Отчего свитер «трещит»? И почему бьёт молния?

Трудно и даже невозможно представить нашу жизнь без электричества. Каждый день мы почти автоматически нажимаем кнопки и включаем самые разнообразные приборы и технические устройства, делающие нашу жизнь комфортной. Электролампы освещают квартиры и улицы, электроплита греет, а холодильник охлаждает. Станки, компьютеры, радиоприёмники, телевизоры, телефоны и так далее — все эти устройства используют электричество.

Но с электричеством связана не только работа современных приборов и технических устройств. Оно играет гораздо более важную роль. Электрические силы взаимодействия атомов и молекул ответственны за обмен веществ в нашем организме.

— Так что же представляют собой электрические явления?

Открытие электрических явлений связывают с именем одного из семи мудрецов Древней Греции — Фалеса из Милета, жившего более двух тысячелетий назад.

Ещё в те времена люди находили на берегу моря камешки, которые обладали любопытным свойством: если их натирали шерстью, то к ним прилипали пушинки, лёгкие кусочки сухого дерева или травы.

Такие камешки, выбрасываемые волнами на берег моря, мы сейчас называем янтарём. А вот древние греки янтарь называли электроном. Отсюда и пошло слово электричество.

Лишь в конце XVI века английский учёный Уильям Гильберт обнаружил, что свойством притягивать лёгкие предметы обладает не только янтарь, но и многие другие тела, предварительно натёртые кожей или другими мягкими материалами. Это явление он назвал электризацией. А тела, которые в результате трения приобретают свойство притягивать к себе другие тела, стали называть наэлектризованными или заряженными.

В XVIII веке были установлены два важных свойства электризации. Во-первых, при трении электризуются оба тела (янтарь и шерсть, стеклянная палочка и бумага). Но само трение малосущественно: оно лишь увеличивает площадь соприкосновения тел.

Сказанное мы можем проверить на опыте. Потрём друг о друга чистые и сухие резиновую и стеклянную палочки. А теперь поочерёдно поднесём их к лёгкой станиолевой гильзе. Как видим, обе палочки притягивают её к себе. Значит, электрические заряды при трении появились у обоих тел.

Во-вторых, появляющиеся на телах заряды принципиально отличаются друг от друга. Докажем это на опыте. Для начала потрём стеклянную палочку о кусочек шёлка. А теперь дотронемся этой палочкой до станиолевой гильзы. Гильза оттолкнётся от палочки, отклонится на некоторый угол и останется в этом положении. То же самое произойдёт, если повторить опыт, но вместо стеклянной палочки использовать эбонитовую, предварительно потёртую о шерсть. А если мы сейчас поднесём две наших заряженных гильзы друг к другу, то они сразу же притянутся.

А теперь попробуйте предсказать, изменится ли характер взаимодействия наэлектризованных шариков, если их зарядить одной и той же палочкой (всё равно какой).

Правы будут те, кто предположил, что они оттолкнутся друг от друга. Таким образом, наэлектризованные или заряженные тела взаимодействуют между собой. Причём характер их взаимодействия может быть разным: они либо притягиваются, либо отталкиваются друг от друга, взаимодействуя при этом сильнее или слабее.

Ещё в 1729 году французский учёный Шарль Франсуа Дюфе проведя похожие эксперименты установил, что в природе существует два рода зарядов. Один образуется при трении стекла о шёлк, а другой — смолы о шерсть. Поэтому Дюфе назвал заряды «стеклянным» и «смоляным» соответственно.

А в 1747 году американский учёный Бенджамин Франклин ввёл понятие положительного и отрицательного заряда, соответственно заряда, приобретённого стеклянной палочкой, потёртой о шёлк, и заряда, полученного на янтаре, потёртым о мех.

Подобно тому, как масса определяет интенсивность гравитационного взаимодействия, электрический заряд является количественной мерой способности тел к электромагнитным взаимодействиям.

Чаще всего обозначают электрический заряд малой латинской буквой q. А единицей измерения заряда в СИ служит один кулон. Названа она так в честь французского учёного Шарля Кулона.

Важно запомнить, что частица может и не обладать электрическим зарядом. А вот электрического заряда без частицы не существует.

А теперь давайте подумаем, что означают слова: тело или частица обладает электрическим зарядом? Чтобы ответить на этот вопрос, обратимся к истории. Итак, ещё в 1881 году знакомый нам Герман Гельмгольц высказал гипотезу, объясняющую электрические явления существованием электрически заряженных элементарных частиц.

Под элементарными частицами мы с вами будем понимать мельчайшие неделимые на более простые частицы, из которых построены все тела.

Гипотеза Гельмгольца была подтверждена спустя 16 лет английским физиком Уильямом Томсоном, после открытия им электрона. Электрон оказался меньше самых крошечных атомов и имел отрицательный заряд.

В 1910—1913 годах Роберт Милликен из США и Абрам Фёдорович Иоффе в России провели серию схожих экспериментов, позволивших определить заряд электрона. В этих опытах заряженная очень малая капелька масла (в опытах Милликена) или пылинка цинка (в опытах Иоффе) «зависала» между заряженными пластинами.

Электрическая сила, компенсирующая силу тяжести, зависела от заряда капельки или пылинки, что позволило учёным судить о значении этого заряда. Оказалось, что заряд капельки масла или пылинки цинка не мог принимать любое значение. Это значение всегда было кратно одному и тому же числу — 1,6 ∙ 10^–19 Кл. И этот заряд дальше уже не делился.

