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».