Текст книги "65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё"
![](/books_files/covers/thumbs_240/65-nedetskih-voprosov-o-tom-kak-ustroeno-vse-310456.jpg)
Автор книги: Кирилл Половников
Жанр: Классическая проза, Классика
Возрастные ограничения: +12
сообщить о неприемлемом содержимом
Текущая страница: 4 (всего у книги 17 страниц) [доступный отрывок для чтения: 6 страниц]
Вопрос 12. Почему магниты притягиваются, или Как работает компас?
Возможно, вы уже догадались, какой будет ответ (если прочитали предыдущую главу). Магниты притягиваются, потому что вокруг любого магнита существует магнитное поле. И именно за счет этого поля магниты притягиваются друг к другу. Согласитесь, такое себе объяснение. Ведь из него совершенно непонятно, откуда берется это самое поле и как оно получается из магнитов. Несмотря на это, для решения многих задач в классической электродинамике этого оказывается вполне достаточно. Как минимум, для описания самого феномена магнетизма.
Людям с древних времен (как минимум с четвертого тысячелетия до н. э.) известно свойство некоторых горных пород притягивать металлические предметы на расстоянии. По разным историческим данным, уже во втором тысячелетии до н. э. китайские мореплаватели использовали для навигации кораблей компас, сделанный из магнитного железняка. Также описание свойств магнитов можно встретить в различных источниках Древней Греции и Индии.
Что же ученым удалось выяснить про свойства магнитов? Во-первых, не все вещества и даже не все металлы обладают магнитными свойствами, а только так называемые ферромагнетики: железо, кобальт, никель и некоторые другие вещества. Во-вторых, любой магнит имеет два полюса: северный и южный (эти названия весьма условны, и можно было назвать полюса просто «красный» и «синий», или «полюс N» и «полюс S») – многие магниты даже специально подкрашивают с двух сторон разными цветами, чтобы это показать.
Причем, если поднести два магнита друг к другу одноименными полюсам, то они будут отталкиваться, а если разноименными – притягиваться. Это очень похоже на поведение электрических зарядов. И это сходство неслучайно (но об этом мы поговорим чуть позже).
![](i_016.jpg)
Хорошо, пусть у магнита два полюса. Но что будет, если распилить его пополам? Получим ли мы два куска магнита: первый только с северным полюсом и второй только с южным? Оказывается, что нет. В реальности мы просто получим два маленьких магнита, и у каждого из них будет также по два полюса. И так можно пилить магнит хоть до бесконечности – мы всё равно будем получать более мелкие магниты с двумя полюсами. На научном языке это можно сформулировать так: не существует магнитных зарядов (или магнитных монополей). Причина этого кроется в том, как возникает магнитное поле. Об этом мы поговорим в главе «Откуда берется магнитное поле?» (стр. с. 75).
Но давайте вернемся к компасу и разберемся, как же он работает и при чем тут магниты. А дело тут в том, что наша Земля сама по себе является магнитом. Да-да, такой огромный магнит размером с целую планету. Причем южный магнитный полюс Земли расположен вблизи северного географического полюса (близко, но не точно на полюсе), а северный магнитный – вблизи южного географического[16]16
Напомним, что географические полюса – это точки на поверхности Земли, через которые проходит ось ее вращения.
[Закрыть]. Кстати, именно благодаря наличию у Земли собственного магнитного поля стало возможно возникновение и существование жизни. Потому что оно защищает поверхность Земли от космического излучения и солнечного ветра, состоящего из потоков очень быстрых заряженных частиц, способных разрушить все органические молекулы, из которых мы состоим.
Теперь, если мы возьмем очень маленький магнитик – тонкую железную стрелку и подвесим ее за центр на тоненькой иголке, чтобы стрелка могла свободно вращаться, то северный полюс стрелки притянется к южному магнитному полюсу Земли, т. е. укажет направление на север; а южный полюс стрелки – соответственно, направление на юг.
![](i_017.jpg)
Так будет, но с небольшими оговорками. Во-первых, стрелка компаса указывает не строго на север, а почти на север (расстояние от северного географического полюса до южного магнитного сегодня составляет порядка 400 км), поэтому более точные навигационные приборы обязательно делают на это поправку. Во-вторых, на стрелку компаса могут повлиять другие магниты, находящиеся поблизости, или даже местные горные породы, содержащие намагниченное железо (например, Курская магнитная аномалия).
