Я з величезним задоволенням на своїх відкритих лекціях приліплюю кульки до дітлахів. Я робив це багато років на днях народження своїх дітей і раджу вам спробувати і повеселитися!
Електростатична індукція відбувається в будь-яких тілах — як у провідниках, так і в ізоляторах. Ви можете взяти для експерименту з гребінцем наповнену гелієм фольговану кульку. Коли піднести гребінець до кульки, її вільні електрони прагнутимуть віддалитися від негативно зарядженого гребінця і ближче до нього утворяться позитивно заряджені йони, що притягуватимуть кульку до гребінця.
Хоча гумову кульку можна наелектризувати, потерши її об волосся чи сорочку, насправді гума — практично ідеальний ізолятор, і тому з неї роблять оболонку для електричних дротів. Гума запобігає витоку струму в вологе повітря і не дозволяє заряду «перестрибувати» на розташовані поруч предмети. Урешті-решт, ніхто не хоче, щоб іскри літали довкола легкозаймистих матеріалів, наприклад стін вашого будинку. Гума може захистити нас від електрики і, по суті, постійно робить це. Чого вона не може, це захистити нас від найпотужнішого з усіх відомих виявів статичної електрики — блискавки. Люди чомусь досі вірять у міф, що кросівки на гумовій підошві чи гумові покришки здатні вберегти від блискавки. Не знаю, чому такі уявлення все ще поширені, але наполегливо раджу негайно про них забути. Розряд блискавки такий потужний, що його анітрохи не хвилює якийсь шматочок гуми. Можливо, з вами нічого не станеться, якщо у вашу машину влучить блискавка (насправді, найімовірніше, станеться), але це жодним чином не пов’язано з гумовими покришками. Я поясню це трохи згодом.
Електричні поля й іскри
Вище я вже казав, що блискавка — це просто велика іскра, складна, але все одно іскра. «Тоді що ж таке іскри?» — можете спитати ви. Добре, щоб зрозуміти, що це таке, ми маємо розібратися з дуже важливою особливістю електричного заряду. Будь-який електричний заряд створює невидиме електричне поле, так само, як будь-яка маса створює невидиме гравітаційне поле. Електричне поле можна виявити, якщо наблизити одне до одного два протилежно заряджені тіла, які взаємно притягатимуться. Або два однойменно заряджені тіла, які відштовхуватимуться. Це все вияви електричного поля між тілами.
Напруженість електричного поля вимірюють у вольтах на метр. Якщо відверто, складно пояснити, що таке вольт, не кажучи вже про вольт на метр, але я спробую. Вольтаж, або напруга тіла, — це міра його електричного потенціалу. Вважатимемо, що Земля має нульовий електричний потенціал. Отже, напруга Землі дорівнює нулю. Позитивно заряджене тіло має позитивну напругу: це кількість енергії, яку потрібно виробити, щоб перемістити 1 кулон позитивного заряду (що дорівнює заряду приблизно 6 ∙ 1018 протонів) від Землі або будь-якого пов’язаного із Землею тіла-провідника (наприклад, водопровідного крана у вас удома) до цього тіла. Навіщо нам для цього енергія? Пригадайте: позитивно заряджене тіло відштовхуватиме позитивний заряд. Тому потрібно виробити енергію (ми, фізики, кажемо «виконати роботу»), щоб подолати цю силу відштовхування. Одиницею енергії (або роботи) є джоуль. Якщо потрібно виробити 1 джоуль енергії, тоді електричний потенціал тіла +1 вольт, а якщо 1000 джоулів, тоді потенціал +1000 вольтів. (Означення джоуля можна знайти в розділі 9).
А що, як тіло заряджене негативно? Тоді його електричний потенціал негативний і визначається як енергія, яку потрібно виробити, щоб перемістити 1 кулон негативного заряду (це заряд приблизно 6 ∙ 1018 електронів) від Землі до цього тіла. Якщо ця енергія дорівнює 150 джоулів, електричний потенціал тіла дорівнює −150 вольтів.
Таким чином, вольт — це одиниця електричного потенціалу, названа на честь італійського фізика Алессандро Вольта, який у 1800 році створив перший гальванічний елемент, або електричну батарею. Зверніть увагу, що вольт — це не одиниця енергії: це одиниця енергії, поділена на одиницю заряду (джоуль ⁄ кулон).
