Текст книги "Из грязи и золота (СИ)"

Автор книги: София Баюн

сообщить о нарушении

Текущая страница: 11 (всего у книги 20 страниц)

У невеликих концентраціях озон пахне чарівно, а от у більших він уже не такий приємний. Його часто можна знайти під високовольтними лініями передач. Якщо лінії гудять, це найімовірніше означає, що десь щось іскрить (це явище називають коронним розрядом), і тому утворюється невелика кількість озону. У безвітряну погоду ви маєте відчути його запах.

А тепер повернімося до твердження, що кросівки начебто можуть вас захистити, коли ударить блискавка. Від розряду силою 50 000–100 000 амперів, здатного розжарити повітря до температури, втричі вищої за температуру на поверхні Сонця, ви майже напевне згоріли б ущент, билися б у конвульсіях від ураження струмом або вибухнули б від того, що вся вода у вашому тілі миттєво перетворилася б на розжарену пару, — незалежно від того, у що ви взуті. Саме це стається із деревами: сік у ньому вибухає, розриваючи його кору. Сто мільйонів джоулів енергії — еквівалент приблизно 25 кілограмів динаміту — це вам не абищо.

А як щодо гумових покришок? Чи захистять вони вас, якщо ви будете в машині, в яку вдарить блискавка? Шанси, що ви не постраждаєте, існують — я цього не гарантую! — утім зовсім з іншої причини. Електричний струм проходить через поверхневий шар провідника — це явище має назву скін-ефект, а в машині ви наче сидите в металевому ящику, а метал, як ми вже знаємо, добре проводить струм. Ви можете навіть торкнутися вентиляційної решітки на приладовій панелі й нічого не відчути. Проте я закликаю вас не випробовувати долю: більшість сучасних машин обладнані деталями зі склопластику, в якому скін-ефект не спостерігається. Інакше кажучи, якщо у вашу машину вдарить блискавка, на вас — і вашу автівку — чекає надзвичайна неприємність. Можливо, ви захочете переглянути коротеньке відео, як блискавка влучає в машину (cutt.ly/PwrxxTn), і фотографії фургона після удару блискавкою (prazen.com/cori/van.html). Із такими речами точно не варто жартувати!

На щастя для всіх нас, із пасажирськими літаками ситуація зовсім інакша. Блискавка влучає в них у середньому раз на рік, але завдяки скін-ефекту вони залишаються неушкодженими. Подивіться це відео: youtube.com/watch?v=036hpBvjoQw.

Ще один цікавий експеримент, пов’язаний із блискавкою (утім я не раджу вам повторювати його!), дуже часто приписують Бенджаміну Франкліну: запускання в грозу повітряного змія із підвішеним до нього металевим ключем. Вважається, начебто Франклін хотів перевірити гіпотезу про те, що грозові хмари породжують електричний вогонь. Він міркував так: якщо блискавка і справді є джерелом електрики, тоді мотузка повітряного змія, намокнувши під дощем, стане хорошим провідником для цієї електрики (хоч він і не вживав цього слова), і заряд потрапить на ключ, прикріплений ближче до кінця мотузки. Доторкнувшись кулаком до ключа, він викликав іскровий розряд. Проте, як і у випадку з Ньютоном, який в останні роки життя стверджував, що його надихнуло падіння яблука з дерева, немає жодних свідчень сучасників про те, чи проводив Франклін цей експеримент узагалі. Є лише звіт про експеримент у його листі, надісланому в Лондонське королівське товариство, та ще один письмовий документ, який склав п’ятнадцять років по тому його друг Джозеф Прістлі, першовідкривач кисню.

Невідомо, чи проводив Франклін цей дослід, що було б украй небезпечно й цілком могло закінчитися смертю винахідника. Але він опублікував опис іншого експерименту, метою якого було спустити на землю блискавку за допомогою залізного стрижня, установленого на верхівці вежі або дзвіниці. Через кілька років француз Тома-Франсуа Д’Алібар, який був знайомий із Франкліном ще раніше і переклав його ідеї французькою, здійснив цей експеримент у дещо інший спосіб, і вижив, щоб переповісти його. Він установив націлену в небо 12-метрову сталеву жердину і спостерігав біля її незаземленої нижньої частини іскри.

