Помню, на ту школьную вечеринку я собирался особенно тщательно. Выпросил у мамы новые джинсы и шерстяную водолазку – мне хотелось выглядеть круто, как в кино. Очень уж хотелось понравиться одной девочке из нашего класса. Конечно, я всё равно ужасно стеснялся и так бы и не решился подойти к ней, но она сама пригласила меня на "белый танец". На ней была белая хлопковая рубашка, которая словно светилась в полумраке. Жалко только, что танец ей не понравился: нас постоянно били мелкие вспышки электричества. Но я был на седьмом небе и думал, что между нами действительно пробежала искорка. Да не одна!..

В самом деле, ещё древние греки заметили, что если потереть шерсть янтарём, он притягивает пылинки. Кстати, само слово "электричество" по-гречески означает нечто вроде "янтарность". Богатые люди даже пользовались янтарными палочками для чистки одежды от шерстинок и пыли. Давайте попытаемся понять, что происходит, когда электризуется янтарь, когда между шерстяной водолазкой и хлопковой рубашкой сыплются искры – или когда ток бежит в розетке.

Каждый помнит, что мир вокруг нас состоит из атомов. Если представить их упрощённо, то каждый атом можно сравнить с крошечной Солнечной системой: тяжеленное ядро в центре и лёгкие электроны, которые быстро вращаются вокруг него. От некоторых атомов электроны отрываются легко, от других – труднее. Иногда они связаны с атомами совсем слабо, так что могут путешествовать между ними, двигаясь внутри предмета и переходя из одного предмета в другой. У разных химических элементов, разных соединений и даже разных их форм "сродство" к электрону может быть разным. У хлопка оно выше, чем у шерсти, поэтому на школьной вечеринке электроны быстро перетекали с моей крутой водолазки на её рубашку и накапливались.

Кстати, перед вечеринкой в школе я заметил, что волосы тоже электризуются и встают дыбом, если поднести к ним расчёску. Это происходит точно так же, как и с шерстью и хлопком или с янтарной палочкой: свободные электроны легко перебегают с волос на расчёску, которая начинает их притягивать.

Каждый электрон несёт один отрицательный элементарный заряд, всего один крошечный "минус", но их уж очень много. Они могут собираться на хлопке миллионами и миллиардами, пока их не станет слишком много. Одинаковые заряды отталкиваются друг от друга и устремляются туда, где им будет не так тесно – где заряда нет (например, в землю), а ещё лучше – туда, где есть заряды противоположного знака. Многие атомы в молекулах моей водолазки растеряли свои электроны и стали заряжены положительно. Но сами атомы связаны друг с другом слишком прочно и сами двигаться не могут, поэтому говорят, что вместо отрицательных электронов – на их местах – остались положительно заряженные "дырки", которые притягивают электроны обратно.

Отрицательный электрон перепрыгивает в положительно заряженную "дырку" соседнего атома

Сила этого притяжения будет тем больше, чем больше электронов скопилось на одной стороне, а дырок – на другой. Но притяжение или отталкивание заряда распространяется во все стороны одинаково, как будто "размазывается" по поверхности объёмной сферы. И чем дальше, тем сильнее ему приходится "размазываться", и с увеличением расстояния притяжение становится слабее. Поверхность сферы растёт как квадрат её радиуса: S = r ², поэтому сила взаимодействия зарядов q₁ и q₂ падает с расстоянием с такой же скоростью:

Теперь понятно, что произошло тогда на вечеринке! Хлопок обладает большим сродством к электронам, чем шерсть, и при тесном контакте во время танца они перебегали с водолазки на рубашку, создавая отрицательный электростатический заряд. Сперва незаметный, затем всё больше – а тем временем на моей крутой водолазке накапливался заряд положительный. И когда мы с подружкой случайно расходились, её электроны, притянутые моими "дырками", проскакивали по воздуху, создавая искры. Как мы знаем сегодня, такие разряды – это почти что самые настоящие молнии, только маленькие.

