Глазами физика. От края радуги к границе времени - Уолтер Левин

Тоже довольно странно, не так ли? Шар двигается в направлении расчески. Так же как в случае с бумагой, расческа приводит к своего рода разделению заряда на воздушном шаре (индукции!). Так что будет, когда вы отодвинете расческу от шара, – и почему? На интуитивном уровне вы наверняка знали, что воздушный шар вернется в вертикальное положение. Но теперь вы понимаете, почему, верно? Когда внешнее воздействие исчезает, у электронов больше нет причины оставаться на дальней стороне своих атомов. Видите, какой важный вывод можно сделать, всего лишь немного потерев расческу о волосы и поиграв с маленькими обрывками бумаги и воздушным шариком!

Давайте надуем еще несколько шаров. Что происходит, если энергично потереть одним из них о волосы? Правильно: ваши волосы ведут себя довольно странно. Почему? Потому что в трибоэлектрическом ряду человеческие волосы стоят на положительном конце, а резиновый воздушный шар – на отрицательном. Иными словами, резина забирает у волос много электронов, и в результате они становятся положительно заряженными. А поскольку положительные заряды отталкиваются, чего еще ждать от волос, если каждая волосинка имеет положительный заряд и стремится уйти подальше от своих тоже положительно заряженных сородичей? Они отталкивают друг друга и в результате встают дыбом. Именно это случается, когда вы зимой стягиваете с головы вязаную шапку. В результате трения о волосы шапка забирает у них много электронов, волосы заряжаются положительно и прилипают к ней.

Но вернемся к воздушным шарикам. Итак, вы энергично потерли один из них о волосы (если наденете полиэстеровую рубашку, эксперимент получится еще эффектнее). Думаю, вы уже поняли, что я собираюсь предложить, не так ли? Теперь поднесите шар к стене или рубашке своего друга. Он прилипнет. Почему? Все потому же. Когда вы трете воздушный шар, вы его заряжаете. Когда подносите шар к стене, являющейся не слишком хорошим проводником, электроны, вращающиеся вокруг атомов в ней, чувствуют отталкивающую силу отрицательного заряда шара и чуть-чуть дольше задерживаются на стороне атома, наиболее удаленной от шарика, и немного меньше – на стороне, ближайшей к шару. А это не что иное, как индукция!

Иными словами, поверхность стены именно там, где к ней прикасается шар, немного зарядится положительно, и отрицательно заряженный воздушный шар будет к ней притягиваться. Довольно удивительный результат. Но почему два заряда – положительный и отрицательный – только нейтрализуют друг друга, передавая заряды, в результате чего воздушный шар тут же падает вниз? Это очень хороший вопрос. Начнем с того, что резиновый воздушный шар подбирает некоторые дополнительные электроны. В непроводнике, в частности в резине, они перемещаются с трудом, из-за чего заряды имеют тенденцию оставаться на месте. Кроме того, вы же не трете шаром о стену, создавая новые и новые контакты. Он просто прислонен к ней, выполняя свою работу притяжения. Но он также удерживается там за счет трения. Помните аттракцион «Тарелка», который мы обсуждали в главе 3? Так вот, в данном случае электрическая сила играет роль центростремительной силы аттракциона. Воздушный шар может оставаться «прилипшим» к стене какое-то время, пока заряд постепенно не «вытечет» из него из-за влажности воздуха. (Если ваш шарик не прилип к стене вообще, значит, либо воздух слишком влажный, что улучшает его проводящие свойства, либо шар слишком тяжелый; именно поэтому я рекомендовал использовать самые тонкие шарики.)

Я прикрепляю воздушные шары к детям, которые приходят на мои публичные лекции, и делал это много лет на днях рождения малышей, так что вы тоже можете повеселиться, последовав моему примеру!

Индукция работает для всех видов объектов, как проводников, так и изоляторов. Вы можете провести эксперимент с расческой с одним из тех заполненных гелием воздушных шаров в алюминизированной майларовой оболочке, которые можно купить в магазинах или на всякого рода гуляньях. Когда вы поднесете расческу к шару, его свободные электроны начнут двигаться от отрицательно заряженной расчески, оставляя ближе к ней положительно заряженные ионы, которые и притянут к ней воздушный шар.

Хотя мы можем заряжать резиновые шары, потерев их о волосы или рубашку, в действительности резина – практически идеальный изоляционный материал, поэтому она и используется для изоляции электропроводки. Резина не дает заряду вытекать из проводов во влажный воздух или перепрыгивать на соседние объекты, создавая искры. В конце концов, вам же не хочется, чтобы искры скакали вокруг в легко воспламеняющейся среде, каковой являются стены вашего дома. Резина может защитить нас от электричества и, по сути, постоянно делает это. А вот чего она не может сделать, так это защитить нас от самой мощной из всех известных форм статического электричества – от молнии. По какой-то непонятной мне причине люди продолжают верить в миф о том, что резиновые тапочки или шины способны уберечь человека от молнии. Я не знаю, почему подобные идеи по-прежнему в ходу, но настоятельно рекомендую вам забыть о них, и немедленно! Разряд молнии настолько силен, что ему абсолютно наплевать на какую-то резину. Вы можете остаться невредимым, если молния ударит в ваш автомобиль – хотя на самом деле, скорее всего, все будет иначе, – но это не имеет никакого отношения к резиновым шинам. Я еще остановлюсь на этом чуть позже.

Электрические поля и искры

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 главе 9.)

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.