Щоб досить наочно (і дуже комічно) продемонструвати те, як людина може наелектризуватися, я запрошую студента в поліестеровій куртці сісти перед усіма на пластмасовий стілець (пластик — чудовий ізолятор). Потім, стоячи на скляній пластині, щоб ізолювати себе від підлоги, я починаю бити студента хутром. «Побиття» триває приблизно півхвилини під голосний регіт однокурсників. Унаслідок закону збереження заряду ми зі студентом отримаємо заряди з протилежними знаками, і між нами виникне різниця електричних потенціалів. Я показую всім неонову імпульсну лампу, яку тримаю в руці. Тоді ми вимикаємо в аудиторії світло, у цілковитій темряві я торкаюся студента другим кінцем трубки, — і спалахує світло (а ми обоє відчуваємо невеличкий удар струмом)! Різниця потенціалів між студентом і мною має бути, напевно, щонайменше 30 000 вольтів. Від струму, який пройшов крізь газорозрядну трубку й нас, ми обоє розрядилися. Цей дослід дуже кумедний і наочний.
Частину лекції, присвячену «побиттю», можна переглянути в ролику Professor Beats Student на YouTube: youtube.com/watch?v=P4XZ-hMHNuc.
Глибше дослідити загадки електричного потенціалу мені допомагає надзвичайний пристрій, відомий як електростатичний генератор Ван де Граафа. На вигляд це проста металева сфера, встановлена на циліндричній підставці. Але насправді це оригінальний пристрій, що створює величезні електричні потенціали. Середній максимум генератора в моїй аудиторії — приблизно 300 000 вольтів, але існують і такі, що дають і більше. У перших шести лекціях мого курсу 8.02 «Електрика й магнетизм», які доступні онлайн, можна побачити деякі дуже кумедні досліди з генератором Ван де Граафа. Ви побачите, як я створюю пробій електричного поля — велетенські іскри між великим куполом генератора і меншою заземленою (з’єднаною із Землею) кулею. Як від сили невидимого електричного поля засвічується флуоресцентна трубка і як вона «вимикається», коли повертається перпендикулярно полю. Ви навіть побачите, як я в цілковитій пітьмі (ненадовго) торкаюся одного з кінців трубки, замикаючи коло із землею, і світло стає ще яскравішим. Я скрикую, тому що удар струмом досить відчутний, хоч і абсолютно безпечний. І якщо ви хочете по-справжньому здивуватися (разом з моїми студентами), подивіться, що станеться в кінці 6-ї лекції, де я демонструю приголомшливий метод перевірки на болотний газ, яким користувався Наполеон. Посилання на лекції: videolectures.net/mit802s02_electricity_magnetism/.
На щастя, висока напруга сама по собі вас не вб’є й навіть не зашкодить здоров’ю. Значення має сила струму, що проходить крізь тіло. Сила струму — це кількість заряду за одиницю часу, і, як уже було сказано, її вимірюють в амперах. Саме струм може спричинити серйозні ураження і смерть, особливо якщо його дія не припиняється. Чому струм небезпечний? Якщо максимально просто — тому, що заряди, рухаючись крізь тіло, змушують м’язи скорочуватися. Завдяки надзвичайно слабким електричним імпульсам наші м’язи скорочуються, або «заводяться», що відіграє дуже важливу роль у нашому житті. Але від сильнішого струму м’язи та нерви скорочуються так інтенсивно, що це перетворюється на болісні неконтрольовані судоми. Від ще сильнішого струму зупиняється серце.
Із цим пов’язаний один з найпохмуріших аспектів історії електрики та людського тіла — використання струму для тортур (він може завдати нестерпного болю) і для страти на електричному стільці. Якщо ви бачили фільм «Мільйонер з нетрів», то, мабуть, пам’ятаєте жахливі сцени катування в поліцейському відділку, в яких поліцейські-нелюди доторкалися до Джамала електродами, і він несамовито корчився від болю.
Слабкий струм може бути корисним для здоров’я. Якщо вам призначали фізіопроцедури на спину або плече, то, можливо, робили те, що фізіотерапевти називають електростимуляцією. До ураженого м’яза прикладають електроди, під’єднані до джерела електричної енергії, та поступово збільшують струм. Ви відчуваєте, як м’язи скорочуються та розслабляються наче самі собою, і вам видається це досить дивним.
