Как накопить электроны?

Знаменитый физик и политический деятель США Бенджамин Франклин считал, что при электризации некая жидкость — «флюид» перетекает из одного тела в другое. Потом уже, в конце XIX в., ученые, главным образом английский физик Дж. Дж. Томсон (1856−1940), обнаружили, что никакой жидкости тут нет, а есть частички, заряженные электрическим зарядом, и мельчайшая из них была названа в честь янтаря электроном. Заряда меньше, чем у электрона, оказывается, быть не может, а почему — этого пока точно никто не знает; может быть, это установит и подарит свое открытие человечеству один из читателей этой книги.

Считается, что электрон — носитель отрицательного заряда электричества. Если у атома вещества отнять электроны, то атом этот зарядится положительно; если передать лишние — то отрицательно. При трении янтаря о шерсть, например, электроны переходят от шерсти на янтарь, он заряжается отрицательно, а шерсть — положительно; при натирании шелком стекла происходит обратное: стекло заряжается положительно, а шелк — отрицательно. Мало-помалу процесс натирания механизировался, и ученые создали электрические машины. Сейчас почти в каждой школе есть такая электрическая, или, правильнее, электрофорная, машина со стеклянным диском (рис. 308, а), а раньше предпочитали натирать диски из более экзотических материалов. Английский физик Ф. Хоксби (1666−1713) построил электрофорную машину в виде стеклянного вакуумированного шара, который начинал светиться, если его натирать (рис. 308, б).

Рис. 308. Электрофорная машина (о) и «светящийся шар» Ф. Хоксби (б).

Известный своими опытами с магдебургскими полушариями бургомистр немецкого города Магдебурга Отто фон Герике строил электрические машины из больших вращающихся серных шаров, придерживаемых для натирания руками или специальными подушечками, шелковыми или кожаными. Между наэлектризованными шарами удавалось получить достаточно крупные, но пока еще безобидные искры.

Но когда в лаборатории голландского города Лейдена попробовали электризовать воду в стеклянной колбе, получив таким образом первый в истории конденсатор, то искра оказалась такой мощной, что экспериментатор — студент по имени Канеус — чуть не был убит ею. Впоследствии ученые фон Клейст и Мушенбрук придали современный вид конденсатору, выполнив колбу с обкладками из фольги изнутри и снаружи. Так была открыта знаменитая лейденская банка (рис. 309), таинственные опыты с которой быстро завоевали популярность в научных и даже аристократических кругах.

Француз Жан Нолле в присутствии короля Людовика XV продемонстрировал забавный эксперимент. Двести придворных короля согласились пропустить через себя заряд лейденской банки. И длинная цепь из взявшися за руки блестящих кавалеров и дам с визгом подскочила вверх. Когда же смех и восторги по поводу опыта затихли, Нолле продемонстрировал и убийственную силу электричества. Тот же электрический заряд был пущен через тело воробья, а затем мыши — они были мгновенно убиты искрой!

Опыты эти по праву считались опасными для жизни (рис. 310). «Это страшные опыты, и я никому не рекомендую их повторять», — писал один из первых экспериментаторов с лейденской банкой. Заметим, что эти слова не мешало бы помнить и нам, людям XXI в., часто пренебрегающим опасностью электрического тока, ставшего таким привычным.

Рис. 309. Лейденская банка Рис. 310. Первые опыты на элекгро;

форных машинах Даже монахи, и те проводили опыты с лейденской банкой. Известен грандиозный опыт, когда 700 монахов из Парижа, взявшись цепочкой за руки, провели эксперимент Канеуса, пропустив через себя ток от лейденской банки. Электрический разряд был настолько силен, что все 700 человек, сведенные судорогой, разом вскрикнули.

Сейчас мало кто пользуется лейденскими банками, они сохранились разве только на школьных электрофорных машинах. Современные емкие конденсаторы, способные накопить большое количество электронов, делают из алюминиевой фольги, покрытой очень тонкой пленкой оксида алюминия. Эта пленка, как стекло в лейденской банке, разделяет электроды — алюминиевую пленку и специальный электролит (жидкость). Чем тоньше пленка, тем емче конденсатор, но тем скорее она может быть пробита искрой.

