О том, что некоторые материалы могут таинственным образом притягиваться, если потереть их друг о друга, стало известно еще несколько столетий назад. Например, если потереть шелк о стекло, они начнут прилипать друг к другу. Более того, некая сила притяжения действует на них, даже если они находятся поодаль друг от друга.
Стекло и шелк – не единственные материалы, ведущие себя подобным образом. Всякий, кто пробовал потереться о латексный воздушный шарик, знает, что они имеют свойство прилипать – это то же самое явление. Еще одна пара материалов, у которых первые экспериментаторы обнаружили притяжение после трения друг о друга – это парафиновый воск и шерстяная ткань:
Это явление стало еще более интересным, когда обнаружилось, что материалы одного и того же типа после трения о соответствующую ткань всегда отталкиваются друг от друга:
Также было замечено, что если положить стекло, потертое о шелк, рядом с парафиновым воском, потертым о шерсть, они начнут притягиваться друг к другу.
Более того, было обнаружено, что любой материал, после трения демонстрирующий свойства притяжения или отталкивания, можно отнести к одной из двух отдельных категорий: притягивается к стеклу и отталкивается от парафинового воска или отталкивается от стекла и притягивается к парафиновому воску. То есть либо одно, либо другое: материалов, которые бы одновременно притягивались и отталкивались от стекла и парафина или реагировали лишь на что-то одно, найдено не было.
Еще более интересно обстояли дела с тканью, использовавшейся для трения. Оказалось, что если взять два кусочка стекла и два кусочка шелка и потереть их, то отталкиваться друг от друга будут не только кусочки стекла, но и кусочки шелка. То же самое происходило с двумя кусочками шерсти, потертыми о парафиновый воск.
Наблюдать такое было очень странно. После трения ни один из этих объектов внешне никак не изменился, но все же они вели себя не так, как до трения. Выходит, изменение, которое заставляет эти объекты отталкиваться и притягиваться друг к другу, является невидимым.
Некоторые экспериментаторы предположили, что во время трения от одного объекта к другому передаются невидимые «флюиды» и что эти «флюиды» способны на расстоянии инициировать действие некой физической силы. Шарль Дюфе был одним из первых экспериментаторов, продемонстрировавших, что есть два разных типа изменений, вызываемых трением определенных пар объектов друг о друга. О том, что в этих материалах проявлялось более одного типа изменений, говорило то, что в результате получались две разных силы: притяжение и отталкивание. Гипотетическая передача флюидов стала известна как «заряд».
Один из исследователей-первооткрывателей, Бенджамин Франклин, пришел к выводу, что между объектами, которые были подвержены трению, происходит обмен лишь одним флюидом, и что два разных «заряда» – это не что иное, как избыток или нехватка этого флюида. Поэкспериментировав с воском и шерстью, Франклин предположил, что шерсть вытянула из воска некую часть этого невидимого флюида, из-за чего в шерсти получился избыток флюида, а в воске – его недостаток. Эта диспропорция содержимого флюида между шерстью и воском и является причиной силы притяжения, т.к. флюид пытается восстановить свой прежний баланс между двумя этими объектами.
Идея об одном «флюиде», перетекающем при трении из одного объекта в другой, наилучшим образом объясняет наблюдаемое поведение объектов: после трения все эти материалы идеально вписываются в одну из двух категорий и, что еще важнее, два объекта, потертых друг о друга, всегда попадают в разные категории, о чем говорит их неизменное притяжение друг к другу. Другими словами, никогда не было такого, чтобы сразу оба потертых друг о друга объекта становились положительными или отрицательными.
После предположения Франклина о том, что шерсть через трение забирает что-то у воска, тип заряда, ассоциировавшийся с воском, стал известен как «отрицательный» заряд (т.к. он имел нехватку флюида), а тип заряда, ассоциировавшийся с шерстью, стал известен как «положительный» заряд (т.к. имел, видимо, избыток флюида). Кто знал, что эта невинная догадка будет так сильно морочить головы студентам будущего!
Точные измерения электрического заряда были выполнены в 1780-ых годах французским физиком Шарлем Кулоном, который при помощи «крутильных весов» измерил силу, генерируемую двумя электрически заряженными объектами. Труды Кулона привели к созданию единицы измерения электрического заряда, названной в его честь – «кулон». Если две материальные точки (гипотетические объекты, не имеющие наблюдаемой поверхности) имеют заряд в 1 кулон и расположены в 1 метре друг от друга, то они генерируют силу в размере 9 млрд ньютонов (около 900 млн кгс) – либо силу притяжения, либо силу отталкивания (в зависимости от типов заряда, участвующих в процессе). Согласно операциональному определению кулона как единицы измерения заряда (касаемо силы, генерируемой между точечными зарядами), он равен избытку или нехватке около 6250000000000000000 электронов. Или, если сделать обратный пересчет, один электрон имеет заряд примерно в 0,00000000000000000016 кулонов. Поскольку электрон – это наименьший известный носитель электрического заряда, эту цифру стали считать «элементарным зарядом».
Много позднее выяснилось, что «флюид» на самом деле состоит из множества очень маленьких частиц материи, которых назвали «электронами» в честь древнего греческого слова, обозначающего «янтарь» – еще один материал, заряжающийся после трения о ткань.
