Ідею про те, що всі речовини пронизані «електричним флюїдом, або «електричним вогнем», запропонував Бенджамін Франклін13 — дипломат, державний діяч, видавець, політичний філософ, винахідник біфокальних окулярів, ластів, переносного одометра і бездимної груби14. Його теорія видавалася переконливою, бо чудово пояснювала результати експериментів інших натурфілософів. Наприклад, англієць Стівен Ґрей продемонстрував, що металевий дріт передає електрику на великі відстані, тому ідея про зазвичай невидимий флюїд, або вогонь (урешті-решт, іскри таки нагадують вогонь), здавалася обґрунтованою.
Франклін стверджував, що коли «вогню» забагато, тіло має позитивний заряд, а в разі його нестачі — негативний. Також він започаткував традицію позначати заряд знаком «+» або «‒» і вирішив, що коли потерти шматочок скла об вовну або шовк (створюючи заряд А), у ньому утвориться надлишок «вогню», і тому цей заряд слід називати позитивним.
Франклін не знав, що викликає електричний струм, але його теорія про «електричний флюїд» була блискучою, а також корисною, хоч і не зовсім правильною. Він запевняв, що коли перенести флюїд з однієї речовини в іншу, та, що його отримала, стане позитивно зарядженою, а та, що втратила, — негативно зарядженою. Франклін відкрив закон збереження електричного заряду, згідно з яким заряд не виникає нізвідки й нікуди не зникає. Створюючи певну кількість позитивного заряду, ви автоматично генеруєте таку само кількість негативного заряду. Електричний заряд — це гра з нульовою сумою. Мовою фізики це означає, що заряд залишається сталим.
Як і ми сьогодні, Франклін розумів, що однакові заряди (обидва позитивні або обидва негативні) відштовхуються, а протилежні (позитивний і негативний) притягуються. Як показали його експерименти, що більше «вогню» мали тіла і що меншою була відстань між ними, то сильніше вони притягалися чи відштовхувалися. Також він, приблизно одночасно з Ґреєм та іншими дослідниками, з’ясував, що одні речовини проводять флюїд, або «вогонь» (сьогодні ми називаємо їх провідниками), а інші — ні, тому їх називають непровідниками (діелектриками), або ізоляторами.
Єдине, чого не зрозумів Франклін, із чого складається цей «вогонь». Якщо це не «вогонь» і не флюїд, то що тоді? І чому його, з огляду на це, значно більше взимку, принаймні в моїх краях, на північному сході Сполучених Штатів, і воно б’є нас струмом з усіх боків?
Перш ніж зазирнути всередину атома, щоб розібратися із природою «електричного вогню», нам потрібно зрозуміти, що електрика проникла в наше життя значно глибше, ніж вважав Франклін — і ніж це уявляє більшість із нас. На ній не лише тримається левова частка наших щоденних справ. Тільки завдяки електриці можливе те, що ми бачимо, знаємо й робимо. Ми здатні думати, відчувати, розмірковувати й сумніватися лише тому, що електричні заряди щосекунди проскакують між незліченними мільйонами з майже 100 мільярдів клітин у нашому мозку. Крім того, ми можемо дихати тільки завдяки тому, що наші нейрони виробляють електричні імпульси, які змушують різні м’язи грудної клітки скорочуватися й розслаблятися у складній симфонії рухів. Наприклад, якщо геть просто, коли діафрагма скорочується й опускається, грудна порожнина розширюється і в легені заходить повітря. А коли вона розслабляється, то піднімається і виштовхує повітря з легенів. За кожним із цих рухів стоїть сила-силенна крихітних електричних імпульсів, які безперервно розсилають повідомлення по нашому тілу, в цьому випадку наказуючи м’язам скорочуватися, а потім розслаблятися, щоб почали працювати інші м’язи. Туди-сюди, туди-сюди — і так усе життя.
Ми бачимо тому, що крихітні клітини сітківки ока, палички й колбочки, які сприймають відповідно чорно-біле й кольорове зображення, реагуючи на стимул, передають зоровими нервами електричні сигнали в мозок. А мозок тоді визначає, що перед нами — ятка із фруктами чи хмарочос. Більшість наших машин їздить на бензині, хоча в гібридах дедалі частіше використовують електрику, але жоден бензиновий двигун не зможе працювати без електричного струму, що йде від акумулятора через запалювання до циліндрів, де електричні іскри викликають керовані вибухи — тисячі за хвилину. Молекули утворюються в результаті дії електричних сил, які поєднують між собою атоми, тому хімічні реакції, наприклад, горіння бензину, були б неможливими без електрики.