Вот такие электролитические конденсаторы (рис. 311), настоящие «банки» для электронов, находятся во многих электронных приборах, например телевизорах. Иногда они пробиваются искрой, и тогда весь их заряд мгновенно переходит в тепло. Конденсатор со страшным грохотом взрывается; кто слышал такой взрыв конденсатора в телевизоре во время передач типа «Байки из склепа» и не стал после этого заикой, тот настоящий герой!

Бывают и конденсаторы-гиганты, как, например, изображенный на рис. 312. Но в современных молекулярных конденсаторах повышают не размер, а электрическую емкость, что выгоднее. На таких конденсаторах, как накопители энергии, электромобиль может проехать сотни метров. Но все равно конденсатор принципиально не может накопить больших количеств энергии. Лучшие конденсаторы в сотни раз менее энергоемки, чем, например, маховики или электрические аккумуляторы.

Бывает ли электричество «живое»?

С древних пор люди знают, что существуют «электрические» рыбы, например угорь или скат, которые создают разряд, подобный разряду конденсатора. И вот профессор анатомии университета в городе Болонье Луиджи Гальвани (1737−1798) решил выяснить, не обладают ли такой способностью другие животные. В 1780 г. он препарировал мертвую лягушку и вывесил на балкон для просушки лапку этой лягушки на медной проволоке. Ветер раскачивал лапку, и Гальван и заметил, что, прикасаясь к железным перилам, она сокращается, совсем как у живого существа. Из этого Гальвани сделал ошибочный (как потом выяснили) вывод, что мышцы и нервы животных вырабатывают электричество.

Вывод этот был неправилен в случае лягушки. Между тем рыбы, вырабатывающие электричество, причем в немалом количестве, существуют и достаточно распространены. Вот что пишет об этом ученый, специалист в этой области Н. И. Тарасов.

В теплых и тропических морях, в реках Африки и Южной Америки живут несколько десятков видов рыб, способных временами или постоянно испускать электрические разряды разной силы. Своим электрическим током эти рыбы пользуются не только для защиты и нападения, но и для того, чтобы сигнализировать друг другу и обнаруживать заблаговременно препятствия (локации). Электрические органы встречаются только у рыб. Если бы они были у других животных, ученым давно бы это стало известно.

Электрические рыбы существуют на Земле уже миллионы лет. Их останки найдены в очень древних слоях земной коры. На древнегреческих вазах встречаются изображения электрического морского ската — торпедо.

В сочинениях древнегреческих и древнеримских писателей и натуралистов немало упоминаний о чудесной, непонятной силе, которой наделен торпедо. Врачи Древнего Рима держали этих скатов у себя дома в больших аквариумах. Они пытались использовать Торпедо для лечения болезней: пациентов заставляли прикасаться к скату, и от ударов электрического тока больные будто бы выздоравливали.

Даже в наше время на побережье Средиземного моря и Атлантическом берегу Пиренейского полуострова пожилые люди бродят иногда по мелководью — надеются излечиться от ревматизма или подагры «целительным» электрическим торпедо.

Очертания тела торпедо напоминают гитару длиной от 30 см до 1,5 и даже до 2 м (рис. 313). Его кожа принимает цвет, сходный с окружающей средой (такая способность присуща также осьминогу, камбале, некоторым креветкам). Различные виды торпедо живут в при- Рис. 313. Электрический скат торпедо брежных водах Средиземного и Красного морей, Индийского и Тихого океанов, у берегов Англии. В некоторых бухтах Португалии и Италии Торпедо буквально кишат на песчаном дне.

Электрические разряды Торпедо очень сильны. Если этот скат попадет в рыбачью сеть, его ток может пройти по влажным нитям сети и ударить рыбака. Электрические разряды защищают Торпедо от хищников — акул и осьминогов — и помогают ему охотиться за межой рыбой.

