Электрическая Вселенная

Месье А, синьор В и мистер Вт

Мир состоит из электрических зарядов, вся наша технология работает на электрических зарядах, и даже мозг каждого из нас получает питание благодаря электрическим зарядам. Да, но как измеряются эти потоки электричества? Три исторических персонажа увековечили свои имена в названиях знакомых всем единиц — амперах, вольтах и ваттах, с помощью которых описывают и суммируют то, что происходит внутри всех электрических устройств.

Первым оказался французский математик, профессор Андре Мари Ампер, изучавший в 1820 году создание магнитного притяжения электрическими токами. То был один из очень немногих счастливых периодов жизни Ампера — на его могильной плите стоят слова Tandem felix («Наконец-то счастлив»), — а затем в 1881 году, спустя многие годы после его смерти, для единицы измерения потока заряженных частиц было принято наименование «ампер». В обычных бытовых электрических схемах это просто число электронов, проходящих за одну секунду через поперечное сечение провода. Если через него проходит 6 квинтильонов (6 000 000 000 000 000 000) электронов в секунду, мы говорим, что по проводу протекает ток в один ампер, если таких квинтильонов проходит 12, мы называем это током в два ампера. Электрическая лампочка вспыхивает, когда по ее спирали каждую секунду проходит 6 квинтильонов индивидуальных электронов. Включите зажигание вашего автомобиля, и через его свечи зажигания потечет ток в 50 А — 300 квинтильонов электронов в секунду.

Вторым персонажем стал вспыльчивый итальянец Алессандро Вольта. Он создал батареи, которые позволили другим ученым исследовать силу, «проталкивающую» электроны по проводам, хотя, как мы уже видели, механизма работы своих батарей он толком не понимал.

Исследования Майкла Фарадея помогли осмыслить эту толкающую силу, а ключевую концепцию ее измерения дал Макуорн Ранкин, друживший и с Уильямом Томсоном, и с Фарадеем. Ранкин провел годы, проектируя железные дороги холмистой Шотландии, и этот опыт помог ему сформулировать теорию того, что он назвал «потенциальной энергией». Забравшийся на холм поезд может двигаться медленно, однако он обладает большой потенциальной энергией, ибо стоит поезду начать спуск, и он очень быстро наберет огромную скорость.

Ранкин и Томсон использовали это понятие, пытаясь проникнуть в суть силовых полей, которые, как они себе представляли, распространяются от батарей и других источников электричества. Перед их умственным взором вставали невидимые «холмы», на которых поле было сильным, и «долины», в которых оно было слабым. Поместите заряженную частицу туда, где поле сильно, и она полетит вниз подобно испуганному, но обрадованному пассажиру, видящему, как паровоз стремительно несет его к заждавшейся долине. «Вольт», поняли Ранкин и Томсон, это просто мера крутизны, которой обладает толкающая сила в топографии каждого из незримых полей Фарадея. Если ампер измеряет плотность потока электронов, вольт помогает измерить «нисходящую» толкающую силу, создающую этот поток.

Последним из трех персонажей был еще один изобретательный шотландец, Джеймс Уатт, святой покровитель электрической лампочки. Паровую машину изобрел не Уатт, однако он значительно усовершенствовал ее и решил, что, если ему удастся уговорить прижимистых владельцев шахт покупать новую машину, это станет немаловажным достижением в его жизни.

Что ему требуется, понял Уатт, так это надежное, лишенное риска предложение, показывающее, что новая машина более чем окупает затраты на ее приобретение. Однако для этого нужна какая-то мера экономичности, а это означало, что необходимо найти эффектный и яркий способ, позволяющий подытожить то, что делают лошади, таскающие телеги и приводящие в ход насосы.

Уатт установил, что лошадь способна без особых перебоев тянуть за собой груз весом в 500 фунтов (226,5 кг), и выдвинул идею «лошадиной силы» — мощности, которую средняя лошадь способна развивать в течение долгого рабочего дня. Если он сможет предложить владельцам шахт паровую машину, которая будет стоить меньше, чем лошадь и ее пропитание, причем мощность ее будет больше одной лошадиной силы, у него появятся хорошие шансы продать такую машину. С распространением метрической системы мер изначальный термин был заменен, и весьма справедливо, на «ватт». Лошади — животные сильные, поэтому ватт был определен как малая — примерно ¹/₇₅₀-я — часть одной лошадиной силы. Сегодняшние диджеи не используют тягловых лошадей для того, чтобы прокручивать музыкальные записи или усиливать звук, однако, когда они говорят, что собираются задействовать акустическую систему мощностью в 750 Вт, речь идет, в сущности, о том, что для их оборудования требуется мощность, которую способна предоставить им одна-единственная лошадь. Ватт — это просто мера мощности, которую обеспечивают толкатели-вольты и торопыги-амперы.

Во времена потомка мистера Уатта, Роберта Уотсона Уатта, возможность создания британской системы оборонных радаров зависела от возможности подсчитать, каким образом ее допускающая точное измерение мощность будет распространяться в воздухе. Небо наполнено электрическими зарядами, однако они так крепко связаны в молекулах воздуха, что даже сильная радиоволна оторвать один от другого не может. Лишь намного более мощные, формируемые грозовыми тучами силовые поля способны создавать из них блистающую молнию. Но, возможно, слабой радиоволны будет все же достаточно для того, чтобы увлечь за собой хотя бы некоторые из электронов, которыми пропитан металл самолета?

Именно такие подсчеты и предстояло проделать в Слау 1935 года Арнольду Уилкинсу, используя при этом идеи мистера Уатта — и ясное определение ватта, полученное благодаря ясному же определению лошадиной силы, — то есть установить, что мощности, посылаемой в небо, будет довольно для того, чтобы заставить электроны посылать обратно на землю различимый ответный сигнал. Мощность, измеряемая в ваттах, отправится в небо, вокруг самолета возникнет поле толкающей силы, измеряемой в вольтах, а в металлическом крыле самолета — поток электронов, измеряемый в амперах, — достаточно сильный, как показал Уилкинс, чтобы создать ответный сигнал, который позволит работать британским оборонным радарам.