Многие читатели решили познакомиться с электричеством, имея среди прочих желание получить какие-то практически полезные сведения. Может быть, даже научиться ремонтировать утюг или заряжать автомобильный аккумулятор. Но в электротехнике любые практические навыки ты набираешь спокойней, уверенней, если понимаешь суть дела, понимаешь его основы и истоки, иногда, казалось бы, совсем далекие от практики. Полезно, например, задуматься о том, почему греется розетка, в которую включён телевизор, и почему щёлкает выключатель при включении и выключении света. Или задуматься о том, что Вселенная родилась миллиарды лет назад в результате Большого взрыва, от которого наш мир получил нечто такое, что мы сейчас называем электричеством.

Т-11. Каждый человек встречался с электричеством, но далеко не каждый решится объяснить, что это такое. Вопрос «Что такое электричество?», как правило, вызывает затруднение не только у тех, кто всего лишь пользуется электрочайником или ездит на электричке. Даже в учебных книгах обычно уходят от этого вопроса, либо в открытую, скажем, так: «Ответить на этот вопрос пока еще нельзя», либо закрываясь не очень понятными фразами типа: «Электричество — одна из форм движения материи» или «Электричество — совокупность явлений, в которых проявляются электрические заряды». После этого последнего сообщения первоначальный непростой вопрос автоматически превращается в не менее сложный: «Что такое электрический заряд?» — и, как говорится, опять проклятая неизвестность.

Конечно, электричеству нельзя дать простое объяснение такого, например, типа: «Электричество — это синего цвета жидкость с запахом керосина и вкусом огуречного рассола». Но к какой категории понятий относится электричество, где его место в нашей картине мира, на что оно похоже, как обнаруживается, на какие порции делится, почему может быть полезным — обо всём этом можно сказать и обязательно будет сказано. Но чуть позже.

Т-12. Мир, в котором мы живём, устроен намного сложней, чем кажется с первого взгляда. Если раздобыть где-нибудь машину времени, проехаться на ней в далёкое прошлое и побеседовать с тамошним жителем, то он нарисует вам картину мира довольно-таки простую. В ней будет плывущий над нами потолок-небосвод, на котором закреплены звёзды, будет небольшой раскалённый шар, который каждый день перекатывается по небосводу от одного его края до другого, будет трение, рождающее огонь, и холод, превращающий воду в лёд. И ещё будут некоторые твёрдо установленные истины, по нынешней терминологии, законы природы. Например, такие: «Дерево, пожираемое огнём, даёт тепло», «В воде дерево не тонет, а камень тонет», «Всякое тело стремится к земле, тянется к ней по своей собственной воле».

Не торопитесь, пожалуйста, выводить своему далёкому предку двойку по природоведению. Таким же, наверное, виделось бы окружающее любому из нас, если бы он вырос где-нибудь на необитаемом острове без квартиры с водопроводом и паровым отоплением, без магазинов «Гастроном» и без школьных учебников, которые вобрали в себя тысячелетия исследований природы и размышлений. Так что запас знаний человека древнего необученного был для того времени не таким уж скудным, у него, единственного из всех земных обитателей, была своя картина мира.

И всё-таки…

И всё-таки это была картина мира, созданная всего лишь первобытным собирателем плодов, охотником, имевшим в своём арсенале палку и камень. Эту картину, конечно же, не сравнишь с тем, что знает современный человек, пассажир реактивного лайнера, владелец сотового телефона, ровесник электрического изобилия и лунных экспедиций.

ВК-11. Возраст нашей Вселенной примерно 13 миллиардов лет, Солнца — около 5 миллиардов и планеты Земля — 4,8 миллиарда лет. Земля довольно долго остывала и бурно формировала свою поверхность. А примерно 3,5 миллиарда лет назад на ней возникли первые живые клетки, и после 2,5 миллиарда лет их эволюции стали появляться простейшие животные. История человека разумного — примерно 200 тысяч лет, а широко использовать электричество люди научились вообще каких-то 200 лет назад.

Р-1. ВОТ ОНО, ЭЛЕКТРИЧЕСТВО, — УБЕДИТЕСЬ САМИ! Для этих опытов мы выбрали два вполне доступных и широко известных материала — оконное стекло и пластмассу, из которой делают гребёнки или корпуса дешёвых шариковых ручек. В обычном своём состоянии стеклянная и пластмассовая палочки никаких особых свойств не имеют (1), и об этих материалах мы пока можем говорить лишь то, что известно человеку уже много лет, к чему он привык: о массе стекла и пластика, о их форме, размерах, цвете, твёрдости и т. п. Но вот мы натёрли стеклянную и пластмассовую палочки обычной тканью (2), и у них появилось какое-то совершенно новое свойство — у палочек как бы появилась новая сила, которая притягивает лёгкие клочки бумаги. Эта сила преодолевает силу тяжести клочков бумаги (пусть немного, но бумага что-то весит!) — в соответствии с известными законами природы кусочкам бумаги следовало бы падать вниз, а они поднимаются вверх, движутся к натёртым стеклянной и пластмассовой палочкам. Эту силу мы теперь называем «электричество», от греческого слова «электрон», что в переводе означает «янтарь»: почти четыре тысячи лет назад, а может быть, и раньше, загадочные электрические силы были обнаружены при натирании янтаря. Силы эти начинают действовать потому, что в натёртых стекле и пластмассе появляются скрытые ранее особые электрические свойства, или иначе — электрический заряд.

Для подготовки к очень важной второй части нашего опыта отметим, что электрические свойства (электрический заряд) с натёртой стеклянной палочки или с натёртой пластмассовой палочки можно простым касанием частично передать другому предмету, например подвешенному на нитке пенопластовому шарику (3)

Т-13. История человека и человечества в семи абзацах. Историю человечества можно отсчитывать от разных событий, в том числе и от Большого взрыва, в результате которого появилась наша Вселенная. Совершенно непонятно, что было до этого, и не очень понятно, что происходило сразу после Взрыва, хотя некоторые следы последующих событий сохранились до наших дней. Первое время Вселенная, скорее всего, представляла собой гигантское и быстро расширяющееся облако атомных частиц, затем простейших атомов — водорода и получающихся из них чуть более сложных атомов гелия. Через какое-то время в этом газовом облаке стали возникать сгустки, из которых в итоге получались звёзды. Менялось и само вещество Вселенной, в звёздных процессах стали появляться всё более сложные атомы — сегодня их уже около 100 разновидностей. А звёзд в нашей Вселенной сейчас, по грубым, разумеется, расчётам, чуть ли не триллион триллионов — это число, у которого после единицы 24 нуля.

Сначала только у одной из всех известных звёзд — у нашего Солнца — были надёжно обнаружены вращающиеся вокруг этой звезды большие космические тела — планеты. Планета — удобное место для возникновения жизни, и на одной из планет Солнечной системы — на той, которую мы сейчас называем Земля, — жизнь действительно возникла. Сначала появились простейшие одноклеточные организмы, потом, спустя примерно 2 миллиарда лет, многоклеточные, всё более сложные, разделившиеся в какой-то момент на мир растений и мир животных.

Биологическая эволюция — процесс медленный и долгий, и лишь через 4 миллиарда лет после образования первых жизнеподобных структур появилось наиболее совершенное творение живой природы — человек разумный. Он выделился из мира животных благодаря тому, что умел ловко работать, придумал замечательное средство общения — разговорный язык, и, главное, благодаря умению мыслить, соображать, что к чему.

Научившись думать, человек, естественно, прежде всего подумал, как улучшить, облегчить свою нелёгкую жизнь. Размышляя об этом, он всматривался в окружающий мир, давал названия предметам и явлениям, образно говоря, наклеивал на них этикетки со словами-названиями. Так со временем появились слова, о значении которых мы уже и не задумываемся, такие, скажем, как «пространство», «время», «вес», «движение», «масса», «сила», «температура». Все эти слова — всего лишь названия того, что мы получили вместе с миром, в котором живём.

ВК-12. Человек не воспринимает электричество, не чувствует его, как, например, тепло и холод, шероховатость, влажность или вес. Убедиться в том, что электричество существует, можно в простейшем эксперименте: натрите тряпкой пластмассовый предмет, например расчёску, и она начнёт притягивать клочки бумаги. Они должны падать вниз, но какие-то новые свойства натёртой расчёски заставляют бумажки двигаться вверх. Эти долго скрытые от людей свойства были в своё время названы электричеством.

Р-2. ДВА ОДИНАКОВЫХ, НО В ЧЁМ-ТО РАЗНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА. Натирая тканью стекло и пластмассу, можно выявить скрытые в них до этого особые электрические свойства (заряды), которые туг же начнут действовать — одинаково хорошо притягивать мелкие клочки бумаги. Из этих опытов можно сделать вывод: при натирании стекла и пластмассы в них появляются совершенно одинаковые электрические заряды.

Во второй части опыта мы на всякий случай проверим этот очевидный факт, для чего используем несложную установку — доску, к которой подвешены четыре пары совершенно одинаковых пенопластовых шариков (1). Имея две наэлектризованные натиранием палочки, мы передадим этим четырём парам пенопластовых шариков четыре возможные комбинации двух электрических зарядов — с натёртого стекла и с натёртой пластмассы. И самостоятельно придём к выводу, сделанному почти 300 лет назад: электрический заряд бывает двух разных сортов, один из них появился на натёртом стекле, другой — на натёртой пластмассе. Если бы эти заряды были одинаковыми, то пары пенопластовых шариков во всех случаях вели бы себя одинаково.

Две разновидности электрического заряда были названы положительным (появляется при натирании стекла, обозначение «+») и отрицательным (появляется при натирании пластмассы, обозначение «—»). Вывод из этого нашего эксперимента можно сделать очень простой: предметы с одноимёнными электрическими зарядами («плюс» и «плюс» или «минус» и «минус») отталкивают друг друга (1, 2), а предметы с разноимёнными зарядами («плюс» и «минус» или «минус» и «плюс») притягивают друг друга (3, 4).

