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

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.