Текст книги "Физика в быту"

Все знают, что для получения тока в цепи надо, чтобы в цепи присутствовал источник напряжения, например аккумулятор или батарейка. Но Фарадей обнаружил, что можно получить ток в проводящем контуре безо всяких источников! Надо только, чтобы магнитный поток через этот контур изменялся по любым причинам. А что такое магнитный поток? Это, грубо говоря, произведение магнитной индукции на площадь, ограниченную контуром. Но важна также и ориентация контура относительно магнитного поля. Чтобы магнитный поток изменялся, можно или менять само магнитное поле в месте нахождения контура, или поворачивать контур в неизменном магнитном поле. По этому принципу работает генератор переменного тока: рамку, состоящую из многих витков, вращают между полюсами магнита, или, наоборот, магнит вращают вокруг неподвижной рамки. В обоих случаях через витки рамки течёт ток – тот самый переменный ток, которым мы активно пользуемся. Такой ток, созданный путём изменения магнитного потока, называют индукционным. Чем быстрее изменяется магнитный поток, тем больше величина индукционного тока. Это суть закона электромагнитной индукции Фарадея.

Если линии магнитной индукции составляют угол α с направлением нормали к площадке S, то магнитный поток через эту площадку равен BS·cosα. Изменение магнитного потока в электрогенераторах достигается за счёт изменения угла α при вращении рамки.

Но каким образом изменяющееся магнитное поле заставляет двигаться электроны в неподвижном проводнике? Ведь на неподвижные (в среднем) заряды магнитные поля не действуют. Размышляя над этой загадкой, Максвелл пришёл к выводу: изменяющееся со временем магнитное поле порождает вихревое электрическое поле, то есть поле, линии напряженности которого замкнуты сами на себя. Оно-то и приводит в движение электроны в проводящем контуре, создавая индукционный (или вихревой) ток.

При протекании любого тока, в том числе индукционного, проводник нагревается. Мы используем разогрев индукционными токами в индукционных электроплитах: токовые катушки создают сильное переменное магнитное поле высокой частоты, возбуждающее индукционные токи в посуде со специальным ферромагнитным слоем на дне. Вот и получается: сама конфорка холодная, а посуда на ней вместе со своим содержимым нагревается.

Забегая вперёд, отметим, что индукционные токи – один из главных механизмов воздействия на нас переменных магнитных полей, особенно высокочастотных.

Электрическое и магнитное поля тесно связаны друг с другом. Подобно тому, как изменяющееся магнитное поле порождает электрическое, изменяющееся электрическое поле порождает магнитное.

Итак, электрическое поле создаётся не только зарядами, но и изменяющимся магнитным полем. Магнитное поле создаётся не только токами, но и изменяющимся электрическим полем. Этот процесс взаимного порождения полей, начавшись в некоторой точке пространства, распространяется от точки к точке всё дальше и дальше – это и есть электромагнитная волна.

Электромагнитные волны были предсказаны Максвеллом на основе полной системы уравнений, описывающей эти поля (уравнений Максвелла), и обнаружены экспериментально Генрихом Герцем в конце XIX века.

Более полувека физики не верили в существование электрического и магнитного полей, предсказанных Фарадеем. Построение полной теории электромагнитных полей Максвеллом (1865 г.) не убедило их в реальности существования полей. Только после опытов Генриха Герца (1888 г.) по излучению и приёму электромагнитных волн электромагнитные поля стали рассматриваться как объективная реальность.

Как же «запустить» в пространство электромагнитную волну? Ответ: для этого надо заставить заряды в каком-то месте двигаться с ускорением, и из этого места и начнёт распространяться электромагнитная волна. Чем больше ускорение, тем больше интенсивность волны. Один из способов сообщить ускорение зарядам – это заставить их колебаться туда-сюда с большой частотой. Чем больше частота колебаний, тем больше ускорение (оно пропорционально квадрату частоты) и больше интенсивность излучения (она пропорциональна квадрату ускорения, то есть частоте в четвёртой степени). На этом принципе основано излучение всех антенн: от смартфона до радиовещания.

