Николай Горькавый – Первооткрыватели. 100 научных сказок (страница 32)

– Триста тысяч километров в секунду? – прищурился Андрей. – Это же всем известная скорость света! Она случайно оказалась равна скорости распространения электричества по проводам?

– Конечно, нет! – воскликнула Никки.

Главная заслуга Максвелла заключается не только в том, что он привёл в порядок известные законы электродинамики. Создавая свою систему уравнений, Максвелл заметил, что ей не хватает красоты. Поэтому он добавил в одно из уравнений слагаемое, приводившее к симметрии между электрическим и магнитным полями! Ни один из выполненных к тому времени экспериментов не вынуждал его к такому шагу. Но математически красивая теория имеет больше шансов оказаться правильной. Красота и симметрия стали путеводными звездами физиков-теоретиков, указывающими дорогу в мир неизведанного.

После дополнения Максвеллу открылось чудо: оказывается, для существования электрических и магнитных полей не обязательно наличие зарядов и токов! Электрические и магнитные поля, не привязанные к зарядам и токам, могут перемещаться даже в пустом пространстве, в чистейшем вакууме. Такие поля имеют вид бегущих волн, причем электрическое и магнитное поля в такой волне не существуют одно без другого – они тесно переплетаются, перетекают друг в друга во время полёта в пространстве. Уравнения Максвелла утверждали, что скорость распространения данной волны равна скорости света в вакууме.

Тогда Максвелл решился на удивительное утверждение: заявил, что эти электромагнитные волны и есть свет, который рождается Солнцем и свечой, молнией и светляком.

– Ух! – выдохнула взволнованная Галатея. – Значит, красивый светлячок – тоже электрическое явление!

– Но ведь это всего лишь предположение Максвелла, – Андрей был настроен скептически. – Откуда мы знаем, что Максвелл прав, и его уравнения верно описывают солнечный свет?

– Правильный вопрос! – похвалила Никки. – Хорошая теория должна не только описывать уже известные факты, но и предсказывать новые, причем предсказание должно быть конкретным, чтобы сказать экспериментаторам: «Ищите!» И если результат эксперимента согласуется с предсказанием теории, это подтверждает правоту теоретика.

Галатея с укоризной посмотрела на Андрея. Она не сомневалась, что предсказания такого умного физика, как Максвелл, который повелевает даже демонами, выдержат самую суровую экспериментальную проверку.

Для подтверждения гениальной догадки Максвелла остался один шаг: породить электромагнитные волны экспериментально, управляя зарядами и токами с помощью проводов, магнитов и батареек. Эту задачу решил другой гениальный физик – Генрих Герц. Он сумел создать и зарегистрировать электромагнитные волны более низкой частоты, чем световые. Такие волны мы теперь называем радиоволнами. В честь Герца частота колебаний стала измеряться в «герцах» – это количество колебаний в секунду.

Например, в герцах измеряется частота тока в обычной бытовой электросети. Там течет переменный ток, меняющий своё направление с частотой 50 герц.

Никки посмотрела на внимательно слушавшую её девочку:

– Вернёмся к твоему хорошему вопросу о природе электрического тока, Галатея.

Хотя электромагнитное поле мчится вдоль провода очень быстро, а электроны ползут по металлическому проводу со скоростью улитки, они тесно связаны. Поэтому электрический ток, идущий по проводам, – проявление совместного движения медленных электронов и быстрого электромагнитного поля. Это самый простой ответ. Но, если копнуть глубже, а это очень увлекательное занятие в любой деятельности, даже ток в обычной квартирной электросети окажется очень сложным атомным явлением.

Зададимся вопросом: как работает электрический ток в нашем доме? Не будем трогать сложные устройства, рассмотрим обычную спираль на электрической плите или в утюге, которая разогревается при прохождении через неё электрического тока. Что происходит между электронами и металлической спиралью, отчего она становится «сердита и горяча»?

Никогда не играли в футбол в лесу, состоящем из мачтовых сосен? Попробуйте как-нибудь. Поставьте перед собой простую задачу – сильными ударами по мячу переправить его на расстояние в сотню метров. Эта задача, простая для обычного футбольного поля, в лесу превращается в трудновыполнимую: пиная мяч, вы обнаружите, что при каждом ударе он попадает в дерево и отклоняется назад или в сторону. Только ваши ноги придают ему нужное направление движения, а деревья стараются его рассеять или отбить назад. Когда вы выполните поставленную задачу, вытрите пот и обернитесь – посмотрите на пройденный путь.

Мяч играл роль электрона, вы – электромагнитного поля, ускоряющего его в нужном направлении, а стволы сосен изображали атомы металла, которые рассеивают электроны, мешая им двигаться.

