Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса - Элен Черски

В наше время удар электрического тока для большинства из нас – это непосредственное и яркое напоминание об электричестве. Между тем в повседневной суете мы забываем о его вездесущности в нашей жизни. Стены зданий, всевозможные электронные устройства, автомобили и осветительные приборы, часы и электрические фены – буквально все вокруг пронизано электричеством. Но электричество – это не только электрические розетки и провода, электрические цепи и плавкие предохранители. Все это лишь зримые свидетельства способности человека использовать данное явление в своих целях. Наша планета буквально жужжит от пронизывающего ее электричества, причем его можно обнаружить в самых неожиданных местах. Примером может служить обычная пчела.

Представьте теплый погожий летний день в каком-нибудь английском саду. В аккуратно подстриженной траве порхают с места на место в поисках корма птички. Цветы, высаженные на клумбе заботливыми руками хозяев, ведут неспешную, но тем не менее ожесточенную борьбу друг с другом за воду, питательные вещества, солнечный свет и внимание со стороны насекомых-опылителей. По травке стелется аромат жасмина и душистого горошка, рекламируя достоинства того и другого. Над клумбой деловито жужжит пчела, проверяя, нельзя ли здесь чем-нибудь поживиться. На человека такая сцена производит расслабляющее впечатление, но для пчелы это тяжелый труд, расслабляться ей некогда. Чтобы держаться в воздухе, пчела вынуждена прилагать немалые усилия. Ей приходится непрестанно махать своими крошечными крылышками, совершая примерно двести взмахов в секунду. Это постоянное взбивание воздуха настолько интенсивно, что мы способны слышать создаваемые им вибрации – жужжание. Для пчелы оказываемое воздухом сопротивление ощущается гораздо сильнее, чем для человека. С каждым взмахом крылышек ей приходится преодолевать значительное сопротивление со стороны молекул воздуха. Когда вы летите, изо всех сил колошматя крыльями воздух, ваш полет кажется не столь величественным и элегантным, как парение орла. Но если у вас нет иного способа перемещаться по воздуху, то годится и такой. Пчела останавливается в полете на секунду возле розовой петунии, прежде чем решить, что этот цветок заслуживает более тщательного обследования. Подлетев к цветку, но еще не успев прикоснуться к нему, пчела совершает неожиданный маневр. Пыльца, сосредоточенная в центре петунии, внезапно вздымается в воздух, оседая на волосках «воротника», в который укутана пчела. Усевшись на цветок, пчела принимает на себя дополнительную порцию пыльцы. Она еще не успела отведать нектар цветка, но уже приняла на себя покров из ДНК растения, причем все выглядит так, будто пыльца сама «перебралась» на тело пчелы.

Оказывается, полет делает пчелу очень привлекательной – в буквальном смысле слова. Но объясняется это вовсе не ее внешним видом или поведением, а тем, что пчела электрически заряжена – правда, заряд очень слабый. Все дело в том, что, как и в случае с электрическим зарядом, который ударил меня током в момент прикосновения к автомобилю, пчела тоже переносит электроны. Впрочем, на этот раз обошлось без пострадавших.

Собственные электроны пчелы концентрируются возле молекул в ее крылышках. Если что-то проносится мимо пчелы очень быстро (например, воздух) и что-то должно быть сброшено, то этим «чем-то», скорее всего, будет электрон. Именно так все и происходит. Это то же самое, что потереть воздушный шарик о шерстяной свитер: статическое электричество накапливается, а это означает, что в каком-то месте возникает избыток или нехватка электронов. Когда крылышки неистово расталкивали молекулы воздуха на своем пути, электроны смахивались с них в окружающий воздух. На теле пчелы образовывался небольшой положительный заряд, потому что количества оставшихся электронов уже не хватало, чтобы компенсировать положительный заряд всех протонов в ее теле. Однако этот положительный заряд очень мал – и уж во всяком случае недостаточен для того, чтобы человек ощутил удар электрического тока.

Приближаясь к цветку, пчела притягивает отрицательно заряженные электроны и отталкивает положительные заряды. Как северный полюс магнита притягивает к себе свою противоположность (магнитные южные полюса), так и положительно заряженная пчела притягивает к себе отрицательно заряженные электроны. Когда она находится очень близко к цветку, но еще не касается его, ее положительный заряд притягивает поверхность пыльцы с силой, достаточной, чтобы поднять часть пыльцы в воздух и преодолеть небольшой зазор между цветком и пчелой. Затем пыльца прилипает к волоскам на теле пчелы, так же как прилипает к стенке воздушный шарик, на котором скопилось статическое электричество. Когда пчела перелетает к следующему цветку, она переносит на себе всю налипшую на нее пыльцу. Опыление пчелами происходило бы и без статического электричества – исключительно за счет прикосновения к пыльце волосков на теле пчелы, когда она опускается на цветок. В этом случае пыльца прилипала бы к волоскам именно из-за своей липкости. Однако ввиду разности зарядов пыльцы и тела пчелы процесс прилипания существенно ускоряется, начинаясь еще до того, как пчела опустится на цветок[74].

Электроны – крошечные очень подвижные частицы, поэтому, когда электрический заряд перемещается в пространстве, его переносят, как правило, электроны. Несмотря на высокую подвижность электронов, обычно мы не замечаем их движения. Отрицательно заряженные электроны отталкиваются друг от друга, так что, если большое их количество сконцентрируется в каком-то одном месте, они отталкиваются друг от друга и разлетаются в стороны. Значительный заряд никогда не накапливается. Но есть две возможные ситуации, в которых электроны перестают разлетаться в стороны и происходит некоторое накопление заряда: либо электронам просто некуда деваться, либо они не могут двигаться. Когда пчела летит, положительному заряду действительно некуда деваться, поэтому он накапливается снаружи тела пчелы.

Но другая ситуация – когда электроны не могут двигаться – дает нам возможность управлять электричеством. Если пчела опустится на пластмассовый цветочный горшок, положительный заряд не сможет переместиться на пластмассу, поскольку это электрический изолятор. Это означает следующее: хотя в пластмассе предостаточно собственных электронов, они жестко связаны со своими молекулами и не могут свободно перемещаться в таком материале. Сложно добавить в пластмассу хотя бы небольшое число дополнительных электронов или изъять их оттуда, потому что они не могут проскользнуть между собственными электронами пластмассы. Именно в этом особенность электрических изоляторов: они не могут принимать в себя дополнительные электроны или отдавать их. Поэтому, когда пчела садится на пластмассовый цветочный горшок, положительный заряд остается на ней. Если бы пчела опустилась, к примеру, на металлические вилы, то сразу бы лишилась положительного заряда: металлы – превосходные проводники электричества и электроны чрезвычайно легко стекают в них. Причина такого поведения металла заключается в том, что все его атомы охотно делятся друг с другом своими наружными электронами, в результате чего внутри металла образуется нечто наподобие огромного облака, состоящего из электронов, свободно мигрирующих от одного атома к другому. Поскольку эти электроны все время движутся от одного атома к другому и ни один из них не принадлежит какому-то определенному атому, добавление в металл дополнительных электронов или изъятие их оттуда не представляет проблемы.