Глазами физика. От края радуги к границе времени - Уолтер Левин

Если вы не живете рядом с Северным (арктическим) или Южным (антарктическим) полярным кругом, то вряд ли часто видите такое сияние. Поэтому, если вам доведется лететь вечерним рейсом в Европу из северо-восточной части США (а большинство этих рейсов вечерние), постарайтесь купить билет на место в левой части самолета. На высоте около одиннадцати километров в атмосфере вы получите отличный шанс увидеть из иллюминатора северное сияние, особенно если Солнце накануне было чрезвычайно активным, информацию о чем всегда можно найти в интернете. Я видел это атмосферное явление много раз именно таким образом, потому что всегда стараюсь сидеть в самолете слева. Я считаю, что кино можно посмотреть и дома. А в самолете предпочитаю любоваться северным сиянием в ночное время суток и глориями в дневное.

Должен признать, что все мы в неоплатном долгу перед магнитным полем Земли, так как без него нам грозили бы весьма серьезные последствия из-за постоянного потока заряженных частиц, бомбардирующих нашу атмосферу. Солнечный ветер еще миллионы лет назад вполне мог бы сдуть нашу атмосферу и воду, создав условия, которые существенно осложнили бы развитие жизни на Земле или сделали бы ее и вовсе невозможной. Ученые предполагают, что именно сильный солнечный ветер, дующий из-за слабого магнитного поля на Марсе, виновен в тонком слое атмосферы Красной планеты и сравнительном отсутствии воды на ней, то есть в формировании там среды, в которой человеческие существа могут жить только при наличии мощных вспомогательных систем жизнеобеспечения.

Тайна электромагнетизма

В XVIII веке ряд ученых начали подозревать, что электричество и магнетизм как-то связаны между собой, хотя многие другие, в том числе англичанин Томас Янг и француз Андре-Мари Ампер, считали, что они не имеют ничего общего. Уильям Гильберт тоже думал, что электричество и магнетизм – совершенно отдельные явления, но тем не менее изучал их одновременно и написал об электричестве в своей книге, посвященной магнетизму. Он назвал силу притяжения заряженного янтаря «электрической» (помните, по-гречески янтарь называется электроном?) и даже придумал версию электроскопа, простейшего прибора, позволяющего измерить и продемонстрировать наличие статического электричества. (Электроскоп состоит из металлического стержня – электрода – и подвешенных к нему двух листочков фольги. Когда он заряжается, листочки отталкиваются друг от друга. Это, по сути, лабораторный эквивалент наших с вами волос.)

В период между 1776-м и 1777 годами Баварская Академия наук просила ученых присылать заметки о взаимосвязи между электричеством и магнетизмом. К тому моменту люди уже на протяжении некоторого времени знали, что разряд молнии может вывести из строя компас, и никто иной, как сам Бенджамин Франклин намагничивал иглы, используя их для выпускания заряда лейденских банок. (Изобретенная в Нидерландах в середине XVIII века, лейденская банка способна хранить электрические заряды. Это ранняя версия нынешнего конденсатора.) Но хотя в начале XIX века ученые начали на удивление активно вести исследования в области электричества, до датского физика Эрстеда (родился в 1777 году) ни один из них не связывал электрический ток с магнетизмом напрямую. Именно Эрстед сделал решающее открытие, окончательно объединившее оба явления. По словам историка Фредерика Грегори, это, вероятно, единственный случай в истории современной физики, когда столь великое открытие было сделано в учебной аудитории прямо перед студентами.

В 1820 году Эрстед заметил, что электрический ток, протекающий по проводу, подключенному к батарее, влияет на стрелку лежащего рядом компаса, поворачивая ее в направлении, перпендикулярном проволоке и от магнитного севера и юга. Когда он отсоединял провода, разрывая эту цепь, игла возвращалась в нормальное положение. Никто не знает, проводил ли Эрстед свой эксперимент на лекции намеренно или компас оказался на столе случайно и профессор просто подметил этот поразительный эффект. Его собственные отчеты позволяют сделать разные выводы – как мы уже не раз наблюдали в истории физики.

Впрочем, случайность это или целенаправленно подготовленный эксперимент, не имеет значения, поскольку в любом случае он, возможно, самый важный из всех когда-либо проведенных человеком. Благодаря ему Эрстед пришел к выводу, что электрический ток в проволоке создает магнитное поле и магнитная стрелка компаса смещается, реагируя на него. Это великолепное открытие спровоцировало настоящий бум исследований в области электричества и магнетизма в XIX веке, в первую очередь таких ученых, как Андре-Мари Ампер, Майкл Фарадей, Карл Фридрих Гаусс, и обусловило появление великого теоретического труда Джеймса Максвелла.