История человечества, начиная с самых первых его шагов, это в значительной мере история изучения мира, история открытий и изобретений. Главная движущая сила — природные инстинкты, навеки записанные в наследственную память, их называют безусловными рефлексами. В числе этих безусловных рефлексов есть такие, которые управляют жизненно важными процессами: дыханием, пищеварением, работой сердца, мышц, системой равновесия и движения. К безусловным рефлексам относится и исследовательский инстинкт, он помогает человеку выжить и передать эстафету следующему поколению. Заметив, что при ударе камнем о камень появляются искры, человек придумал, как добывать огонь и, сжигая дрова, согреваться в зимнюю непогоду, освещать жилище, употреблять варёную пищу, огнём отгонять хищников. Присмотревшись к падающему с уступа ручью, человек придумал водяную мельницу, заставил работать силу земного притяжения. Изучая поведение водяного пара, он в итоге создал паровую машину, мощнейший заменитель своих мускулов. Поднявшись на исключительно высокий уровень исследований и экспериментов, человек открыл навсегда, казалось бы, скрытый от него источник энергии — ядерные силы. Невозможно без волнения думать о том, как изменил жизнь вечно голодного и замерзающего пещерного жителя его исследовательский инстинкт — его природная пытливость, потребность изучать и изобретать.

Как учит энциклопедический словарь, история — это процесс развития общества, развития отношений между людьми, между государствами, партиями, нациями. Мировая история сплетена из сложных и очень разных процессов и событий, таких, как освоение новых территорий, новых торговых путей, накопление богатств, жестокие войны, благородные поступки, обман и предательство, противодействие стихиям. Скорее всего, выявленный физиологами безусловный рефлекс экономии сил был первопричиной захватнических войн, позволявших разбогатеть, не утруждая себя работой, а также подвёл какого-нибудь пещерного штурмбанфюрера к идее рабского труда. Но, видимо, этот же рефлекс экономии сил надоумил наших далёких предков переложить часть тяжёлой работы на волов, лошадей и осликов, а позже научил человека придумывать машины, помогающие ему работать.

В сложную ткань истории человечества вплетена история научных открытий и изобретений, которую многие политики считают чем-то второстепенным. Но посмотрите, как изменило мир, как повернуло историю изобретение бензинового двигателя, автомобиля и самолёта, открытие цепной реакции деления урана, за которым вскоре последовали атомная бомба и атомные электростанции. И попробуйте представить себе, каким был бы наш мир, наша история, если бы несколько энтузиастов лет двести назад не взялись за изучение электричества. Вспомните, что успехи разнообразных электрических технологий внесли свой немалый вклад в избавление от рабского труда: сегодня на каждого жителя планеты приходится несколько мускулистых электрических работников, десятки исполнительных электрических секретарей и длинноногих электрических курьеров. А на горизонте истории уже видятся новые победы науки, техники, технологии, в том числе связанные с многообразным применением электричества.

ВК-13. Электрические свойства натёртой пластмассы (такие же примерно свойства появляются у натёртого тканью стекла, ВК-16) научились оценивать количественно.

Как, например, в метрах оценивают длину и в килограммах массу. И название у этих свойств теперь строгое и определённое — «электрический заряд». Тот, кто придумал его, видимо, считал, что при натирании в пластмассу или в стекло вталкивают носители электричества, подобно тому, как, заряжая старинную пушку, в неё вталкивали ядро.

Т-14. Люди не быстро выясняли, как что устроено в природе. Сначала, наверное, лишь одинокие смельчаки решались перейти порог дозволенного и увидеть больше, чем хочет показать природа. Эти безвестные эдисоны сделали немало великих открытий и изобретений, таких как рычаг, колесо, ориентировка по звёздам, земледелие. И ещё одно великое изобретение — школа, система передачи знаний, умение передавать их потомкам, чтобы те не начинали все «с нуля».

Три-четыре тысячи лет назад размышления о том, как устроен мир, стали своего рода профессией, но ещё очень долго пограничная линия, отделяющая знание от неизвестности, продвигалась вперёд очень трудно и медленно. Лишь где-то с середины прошлого тысячелетия процесс этот заметно ускорился, а к концу тысячелетия пошла просто какая-то лавина открытий и изобретений. Ещё двести лет назад, или, вернее, всего двести лет назад, люди в повозках или на санях мощностью в три лошадиные силы неделями преодолевали расстояние, которое современный самолёт с тремя сотнями пассажиров пролетает за несколько часов. Добавьте к этому радио, телевидение, антибиотики, роботов, цветную фотографию, миллионы автомобилей, синтетические волокна и пластмассы, благоустроенные жилища для миллионов, Интернет, световодную связь, тысячи спутников над планетой. И все это появилось за каких-нибудь сто лет — просто за какое-то мгновение в истории человечества.

ВК-14. Электрический заряд имеется у многих микрочастиц, из которых состоят практически все вещества нашего мира. С этим зарядом связано появление особых электрических сил, так же как появление гравитационных сил связано с существованием массы. Судя по всему, электрический заряд, как и масса, появился в нашем мире при его рождении, во времена Большого взрыва. Это даёт повод подумать о других основных силах природы. Сколько их всего? И в каких процессах они себя проявляют?

Т-15. На сжатой в 30 миллионов раз шкале времени открытие Америки произошло примерно 8 минут назад. В нескольких популярных книгах о науке встречается интересный приём — авторы сжимают время в 30 миллионов раз, и один год на такой сжатой шкале времени превращается в секунду. Вот как располагаются на ней известные события.

Примерно 500 лет назад (фактически 15 миллиардов лет назад, но мы сжали время в 30 миллионов раз, и из 15 миллиардов лет получилось 500 лет) произошёл Большой взрыв, из загадочной непостижимо плотной микроскопической пылинки родилась и стала быстро расширяться наша Вселенная. Около 150 лет назад в неприметном уголке Вселенной из гигантского газопылевого облака, окружавшего рядовую звезду, которой потом дали имя Солнце, образовалась цепочка планет, и в их числе — наша Земля. Лет двадцать Земля остывала (не забудьте: весь отсчёт времени идёт по сжатой шкале, где год — это 30 миллионов реальных лет), а ещё через десять на некоторых участках её поверхности в тёплых водах Мирового океана начались сложные химические процессы с образованием больших саморазмножающихся молекул, началась предыстория жизни. Около ста лет назад появились первые живые клетки, а затем много десятилетий они совершенствовались, специализировались, объединялись в многоклеточные организмы. Лет десять-двенадцать назад появились рыбы и папоротники, пять лет назад — динозавры, которые, правда, уже через год исчезли с лица Земли. Немногим более четырёх лет назад в небо поднялись первые птицы, примерно через год начали появляться млекопитающие.

И только месяц прошёл с тех пор, как из царства животных выделился человек.

Ещё пару дней назад (мы продолжаем описание событий всё в том же масштабе — год отображаем секундой, тысячелетие при этом сжимается до 15 минут, а 100 тысяч лет превращаются примерно в (утки) наши предки жили в пещерах, учились добывать огонь и пользовались простейшими каменными инструментами. И лишь два-три часа назад, после многих дней обитания на планете (масштаб все тот же — час отображает примерно 4 тысячи лет) человек сменил каменный топор на металлические орудия, звериные шкуры на тканую одежду, начал строить города, изобрёл письменность. Чуть больше часа назад возникли могучие государства — Греция, Рим, Египет, началось дальнее мореплавание, культурное земледелие, появились философы, астрономы, математики, инженеры, были созданы разнообразные строительные и военные машины, большие корабли, колесницы, водопровод. Менее 10 минут назад Колумб открыл Америку, через 2 минуты после этого заработал паровой насос, ещё через полторы минуты почти одновременно двинулись в путь паровоз и пароход, вслед за ними, меньше, чем через минуту, появилось некоторое подобие электропоезда. Две минуты назад в России отменили крепостное право, полторы минуты назад выехал на дорогу первый автомобиль и почти в то же время взлетел самолёт, заработал телефон, засветились электрические лампочки, появилось кино, родилось радио. Меньше минуты прошло с того момента, как люди научились добывать энергию, спрятанную в атомном ядре, 40 секунд назад первый из землян полетел в космос, ещё через несколько секунд появились персональные компьютеры, а полминуты назад первые люди высадились на Луне.

Большинство открытий и изобретений последнего столетия так или иначе связано с электричеством, хотя его изучение началось с некоторым опозданием. Люди уже умели печатать книги, строить многоэтажные дома, выплавлять металл и отливать пушки, уже были сконструированы пружинные часы и построена паровая машина, а немногочисленные исследователи-энтузиасты всё ещё повторяли и пытались объяснить простейшие опыты с электричеством, впервые описанные более двух тысяч лет назад (это уже обычные, годы — без пересчёта).

Мы с вами, кстати, сейчас обратимся именно к этим опытам — в них проще всего поискать ответ на непростой и в то же время очень простой вопрос: «Что такое электричество?».

ВК-15. Когда-то считали, что есть пять главных сил: гравитационные, электрические, магнитные, а также действующие только в микромире ядерные сильные и ядерные слабые силы. Однако уже давно доказано, что электричество и магнетизм — это два разных проявления единой электромагнитной силы. А недавно обнаружили новую единую силу, союз трёх — электричества, магнетизма и слабых ядерных сил, — эту тройку назвали электрослабой силой. Теоретики полагают, что со временем может быть обнаружено и «Великое объединение» — единая природа всей пятёрки главных сил.

