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

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?

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.