Электричество у Торпедо вырабатывается в особых органах — «электрических батареях». Они находятся между головой и грудными плавниками и состоят из сотен шестигранных столбиков студенистого вещества (рис. 314). Столбики отделены друг от друга плотными перегородочками, к которым подходят нервы. Верхушки и основания столбиков соприкасаются с кожей спины и брюха. Нервы, подходящие к электрическим органам, сильно развиты и имеют внутри «батарей» около полумиллиона окончаний.

За несколько десятков секунд торпедо испускает сотни и тысячи коротких разрядов, идущих потоком от брюха к спине. Напряжение тока у разных видов скатов колеблется от 80 до 300 В при силе тока 7−8 А.

Рис. 314. Схема элекгрических органов ската торпедо.

В водах наших морей живут некоторые виды колючих скатов — райя, или, как их у нас называют, морские лисицы (рис. 315). Действие электрических органов у этих скатов гораздо слабее, чем у Торпедо. Можно предполагать, что слабые, но хорошо развитые электрические органы райя служат им для связи друг с другом и играют роль беспроволочного телеграфа.

Недавно ученые установили, что африканская пресноводная рыбка гимнархус всю жизнь непрерывно испускает слабые, но ча;

Рис. 315. Морская лисица стые электрические сигналы. Ими гимнархус как бы прощупывает пространство вокруг себя. Он уверенно плавает в мутной воде, среди водорослей и камней, не задевая телом ни за какие препятствия. Такой же способностью наделены и «слаботочные» родственники электрического угря — южноамериканские гимноты и африканская рыбка мормиропс.

В восточной части тихоокеанских тропических вод живет скат дископиге глазчатый (рис. 316). Он занимает как бы промежуточное положение между Торпедо и колючими скатами. Питается скат мелкими рачками и легко их добывает, не применяя электрического тока. Его электрические разряды никого не могут убить и, вероятно, служат ему лишь для того, чтобы отгонять от себя хищников.

Электрические органы есть не только у скатов. Тело африканского речного сома — малаптеруруса, обернуто, как шубой, студенистым слоем, в котором образуется электрический ток. На долю электрических органов приходится около четверти веса всего сома. Напряжение разрядов этой рыбы достигает 360 В; оно небезопасно для человека и, конечно, гибельно для рыб.

Рис. 316. Скат дископиге глазчатый.

В Индийском, Тихом и Атлантическом океанах, в Средиземном и Черном морях живут небольшие рыбки, похожие на бычков, — звездочеты (рис. 317). Обычно они лежат на прибрежном дне, подкарауливая проплывающую сверху добычу. Поэтому их глаза, расположенные на верхней стороне головы, смотрят вверх. Отсюда и происходит их название. Некоторые виды звездочетов имеют электрические органы, которые находятся в глазной впадине и служат, вероятно, лишь для сигнализации.

Рис. 317. Рыба-звездочет.

В южноамериканских тропических реках живет электрический угорь. Это серо-синяя змееобразная рыба длиной до 3 м. На долю головы и грудобрюшной части приходится всего 1/5 ее тела, а вдоль 4/5 тела с обеих сторон расположены сложные электрические органы.

Они состоят из 6 000 — 7 000 пластинок, отделенных друг от друга тонкой оболочкой и изолированных прокладками из студенистого вещества. Пластинки образуют своего рода батарею, дающую разряд по направлению от хвоста к голове. Ток угря достаточен, чтобы убить в воде рыбу или лягушку. Плохо приходится и людям, купающимся в реке: электрический орган угря дает напряжение в несколько сот вольт. Особенно сильное напряжение тока дает угорь, когда он изгибается дугой так, что жертва находится между его хвостом и головой: получается замкнутое электрическое кольцо.

Электрический разряд угря привлекает других угрей, находящихся поблизости. Этим свойством угрей можно пользоваться и искусственно. Разряжая в воду любой источник электричества, удавалось привлекать целое стадо угрей, надо было только подобрать соответствующее напряжение тока и частоту разрядов.

Подсчитано, что 10 000 угрей могли бы дать энергию для движения электропоезда в течение нескольких минут. Но после этого поезд стоял бы несколько суток, пока угри не восстановили бы свою электрическую энергию.