В грозовой туче заряд накапливается почти так же, как и на одежде. Если очень жарко, тёплый воздух вместе с водным паром быстро поднимаются наверх, и складываются в вертикальные облака высотой в несколько километров. Капельки воды в таком облаке поднимаются до очень холодных слоёв атмосферы и превращаются в крошечные ледышки, которые быстро падают вниз и в полёте трутся о пылинки и другие частицы воздуха, перехватывая их электроны. Они собираются с нижней стороны тучи, которая накапливает отрицательный заряд, тяжелеет и нависает над землёй, собирая под собой положительные заряды. Напряжение растёт, пока не пробьёт слой воздуха, отдавая положительный заряд в землю.

Самый простой способ сбросить электростатический заряд с одежды – дотронуться до металлического крана. Водопровод отлично проводит ток прямо в землю, а она настолько большая, что зарядить её, наполнив электронами или "дырками", не по силам даже тысяче молний. Поэтому в неё может "уходить" любой заряд: лишние электроны убегут, а недостающие – прибегут. Этим пользуются, заземляя электроприборы, то есть просто соединяя их с землёй, чтобы лишний заряд не накапливался, а обнулялся.

Но это мы знаем сегодня: ещё несколько сотен лет назад, когда Америка боролась за независимость от Великобритании, а физики вовсю экспериментировали с электростатическими зарядами, никто не мог точно сказать, что же такое молния. Её сходство с искрами электричества было очевидным – но это ещё требовалось доказать, ведь никто не может приблизиться к молнии и дотронуться до неё. Однако отважный учёный, один из отцов-основателей США Бенджамин Франклин нашёл способ "потрогать" молнию.

Из шёлкового платка с помощью деревянных распорок он сделал воздушного змея, приладив к его "голове" медный штырь. Расчёт был такой: молния, ударив в медь, побежит вниз по мокрой от дождя бечёвке змея до большого железного ключа, привязанного к ней, – и ударит в землю. Бечёвку через шёлковую ленту держал человек, защищённый крышей, так, чтобы ни лента, ни он сам не промокли и не стали проводить электричество. Впрочем, Франклину даже молнии не потребовалось: ключ зарядился от тучи и стал искриться ещё до того, как она набрала достаточно зарядов для молнии. Учёный смог досрочно завершить опасный эксперимент.

Карикатура на Бенджамина Франклина

Но был и другой вид разрядов, природа которых оставалась загадкой. Разряды, которыми пользуются электрические скаты и угри – причём, некоторые даже в пресной воде. В отличие от морской, в ней мало растворённых солей и мало свободных электронов, поэтому пресноводные электрические угри, обитающие в Амазонке, создают особенно мощный заряд. Поверить в это было трудно: многие говорили, что это укус, просто очень быстрый. Доказал это британский физик Генри Кавендиш, который соорудил настоящего искусственного ската, который бил настоящим электричеством – стеклянную банку в форме рыбы с вольтовым столбом внутри.

В начале XIX века Алессандро Вольта обнаружил, что если в кислоту опустить две пластинки, медную и цинковую, и соединить их проволокой, через него потечёт ток. Вольта составил много таких элементов в вертикальный столб, который мог накапливать уже очень серьёзный заряд. Примерно так работают и специальные клетки – "электроциты" – у скатов и других бьющих током рыб. Каждая из них вырабатывает небольшой заряд, напряжением в десять раз слабее, чем у "мизинчиковой" батарейки ААА. Но вместе они складываются в опасную силу, способную убить. Из таких же шажочков складывалось открытие человеком электричества – пока накопившийся заряд знаний не забил искрами, изменив жизнь на планете.

Почему такая рыба не бьёт током себя? Ведь заряды через воду могут перетечь не только в жертву, но и в самого электрического ската или угря. Чтобы понять это, надо знать, как течёт электричество, что такое проводники, сопротивление и напряжение – а это уже совсем другая история, которая называется "электродинамика", движение тока.

Говорят, что яркое искусственное освещение было прорывом, после которого люди впервые смогли полноценно работать и общаться после захода Солнца. Радио было прорывом, впервые надёжно связав страны и континенты. Бытовая электротехника освободила женщин, облегчив их труд по хозяйству. Что ещё?.. Компьютеры, ставшие незаменимыми инструментами, стали прорывом. Связавший компьютеры интернет позволил обмениваться информацией практически моментально. Всё это так. Но тогда укрощение электричества было мега-прорывом, без которого не было бы ни одного из следующих – и наша жизнь выглядела бы совершенно иной. А всё начиналось с искры...