Професор Георг Вільгельм Ріхман, визначний учений, який народився в Естонії, а потім жив у Санкт-Петербурзі, член Петербурзької академії наук, багато років вивчав електричні явища, очевидно надихнувшись експериментом Д’Алібара, також вирішив спробувати здійснити його. Як розповідає Майкл Браян Шиффер у захопливій книжці «Знешкодьте блискавку: Бенджамін Франклін і електротехніка доби Просвітництва» (Draw the Lightning Down: Benjamin Franklin and Electrical Technology in the Age of Enlightenment), Ріхман установив на даху свого будинку залізний прут і за допомогою латунного ланцюга з’єднав його з електровимірювальним пристроєм у лабораторії на першому поверсі.

Як навмисне — або ж це знак долі — під час засідання Академії наук у серпні 1753 року зібралося на грозу. Ріхман помчав додому, покликавши із собою художника, який мав ілюструвати його нову книжку. Поки учений спостерігав за обладнанням, ударила блискавка, пройшла вниз металевим стрижнем і ланцюгом, вистрибнула десь у сантиметрах тридцяти від голови Ріхмана і вбила його, відкинувши через усю кімнату, заразом оглушивши художника, який від удару знепритомнів. В інтернеті можна знайти кілька ілюстрацій, на яких зображено цю жахливу сцену, хоча достеменно не відомо, чи був їхнім автором згаданий вище художник.

Франклін винайшов схожий пристрій, але вже заземлений. Зараз він відомий під назвою громовідвід. Він ефективно заземляє розряди блискавки, хоч і діє за іншим принципом, ніж припускав Франклін. Він вважав, що через металевий стрижень між наелектризованою хмарою і будівлею відбуватиметься постійний розряд, тому різниця потенціалів залишатиметься низькою і блискавка не становитиме загрози. Він був так переконаний у своїй правоті, що порадив королю Георгу ІІ установити громовідводи на даху королівського палацу та складах із боєприпасами. Опоненти Франкліна заявляли, що громовідвід лише притягне блискавку, а ефект від розряду, який зменшуватиме різницю потенціалів між спорудою і грозовими хмарами, буде незначним. Король, як каже історія, повірив Франкліну і встановив громовідводи.

Незабаром після цього блискавка влучила в один зі складів, але він майже не зазнав ушкоджень. Отже, громовідвід подіяв, але з дещо інших причин. Критики Франкліна мали рацію: громовідводи таки притягують блискавку, а розряд стрижнів справді незначний порівняно з колосальним зарядом грозової хмари. Утім громовідвід виконує-таки завдання, бо якщо стрижень достатньо товстий, щоб витримати 10 000‒100 000 амперів, то струм не виходитиме за його межі й заряд передаватиметься ґрунту. Франклін був не тільки талановитим винахідником — йому ще й надзвичайно щастило!

Хіба не дивовижно, що, зрозумівши природу потріскування поліестерового светра, яке виникає, коли ми знімаємо його взимку, ми можемо якоюсь мірою збагнути силу потужних гроз, що часом освітлюють блискавками все нічне небо, а також походження одного з найгучніших і найстрашніших у природі звуків?

Можна сказати, ми є сучасними версіями Бенджаміна Франкліна, бо так само намагаємося осягнути те, що лежить за межами нашого розуміння. У кінці 1980-х учені вперше сфотографували блискавки, що виникають дуже-дуже високо над хмарами. Один з різновидів таких блискавок має назву спрайт і складається з червонувато-оранжевих електричних розрядів, що відбуваються на висоті 50–90 кілометрів над землею. А існують ще так звані блакитні джети, які значно більші, завдовжки іноді до 70 кілометрів, і вистрілюють у верхні шари атмосфери. Ці дивовижні явища відомі нам лише трохи більше ніж двадцять років, тому ми ще так мало знаємо про причини їхньої появи. Попри всі наші знання про електрику, за кожною грозою, приблизно 45 000 разів на день, прихована справжня таємниця.