Подчеркнём: чтобы интенсивность излучения электромагнитных волн была хоть сколько-то ощутима, частота колебаний в антенне должна быть очень большой – десятки килогерц и больше. На технической частоте 50 Гц никакого электромагнитного излучения нет! Иногда говорят: проводка или прибор, работающий на переменном токе, излучает электромагнитное поле. Это не совсем корректно: вокруг проводов проводки есть электромагнитное поле, но никакие волны она не излучает. Излучают радиоантенны, смартфоны и базовые станции, микроволновые печи, беспроводные наушники, радионяни, Wi-Fi роутеры и так далее.

Чем больше частота, тем меньше длина волны, как и для звуковых волн. Самые короткие радиоволны с длиной волны (в воздухе) от 1 мм до 1 м называют микроволнами, их частоты лежат в пределах от 30 МГц (мегагерц, то есть миллионов герц) до 300 ГГц (гигагерц, то есть миллиардов герц). Микроволны излучают любимые нами гаджеты, роутеры, микроволновки. Ещё более короткие волны – это уже инфракрасное излучение, источником которого являются все нагретые тела (мы сами создавать излучатели таких больших частот не умеем).

На этом завершим наш краткий экскурс в науку электродинамику и поговорим о тех естественных электромагнитных полях, в которые мы были погружены в доиндустриальную эпоху, пока они не были сильно искажены достижениями нашей технической цивилизации.

Глава 2
Естественные электромагнитные поля

Земной шар обладает собственными электрическим и магнитным полями, а ещё вблизи поверхности Земли наблюдается некий фон электромагнитных волн низких и сверхнизких частот. Итак, по порядку.

Земля – это огромный заряженный шар, имеющий большой отрицательный заряд (почти полмиллиона кулон). Но из космоса этот заряд не заметен, так как он компенсируется таким же по величине положительным зарядом, сосредоточенным, в основном, в ионосфере на высоте около 50 км от земной поверхности; избыток положительных ионов имеется также в нижних слоях атмосферы. В целом Земля со своей атмосферой имеют нулевой суммарный заряд.

Но около поверхности земли имеется электрическое поле. В ясную погоду над пустынной равниной его средняя напряженность равна 100–130 В/м, над океанами 80–90 В/м. Почему мы говорим о пустынной равнине? Потому что присутствие предметов и живых существ сильно изменяет земное электрическое поле. С высотой электрическое поле Земли быстро убывает (так, на высоте 1,5 км оно уже в 4 раза слабее) и исчезает на расстоянии 50–60 км от поверхности.

Заряд Земли и её поле изменяются в течение суток: они минимальны в 3–4 часа по Гринвичу и максимальны около 19 часов – на всей Земле!

Из-за избытка положительных ионов в воздухе к земле постоянно течёт слабый ток. Полный ток, достигающий поверхности земли, равен 1800 А, то есть ежесекундно отрицательный заряд Земли уменьшается на такое же количество кулон. Казалось бы, из-за этого Земля должна быстро потерять свой заряд, однако этого не происходит. В чём же причина?

Разгадку подсказал тот факт, что около 19 часов по Гринвичу достигает максимума степень грозовой активности на всей Земле (в основном это тропические грозы) – тогда же, когда максимально электрическое поле Земли. Именно молнии снабжают Землю отрицательным зарядом. Слабые атмосферные токи разряжают Землю, а молнии заряжают. В среднем в Землю бьёт 60–100 молний в секунду, и каждая молния приносит отрицательный заряд до 20 Кл.

Так выглядит сильно упрощённая картина. По современным представлениям электрическое поле Земли связано со множеством процессов, происходящих в атмосфере, ионосфере и даже магнитосфере Земли, и все эти процессы объединяют общим понятием – Глобальная электрическая цепь.

Во время грозы электрическое поле под грозовым облаком меняет своё направление на противоположное, а его напряженность достигает 100 тысяч В/м.

