Всё о науке за 60 минут - Марти Джопсон

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.

Итак, как же все эти древнегреческие кошки с янтарными палочками соотносятся с искрой, которую вы иногда чувствуете, когда выходите из машины? Сиденье в вашем автомобиле спроектировано таким образом, чтобы быть прочным и удобным. Пытаясь этого добиться, дизайнеры автокресел обычно используют полиэстер или иногда ткань с виниловым покрытием для финального слоя своих изделий. С другой стороны, носите вы, вероятно, более удобные материалы, такие как хлопок, шерсть или нейлон. Если обратиться к списку трибоэлектрических веществ, легко заметить, что полиэстер и винил занимают в нем позиции почти в самом низу и отличаются сильной склонностью к захвату электронов и отрицательному электрическому заряду. А материалы, из которых сделана ваша удобная одежда, располагаются в этом списке выше, они с легкостью отказываются от электронов и получают положительный электрический заряд. Когда вы выходите из машины, то поворачиваетесь на сиденье, вытягивая ноги. При этом хлопчатобумажная ткань трется о полиэстер. Уже это действие порождает огромный перенос электронов от вас к автомобилю. Ну а поскольку единственная часть тела, которая касается автомобиля, это ваша рука, держащая пластиковую непроводящую ручку двери, то этот заряд остается на вас, когда вы выходите из машины и поднимаетесь над сиденьем. Теперь вы стоите на земле, допустим в ботинках с изолирующей резиновой подошвой, и опять же положительный заряд, который вы накопили, остается на вашем теле, особенно если это сухой день. Но вы хотите закрыть дверь. И когда кончик вашего пальца касается дверцы, электроны соскакивают с металла машины, что нейтрализует ваш положительный заряд. Искра легко может достигать длины в 1 см, а следовательно, сила разряда способна добраться до отметки 30 кВ в сухой день. К несчастью для вас, на кончиках пальцев особенно много нервных окончаний, которые стимулирует искра, так что вы чувствуете пусть недолговременную, но острую боль.

Да, чаще всего это лишь мимолетная боль, однако подобная ситуация как таковая способна привести к гораздо более серьезным последствиям, особенно когда вы заправляете свой автомобиль бензином. Пустой топливный бак до краев заполнен парáми бензина, и при заливании топлива все эти пары выходят наружу. На многих заправочных станциях, после того как вы начнете перекачивать топливо, можно блокировать ручку насоса, что позволит вам отойти в сторону и дать возможность работать автоматике. Но, к сожалению, часто люди не отходят в сторону, а возвращаются в тепло автомобиля, чтобы подождать. Когда они встают с кресла, то заряжают себя электронами за счет трения одежды о покрытие автокресла и разряжаются лишь тогда, когда касаются ручки бензонасоса, создавая искру. И выходящие из бака пары бензина могут от этого чудовищно быстро воспламениться.

Есть несколько способов избежать создания статической искры, когда вы покидаете свой автомобиль. Например, когда вы уже вышли, можно коснуться