13 Більше про цю величну особистість ви можете прочитати у книжці Волтера Айзексона «Бенджамін Франклін», що вийшла друком у видавництві «Наш формат» 2019 року. — Прим. ред.

14 Сам Франклін називав цю грубу «пенсильванським каміном». — Прим. ред.

Розділ 8

Загадки магнетизму

Магніти для багатьох людей — лише розвага, частково тому, що ми можемо відчувати силу, з якою вони діють на предмети, і погратися з нею, хоч вона зовсім невидима. Коли ми наближаємо один до одного два магніти, вони або взаємно притягуються, або відштовхуються — як і наелектризовані тіла. Більшість із нас відчуває, що магнетизм глибоко пов’язаний з електрикою — наприклад, ледь не кожен, хто цікавиться наукою, знає слово електромагнітний, — але водночас ми не можемо остаточно пояснити, чому і як вони пов’язані. Це величезна тема, і я присвятив їй цілий вступний курс, тому тут ми оглянемо її побіжно. Але навіть у такому разі фізика магнетизму досить швидко продемонструє нам приголомшливі ефекти і допоможе глибше зрозуміти багато явищ.

Дива магнітних полів

Якщо взяти магніт і покласти його перед екраном увімкненого старого телевізора ще з доплазмових часів, ви побачите на екрані дуже цікаві кольорові візерунки.

Коли ще не існувало рідкокристалічних дисплеїв і плазмових екранів, пучки електронів, що летіли із задньої частини телевізора в бік екрана, активували на ньому кольори, фактично малю­ючи різні зображення.

Якщо піднести до такого екрана магніт, як роблю я на лекції, виникають майже психоделічні візерунки. Вони такі привабливі, що від них у захваті навіть дітлахи чотирьох-п’яти років. (Фотографії цих візерунків легко знайти в інтернеті).

Правду кажучи, діти, здається, постійно самі виявляють такий ефект. Інтернет так і рясніє благаннями стривожених батьків допомогти їм урятувати телевізор після того, як чада приклали до екрана магніти з холодильника. На щастя, більшість телевізорів оснащено спеціальним пристроєм, який розмагнічує екран, і зазвичай за кілька днів або тижнів проблема зникає сама собою. Але якщо ні, вам доведеться викликати майстра. Тому не раджу близько підносити магніти до екрана вашого телевізора (або монітора комп’ютера), хіба що це допотопний телевізор або монітор, якого вам не шкода. Тоді ви можете трохи розважитися. Усесвітньо відомий корейський художник Нам Джун Пайк створив безліч відеоінсталяцій, з викривленими в такий спосіб зображеннями. На лекції я вмикаю телевізор і обираю найжахливішу передачу — рекламний ролик якнайкраще згодиться для цього — і всі із захватом спостерігають за тим, як магніт викривлює зображення.

Магнетизм, як і електрика, має давню історію. Ще понад 2000 років тому греки, індуси та китайці, судячи з усього, знали, що деякі камінці — які називали морським залізом — притягують дрібні частинки заліза (так само, як давні греки помітили, що бурштин, коли його потерти, збирає шматочки листя). Сучасна назва цієї речовини — магнетит, або магнітний залізняк. Це природний магнітний мінерал, який, власне, має найсильніші магнітні властивості серед усіх природних речовин на Землі. Магнетит складається із заліза й кисню (Fe3O4) і також відомий як оксид заліза.

