Сьогодні про одну з найважливіших властивостей природи – електричний заряд. Для декого може статися дивним, але вся сучасна цивілізація існує лише тому, що у природі є електричний заряд.
Слід зауважити, що люди відкрили його задовго до появи сучасної науки. Ще давні греки помітили дивну властивість бурштину. Якщо потерти його шматочком вовни, він починає притягувати легкі пір’їнки або сухі травинки. Люди ще не знали, що існують електрони, але вже тоді спостерігали наслідки їхньої поведінки. Сьогодні ми знаємо, що під час тертя частина електронів переходить з одного тіла на інше, і саме це створює електричний заряд. До речі, слово «електрика» теж походить від грецької назви бурштину — «електрон». Хоча справжню природу цього явища люди зрозуміли лише через багато століть.
Будова атома: електрон і протон
Згідно с сучасним уявленням, в центрі атома розташоване його ядро, а навколо обертаються електрони, які мають масу і заряд. Цікаво, що всі електрони, які існують у Всесвіті, мають однакову масу і однаковий заряд. Це природні властивості електрону. Потрібно розуміти, що заряд електрона, це не якась речовина, яка знаходиться у нього всередині, не крихітна батарейка і не запас електрики. Електрон не «носить» заряд із собою, він у нього просто існує.
Уявіть звичайний тенісний м’яч. Він має певний діаметр, певну вагу й певний колір. Ви ж не питаєте, де всередині кульки захований її жовтий колір. Він не лежить окремо. Це просто одна з її властивостей. Приблизно так само й заряд є невід’ємною властивістю електрона.
Тепер познайомимося з другою важливою частинкою — протоном. Саме протони разом із нейтронами утворюють ядро атома. Протон майже у 1836 разів важчий за електрон. Але зараз нас цікавить не його маса, а заряд.
Протон теж має електричний заряд. Проте він протилежний. Якщо заряд електрона умовно вважають негативним, то заряд протона — позитивним. І тут природа підготувала ще один сюрприз. За величиною вони абсолютно однакові. Відрізняється лише знак.
Це означає, що один електрон і один протон можуть повністю компенсувати один одного. Саме тому атом водню, який складається лише з одного протона і одного електрона, у цілому є електрично нейтральним. Те саме відбувається і з більшістю інших атомів. Якщо кількість електронів дорівнює кількості протонів, сумарний заряд дорівнює нулю.
Електричний заряд мають не лише протони і електрони
До речі, електрони й протони — далеко не єдині частинки, які мають електричний заряд. Заряд можуть мати й багато інших елементарних частинок. Просто саме електрони й протони відіграють головну роль у будові звичайної речовини, тому саме на них найзручніше пояснювати основні закони.
Тут може виникнути логічне запитання. Чому один заряд назвали позитивним, а інший негативним? Можливо, позитивний чимось кращий або сильніший?
Електричний заряд: плюс і мінус
Насправді ні. Це лише умовні назви. Колись учені просто домовилися позначати один тип заряду знаком «плюс», а інший — знаком «мінус». Якби історично все сталося навпаки, фізика абсолютно не змінилася б. Ми лише поміняли б місцями знаки у всіх формулах і підручниках. Тож слова «позитивний» і «негативний» зовсім не означають «добрий» чи «поганий». Це лише дві протилежні умовні позначки.
Досліди показали, що два електрони завжди відштовхуються один від одного. Два протони теж відштовхуються. А ось електрон і протон, навпаки, притягуються.
Саме це правило лежить в основі існування всіх атомів. Електричний заряд утримує електрони біля атомних ядер. Завдяки цьому виникають атоми, з атомів утворюються молекули, з молекул — клітини, а з клітин складаються всі живі організми. Фактично весь знайомий нам світ починається саме із взаємодії електричних зарядів.
Якби електрони не притягувалися до протонів, вони просто розлетілися б у різні боки. Якби однакові заряди не відштовхувалися, поведінка матерії була б зовсім іншою. Увесь Всесвіт виглядав би не так, як сьогодні.
Але Чому протилежні заряди притягуються а однакові відштовхуються?
Уявіть двох людей, які стоять на ковзанці. Якщо один із них штовхне іншого, той почне ковзати. Тут усе зрозуміло — між ними був безпосередній контакт.
А тепер подивімося на електрони. Вони можуть перебувати на певній відстані один від одного, але все одно відштовхуватися. Між ними немає мотузки. Немає палички. Немає жодного видимого зв’язку. То що ж передає цю силу?
