Всё о науке за 60 минут

Если бы вы попытались направить постоянный ток 12 В от электростанции сразу в дом, пусть и находящийся всего в километре, вам потребовалось бы уменьшить сопротивление в кабелях до такой степени, что провод стал бы просто непрактичным. Его диаметр составил бы 50 см. Даже для дома средних размеров с источником постоянного тока в 12 В в гараже вам понадобятся провода в четыре раза толще тех, что у вас есть сейчас. Оказывается, вплоть до того момента, когда вам необходим уже собственно постоянный ток, гораздо проще использовать переменный.

Я понимаю, что едва ли вы хотели бы стать коллекционером разнообразных электрических адаптеров, но ничего с этим не поделать. К сожалению, все наши электронные устройства полагаются на тонкие кремниевые микросхемы и чипы, которые требуют движения тока только в одном направлении, и потому им нужен постоянный ток. Важно понять и то, что современные адаптеры не только эффективнее и меньше, но и не используют электричества, когда к ним ничего не подключено. Однако их неизбежность определяется фундаментальными законами физики.

Электризация автокресел

Типичная искра, возникающая, когда вы выбираетесь из кресла автомобиля, составляет около сантиметра в длину, и в сухом воздухе напряжение такого разряда легко может доходить до 20–30 кВ статического электричества. Двадцать тысяч вольт звучит как очень большой и опасный электрический разряд, но все мы испытывали и гораздо большее напряжение без каких-либо долгосрочных негативных последствий.

Наше понимание статического электричества уходит корнями в историю науки: считается, что впервые оно было упомянуто древнегреческим философом Фалесом Милетским в 600 году до нашей эры. Он заметил одну вещь. Если янтарь потереть о шерсть кошки, можно услышать его едва заметные потрескивания и увидеть искры. (Наверняка Фалес, размышляя над этим явлением, разозлил не одну кошку.)

Нам пришлось ждать более 2 000 лет: лишь в конце XIX века люди начали понимать, почему кошки и янтарь порождают искры. В основе любого электричества лежит электрон – частица, открытая Джозефом Джоном Томсоном, профессором из Кембриджского университета в Великобритании. Томсон понял, что именно скопление этих невероятно крошечных частиц, каждая из которых несет электрический заряд, и ответственно за электричество.

Когда Фалес натирал свою кошку куском янтаря, электроны из меха животного переходили в янтарь, что делало мех в незначительной степени положительно заряженным и создавало отрицательный заряд на янтаре. В конце концов, когда разница в этих зарядах становилась достаточно большой, между янтарем и мехом начинали летать искры (ну а кошка, по-видимому, убегала). Как выяснилось, многие вещества отличаются тем, что хорошо отдают электроны, а другие – тем, что с радостью их принимают. Ученые долго экспериментировали с этим явлением и создали целый список трибоэлектрических веществ, где греческий корень «трибо» переводится как «тереть». В нем представлены различные материалы: от тех, что хорошо отдают электроны и имеют тенденцию становиться положительно заряженными при трении, до тех, что хорошо принимают электроны и становятся отрицательно заряженными. Почти в самом верху списка, где располагаются положительно заряжаемые вещества, находятся человеческие волосы, чуть ниже – мех кошки и гораздо ниже – по сути, уже ближе к другому концу ряда – та самая резина, из которой делают воздушные шарики. Именно поэтому если вы натираете волосы надутым воздушным шариком, то заряжаетесь статическим электричеством и ваши волосы встают дыбом. Теперь они положительно заряжены, так как отдали электроны воздушному шару. Ну а поскольку положительно заряжен и каждый волос в отдельности, они отталкиваются друг от друга. Но притягиваются к отрицательно заряженному воздушному шарику.

Все мы испытывали на себе действие такого накопления электрического заряда и знаем это явление как статическое электричество, поскольку оно именно такое – неподвижное. Электричество от батарейки или из розетки течет по проводникам – металлическим проводам, а статическое электричество образуется на диэлектриках – таких непроводящих материалах, как волосы, резина и мех кошки. О статическом заряде мы узнаем только тогда, когда волосы начинают вставать дыбом или палец пронзает искра. Оказывается, воздух – никакой не диэлектрик. Он может быть проводником электричества. Если между двумя соседними объектами накапливается достаточное количество статического заряда, то вся конструкция в какой-то момент срабатывает как искровой промежуток[24], нейтрализуя положительные заряды отрицательными. Когда это происходит, трение, вызванное потоком электронов, нагревает воздух до высоких температур и создает раскаленный добела поток сверхнагретых молекул, то есть молнию. Внезапное нагревание воздуха, а затем его охлаждение порождает всем известный треск – гром. В зависимости от влажности воздуха для каждого сантиметра длины искры необходимо напряжение от 15 до 30 кВ.