Але крім магнетиту, існує ще багато інших магнітів. Залізо відіграло велику роль в історії магнетизму і досі залишається важливим складником багатьох чутливих до магнітного поля матеріа­лів, тому ці матеріали, які притягуються до магнітів найбільше, називають феромагнетиками (префікс «феро-» вказує на наявність заліза). До них належать здебільшого метали та їхні сполуки: звісно, саме залізо, а також кобальт, нікель і діоксид хрому (раніше його часто використовували для покриття магнітної стрічки). Деякі з них можна перетворити на постійні магніти, помістивши їх у магнітне поле. Інші речовини, які називають парамагнетиками, набувають у магнітному полі слабких магнітних властивостей і втрачають їх знову, коли поле зникає. До них належать алюміній, вольфрам, магній і, хто б подумав, кисень. Ще існують речовини під назвою діамагнетики, які в присутності магнітного поля створюють досить слабке власне магнітне поле, напрямлене протилежно до зовнішнього. До них належать вісмут, мідь, золото, ртуть, водень і кухонна сіль, а також дерево, пластмаси, алкоголь, повітря і вода. (Феромагнітні, парамагнітні або діамагнітні властивості пов’язані з розподілом електронів навколо ядра — це аж занадто складна тема, щоб у неї заглиблюватися).

Існують навіть рідкі магніти — не зовсім феромагнітні рідини, а радше розчини феромагнітних речовин, які дуже красиво й незвично реагують на магніти. Такі рідкі магніти досить легко виготовити самостійно; ось посилання на інструкцію: cutt.ly/ZtLr7R. Якщо крапнути такий досить густий розчин на шматочок скла й покласти під нього магніт, результат буде дивовижний — знач­но цікавіше, ніж дивитися, як залізні ошурки збираються вздовж ліній магнітного поля під час досліду на уроці фізики.

Вважається, що в ХІ столітті китайці намагнічували голки об магнетит, а потім підвішували їх на шовковій нитці. Голки вирівнювалися в напрямку північ‒південь, тобто вздовж силових ліній магнітного поля Землі. До початку наступного століття компаси вже використовували для навігації як у Китаї, так і на далекому Ла-Манші. Це була намагнічена голка, що плавала в чаші з водою. Винахідливо, правда? Незалежно від того, куди поверне корабель, а разом з ним — і чаша, голка завжди вказуватиме на північ і південь.

Природа ще винахідливіша. Зараз нам відомо, що в тілі перелітних птахів є крихітні частинки магнетиту, які, мабуть, виконують роль внутрішнього компаса, допомагаючи птахам не збитися зі шляху. Деякі біологи навіть вважають, що магнітне поле Землі стимулює оптичні центри в мозку деяких птахів та інших тварин, наприклад саламандр. Тобто вчені припускають, що в певному розумінні ці тварини «бачать» магнітне поле Землі. Хіба це не вражає?

У 1600 році визначний медик і вчений Вільям Гільберт — не просто собі лікар, а особистий лікар Єлизавети І — опублікував працю «Про магніт, магнітні тіла і про великий магніт Землі» (De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure), в якій заявив, що сама Земля є магнітом. Цього висновку він дійшов після експериментів з невеликою сферою з магнетиту, що мала служити моделлю Землі. Сфера була, може, трохи більша за грейпфрут, і розташовані на ній маленькі компаси поводилися так само, як на поверхні Землі. Гільберт стверджував, що компаси вказують на північ тому, що Земля є магнітом, а не через те, що на Північному й Південному полюсах, як дехто вважав, лежать магнітні острови. І не тому, що компаси вказують на Полярну зорю.

Гільберт не помилявся не тільки щодо того, що Земля має магнітне поле, — вона має навіть магнітні полюси (так само, як магніт на холодильнику), які не зовсім збігаються з географічними полюсами. І це ще не все — магнітні полюси Землі поступово зміщуються, десь на 15 кілометрів за рік. Отже, у чомусь Земля справді поводиться як простий штабовий магніт — звичайний намагнічений металевий брусок, який можна придбати в магазині «Усе для хобі». Але в іншому вона повністю від нього відрізняється. Науковці дуже довго не могли запропонувати життєздатної теорії, яка б пояснювала, чому Земля має магнітне поле. Того факту, що земне ядро містить багато заліза, недостатньо, тому що при нагріванні до певної температури (вона називається температурою Кюрі) матеріали втрачають феромагнітні властивості, й залізо не виняток. Температура Кюрі для заліза становить приблизно 770 градусів за Цельсієм, а ми знаємо, що земне ядро значно гарячіше!

