Глазами физика

Напомню, что, как и любые эксперименты со статическим электричеством, этот лучше всего проводить зимой (или в полдень в пустыне), когда воздух сухой, а не влажный. Почему? Потому что воздух не проводник; на самом деле это довольно хороший изоляционный материал. Но если в воздухе много влаги, заряд по ряду сложных причин, которые мы не будем сейчас обсуждать, может ослабнуть. Влажный воздух не позволяет заряду накапливаться на палочке, ткани, воздушном шаре или ваших волосах. Вот почему вы подвергаетесь угрозе получить удар током от дверной ручки, только когда воздух очень сухой.

Невидимая индукция

Соберите все перечисленные выше материалы и приготовьтесь созерцать некоторые из чудес электричества. Во-первых, зарядите расческу, сильно потерев ею о волосы, предварительно убедившись, что они очень сухие, либо же натрите ее куском шелка. Нам известно, что благодаря трибоэлектрическому ряду расческа наберет отрицательный заряд. Теперь остановитесь на минуту и подумайте, что произойдет, если поднести расческу к кучке бумажных обрывков, и почему. Я бы понял, если бы вы, подумав, сказали: «Совершено ничего».

Поднимите расческу на несколько сантиметров над бумажной кучкой и, медленно опуская, внимательно наблюдайте за происходящим. Удивительно, не правда ли? Попробуйте еще раз, это не случайность. Некоторые из клочков бумаги будут прыгать вверх до самой расчески, другие «приклеиваются» к ней и, немного продержавшись, падают обратно вниз, а третьи так и остаются прилипшими. По сути, немного поиграв с расческой и бумажками, вы можете добиться того, что обрывки будут стоять на ребре, а то и танцевать на поверхности расчески. Что же это такое? Почему одни бумажки прилипают, а другие подпрыгивают, дотрагиваются до расчески и тут же падают обратно вниз?

Это отличные вопросы с отличными ответами. Вот с чем мы имеем дело. Отрицательный заряд на расческе отпугивает электроны в атомах бумаги, так что, даже будучи несвободными, они немного больше времени проводят на дальней стороне своих атомов. В этом случае стороны атомов, которые находятся ближе всего к расческе, становятся совсем чуть-чуть более положительно заряженными, чем раньше. Таким образом, склоняющаяся к положительному заряду кромка или сторона бумага притягивается к отрицательному заряду на расческе, и очень легкие бумажки подпрыгивают к ней. Но почему их сила притяжения доминирует над силой отталкивания, существующей между отрицательным зарядом расчески и электронами в бумажках? Потому что сила электрического отталкивания – и притяжения – пропорциональна силе зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Это всем известный закон Кулона, названный в честь французского физика Шарля Огюстена де Кулона, сделавшего это важное открытие. Вы наверняка заметили удивительное сходство данного закона с законом всемирного тяготения Ньютона. Обратите также внимание, что мы называем основную единицу измерения электрического заряда кулоном: положительно заряженная единица – это плюс 1 кулон (около 6 × 10¹⁸ протонов), а отрицательно заряженная соответственно – минус 1 кулон (около 6 × 10¹⁸ электронов).

Закон Кулона, по сути, гласит, что даже очень небольшая разница в расстоянии между положительными и отрицательными зарядами может оказывать мощный эффект. Или, иначе говоря, сила притяжения зарядов, расположенных ближе друг к другу, пересиливает силу отталкивания зарядов, более удаленных один от другого.

Мы называем этот процесс индукцией, так что, приближая заряженный предмет к нейтральному, мы индуцируем заряд на ближней и дальней сторонах последнего, создавая своего рода поляризацию зарядов, в нашем случае в обрывках бумаги. При желании вы можете увидеть несколько версий этого эксперимента в моей лекции для детей и их родителей под названием «Чудеса электричества и магнетизм» по адресу https://www.youtube.com/watch?v=ZspLqdihftY.

Что касается вопроса, почему одни клочки бумаги сразу падают вниз, а другие остаются прилипшими к расческе, то он тоже довольно интересен. Когда кусочек бумаги прикасается к расческе, некоторые из избыточных электронов в ней перемещаются в бумагу. Когда это происходит, между расческой и бумагой по-прежнему может действовать электрическая сила притяжения, но она уже не будет достаточно большой, чтобы противостоять силе тяжести, и, следовательно, обрывок падает вниз. Если же перенос заряда высок, электрическая сила может даже стать отталкивающей и тогда и она, и сила тяжести ускорят падение бумажки.