Електромагнітне поле
Це робить електромагнітне поле. Кожна заряджена частинка змінює стан цього поля навколо себе. Інша заряджена частинка відчуває ці зміни, і саме тому виникає сила притягання або відштовхування. Ми не бачимо самого поля, так само як не бачимо повітря. Але чудово бачимо результати його роботи.
Можна уявити собі тихе озеро. Якщо кинути у воду камінець, по поверхні підуть хвилі. Якщо поруч плаває маленький човник, ці хвилі почнуть його розгойдувати. Камінець і човник не торкаються один одного безпосередньо. Між ними взаємодіє вода. Приблизно так само заряджені частинки взаємодіють не напряму, а через електромагнітне поле, яке заповнює весь Всесвіт.
Колись фізики вважали, що головними є саме частинки, а поле лише передає силу між ними. Сьогодні сучасна фізика дивиться на це інакше. Саме поле вважається більш фундаментальним, а частинки — це лише його збудження. Ми вже говорили про це, коли знайомилися з фундаментальними полями. Електронне поле породжує електрони, а електромагнітне поле забезпечує їхню взаємодію.
Що таке електричний заряд
Тепер можна сформулювати дуже важливий висновок. Заряд сам по собі не є силою. Заряд — це природна властивість частинки взаємодіяти через електромагнітне поле. А вже саме поле створює силу, яка або притягує частинки, або відштовхує їх.
Саме цю взаємодію описує один із найважливіших законів фізики — закон Кулона. Він показує, від чого залежить сила притягання або відштовхування між зарядами.
Може здатися, що якщо два заряди притягуються або відштовхуються, то сила між ними завжди однакова. Але це не так. Уявіть двох людей, які розмовляють поруч. Вони чудово чують один одного. Якщо ж відійти на кілька сотень метрів, розмова стане майже неможливою. Чим більша відстань, тим слабша взаємодія.
Із зарядами відбувається щось схоже. Чим ближче вони знаходяться один до одного, тим сильніше притягуються або відштовхуються. Якщо ж відстань збільшується, сила дуже швидко слабшає. Ба більше, якщо збільшити відстань лише вдвічі, сила взаємодії зменшиться одразу в чотири рази. Саме цю закономірність відкрив французький фізик Шарль Кулон наприкінці XVIII століття.
Його відкриття стало одним із фундаментальних законів фізики. Воно дозволило не просто описувати електричні явища, а й точно обчислювати силу взаємодії між зарядами.
Цей закон можна записати однією короткою формулою.
На перший погляд вона може здатися складною. Але її зміст дуже простий. Сила взаємодії залежить лише від трьох речей: величини обох зарядів і відстані між ними. Чим більші заряди — тим сильніше вони взаємодіють. Чим більша відстань — тим слабша ця сила.
Цікаво, що закон Кулона дуже нагадує закон всесвітнього тяжіння. І гравітація, і електрична взаємодія слабшають зі збільшенням відстані. Але між ними існує принципова різниця. Гравітація завжди лише притягує. А електричний заряд може як притягувати, так і відштовхувати. Саме завдяки цьому атоми не стискаються в одну безформну грудку матерії, а можуть утворювати складні й надзвичайно різноманітні структури.
Всі електрони однакові
На початку відео було сказано, що всі електрони у Всесвіті абсолютно однакові. Це твердження звучить настільки звично, що ми майже не замислюємося над ним. Але якщо придивитися уважніше, воно справді вражає. На Землі немає двох абсолютно однакових сніжинок. Навіть два листочки одного дерева трохи відрізняються. Людство витрачає величезні кошти, щоб виготовляти однакові деталі для літаків чи комп’ютерів, але навіть найсучасніше виробництво допускає крихітні похибки.
А тепер уявіть Всесвіт. За сучасними оцінками, у ньому існує приблизно 10⁸⁰ електронів. І кожен із цих електронів має абсолютно однакову масу, абсолютно однаковий заряд, однаковий спін і всі інші властивості. Немає трохи важчих електронів. Немає електронів із трохи більшим зарядом. Вони абсолютно однакові.
Чому так? Відповідь нам дають фундаментальні поля. Нагадаємо, що у сучасній фізиці електрон не вважається маленькою кулькою, яку природа виготовляє знову і знову. Насправді всі електрони — це однакові збудження одного й того самого електронного поля.