Теорія досить заплутана і пов’язана з потоками електричного струму, які циркулюють у земному ядрі, а також із тою реалією, що Земля обертається, — фізики називають це магнітним динамо. (Астрофізики, до речі, за допомогою цієї теорії пояснюють магнітні поля зір, зокрема Сонця, магнітне поле якого повністю змінює напрямок приблизно кожні одинадцять років). Можливо, ви будете вражені, але науковці досі працюють над створенням повної математичної моделі Землі та її магнітного поля — така вона непроста. Завдання ще більше ускладнене тим, що існують геологічні докази, що магнітне поле Землі протягом тисячоліть суттєво змінилося: полюси змістилися на значно більшу відстань, ніж зазвичай за рік, і, здається, магнітне поле також повертало в протилежному напрямку — більше ніж 150 разів лише за останні 70 мільйонів років. Дивно, еге ж?

Зараз завдяки супутникам (зокрема, данському супутнику «Ерстед»), обладнаним чутливими магнітометрами, ми можемо скласти більш-менш точну карту магнітного поля Землі. Нам відомо, що воно простягається в космічний простір більше ніж на мільйон кілометрів. Також ми знаємо, що ближче до Землі магнітне поле створює одне з найкрасивіших атмосферних явищ.

Сонце, як ви, мабуть, пам’ятаєте, випромінює потужний потік заряджених частинок, що складається в основному із протонів і електронів і має назву сонячний вітер. Магнітне поле Землі спрямовує деякі із цих частинок у нашу атмосферу біля магнітних полюсів. Коли ці частинки, що летять зі швидкістю приблизно 400 кілометрів за секунду, зіштовхуються в атмосфері з молекулами кисню й азоту, частина їхньої кінетичної енергії (енергії руху) перетворюється на електромагнітну енергію у вигляді світла. Кисень вивільняє зелені або червоні промені, а азот — сині або червоні. Ви, певно, здогадуєтеся, про що я. Правильно, так створюється ефектне світлове шоу, яке в Північній півкулі називають північним полярним сяйвом, а в Південній — південним полярним сяйвом. Чому це сяйво можна побачити тільки дуже далеко на півночі або на півдні? Тому що сонячний вітер потрапляє в земну атмосферу переважно біля магнітних полюсів, де магнітне поле найсильніше. Те, що в деякі ночі вияви цього ефекту яскравіші, пов’язано із сонячними спалахами, які дають більше частинок для світлового шоу. Потужні зблиски на Сонці можуть мати серйозний вплив на магнітне поле Землі, викликаючи так звані магнітні бурі та полярне сяйво далеко за межами звичних районів, часом негативно впливаючи на радіозв’язок, роботу комп’ютерів, керування супутниками і навіть призводячи до відключень електроенергії.

Якщо ви не живете поблизу Північного (або Південного) полярного кола, то не дуже часто спостерігатимете полярне сяйво. Тому якщо вам доведеться ввечері летіти в Європу з північного сходу Сполучених Штатів (а більшість рейсів вечірні), раджу вам узяти місце в лівій частині літака. Можливо, на висоті 11 кіломет­рів ви зможете трохи роздивитися з вікна полярне сяйво, особ­ливо якщо Сонце останнім часом було надто активним, про що можна дізнатися з інтернету. Саме завдяки цьому я багато разів бачив полярне сяйво, тому, якщо є така змога, я завжди сідаю в лівій частині літака. Я вважаю, що фільми можна подивитися вдома будь-коли. У літаку я вночі шукаю полярне сяйво, а вдень — глорії.