Ток состоит из движущихся электрических зарядов, и Эрстед наглядно продемонстрировал, что они создают магнитное поле. А в 1831 году Майкл Фарадей обнаружил, что, когда он проносит магнит через моток проволоки, в катушке возникает электрический ток. По сути, он показал, что открытие Эрстеда, гласящее, что электроток генерирует магнитное поле, можно перевернуть с ног на голову и что движущееся магнитное поле тоже генерирует электрический ток. Но ведь и результаты Эрстеда, и выводы Фарадея с интуитивной точки зрения абсолютно бессмысленны, не так ли? Ну почему, черт побери, вы генерируете ток в катушке медной проволоки – медь отлично подходит, потому что она хороший проводник, – подвигав около нее магнитом? Поначалу никто даже не понял, насколько в действительности важно это открытие. Как гласит легенда, вскоре после того, как оно было сделано, один сомневающийся политик прямо спросил Фарадея, а имеет ли его открытие какое-нибудь практическое значение, на что Фарадей якобы ответил: «Сэр, я пока не знаю. Но в одном я абсолютно уверен: в один прекрасный день вы непременно обложите его налогом».

Это простое физическое явление, которое любой желающий может легко воспроизвести дома, возможно, и правда не имело бы никакого смысла, если бы без всякого преувеличения не было двигателем мировой экономики и вообще всего рукотворного мира. Без него мы бы до сих пор жили практически в том же мире, что и наши предки в XVII и XVIII веках. Вечера мы коротали бы при свете свечей – ни тебе радио, ни телевидения, ни телефонов, ни компьютеров, ничего.

Откуда же мы получаем все то электричество, которым столь активно сегодня пользуемся? В основном нам его дают электростанции, вырабатывающие его с помощью электрических генераторов, которые на базовом уровне делают не что иное, как перемещают медные катушки через магнитные поля; мы больше не двигаем магниты. Первый генератор Майкла Фарадея представлял собой медный диск, вращаемый им с помощью рукоятки между двумя концами подковообразного магнита. Щетка на внешнем крае диска подсоединялась к одному концу провода, щетка на центральном валу поворотного диска – ко второму. Если бы ученый подсоединил два провода к амперметру, прибор измерял бы генерируемый устройством ток. Энергия (мышечная сила!), вкладываемая им в свою систему, преобразовывалась несложным устройством в электричество. Но генератор Фарадея был не слишком эффективным по целому ряду причин, не последней из которых была необходимость кому-то вручную вращать медный диск. В сущности, нам следовало бы назвать генераторы энергии преобразователями, ведь они всего лишь преобразуют энергию одного вида, в данном случае кинетическую, в энергию другого вида, в данном случае электрическую. Иными словами, никакой дармовщины! (Более подробно преобразование энергии обсуждается в следующей главе.)

Преобразование электричества в движение

Теперь, узнав, как движение преобразуется в электричество, давайте подумаем об обратном процессе, то есть как электричество преобразуется в движение. В конце концов, автомобильные компании тратят миллиарды долларов на разработку электромобилей, задача которых заключается именно в этом. Любой автопроизводитель мечтает изобрести эффективные, мощные электродвигатели для этих автомобилей. Но что же такое двигатели? По сути, это устройства, преобразующие электрическую энергию в движение. Все они базируются на, казалось бы, простом принципе, в действительности довольно сложном: если поместить катушку электропровода (через которую пропускается ток) рядом с магнитным полем, она начнет вращаться. Скорость ее вращения зависит от ряда факторов: силы тока, силы магнитного поля, формы катушки и так далее. Физики говорят, что магнитное поле придает катушке крутящий момент. «Крутящий момент» – это термин, обозначающий силу, которая и заставляет катушку вращаться.

Если вам когда-либо приходилось менять шину, вы, конечно же, отлично представляете себе, что такое крутящий момент. Вам, например, известно, что одна из самых сложных частей этой операции состоит в том, чтобы ослабить болты, которыми колесо крепится к оси. Поскольку эти болты, как правило, прикручены очень сильно, а иногда кажутся просто приваренными, вам приходится прилагать огромное усилие, чтобы открутить их монтировкой. И чем длиннее ее ручка, тем больше крутящий момент. Если ручка очень длинная, вы можете приложить совсем незначительное усилие и ослабить болты. А чтобы затянуть их после замены колеса, вы прикладываете крутящий момент в противоположном направлении.