Вопрос 13. Что такое электрический ток, откуда и куда он «течет»?
В главе «Откуда берется электричество и какое оно бывает?» (стр. 56) мы уже выяснили, что электрические явления порождаются электрическими зарядами. Теперь давайте обсудим, как они могут двигаться. Оказывается, не по любому предмету заряды могут достаточно свободно перемещаться. По этому признаку все вещества можно разделить на три типа:
1) Проводники – по ним заряды бегут очень легко. К проводникам в основном относятся металлы, полуметаллы, некоторые жидкости (вода, даже с небольшим количеством растворенной соли) и ионизированные газы (плазма).
2) Диэлектрики (или изоляторы) – по ним заряды вообще бежать не могут. Например, стекло, резина, дерево, пластмасса, дистиллированная вода и обычные газы.
3) Полупроводники – что-то среднее между проводником и диэлектриком. Например, алмаз, германий, кремний, арсенид галлия и множество других химических соединений.
Получается, что если зарядить какой-либо предмет (например, расчесать пластиковой расческой вашего кота) и прикоснуться к нему деревянным или пластмассовым предметом, то заряд так и останется на месте и никуда не «убежит», потому что дерево и пластмасса – это диэлектрики. А если вы прикоснетесь к нему металлическим предметом, то часть заряда перебежит по этому проводнику на вас. Так вот процесс, когда заряды будут «бежать» по проводнику с предмета на вас, мы назовем электрическим током, потому что это и есть направленное движение заряженных частиц.
Конечно, это движение будет длиться совсем короткий промежуток времени, и мы вряд ли сможем что-то про него понять. Поэтому, чтобы изучить свойства электрического тока во всех деталях, физикам пришлось придумать «резервуары» большого количества зарядов – батарейки. Это такие мини-фабрики по разделению электрических зарядов. За счет химических реакций, протекающих внутри батарейки, на одном ее конце (он называется анод) скапливается большое количество электронов, а на другом (он называется катод) – их недостает. Поэтому, если соединить эти концы проводником, то электроны «побегут» с одного конца на другой, создавая электрический ток. А почему они должны «побежать»? Да потому что все они заряжены отрицательно и отталкиваются друг от друга, им обязательно нужно «разбежаться» как можно дальше. Кроме того, на катоде скопился избыточный положительный заряд, который их еще дополнительно притягивает. А при перемещении электронов от анода к катоду электроны можно заставить немного поработать. Например, если где-то на их пути подключить лампочку, или вентилятор, или еще какой полезный электроприбор.
Вопрос 14. Откуда берется магнитное поле?
Мы уже обсуждали[17]17
См. главу «Почему магниты притягиваются, или Как работает компас?» (стр.68).
[Закрыть], что существуют постоянные магниты, которые сами по себе создают вокруг себя магнитное поле. Это магнитное может воздействовать на стрелку компаса и сбивать его с «пути истинного», т. е. с направления «строго на север». Значит, мы можем использовать компас для изучения магнитных полей: если стрелка отклонилась, значит на нее подействовала магнитная сила, следовательно, где-то рядом появился магнит. Именно компас помог сделать открытие первого явления, связывающего электричество и магнетизм. Произошло это зимой 1819–1820 годов, когда датский физик Ханс Кристиан Эрстед (1777–1851) во время одной из своих лекций демонстрировал студентам эксперимент по нагреванию проводника током. В этот момент на его рабочем столе оказался забытый кем-то компас. Когда Эрстед пустил по проводам электрический ток, один из студентов заметил, что стрелка компаса повернулась. Это было чем-то совершенно удивительным! Ведь в проводнике нет никакого магнита, сам по себе он на стрелку компаса не воздействует. Батарейка тоже. Но стоит лишь включить ток, как стрелка компаса начинает отклоняться. Выходит, что именно движущиеся электрические заряды создают магнитное поле.
![](i_018.jpg)
Компас также помог более детально изучить это явление. Если его перемещать вокруг проводника, то можно определить, в каком направлении будет действовать магнитная сила – по тому, в какую сторону будет поворачиваться стрелка компаса. Так удалось понять, что магнитное поле как бы закручивается вокруг электрического тока, т. е. магнитные силы направлены не в сторону проводника, а перпендикулярно ему. В школьном курсе физики для определения направления этих сил используют правило правой руки: если сжать правую ладонь в кулак, а вытянутый большой палец направить вдоль тока, то четыре согнутых пальца укажут направление линий магнитного поля.
