Улла Штойернагель - Детский университет. Исследователи объясняют загадки мира. Книга первая

Тогда почему это происходит в грозу? Почему во время грозы ток вдруг пробегает по небу, вспыхивая яркими километровыми молниями?

Чтобы понять это, рассмотрим внимательнее, что такое электрический ток. Большинство людей думают, что понимают это, но, если их спросить, как связаны электроны и электрические поля, заряды и энергия, — они, как правило, не смогут ответить. А ведь это не такая сложная связь.

Электрический заряд возникает из-за того, что некоторые тела способны заряжаться электрической энергией и передавать ее. Например, это отлично получается у янтаря. Достаточно потереть его несколько раз — и он уже заряжен. Но почувствовать электрический заряд можно и без янтаря. Попробуйте снять свитер в сухой теплой комнате. От него сразу полетят искры, потому что он зарядился от трения о тело и теперь разряжается.

Во времена Бенджамина Франклина никто не знал (и не мог знать), почему от трения возникает электрический заряд, ведь модель атома, на основе которой ученые теперь объясняют строение материи, была тогда неизвестна. Согласно этой модели все предметы, все жидкости и даже воздух вокруг нас состоит из маленьких частиц — атомов. Атомы настолько малы, что их невозможно увидеть невооруженным глазом. Если бы их можно было выстроить в цепочку, как бусы, то один-единственный миллиметр бус состоял бы из двух миллионов атомов.

К сожалению, атомы нельзя потрогать. Это невозможно сделать даже самыми малюсенькими атомными щипчиками.

Дело в том, что атомы не просто лежат друг на друге, как кирпичи. Их держат вместе естественные силы, причем очень хитрым способом, на определенном расстоянии друг от друга. В бриллианте атомы упакованы очень плотно и крепко, в воздухе — существуют довольно свободно. В каждом атоме есть небольшое ядро, вокруг которого шныряют электроны. Они носятся с такой бешеной скоростью, что находятся почти везде одновременно и образуют своего рода оболочку. Понятно, что оболочку из шныряющих электронов потрогать нельзя.

КАКОВА СКОРОСТЬ ЭЛЕКТРОНОВ?

Максимальная скорость, с которой электроны носятся вокруг ядра атома, равна примерно одному проценту скорости света. То есть приблизительно за секунду электрон долетел бы от Стокгольма до Мадрида.

Рассказ про атомы звучит невероятно. Получается, что тяжелое кресло, на котором так удобно сидеть и читать книгу «Детский университет», на самом деле — скопление миллиардов и триллионов мчащихся частиц? И даже невидимый воздух тоже состоит из атомов? Трудно поверить. И все-таки нужно согласиться с тем, что так оно и есть. Так считают все серьезные ученые мира. К тому же теперь появились микроскопы, в которые можно разглядеть отдельные атомы: в электронном микроскопе атомы с оболочками выглядят как теннисные мячи. В любом случае, для нас с вами атомная теория сейчас имеет огромный плюс: с ее помощью можно объяснить, что такое электричество.

Бенджамин Франклин предполагал, что за электрический заряд тел отвечает некая невидимая и неощутимая жидкость, перетекающая из одного тела в другое, — флюид. При каждом соприкосновении тел в одном из них возникает избыток, а в другом — недостаток флюида. В своей теории Франклин называл это электрическим «плюсом» и «минусом». Теперь мы знаем, что из одного тела в другое перетекает не флюид, а электроны.

МАЛЕНЬКОЕ ЯДРО АТОМА

В атоме все вращается вокруг ядра. Хотя вес атома почти целиком зависит от ядра, само оно очень маленькое. Если представить себе электронную оболочку размером с кафедральный собор, ядро в его центре было бы размером с муху.

Электроны — маленькие непоседы. Они не знают ни минуты покоя, вечно чем-то заняты и пышут энергией. В отличие от янтаря, электроны не нужно специально заряжать, заряд — их природное свойство. Заряд электронов считается отрицательным и обозначается знаком «минус». «Отрицательным» его называют не потому, что, например, у электронов дурной характер. Это название — просто договоренность, действующая по всему миру и восходящая к идее Бенджамина Франклина об избытке и недостатке флюида. Сегодня во всем мире — в Японии, Корее, Германии, России — та сторона тела, на которой находится больше электронов, обозначается знаком «минус». А та сторона, на которой электронов недостает, — знаком «плюс». Возникает вопрос, почему электроны вообще скапливаются на одной стороне. Может, оставались бы лучше все на своих местах?

ПЛЮС И МИНУС

Объяснить электрический заряд как недостаток и избыток флюида! Немецкий физик и математик Георг Кристоф Лихтенберг был в восторге от этой идеи Бенджамина Франклина и ввел для заряда математические обозначения «+» и «—». Так он хотел заинтересовать электричеством математиков.

На самом деле, если оставить электроны в покое, они будут мирно вращаться вокруг положительно заряженного ядра. Заряды у них у всех одинаковые, так что никто никому не помешает и соседи не поссорятся. Но иногда небольшого трения — например, протирания тряпкой — бывает достаточно, чтобы потревожить электроны. Тогда они мгновенно удирают от своих ядер, вторгаются в соседние атомы, вытесняют другие электроны и устраивают страшную суматоху. И вот уже на одной стороне тела электронов слишком много, а на другой — слишком мало.

Похожее явление хорошо знают те, кто пользуется общественным транспортом. В автобусах очень часто бывает, что в передней части толпа напирает, а сзади — свободно. Всякий, кто когда-нибудь ездил в таком автобусе, знает, какое напряжение в нем создается. Все хотят пройти, толкаются и чуть не бросаются друг на друга. В конце концов толпа просто сносит того незадачливого пассажира, который тормозил движение, и устремляется в заднюю часть автобуса. Напряжение спадает.

В битком набитом автобусе кажется иногда, что толпа у входа создает целое облако злобы, излучая невидимую энергию, которую можно почувствовать аж на другом конце автобуса. Электроны, в отличие от людей, не злятся, у них вообще нет эмоций, но в случае с электричеством есть кое-что другое: тела, в которых электроны распределены неравномерно, окружены полями. Этими полями заряженные тела воздействуют на другие заряженные тела: притягивают их или отталкивают. Каждый электрический провод и электрический прибор создают вокруг себя поле, которое действует на другие электрические приборы.