Строение атома
Дальнейшие эксперименты показали, что все объекты в мире состоят из очень маленьких «строительных кирпичиков», которые называются «атомами», а эти атомы в свою очередь состоят из еще более маленьких компонентов, называемых «частицами». Три типа фундаментальных частиц, содержащихся в большинстве атомов, называются «протонами», «нейтронами» и «электронами». Впрочем, у некоторых атомов нет нейтронов – например, у протия1H (изотоп водорода), самой легкой и распространенной формы водорода (у него лишь один протон и один электрон). Атомы слишком малы, чтобы их можно было увидеть человеческим глазом, но если бы мы все же могли взглянуть на атом, то он, возможно, выглядел бы как-то так:
Хотя каждый атом внутри объекта старается оставаться цельным, между электронами и центральным скоплением протонов/нейтронов имеется немало пустого пространства.
Картинка выше показывает строение углерода: шесть протонов, шесть нейтронов и шесть электронов. Важным свойством атома является то, что протоны и нейтроны находятся в очень жесткой сцепке. Это скопление крепко сцепленных друг с другом протонов и нейтронов в центре атома называется «ядром», а количество протонов в атоме определяет то, что это за химический элемент: поменяйте количество протонов в ядре атома и вы измените тип атома. Что интересно, если вы сможете убрать три протона из ядра атомасвинца, то воплотите давнюю мечту алхимиков – создадите атомзолота! Крепкая сцепка протонов в ядре ответственна за незыблемость химических элементов, а также за то, что мечтам алхимиков так и не суждено было сбыться.
Нейтроны гораздо меньше влияют на химический тип атома, чем протоны, но (т.к. они крепко прицеплены) их точно так же трудно извлечь из ядра. При изъятии или добавлении нейтронов химический элемент не изменяется, но слегка меняется масса атома, что может повлечь появление странных ядерных свойств вроде радиоактивности.
Но у электронов гораздо больше свободы касаемо перемещения по атому, чем у протонов и нейтронов. Их можно даже выбить со своих мест (вплоть до того, что они совсем покинут атом!), и для этого требуется гораздо меньше энергии, чем для того, чтобы выбить частицы из ядра. В этом случае химический элемент не изменится, но возникнет важный дисбаланс. Электроны и протоны уникальны в том смысле, что притягиваются друг к другу на расстоянии. Именно эта сила вызывает притяжение потертых объектов друг к другу – электроны покидают свои «родные»атомы, поселяясь в атомах другого объекта.
Электроны склонны на расстоянии отталкиваться от других электронов, как и протоны – от других протонов. Единственная причина, по которой протоны крепко держатся в ядре атома – это еще более мощная сила, которая называется «сильным ядерным взаимодействием», действующая лишь на очень маленьком расстоянии. Именно из-за этого притяжения/отталкивания между отдельными частицами говорят, что электроны и протоны имеют противоположные электрические заряды. То есть у каждого электрона отрицательный заряд, а у каждого протона – положительный. Если их одинаковое количество внутри атома, они уравновешивают друг друга, благодаря чему полный заряд атома равен нулю. Именно поэтому на изображении выше у углерода имеется шесть электронов: чтобы уравновесить электрический заряд шести протонов в ядре. Если электронов не хватает или при появлении лишних электронов в атоме происходит дисбаланс электрического заряда, благодаря чему заряд получает уже сам атом, что заставляет его взаимодействовать с заряженными частицами и другими заряженными атомами поблизости. Нейтроны ни притягиваются, ни отталкиваются ни электронами, ни протонами, ни даже другими нейтронами, из-за чего считается, что у них никакого заряда нет вовсе.
Прибытие и отбытие электронов – это именно то, что происходит при трении разных пар материалов друг о друга: электроныатомов одного материала при трении покидают свои атомы и переходят в атомы другого материала. Другими словами, электроны и образуют собой «флюид», гипотезу о котором выдвинул Бенджамин Франклин.
Что такое статическое электричество?
Результат дисбаланса этого «флюида» (электронов) между объектами называется «статическим электричеством». Статическое оно, потому что электроны, переместившиеся из одного изолирующего материала в другой, склонны оставаться в своем новом «доме». Если вернуться к случаю с воском и шерстью, то дальнейшие эксперименты показали, что электроны шерсти переходят в атомывоска, т.е. не как в гипотезе Франклина, а наоборот! Но в честь того, что Франклин назвал заряд воска«отрицательным», а заряд шерсти – «положительным», заряд электронов тоже решили назвать «отрицательным». Следовательно, объекты, чьи атомы получили избыток электронов, называют отрицательно заряженными, а объекты, у чьих атомов не хватает электронов – положительно заряженными. Довольно запутанно, но к моменту, когда ученые обнаружили реальную природу электрического «флюида», терминология Франклина слишком сильно упрочилась в научном сообществе, чтобы ее можно было изменить одним щелчком пальца, и так остается по сей день.
Майкл Фарадей (1832) доказал, что статическое электричество аналогично тому, что генерируется батареей или генератором. Статическое электричество – это часто помеха. Например, в черный и бездымный порох добавляется графит, чтобы не допустить воспламенения из-за статического электричества. Кроме того, оно повреждает хрупкую полупроводниковую электронику. Впрочем, можно делать моторы, питаемые высоким напряжением и низкой силой тока статического электричества, хотя это не экономно. Впрочем, статическое электричество все же нашло практическое применение в некоторых изобретениях: электрографической печати, электростатическом воздушном фильтре и генераторе (высокого напряжения) Ван де Граафа.
Итого
Все материалы сделаны из крошечных «строительных кирпичиков», называющихся «атомами».
