Глазами физика

Для многих из нас магниты – просто забавная вещь, отчасти потому, что мы можем почувствовать их силы и поиграть с ними, но при этом эти силы абсолютно невидимы. Если поднести два магнита близко друг к другу, они будут притягиваться или отталкиваться – так же как электрически заряженные объекты. Большинство людей интуитивно убеждены, что магнетизм тесно связан с электричеством (практически любому, кто интересуется наукой, известно слово электромагнитный), но при этом не могут объяснить, как и почему. Это огромная тема, и я посвящаю ей целый вводный курс, так что мы с вами пока только пройдемся по верхам. Но даже при таком подходе физика магнетизма довольно быстро продемонстрирует вам некоторые поистине сногсшибательные эффекты и поможет глубже разобраться в природе многих явлений.

Чудеса магнитных полей

Если взять магнит и положить его перед включенным телевизором (старого образца, не c плоским экраном, а с кинескопом), вы увидите по всему экрану потрясающие цветные узоры. В далекие времена до появления жидкокристаллического дисплея или плазменных телевизионных экранов пучки электронов, вылетающие из задней части телевизора в сторону экрана, активизировали на нем цвета и весьма успешно рисовали разные изображения. Если поднести сильный магнит к такому экрану, как делаю я на своих лекциях, он выдает практически психоделические узоры. Они настолько красивы, что очаровывают даже малышей четырех-пяти лет. (Подобные изображения можно легко найти в интернете.)

Впрочем, дети, судя по всему, довольно часто обнаруживают этот замечательный эффект совершенно самостоятельно. Иначе почему интернет буквально кишит просьбами родителей, умоляющих о помощи в восстановлении телевизоров после того, как их отпрыски приложили к экрану магнитик с холодильника? К счастью, большинство современных телевизоров оснащены размагничивающим устройством, которое размагничивает экран, и, как правило, через несколько дней или недель проблема исчезает сама собой. Но если этого не происходит, для ее решения потребуется специалист. Так что я не рекомендую вам класть магнит возле экрана домашнего телевизора (или компьютерного монитора), если только это не древний телевизор или монитор, который вам больше не нужен: в этом случае вы можете немного поразвлечься. Например, всемирно известный корейский художник Нам Джун Пайк примерно таким способом создал множество произведений искусства с искаженными видеообразами. Я на своих лекциях включаю телевизор, выбираю какую-нибудь особенно жуткую телепередачу – по-моему, для этой цели отлично подходят рекламные ролики, – и студенты с огромным удовольствием наблюдают за тем, как магнит искажает картинку до неузнаваемости.

История магнетизма, как и электричества, началась в далекой древности. Еще более двух тысяч лет назад греки, индусы и китайцы знали, что некоторые камни – со временем их назвали магнитным железняком – притягивают мелкие кусочки железа (практически так же, как древние греки установили, что натертый янтарь притягивает кусочки листьев). Сейчас мы называем это вещество магнетитом; это естественный магнитный минерал, по сути, самый магнитный материал природного происхождения на планете. Магнетит представляет собой комбинацию железа и кислорода (Fe₃O₄) и, соответственно, известен также как окись железа.

Но, кроме магнетита, есть много других видов магнитов. Железо сыграло в истории магнетизма такую значимую роль и по-прежнему остается настолько важным компонентом многих чувствительных к магнитному полю материалов, что те материалы, которые сильнее всего притягиваются к магнитам, назвали ферромагнитными («ферро» – приставка, указывающая на присутствие железа). Это, как правило, металлы или их соединения: само железо, конечно, а также кобальт, никель и диоксид хрома (раньше его активно использовали в магнитных пленках). Некоторые из них при помещении в магнитное поле намагничиваются, оставаясь такими и впоследствии. Другие, называемые парамагнитными, находясь в таком поле, намагничиваются слабо и размагничиваются, когда магнитное поле исчезает. К ним относятся алюминий, вольфрам, магний и – хотите верьте, хотите нет – кислород. А так называемые диамагнитные материалы при наличии магнитного поля создают довольно слабые противоположные магнитные поля. Эта категория включает в себя висмут, медь, золото, ртуть, водород и поваренную соль, а также древесину, пластмассы, спирт, воздух и воду. (То, что одни материалы ферромагнитные, другие парамагнитные, а третьи диамагнитные, зависит от того, как именно электроны распределяются вокруг ядра, но это слишком сложная тема, чтобы детально обсуждать ее в этой книге.)

Существуют даже жидкие магниты, которые скорее являются не ферромагнитными жидкостями, а растворами ферромагнитных веществ, красиво и ярко реагирующими на магниты. Вы можете довольно легко изготовить один из жидких магнитов самостоятельно, следуя набору подробных инструкций по адресу: http://chemistry.about.com/od/demonstrationsexperiments/ss/liquidmagnet.htm. Если налить такой довольно тягучий раствор на кусок стекла и положить под него магнит, результат будет весьма любопытным – намного интереснее, чем те железные опилки, которые банально выстраиваются вдоль линии магнитного поля. Этот «фокус» вам наверняка показывали в школе.

В XI веке китайцы намагничивали иглы, прикладывая их к магнетиту, а затем подвешивали их на шелковой нити. Намагниченные иглы выравнивались в направлении север-юг, то есть вдоль силовых линий магнитного поля Земли; по сути, это был компас. Уже в следующем столетии компасы использовались для навигации и в Китае, и на Ла-Манше. Первые компасы состояли из намагниченной иглы, плавающей в миске с водой. Гениально, не так ли? Куда бы ни поворачивала лодка или корабль, миска поворачивалась вместе с ним, но игла неизменно указывала одним концом на север, а другим на юг.