Ми у величезному боргу перед магнітним полем Землі, бо якби його не було, постійний потік заряджених частинок, що бомбардують нашу атмосферу, призвів би до серйозних наслідків. Сонячний вітер знищив би нашу атмосферу й воду ще мільйони років тому, і життю в таких умовах було б набагато складніше розвиватися, якщо взагалі можливо. Учені припускають, що тонка атмо­сфе­ра Марса та порівняно незначні запаси води пояснюються саме такими постійними ударами сонячного вітру, від яких потерпає Червона планета через своє слабке магнітне поле. У такому середовищі людські істоти можуть існувати тільки за допомогою потужних систем життєзабезпечення.

Таємниця електромагнетизму

У ХVIII столітті деякі вчені почали підозрювати, що електричні й магнітні явища якось пов’язані, хоча інші вчені, наприклад англієць Томас Юнг і француз Андре-Марі Ампер, вважали, що вони не мають нічого спільного. Вільям Гільберт вважав електрику й магнетизм абсолютно незалежними явищами, але все-таки досліджував їх одночасно, описавши електрику у своїй праці, присвяченій магнетизму. Він називав здатність бурштину притягувати до себе інші тіла «електричною силою» (пригадуєте, давні греки називали бурштин електроном?). Він навіть винайшов щось на зразок електроскопа, за допомогою якого можна було виміряти статичну електрику і продемонструвати її наявність. (В електроскопі на кінці металевого стрижня закріплено пучок фольгових смужок. Щойно він наелектризується, смужки настовбурчуються — такий собі лабораторний відповідник волосся з-під шапки).

У 1776‒1777 роках Баварська академія наук просила дослідників надсилати есе про зв’язок між електрикою та магнетизмом. Уже якийсь час було відомо, що від розрядів блискавки могли виходити з ладу компаси, і не хто інший, як сам Бенджамін Франклін намагнічував голки, якими розряджав лейденську банку. (Винайдена в середині ХVIII століття в Нідерландах лейденська банка могла «зберігати» електричні заряди. Це була найперша версія пристрою, який ми називаємо конденсатором). Але попри бурхливі темпи дослідження вченими електричних явищ на початку ХІХ століття, жоден з них прямо не пов’язував електричний струм з магнетизмом аж до вирішального відкриття данського фізика Ганса Крістіана Ерстеда (народився 1777 року), яке звело разом електрику й магнетизм. За словами історика Фредеріка Ґреґорі, це чи не єдиний випадок в історії сучасної фізики, коли таке колосальне відкриття було здійснено під час лекції на очах у студентів.

У 1820 році Ерстед звернув увагу, що коли через провідник, під’єднаний до батареї, проходить струм, стрілка розташованого поблизу компаса відхиляється від напрямку північ‒південь і встановлюється перпендикулярно до провідника. Щойно він роз’єднав провідник і струм припинився, стрілка повернулася у звичайне положення. Не відомо, чи Ерстед навмисно проводив такий експеримент на лекції, чи компас випадково опинився в його руках, і вчений просто помітив цей неймовірний ефект. Його власні звіти різняться — ми вже не раз спостерігали подібне в історії фізики.

Випадковість це чи ні, не має значення, але це чи не найважливіший експеримент (назвімо так) за всю історію фізичних досліджень. Завдяки йому Ерстед зробив логічний висновок, що електричний струм у провіднику створив магнітне поле, і магнітна стрілка компаса рухалася під його дією. Таке вражаюче відкриття викликало справжній бум досліджень у сфері електрики й магнетизму, зокрема Андре-Марі Ампера, Майкла Фарадея, Карла Фрід­ріха Гауса, й нарешті зумовило появу визначних теоретичних праць Джеймса Клерка Максвелла.

Струм — це потік заряджених частинок, а отже, Ерстед продемонстрував, що рухомий електричний заряд створює магнітне поле. У 1831 році Майкл Фарадей з’ясував, що коли рухати магніт крізь дротяну котушку, в ній виникає струм. Він фактично показав, що закономірність, яку відкрив Ерстед, можна поставити з ніг на голову: рухоме магнітне поле створює електричний струм. Утім результати експериментів обох цих учених не здаються логічними, чи не так? Якщо провести магнітом поруч із дротяною котушкою — найкраще згодиться мідь, бо це дуже хороший провідник, — з якого дива в ній повинен виникати струм? Важливість цього відкриття зрозуміли не одразу. Кажуть, що якось один політик, засумнівавшись, запитав у Фарадея, чи має його відкриття якусь практичну цінність, і вчений начебто відповів: «Сер, я не знаю, яка із цього може бути користь. Проте в одному я цілком упевнений: колись ви обкладете це податком».