Електричний струм рухається від вищого потенціалу до нижчого. Сила цього струму залежить від різниці потенціалів і електричного опору між тілами. Ізолятори мають дуже великий опір, метали — малий. Що більша різниця напруги і що менший опір, то більша сила струму. Різниця потенціалів між двома малюсінькими отворами в електричній розетці у Сполучених Штатах становить 120 вольтів (у Європі — 220 вольтів). Утім струм у розетці змінний (цю тему ми розглянемо в наступному розділі). Одиницю сили струму — ампер (А) — названо на честь французького математика й фізика Андре-Марі Ампера. Якщо сила струму дорівнює 1 ампер, це означає, що через поперечний переріз провідника щосекунди проходить заряд в 1 кулон.
То що з іскрами? Як усе це допоможе їх пояснити? Якщо ви довго човгали туфлями об килим, між вами й Землею може утворитися різниця потенціалів аж до 30 000 вольтів. Або між вами й ручкою металевих дверей за 6 метрів від вас. Це 30 000 вольтів на відстань 6 метрів, або 5000 вольтів на метр. Коли ви підійдете до ручки, різниця потенціалів між вами не зміниться, але відстань скоротиться, тому сила електричного поля зросте. Незабаром, коли ви от-от візьметеся за ручку, напруга вже буде 30 000 вольтів на відстань близько сантиметра. Це майже 3 мільйони вольтів на метр.
За такої високої напруженості поля (в умовах сухого повітря й нормального атмосферного тиску) станеться так званий пробій. Електрони спонтанно «стрибнуть» у цей сантиметровий проміжок, іонізуючи при цьому повітря. До процесу долучається більша кількість електронів, що призводить до лавинного пробою, і — овва! — іскровий розряд. Ви ще не встигли взятися за ручку, а вас через повітря вже б’є струмом. Упевнений, ви зараз трохи зіщулились, пригадавши, коли з вами востаннє траплявся такий «сюрприз». Вам боляче від іскри, тому що електричний струм змушує ваші нерви скорочуватися, швидко й неприємно.
Звідки береться потріскування, коли вас б’є струмом? Відповідь проста. Електричний струм надзвичайно стрімко нагріває повітря, від чого виникає невелика хвиля тиску — звукова хвиля, яку ми чуємо. Але під час іскрового розряду з’являється також світло, яке вдень не завжди помітне, хоча інколи його все ж таки видно. Процес появи світла трохи складніший. Воно виникає, коли йони, що утворилися в повітрі, знову возз’єднуються з електронами та випромінюють частину наявної енергії у вигляді світла. Навіть якщо ви не бачите світла від іскор (бо не стоїте перед дзеркалом у темній кімнаті), розчісуючи волосся в дуже суху погоду, утім потріскування таки можете почути.
Тільки-но подумайте: не докладаючи особливих зусиль — просто розчісуючись або знімаючи синтетичну сорочку, ви створили на кінчиках волосся чи на поверхні сорочки електричне поле з напруженістю майже 3 мільйони вольтів на метр. Отже, якщо ви відчуваєте розряд, скажімо, за 3 міліметри від дверної ручки, то різниця потенціалів між вами й ручкою становить приблизно 10 000 вольтів.
Ця цифра здається страхітливою, але левова частка статичної електрики не становить небезпеки, головним чином тому, що хоч напруга й дуже висока, сила струму (кількість заряду, що проходить крізь вас за певний проміжок часу) мізерна. Якщо ви не проти, щоб вас трохи трусонуло, можете поекспериментувати — це цікаво і водночас наочно демонструє закони фізики. Проте ніколи не встромляйте жодних металевих предметів в електричні розетки. Це небезпечно для життя!
Краще спробуйте наелектризувати себе, потерши шкіру поліестером (робіть це в туфлях із гумовою підошвою або у в’єтнамках, щоб заряд не «витікав» у підлогу). Вимкніть світло й поступово підносьте палець дедалі ближче до металевої лампи або дверної ручки. Ще до того, як ви торкнетеся до них, у повітрі між металом і вашим пальцем має проскочити іскра. Що сильніше ви себе наелектризуєте, то більшою буде різниця потенціалів між вами і дверною ручкою, а отже, іскра буде потужнішою, а потріскування — гучнішим.
Один мій студент увесь час мимоволі електризувався. Він розповів, що в нього є халат з поліестеру, який він одягає тільки взимку. Як з’ясувалося, це був невдалий вибір, бо щоразу, знімаючи халат, хлопець електризувався, а потім, коли вимикав нічник біля ліжка, його било струмом. Виявляється, людська шкіра — один з найбільш позитивних матеріалів у трибоелектричному ряді, а поліестер — один з найбільш негативних. Тому краще одягати поліестерову сорочку, якщо ви хочете побачити іскри перед дзеркалом у темній кімнаті, але не варто взимку перед сном вбиратися в халат із цієї тканини.