Но как нам быть с постоянными магнитами? Они же не подключены ни к какой батарейке. Откуда у них магнитное поле? Для объяснения этого явления нам придется привлечь несколько идей из квантовой физики. Оказывается, что электроны, из которых все состоит, сами по себе являются маленькими магнитами. Физики говорят, что у электрона есть собственный магнитный момент или спин. Это чисто квантовая характеристика, не имеющая аналогов в классической механике. Хотя иногда для иллюстрации представляют электроны как шарики, вращающиеся вокруг своей оси, – это аналог спина. Вращение заряженного шарика может рассматриваться как круговой электрический ток, генерирующий магнитное поле электрона, – это аналог магнитного момента. Но нужно понимать, что это всего лишь аналогии. В действительности электрон, конечно же, никуда не крутится и вообще вряд ли представляет собой заряженный шарик. Тем не менее наличие магнитного момента у отдельных электронов – это экспериментальный факт. Так что давайте договоримся, что будем понимать под спином еще одну характеристику электрона, наряду с массой и электрическим зарядом.
![](i_019.jpg)
Рис. Правило правой руки.
Кроме того, что электроны обладают собственным магнитным моментом, они еще вращаются вокруг ядер атомов[18]18
На самом деле атомы устроены гораздо сложнее, но об этом мы поговорим в главе «Похожи ли атомы на планетные системы?» (стр. 166).
[Закрыть], создавая за счет этого дополнительное магнитное поле. А поскольку внутри вещества этих электронов огромное количество, то их суммарное магнитное поле может достигать довольно больших значений. Однако для этого нужно, чтобы все эти магнитные поля были выстроены примерно в одном направлении. У обычных веществ так выстроить все свои электроны не получается – там магнитные моменты всех электронов ориентированы как попало, так что они просто компенсируют друг друга, и итоговое магнитное поле оказывается равным нулю. Но есть в природе особые вещества, ферромагнетики, у которых магнитные поля всех электронов могут выстроиться в одну и ту же сторону. И тогда происходит их взаимное усиление, а кусок такого вещества превращается в постоянный магнит.
Вопрос 15. Как при помощи магнита получить электричество?
Воздействие проводника с током на магниты – это довольно интересное свойство, поскольку оно четко показывает, что электричество и магнетизм как-то связаны друг с другом. И если с помощью электричества можно получать магнитное поле, то, наверное, с помощью магнитов можно получать электричество. Но как превратить магнетизм в электричество? Этим вопросом задавались многие ученые XIX века. И только Майкл Фарадей 29 августа 1831 года придумал, как это сделать. Это было очень важным открытием, потому что именно таким способом мы до сих пор получаем бóльшую часть электричества.
![](i_020.jpg)
А суть эксперимента Фарадея была в следующем. Он взял спираль из медной проволоки и подключил ее к гальванометру (прибору для измерения силы электрического тока). Если больше ничего не делать, то никакого тока по проволоке не возникает (ведь никакой батарейки в этой цепи нет). Но как только Фарадей начинал вводить магнитный брусок в эту спираль, в цепи появлялся электрический ток и стрелка гальванометра отклонялась. А когда после этого он вытаскивал магнит обратно, то стрелка гальванометра отклонялась в обратную сторону, т. е. направление электрического тока менялось на противоположное.
Выходит, что если перемещать (именно перемещать, а не просто положить) возле проводника магнит, то в этом проводнике возникает электрический ток. Или более точно: изменяющееся во времени магнитное поле создает (индуцирует) электрический ток. Поэтому Фарадей назвал это явление электромагнитной индукцией. На нем основан принцип работы электрогенераторов и электромоторов, без него была бы невозможна работа индукционных плит и беспроводная зарядка мобильных устройств. Но, пожалуй, самое важное применение электромагнитной индукции состоит в том, что с ее помощью мы научились получать электричество.
Вопрос 16. Как работают электростанции?
