Мені подобається уявляти електрони, які ладні вступити в гру будь-якого моменту, знявшися з місця у відповідь на позитивний чи негативний заряд. Діелектрики не такі активні: усі електрони міцно прив’язані до конкретних атомів. Утім це не означає, що діелектрики нудні — особливо наша прозаїчна гумова повітряна кулька-непровідник.
Ви можете самі здійснити експеримент, який я тут описую, придбавши невеличку упаковку гумових повітряних кульок (краще тонших, на зразок тих, з яких скручують тваринок). Оскільки навряд чи в більшості з вас удома десь валяються скляні палички, я сподівався, що їх може замінити склянка, пляшка з-під вина чи навіть лампочка, але, попри всі мої старання, ніщо із цього не згодилося. То чому б не взяти великий пластмасовий або ебонітовий гребінець? Також незайвим буде шматок шовку, приміром стара краватка або шалик, або гавайська сорочка, якій, на думку вашої половинки, місце на смітнику. Але якщо ви не проти зіпсувати свою зачіску, — а хто заперечуватиме, якщо це заради науки? — можете скористатися власним волоссям. А ще вам потрібно нарізати трохи паперу, скажімо, на кілька десятків клаптиків. Кількість не має значення, але вони повинні бути маленькими — приблизно з монетку.
Як і всі експерименти зі статичною електрикою, цей найкраще здійснювати взимку (або в пустелі після полудня), коли повітря зазвичай сухе. Чому? Тому що повітря не є провідником — узагалі-то, воно непоганий ізолятор. Утім якщо в повітрі є волога, заряд, з кількох складних причин, на яких я тут не зупинятимуся, може «витікати». У сухому повітрі заряд накопичуватиметься на паличці, шматку тканини, кульці чи вашому волоссі, натомість у вологому він поступово «витікатиме». Саме тому дверні ручки б’ють струмом тільки тоді, коли повітря дуже сухе.
Невидима індукція
Зберіть усі матеріали і приготуйтеся споглядати дива електрики. Для початку наелектризуйте гребінець, енергійно потерши його об повністю сухе волосся чи шовк. Із трибоелектричного ряду ми знаємо, що гребінець стане негативно зарядженим. А тепер зупиніться й подумайте, що станеться, якщо піднести гребінець до купки паперових клаптиків, і чому. Звісно, я зрозумію, якщо ви скажете: «Нічогісінько».
Тоді піднесіть гребінець до вашої невеличкої кучугури з паперових клаптиків, тримаючи його на кілька сантиметрів вище. Повільно опускайте гребінець і дивіться, що відбувається. Правда, дивовижно? Спробуйте ще раз — це не випадковість. Деякі клаптики підстрибують до гребінця, інші приклеюються до нього, провисівши із секунду, і знову падають, а ще інші — міцно тримаються. Якщо трохи погратися, можна домогтися того, щоб клаптики стояли на ребрі або навіть танцювали на поверхні гребінця. Що відбувається? Чому одні клаптики висять на гребінці, тоді як інші підстрибують, торкаються його й одразу падають?
Це чудові запитання з дуже крутими відповідями. От що відбувається. Негативно заряджений гребінець відштовхує електрони в атомах паперу, і тому, хоч вони й не вільні, зовсім трохи затримуються по інший бік своїх атомів. У цей час заряд найближчих до гребінця боків атомів стає на якусь крихітну частку позитивнішим, ніж до того. Таким чином, цей бік паперу притягується до негативно зарядженого гребінця, і легкі клаптики підстрибують до нього. Чому сила притягання переважає над силою відштовхування між негативно зарядженим гребінцем і електронами у клаптиках паперу? Тому, що сила відштовхування — і притягання — між зарядами пропорційна величині зарядів, але обернено пропорційна квадрату відстані між ними. Це правило називають законом Кулона — на честь французького фізика Шарля Огюстена Кулона, який зробив це важливе відкриття. Також ви можете помітити дивовижну схожість цього формулювання із законом всесвітнього тяжіння Ньютона. Зверніть увагу, що кулоном також називають основну одиницю вимірювання електричного заряду: позитивно заряджена одиниця заряду — це +1 кулон (приблизно 6 ∙ 1018 протонів), а негативно заряджена — −1 кулон (приблизно 6 ∙ 1018 електронів).
Як випливає із закону Кулона, навіть невелика різниця у відстані між різнойменними зарядами може мати значний ефект. Інакше кажучи, сила притягання між ближче розташованими зарядами переважає силу відштовхування між віддаленішими.
Увесь цей процес називають електростатичною індукцією: підносячи заряджене тіло до нейтрального, ми індукуємо, тобто наводимо електричні заряди на протилежні частини незарядженого тіла, створюючи щось на зразок поляризації зарядів у клаптиках паперу. На відео моєї лекції для дітей і їхніх батьків «Дива електрики й магнетизму» можна побачити кілька версій цього невеличкого досліду. Запис доступний для перегляду тут: archive.org/details/walter_lewin_wonders_of_electricity_magnetism.