Р-3. СИЛА, РАБОТАЮЩАЯ ВЕЧНО И ЛИШЬ НЕДАВНО ЗАМЕЧЕННАЯ. Любые физические тела, имеющие массу, например m₁ и m₂, притягивают друг друга (1). Этот процесс мы называем гравитацией, а силы F₁, которые пытаются сблизить массы m₁ и m₂, называем гравитационными силами (1). Из пятёрки главных сил природы (см. Р-10) гравитация самая слабая. Но мы с вами живём на довольно большой планете Земля с массой 6 000 000 000 000 000 000 000 тонн, а сила гравитационного притяжения тем сильнее, чем больше масса хотя бы одного из участвующих в этом процессе физических тел. Поэтому даже небольшие и лёгкие предметы вроде яблока или дорожной сумки, не говоря уже о мешке с зерном или о гранитной глыбе, притягиваются к огромной массе Земли с вполне заметной силой. Животные, развиваясь и совершенствуясь

Электрические силы (2), так же как гравитационные, были получены нашим миром как бы в подарок при его рождении. Электричество играет особо важную роль практически во всём, что было дальше, — от создания устойчивых атомов до появления и развития жизни. Но электрические процессы не столь заметны, не столь доступны, как гравитационные, — скрытое от нашего взгляда электричество приходится изучать для того, чтобы получить доступ к его использованию.

Т-16. Наряду с бессчётными вопросами, на которые можно ответить детально и конкретно, есть немного «почему?», допускающих пока только один ответ: «Так устроен наш мир». Вы подняли с земли небольшой камушек, затем отпустили его, и камушек полетел вниз, упал на землю. Почему? Что за странный вопрос? Камушек полетел вниз, потому что Земля его притягивает. А почему она его притягивает? Вы задумались: что ответить? Можно пошутить: «Почему? Потому что кончается на «у». Можно нагрубить: «Притягивает, потому что притягивает». Можно схитрить: «Мы этого ещё не проходили». Но как тут не мудри, как не хитри, а привычного объясняющего ответа вы не найдёте. Камень притягивается к Земле — это факт. И если начать разбираться, то окажется, что падение камня всего лишь частный случай более общего явления: все физические тела, имеющие массу, все предметы притягивают друг друга.

ВК-16. Гравитация известна одного типа — две массы всегда притягиваются. А вот электрический заряд, оказывается, бывает двух разновидностей — одну назвали положительной (обозначается знаком «плюс», «+»), другую отрицательной (обозначается знаком «минус», «—»). Оба заряда часто действуют одинаково, например, одинаково хорошо притягивают клочки бумаги. А вот друг с другом заряды взаимодействуют по-разному: разноимённые (+ и —) притягиваются, а одноимённые (+ и + или — и —) отталкиваются.

Явление это назвали «гравитация», от латинского слова «гравитус» — «тяжесть». Часто с тем же смыслом употребляют и русское слово «тяготение» (скорее всего от слова «тяга»), прекрасно отражающее существо дела: все объекты нашего мира тяготеют друг к другу, испытывают, так сказать, взаимное гравитационное влечение. Именно это Ньютон назвал законом всемирного тяготения. Переместитесь со своим камушком на Луну, и он там тоже будет притягиваться к «земле» — будет падать на лунную поверхность. При этом камушек будет одновременно притягиваться и к Земле — тяготение всемирное, каждый притягивается к каждому, все ко всем. Но только от Земли камушек уже далеко, а к лунной поверхности — близко. Сейчас Луна тянет его несравнимо сильней, чем Земля, — гравитационные силы с расстоянием резко уменьшаются, и чем ближе один к другому два каких-нибудь предмета, тем сильнее они притягиваются.

По закону всемирного тяготения даже два яблока, которые лежат на тарелке, притягивают друг друга. Но сила притяжения у них ничтожно малая, её никак не хватает на то, чтобы сдвинуть яблоки с места. Дело в том, что сила гравитационного притяжения зависит не только от расстояния, но и от массы притягивающихся предметов или, проще говоря, от того, насколько много в них вещества, насколько много атомов и молекул.

Масса Земли огромна — примерно 6 триллионов триллионов килограммов, шестерка и за ней 24 нуля. Поэтому там, где в гравитационном взаимодействии участвует Земля, появляется довольно большая сила, её вполне хватает на то, чтобы энергично перемещать к земной поверхности выпущенный из руки камень, капли дождя или даже оторвавшийся от дерева очень лёгкий засохший жёлтый лист. А масса Луны в 80 раз меньше, и она притягивает к себе значительно слабее Земли. Поэтому астронавты так легко ходили (можно даже сказать прыгали) по Луне, и для того чтобы оторваться от неё, космическому аппарату хватило одного сравнительно небольшого двигателя.

Кстати, мы допускаем неточность, когда утверждаем, что камушек притягивается к Земле. Притяжение у них взаимное, но Земля тяжёлая, ей трудно сдвинуться с места, а камушек лёгкий, гравитационные силы перемещают его без особого труда.

Но, как говорится, к чёрту подробности — мы заговорили о падающем камне для того, чтобы сделать выводы чрезвычайной важности. Опыт демонстрирует нам явление, которое называют гравитационным притяжением или гравитационным взаимодействием, а коротко — просто гравитацией. Откуда она появилась? Какова природа гравитации? Почему разные предметы притягивают друг друга?

Можно написать цепочку химических формул и объяснить, почему горят дрова. Можно нарисовать несколько схем и объяснить, почему взлетает многотонный самолёт. Но сегодня подобным образом нельзя, невозможно достаточно просто объяснить, почему работает гравитация. Мы своими глазами видим, что камень падает на Землю, видим, что гравитационное притяжение есть. И объясняется оно очень просто и понятно: так устроен наш мир.

ВК-17. Все вещества состоят из атомов, и самый простой из них — атом водорода. В его ядре один протон с положительным электрическим зарядом (+), а вокруг ядра вращается электрон — частица с отрицательным зарядом (—). Электрон под действием центробежных сил «бежит от центра», но убежать не может из-за электрического притяжения к ядру. Так электрические силы обеспечивают устойчивость атомов, вплоть до самых сложных, в ядре которых больше сотни протонов, а на орбитах столько же электронов.

Т-17. Электричество — одна из важнейших важностей нашего мира, одна из действующих в нём главных сил. Все живые организмы знают, что такое гравитация, прекрасно чувствуют её — чувствуют собственный вес или вес предмета, который нужно поднять. А человек не только чувствует гравитационные силы, но уже давно сумел приручить гравитацию, заставил её, например, бесплатно перевозить грузы вниз по реке и вращать жернова водяной мельницы. Коротко говоря, мы с вами полностью свыклись с гравитацией, считаем её совершенно естественным и абсолютно понятным явлением.

ВК-18. Ночная гроза — хороший повод для размышлений о нашей истории. Такие же молнии полыхали миллиарды лет назад (история учит, какой огромный срок тысяча лет, а тут тысяча тысяч — миллион и тысяча миллионов — миллиард), когда из бессчётных молекул в океане сложилась химическая цепочка их размножения. Через 3 миллиарда лет по джунглям уже бродили стада динозавров. А ещё через 60 миллионов лет заработал первый в мире радиоприёмник, названный грозоотметчиком.

Р-4. ТРИ САМЫЕ ПОПУЛЯРНЫЕ МИКРОЧАСТИЦЫ. Все известные нашим химикам миллионы веществ в итоге сделаны из трёх типов микрочастиц: протонов, нейтронов и электронов. Первые две частицы — протон и нейтрон — своего рода тяжеловесы микромира. Каждая из них в триллион триллионов раз легче песчинки, но в то же время почти в две тысячи раз тяжелее электрона. При этом тяжёлый протон и лёгкий электрон в дополнение к массе имеют ещё и электрический заряд, по своей силе одинаковый, но по знаку разный — у протона «плюс» (электричество этого типа появляется при натирании стекла), у электрона «минус» (а он появляется при натирании пластмассы). Нейтрон по своей массе почти такой же, как и протон, но никакого электрического заряда вообще не имеет — об этом говорит само название частицы, которое происходит от латинского слова «нейтрум» — «ни то ни другое».

Около двух с половиной тысяч лет назад древнегреческий философ и исследователь природы Фалес Милетский сообщил своим коллегам, что у гравитации есть соперник, ранее ловко скрывавшийся от людей. Обнаружилось, что если натереть шерстью янтарную палочку (янтарь — окаменевшая прозрачная смола древних деревьев), то палочка притягивает к себе лёгкие предметы, скажем, клочки ткани. Под действием своего веса, то есть под действием гравитационного притяжения к Земле, эти клочки ткани должны были бы падать, двигаться вниз. А они, преодолевая силы гравитации, упрямо поднимаются вверх.

О чём это говорит? Только об одном: кроме гравитационных сил, кроме сил притяжения, которые стремятся сблизить две массы, в мире существуют ещё какие-то силы. И в опыте с натёртой янтарной палочкой они оказались сильнее гравитации. Какова природа этих неизвестных ранее сил? Почему они появляются после натирания янтаря?

Ответить на эти вопросы первые исследователи не могли, они лишь подробно описали, зафиксировали сам факт непонятного притяжения. А название «электричество» новому явлению, судя по всему, было дано лишь через две тысячи лет — оно впервые появилось в трудах Вильяма Джильберта, придворного врача английской королевы. Он, как мы сейчас сказали бы, в свободное от работы время занимался исследованием магнитов, а затем стал повторять опыты греков с электричеством. На русский язык это слово можно было бы перевести так: «янтаричество». Потому что «электричество» происходит от греческого слова «электрон», что означает «янтарь», и электричеством новое явление было названо именно потому, что оно было обнаружено в опытах с янтарной палочкой.

Опыты с натиранием янтаря позволяют сделать очень важный вывод. До этих опытов было известно только одно основное свойство вещества — масса. Именно она была первопричиной гравитационных взаимодействий, заставляла предметы притягиваться друг к другу, двигаться, работать. Натёртый янтарь показал, что наряду с массой у вещества может быть ещё одно работающее основное свойство, в дальнейшем ему дали название «электрический заряд». Почему электрический — понятно. Почему заряд? Трудно сказать. Может быть, тот, кто впервые ввёл это понятие — «электрический заряд», — представлял себе, как, натирая янтарь, в него вталкивают некое невесомое электрическое вещество, заряжают янтарь электричеством. Подобно тому, как заряжали когда-то пушку, вталкивая в неё стальное ядро.

