Электростатика

Есть такое выражение - «взрыв на мукомольной фабрике». Оно связано с наличием статического электричества, которое скапливается на частицах муки. В итоге электричества накапливается столько, что происходит разряд в атмосфере - получается зажигание, искра. Все тела и вещества содержат заряды. Еще древние греки выяснили, что если потереть янтарь или стекло тряпочкой, то они начнут притягивать предметы. Если взять расческу, расчесать волосы, а потом поднести ее к кусочкам бумажки, они будут притягиваться. Этот пример отражает вид электромагнитного взаимодействия, а точнее, электростатики. Это означает, что в теле присутствуют электрические заряды, которые обеспечивают силовое взаимодействие. Если одно тело зарядить одним знаком заряда, другое тело - другим знаком, они будут притягиваться.

Известно, что тела имеют положительный или отрицательный электрический заряд. Из курса школьной физики все помнят, что отрицательные или одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются. С этим эффектом статического электричества мы сталкиваемся в обычной жизни. Например, если снять синтетическую одежду в темноте, то можно увидеть искры. Искры объясняются тем, что в момент трения двух непроводящих тел, двух диэлектриков, с одного тела заряды перетекают на другое, нарушая электронейтральность. Где-то становится больше положительного заряда, где-то - отрицательного, поэтому возникает притяжение. Если одного заряда много, то возникает электрический разряд. Например, если пройтись по полу или линолеуму из пластика после танцев, а потом прикоснуться к заряженному телу, в темноте будут видны искры.

Все эти процессы отражают свойства тел, которые связаны с наличием электрического заряда - заряда электрона, самого маленького и неделимого заряда. Все вещества состоят из атомов, в каждом атоме содержится равное количество отрицательного и положительного заряда. Отрицательный заряд несут электроны, положительный заряд сосредоточен в ядрах. Очень важна электронейтральность - строгое равенство положительного и отрицательного заряда. Если уменьшить заряд, забрать электроны у вещества, то оно зарядится положительно. Силы, действующие в атомах, связанные с электрическим зарядом, и электрические поля атомов огромны. В элементарном атоме, который состоит из электрона и протона, например в атоме водорода, между электроном и протоном электрические поля около 10 гигавольт на сантиметр. Пробой воздуха наступит в атоме при напряжениях в десятки киловольт, в миллион раз больше.

Для сравнения: масштаб сил в атоме существенно больше силы гравитации. Электростатические силы намного сильнее в земных условиях. Представим два кусочка вещества размером 1 миллиметр кубический, между ними 1 метр. Удалим из каждого атома по одному электрону. В итоге сила притяжения этих двух кусочков будет огромна, примерно 1010 ньютонов. Такая сила нужна, чтобы поднять самый большой в мире корабль длиной 500 метров. Также известно, что заряд сохраняется. В природе нет информации о процессах, которые могут нарушить количество заряда, находящегося во Вселенной. Согласно знаменитой формуле Эйнштейна E=mc2, масса может переходить в излучение. Звезды излучают свет и теряют свою массу, но заряд неизменен. Все химические связи и реакции связаны с перераспределением электрического заряда в атомах и молекулах.

Физик Дмитрий Паращук об органическом полевом транзисторе, интеллектуальных упаковках и светоизлучающей органике
Физик Дмитрий Паращук об органическом полевом транзисторе, интеллектуальных упаковках и светоизлучающей органике
Обратимся к истории. Способ получить электрически заряженные тела - отобрать у одного вещества электрон и прибавить его к другому - нашли еще древние греки. Сейчас этот способ называется «трибоэлектричество». Когда мы трем два диэлектрических тела, часть электронов с одного тела переходит на другое, и они заряжаются. Впервые эти термины появились благодаря американскому государственному деятелю и ученому Бенджамину Франклину. (Возможно, это последний пример, когда человек одновременно является и крупным государственным деятелем, и ученым.) С именем Франклина связаны такие термины, как заряд, разряд, конденсатор, батарея. Информация о двух типах заряда и их взаимодействии нам известна из опытов Кулона. Этот французский ученый установил закон, который похож на закон всемирного тяготения. Закон Кулона гласит: сила притяжения между двумя зарядами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и их величине. Формулировка похожа на формулировку закона всемирного тяготения, но вместо масс стоят заряды.

Следующий важный этап в понимании электростатических и электромагнитных сил - открытие электрона в конце XVIII века как элементарной частицы заряда. В начале XX века за это открытие Нобелевскую премию получил Джордж Томсон. Позже американский ученый Роберт Малликен измерил величину заряда электрона, за что через несколько лет получил Нобелевскую премию. Способ разделения зарядов со времен древних греков никак не изменился, все происходит через соприкосновение двух тел.

Электростатика часто встречается в быту. Известно, что металлическое острие концентрирует вблизи себя электрическое поле. Если зарядить другой предмет, например проволоку или иголку, то вблизи острия возникнет огромное электрическое поле. Этот эффект используют в громоотводах. На самом деле они не гром отводят, а молнии. Громоотводы стимулируют пробой атмосферы в местах, где происходит увеличение электрического поля. Энергия молний огромная, поэтому очень важно правильно располагать и конструировать громоотводы.

Усиление электрического поля наблюдается и в других областях - например, в наночастицах, потому что чем меньше острие, тем сильнее электрическое поле. Если взять наночастицу, зарядить ее, то электрические поля там станут выше. Это один из методов наноскопии. Если есть задача увидеть не на микроуровне, а на наноуровне, то, когда мы подносим такую частичку, оно поджигает вокруг себя вещество и в малой области это вещество позволяет увидеть. На этом принципе основана идея наноскопии.

Электростатика применяется в вакуумных приборах. Раньше это использовалось в телевизорах и кинескопах, но сейчас такие телевизоры не производят. Электростатику использовали в осциллографах, камерах, специальных спектрометрах, в которых нужно определить заряд частицы, ее массу. Брали вакуумную камеру, размещали в ней электрически заряженные пластины и по отклонению траектории частицы в этой камере изучали ее свойства.

Другая сфера использования электростатики - очистка воздуха от пыли. Между двумя пластинами, которые образуют конденсатор, проходит воздух, его хотят очистить. За счет ионизации с частиц снимается заряд, и они становятся заряженными. Затем, если приложить электрическое поле, частицы можно транспортировать и очистить воздух. Также статическое электричество может быть опасно и вредно, поэтому используют антистатические покрытия: покрывают диэлектрик слоем проводящего материала, который позволяет убрать эти заряды. Еще статическое электричество используется во многих копировальных машинах, ксероксах, факсах. Чтобы перенести краски на бумагу, бумагу заряжают, и при соприкосновении частицы краски на нее переносятся. Следующая сфера - это молекулярные машины на уровне клеток, как машины для производства АТФ, представляющие собой электростатический двигатель, который управляется зарядами на клеточной мембране, поэтому и движется.

Природу трибоэлектричества со времен древних греков ученые изучили не очень хорошо. Нам известны сферы, где это работает и используется, но сам молекулярный механизм неизвестен, поэтому его нужно изучить в будущем. Также важно разбираться и знать, как образуется атмосферное электричество, как возникают молнии в грозах, как накапливается заряд, ведь это связано с движением малых частиц в облаках. Все эти процессы сложные, и пока мы их до конца не понимаем.