Текст книги "Чердак. Только физика, только хардкор!"

3. Тайна электричества

3.1. Как убивает ток?

Как убивает электрический ток? На самом деле вопрос очень сложный, потому что ток оказывает на человека различное воздействие: тепловое, химическое, психологическое. Поэтому существует очень много факторов, из-за которых можно погибнуть. И почему-то очень мало экспериментов проведено на эту тематику. Поэтому давайте рассмотрим только три самых частых причины смерти от электрического тока.

Первая – это фибрилляция. Сердце перекачивает кровь благодаря ритмичному сокращению мышц. Это происходит из-за слабых ритмических импульсов, которые генерируются в определенных клетках сердца и передаются мышцам. И если через сердце пройдет очень сильный электрический ток, то мышцы могут потерять чувствительность к этим слабым электрическим импульсам. Они выходят из-под контроля и словно становятся сумасшедшими. Они начинают быстро, хаотично и нескоординированно сокращаться, и в таком состоянии кровь уже не перекачивается. Это и называется фибрилляция. Кровоток останавливается, кислород не поступает в мозг, и он может умереть через 5 минут от кислородного голодания. Что примечательно: прекратить фибрилляцию можно также благодаря электрическому току, с помощью дефибриллятора. Это такая встряска напряжением в 7 тысяч вольт, которая может заставить сердце восстановить свою стабильную работу.

Еще одна причина гибели от электрического тока – это паралич дыхательных мышц. Для начала надо уточнить, что объем легких увеличивается и уменьшается не из-за того, что там становится больше или меньше воздуха, а из-за того, что благодаря мышцам грудная клетка то увеличивает объем, и тогда воздух втягивается внутрь, то уменьшает объем, и тогда воздух выходит обратно. Вот так происходит дыхание, и контролируется этот процесс тоже благодаря электрическим импульсам, которые в данном случае генерирует мозг. Электрический ток может заблокировать мышцы грудной клетки, так как они потеряют чувствительность к этим электрическим импульсам. Человек не может ни вдохнуть, ни выдохнуть, и поэтому умирает от удушья.

И еще одна причина смерти от электрического тока – это ожоги. Когда по проводнику движется электрический ток, то заряженные частицы ударяются о молекулы проводника, эти молекулы увеличивают свою скорость, и температура проводника в целом увеличивается. Именно так устроены утюг, паяльник, плита. Абсолютно такой же нагрев может происходить в теле человека, и тогда он может получить смертельные ожоги внутренних органов.

Есть еще один вопрос: что же все-таки убивает? Ток или напряжение? Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц, а напряжение – это всего лишь характеристика электрического поля, под воздействием которого и начинается это упорядоченное движение. Поэтому можно считать, что электрический ток – это следствие напряжения и напряжение первично. Но убивает все равно электрический ток. Напряжение можно уподобить лучнику, а ток – стреле. Да, лучник создает движение, но убивает все равно стрела. Если будет очень большой ток, то вам точно крышка. А если будет очень высокое напряжение, то еще не факт.

В подтверждение этому можно привести скин-эффект. Электрический ток бывает постоянный, который течет только в одном направлении, и переменный, который меняет свое направление. И если он меняет направление тысячи раз в секунду, то тогда он протекает лишь по поверхности, не заходя внутрь проводника. Самый простой пример скин-эффекта – это плазменный шар. Если человек дотрагивается до него, по нему протекает электрический ток и уходит в землю и окружающее пространство. Напряжение здесь очень высокое – до 5 тысяч вольт. Однако из-за высокой частоты ток протекает только по коже и не причиняет никакого вреда.

Есть еще один интересный эффект – люминесценция. Если к плазменному шару поднести неподключенную лампу дневного света, она начинает светиться. Дело в том, что когда лампа подключается к сети, в ней возникает очень высокое напряжение (с помощью преобразователя), намного больше, чем 220 вольт, именно из-за этого она и светится. В данном случае происходит почти то же самое. Вокруг шара возникает высоковольтное электрическое поле, которое пронизывает все тела вокруг. Оно проходит внутрь лампы и заставляет ее светиться.