Любопытно, что в английском языке в роли нашего слова «заряд» используют слово charg (произносится: чардж), имеющее много значений, в том числе «цена», «нагрузка», «обязанность». Так что в этом случае «электрический заряд» по смыслу, видимо, означает «электрическая цена», то есть мера электрических свойств.

ВК-19. Показатель степени — это удобный способ записи больших (малых) и очень больших (очень малых) чисел. Показатель — маленькая цифра вверху справа от основной (основания) — говорит о том, сколько раз это основание нужно умножить само на себя. Особо удобно основание «10» — его показатель степени сообщает количество знаков (нулей) у итогового большого числа. Показатель степени с минусом переводит итоговое большое число в знаменатель дроби, превращая результат в маленькое число.

Т-18. При своём рождении наша Вселенная получилась такой, что практически у всех атомных частиц есть масса, а у некоторых к тому же есть ещё и электрический заряд. Атомы состоят из атомных частиц, а все вещества — из атомов. Почти все атомные частицы имеют такое свойство, как масса (исключение — неуловимо малая частица нейтрино, массу которой уже много лет пытаются обнаружить, но пока не обнаружили, по предсказаниям некоторых теоретиков — не обнаружат). Все вещества состоят из атомов, и поэтому у любого физического тела, у любого предмета есть масса. У стального шарика она побольше, у бумажного — поменьше, но ещё никто не видел шарика без массы. А вот электрический заряд есть не всегда — если янтарную палочку не натирать, то у неё вроде бы нет никаких электрических свойств, нет никакого заряда. Оговорка «вроде бы» использована здесь со значением, и вы вскоре в этом убедитесь.

Все эти пояснения, как и предыдущие упоминания о происхождении Вселенной и истории человечества, должны приучить к мысли о том, что электрические силы, как и гравитационные, — это наследство, полученное нами вместе с самим нашим миром, его составная часть. В природе электричество играет очень важную, можно сказать, фундаментальную роль, — без него, без электричества, никакого такого мира не было бы вообще. Достаточно сказать, что все атомы и молекулы существуют благодаря действию электрических сил. Однако подавляющая часть электрической активности, электрических действий как бы скрыта от нас, человек сотни тысяч лет встречал электричество только в виде пугающей его с небес молнии. И весь наш огромный и разнообразный электрический мир, все приборы, аппараты, системы и машины, всё это было «от нуля» придумано человеком, который первый раз, образно говоря, взял в руки электричество в опытах с янтарной палочкой.

ВК-20. Человек и окружающие его предметы по размерам занимают как бы среднее положение в мире. Привычные для нас масштабы, грубо говоря, от миллиметра до километра, а размеры самого человеческого тела один-два метра. Вместе с тем в микромире предметы несравнимо более мелкие, типичный их размер миллиардные доли метра (нанометры) и меньше. А во Вселенной мы видим конструкции, например звёздные системы галактики, которые в триллионы триллионов раз больше метра.

Т-19. Человек ищет помощников. Мы уже вспоминали про человеческий инстинкт экономии сил (Т-13), во все времена он подталкивал изобретательную публику, заставлял придумывать приспособления и машины, которые становились, как сказал один известный экономист, продолжением человеческой руки. Особенно, конечно, хотелось привлечь на помощь не очень-то могучим человеческим мускульным силам какие-то внешние силы, природную энергию. Что-то подсказали тяжёлые камни, которые тащила за собой горная лавина, или сваленные деревья, которые река с лёгкостью перебрасывала на огромные расстояния. Потом пришло время тепловых машин. Сначала заработал сжатый пар, а затем и взрывающиеся при сгорании микроскопические порции бензина или дизельного топлива — их энергия и сегодня двигает около миллиарда автомобилей, которые бегают по дорогам земного шара, и почти 60 тысяч больших самолётов.

Очень может быть, что первые исследователи электричества думали о нём, как о будущем помощнике человека: электричество уже двигает мелкие предметы, а дальше, как говорится, дело техники. Заставили же ветер, который слегка раскачивает ветки на дереве, крутить лопасти ветряной мельницы и, надувая паруса, двигать по морям огромные корабли.

Т-20. В природе есть несколько видов фундаментальных сил, электричество — одна из них. Электричество, электрический заряд — не единственное спрятанное от человека, но всё же открытое им особое свойство вещества, которое так же, как и масса, демонстрирует свою силу. Несколько тысячелетий назад у некоторых металлических руд были обнаружены ни на что другое не похожие магнитные свойства, которые не хуже гравитации и электричества могут двигать физические тела. В начале нашего века было открыто ещё одно, совершенно новое качество вещества, которому дали название барионный заряд, он создаёт особый сорт основных природных сил — сильные ядерные силы. Это не гравитация, не электричество, не магнетизм, а нечто совсем иное, действующее совершенно самостоятельно. Ядерные силы, казалось бы, навсегда спрятались от нас, так как действуют они только на очень небольших, на абсолютно невидимых расстояниях — около триллионной доли миллиметра. Именно сильные ядерные силы каким-то своим собственным способом стягивают, склеивают составные части атомного ядра, которые без этого из-за одноимённых электрических зарядов протонов (+) просто разлетелись бы в разные стороны.

ВК-21. Атомы химических элементов отличаются числом протонов в ядре, сегодня известны атомы с числом протонов от 1 до 118. В ядре находятся ещё и нейтроны — примерно как протон, частицы без электрического заряда, они влияют лишь на массу ядра. Атомы с разным числом нейтронов называют изотопами. В нормальном атоме на орбитах столько же электронов (—), сколько протонов (+) в ядре и общий электрический заряд атома равен нулю — атом электрически нейтрален. Но так бывает не всегда.

Р-5. ПЛАНЕТАРНАЯ МОДЕЛЬ ПОЯСНЯЕТ, КАК СТРОЯТСЯ СТО РАЗНЫХ АТОМОВ ИЗ ТРЁХ ЧАСТИЦ. Сказанное в пояснениях к рисунку Р-4 наверняка вызвало удивление: как это так миллионы веществ собраны всего из трёх разных частиц? В чём секрет такого фантастического многообразия при столь малом количестве (всего три!!!) исходных деталей?

Начнём с того, что протон, нейтрон и электрон участвуют в создании разных веществ не индивидуально, не по одному, а в составе разных строительных блоков — атомов. Атом устроен и работает несравнимо сложнее, чем это показано в его планетарной модели (2), но именно этой моделью атома мы будем пользоваться в книжке. Хотя бы потому, что изучение истинного устройства атома и протекающих в нём процессов потребует во много раз больше времени, чем вся наша образовательная кампания по знакомству с электричеством.

Самый наглядный вариант планетарной модели — рука, раскручивающая привязанный на крепкой нитке спичечный коробок (1). В простейшем случае (в атоме водорода) на месте руки будет атомное ядро с одним протоном, а вместо спичечного коробка — один электрон. В более сложных атомах протонов в ядре больше, и столько же электронов на круговых орбитах вокруг ядра (2). Подобная модель названа планетарной потому, что она напоминает схему движения планет вокруг Солнца (3). Возможны достаточно прочные, устойчивые атомы, в ядре которых до ста протонов (+) и на орбитах столько же электронов (—). Благодаря равенству положительных (протоны) и отрицательных (электроны) электрических зарядов вещество, состоящее из таких атомов, не демонстрирует каких-либо явных электрических свойств. Так же как не натёртая пластмасса или не натёртое стекло (Р-1).

А потом в мире атомов открыли ещё одно фундаментальное свойство материи, ещё один вид особых сил — их назвали слабыми ядерными силами, хотя действуют эти слабые силы во много раз сильнее, чем гравитация.

Вот так-то… Всё было просто, была известна одна гравитация, а теперь вон сколько открылось важнейших сил, действующих в нашем мире и полученных в наследство от Большого взрыва. Так что мир наш намного сложней, чем кажется человеку, который, подобно своему доисторическому предку, видит лишь то, что видно с первого взгляда.

Гравитацию, электричество, магнетизм, сильные и слабые силы называют основными, фундаментальными силами природы. Они, если разобраться, в итоге приводят в действие всё, что происходит: вращение планет, химические реакции, тепловые процессы, взрыв атомной бомбы, падение метеорита, считывание любимой мелодии с магнитофонной кассеты.

Здесь самое время заметить, что современная физика пытается увидеть более простую картину. Теоретики ищут возможность поддержать представление о единой природе, о «великом объединении» всех известных сил — сильных, слабых, магнитных, электрических и гравитационных. Один из фрагментов такого объединения обнаружился ещё двести лет назад: оказалось, что электричество и магнетизм не две отдельные, независимые силы — это просто два разных проявления единого электромагнитного процесса. А сравнительно недавно эксперименты подтвердили теорию, объединившую электромагнитные и слабые ядерные силы в едином, как его называют, электрослабом взаимодействии.

В названии этого раздела мы не случайно использовали слово «несколько», вместо того чтобы привести и прокомментировать точную цифру. Ещё не очень давно считалось, что в природе есть пять главных сил. Затем была открыта единая природа электричества и магнетизма, и стали считать, что главных сил четыре. Наконец, электрослабое взаимодействие заставляет говорить о трёх основных силах природы — похоже, что действительно дело идёт к великому объединению. Несмотря на это, мы при необходимости будем говорить о пяти главных силах нашей природы, так как каждая из них очень часто действует самостоятельно.

Но вернёмся, однако, от этой чрезвычайно интересной физики к главной нашей теме — к электричеству.

ВК-22. Электрические свойства электрона и протона, их электрические заряды по величине одинаковы. И суммарный заряд электронов (—) в атоме равен суммарному заряду протонов (+). Эти заряды уравновешивают друг друга, и атом в целом электрических свойств не проявляет. Но если убрать электрон из атома, то он превратится в положительный ион — атом с преобладанием положительного заряда. Появление лишнего электрона превратит атом в отрицательный ион, в атом с преобладанием «минуса».

