Николай Горькавый – Первооткрыватели. 100 научных сказок (страница 31)
Хигасияма (1675–1710) – японский император, умерший от оспы. Чуть не потерял власть после истории с 47 ронинами – воинами-самураями, отомстившими за смерть своего господина Асано Наганори.
Мария II (1662–1694) – английская королева, умершая от оспы. Во время её правления был принят «Билль о правах 1689 года» – одна из главных частей британской конституции.
Иосиф I (1678–1711) – австрийский император, носивший титул императора Священной Римской империи, умерший от оспы. Умный и образованный правитель, терпимый к иноверцам. Дал протестантам Силезии свободу вероисповедания.
Луис I (1707–1724) – испанский король. Правил всего семь месяцев, после чего умер от оспы.
Петр II (1715–1730) – российский император. Внук Петра I Великого (1672–1725). Вступил на престол в 11 лет и умер от оспы в 14.
Иоганн Кеплер (1571–1630) – великий немецкий астроном, открыватель законов движения планет. Придворный астроном Рудольфа II (1552–1612), императора Священной Римской империи. Переболел в детстве оспой, которая чуть его не убила и ослабила зрение.
Сказка об электрике Максвелле и его ручном демоне
– Никки, расскажи нам про электричество, – попросила Галатея. – А то Андрей мне плохо объяснил, что такое ток.
– Я хорошо объяснил, это ты плохо поняла, – возразил её старший брат Андрей.
– Электрический ток – не простая штука, – усмехнулась королева Никки, которая приехала в гости к принцессе Дзинтаре и по традиции рассказывала новую историю её детям. – Электричество – настолько важная технология, что XX век часто называют «эпохой электричества». XIX век стал переломным между царством паровых машин и технологиями современности, основанными на бесчисленных электрических устройствах, компьютерах, космических ракетах и атомной энергии.
В превращении электричества из диковинки в движущую силу цивилизации важнейшую роль сыграл один человек, о котором я вам сейчас расскажу.
Природные электрические явления были хорошо известны даже первобытным людям. Например, молния и гром. Молния – это световая вспышка из-за разряда атмосферного электричества, а гром – его звуковое сопровождение.
– А какие ещё природные явления связаны с электричеством? – полюбопытствовала Галатея.
– Полярные сияния. Они генерируются потоками электронов и протонов, летящих от Солнца и попадающих в ловушку магнитосферы Земли. Это своего рода заземление космического электричества. Красивое свечение рождается, когда облака заряженных солнечных частиц, накопленные в радиационных поясах Земли, переполняют их и врезаются в нашу атмосферу.
Лучше вы сами вспомните какой-нибудь природный электрический феномен.
Дети задумались.
– Компас! – воскликнул Андрей. – Его стрелка направлена на северный магнитный полюс.
– Верно, – согласилась Никки. – Поворачивающаяся магнитная стрелка компаса связывает электрические явления на микроуровне и в глобальных масштабах Земли.
– Как так? – переспросила Галатея.
– Магнитные свойства металлической стрелки связаны с движением электронов в её атомах, а магнитное поле нашей планеты вызвано электрическими токами в реках расплавленного металла в центре Земли. И когда маленькая стрелка в прозрачной коробочке поворачивается на север, она соединяет эффекты микромира и планетарные процессы.
Андрей победно посмотрел на Галатею: «Какой замечательный пример я нашёл!» Та сердито покраснела и выпалила:
– А меня часто жалят электрические разряды, когда я надеваю шерстяной свитер или трогаю металлическую дверцу автомобиля!
– Отлично! – Никки похвалила Галатею. – Трение, например, янтаря о шерсть вызывает электризацию – из-за этого к янтарю притягиваются мелкие бумажки. Данное явление стали использовать в XIX веке, создавая электрофорные машины, которые накапливали заряд на больших металлических шарах.
– Я видела молнии между такими шарами! – крикнула Галатея с сияющими глазами.
Никки одобрительно кивнула.
– К XIX веку многие учёные изучали электричество и магнетизм. Одни исследовали статические заряды на шарах, другие – электрические токи в проводах, и как они взаимодействуют с намагниченной стрелкой компаса. Но как связаны многочисленные электромагнитные явления друг с другом, оставалось загадкой.
В XIX веке в Шотландии в семье владельца большого поместья под Эдинбургом родился мальчик Джеймс. Он рос любознательным и был окружен разными научными диковинами того времени. До десяти лет получал домашнее образование, а затем пошёл в школу.
Позже юноша учился в Эдинбургском и Кембриджском университетах.
О напряжённом режиме учебы, который Максвелл сам себе устроил, свидетельствует следующий факт.