Ток – опасная штука. Будьте аккуратны с электричеством!

3.2. Что будет, если электричество исчезнет?

Согласитесь, самое нужное в нашей жизни работает на электричестве: холодильник, плазма, приставки, кулер в офисе, электроблинницы, в конце концов… Серьезно, без электричества мы бы умерли! Ведь по нашим нервным клеткам протекают электрические импульсы. Сердце бьется благодаря им. Так что, если электричества не будет, наша жизнь станет просто невозможна.

Но все же давайте представим, что будет происходить во вселенной, если электричество вдруг исчезнет.

Тут нужно уточнить. Большинство наших приборов – ноутбук, чайник, блинница – работают на электрическом токе. Это направленное движение электрических зарядов. Но они также могут быть и неподвижны. Тогда мы имеем дело со статическим электричеством. Давайте представим, что исчезнет не ток, а именно электрические заряды.

Тогда, конечно же, все электроприборы перестанут работать. Перестанут идти грозы, прекратится фотосинтез, да более того, остановится любая жизнь! Ведь многие процессы в клетках регулируются электричеством: синтез АТФ, проницаемость мембран, движение органелл. А в многоклеточных организмах вся нервная система устроена на электрических импульсах. Без этого мы не будем такими нервными, однако в живых мы тоже не останемся.

Магнитное поле

Но если углубиться в вопрос, все еще интереснее. Дело в том, что магнитное поле тоже возникает благодаря электрическим зарядам! Точнее, благодаря их движению. Вокруг проводов с током всегда есть магнитное поле, так устроены электромагниты. Да даже в обычном магните поле создается электричеством, ведь электроны в атомах движутся, и вокруг них возникают маленькие магнитные поля, которые складываются в большое магнитное поле. Можно даже говорить о едином электромагнитном поле, а электричество и магнетизм – это разные его проявления.

Движущиеся электроны – это словно маленькие электротоки

Вы только представьте, как только исчезнет электричество, все магнитики с холодильников отвалятся. Замочки на сумочках станут бесполезны. Да и вообще исчезнет магнитное поле Земли. Из-за этого часть атмосферы снесет солнечным ветром, усилится доза радиации от солнца, получаемая людьми, перелетные птицы будут сбиваться с пути. В целом произойдет много мелких, но не самых приятных изменений.

Атомы

Но это еще не самое страшное. При исчезновении электрических зарядов мы все просто распадемся на атомы! Действительно, любое химическое соединение основывается на том, что «+» одних атомов притягиваются к «–» других атомов, и наоборот. Именно благодаря этим силам образуется кристаллическая решетка и твердые тела сохраняют свою форму. Если эти силы исчезнут, то молекулы распадутся и все мы моментально превратимся в пыль!

К тому же сами атомы тоже распадутся, ведь исчезнет притяжение между отрицательными электронами и положительным ядром. Это будет настоящий апокалипсис!

Нейтронная материя

Но и это еще далеко не все! На все тела во вселенной всегда действует гравитация. Отдельные составляющие притягиваются друг к другу, поэтому гравитация старается сжать тела. Этому обычно противостоит отталкивание электронов в атомах, так как они имеют одинаковый заряд. Но если эта сдерживающая сила исчезнет, гравитация может сжать любое тело до неимоверно микроскопических размеров. В результате мы получим настолько плотную материю, что одна чайная ложка ее будет весить как 25000 останкинских телебашен.

Такая материя называется нейтронной.

Дальнейшему сжатию препятствует отталкивание нейтронов атомов, но это силы уже другой природы, не электрической. Астрономы обнаружили в далеком космосе много объектов из такой материи и назвали их нейтронными звездами. Так что если исчезнет электричество, то мы все станем маленькими звездочками… в каком-то смысле.

Фотоны

Но все-таки увидеть красоту всей этой катастрофы мы не сможем. И не только потому, что все наши атомы развалятся. Дело в том, что все фотоны, частицы света, исчезнут!

