Я уже говорил, что молния – это не что иное, как просто очень большая искра, опасная и трудная для понимания, но все же искра. «Но тогда что же такое искра?» – спросите вы. Чтобы это понять, нужно сначала обсудить один очень важный момент, касающийся электрических зарядов. Все электрические заряды создают невидимые электрические поля, так же как все массы создают невидимые гравитационные поля. Вы можете ощутить действие электрических полей, когда подносите противоположно заряженные предметы близко друг к другу и видите, что они притягиваются. Или когда сближаете одинаково заряженные объекты и наблюдаете действие отталкивающей силы – вы видите влияние электрического поля между объектами.

Сила такого поля измеряется в вольтах на метр. Должен сказать, объяснить, что такое вольт, не так-то просто, не говоря уже о вольтах на метр, но я все же попробую. Электрическое напряжение объекта – это мера того, что называется его электрическим потенциалом. Считается, что Земля имеет нулевой электрический потенциал, то есть нулевое напряжение. Напряжение положительно заряженного объекта положительно; оно определяется как количество энергии, которое я должен произвести, чтобы перенести положительную единицу заряда (+1 кулон – то есть заряд примерно в 6 × 10¹⁸ протонов) от Земли или из любого проводящего объекта, связанного с Землей (например, с крана-смесителя в вашем доме), на этот объект. Почему я должен генерировать энергию, чтобы переместить эту единицу заряда? Что ж, напомню, что если объект положительно заряжен, он будет отталкивать положительную единицу заряда. Таким образом, я должен генерировать энергию (в физике говорят, что я должен выполнить работу), чтобы преодолеть эту отталкивающую силу. Единицей энергии является джоуль. Если мне надо генерировать энергию в 1 джоуль, значит, электрический потенциал этого объекта +1 вольт. Если я должен генерировать энергию в 1 тысячу джоулей, то электрический потенциал +1 тысяча вольт. (Определение 1 джоуля дается в .)

А что если объект заряжен отрицательно? Тогда его электрический потенциал тоже отрицателен и определяется как энергия, которую необходимо генерировать, чтобы переместить отрицательную единицу заряда (–1 кулон – около 6 × 10¹⁸ электронов) от Земли к этому объекту. Например, если это количество энергии равно 150 джоулей, то электрический потенциал объекта составит –150 вольт.

Следовательно, вольт – это единица электрического потенциала. Она названа в честь итальянского физика Алессандро Вольта, который в 1800 году разработал первый источник тока, называемый нами сегодня аккумуляторной батареей. Обратите внимание, что вольт не является единицей энергии; это единица энергии на единицу заряда (соотношение джоуль/кулон).

Электрический ток перетекает от более высокого электрического потенциала к более низкому. Сила этого тока зависит от разности электрических потенциалов и сопротивления между двумя объектами. Изоляторы имеют очень высокое сопротивление, металлы, напротив, низкое. Чем выше разность потенциалов и чем ниже сопротивление, тем сильнее электрический ток. Разность потенциалов между двумя дырочками электрической розетки в США составляет 120 вольт (в Европе – 220 вольт). Единицу тока называют ампер – в честь французского математика и физика Андре-Мари Ампера. Если ток в проводе равен одному амперу, это означает, что через любое сечение этого провода за одну секунду проходит заряд в один кулон.

Но как насчет искры? Как все это помогает объяснить это явление? Если вы сильно потрете свою обувь о ковер, то можете создать разность электрических потенциалов, достигающую 30 тысяч вольт, между вами и Землей или между вами и ручкой на металлической двери, находящейся от вас на расстоянии 6 метров. 30 тысяч вольт на 6 метров – получается 5 тысяч вольт на метр. Когда вы начинаете приближаться к двери, разность потенциалов между вами и дверной ручкой не меняется, но расстояние уменьшается, следовательно, напряженность электрического поля будет возрастать. И в момент, когда вы вот-вот прикоснетесь к ручке, она уже составит 30 тысяч вольт на примерно один сантиметр. Или около 3 миллионов вольт на метр.

При таком сильном электрическом поле (и давлении в сухом воздухе, равном одной атмосфере) возникает то, что мы называем электрическим пробоем. Электроны спонтанно прыгают в этот сантиметровый зазор и при этом ионизируют воздух. Это, в свою очередь, создает большее количество электронов, совершающих такой прыжок, в результате чего их возникает целая лавина, которая и приводит к искре! Электрический ток выстреливает через воздух в ваш палец еще до того, как вы прикоснетесь к ручке. Держу пари, вы немного поморщились, вспомнив, когда вам в последний раз пришлось пережить этот маленький удар током. Боль, которую вы чувствуете из-за искры, объясняется тем, что электрический ток заставляет ваши нервы сжиматься – быстро и весьма неприятно.