Уявіть поверхню спокійного озера. Якщо кинути у воду камінець, виникне хвиля. Якщо кинути ще один камінець, з’явиться ще одна хвиля. Вони можуть виникнути в різних місцях, але природа цих хвиль однакова, бо всі вони утворилися в одній і тій самій воді.
Так само і з електронами. Вони виникають як хвилі одного електронного поля. Саме тому всі електрони абсолютно однакові. Це один із найкрасивіших наслідків сучасної квантової теорії полів.
Фізики давно помітили ще одну дивовижну закономірність. Усі електрони мають не просто однаковий заряд. Вони мають одну й ту саму його величину. Не існує електрона із зарядом у півтора або два рази більшим. Кожен електрон має абсолютно однакову «порцію» заряду.
Цю найменшу природну порцію називають елементарним зарядом.
Елементарний заряд
Цікаво, що протон має точно такий самий заряд за величиною, тільки з протилежним знаком. Саме тому один електрон може повністю компенсувати заряд одного протона.
Уявіть, що ви прийшли до магазину, а найменша монета, яка існує, має номінал в одну гривню. Тоді ви не зможете заплатити сім гривень і тридцять сім копійок, якщо копійок просто не існує. Будь-яку суму доведеться складати лише з цілих монет.
Приблизно так само поводиться і заряд. Для більшості вільних частинок він складається лише з цілих «порцій» елементарного заряду.
Уважний глядач може заперечити, згадавши кварки, з яких складаються протони. Справді, кварки мають дробові заряди — +2/3 або −1/3 елементарного заряду.
Але існує одна дуже цікава особливість. На відміну від електронів, окремий кварк ніколи не спостерігається у вільному стані. Вони завжди залишаються «замкненими» всередині протонів, нейтронів та інших частинок.
Чому так відбувається?
У цьому винна інша фундаментальна сила природи — сильна взаємодія. Саме вона настільки міцно утримує кварки разом, що «вирвати» окремий кварк поки що не вдалося нікому.
Є ще один фундаментальний закон, без якого Всесвіт теж не зміг би існувати.
Це закон збереження електричного заряду.
Закон збереження заряду
Його суть дуже проста. Заряд не може виникнути з нічого і не може безслідно зникнути.
Уявіть дві посудини з водою. Ви можете перелити воду з однієї в іншу. Можете розділити її на кілька склянок. Можете змішати або перелити назад. Але загальна кількість води від цього не зміниться.
Так само поводиться і заряд.
Під час хімічних реакцій, роботи електричних приладів або навіть народження нових елементарних частинок заряд може переходити від одного об’єкта до іншого. Але його загальна кількість завжди залишається незмінною.
Наприклад, коли ви натираєте повітряну кульку об шерсть, може здатися, що на ній «з’явився» заряд. Насправді ніякий заряд не виник із нічого. Частина електронів просто перейшла з шерсті на кульку. Кулька отримала надлишок негативного заряду, а шерсть втратила стільки ж електронів і стала позитивно зарядженою. Загальна кількість заряду у системі при цьому зовсім не змінилася.
Саме завдяки цьому закону Всесвіт поводиться надзвичайно впорядковано. Якби заряд міг випадково з’являтися або зникати, атоми ставали б нестабільними, хімічні реакції відбувалися б непередбачувано, а вся сучасна фізика просто перестала б працювати.
Чому існує електричний заряд
Пригадаймо наш жовтий тенісний м’яч. Якщо ми запитаємо, чому тенісний м’яч жовтий, відповідь буде простою: його так пофарбували. А якщо запитати, чому електрон має заряд, сучасна фізика не дасть вам відповіді, бо не знає. Науковці чудово вміють вимірювати заряд, можуть передбачати його поведінку, але чому природа взагалі наділила електрон цією властивістю — поки що залишається загадкою. І, мабуть, саме це робить науку такою захопливою. Вона не лише знаходить відповіді. Кожна знайдена відповідь відкриває перед нами ще глибші запитання.
Сьогодні ми знаємо набагато більше, ніж сто чи двісті років тому. Але попереду ще безліч таємниць, які людству тільки належить розкрити. Та історія електричного заряду на цьому не закінчується.
Поки заряджена частинка нерухома, у системі відліку, де вона перебуває у спокої, навколо неї існує лише електричне поле. Але варто їй почати рухатися — і відбувається ще одна дивовижна річ. Навколо неї виникає магнітне поле.