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

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.

Невидимая индукция

Соберите все перечисленные выше материалы и приготовьтесь созерцать некоторые из чудес электричества. Во-первых, зарядите расческу, сильно потерев ею о волосы, предварительно убедившись, что они очень сухие, либо же натрите ее куском шелка. Нам известно, что благодаря трибоэлектрическому ряду расческа наберет отрицательный заряд. Теперь остановитесь на минуту и подумайте, что произойдет, если поднести расческу к кучке бумажных обрывков, и почему. Я бы понял, если бы вы, подумав, сказали: «Совершено ничего».

Поднимите расческу на несколько сантиметров над бумажной кучкой и, медленно опуская, внимательно наблюдайте за происходящим. Удивительно, не правда ли? Попробуйте еще раз, это не случайность. Некоторые из клочков бумаги будут прыгать вверх до самой расчески, другие «приклеиваются» к ней и, немного продержавшись, падают обратно вниз, а третьи так и остаются прилипшими. По сути, немного поиграв с расческой и бумажками, вы можете добиться того, что обрывки будут стоять на ребре, а то и танцевать на поверхности расчески. Что же это такое? Почему одни бумажки прилипают, а другие подпрыгивают, дотрагиваются до расчески и тут же падают обратно вниз?

Это отличные вопросы с отличными ответами. Вот с чем мы имеем дело. Отрицательный заряд на расческе отпугивает электроны в атомах бумаги, так что, даже будучи несвободными, они немного больше времени проводят на дальней стороне своих атомов. В этом случае стороны атомов, которые находятся ближе всего к расческе, становятся совсем чуть-чуть более положительно заряженными, чем раньше. Таким образом, склоняющаяся к положительному заряду кромка или сторона бумага притягивается к отрицательному заряду на расческе, и очень легкие бумажки подпрыгивают к ней. Но почему их сила притяжения доминирует над силой отталкивания, существующей между отрицательным зарядом расчески и электронами в бумажках? Потому что сила электрического отталкивания – и притяжения – пропорциональна силе зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Это всем известный закон Кулона, названный в честь французского физика Шарля Огюстена де Кулона, сделавшего это важное открытие. Вы наверняка заметили удивительное сходство данного закона с законом всемирного тяготения Ньютона. Обратите также внимание, что мы называем основную единицу измерения электрического заряда кулоном: положительно заряженная единица – это плюс 1 кулон (около 6 × 1018 протонов), а отрицательно заряженная соответственно – минус 1 кулон (около 6 × 1018 электронов).

Закон Кулона, по сути, гласит, что даже очень небольшая разница в расстоянии между положительными и отрицательными зарядами может оказывать мощный эффект. Или, иначе говоря, сила притяжения зарядов, расположенных ближе друг к другу, пересиливает силу отталкивания зарядов, более удаленных один от другого.

Мы называем этот процесс индукцией, так что, приближая заряженный предмет к нейтральному, мы индуцируем заряд на ближней и дальней сторонах последнего, создавая своего рода поляризацию зарядов, в нашем случае в обрывках бумаги. При желании вы можете увидеть несколько версий этого эксперимента в моей лекции для детей и их родителей под названием «Чудеса электричества и магнетизм» по адресу https://www.youtube.com/watch?v=ZspLqdihftY.

Что касается вопроса, почему одни клочки бумаги сразу падают вниз, а другие остаются прилипшими к расческе, то он тоже довольно интересен. Когда кусочек бумаги прикасается к расческе, некоторые из избыточных электронов в ней перемещаются в бумагу. Когда это происходит, между расческой и бумагой по-прежнему может действовать электрическая сила притяжения, но она уже не будет достаточно большой, чтобы противостоять силе тяжести, и, следовательно, обрывок падает вниз. Если же перенос заряда высок, электрическая сила может даже стать отталкивающей и тогда и она, и сила тяжести ускорят падение бумажки.

Надуйте воздушный шарик и завяжите его, чтобы он не сдувался. Найдите в доме место, где его можно свободно подвесить. Например, к висячей лампе или просто привяжите к нитке какой-нибудь грузик, и пусть шарик свисает с кухонного стола на расстоянии сантиметров двадцати от ножки. Опять зарядите расческу, энергично потерев куском шелка или о волосы – помните, что чем сильнее вы трете, тем сильнее будет заряд. Теперь очень медленно поднесите расческу к воздушному шару. Как думаете, что произойдет?