Земля обладает весьма сильным магнитным полем по сравнению с другими планетами земной группы. Вблизи Земли оно имеет такой вид, будто внутри земного шара находится постоянный полосовой магнит, ось которого на 10° отклонена от оси вращения Земли. Соответственно, магнитные полюса отстоят от географических на 2–3 тысячи км. Как уже говорилось, этот магнит образован токами во внешнем жидком ядре Земли. Схематично геомагнитное поле вблизи Земли изображено на рис. 19. Линии индукции магнитного поля – это как раз те воображаемые линии, вдоль которых выстраиваются стрелки компасов. Там, где линии гуще, магнитное поле сильнее. Из рисунка мы видим, что вблизи полюсов магнитное поле более сильное, чем вблизи экватора. Индукция геомагнитного поля составляет десятки микротесла (миллионных долей тесла: мкТл), и это в тысячи раз меньше, чем локальные магнитные поля, создаваемые обычными бытовыми приборами.

На экваторе магнитная индукция в настоящее время равна 34 мкТл, на широте Москвы 50 мкТл, вблизи полюсов около 66 мкТл. В области Курской магнитной аномалии магнитное поле 100 мкТл.

Геомагнитное поле в тысячи раз слабее поля постоянного магнита, который вы можете купить в магазине.

Магнитное поле, создаваемое токами в ядре, называют главным, и его вклад в общее поле составляет 95 %. Есть ещё аномальное поле, создаваемое намагниченными горными породами, и внешнее геомагнитное поле, связанное с солнечно-земными взаимодействиями (о нём поговорим чуть позже).

На большом расстоянии от Земли геомагнитное поле несимметрично: со стороны Солнца оно «сплющено» и простирается на 10 земных радиусов, а в направлении от Солнца магнитное поле образует шлейф, тянущийся на сотни тысяч километров – дальше орбиты Луны. Такая форма возникает из-за солнечного ветра. Солнечный ветер – это непрерывный поток высокоэнергетичных заряженных частиц, главным образом протонов и электронов. Эти заряженные частицы захватываются и удерживаются магнитным полем Земли, как в ловушке. Их траектории «наматываются» на линии поля, и частицы кочуют от одного полюса к другому, постепенно растрачивая свою энергию в столкновениях с молекулами атмосферы. Ближе всего они приближаются к Земле в районе полюсов, и мы видим их атаки как полярные сияния.

Рис. 19. Линии индукции магнитного поля вблизи Земли

Области околоземного пространства с повышенной концентрацией захваченных заряженных частиц образуют радиационные пояса Земли, которые окружают Землю, подобно кольцам. Таких поясов два. Внутренний радиационный пояс находится на высоте четырёх тысяч километров от поверхности Земли и состоит в основном из протонов. Внешний пояс, расположенный на высоте 17 тысяч километров, состоит в основном из электронов. Содержимое радиационных поясов постепенно «протекает» в атмосферу, но продолжает постоянно пополняться от Солнца.

Без защиты магнитного поля с его радиационными поясами жизнь на поверхности Земли была бы невозможна. Да и саму атмосферу рано или поздно «сдуло» бы солнечным ветром, как это произошло у Марса, когда он лишился своего магнитного поля.

Прямые измерения магнитного поля проводятся всего 400 лет, а о далёких временах мы узнаём, анализируя намагниченность горных пород. Оказалось, что главное геомагнитное поле не совсем стабильно: есть вековые колебания, длящиеся столетиями, а изредка случаются «геомагнитные рывки» продолжительностью не больше года. Это всё так или иначе связано с токами в ядре. Но самое интересное, что примерно раз в миллион лет северный и южный магнитные полюса меняются местами, то есть происходит инверсия магнитных полюсов. Процесс это небыстрый, длящийся несколько тысяч лет, и в течение какого-то времени геомагнитное поле становится очень слабым, так что всё живое на Земле оказывается под угрозой. Последняя такая инверсия произошла около 770 тысяч лет назад.

