их более двухсот, – оно остается очень легким. И крошечным – около триллионной доли сантиметра в диаметре.

Однако для понимания природы электричества важнее всего тот факт, что протон заряжен положительно. Реальной, внутренней, причины для того, чтобы называть этот заряд положительным, нет, но со времен Франклина физики называют заряд, оставшийся на стеклянной палочке, натертой шелком, положительным, так что и протоны считаются положительно заряженными частицами.

Но, оказывается, еще важнее оставшаяся часть атома, состоящая из электронов – отрицательно заряженных частиц, которые облаком роятся вокруг ядра на некотором расстоянии, соответствующем субатомным стандартам. Если вы возьмете в руку мяч, представив себе, что это атомное ядро, то облако электронов будет находиться от него примерно в восьмистах метрах. Следовательно, очевидно, что большая часть атома представляет собой пустое пространство.

Отрицательный заряд электрона равен по величине положительному заряду протона. В результате атомы и молекулы, состоящие из одинакового количества протонов и электронов, электрически нейтральны. Когда же они не нейтральны, то есть в них наблюдается избыток либо дефицит электронов, мы называем их ионами. Плазма, как мы обсуждали в главе 6, представляет собой газы, частично либо полностью ионизированные. Большинство атомов и молекул, с которыми мы имеем дело на Земле, электрически нейтральны. В чистой воде при комнатной температуре ионизирована всего одна из 10 миллионов молекул.

В соответствии с условными обозначениями, предложенными Франклином, если у какого-то объекта переизбыток электронов, мы говорим, что он заряжен отрицательно, а если дефицит электронов – что он заряжен положительно. Когда вы трете стекло куском шелка, вы «стираете» (что-то вроде того) многие электроны и в конце концов стекло заряжается положительно. Если потереть тем же шелком янтарь или кусок твердой резины, они собирают электроны и в итоге получается отрицательный заряд.

В большинстве металлов весьма солидное количество электронов вообще «сбегают» от своих атомов и относительно свободно болтаются между ними. Эти электроны особенно восприимчивы к внешним зарядам, либо положительным, либо отрицательным, и при приложении к ним такого заряда охотно движутся в его сторону либо от него, создавая в результате электрический ток. Я мог бы рассказать о токе много интересного, но на данный момент просто отмечу, что мы называем такие материалы проводниками, потому что они легко проводят (обеспечивают их движение) заряженные частицы, то есть в данном случае электроны. (Ионы тоже могут создавать электрический ток, но не в твердых материалах и, следовательно, не в металлах.)

Мне ужасно нравится идея бойких электронов, всегда готовых играть, двигаться и реагировать на положительные или отрицательные заряды. В непроводниках очень мало подобных действий; в них все электроны надежно прикреплены к конкретным атомам. Впрочем, это вовсе не значит, что с непроводниками нельзя хорошенько повеселиться, в частности, со всем известным, банальным резиновым непроводящим электричество воздушным шариком.

Вы можете сами провести эксперимент, о котором я здесь рассказываю, если приобретете маленькую упаковку обычных резиновых шариков (чем тоньше, тем лучше; лучше всего те, из которых скручивают фигурки животных). Поскольку у большинства из вас вряд ли есть в доме стеклянные палочки, я надеялся, что сгодится стакан, винная бутылка или даже лампочка, но, несмотря на все мои усилия, оказалось, что они не «работают». Так что рекомендую взять большую расческу из пластика или твердой резины. Хорошо бы также найти кусок шелка, скажем старый галстук, шарф или гавайскую рубашку, которую ваша жена или подруга давно и тщетно старается заставить вас выбросить на помойку. А если вы не возражаете против спутавшихся волос – в конце концов, наука требует жертв, – можете использовать собственные волосы. А еще вам потребуется нарвать бумаги, скажем, разорвать писчий лист на несколько десятков кусочков. Число, в сущности, не имеет значения, но кусочки должны быть размером с монетку.

Напомню, что, как и любые эксперименты со статическим электричеством, этот лучше всего проводить зимой (или в полдень в пустыне), когда воздух сухой, а не влажный. Почему? Потому что воздух не проводник; на самом деле это довольно хороший изоляционный материал. Но если в воздухе много влаги, заряд по ряду сложных причин, которые мы не будем сейчас обсуждать, может ослабнуть. Влажный воздух не позволяет заряду накапливаться на палочке, ткани, воздушном шаре или ваших волосах. Вот почему вы подвергаетесь угрозе получить удар током от дверной ручки, только когда воздух очень сухой.