Текст книги "Из грязи и золота (СИ)"

Автор книги: София Баюн

сообщить о нарушении

Текущая страница: 10 (всего у книги 20 страниц)

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).

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).

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.

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.

Майже всі знають, що визначити, як далеко від нас блискавка, можна за часом, який минає між моментами, коли ми бачимо спалах і чуємо грім. Але пояснення цієї закономірності дає нам змогу уявити, які потужні сили задіяні в цьому процесі. Воно не має нічого спільного з поясненням, яке я почув якось від одного студента: блискавка створює щось на зразок зони низького тиску, а грім виникає, коли в цей пролом несеться повітря і зіштовхується з повітрям з іншого боку. Насправді все майже точнісінько навпаки. Енергія блискавки розжарює повітря до 20 000 градусів за Цельсієм — що більш ніж утричі гарячіше, ніж на поверхні Сонця. Це розжарене повітря створює потужну хвилю тиску, яка врізається в прохолодніше повітря, що її оточує, і в результаті виникають звукові хвилі. У повітрі звук за три секунди проходить приблизно кілометр, тому, відраховуючи секунди, можна досить легко визначити відстань до блискавки.

Таке різке нагрівання повітря пояснює ще одне явище, яке ви, мабуть, спостерігали під час грози. Ви помічали, як по-особливому пахне в повітрі після грози за містом: якоюсь свіжістю, наче гроза начисто вимила повітря? Цей запах у місті відчутний слабко, бо в атмосфері повно вихлопних газів від автівок. Але навіть якщо вам знайомий цей дивовижний аромат (якщо ні, раджу згадати про це, коли ви наступного разу вийдете надвір одразу після грози), я впевнений, ви не знали, що це запах озону — різновиду кисню, молекула якого складається із трьох атомів. Молекули звичайного кисню, що не має запаху, складаються із двох атомів і називаються О2. Утім страшний жар від розряду блискавки розриває молекули звичайного кисню — не всі, але значну кількість. А ці окремі атоми кисню нестабільні, тому приєднуються до молекул О2, утворюючи О3 — озон.