Р-6. ПАСПОРТ ДЛЯ КАЖДОЙ РАЗНОВИДНОСТИ АТОМОВ. Предполагается, что вся наша огромная Вселенная родилась в результате мощнейшего, как его называют, Большого взрыва. Мы ещё посвятим ему несколько картинок с короткими примечаниями — человек должен хоть что-то знать о своей истории. А пока отметим: предполагается, что уже через несколько секунд после взрыва температура первоначального немыслимо горячего вещества заметно снизилась и в нём стали появляться ядра самых простых атомов — атомов водорода (1). Затем стал возможен ещё один процесс — некоторые водородные ядра, объединившись, превращались в ядро атома гелия (2). Хорошо известные нам теперь более сложные и значительно более сложные атомы стали появляться через миллионы лет, когда зажглись звёзды.

Некоторые важные особенности атома можно отобразить в небольшой записи, условно назвав её паспортом. Именно такие паспорта на этом рисунке сделаны для четырёх атомов (1, 2, 3, 4), а на рисунке Р-7 в таблице Менделеева вы увидите их для большинства известных атомов. Название атома — это, по сути, название чистого вещества, которое из этих атомов состоит. Так, например, газ водород состоит из атомов по имени водород. Самая приметная цифра в паспорте указывает число протонов в ядре и число электронов на орбитах, и она же есть порядковый номер элемента в таблице Менделеева.

Физики доказали, что на первой, на самой близкой к ядру орбите, где энергия электронов минимальна, их может быть не более 2, на второй орбите до 8, на третьей — до 18. У некоторых крупных атомов есть орбиты, на которых до 32 электронов, но никогда на внешней орбите не может быть более 8 электронов.

В атомное ядро входят не только протоны, но ещё и нейтроны, когда нужно отметить их количество, атом называют изотопом. Нейтроны практически не влияют на химические свойства атома, но имеют такую же, как у протона, массу и такой же барионный заряд (Р-10). Средняя масса атомов (на этом рисунке под порядковым номером) получается дробной потому, что набор изотопов и их количество в природе в основном определяет сама природа.

Т-21. К электричеству нужно просто привыкнуть, как мы от рождения привыкли к гравитации. Нетрудно самому на кухонном столе проделать несколько опытов, которые в древние времена удивили греков. Не страшно, если у вас нет янтарной палочки, потрите шерстяной тканью пластмассовую расчёску и посмотрите, как она тянет к себе клочки бумаги. Это не гравитация — бумажки не падают, а тянутся вверх. Это не магнетизм — магнит бумагу не притягивает. Это — электричество, одна из важнейших важностей нашего мира.

Электричество и гравитация в чём-то очень похожи, и работают они по очень похожим правилам. Гравитационное притяжение тем сильнее, чем больше взаимодействующие массы: килограммовая гиря тянется к земле и давит на чашку весов сильнее, чем стограммовая. Электрическое притяжение тем сильнее, чем больше электрические заряды, то есть электрические свойства взаимодействующих предметов. Потрёшь расчёску слегка, электрический заряд у неё образуется небольшой, и она слабо тянет мелкие бумажки. А натрёшь расчёску посильнее, электрический заряд у неё окажется побольше, и сила притягивания лёгких предметов тоже увеличится.

Для того чтобы почувствовать реальность таких понятий, как «гравитация», «масса», «сила тяжести», не нужно раскрывать учебник физики, достаточно положить его на ладонь. Мы непосредственно воспринимаем массу, ощущаем её, чувствуем массу своего тела, массу покупки, которую несём из магазина, массу упавшего на ногу камня.

Электрический заряд, конечно, на ощупь не почувствуешь, природа не снабдила нас «чувством электричества». Но и без этого ясно, что электричество есть, что это абсолютная реальность, — другого вывода не сделаешь из опытов с натиранием расчёски. Конечно, масса — понятие привычное, человек привыкал к нему миллионы лет, а с электричеством мы сталкиваемся всего несколько десятилетий. Так что в него, кроме всего прочего, ещё нужно поверить, к нему нужно привыкнуть.

Т-22. Электричество бывает двух видов, двух сортов, и придумали им такие названия: «положительное электричество» и «отрицательное электричество». В результате гравитационного взаимодействия физические тела только притягиваются друг к другу, пока ещё никто не наблюдал антигравитации, то есть не привычного притяжения, а гравитационного расталкивания двух тел. Скорее всего потому, что в природе существует масса только одного сорта, и любые две массы взаимодействуют только так — они взаимно притягиваются.

Одинаковость, однотипность массы проверена с колоссальной, просто-таки фантастической точностью — до миллионных долей миллионной доли процента. Но факт существования только одного сорта массы настолько важен, что физики планируют ещё более точную его проверку: а вдруг окажется, что есть такой вид массы, который отталкивается от нашей, привычной? Вот тут уж мы полетаем над землёй и в космосе — без моторов, без топлива, совершенно бесплатно, за счёт одной только антигравитации.

ВК-23. Натирая стекло тряпкой, мы из многих атомов на его поверхности, грубо говоря, выдираем электроны, в стекле появляются положительные ионы, то есть положительный заряд. Электроны из стекла переходят на тряпку, и она приобретает отрицательный заряд. А при натирании пластмассы в атомы на её поверхность переходят электроны с тряпки, которой осуществляли натирание, — в пластмассе появляются отрицательные ионы и суммарный «минус», а у тряпки — «плюс».

В отличие от массы электричество бывает двух разных сортов, и в этом может убедиться каждый, проделав опыты с натиранием стеклянной и пластмассовой палочек. На обеих палочках при их натирании появляется электрический заряд — обе они притягивают мелкие клочки бумаги. Но на стеклянной палочке и на пластмассовой появляются заряды разного сорта, и это будет незамедлительно доказано с помощью очень простого эксперимента.

Если появившиеся при натирании заряды передавать с палочек на два лёгких пенопластовых шарика, подвешенных на нитках, то обнаружится, что в разных случаях эти наэлектризованные шарики ведут себя по-разному. Шарики, получившие электрический заряд разных сортов (один шарик от стеклянной палочки, другой — от пластмассовой), взаимно притягиваются. Шарики, получившие электрический заряд одного и того же сорта (оба от стеклянной палочки или оба от пластмассовой), отталкиваются. Если бы электричество было только одного сорта, то взаимодействие зарядов всегда было бы одинаковым — независимо от того, какими палочками вы прикасались бы к шарикам, они всегда либо только притягивались бы, либо только отталкивались. Таким образом, из наших опытов как раз и следует, что электричество бывает двух сортов: электрические заряды одного и того же сорта, или, иными словами, одноимённые электрические заряды, как бы не любят друг друга (Т-8) и взаимно отталкиваются, разноимённые — взаимно притягиваются.

ВК-24. Мы подробно обсудили натирание пластмассы и стекла, но один вопрос остался без ответа. Почему к наэлектризованным предметам притягиваются мелкие клочки бумаги, у которых вроде бы нет никакого своего заряда? Когда-то были придуманы фантастические молекулярные цепочки, которые могли бы тянуть бумагу, но эта идея блестяще провалилась, когда опыт повторили в вакууме. Там молекулярных цепочек вообще не могло быть. К счастью, нашлось другое объяснение — поляризация (ВК-25).

Два разных сорта электричества нужно было как-то назвать, скажем, электричество сорта А и электричество сорта Б. Или электричество «Жёлтое» и «Зелёное». Или, наконец, «Стеклянное» и «Пластмассовое». Однако тому, кто давал имена этим двум разным сортам, понравились другие слова, и он назвал два разных сорта электричества «Положительным» (сокращённое обозначение +, «плюс») и «Отрицательным» (-, «минус»). В данном случае привычный для нас смысл этих слов не имеет никакого значения, и ни в коем случае не нужно думать, что положительное электричество чем-то лучше отрицательного, как, скажем, положительный литературный герой или положительный пример.

Электрический заряд, который назвали положительным, появляется у натёртого стекла, отрицательный — у натёртой пластмассы. Попробуем провести такой мысленный эксперимент: будем ломать, распиливать, крошить наэлектризованные стекло и пластмассу, чтобы найти в них самые маленькие порции электрического заряда.

Начнём со стекла.

Т-23. В наэлектризованных палочках у некоторых молекул чувствуется электрический заряд. Мысленный эксперимент, кроме всего прочего, хорош тем, что любая трудная работа здесь идёт легко и быстро. Вот и у нас уже появились сначала маленькие кусочки наэлектризованного стекла, затем очень маленькие и наконец самые маленькие его частички с хорошо известным названием — «молекула». Оно происходит от латинского слова «моле» — «масса», так что слово «молекула» означает «маленькая масса, массочка».

Можно, конечно, и появившиеся у нас молекулы стекла разделить на составные части, но то, что при этом получится, уже не будет стеклом. Здесь, пожалуй, уместно такое сравнение. Представьте себе, что вам нужно разделить на районы город. Самый маленький район, который может получиться, — это один дом, молекула большого города. Можно, конечно, и дом разобрать по частям, но вряд ли оконную раму или водопроводный кран можно будет назвать районом города.

Измельчая в мысленном эксперименте предварительно натёртые, то есть наэлектризованные, стекло и пластмассу и в итоге получив их молекулы, мы обнаружим, что некоторые молекулы тоже наэлектризованы, то есть тоже обладают электрическими свойствами, а другие — не обладают. Остаётся предположить, что электрический заряд молекулы находится в какой-то ещё более мелкой частице, которая или входит или не входит в молекулу. И если входит, то делает эту молекулу наэлектризованной. А если не входит, то молекула остаётся электрически нейтральной.

Чтобы проверить эту гипотезу, продолжим свой мысленный эксперимент и разделим наэлектризованную молекулу на составные части.

ВК-25. Предположим, что в этих больших пластиковых мешках ионизированный газ с беспорядочным расположением зарядов (слева), и поэтому с нулевым внешним электрическим полем. Поднесённый к одному из мешков (справа) стержень с положительным электрическим зарядом осуществил так называемую поляризацию газа, притянул к себе электроны и оттолкнул положительные заряды, создав две области с зарядом + и —. Во многих случаях каждая из них может вести себя как отдельный заряд.