Для производства большого количества электроэнергии люди до сих пор используют явление электромагнитной индукции, открытое Фарадеем еще в начале XIX века. Только, в отличие от его опытов, сегодня не магнит перемещают возле проводника, а проводник вращают в магнитном поле (потому что магниты большие и тяжелые и двигать их гораздо тяжелее, чем маленькие и легкие проводники). А принцип работы электрогенератора такой: берется постоянный магнит (либо два магнита, повернутые друг к другу противоположными полюсами), между полюсами магнита помещается рамка из проволоки, которую можно подключить к какой-нибудь полезной нагрузке, например лампочке, и далее эту рамку начинают вращать.
При вращении рамки магнитный поток, проходящий через нее, будет постоянно изменяться. Следовательно, по закону электромагнитной индукции, в этой рамке возникает (индуцируется) электрический ток. Этот ток, проходя через лампочку, заставляет ее светиться[19]19
О том, почему лампочка светится, мы поговорим в главе «Почему железо светится, если его нагреть» (стр.136)
[Закрыть]. Так механическая энергия (энергия вращения) преобразуется в электрическую энергию. Т. е. для генерации тока обязательно нужно что-то покрутить[20]20
Заметим, что любой электрогенератор можно превратить в электромотор – для этого нужно просто подать на него переменный электрический ток. Тогда за счет взаимодействия этой рамки с током и магнитного поля она начнет вращаться.
[Закрыть].
![](i_021.jpg)
На этом принципе основана работа почти всех электростанций (кроме солнечных). Все они отличаются только способом заставить генератор крутиться и видом используемого топлива. Как же они раскручивают свои генераторы и зачем для этого топливо? Руками крутить генератор довольно тяжело, да и ни одного человека не хватит надолго. Поэтому используют, например, силу ветра – чтобы ветер вращал лопасти «мельницы», к которой подключен электрогенератор. Либо можно использовать течение воды, как это делают в гидроэлектростанциях. Тут никакого топлива не требуется.
Однако бóльшая часть электроэнергии, которую использует человечество, вырабатывается тепловыми электростанциями. В них вращение электрогенератора осуществляет турбина, через которую пропускают водяной пар под высоким давлением. Так можно раскрутить турбину до очень высоких скоростей и получить много электроэнергии. Но чтобы получить водяной пар, нужно вскипятить воду, а для этого ее нужно хорошенько разогреть. Вот для чего необходимо топливо: уголь, природный газ, мазут или даже радиоактивный уран[21]21
О том, как уран выделяет тепловую энергию, мы поговорим в главе «Откуда берется радиация» (стр. 158).
[Закрыть].
Поэтому схема работы тепловой электростанции следующая. Сжигая топливо, мы получаем тепло. Это тепло идет на разогрев воды. После закипания вода превращается в пар, который по системе труб поступает в турбину. Турбина раскручивается и вращает электрогенератор, который за счет явления электромагнитной индукции и вырабатывает электрический ток.
Так происходит преобразование химической энергии (т. е. энергии химических связей атомов топлива) или ядерной энергии (т. е. энергии связи ядер урана) сначала в тепловую, потом в механическую и потом уже в электроэнергию, которую мы можем использовать у себя дома.
Вопрос 17. Как связаны электрические и магнитные поля?
В главе «Откуда берется магнитное поле» (стр. 75) мы выяснили, что магнитное поле возникает из-за движения электрических зарядов. Кроме того, изменяющееся магнитное поле может создавать электрическое, которое индуцирует электрический ток (явление электромагнитной индукции). Получается, что эти два вида полей (или сил, или взаимодействий) как-то связаны друг с другом. Проиллюстрируем это еще на одном примере. Он может войти в противоречие с вашей интуицией, так что приготовьтесь.
Представим, что вы сидите в вагоне поезда, который движется со скоростью 100 км/ч. Перед вами на столе лежит пластиковая расческа, которой вы только что почесали своего кота, т. е. расческа обладает электрическим зарядом. Значит, в вашем вагоне вокруг этой расчески существует электрическое поле, создаваемое этим зарядом. Магнитного поля нет, т. к. расческа просто лежит и никуда не движется. Теперь представим, что за движением вагона наблюдает ваш приятель, стоящий на платформе вокзала, мимо которого вы проноситесь со скоростью 100 км/ч. Какую картину зафиксирует он[22]22
Предположим, что у него есть достаточно точные приборы и он может фиксировать достаточно слабые взаимодействия.