Можливо, це просте фізичне явище, яке легко відтворити вдома, здається позбавленим сенсу, але воно без перебільшення є рушієм усієї нашої економіки і всього, що створила людина. Без цього явища ми б досі жили приблизно як наші предки в ХVII й XVIII століттях. Не було б ні електричного освітлення, ні радіо, ні телебачення, ні телефонів, ні комп’ютерів.

Звідки ми отримуємо всю ту електрику, якою сьогодні користуємося? Загалом — від електростанцій, де вона виробляється за допомогою генераторів, які переміщують мідні котушки в магнітному полі. Ми вже не переміщуємо магніти. Перший генератор Фарадея — це мідний диск, який за допомогою ручки обертався між двома кінцями підковоподібного магніту. Щітка на зовнішньому краю диска з’єднувалася з одним провідником, а щітка на центральному валу обертального диска — із другим провідником. Якщо під’єднати ці два провідники до амперметра, він виміряє згенерований струм. Фарадей прикладав до системи енергію (м’язову силу), яку пристрій перетворював на електрику. Але через низку причин, зокрема, що мідний диск доводилося крутити вручну, генератор Фарадея був не надто ефективним. У певному сенсі генератори слід було б називати перетворювачами енергії. Адже вони тільки перетворюють енергію певного виду, в цьому випадку кінетичну, на енергію електричну. Інакше кажучи, безкоштовної енергії не існує. (Перетворення енергії ми розглянемо детальніше в наступному розділі).

Електрика надає руху

Ми дізналися, як перетворити рух на електрику, а тепер подумаймо, як зробити навпаки й перетворити електрику на рух. Урешті-решт, саме для цього автовиробники витрачають мільярди доларів на розробку електромобілів. Усі вони намагаються винайти ефективні й потужні електродвигуни для цих автівок. А що таке двигун? Двигун — це пристрій, що перетворює електричну енергію в рух. В основі їхньої роботи лежить на перший погляд простий, але насправді досить складний принцип: якщо в магнітне поле помістити дротяну котушку, крізь яку проходить струм, вона обертатиметься. Швидкість її обертання залежить від багатьох чинників: сили струму, сили магнітного поля, форми котушки тощо. Фізики кажуть, що магнітне поле надає котушці крутний момент. «Крутний момент» — це термін на позначення сили, що змушує речі обертатися.

Якщо вам хоч раз доводилося змінювати покришку, то ви, звісно, чудово уявляєте, що таке крутний момент. Ви знаєте, що один з найскладніших етапів цієї процедури — послабити гайки, які утримують колесо на осі. Зазвичай їх дуже туго закручують, а часом здається, що вони зрослися, і ви змушені докладати титанічних зусиль до гайкового ключа. Що довший держак ключа, то більший крутний момент. З дуже довгим держаком ви, можливо, відбудетеся зовсім незначними зусиллями, і відкрутите гайки. Замінивши покришку, щоб підтягнути гайки, ви прикладаєте крутний момент у протилежному напрямку.

Звісно, іноді буває так, що хоч ви й натискаєте чи тягнете щосили, гайка все одно не рухається. У такому разі або нанесіть на неї трохи аерозолю WD-40 (я раджу завжди тримати в багажнику WD-40, для цього й багато чого іншого) і почекавши трохи, відкрутіть її, або спробуйте вдарити по держаку ключа молотком (ще одна річ, яку завжди треба возити із собою!).