Р-7. ЧЕЛОВЕК, КОТОРЫЙ УВИДЕЛ ПОРЯДОК В ПОЛНОМ ХАОСЕ. Так же энергично, как другие области знаний, химия развивалась с началом эпохи Возрождения. В обиход вошло представление о химическом элементе как о чистейшем веществе, которое в другие вещества уже не превращается. Вместе с тем получалось, что каждый элемент был создан природой как бы самостоятельно и не был частью какой-либо единой системы. В 1869 году профессор общей химии Петербургского университета и руководитель химической лаборатории Петербургского технологического института Дмитрий Иванович Менделеев отправил в ведущие научные учреждения России и других стран сообщение об открытой им системе химических элементов. В этой системе химические свойства элементов изменялись по мере роста их атомной массы, но в то же время эти свойства в какой-то мере повторялись периодически, через определённое число шагов увеличения массы. В построенную на основе этой системы первую таблицу Д.И. Менделеева вошло 66 элементов, известных в то время, но элементам, открытым позже, всегда находилось место в ней. В апреле 2010 года в таблице Менделеева было 118 химических элементов, из них 94 имеются в природе, остальные получены на ускорителях, причём некоторые живут доли секунды и тут же распадаются. Главная сила представлений Д.И. Менделеева в том, что они появились лишь из глубокого понимания химии, когда практически ничего ещё не было известно об устройстве атомов. Эти представления не теряли свою силу, а получали лишь подкрепление и поддержку с принятием планетарной модели атома (1911 г.), при открытии протонов (1919 г.), нейтронов (1932 г.) и законов формирования электронных оболочек (1926, 1951 гг.). На рисунке показан несколько упрощённый вариант таблицы элементов, построенной на основе открытого Д.И. Менделеевым периодического закона. Синим цветом приближённо указан атомный вес элемента, который значительно больше веса всех протонов (порядковый номер элемента) за счёт появившихся в ядре нейтронов.

Т-24. В поисках элементарного, то есть самого маленького в природе, электрического заряда мы разбираем молекулу на атомы. Молекул а любого вещества состоит из типовых блоков — из атомов. Всего сегодня известно 118 основных типов различных атомов. Из них 92 вида атомов устойчивы, остальные со временем сами по себе распадаются на составные части, причём некоторые очень быстро — за малые доли секунды. Химики называют атомы разного типа химическими элементами, имея, очевидно, в виду, что это и есть элементарные блоки, из которых собраны все природные и искусственные вещества.

В молекулу могут входить самые разные атомы и в самом разном количестве (в молекуле воды — три атома, в молекуле белка — десятки тысяч), атомы могут по-разному соединяться друг с другом, образовывать различные пространственные конструкции. И в итоге из небольшого сравнительно количества элементов (118 — это тоже немного, но в строительстве молекул в основном используется 40–50 разновидностей атомов) получаете я огромное количество комбинаций, образуются миллиарды самых разных веществ. Разные сочетания разных атомов дают воздух и воду, мрамор и зелёный лист винограда, соль и сахар, стекло и пластмассу.

Продолжив свой мысленный эксперимент и разобрав на части молекулы подопытных веществ — стекла и пластмассы, — мы обнаружим, что и среди атомов попадаются совершенно, казалось бы, одинаковые на вид, но при этом разные по своим электрическим свойствам. Мы обнаружим наэлектризованные атомы и не наэлектризованные, другими словами, атомы с электрическим зарядом и без него, то есть электрически нейтральные. И после этого нам не остаётся ничего другого, как в поисках мельчайшей порции электрического заряда разобрать на части сам атом.

ВК-26. В мелких клочках бумаги под действием электрического поля наэлектризованного предмета тоже происходит поляризация. Но не за счёт перемещения атомов, а за счёт некоторого вытягивания их электронных орбит. В результате этой массовой деформации орбит в одной части бумажного лепестка оказывается более сильным положительный заряд, а в противоположной части — отрицательный. Одну из этих частей и притягивает наэлектризованный предмет, заставляя двигаться весь лепесток.

Т-25. Несколько похвальных слов моделям и моделированию. Склеенная из пластмассы модель самолёта или даже летающая его модель лишь в небольшой степени похожи на воздушный лайнер, который берёт на борт сотню пассажиров. Но вместе с тем, рассматривая эти модели, можно узнать много важного о настоящих самолётах, об их устройстве, об основных деталях, о том, для чего эти детали нужны. Ещё одна разновидность модели — чертежи, на них отрабатывается и предварительно проверяется будущая реальная машина. На чертежах, например, без огромных затрат на постройку реальных образцов, проверяют, как соединятся, состыкуются будущие детали самолёта.

Здесь хочется сказать несколько слов о самом этом понятии «модель», о котором надо бы написать отдельную книжку, а ещё лучше — никем пока, к сожалению, не запланированный школьный учебник.

Умение строить модели можно встретить только у живых организмов, кварцевый кристалл или горная река моделей не строят. Да и в мире живого у первых примитивных его представителей тоже не было никаких приспособлений, чтобы строить модели. А те, у кого такие приспособления появлялись, получали огромное преимущество, они чаще побеждали в борьбе за существование, их род успешно продолжался и совершенствовался. К примеру, древние насекомые, охотясь за пищей, создавали в особых своих нервных узлах (из них у некоторых видов в дальнейшем образовался мозг) своего рода химический чертёж, модель этой охоты. Порывшись в памяти, они проверяли, годится ли намеченная жертва на обед, на модели обстановки определяли, куда «пища» перемещается, как надо двигаться самому, чтобы перехватить её. Именно такое моделирование вместо бесконечных проб и опасных ошибок оказалось могучей движущей силой развития живых существ.

ВК-27. Атом в действительности очень «воздушная» конструкция, в нём много «пустоты». Если представить себе атомное ядро размером с яблоко, то в этом масштабе окажется, что электроны размером с пылинку вращаются вокруг ядра на расстоянии десятки и сотни метров. Большими бывают и межмолекулярные объёмы, где могут двигаться заряды. Но их подвижность, выраженная в конечном счёте величиной сопротивления, зависит не только от свободного пространства для перемещений.

Пришло время, появился Человек Разумный, мозг которого постепенно научился особо эффективно работать с моделями. И сейчас всё, о чём мы думаем, вспоминая, например, о вчерашнем дне, проверяя планы на завтра, погрузившись в грустные думы о ремонте автомобиля, предвкушая вкусный обед, обдумывая газетную статью, анализируя семейный конфликт или партию в шахматы, — всё это работа с мысленными моделями предметов, событий и действий. Мы умеем работать с моделями, созданными на основе разговорного языка, геометрических построений, математических формул, чертежей, химических уравнений, компьютерных программ. Мы умеем работать с моделями уже не только в уме, а во внешних вспомогательных устройствах, таких как компьютеры, книги, географические карты, фотографии. Всё это стало важнейшим инструментом познания мира и, может быть, даже основным слагаемым нашего нынешнего могущества.

Т-26. Планетарная модель атома — в центре массивное ядро, вокруг него вращаются электроны. Слово «атом» в переводе с греческого означает «неделимый». Это название появилось очень давно, когда о настоящих атомах, в современном понимании этого слова, никто и представления не имел. Просто считалось, что всякое вещество можно дробить на части до тех пор, пока не получатся мельчайшие невидимые пылинки, которые дальше уже разделить нельзя, невозможно. Именно эти гипотетические, то есть предполагаемые, неделимые пылинки древнегреческие философы и называли атомами. Позднее название «атом» перешло к частицам уже не гипотетическим, не придуманным, а совершенно реальным, обнаруженным в экспериментах. К тем самым основным блокам, из которых строятся разные молекулы, разные вещества. То, что молекулы собраны из атомов, было доказано в самых разных экспериментах и даже показано на специальных фотографиях с особо сильным увеличением.

ВК-28. Подвижность свободных зарядов в веществе, которое мы называем проводником, зависит от многих характеристик этого вещества. Прежде всего, конечно, от того, насколько легко образуются в нём ионы или насколько внешние электроны связаны со своим атомным ядром, насколько легко они могут уйти из атома. Кроме того, важно и то, как ведёт себя само вещество, насколько оно способствует или препятствует перемещению зарядов, насколько поддерживает это движение или противодействует ему.

Р-8. МОЛЕКУЛЫ — ГЛАВНЫЙ ПУТЬ К МНОГООБРАЗИЮ. После знакомства с атомами с разным числом протонов в ядре (Р-7) сделаем следующий шаг на пути к многообразию веществ. Мы соберём из разных атомов ещё более сложные блоки вещества — молекулы. Даже в сравнительно небольших молекулах добавление одного атома или замена одного из них на другой может резко изменить свойства вещества, состоящего из таких молекул. Более того, даже молекулы, одинаковые по химическому составу, то есть имеющие одно и то же количество определённых атомов, могут создавать совершенно разные вещества, если эти атомы расположены и соединены по-разному.

В качестве примера возьмём хорошо знакомое всем вещество по имени пищевая сода. Её формула NaHCО₃ напоминает, что в молекуле этого вещества по одному атому натрия, водорода и углерода и три атома кислорода. Но если заменить атом водорода H на ещё один атом натрия Na, то получится совершенно непригодная для пищи кальцинированная сода Na₂CO₃ важнейший компонент многих отраслей промышленного производства, в частности производства стекла. Особенно велики возможности изменить подобным образом свойства какого-нибудь лекарственного либо биологического вещества, молекулы которого нередко состоят из многих тысяч атомов.

Ещё каких-нибудь сто лет назад некоторые учёные, как и древнегреческие философы, считали эти блоки, из которых собраны молекулы, неделимыми и с чистой совестью называли их атомами. И только в начале прошлого века (он начался в 1900 году и завершился совсем недавно — в 2000 году) выяснилось, что атом, строго говоря, нельзя называть атомом, что атом не есть какой-то неделимый шарик, он представляет собой сложную машину и состоит из множества разнообразных деталей.