Завдяки електриці скачуть коні, хекають собаки й потягуються коти. Через електрику зминається харчова плівка, склеюється скотч, а целофанова обгортка ніяк не відлипає від коробки цукерок. Цей перелік аж ніяк не повний, але все, що ми можемо уявити, існує завдяки електриці. Ми навіть думати без неї не можемо.
Те саме можна сказати, якщо перемкнути увагу на частинки, які менші за мікроскопічні клітини нашого тіла. Уся матерія на Землі складається з атомів, і щоб по-справжньому зрозуміти електричні явища, потрібно зазирнути всередину атома й побіжно розглянути його складові — поки що не всі, щоб занадто не ускладнювати, а лише ті, які нам цікаві зараз.
Самі атоми такі крихітні, що їх можна побачити хіба що за допомогою найпотужнішого і найдосконалішого обладнання: сканувальних тунельних, атомно-силових і просвічувальних електронних мікроскопів. (В інтернеті є дивовижні зображення із цих приладів. Деякі з них можна побачити тут: almaden.ibm.com/vis/stm/gallery.html).
Якби я взяв 6,5 мільярда атомів, приблизно як кількість населення Землі, та щільно розташував їх у ряд, то його довжина була б трохи більше ніж півметра. Ще менше за атом, приблизно в 10 000 разів, його ядро, яке складається з позитивно заряджених протонів і нейтронів. Останні, як ви, мабуть, здогадалися з їхньої назви, електрично нейтральні — вони взагалі не мають заряду. Протони (грецькою «перший») мають приблизно таку саму масу, як нейтрони, — немислимо мізерні дві мільярдні мільярдної мільярдної (2 · 10−27) кілограма. Тому незалежно від того, скільки в ядрі протонів і нейтронів, — а в деяких ядрах їх більше двохсот — воно все одно буде дуже легким. І крихітним — його діаметр лише приблизно одна трильйонна сантиметра.
Утім для розуміння електрики найважливіше те, що протон заряджений позитивно. Позитивність не випливає з його властивостей, просто від часів Франкліна повелося називати позитивним заряд, якого набуває скляна паличка, наелектризована тертям об шовк, тому і протони вважають зарядженими позитивно.
Ще важливішою, як виявляється, є решта атома, яка складається з електронів — негативно заряджених частинок, що хмарою літають навколо ядра на досить значній за субатомними мірками відстані. Якщо подумки збільшити ядро до розмірів бейсбольного м’яча, хмара електронів обертатиметься навколо нього на відстані аж 800 метрів. В атомі, безперечно, багато вільного місця.
Негативний заряд електрона за силою дорівнює позитивному заряду протона. Унаслідок цього атоми й молекули, що мають однакову кількість протонів і електронів, електрично нейтральні. Коли вони вже не є нейтральними, тобто в них спостерігається надлишок або нестача електронів, ми називаємо їх іонами. Плазма, як ми говорили в розділі 6, — це частково або повністю іонізований газ. Більшість атомів і молекул, з якими ми маємо справу на Землі, електрично нейтральні. У чистій воді кімнатної температури лише одна з 10 мільйонів молекул буде йонізована.
Згідно з умовними позначеннями, які запропонував Франклін, ми називаємо тіла з надлишком електронів негативно зарядженими, а тіла з нестачею електронів — позитивно зарядженими. Якщо ви трете скляний предмет об шовк, то «стираєте» багато електронів, тому скло стає позитивно зарядженим. Якщо потерти об той самий шовк бурштин чи ебоніт, вони приймуть електрони й набудуть негативного заряду.
У металах велика кількість електронів залишає межі атома й більш-менш вільно переміщується в різних напрямках. Ці електрони особливо сприйнятливі до зовнішнього заряду, як позитивного, так і негативного, і коли потрапляють під його дію, рухаються до чи від нього, створюючи таким чином електричний струм. Я можу розповідати про струм ще багато чого, але на цей момент обмежуся зауваженням, що такі матеріали називають провідниками, бо вони добре проводять (пропускають) заряджені частинки — у цьому випадку електрони. (Іони також можуть створювати електричний струм, але не в твердих тілах, а отже, не в металах).