А чем объясняется слабый треск, который вы при этом слышите? Тут все просто. Электрический ток сверхбыстро нагревает воздух, что приводит к созданию небольшой волны давления, звуковой волны, ее мы и слышим. Но искры также генерируют свет, который днем виден не всегда, но иногда все же заметен. Как получается свет, объяснить несколько сложнее. Он появляется, когда возникающие при разряде ионы воссоединяются с электронами в воздухе и выделяют часть доступной энергии в виде света. Даже если вы не видите света от искр (потому что не стоите в этот момент перед зеркалом в темной комнате), расчесывая волосы в очень сухую погоду, издаваемый ими треск зачастую отлично слышен.

Только подумайте: не особенно стараясь, просто причесываясь или снимая полиэстеровую рубашку, вы создали на кончиках волос и поверхности рубашки электрические поля почти в 3 миллиона вольт на один метр. Если вы тянетесь к ручке и чувствуете искру, скажем, на расстоянии 3 миллиметра, то разность потенциалов между вами и ручкой составляет порядка 10 тысяч вольт.

Хотя это звучит довольно неприятно и даже устрашающе, на самом деле львиная доля статического электричества вообще неопасна, в основном потому, что даже при очень высоком напряжении ток (число зарядов, проходящих через вас за определенный период времени) чрезвычайно мал. Если вы не против слабеньких ударов тока, можете поэкспериментировать с ними, одновременно повеселившись и проведя наглядную демонстрацию этого физического явления. Но никогда не засовывайте металлические предметы в электрические розетки. Это действительно опасно для жизни!

Лучше попробуйте зарядить себя, потерев кожу полиэстером (и не забудьте надеть обувь на резиновой подошве или вьетнамки, чтобы заряд не «вытекал» в пол). Теперь выключите свет и медленно подносите палец все ближе и ближе к металлической лампе или дверной ручке. Перед прикосновением к ним вы должны увидеть искры, которые проскакивают в воздухе между металлом и пальцем. Чем сильнее вы себя зарядите, тем большую разницу напряжений создадите между собой и ручкой, тем сильнее будет искра и тем громче треск.

Один из моих студентов постоянно заряжался, вовсе не желая того. Он рассказал, что у него есть полиэстеровый банный халат, который он носит только в зимнее время. Это оказался весьма неудачный выбор, потому что каждый раз, снимая халат, он заряжал себя электричеством, а затем, выключая ночник, получал удар током. А все дело в том, что человеческая кожа один из наиболее положительных материалов в трибоэлектрическом ряду, а полиэстер, напротив, один из самых отрицательных. Вот почему лучше всего надеть полиэстеровую рубашку, если вы хотите увидеть искры, раздеваясь перед зеркалом в темной комнате, но не стоит носить зимой халат из этого материала.

Для весьма наглядной (и очень смешной) демонстрации того, как люди заряжаются, я приглашаю студента, одетого в куртку из полиэстера, сесть на пластиковый стул в передней части аудитории (пластик, как вы помните, отличный изолятор). Затем, стоя на стеклянной пластине, чтобы изолировать себя от пола, я начинаю бить студента мягкой кошачьей шкуркой. «Избиение» продолжается примерно полминуты на фоне громкого смеха его сокурсников. По закону сохранения заряда мы с парнем становимся противоположно заряженными, и разность электрических потенциалов между нами нарастает. Затем я беру за один конец неоновую лампу-вспышку и показываю ее классу. Потом выключаю свет в аудитории и в полной темноте прикасаюсь к студенту другим концом лампы – и вспыхивает свет (при этом мы оба чувствуем небольшой удар током)! Разность потенциалов между студентом и мной должна быть не менее 30 тысяч вольт. Ток, протекающий через неоновую лампу-вспышку и через нас, разряжает нас обоих. Это одна из моих самых веселых и наглядных демонстраций.

Для более глубокого исследования тайн электрического потенциала я использую замечательное устройство, известное как генератор Ван де Граафа, которое, по сути, представляет собой простой металлический шар, установленный на цилиндрической ножке-опоре. На самом деле это поистине гениальное устройство для получения огромных электрических потенциалов. Тот, который я использую в аудитории, обычно выдает примерно 300 тысяч вольт, хотя способен и на гораздо большее. Посмотрите в интернете первые шесть моих лекций из курса «Электричество и магнетизм» (8.02), и увидите некоторые очень забавные демонстрации, где я использую генератор Ван де Граафа. Вы, например, увидите, как я создаю пробой электрического поля – огромные искры между большим куполом генератора и заземленным (то есть соединенным с Землей) шариком меньшего размера; оцените мощь невидимого электрического поля, зажигающего флуоресцентную лампу, а если повернуть ее перпендикулярно полю, она выключается. Вы даже увидите, как я в полной темноте (на секунду) прикасаюсь к одному концу лампы, замыкая схему на землю, и свет становится еще ярче. Я даже вскрикиваю, потому что удар на самом деле довольно ощутимый, хоть и ни в коей мере не опасный. А если хотите настоящего сюрприза (мои студенты воспринимают это именно так), посмотрите, что происходит в конце лекции 6, где я демонстрирую поистине шокирующий метод испытания болотного газа.