Одна из удобных и очень полезных моделей атома похожа на наше Солнце с планетами, её так и называют — «планетарная модель атома».

В центре планетарной модели — основная деталь атома, его ядро, массивный шар (Т-8), в котором сосредоточена почти вся атомная масса. Вокруг ядра вращаются маленькие и лёгкие шарики (Т-8) — электроны, они напоминают планеты, которые вращаются вокруг Солнца (Р-5). Такая картина очень наглядна, её легко себе представить, однако планетарная модель — это очень сильное упрощение, сильное искажение истины.

Скажем, электроны — это совсем не шарики-пылинки, а некоторые во многом ещё загадочные сгустки материи, которые ведут себя не только как частицы, но и как волны. Это значит, что в каких-то случаях электроны подобно частицам отскакивают, отражаются от препятствия, а в каких-то случаях огибают его, подобно волне, которая перекатывается через прибрежный камень. И двигаются электроны в атоме не по спокойным круговым орбитам, как Венера или Земля вокруг Солнца. Электроны как бы размазаны в пространстве, распределены по сферам вокруг ядра, образуют вокруг него так называемые электронные оболочки.

Разумеется, само ядро — тоже не бильярдный шар. Во-первых, оно собрано из нескольких типов частиц, которые, в свою очередь, тоже «склеены» из деталей. Во-вторых, ядро — это не застывшая конструкция, а скорее, бурлящий котёл, в котором непрерывно идут сложные превращения вещества и энергии, рождаются и умирают частицы.

И всё же планетарная модель, несмотря на все её недостатки, помогает просто и правильно объяснить многие важные процессы в атоме, многие особенности его конструкции. Именно поэтому своё путешествие в атомные миры мы начнём с того, что построим упрощённую действующую планетарную модель самого простого из известных атомов — атома водорода.

В предыдущей фразе нет ошибки — мы построим именно действующую модель атома.

ВК-29. Каждое вещество имеет свою точную характеристику «удельное сопротивление», которая говорит о том, насколько оно содействует упорядоченному движению электрических зарядов. В целом же все вещества делятся на три большие группы: «проводники», «изоляторы» и «полупроводники». Первые создают особо благоприятные условия для движения зарядов, в изоляторах такое движение практически невозможно. А полупроводники занимают промежуточное положение между первыми двумя группами.

Т-27. Действующая модель атома водорода. Привяжите нитку к спичечной коробке, раскрутите её вокруг руки — и модель готова. Ваша рука в ней играет роль атомного ядра, пробегающая круг за крутом спичечная коробка — роль электрона. Но чью же роль в таком случае играет нитка? Или спросим иначе: что в настоящем атоме заменяет нашу нитку, которая удерживает спичечный коробок? Ведь если нитка оборвётся, то он под действием центробежной силы улетит в сторону, без нитки наш атом существовать не может.

В настоящем атоме нет, конечно, никакой нитки, которая связывала бы ядро с электроном, и вместе с тем атом не разрушается, электрон с огромной скоростью (миллионы оборотов в секунду) вращается вокруг ядра и никуда не улетает. Что его держит? Какая сила привязывает, притягивает вращающийся электрон к ядру, не позволяет ему оторваться, улететь?

Это делает электричество.

Т-28. Атомные частицы электрон и протон содержат мельчайшие порции электрических зарядов. Точными опытами установлено, что любой электрон обладает некоторым отрицательным электрическим зарядом, то есть зарядом того же самого сорта, который был обнаружен у пластмассовой палочки. Можно сказать об этом ещё проще: каждый электрон обязательно содержит порцию электрических свойств — имеет электрический заряд. Электрический заряд есть обязательное, непременное свойство электрона, такое же непременное, как масса. У всех электронов электрический заряд одинаков, так же, скажем, как одинакова масса у всех пятаков.

Теперь заглянем в ядро. Если не бояться упрощений, то можно считать, что ядро состоит из крепко склеенных частиц двух сортов — нейтронов и протонов. И те и другие — довольно тяжёлые частицы, масса каждой из них почти в две тысячи раз больше массы электрона. Если предположить, что электрон весит один грамм, как, например, маленькая канцелярская скрепка, то протон или нейтрон предстанут перед нами как двухкилограммовая гиря или двухлитровая банка, наполненная водой.

ВК-30. До сих пор в качестве генератора (создателя) электрических сил мы использовали две натёртые палочки — стеклянную, на которой при натирании появлялся положительный электрический заряд (+), и пластмассовую с отрицательным зарядом (—). Главный недостаток такого генератора — он создаёт электрическую силу за счёт небольшого количества появившихся при натирании избыточных зарядов и практически очень быстро расходует их запас — в лучшем случае он работает несколько секунд.

Сами же ядерные частицы — нейтрон и протон — различаются прежде всего тем, что нейтрон в электрическом отношении нейтрален (отсюда и его название), то есть никакими электрическими свойствами он не обладает, его электрический заряд равен нулю. А у протона есть положительный электрический заряд.

Подведём некоторые итоги. Электрон на орбите, протон в ядре; обе частицы от природы обладают электрическими свойствами, у электрона отрицательный электрический заряд, «минус», у протона — положительный, «плюс».

Теперь уже, наверное, понятно, почему именно электрические силы в настоящем атоме делают то, что в нашей модели делала нитка: притягивают к ядру вращающийся электрон, не дают ему улететь из атома под действием центробежных сил. У протонов и у электронов разноимённые электрические заряды, и силы их электрического взаимодействия стараются стянуть, сблизить эти частицы.

Ещё одна интересная особенность: у электрона и у протона заряды хотя и разного сорта (на официальном языке — разного знака, то есть «плюс» и «минус»), но эти заряды равны по величине, по своей, если можно так сказать, действующей силе. Массы у этих частиц разные — вспомните: маленькая канцелярская скрепка (электрон) и двухлитровая банка воды (протон), а вот электрические заряды, электрические свойства абсолютно одинаковые. Это тоже может быть доказано точными опытами: если на некотором расстоянии один от другого расположить два протона и на таком же расстоянии один от другого расположить два электрона, то электрические силы будут расталкивать протоны (одноимённые заряды) точно с такой же силой, с какой расталкиваются электроны (одноимённые заряды).

ВК-31. В химическом генераторе реакции между электродами и электролитом непрерывно поставляют электроны на отрицательный электрод (—) и убирают их с положительного электрода (+). Иными словами, химическая энергия участвующих в реакциях веществ, запасённая в их структуре, непрерывно электризует электроды, поддерживает на них избыточный «плюс» и «минус». За счёт этого во внешней цепи непрерывно идёт ток — упорядоченное движение свободных электронов от «минуса» к «плюсу».

Р-9. ПРОТОНЫ И НЕЙТРОНЫ ИЗ КВАРКОВ. Было время, когда атом (в переводе с греческого — неделимый) считался чем-то в виде цельного микрошарика, но уже около ста лет нет никаких сомнений в том, что атом — сложная система, собранная из протонов, нейтронов и электронов. Сейчас протон и нейтрон, тоже бывшие неделимые «шарики», считают прочным соединением трёх деталей — кварков по имени u и d (от up — вверх и down — вниз). Детали эти, как и само их название «кварки», были придуманы пол века назад теоретиками, а через несколько лет в экспериментах нашли приметы их реального существования. И хотя извлечь кварки и «подержать их в руках» в принципе невозможно, уже удалось обнаружить, что у них есть не только хорошо знакомые нам свойства, такие, например, как масса и электрический заряд, но и ряд совершенно новых для физики, так сказать, чисто кварковых свойств, которым дали любопытные названия: цвет, очарование, прелесть, странность и другие в этом же роде. Кроме того, кварки требуют внести поправки в нашу оценку минимальной порции электрического заряда — он может составлять 2/3 и 1/3 от заряда электрона или протона, который в электротехнике всегда считали минимальной порцией электричества.

Кроме нормальных кварков в теории, а значит, и в природе есть ещё и антикварки — частицы с противоположным набором некоторых свойств. Античастицы для физики явление не новое, давно известны антиэлектрон (позитрон) — электрон с положительным электрическим зарядом — и антипротон с отрицательным. Античастица живёт ничтожные доли секунды, она тотчас же соединяется с нормальной частицей, и они вместе погибают, точнее, превращаются в порцию энергии. Не будем пока говорить о других звёздных системах, но в нашей практически нет антивещества. О нём, так же как и о кварках, полезно хоть что-то знать, но чаще всего не нужно учитывать эту безумную физику, размышляя об устройстве электрических машин и приборов. Поэтому, не забывая о поправках, которые может принести нам собранный из кварков атом, мы пока будем считать протон единой частицей с минимальной порцией положительного электрического заряда, равной (по силе!!!) отрицательному заряду электрона.

Вот, оказывается, как великолепно сконструирован и изготовлен наш мир. Мало того, что получились совершенно одинаковыми все электроны во Вселенной, всё их неисчислимое множество. И все протоны получились совершенно одинаковыми. Ко всему ещё обе эти абсолютно разные частицы (бумажная скрепка и двухлитровая банка воды) имеют одинаковый по величине электрический заряд, при этом заряды у них разного сорта, разного знака. Именно такие частицы, оказывается, необходимы для образования устойчивых атомов.

Сравнительно недавно, лет 40–50 назад, начала активно развиваться и получать экспериментальное подтверждение физическая теория, согласно которой такие частицы, как протон и нейтрон (к электрону это не относится), состоят из ещё более мелких деталей — кварков (Р-9). У кварков электрический заряд меньше, чем у протона и электрона, и может составлять 1/3 или 2/3 от той порции электричества, которую имеет протон. Причём заряд кварков может быть как положительным, так и отрицательным. Однако та же теория предсказывает, что сами кварки выделить из протонов или других частиц и получить в «чистом виде» невозможно, а может быть, даже принципиально невозможно. Придравшись к этому, мы будем считать, так же как считалось до появления кварковых моделей, что положительный заряд протона и отрицательный заряд электрона — это самые малые порции электричества, которые можно обнаружить в природе.