Согласно современным представлениям, поля, электромагнитные и прочие, представляют собой концентрации виртуальных частиц. Электроны, протоны, нейтроны перекидываются виртуальными частицами и таким образом отталкиваются или притягиваются. И каждому виду поля соответствуют свои виртуальные частицы. У электромагнитного поля это фотоны, частицы света. То есть раз электромагнитное поле исчезнет, то исчезнут и фотоны, исчезнет свет. Только представьте себе это: тьма поглотит всю вселенную от края до края…

Темная материя

К счастью, электромагнитные взаимодействия вряд ли исчезнут. Экспериментально еще не удалось доказать, что они могут куда-то деться.

Но стоит отметить, что существует материя, которая не восприимчива к электромагнетизму. Фотоны спокойно проходят сквозь нее, она для них абсолютно прозрачна. Поэтому ее называют темной материей. Вполне может быть, что мы полностью окружены темной материей. Но ее частицы не отталкиваются и не притягиваются к нашим атомам, поэтому пролетают сквозь нас абсолютно незаметно. Ведь причина, по которой один человек не может пройти сквозь другого, – это электрическое отталкивание электронных оболочек. Более того, благодаря электричеству ни один человек не может прикоснуться к другому: поднесите ладонь к другому человеку – ваши электроны будут отталкиваться от его электронов. А вот если бы мы состояли из темной материи, электричество для нас не играло бы никакой роли. И если бы оно исчезло, мы бы взяли попкорн и с удовольствием наблюдали за этим зрелищем.

3.3. Никола Тесла: гений или шарлатан?

Только ленивый не знает Николу Теслу. Его именем называют автокомпании, музыкальные группы, видеокарты… Выдающийся изобретатель, пионер в освоении переменного электрического тока, он создал огромное количество устройств, которые мы применяем до сих пор. Но все ли его разработки были столь новаторскими и уникальными? Ведь многие идеи Теслы не были воплощены в жизнь. Что это? Жуткое стечение обстоятельств, в которые попал гениальный изобретатель, или вполне закономерный ход событий, связанный с ошибками Теслы, а может быть, даже его лукавством? Чтобы лучше понять, кем же он является, самое правильное – проанализировать его изобретения.

Двигатель переменного тока

В те времена остальные ученые исследовали более простой постоянный ток, но бурно развивающаяся промышленность торопила исследователей. Поэтому создавались электродвигатели на принципах, которые были не самыми эффективными. Упрощенно говоря, в таких двигателях постоянного тока между двух полюсов неподвижного магнита происходит вращение электромагнита, полярность которого должна постоянно меняться. Для этого по нему пускают ток в разных направлениях, используя подвижный контакт, в котором щеточки трутся о вращающиеся электроды, искрят и доставляют много хлопот.

Тесла заметил неэффективность таких машин и изобрел двигатель, основанный на другом принципе. В нем используется сразу две пары проводов с переменным током, который меняет свое направление туда-обратно. Причем колебания тока не синхронизированы. Это называется двухфазный переменный ток. При подключении тока к электромагнитам возникает два магнитных поля, полярность и направление которых постоянно меняется. Но, складываясь, они образуют единое вращающееся магнитное поле. Теперь достаточно поместить в него любой металлический предмет: в нем будут наводиться индукционные токи, и он будет послушно поворачиваться вслед за полем! Эта задумка позволила создать простой и эффективный двигатель переменного тока без искрения и прочих недостатков.

Однако Тесла не все рассчитал до конца. Оказывается, если использовать трехфазный ток, то конструкция становится еще более эффективной, да и передача энергии становится проще, ведь в сумме токи смогут давать ноль, и нужно не шесть проводов, а всего три, потому что в качестве вторых проводов можно использовать землю! Эту систему разработал инженер Доливо-Добровольский, и именно она используется по сей день на всех электростанциях и производствах.

