Элен Черски - Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса

Собственные электроны пчелы концентрируются возле молекул в ее крылышках. Если что-то проносится мимо пчелы очень быстро (например, воздух) и что-то должно быть сброшено, то этим «чем-то», скорее всего, будет электрон. Именно так все и происходит. Это то же самое, что потереть воздушный шарик о шерстяной свитер: статическое электричество накапливается, а это означает, что в каком-то месте возникает избыток или нехватка электронов. Когда крылышки неистово расталкивали молекулы воздуха на своем пути, электроны смахивались с них в окружающий воздух. На теле пчелы образовывался небольшой положительный заряд, потому что количества оставшихся электронов уже не хватало, чтобы компенсировать положительный заряд всех протонов в ее теле. Однако этот положительный заряд очень мал – и уж во всяком случае недостаточен для того, чтобы человек ощутил удар электрического тока.

Приближаясь к цветку, пчела притягивает отрицательно заряженные электроны и отталкивает положительные заряды. Как северный полюс магнита притягивает к себе свою противоположность (магнитные южные полюса), так и положительно заряженная пчела притягивает к себе отрицательно заряженные электроны. Когда она находится очень близко к цветку, но еще не касается его, ее положительный заряд притягивает поверхность пыльцы с силой, достаточной, чтобы поднять часть пыльцы в воздух и преодолеть небольшой зазор между цветком и пчелой. Затем пыльца прилипает к волоскам на теле пчелы, так же как прилипает к стенке воздушный шарик, на котором скопилось статическое электричество. Когда пчела перелетает к следующему цветку, она переносит на себе всю налипшую на нее пыльцу. Опыление пчелами происходило бы и без статического электричества – исключительно за счет прикосновения к пыльце волосков на теле пчелы, когда она опускается на цветок. В этом случае пыльца прилипала бы к волоскам именно из-за своей липкости. Однако ввиду разности зарядов пыльцы и тела пчелы процесс прилипания существенно ускоряется, начинаясь еще до того, как пчела опустится на цветок [74].

Электроны – крошечные очень подвижные частицы, поэтому, когда электрический заряд перемещается в пространстве, его переносят, как правило, электроны. Несмотря на высокую подвижность электронов, обычно мы не замечаем их движения. Отрицательно заряженные электроны отталкиваются друг от друга, так что, если большое их количество сконцентрируется в каком-то одном месте, они отталкиваются друг от друга и разлетаются в стороны. Значительный заряд никогда не накапливается. Но есть две возможные ситуации, в которых электроны перестают разлетаться в стороны и происходит некоторое накопление заряда: либо электронам просто некуда деваться, либо они не могут двигаться. Когда пчела летит, положительному заряду действительно некуда деваться, поэтому он накапливается снаружи тела пчелы.

Но другая ситуация – когда электроны не могут двигаться – дает нам возможность управлять электричеством. Если пчела опустится на пластмассовый цветочный горшок, положительный заряд не сможет переместиться на пластмассу, поскольку это электрический изолятор. Это означает следующее: хотя в пластмассе предостаточно собственных электронов, они жестко связаны со своими молекулами и не могут свободно перемещаться в таком материале. Сложно добавить в пластмассу хотя бы небольшое число дополнительных электронов или изъять их оттуда, потому что они не могут проскользнуть между собственными электронами пластмассы. Именно в этом особенность электрических изоляторов: они не могут принимать в себя дополнительные электроны или отдавать их. Поэтому, когда пчела садится на пластмассовый цветочный горшок, положительный заряд остается на ней. Если бы пчела опустилась, к примеру, на металлические вилы, то сразу бы лишилась положительного заряда: металлы – превосходные проводники электричества и электроны чрезвычайно легко стекают в них. Причина такого поведения металла заключается в том, что все его атомы охотно делятся друг с другом своими наружными электронами, в результате чего внутри металла образуется нечто наподобие огромного облака, состоящего из электронов, свободно мигрирующих от одного атома к другому. Поскольку эти электроны все время движутся от одного атома к другому и ни один из них не принадлежит какому-то определенному атому, добавление в металл дополнительных электронов или изъятие их оттуда не представляет проблемы.

Люди могут генерировать электрический ток и управлять им лишь потому, что имеют оба типа материалов – и проводники, и изоляторы. Это все, что вам нужно: мозаика из материалов, создающая нечто вроде лабиринта для электронов, где одни пути гораздо легче других, что позволяет управлять движением электронов, заставляя их поток выполнять те или иные полезные функции. Овладев основами такого управления, вы получаете возможность контролировать многие процессы в физическом мире.

Статическое электричество – только начало, истинные перспективы открываются, когда вам удается обеспечить систематическое и упорядоченное движение электронов и электрических зарядов. Электрическая сеть, которую мы используем для передачи электроэнергии на расстояние, – источник безграничных возможностей. Продвигая электрические заряды по проводам и управляя их потоком с помощью всевозможных переключателей и преобразователей, мы можем доставлять электроэнергию в места, где она будет использоваться для удовлетворения тех или иных потребностей человека. Электросеть – лишь один из способов перераспределения электроэнергии. Самое важное качество любой электрической цепи – то, что это цепь . То есть любая электрическая цепь должна представлять собой замкнутый контур, по которому электроны могли бы свободно перемещаться, не накапливаясь где-нибудь «на дальнем конце». Каждая электрическая цепь должна начинаться и заканчиваться на источнике питания – устройстве, которое поддерживает движение электронов, принимая их с одного конца, продвигая по цепи и возвращая обратно в цепь на другом конце. Источник питания немного напоминает лифт, доставляющий детей от подножия горки, по которой они скатываются к ее началу, на самый верх. Дети могут круглосуточно кататься на таком лифте вверх и спускаться по горке – до тех пор, пока лифт будет работать и сможет служить источником достаточной энергии, чтобы каждый раз доставлять пассажиров в ту точку, с которой они начали свой путь по горке. Правило любой электрической цепи гласит, что вы должны потратить всю дополнительную энергию, полученную от источника питания, чтобы доставить электроны обратно в то место, из которого они стартовали.