Т-29. Атомы разных химических элементов различаются числом протонов в ядре. Простейшая планетарная модель атома, построенная нами, — спичечная коробка, которая вращается вокруг руки, это модель атома водорода. В его ядре — один протон (+), а на орбите — один электрон (-). Встречаются, хотя и сравнительно редко, атомы водорода, где в ядрах вместе с протоном находятся ещё и нейтроны. Это так называемые изотопы водорода — тяжёлый водород дейтерий с одним нейтроном и сверхтяжёлый водород тритий с двумя (Р-6). Но мы пока не будем принимать во внимание нейтроны, поскольку это частицы нейтральные, электрического заряда у них нет и на электрические свойства атомов они не влияют.

ВК-32. Электроны, упорядоченно двигаясь в проводнике, сталкиваются с его неподвижными атомами. И при каждом таком столкновении, как при любом ударе, выделяется тепло. Одно столкновение даёт неуловимо малую порцию тепла, но в токе участвуют миллиарды электронов, и их суммарное тепловое действие может быть вполне ощутимым. Отсюда две важные специальности электричества: электрический ток создаёт тепло и, сильно нагрев проводник, заставляет его светиться — создаёт свет.

Следующий по сложности после водорода — атом гелия. В его ядре уже два протона (нейтроны мы пока опять-таки не принимаем во внимание, хотя они есть и у гелия, и у всех более сложных атомов), а на орбите — два электрона. У лития — три протона и три электрона, у бериллия — четыре и четыре, у бора — пять и пять, у углерода — шесть и шесть, у азота — семь и семь и так далее. И вывод: один химический элемент отличается от другого числом протонов в ядре и, соответственно, числом электронов на орбитах. Всего в природе существует 92 разных сорта сравнительно устойчивых атомов с числом протонов в ядре от 1 до 92, это и есть 92 химических элемента. С учётом искусственных, живущих очень короткое время атомов (их получают на ускорителе и тут же «взвешивают», пока они ещё живы), химических элементов, как уже говорилось, известно 118.

У разных элементов разная способность вступать в химические реакции, соединяться в молекулы. На это и обратили внимание химики ещё в те времена, когда о строении атомов ничего не было известно. Сопоставив химические свойства некоторых элементов, Дмитрий Иванович Менделеев расположил их в определённом порядке в таблице, которая всему миру известна как таблица Менделеева. А потом, спустя много лет, оказалось, что порядок следования элементов в менделеевской таблице определяется числом протонов в атомном ядре — чем больше протонов, тем более далёкое место в этой таблице занимает элемент. Более того, порядковый номер элемента в таблице точно соответствует числу протонов в ядре у атомов этого элемента. Так, элемент № 1 (водород), как уже говорилось, имеет 1 протон, элемент № 3 (литий) — 3 протона, элемент № 6 (углерод) — 6 протонов, элемент № 13 (алюминий) — 13 протонов, элемент № 47 (серебро) — 47 протонов, элемент № 79 (золото) — 79 протонов, элемент № 92 (уран) — 92 протона. Электронов в атоме, ещё раз напомним, столько же, сколько протонов.

ВК-33. Появление в 1800 году химических электрогенераторов, способных довольно долго (часы, недели) выдавать электрический ток, резко ускорило исследования электричества. Более того, это изобретение показало скептикам, что электричество может выполнять полезную работу. Такое новое для широкой публики отношение к электричеству довольно быстро превратило его из предмета, интересующего нескольких чудаков, в область серьёзного общественного внимания и явных материальных вложений.

Электроны вращаются вокруг ядра по разным орбитам. Некоторые из орбит находятся поближе к ядру, другие — подальше от него, третьи — совсем далеко. Все электронные орбиты группируются в несколько слоёв, в несколько электронных оболочек. Очень часто на рисунках, как, например, на Р-5, любая электронная оболочка показана в виде одного круга или эллипса, по которому вращаются все её электроны. Это, конечно, грубое упрощение, одно из тех, которым было посвящено предупреждение Т-8. Признавшись в этом, мы будем всё же пользоваться упрощёнными рисунками, они легче воспринимаются и по ним легче хоть примерно представить себе то, что происходит в атоме.

Особое значение имеет внешняя электронная орбита атома (точнее говоря, наружный слой электронных орбит, Т-8), потому что именно с помощью своих внешних электронов атомы соединяются друг с другом, объединяют свои электронные оболочки, образуя молекулы. По мере увеличения порядкового номера химического элемента число электронов на внешней орбите растёт, но их не может быть больше восьми. Поэтому количество внешних электронов периодически повторяется — 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, затем опять 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 и так далее. При этом периодически повторяются некоторые химические свойства элементов (Р-7), и сам обнаруженный Д. И. Менделеевым характер изменения этих свойств часто называют периодической системой элементов или отображением периодического закона Д. И. Менделеева.

Т-30. Положительный ион и отрицательный ион — атомы, у которых нарушено электрическое равновесие и каких-то зарядов (+ или —) в них больше. Обнаружив в электронах и протонах мельчайшие порции электричества, мы можем теперь объяснить, как появляются электрические свойства у более крупных «предметов» — у атомов и молекул. И у натёртых палочек из пластмассы и стекла.

ВК-34. Завод, где работают электроны, называется «электрическая цепь». В неё входят генератор, где свободные заряды получают запас энергии, а также нагрузка, где они эту энергию отдают, и соединительные провода, по которым электроны идут на работу и с работы. Работающая цепь всегда замкнута и создаёт непрерывный путь для тока. При разрыве цепи ток прекращается. На чертеже, или, как принято говорить, на схеме электрической цепи, различные её элементы отображают условными знаками.

Для начала напомним, что в нормальном своём состоянии любой атом электрически нейтрален. Число протонов в его ядре и число электронов на орбитах одинаково, и при этом суммарный положительный заряд атома и его суммарный отрицательный заряд как бы нейтрализуют друг друга — за пределами атома никакие его электрические свойства вообще не ощущаются. Вещество, состоящее из таких нейтральных атомов, само тоже нейтрально, электрического заряда у него нет. Поэтому стеклянная и пластмассовая палочки до того, как мы их натёрли, мелкие бумажки не притягивали.

Если же каким-то способом удалить с атомной орбиты хотя бы один электрон, то общий заряд электронов атома станет меньше, чем общий заряд протонов, и такой атом в целом будет обладать положительным зарядом. А значит, будет обладать положительным зарядом и молекула, куда войдёт этот наэлектризованный атом (Р-13).

У натёртой стеклянной палочки положительный заряд появляется именно потому, что при натирании мы, грубо говоря, выдираем электроны из многих атомов, расположенных в поверхностном слое стекла. Эти электроны переходят на тряпку, которой мы натирали стеклянную палочку, а сама палочка остаётся с нехваткой электронов, то есть с положительным зарядом.

А теперь обратный процесс: можно каким-то способом втолкнуть в атом лишний электрон, у некоторых веществ ему найдётся местечко на орбите. У такого атома электронов окажется больше, чем протонов в ядре, а значит, появится отрицательный заряд. В итоге отрицательный заряд будет у молекулы, включившей в себя этот атом, и у вещества, куда входят такие наэлектризованные молекулы. Именно так можно объяснить появление отрицательного электрического заряда у натёртой пластмассовой палочки — при натирании в неё втиснулись лишние электроны, например, вырванные из тряпки, которой натирали пластмассу (Т-8).

В заключение остаётся назвать имена, которые присваивают атомам в зависимости от их электрического состояния.

Нейтральный атом — это тот, который никак не проявляет своих электрических свойств. Положительный ион — атом с недостающими электронами или, другими словами, с избытком положительного заряда. Отрицательный ион — атом с избытком электронов, то есть в итоге с отрицательным зарядом.

ВК-35. Объединив свои внешние электронные орбиты, атомы могут создать единую устойчивую многоатомную конструкцию — молекулу. Иногда для такого «склеивания» атомов нужно затратить энергию, а иногда наоборот — энергия выделяется при соединении атомов в молекулу или при объединении небольших молекул в более крупную. Энергия выделяется, например, при горении — при соединении органических (содержащих углерод) молекул с кислородом.

Т-31. Электрические силы могли бы работать в машинах. Мы уже вспоминали о том, что люди с давних пор стремились умножить силу своих мускулов, выполнять работу большую, чем могли бы по своим природным способностям (Т-19). Стремились они к этому не просто так, не ради спортивного интереса, а для того, чтобы жить лучше, чем предначертано дикой природой. В разные времена человек приспособил себе в помощники домашних животных, энергию падающей воды, ветра, расширяющегося пара, взрывающихся бензиновых паров. Наконец настало время подумать об электричестве.

Если глубоко вникнуть в существо дела, то окажется, что даже наэлектризованные предметы могли бы выполнять значительную работу, скажем, перемещать какие-либо грузы. То, что в известных опытах с натиранием палочек могучее электричество показало себя слабым работником, объясняется очень просто: натиранием мы нарушили электрическое равновесие у чрезвычайно малого числа атомов, создали очень слабый суммарный заряд. Если в стеклянной и пластмассовой палочках «наэлектризовать» хотя бы 1 процент атомов, то, находясь на расстоянии 10 сантиметров, они притягивали бы друг друга с такой силой, которая легко сдвинула бы с места автомобиль.

И все же в использовании электрической энергии техника не пошла по пути машин, которые приводятся в движение сильно наэлектризованными деталями, некоторым подобием очень сильных магнитов. В современных электрических машинах и установках работают детали, наэлектризованные самой природой, — мельчайшие частицы вещества, с которыми мы встретились на нашей экскурсии в мир атомов и молекул. А конкретно — в современных электрических машинах всех типов работают движущиеся электроны, положительные и отрицательные ионы. Главным образом — электроны.