65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё - Кирилл Викторович Половников

вы снимаете шерстяной свитер, шелковую или синтетическую кофточку. В физике же изучение электричества начинается с самых базовых его элементов – электрических зарядов. Именно их движение является причиной и тока в проводах, и искрящегося свитера.

Но откуда берутся эти самые электрические заряды? А ниоткуда! Точнее, они всегда рядом с нами, вокруг нас, и даже мы сами состоим из этих электрических зарядов – элементарных частиц: протонов и электронов[12]. Но об их существовании физики узнали только в конце XIX – начале XX века. А до этого было известно только, что существует два типа электрических зарядов: положительные и отрицательные. Еще их называли «стеклянное» и «смоляное» электричество, потому что они появлялись при трении стекла о шёлк и смолы о шерсть – но, согласитесь, более удобно обозначать тип заряда просто знаком «+» или «—». Более того, при дальнейшем изучении электрических зарядов выяснилось, что одноименные заряды (например, «+» и «+») отталкиваются друг от друга, а разноименные («+» и «—») притягиваются. Возможно, отсюда и пошла поговорка «противоположности притягиваются».

Точное математическое выражение для величины этой силы взаимодействия электрических зарядов описал и проверил экспериментально французский физик Шарль Огюстен де Кулон (1736–1806) в 1785 году:

Здесь q1 и q2 – электрические заряды, r – расстояние между ними, а коэффициент k – фундаментальная постоянная электростатического взаимодействия, одинаковая для всех тел во Вселенной. Из закона Кулона следует, что чем больше расстояние между зарядами, тем меньше сила их взаимодействия, и наоборот – чем ближе заряды друг к другу, тем с большей силой они воздействуют друг на друга.

Наблюдательный читатель наверняка заметил, что формула закона Кулона очень напоминает закон всемирного тяготения Ньютона[13]. Отличие лишь в том, что Кулон заменил массы тел на их заряды, а константу гравитационного взаимодействия заменил на электрическую. Тем не менее есть одно существенное отличие – электрические заряды могут быть двух противоположных знаков, в то время как масса – это всегда положительная величина. Поэтому электрические заряды могут как притягиваться, так и отталкиваться друг от друга. Также следует отметить, что гравитационное взаимодействие, например, электронов в миллиарды и миллиарды раз меньше электрического. К примеру, сила гравитационного притяжения между двумя электронами примерно в 1042 раз меньше, чем сила их электрического отталкивания. Поэтому практически на все процессы взаимодействия молекул, атомов и элементарных частиц (за исключением самых экстремальных, наподобие тех, что происходили в ранней Вселенной) гравитация не оказывает никакого влияния, а основную роль играет именно электромагнетизм.

Но если все тела состоят из огромного числа заряженных частиц (протонов и электронов), то почему же тогда в обычной жизни мы не ощущаем таких огромных сил притяжения или отталкивания между ними? А дело тут в том, что протоны имеют положительный заряд «+е», а электроны – точно такой же отрицательный «—е», где е означает элементарный электрический заряд (элементарный потому, что невозможно получить заряд, который будет еще меньше[14]). А поскольку в атомах, из которых всё состоит, количество протонов и электронов одинаковое, то и заряд каждого атома равен нулю. Именно поэтому все предметы вокруг нас обычно электрически нейтральны, т. е. имеют суммарный электрический заряд, равный нулю. А значит, и электрические силы между ними не действуют.

Но тем не менее мы можем получить немного электричества даже в домашних условиях, потерев пластиковую ручку, или расческу, или воздушный шар о свои волосы. А можно и о свою кошку или собаку, если они бегают у вас где-то рядом. Такое электричество называется статическим, а сам процесс – электризацией трением. При трении электроны (поскольку они гораздо меньше и подвижнее, чем протоны) с волос «перебегают» на ручку или расческу, так что ручка или расческа получает отрицательный заряд (ведь на ней скопилось слишком много электронов), а на волосах остается избыточный положительный заряд (ведь часть отрицательно заряженных электронов «убежала», а все положительно заряженные протоны остались на своих местах). Получается, что у каждого волоса будет заряд одного знака. Поэтому все они начинают отталкиваться друг от друга и стремятся отдалиться от остальных волос как можно дальше.

Со временем физики научились не только получать электрические заряды (это не так уж и сложно), но и накапливать их в больших количествах в специальных конденсаторах – лейденских банках. Их изобрели в 1745 году голландский ученый Питер ван Мушенбрук (1692–1761) и его ученик, жившие в Лейдене, поэтому банки так называются. Это открытие позволило более детально изучить поведение электрических зарядов. А самое главное – то, как заряды могут перемещаться в пространстве. Выяснилось, что заряды могут «перебегать» с одного тела на другое (хотя и не все тела одинаково хорошо проводят электричество). Такое направленное движение электрических зарядов получило название электрический ток. Его в обычной жизни мы тоже называем электричеством.

Вопрос 11. Что такое электрическое поле?

Изучая различные механические процессы, мы привыкли думать, что взаимодействие между телами происходит за счет их непосредственного контакта или даже столкновения. Но это лишь одна часть всех сил, существующих в природе, – контактные силы. Например, сила трения, сила реакции опоры, даже сила сопротивления воздуха, которая тоже возникает при непосредственном контакте с воздухом.

Однако есть и другие взаимодействия, которые происходят без непосредственного контакта между телами, когда взаимодействующие тела расположены на некотором (иногда даже очень большом) расстоянии друг от друга. Такие силы называются бесконтактными. Например, уже знакомая нам гравитация. Ведь когда книга падает на пол под действием гравитации, никакого контакта между книгой и полом нет (во всяком случае, пока книга не упадет). Пол или планета Земля ни за какую веревку не притягивает эту книгу к себе. Но тем не менее существует какая-то сила, вынуждающая книгу двигаться по направлению к Земле. Та же самая сила гравитации удерживает Луну на орбите Земли, не давая ей улететь в космос. Да и сама Земля вращается вокруг Солнца тоже под действием гравитации, несмотря на то что их разделяют миллионы километров пустого пространства. Еще одним примером бесконтактной силы является электростатическая сила, возникающая между заряженными телами. Она также действует на расстоянии, без контакта между телами.

Так вот, для описания такого рода взаимодействий физикам пришлось изобрести концепцию поля. Ее впервые предложил выдающийся английский физик Майкл Фарадей (1791–1867) в своей работе 1845 года, и с тех пор различные поля стали одним из основных инструментов описания всевозможных процессов и явлений. Для обыденного сознания