Возможны также ситуации, когда полюса меняются местами на короткое время порядка сотен лет, а потом возвращаются обратно. Последнее такое событие произошло 42 тысячи лет назад («событие Лашамп»). Магнитное поле имело противоположное направление в течение примерно 440 лет, а переходные периоды длились по 250 лет. Во время переходов магнитная индукция составляла всего 5–10 % от обычной! Космические частицы, проникая в атмосферу, разрушали озоновый слой, что привело к увеличению потока ультрафиолета. Древние люди вынуждены были прятаться в пещерах. Предполагают, что неандертальцы не выдержали конкуренции с гомо сапиенс в борьбе за пещеры. Серьёзные климатические изменения на Земле, вымирание мамонтов и мегафауны Австралии тоже связывают с этим событием.

Магнитные полюса всегда находятся в движении. Но с 1990-х движение северного магнитного полюса ускорилось в 4 раза. За последние 150 лет геомагнитное поле уменьшилось на 10 %. Эти изменения происходят неравномерно: где-то поле ослабевает сильнее, а где-то даже усиливается. Учёные опасаются нового «события Лошамп».

При вспышках на Солнце миллиарды тонн плазмы (заряженных протонов, ядер гелия и электронов) выбрасываются в космос. Если выброс попадает в Землю (это может произойти через 2–3 дня после вспышки), геомагнитное поле испытывает возмущения. В магнитно-спокойные дни вариации геомагнитного поля во много тысяч раз меньше постоянно действующего поля, а во время сильных вспышек всплески магнитных полей увеличиваются в десятки раз, их величина достигает 1 % от стационарного поля – это так называемые магнитные бури. При буре земное поле меняется с амплитудой в сотые доли мкТл в минуту (напомню, что в Москве магнитная индукция стационарного поля 50 мкТл). Сильные магнитные бури возникают в основном в активной фазе солнечного 11-летнего цикла. В годы минимума солнечной активности мы имеем лишь несколько бурь в течение года, при максимумах солнечной активности – до 50 бурь в год. Фаза нарастания магнитных возмущений длится около 7 часов, а возвращение поля к исходному состоянию занимает около трёх суток. Это означает, что в годы активного солнца мы чуть ли не половину времени живём в условиях умеренных и сильных бурь.

Хотя относительная величина магнитных всплесков на первый взгляд не впечатляет, они несут угрозу высокотехнологичной инфраструктуре и могут выводить из строя космические аппараты.

Самая мощная в истории наблюдений геомагнитная буря произошла в 1859 году, то есть больше 160 лет назад. Тогда северное сияние можно было увидеть даже на широте Кубы. Телеграф вышел из строя по всей Европе и Северной Америке на несколько дней. По оценкам, амплитуда всплесков достигала 0,9 мкТл. В нашу высокотехнологичную эпоху такое событие нанесло бы колоссальный ущерб экономике! К счастью, антарктические ледяные керны свидетельствуют, что столь сильные магнитные бури происходят раз в 500 лет.

Действуют ли магнитные бури на людей? Исследования дают противоречивые результаты. С одной стороны, есть свидетельства служб скорой помощи, что в течение 1–2 дней после начала бури возрастает число обращений людей с сердечно-сосудистыми проблемами. Однако строгими статистическими расчётами эти утверждения не подкреплены. Исследователям всё же удалось выявить статистически значимый тренд, связывающий геомагнитные бури с усилением психотической депрессии у мужчин. Также удалось экспериментально подтвердить, что работа сердечно-сосудистой системы зависит от геомагнитной обстановки.

В целом, российские учёные склонны допускать, что магнитные бури влияют на здоровье человека (хотя механизмы такого влияния до сих пор неясны), а западные и американские учёные отвергают эту идею. Так или иначе, исследования о воздействии солнечных вспышек на людей продолжаются.

До сих пор мы говорили о стационарных электромагнитных полях и их случайных возмущениях.

Но есть ещё один постоянно действующий фактор – это стоячие электромагнитные волны низких и сверхнизких частот, так называемые резонансы Шумана (в честь профессора Мюнхенского университета В. Шумана, теоретически предсказавшего их в 1952 году).

