Читать книгу "Детский университет. Исследователи объясняют загадки мира. Книга первая - Ульрих Янссен"

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.

Что общего у электрического тока и похода в кино?

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.

Поле нельзя увидеть само по себе, но его можно сделать видимым, если, например, рассыпать вокруг заряженного тела мелкие кусочки бумаги. Бумажные клочки будто сами собой выстроятся в линии от «плюса» (положительного полюса) к «минусу» (отрицательному).

Вот еще один важный факт: электрический ток течет только там, где есть полюса — положительный («плюс») и отрицательный («минус»), — как у магнита. В электричестве одинаковые полюса тоже отталкиваются, а противоположные — притягиваются.

ПОЧЕМУ 220 В?

В большинстве стран мира люди договорились поставлять в квартиры электрический ток с напряжением от 110 вольт (в США) до 230 вольт (в Европе). При таком напряжении можно пользоваться электроприборами с нормальной силой тока. Если бы напряжение было выше (например 1000 вольт), это было бы слишком опасно для человека. Если бы оно было ниже (например, 10 вольт), то понадобилась бы более высокая сила тока, чтобы прибор работал с нужной мощностью. А это имело бы нежелательный побочный эффект: все провода и кабели нагревались бы слишком сильно.