На наше счастье, само по себе высокое напряжение не может никого убить и даже ранить. Тут важен ток, проходящий через ваше тело. Ток – это размер заряда на единицу времени, измеряемый в амперах. Он действительно может нанести ущерб здоровью или убить, особенно если ток постоянный. Почему же он опасен? Объясню как можно доходчивее – потому что заряды, проходя через ваше тело, заставляют мышцы сокращаться. При очень низких уровнях электрический ток сокращает, или «активизирует», наши мышцы, что чрезвычайно важно для жизнедеятельности человека. Но при высоких уровнях ток заставляет мышцы сокращаться так сильно, что они дергаются бесконтрольно и весьма болезненно. А при еще более высоких уровнях он попросту останавливает сердце человека.

Именно по этой причине одна из самых темных сторон истории электричества – его использование для пыток (потому что оно причиняет человеку невыносимую боль) и, конечно же, для смертельной казни на электрическом стуле. Если вы видели фильм «Миллионер из трущоб», то, возможно, помните ужасные сцены пыток в полицейском участке, когда звери-полицейские дотрагивались до тела молодого Джамала электродами и оно дико дергалось от боли.

Но на более низких уровнях ток, в сущности, может оказывать целительное действие. Если вы когда-либо проходили курс физиотерапии больной спины или, скажем, плеча, значит, имеете опыт того, что терапевты называют «электростимуляцией». Врач кладет проводящий коврик, подсоединенный к источнику электроэнергии, на больные мышцы и постепенно увеличивает ток. У пациента возникает довольно странное ощущение, будто мышцы сокращаются и расслабляются вообще без его участия.

Электричество используется в медицине и в более драматических ситуациях. Вы наверняка видели телесериалы, в которых специальные электрические штуки, известные как дефибрилляторы, применяются для восстановления сердцебиения пациента. В прошлом году, когда у меня остановилось сердце и мне делали кардиологическую операцию, хирурги использовали такие дефибрилляторы и сердце снова забилось! Получается, что, если бы не дефибрилляторы, эта книга никогда не увидела бы свет.

Специалисты расходятся во мнениях относительно точного количества смертельного тока, что вполне объяснимо: вряд ли кто-то проводил достаточно экспериментов с опасными уровнями электричества. И, кстати, немаловажно, через какую часть тела проходит ток – через одну из кистей рук или, например, через мозг или сердце. Кисть может просто обгореть. Но практически никто не станет спорить с тем, что ток более одной десятой ампера, воздействующий пусть даже меньше секунды на сердце, скорее всего, приведет к летальному исходу. В разных электрических стульях, например, использовались разные варианты – около 2 тысяч вольт и от 5 до 12 ампер.

Помните, как мама в детстве твердила, что нельзя засовывать вилку или нож в тостер, чтобы вытащить застрявший кусок тоста, потому что может ударить током? Это действительно так? Ну, я просто просмотрел технические характеристики бытовых приборов в своем доме: радио (0,5 ампера), тостера (7 ампер) и эспрессо-машины (7 ампер). Эти данные можно найти на этикетке большинства приборов. На некоторых сила тока не указана, но вы всегда можете вычислить ее, поделив потребляемую прибором мощность на напряжение, которое в США, как правило, составляет 120 вольт. Большинство автоматических выключателей в моем доме срабатывают при 15–20 амперах. Впрочем, на самом деле не очень важно, потребляют ли ваши 120-вольтовые приборы 1 или 10 ампер. Важно, что нужно всеми силами избегать случайного короткого замыкания и самое главное случайного прикосновения к металлическому объекту под напряжением 120 вольт; если вы сделаете это сразу после принятия душа, вас может убить. И о чем же говорит нам вся эта информация? Только об одном: когда мама наказывала вам не совать нож в тостер, включенный в сеть, она была совершенно права. Если вы хотите починить какой-нибудь бытовой электроприбор, прежде всего непременно убедитесь, что штепсель вынут из розетки. Ни на минуту не забывайте, что электрический ток может быть очень опасен.