Як ви пам’ятаєте, одні папірці одразу падають із гребінця, а інші міцно на ньому тримаються. Цьому також є цікаве пояснення. Щойно клаптик паперу торкається гребінця, частина надлишкових електронів гребінця переходить у папірець. Коли це відбувається, між папірцем і гребінцем усе ще може зберігатися сила електричного притягання, але вона вже не буде достатньо великою, щоб подолати силу тяжіння, і тому папірець упаде. За інтенсивного перенесення заряду притягання може навіть змінитися відштовхуванням, і тоді під дією обох сил — сили тяжіння й електричної сили — папірець падатиме ще швидше.
Тепер надміть кульку, кінець якої зав’яжіть і прикріпіть до нього мотузку. Знайдіть удома місце, де можна підвісити кульку. Наприклад, прикріпіть до підвісної лампи. Або можна звісити її з кухонного столу, притиснувши чимось мотузку, на відстані 15 сантиметрів від ніжки. Знову наелектризуйте гребінець, енергійно потерши його об шовк або своє волосся. Не забувайте — що довше терти, то сильніший буде заряд. Дуже повільно піднесіть гребінець до кульки. Як думаєте, що станеться?
А тепер спробуйте. Правда, теж досить дивно? Кулька рухається до гребінця. Як і у випадку із клаптиками паперу, під дією гребінця заряд у кульці наче розділився (індукція!). То що станеться, коли ви заберете гребінець, і чому? Інтуїтивно ви здогадуєтеся, що кулька повернеться у вертикальне положення. Але тепер ви знаєте чому, чи не так? Коли зовнішній вплив припиняється, в електронів не залишається жодної причини затримуватися на протилежному боці своїх атомів. Бачите, яких висновків нам вдалося дійти, лише трохи потерши гребінець і погравшись із маленькими клаптиками паперу й повітряною кулькою?
Тепер надміть ще кілька кульок. Що станеться, якщо енергійно потерти одну з них об волосся? Точно. Ваше волосся поводитиметься дивно. Чому? Тому що волосся людини в трибоелектричному ряді перебуває далеко на позитивному кінці, а гумова повітряна кулька — на негативному. Інакше кажучи, гума забирає з волосся багато електронів, роблячи його позитивно зарядженим. А оскільки однойменні заряди відштовхуються, що залишається вашому волоссю, якщо кожна волосинка має позитивний заряд і прагне опинитися подалі від решти так само заряджених волосин? Вони відштовхуються одна від одної, і тому волосся стає сторч. Те саме, звісно, відбувається, коли ви взимку знімаєте в’язану шапку. Внаслідок тертя об волосся шапка забирає від нього багато електронів, і воно стає позитивно зарядженим і настовбурчується.
Повернімося до кульок. Отже, ви енергійно потерли кульку об волосся (можливо, ефект буде навіть більшим, якщо потерти її об синтетичну сорочку). Думаю, ви здогадуєтеся, що я збираюся вам запропонувати. Притуліть кульку до стіни або до сорочки друга. Вона прилипає. Чому? Ось розгадка. Тертям ви електризуєте кульку. Коли ви притуляєте її до стіни, провідник з якої кепський, електрони, що крутяться довкола її атомів, під дією сили відштовхування негативного заряду кульки на зовсім трошки затримуються у найвіддаленішому від кульки боці атома й проводять на крихту менше часу в найближчому до неї боці. А це індукція!
Інакше кажучи, поверхня стіни в тому місці, де її торкається кулька, набуває незначного позитивного заряду, що притягує негативно заряджену кульку. Дивовижний результат. Але чому ці два заряди — позитивний і негативний — не компенсують один одного? Чому не відбувається переміщення заряду, після чого кулька одразу б відпала? Дуже хороше запитання. По-перше, гумова кулька прийняла зайві електрони. У непровідниках, зокрема й гумі, вони не можуть вільно переміщуватися, тому заряди мають тенденцію зберігатися. Крім того, ви не трете кульку об стіну й між ними не утворюється безліч точок дотику. Кулька просто собі висить, роблячи свою притягальну справу. Але її також тримає сила тертя. Пам’ятаєте атракціон «Ротор» з розділу 3? Електрична сила тут виконує таку само роль, як доцентрова сила в атракціоні. Тому кулька якийсь час триматиметься, поки з неї через вологу в повітрі поступово не «витече» заряд. (Якщо ваші кульки не липнуть до стіни, то це або через надто високу вологість, завдяки якій повітря стає кращим провідником, або через те, що ваші кульки, можливо, занадто важкі — саме тому я радив узяти тонкі).
