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

Плюс и минус притягиваются, потому что очень хотят обменяться зарядами. Мы уже узнали, что на отрицательном полюсе электронов слишком много, а на положительном — слишком мало. Логично, что электроны убегают туда, где для них больше места: даже непоседам хочется в конце концов найти пристанище. Нам повезло, что электроны не сразу находят себе подходящие атомы, в которые можно переселиться. Дело в том, что существуют тела, которые обычно не впускают в себя электроны. Например, одно из таких тел — изолента.

Если папа обмотает изолентой провод настольной лампы, то электроны не убегут из него. У изоленты слишком большое сопротивление. Правда, существуют и материалы с малым сопротивлением. Например, медная проволока. Иными словами, удастся ли электронам побежать дальше, зависит от того, как велико сопротивление и насколько велика разница между плюсом и минусом. Эта разница называется «напряжение». Чем больше электронов толпится на отрицательном полюсе и чем меньше их на положительном, тем выше напряжение между полюсами. Сложновато сказано, но на самом деле это очень просто.

МЕДЬ

Отлично подходит в качестве материала, проводящего ток. В этом металле электроны могут очень хорошо перескакивать из одного атома в другой. Правда, еще лучше ток проходит по серебру, поэтому устройства в дорогих музыкальных системах лучше соединять серебряными проводами.

Нужно только представить себе мальчика и девочку, которые влюбились друг в друга. Сначала они тайком поглядывают друг на друга, краснея, если кто-то это замечает, и задумчиво рисуют сердечки в тетрадях по математике. Но уже с первой встречи на перемене между ними чувствуется напряжение, оно повисает в воздухе, и разрядить его можно, только если вместе пойти в кино. Но, к сожалению, часто бывает так, что до похода в кино проходит немало времени.

Виновато в этом сопротивление в самых разных видах: например, одноклассники, отпускающие глупые шуточки, неумные родители со своими запретами или компания друзей, которая точно знает, как надо делать и как не надо. Это сопротивление будет удерживать мальчика и девочку от похода в кино до тех пор, пока любовь и напряжение между ними не усилятся в несколько раз. Электрический ток устроен подобным же образом, только здесь, образно говоря, секстиллионы мальчиков и девочек ждут не дождутся, когда можно будет вместе пойти в кино. И наступает момент, когда они преодолевают даже самое большое сопротивление.

Заряды. Поля. Напряжение. Сопротивление. Пожалуй, теперь мы выучили достаточно, чтобы снова обратиться к Бенджамину Франклину и молнии. Как вы помните, Франклин предполагал, что облака перед грозой заряжены электричеством и ищут разрядки. Тогда молния — это такой совместный поход в кино, свидание неба и земли. Но как это доказать?

ВИРТУАЛЬНЫЕ ФОТОНЫ

Подобно тому как музыкальная колонка производит звук, который волнообразно распространяется вокруг нее, электрический заряд создает вокруг себя поле. Но как распространяется это поле? За передачу звука отвечают молекулы, передающие свою энергию соседям. Случай с полем объяснить труднее, потому что здесь вступает в действие квантовая механика — физическая теория, выходящая за рамки нашего опыта. Согласно ей, сила внутри поля передается «виртуальными фотонами» — частицами, лишенными массы, которые появляются из ничего и исчезают в никуда.

Двойное везение Бенджамина Франклина

Идея доказательства пришла в голову Франклину в 1752 году. Нужно соединить облака с землей и посмотреть, возникнет ли электрический разряд. Исследователь соорудил воздушный змей — не бумажный, а шелковый, потому что во время грозы бумага бы сразу промокла.

На одном конце змея он закрепил железный гвоздь, к другому концу привязал пеньковую веревку. И вот однажды в июле наступила подходящая погода. Когда собралась гроза, Франклин выбежал на улицу вместе с маленьким сыном и запустил змея. К концу веревки он привязал металлический ключ, чтобы увидеть, проходит ли по веревке электричество.

В этот день ему повезло вдвойне. Во-первых, очень скоро волоски пеньковой веревки встали дыбом, а вокруг ключа заискрило. Значит, по веревке проходил ток, то есть доказательство было получено. А во-вторых, в змей не ударила молния. А это вполне могло произойти и означало бы верную смерть Франклина. Он и не догадывался, как велико напряжение между облаками и землей и какой опасный эксперимент он проводит. Но риск Франклина был вознагражден: его опыт доказал, что молния возникает благодаря электрическому заряду облаков.

Но как заряжаются облака? Можно подумать, летом к ним то и дело поднимается великан Голиаф, чтобы потереть их тканью? Или где-нибудь есть гигантская розетка для облаков? Как это происходит в действительности, Франклин не знал, и, как ни странно, ученые до сих пор не до конца понимают этот процесс. Но большинство из них считает, что электрический заряд связан в первую очередь с движением внутри облаков. Более холодные и более теплые капли воды трутся друг о друга и создают таким образом заряд в разных частях облаков. При этом электроны собираются на нижнем крае облака, образуя отрицательный заряд, а положительный находится в верхней части.

С помощью теории дождевых капель можно объяснить, почему грозы чаще всего бывают летом, даже в безветренную погоду. Влажный воздух сильно нагревается у земли и быстро поднимается в верхние слои атмосферы, где температура ледяная, и вызывает там завихрения. Внутри облачного тумана словно постоянно движется лифт. Мельчайшие частицы льда и воды летают вверх и вниз и трутся друг о друга. От этого — как в случае с янтарем — и возникают электрические заряды и поля. Конечно, гроза бывает не только летом. Электрическое напряжение возникает также, когда ветром приносит воздух низкой температуры, и он сталкивается с областью высокой температуры. В этом случае частицы тоже интенсивно трутся друг о друга.

Мы уже знаем, что нижняя сторона облаков заряжена отрицательно. Теперь нужно представить себе, что этот заряд и его поле действуют на землю как гигантский магнит, заполняющий все пространство между небом и землей. Магнит может притягивать и отталкивать. В нашем случае отрицательный заряд нижней стороны облаков строго отталкивает отрицательно заряженные электроны на земле. В результате на земле увеличивается положительный заряд, то есть напряжение между небом и землей растет.

Со временем напряжение увеличивается до такой степени, что даже воздух, который обычно не проводит электрический ток, уже не препятствие для противоположных зарядов. Предполагают, что напряжение между облаками и землей может достигать ста миллионов вольт. Сравните: в обычной розетке напряжение 220 вольт, но и этот ток может убить человека. Правда, 220 вольт — недостаточное напряжение, чтобы преодолеть сопротивление воздуха, поэтому между дырочками розетки и не сверкает молния. Но в грозу все иначе.