Переменный ток

Но все же вклад Теслы в развертывание систем переменного тока очень велик. И действительно, переменный ток намного практичней постоянного. Например, при протекании любого тока по проводам всегда присутствуют потери на нагрев. Напряжение и силу переменного тока можно легко менять с помощью трансформаторов, поэтому его можно передавать на сотни километров без ощутимых потерь. А вот с постоянным током такой фокус не получается, и эффективная дальность передачи – около полутора километров. Вы только представьте, если бы сейчас в Москве на таком расстоянии везде бы стояли небольшие электростанции. Их бы потребовалось бы около 140 штук! Вместо 15, которые есть сейчас!

Токи высокой частоты

Дальнейшие исследования Теслы по-прежнему были связаны с переменным током, но теперь – очень высокой частоты. Оказалось, что если увеличить ее до 700 Герц, то ток не проникает в глубь проводника, а течет только по его поверхности! Его можно пускать по человеку, и он не причиняет никакого вреда, так как протекает только по коже. Это называется скин-эффект.

Сейчас этим мало кого удивишь, однако в то время это давало просто ошеломительный эффект. Тесла показывал удивительные опыты, в которых в его руках зажигались лампочки без каких-либо проводов. Более того, в установках Теслы были очень сильные электрические поля. Настолько сильные, что, проникая в колбы с разреженным воздухом, они ионизировали его и заставляли светиться без контакта с каким-либо проводником! Казалось бы, это было явным предвестником беспроводной передачи энергии. Но стоит понимать, что огромное ее количество тратилось впустую и эффективность такого метода была крайне низкой.

Радио

Но Теслу это не останавливало. Продолжая наращивать частоту переменного тока, он добился уверенного приема получающихся электромагнитных волн на большом расстоянии. Например, в 1898 году он уже демонстрировал первую радиоуправляемую модель кораблика. И его по праву можно считать изобретателем радио, хотя в это время дюжина отличных ученых успешно работала в этом направлении, поэтому единоличного права на изобретение радио ему давать все-таки не стоит.

Передача энергии

Логическим продолжением исследований Теслы было увеличение мощности передаваемого сигнала и, в перспективе, передача энергии по всему земному шару без проводов! Он сооружал огромные установки, изучал грозы. Он пытался использовать проводимость ионосферы и земной поверхности, однако натолкнулся на ряд сложностей.

Во-первых, для таких масштабных экспериментов требовалось очень много дорогостоящего оборудования. Но в то время никто не хотел жертвовать огромные деньги на такие фундаментальные исследования. Хотя, наверное, логичней было скупать все технологии Теслы и патентовать их, дабы никто другой не мог их использовать.

Во-вторых, Тесла, в силу своего характера, всегда работал один. У него не было команды, записей он вел мало, в основном все держал в голове. Из-за этого его деятельность быстро обрастала ореолом таинственности и загадочности.

Ну и в-третьих, вполне возможно, что он ошибался. Известно, что стоячие волны не переносят энергию. В своих наблюдениях он мог путать их с результатом интерференции обычных бегущих волн. Он пользовался своей логикой, уподоблял поля некой вязкой среде, что является не вполне верной аналогией, так что, начиная с каких-то масштабов, его суждения давали неверные предсказания.

Как видим, на протяжении всей исследовательской деятельности Тесла не изобрел ничего революционного. Все его идеи были эволюционными, и в то или иное время на земле находился ученый, который независимо от него исследовал ту же область. И если бы Тесла изобрел действительно что-то грандиозное, но ему помешали бытовые проблемы, то, без сомнения, другие ученые нашли бы способ реализовать это. Так что, скорее всего, неосуществленные планы Теслы – это результат его ошибки. Он очень красиво описывал открывающиеся перспективы своих изобретений, но не смог воплотить их в жизнь. Возможно, тогда и появилось недоверие к нему.

Гений Теслы в другом. В том, что поле его научной деятельности настолько широко, что он мог один заменить десятку лучших физиков тех времен! И тех изобретений, которые удалось реализовать, достаточно, чтобы утверждать, что Тесла – гениальный изобретатель своего времени, сделавший наш мир лучше.