Електрику використовують для надання медичної допомоги і в складніших ситуаціях. Ви всі бачили серіали, де хтось за допомогою схожих на праски пластин, які називають дефібрилятором, намагається відновити регулярність серцебиття пацієнта. Торік, коли мені робили операцію на серці, лікарям у якийсь момент довелося застосувати дефібрилятор, щоб моє серце знову почало битися нормально, — і це допомогло! Якби не існувало дефібриляторів, ця книжка не побачила б світ.
Щодо летальної сили струму думки розходяться, і на те є очевидна причина — з небезпечними для життя рівнями струму експериментують не так часто. Крім того, є велика різниця, як пройде струм — крізь одну руку чи крізь мозок або серце. На руці може просто лишитися опік. Але майже всі одностайні в думці: струм, більший за одну десяту ампера, може стати смертельним, якщо пройде крізь серце, нехай це і триватиме менше секунди. В електричних стільцях, очевидно, використовували різний струм: близько 2000 вольтів і від 5 до 12 амперів.
Пам’ятаєте, як вам у дитинстві казали не встромляти виделку або ніж у тостер, щоб дістати звідти хліб, бо може вдарити струмом? Таке можливо? Що ж, я щойно переглянув технічні дані трьох побутових приладів у себе вдома: радіо (0,5 А), тостера (7 А) і еспресо-машини (7 А). Ці дані виробники наводять на етикетці більшості приладів. Часом силу струму не вказують, але її доволі просто обчислити, поділивши потужність приладу у ватах на напругу у вольтах (у Штатах це зазвичай 120 вольтів). Більшість автоматичних вимикачів у мене вдома спрацьовують за 15‒20 амперів. Насправді неважливо, який струм проходить крізь ваш 120-вольтний прилад — 1 ампер чи 10 амперів. Головне — це уникати ситуацій, коли ви ненавмисно можете викликати коротке замикання або випадково торкнутися до металевого предмета під напругою 120 вольтів. Якщо ви зробите це невдовзі по тому, як приймете душ, вас може вбити. То який із цього всього можна зробити висновок? Тільки такий: коли ваша мама казала не вставляти ножа в тостер, поки він увімкнений у розетку, вона мала рацію. Якщо вам захочеться відремонтувати якийсь електроприлад, спершу обов’язково витягніть його з розетки. Ніколи не забувайте, що струм може бути дуже небезпечним.
Божественні іскри
Звісно, один з найнебезпечніших видів струму — це блискавка, одне з найдивовижніших електричних явищ. Вона могутня, не завжди передбачувана, загадкова і не всім зрозуміла — усе заразом. У міфології народів світу, від греків до майя, блискавка символізувала або саме божество, або його зброю. І це не дивно. У середньому на Землі щороку відбувається приблизно 16 мільйонів гроз, тобто понад 43 000 на день, майже 1800 щогодини, під час яких утворюється 100 блискавок щосекунди, або понад 8 мільйонів спалахів щодня по всій нашій планеті.
Блискавка виникає через електризацію грозових хмар. Зазвичай верх хмари стає позитивно зарядженим, а низ — негативно. Поки що не зовсім зрозуміло, чому так стається. Хоч вірте, хоч ні, але багато питань у фізиці атмосфери все ще потребують відповідей. Для спрощення поки що уявімо хмару, в якій найближчий до Землі бік заряджений негативно. Унаслідок індукції поверхня Землі, найближча до хмари, стане позитивно зарядженою, і між ними виникне електричне поле.
Фізичний механізм удару блискавки досить складний, але по суті спалах (електричний пробій) виникає, коли різниця потенціалів між хмарою і Землею сягає десятків мегавольтів. І хоча ми вважаємо, що блискавка б’є із хмари в Землю, насправді струм тече в обох напрямках: із хмари у ґрунт і з ґрунту знову у хмару. У середньому сила струму блискавки становить приблизно 50 000 амперів (хоча вона може сягати навіть кількох сотень тисяч амперів). Максимальна потужність типового удару блискавки — майже трильйон (1012) ватів. Утім триває він лише кілька десятих мікросекунди. Тому загалом за один раз вивільняється не більше ніж кілька сотень мегаджоулів енергії. Стільки споживає за місяць лампочка потужністю 100 ватів. Тому отримувати енергію від блискавок не тільки технічно складно, а й не надто доцільно.