Ещё раз обратите внимание, что любой другой заряд, которым обладает тело, кратен заряду электрона, то есть он может быть больше заряда электрона только в целое число раз:

В 1911 году англичанин Эрнест Резерфорд установил, что электроны «живут» в каждом атоме — они непрерывно обращаются вокруг его сердцевины, которую он назвал ядром.

Атомное ядро — это главная часть атома. В нём сосредоточена вся его масса. А состоит ядро из элементарных частиц двух сортов: незаряженных нейтронов и положительно заряженных протонов.

Через 8 лет Резерфорд смог определить заряд протона. Он с очень большой точностью оказался равен модулю заряда электрона, хотя его масса в 1836 раз больше:

Если количество электронов, обращающихся вокруг ядра, совпадает с количеством протонов в ядре, то атом не проявляет электрических свойств. О таком атоме говорят, что он электрически нейтрален.

Но чем дальше электроны расположены от ядра, тем слабее они с ним взаимодействуют. Так, например, при нагревании, трении или под воздействием света некоторые электроны могут покинуть свои атомы и стать свободными.

В атоме, который потерял один или несколько электронов, преобладает положительный заряд. Такой атом называется положительным ионом.

Он стремится притянуть к себе оказавшиеся поблизости свободные электроны или «отобрать» их у соседних атомов, чтобы восполнить потерю и снова стать электрически нейтральным.

Если же атом приобрёл лишний электрон, он будет проявлять свойства отрицательного заряда. Такой атом называется отрицательным ионом. При первой же возможности он вытолкнет лишний электрон, чтобы вновь стать электрически нейтральным.

Согласитесь, что без электричества наш мир выглядел бы совсем иначе. В наши дни существует много полезных приборов и механизмов, которые работают благодаря электричеству. Однако и сама природа способна порождать удивительные электрические явления. Они бывают безобидными и очень опасными, необыкновенно красивыми и просто полезными.

Например, от поколения к поколению передавался страх перед «небесным» огнём — молнией. Люди верили, что это орудие богов. У древних греков им владел Зевс, у славян — Перун, у германских племён — бог Один.

Молния — это искровой разряд электростатического заряда кучевого облака, сопровождающийся ослепительной вспышкой и резким звуком (громом).

Первые разгадки этого опасного природного явления принёс XVIII век. Исследованием молнии занимались американский учёный Бенджамин Франклин и российские учёные Михаил Васильевич Ломоносов и Георг Рихман. Для Рихмана эта работа закончилась печально — он погиб от удара молнии.

Многолетнее изучение молнии помогло доказать, что облако способно накапливать значительный электрический заряд. Облака, проносимые над Землёй ветром с большой скоростью, электризуются. Вокруг этих облаков возникает сильное электрическое поле. А на ближайших к ним телах в результате физических процессов возникает электрический заряд противоположного знака. Такими телами могут быть другие облака, а также поверхность Земли с находящимися на ней высокими предметами.

Если два облака с электрическими зарядами противоположного знака приближаются друг к другу на достаточно близкое расстояние, то между ними происходит разряд — молния, которая сопровождается громом.

Если грозовая туча имеет, например, отрицательный электрический заряд, и проходит близко к поверхности Земли, то создаваемое этим электрическим зарядом поле возбуждает в предметах на Земле положительный электрический заряд. И тогда между тучей и заряженными предметами тоже может произойти разряд.

Уже в древнем мире люди догадались использовать громоотвод для улавливания молний. Громоотвод — это длинный металлический стержень, который устанавливался у дома и отводил электрический разряд — молнию — в землю.

Кстати, громоотвод был также придуман Бенджамином Франклином, правда он назвал своё изобретение «молниеотвод».

Также давно известно, что молнии чаще поражают высокие, одиноко стоящие деревья. Искать под ними укрытия во время грозы — значит подвергать себя реальной опасности.

Любопытно, что некоторые породы деревьев как бы притягивают к себе молнию. Оказывается, молния чаще всего ударяет в дуб — 54 раза из 100, в тополь она попадает 24 раза, а в сосну — 6 раз. А вот в одиноко стоящие берёзу и клён молния совсем не ударяет. Почему? Это для нас ещё остаётся загадкой.

Близкими родственниками опасных молний являются Огни святого Эльма, выглядящее как тихие разряды в форме светящихся пучков или кисточек, возникающие на острых концах высоко расположенных предметов. Морякам их появление на мачтах сулило надежду на успех, а во время опасности — и на спасение.

Электрическая активность оказалась неотъемлемым свойством и живой материи. Электричество вырабатывают клетки всех живых существ, однако наиболее развита эта способность у рыб. Рыбы используют электричество, чтобы убить или оглушить свою добычу.

Например, запаса электроэнергии, которая накапливается в хвосте электрического ската, достаточно для работы 12 электрических лампочек. Скат ударом электрического тока может убить человека. Очень мощные электрические разряды создают пресноводные южноамериканские электрические угри и африканские электрические сомы.

В последнее время все больше выясняется роль электрических процессов в жизни человека. Электрические импульсы заставляют работать наше сердце. Эти импульсы можно распознать, записав их в виде электрокардиограммы.

Нервы в нашем теле также проводят электричество. Электрические импульсы мозга заставляют сокращаться мышцы тела. Электрические сигналы несут информацию, воспринимаемую нашими ушами, глазами, носом, языком и кожей, и направляют её в мозг.