3.4. Что такое шаровая молния?

Всем известно, что шаровая молния – это светящийся шар, который возникает в грозовую погоду, имеет в диаметре около 30 сантиметров и может двигаться по непредсказуемой траектории в течение нескольких десятков секунд.

Но на самом деле физики до сих пор не знают, что же такое шаровая молния. Сложность ее изучения заключается в том, что невозможно понять, где и когда она появится. Ее невозможно воспроизвести в лабораторных условиях, и поэтому приходится опираться только на свидетельства очевидцев.

Существует более 400 теорий, описывающих шаровые молнии. Среди них есть такие, как козни дьявола, происки инопланетян, маленькие светящиеся феи, галлюцинации. Давайте их отбросим и рассмотрим лишь самые основные.

Одну из гипотез предложил Петр Леонидович Капица, советский физик, нобелевский лауреат. В ней утверждается, что шаровая молния появляется в пучности стоячей электромагнитной волны, которая возникает в результате грозовой активности. Действительно, если волна падает на поверхность, то при отражении гребни волн могут наложиться друг на друга, и тогда возникнет стабильная, не меняющаяся во времени, так называемая стоячая волна. В стоячих волнах есть области, которые называются пучность (только наоборот, на картинке помечен узел – самое узкое место, а надо пометить самое широкое. Это и будет пучность). В таких областях очень высокое электрическое поле, и может возникнуть очень сильно ионизированная плазма, которую мы и называем шаровой молнией. По этой гипотезе шаровая молния подпитывается энергией электромагнитной волны, именно поэтому она может так много излучать.

Согласно другой гипотезе, шаровая молния берет энергию не из электромагнитной волны, а из химических реакций. По этой теории шаровая молния состоит из оксидов азота и озона. Внутри молнии происходят химические реакции. Однако по грубым подсчетам этой энергии не хватает для того, чтобы молния светилась так ярко. Так что наиболее состоятельной выглядит теория, в которой шаровая молния является плазмой, то есть положительными и отрицательными ионами, которые образуются в результате удара обычной молнии. В этом случае положительные и отрицательные ионы постоянно соединяются вместе и нейтрализуют друг друга. Это называется рекомбинацией. И по подсчетам, этой энергии хватает для того, чтобы шаровая молния достаточно ярко светилась.

Но есть одна проблема. Если все ионы будут перемешаны равномерно, то рекомбинация будет происходить за 1 миллиардную секунды. Вы только представьте, насколько это быстро! Но из этого затруднения был найден выход. Давайте представим молекулу воды. В ней кислород перетягивает на себя электроны, и она с одной стороны становится отрицательной, а с другой положительной. Поэтому они начинают притягиваться к положительным и отрицательным ионам, которые уже содержатся в шаровой молнии, окружают их и образуют вокруг них что-то вроде шубы. Эта водяная шуба препятствует рекомбинации ионов, поэтому очень сильно замедляет процесс.

Но из каких именно веществ состоит шаровая молния? Ответ на это может дать фульгурит. Когда обычная молния попадает в песчаный грунт, из-за высокого нагрева песок может расплавиться и при последующем охлаждении застыть в виде трубочки. Это и есть фульгурит. Их очень часто находят, и самое главное, что они внутри полые. То есть внутри них может образоваться газ, это оксид кремния, и он может вырваться наружу и образовать шаровую молнию. Более того, в 2012 году китайские ученые смогли заснять 1,5 секунды полета шаровой молнии. Благодаря прибору, на который производилась съемка, они смогли разложить свечение шаровой молнии в спектр и узнать, из каких веществ она состоит. Оказывается, что шаровая молния, помимо азота, содержит еще железо, кальций и кремний, которые в большом количестве присутствуют в почве. И это подтверждает, что шаровая молния состоит из веществ почвы, которые испаряются в результате удара обычной молнии.

Конечно же, в реальности все может быть по-другому, ведь это хоть и подробная, но все-таки гипотеза.