Получив сообщение об обязательном посещении утреннего богослужения в Кембридже, он сказал: «Я в это время только ложусь спать». Максвелл проявил себя настоящим гением в науке: занимался астрономией и устойчивостью колец Сатурна, созданием основ цветной фотографии и теорией движения молекул в газах – все физики мира знают «распределение Максвелла», которому подчиняется, например, распределение молекул газа по скоростям.
– Я слышал про «демона Максвелла»! – выпалил Андрей.
– Да, это забавное существо придумал Максвелл для одного из своих мысленных экспериментов. Берём сосуд с газом и делим его пополам стенкой, в которой всего одна крохотная дверца. Ставим возле неё швейцара-демона, молниеносно открывающего дверцу перед быстрыми частицами, которые летят из левой части сосуда в правую, и перед медленными молекулами, которые двигаются из правой части в левую, и захлопывающего дверь «перед носом» остальных частиц. Постепенно работа демона приведёт к тому, что справа накопится горячий газ с быстрыми молекулами, слева – холодный газ с медленными молекулами. Если сделать дверцу очень легкой, работа демона будет нетрудной. Зато сколько пользы она может принести! Хотя при этом нарушаются важные законы физики, что и сделало работу демона парадоксальной.
– Заставив работать демона Максвелла, можно сделать бесплатный холодильник! – засмеялась Галатея.
– И бесплатный кипятильник! – поддержал её Андрей.
– Учёные потратили немало сил на обсуждение хитроумного демона Максвелла, пока не поняли, что ни один демон даром работать не будет, всё равно потребует плату.
Максвелл очень увлёкся математической задачей описания электромагнитных явлений, но никак не мог связать покоящиеся заряды и токи в проводах. Он был хорошим математиком, любил создавать математические теории для природных явлений и говорил: «Если вы окажетесь где-то неправы, природа сама скажет вам об этом».
Много усилий Максвелл потратил на запись уравнений, которые описывали бы все известные магнитные и электрические явления. В конце концов ему это удалось!
– Все-все явления? – недоверчиво спросила Галатея.
– Все-все, причем не только известные, но и ещё не открытые.
Труды Максвелла, Герца и других физиков доказали, что электричество наблюдается в природе в самых разных формах: накапливается в атмосферных тучах и разряжается молниями при грозах, течёт в подземной расплавленной магме, заставляя компасы смотреть на север, и возникает в кипении звёздной материи. Тучи пепла электризуются не хуже дождевых облаков, поэтому извержения вулканов тоже сопровождаются мощными молниями. Электричество – удивительный природный феномен, который человек сумел приручить и превратил в самую распространенную технологию современной цивилизации.
– Что же такое электрический ток? – спросила Галатея.
– Это одновременно очень простой и сложный вопрос. В учебниках написано, что электрический ток – это направленное движение электронов по проводам. Более того, некоторые так и думают! Но, если щелкнуть выключателем на стене, электроны из него дойдут до люстры – предположим, что мы используем постоянный, то есть не меняющий своего направления ток – часов за десять.
– Как же так? – опешила Галатея. – Лампочка-то зажигается сразу!
– Верно! Но факт остается фактом – электроны двигаются со скоростями примерно миллиметр в секунду. А если мы учтём, что в обычной бытовой сети электрический ток переменный, со сменой направления пятьдесят раз в секунду, электроны из выключателя вообще никуда не денутся, а будут дергаться туда-сюда на ничтожном (с нашей точки зрения) участке провода.
– И как лампочка узнала, что ей пора зажигаться? – недоумевала Галатея.
– Чтобы понять, что такое электрический ток, давайте расставим десять солдат по десятикилометровой линии на расстоянии километра друг от друга. Все они смотрят в одну сторону, как и полагается в строю, и внимательно прислушиваются. Последний солдат кричит: «Марш!» – и начинает двигаться вперед. Следующий солдат, уловив еле слышную команду первого, прилетевшую сзади, немедленно громко её повторяет: «Марш!» – и тоже начинает шагать – и так до конца, пока первый в строю солдат не начнёт маршировать, услышав команду предыдущего. Звук проходит километровую дистанцию за три секунды (попробуйте понаблюдать издали за человеком, который рубит дрова), то есть команда «Марш!» пройдёт десять километров за полминуты.
За это время первый солдат прошагает всего метров сорок. Если приравнять медленных солдат к электронам, а быструю команду, которую они передают друг другу, – к электромагнитному полю, мы поймём, почему электроны двигаются медленно, но начинают движение по всему проводу довольно дружно. Поэтому и лампочка, не дожидаясь медлительных электронов из розетки, загорается сразу – вернее, электроны, получив команду электромагнитного поля, которое распространяется по проволоке со скоростью триста тысяч километров в секунду, начинают двигаться по всему металлическому проводу – и по самой лампе – практически одновременно.