Детский университет. Исследователи объясняют загадки мира. Книга первая - Ульрих Янссен

Плюс и минус притягиваются, потому что очень хотят обменяться зарядами. Мы уже узнали, что на отрицательном полюсе электронов слишком много, а на положительном — слишком мало. Логично, что электроны убегают туда, где для них больше места: даже непоседам хочется в конце концов найти пристанище. Нам повезло, что электроны не сразу находят себе подходящие атомы, в которые можно переселиться. Дело в том, что существуют тела, которые обычно не впускают в себя электроны. Например, одно из таких тел — изолента.

Если папа обмотает изолентой провод настольной лампы, то электроны не убегут из него. У изоленты слишком большое сопротивление. Правда, существуют и материалы с малым сопротивлением. Например, медная проволока. Иными словами, удастся ли электронам побежать дальше, зависит от того, как велико сопротивление и насколько велика разница между плюсом и минусом. Эта разница называется «напряжение». Чем больше электронов толпится на отрицательном полюсе и чем меньше их на положительном, тем выше напряжение между полюсами. Сложновато сказано, но на самом деле это очень просто.

Нужно только представить себе мальчика и девочку, которые влюбились друг в друга. Сначала они тайком поглядывают друг на друга, краснея, если кто-то это замечает, и задумчиво рисуют сердечки в тетрадях по математике. Но уже с первой встречи на перемене между ними чувствуется напряжение, оно повисает в воздухе, и разрядить его можно, только если вместе пойти в кино. Но, к сожалению, часто бывает так, что до похода в кино проходит немало времени.

Виновато в этом сопротивление в самых разных видах: например, одноклассники, отпускающие глупые шуточки, неумные родители со своими запретами или компания друзей, которая точно знает, как надо делать и как не надо. Это сопротивление будет удерживать мальчика и девочку от похода в кино до тех пор, пока любовь и напряжение между ними не усилятся в несколько раз. Электрический ток устроен подобным же образом, только здесь, образно говоря, секстиллионы мальчиков и девочек ждут не дождутся, когда можно будет вместе пойти в кино. И наступает момент, когда они преодолевают даже самое большое сопротивление.

Заряды. Поля. Напряжение. Сопротивление. Пожалуй, теперь мы выучили достаточно, чтобы снова обратиться к Бенджамину Франклину и молнии. Как вы помните, Франклин предполагал, что облака перед грозой заряжены электричеством и ищут разрядки. Тогда молния — это такой совместный поход в кино, свидание неба и земли. Но как это доказать?

Идея доказательства пришла в голову Франклину в 1752 году. Нужно соединить облака с землей и посмотреть, возникнет ли электрический разряд. Исследователь соорудил воздушный змей — не бумажный, а шелковый, потому что во время грозы бумага бы сразу промокла.

На одном конце змея он закрепил железный гвоздь, к другому концу привязал пеньковую веревку. И вот однажды в июле наступила подходящая погода. Когда собралась гроза, Франклин выбежал на улицу вместе с маленьким сыном и запустил змея. К концу веревки он привязал металлический ключ, чтобы увидеть, проходит ли по веревке электричество.

В этот день ему повезло вдвойне. Во-первых, очень скоро волоски пеньковой веревки встали дыбом, а вокруг ключа заискрило. Значит, по веревке проходил ток, то есть доказательство было получено. А во-вторых, в змей не ударила молния. А это вполне могло произойти и означало бы верную смерть Франклина. Он и не догадывался, как велико напряжение между облаками и землей и какой опасный эксперимент он проводит. Но риск Франклина был вознагражден: его опыт доказал, что молния возникает благодаря электрическому заряду облаков.

Но как заряжаются облака? Можно подумать, летом к ним то и дело поднимается великан Голиаф, чтобы потереть их тканью? Или где-нибудь есть гигантская розетка для облаков? Как это происходит в действительности, Франклин не знал, и, как ни странно, ученые до сих пор не до конца понимают этот процесс. Но большинство из них считает, что электрический заряд связан в первую очередь с движением внутри облаков. Более холодные и более теплые капли воды трутся друг о друга и создают таким образом заряд в разных частях облаков. При этом электроны собираются на нижнем крае облака, образуя отрицательный заряд, а положительный находится в верхней части.

С помощью теории дождевых капель можно объяснить, почему грозы чаще всего бывают летом, даже в безветренную погоду. Влажный воздух сильно нагревается у земли и быстро поднимается в верхние слои атмосферы, где температура ледяная, и вызывает там завихрения. Внутри облачного тумана словно постоянно движется лифт. Мельчайшие частицы льда и воды летают вверх и вниз и трутся друг о друга. От этого — как в случае с янтарем — и возникают электрические заряды и поля. Конечно, гроза бывает не только летом. Электрическое напряжение возникает также, когда ветром приносит воздух низкой температуры, и он сталкивается с областью высокой температуры. В этом случае частицы тоже интенсивно трутся друг о друга.

Мы уже знаем, что нижняя сторона облаков заряжена отрицательно. Теперь нужно представить себе, что этот заряд и его поле действуют на землю как гигантский магнит, заполняющий все пространство между небом и землей. Магнит может притягивать и отталкивать. В нашем случае отрицательный заряд нижней стороны облаков строго отталкивает отрицательно заряженные электроны на земле. В результате на земле увеличивается положительный заряд, то есть напряжение между небом и землей растет.

Со временем напряжение увеличивается до такой степени, что даже воздух, который обычно не проводит электрический ток, уже не препятствие для противоположных зарядов. Предполагают, что напряжение между облаками и землей может достигать ста миллионов вольт. Сравните: в обычной розетке напряжение 220 вольт, но и этот ток может убить человека. Правда, 220 вольт — недостаточное напряжение, чтобы преодолеть сопротивление воздуха, поэтому между дырочками розетки и не сверкает молния. Но в грозу все иначе.