Дело в том, что пространство между Землёй и ионосферой представляет собой гигантский электромагнитный резонатор. Подобно звуковым резонаторам, он усиливает колебания с определёнными частотами, зависящими от размеров и формы резонатора. Основные собственные частоты электромагнитного резонатора Земля-ионосфера лежат в диапазоне от 7,83 до 50 Гц (сейчас известно восемь частот Шумана, их округлённые значения: 8, 14, 20, 26, 32, 39, 45 и 50 Гц). Ионосферный резонатор постоянно возбуждается и подпитывается энергией от молний, бьющих ежесекундно в Землю.

Человек, как и всё живое, сформировался в полости этого резонатора. И не случайно основные шумановские частоты соответствуют диапазонам альфа– и бета-волн мозга человека. Наиболее интенсивной является шумановская волна со средней частотой 7,83 Гц, соответствующая альфа-диапазону мозговых волн человека (7,5–13 Гц). Интересно, что не только у человека, но и у большинства живых существ, независимо от размера мозга, в электрической активности мозга доминирует частота около 8 Гц.

Шумановские волны необходимы для синхронизации биоритмов всего живого на Земле. Эксперименты по стимуляции мозга волнами различной частоты показали, что частота 7,83 Гц способствует переходу из активного бодрствования в спокойное, умиротворённое состояние. Стимуляции в бета-диапазоне (14–30 Гц) повышают умственную активность и внимание. У добровольцев же, помещённых в бункеры, отражающие шумановские волны, через три недели развивались эмоциональные нарушения и мигрени.

Между тем городские жители постоянно находятся в такого рода «бункерах»: ведь интенсивность шумановских волн столь невелика, что они практически полностью заглушаются электромагнитным смогом городов.

На ночной стороне Земли ионосфера редеет, из-за чего интенсивность шумановских волн ночью уменьшается в 5–10 раз. Возможно, вследствие этого ночью у бодрствующих людей снижается скорость реакции и способность к абстрактному мышлению.

Глава 3
Человек в электромагнитных полях

Электромагнитное поле Земли воздействует на всю живую и неживую природу. Состояние геомагнитного поля влияет на климат и погоду. Геомагнитное поле намагничивает почвы, что сказывается на скорости роста растений. С помощью геомагнитного поля многие виды перелётных птиц, насекомых и членистоногих безошибочно определяют направление движения на тысячи километров (хотя нет единой точки зрения на то, как именно они это делают).

А насколько существенно воздействие электромагнитных полей (сокращённо ЭМП) на человека? И как сказывается на нашем здоровье всё возрастающий фон техногенных полей? Уже накоплен обширный экспериментальный материал на эту тему. И всё же вопросов здесь остаётся гораздо больше, чем ответов.

В основе всех функций организма лежат электромагнитные взаимодействия. Жизнедеятельность сопровождается генерацией электрических полей и протеканием в тканях слабых электрических токов. Биотоки создают распределение электрических потенциалов по поверхности тела. Регистрация этих потенциалов давно уже используется в медицине – это электрокардиография и электроэнцефалография.

Биотоки порождают также биомагнитное поле, существующее внутри и за пределами тела. Другой источник магнитных полей человека – мельчайшие ферромагнитные частицы (которые сами по себе могут быть намагничены), случайно попавшие или специально введённые в организм, например с целью диагностики или терапии.

Биомагнитное поле в миллионы и миллиарды раз слабее геомагнитного, и учёные научились измерять его только в 1970-х годах с помощью сверхпроводящих сквид-магнитометров. Тогда и возникло новое научное направление – биомагнетизм. Регистрируя зависимость от времени магнитного поля сердца или мозга (то есть снимая магнитокардиограммы и магнитоэнцефаллограммы), врачи могут диагностировать те или иные заболевания. Какие-то процессы лучше видны на электрограммах, а какие-то – на магнитограммах. Каждый орган генерирует своё магнитное поле. Самое сильное биомагнитное поле создаётся сердцем. Интересно, что магнитное поле глаз сильнее, чем магнитное поле мозга (это связано с работой сетчатки).

Если вы съели консервы из жестяной банки, сквид-магнитометры обнаружат ферромагнитные частицы у вас в желудке. У сварщиков такие частицы регистрируются в лёгких.