[Закрыть]? Во-первых, так же как и вы, он увидит заряженную расческу, а значит зафиксирует электрическое поле, создаваемое этим зарядом. А во‐вторых, поскольку этот заряд движется мимо него, еще его приборы зафиксируют магнитное поле, создаваемое движущимся электрическим зарядом. Получается, что для вас, сидящего в вагоне, никакого магнитного поля нет. А для вашего приятеля, стоящего на платформе, магнитное поле есть. Так существует ли магнитное поле, создаваемое зарядом расчески, на самом деле?
Ответ не так очевиден. Получается, что он опять зависит от системы отсчета. В каких-то системах отсчета магнитное поле может существовать, а в других отсутствовать. Как это может быть вообще? А дело тут в том, что никакого электрического и никакого магнитного полей в отрыве друг от друга не существует. Есть единое электромагнитное поле, отдельными компонентами которого будут электрические и магнитные поля[23]23
На математическом языке это поле описывается уже не вектором, а тензором электромагнитного поля. Это матрица, т. е. таблица с числами, размером 4 на 4.
[Закрыть]. При переходе из одной системы отсчета в другую компоненты этого поля меняются. И может оказаться, что в некоторых системах отсчета магнитные компоненты просто обнулятся (там будет наблюдаться только электрическое поле).
Значит, мы должны признать, что электрическое и магнитное взаимодействия – это просто две грани одного и того же взаимодействия, электромагнитного. Тогда необходимо установить взаимосвязь между ними и выразить это математически. Ведь физика – точная наука, и, помимо словесного описания какого-либо феномена, физикам нужны строгие математические формулы, описывающие эти взаимосвязи.
Этой работой занялся английский физик Джеймс Максвелл (1831–1879). Он собрал все известные на тот момент формулы, описывающие электрические и магнитные взаимодействия, разработал новый математический язык – векторный анализ, для более универсальной записи своих уравнений ввел тензор электромагнитного поля, содержащий компоненты как электрического, так и магнитного полей. В итоге у Максвелла получилось всего две пары уравнений.
![](i_022.jpg)
Первое уравнение – это просто закон Кулона, переписанный в векторной форме. Оно говорит о том, что электрическое поле создается электрическими зарядами. Второе уравнение описывает уже магнитное поле и говорит, что магнитных зарядов (тех самых магнитных монополей) не существует. Третье уравнение описывает магнитные поля, которые создаются движущимися электрическими зарядами. А четвертое уравнение – это закон электромагнитной индукции, открытый Фарадеем.
Максвелл полученные уравнения проанализировал и понял, что с ними есть одна проблема – они противоречили друг другу. Да, каждое из них в отдельности прекрасно работало и довольно точно описывало реальные эксперименты и известные на тот момент явления. Но между собой эти уравнения сочетаться «не хотели».
Тут важно отметить, что это противоречие возникло не из-за математической ошибки Максвелла. С математикой у него всё было хорошо. Просто после применения более строгого математического анализа к уравнениям электрических и магнитных полей стало видно, что противоречие между ними есть, а главное – в чем именно оно заключается. Максвелл заметил, что в первой паре два уравнения были похожи друг на друга, а во второй – немного отличались: в одном из уравнений не хватало одного слагаемого. И тогда Максвелл просто руками дописывает туда недостающее слагаемое, чтобы все четыре уравнения стали более похожи, более симметричны, но главное – перестали противоречить друг другу.
![](i_023.jpg)
Т.е. Максвелл просто так самовольно внес свои коррективы в законы природы! Из каких-то своих соображений красоты и математической симметрии уравнений. Никакой физический эксперимент не предсказывал необходимость введения такого слагаемого в уравнение, все известные на тот момент физические явления прекрасно описывались существующими формулами, без всяких там дополнительных слагаемых. Так что это была чистая самодеятельность Максвелла. Но основанная на его гениальной математической интуиции. Теперь эти четыре уравнения так и называют – уравнениями Максвелла.
Правообладателям!
Данное произведение размещено по согласованию с ООО "ЛитРес" (20% исходного текста). Если размещение книги нарушает чьи-либо права, то сообщите об этом.Читателям!
Оплатили, но не знаете что делать дальше?