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

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 × 10 18протонов) 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 × 10 18электронов) 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.

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 б о льшую разницу напряжений создадите между собой и ручкой, тем сильнее будет искра и тем громче треск.