Нам не обов’язково заглиблюватися у складні тонкощі, пов’я­зані з крутним моментом. Достатньо знати лише те, що якщо пропустити через котушку струм (наприклад, за допомогою батарейки) і помістити її в магнітне поле, на неї діятиме крутний момент, що змусить її обертатися. Що сильніший струм, то сильніше магнітне поле і то більший крутний момент. Цей принцип лежить в основі роботи двигуна постійного струму, просту версію якого досить легко зробити.

Яка різниця між постійним і змінним струмом? Полюси батарейки не змінюються (плюс залишається плюсом, а мінус — мінусом). Тому якщо під’єднати батарейку до провідника, струм завжди проходитиме в одному напрямку, і такий струм називають постійним. Проте у Сполучених Штатах різниця потенціалів між двома отворами електричної розетки змінюється із частотою 60 герців, а в Нідерландах і в більшості країн Європи — із часто­тою 50 герців. Якщо ви в себе вдома під’єднаєте до розетки провідник, наприклад лампу розжарювання або обігрівач, струм коливатиметься (заряди рухатимуться то в один бік, то в другий) із часто­тою 60 герців (тобто змінюючи напрямок 120 разів за секунду). Такий струм називають змінним.

Щороку під час курсу з електрики й магнетизму ми влаштовуємо конкурс двигунів. (Уперше його провели за кілька років до мене мої колеги та друзі професори Віт Буса та Віктор Вайскопф). Кожен студент отримує конверт із простими матеріалами: два метри ізольованого мідного дроту, дві скріпки, дві канцелярські кнопки, два магніти й маленький дерев’яний брусок. Студенти ще мають узяти батарейку типу АА на 1,5 вольта. Вони можуть користуватися будь-якими інструментами, пиляти дерево й свердлити отвори, але двигун дозволено збирати лише з матеріалів, що у конверті (клей чи клейка стрічка заборонені). Завдання студентів — побудувати із цих простих складників якомога швидший двигун (з якомога більшою кількістю обертів за хвилину). Скріпки мають бути опорами для котушки, що обертається; дріт потрібен для виготовлення котушки; а магніти слід розташувати так, щоб забезпечити в котушці крутний момент, коли крізь неї проходитиме струм від батарейки.

Припустімо, ви хочете взяти участь у змаганні. Ви під’єднуєте акумулятор до котушки, і вона починає обертатися за годинниковою стрілкою. Поки що все добре. Але, на ваш великий подив, котушка згодом зупиняється. Річ у тому, що після кожного півоберта крутний момент змінює напрямок. Ця зміна напрямку перешкоджатиме обертанню за годинниковою стрілкою; котушка може крутнутися навіть проти годинникової стрілки. Безперечно, це не те, чого ми очікуємо від двигуна. Нам потрібно, щоб він постійно обертався тільки в одному напрямку (за годинниковою стрілкою чи проти — не має значення). Цього можна досягти, якщо після кожного півоберта змінювати напрямок струму, що проходить крізь котушку. Тоді крутний момент постійно діятиме на котушку в тому самому напрямку, і вона обертатиметься.

Щоб побудувати двигун, студентам слід вирішити неминучу проблему зі зміною напрямку крутного моменту, і деяким вдається сконструювати так званий комутатор — пристрій, що після кожного півоберта змінює напрямок струму. Але це складно. На щастя, існує простий і дуже розумний спосіб розв’язати цю проблему, не змінюючи напрямку струму. Якщо зробити так, щоб струм (а отже, й крутний момент) прямував до нуля після кожного півоберта, тоді крутний момент узагалі не впливатиме на ­котушку протягом одного півоберта, а протягом другого буде спрямований в один і той самий бік. У підсумку котушка обертатиметься.

Я даю очко за кожні 100 обертів за хвилину, які здійснює двигун, максимум — це 20 очок. Студентам дуже подобається це завдання, і оскільки це студенти МТІ, вони часом створюють дивовижні пристрої. Можливо, ви теж захочете спробувати. Щоб отримати інструкції, перейдіть за посиланням на додаткові матеріали до 11-ї лекції: ocw.mit.edu/courses/physics/8-02-electricity-and-magnetism-spring-2002/lecture-notes/.