Энергия, которую электромагнитное поле (в виде футболиста) затратило на проталкивание электрона сквозь плотные «заросли» атомов, выделяется на проводе в виде тепла или колебания атомов.

– То есть от попадания мяча сосны начнут качаться? Это и есть аналог выделяющегося на атомах тепла? – спросил Андрей, улыбаясь.

– Верно!

Закон известного физика Ома связывает сопротивление материала спирали, напряжение и силу электрического тока. Это феноменологический закон, сформулированный на основе многочисленных опытов, но без прояснения внутренних процессов. Описать точно электрическое сопротивление можно лишь в рамках квантовой механики, которая во времена Ома не существовала. Мы жарим яичницу и гладим брюки на квантовом тепле, которое появилось из-за сложных взаимоотношений электронов, атомов и электромагнитного поля.

Однако уже в XIX веке электрические лампы освещали крупные города, а по их улицам бежали первые трамваи. Если мы осмотримся в современной городской квартире, обнаружим, что она буквально опутана электрической сетью! В стенах нашего жилища можно найти десятки электрических розеток. Именно сюда, в маленькие сдвоенные дырочки, человек загнал неуправляемую, на первый взгляд, силу, которая с грохотом раскалывает небосвод по время гроз и заставляет полярные небеса полыхать космическим огнём.

Древние греки полагали, что громовержец Зевс владеет молниями. Современные учёные и инженеры могучи, как боги: они приручили дикие молнии Зевса, заставили их течь по проводам и крутить моторы.

Каждый организм жив, пока получает энергию извне. В этом наши дома похожи на живые организмы – им тоже для функционирования нужна энергия, и они получают её по металлической проволоке. По ней движется электрический ток, который зажигает лампочки, заставляет работать холодильник, телевизор, телефон, пылесос, электроплиту и множество других «обитателей» домов, питающихся электричеством.

Радио, телевидение, компьютеры, мобильные телефоны – всё это возникло благодаря Максвеллу и его уравнениям, которым подчиняются электромагнитные поля звёзд и северных сияний, электрических розеток и компьютерных процессоров.

Но многие люди забывают о заслугах учёных, когда пользуются благами науки и после вкусного завтрака садятся за компьютер. Так происходит потому, что мало кто понимает, какие процессы протекают в проводах и лампах и какую огромную роль в создании телевизоров и компьютеров сыграли уравнения Максвелла.

Джеймс Максвелл (1831–1879) – великий британский физик, шотландец по происхождению. Заложил основы классической электродинамики.

Генрих Герц (1857–1894) – знаменитый немецкий физик. Опираясь на предсказания теории Максвелла, сумел сгенерировать электромагнитные волны электротехническими методами. Так он не только подтвердил справедливость уравнений Максвелла, но и заложил основы радиосвязи.

Георг Ом (1789–1854) – знаменитый немецкий физик. Открыл закон, связывающий напряжение и силу тока с сопротивлением проводника, которое сейчас измеряется в омах.

Сказка об инженере Яблочкове, осветившем Европу русским светом

Железнодорожный состав с царской семьей должен был отправиться из Москвы в Крым. Возле лакированных вагонов толпилась необычная для вокзала публика. Мужчины курили и блестели военными кортиками, золотыми эполетами и бриллиантовыми орденами. Придворные дамы в пышных платьях и тонких перчатках с кружевами впархивали в вагоны. За ними тащились служанки с саквояжами.

Возле пыхтящего паровоза стоял настоящий генерал – с усами и свирепым лицом – и что-то приказывал робевшему машинисту, пыхтя не хуже паровоза. Тот сразу со всем соглашался, не очень-то запоминая, что ему говорят.

Генерал представил паровозной бригаде стоявшего рядом с ним бородатого человека с огромным фонарём и какими-то ящиками:

– Это военный инженер Павел Николаевич Яблочков, он будет обеспечивать работу электрического прожектора на паровозе.

Машинист кивал, слабо понимая, что такое «электрический прожектор». Сам генерал тоже не очень хорошо себе его представлял – раньше паровозы не оснащались этой штуковиной.

Наконец, кондуктор засвистел отправление. Пассажиры, бряцая шпорами, не спеша зашли в вагоны, и поезд тронулся. До темноты было ещё далеко, и Яблочков пристроился в уголке, возился со своими приборами.

Пожилой кочегар закрыл паровозную топку, куда только что забросил несколько лопат угля, вытер со лба пот и спросил нового попутчика:

– Мил человек, ты объясни, как энта лампа гореть будет? На керосине али как?