Но природа еще более гениальна и изобретательна, чем человек. Сегодня нам известно, что в телах мигрирующих птиц имеются крошечные кусочки магнетита, которые они, по-видимому, используют в качестве внутренних компасов, помогающих им не отклоняться от маршрута миграции. Ряд биологов даже считают, что магнитное поле Земли стимулирует оптические центры некоторых птиц и других животных, например саламандр, то есть в определенном смысле эти животные способны «видеть» магнитное поле Земли. Ну разве не круто?

В 1600 году замечательный врач и ученый Уильям Гильберт – не обычный простой доктор, а врач самой королевы Елизаветы I – опубликовал книгу De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure («О магнитах и магнитных телах и земном магнетизме»), в которой утверждал, что сама Земля является магнитом, о чем свидетельствуют его эксперименты с терреллой, сферой из магнетита, моделью Земли. Эта сфера была чуть больше грейпфрута, а маленькие компасы, прикрепленные к ней, вели себя точно так же, как если бы находились на поверхности Земли. Гильберт утверждал, что компасы указывают на север, потому что Земля – это магнит, а не потому, что, как думали некоторые, на Северном и Южном полюсах находятся магнитные острова, поскольку в этом случае компасы указывали бы в сторону Полярной звезды.

Гильберт был совершенно прав, утверждая, что у Земли есть магнитное поле. Более того, у нее имеются даже магнитные полюса (точно такие же, как у магнитиков на наших холодильниках), которые не вполне совпадают с географическими Северным и Южным полюсами. И это еще не все – эти магнитные полюса еще и немного «блуждают», каждый год километров на пятнадцать или около того. Так что в некотором смысле Земля действительно ведет себя как обычный стержневой магнит – простой прямоугольный намагниченный кусок металла, продающийся в любом магазине «Сделай сам». Однако в других отношениях она совершенно иная. Ученым потребовалось очень много времени даже для того, чтобы предложить жизнеспособную теорию, объясняющую, почему у Земли есть магнитное поле. Дело в том, что хотя в ядре Земли много железа, его наличия недостаточно, поскольку выше определенной температуры (мы называем ее температурой Кюри) тела теряют свои ферромагнитные свойства, и железо не исключение; его температура Кюри составляет около 770 °C, а, как нам известно, ядро Земли значительно горячее!

Имеющаяся теория довольно сложная и связана с электрическими токами, циркулирующими в ядре Земли, и с тем фактом, что Земля вращается, – физики называют это динамо-эффектом. (Кстати, астрофизики используют теорию динамо-эффектов для объяснения магнитных полей в звездах, в том числе в нашем Солнце, магнитное поле которого полностью переворачивается в обратную сторону каждые одиннадцать лет.) Вам это может показаться удивительным, но ученые до сих пор работают над созданием полной математической модели Земли и ее магнитного поля; вот насколько она трудна. Их задача усложняется еще и тем, что сегодня есть четкие геологические доказательства того, что магнитное поле Земли за тысячелетия серьезно изменилось: полюсы сдвинулись намного сильнее, чем за время их ежегодной прогулки, и, судя по всему, магнитное поле тоже переворачивалось в противоположную сторону – более 150 раз только за последние 70 миллионов лет. Невероятно, правда?!

В наши дни благодаря спутникам (например, первому спутнику Дании, названному в честь физика Ганса Эрстеда), оборудованным чувствительными магнитометрами, мы смогли составить довольно точную карту магнитного поля Земли. Нам, например, известно, что оно уходит в космическое пространство более чем на миллион километров. Мы также знаем, что ближе к Земле оно создает одно из самых красивых природных явлений в нашей атмосфере.

Солнце, как вы помните, испускает огромный поток заряженных частиц, состоящий в основном из протонов и электронов и известный как солнечный ветер. Магнитное поле Земли направляет часть этих частиц вниз в нашу атмосферу на магнитных полюсах. Когда эти частицы, движущиеся со средней скоростью около 400 километров в секунду, сталкиваются с атмосферным кислородом и молекулами азота, часть их кинетической энергии (энергия движения) преобразуется в электромагнитную энергию в форме света – кислород высвобождает зеленый или красный, а азот – синий или красный. Вы, наверное, уже догадались, к чему я веду. Правильно – это то, что создает впечатляющее световое шоу, известное как полярное сияние; северное сияние в Северном полушарии и южное сияние в Южном. А почему мы видим это шоу только на крайнем севере или юге? Потому что солнечный ветер преимущественно проникает в атмосферу Земли вблизи магнитных полюсов, где магнитное поле самое сильное. А причина, по которой полярные сияния в одни ночи сильнее, чем в другие, заключается в том, что при каждой солнечной вспышке высвобождается больше частиц, они и создают это световое шоу. При огромных солнечных вспышках такие эффекты могут быть очень мощными, приводя к геомагнитным бурям и создавая сияния далеко за пределами обычных зон, а иногда и препятствуя передаче радиосигналов, работе компьютеров и спутников и даже вызывая перебои в снабжении электроэнергией.

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.

Конечно, иногда, как ни стараешься, сдвинуть болт с места не получается. В этом случае вы либо применяете WD-40[19] (всегда имейте WD-40 в багажнике – для этой и многих других целей) и, немного подождав, откручиваете болт, либо лупите по монтировке молотком (этот инструмент тоже всегда должен быть в багажнике!).

Мы не станем вникать в сложности крутящего момента. Вам достаточно знать, что если пропустить ток через катушку (можно использовать аккумулятор) и поместить ее в магнитное поле, к ней начнет прилагаться крутящий момент и катушка станет вращаться. Чем сильнее ток, тем сильнее магнитное поле и тем больше крутящий момент. Этот принцип лежит в основе электродвигателя постоянного тока, смастерить простую версию которого не составит труда.

Чем конкретно отличается постоянный ток от переменного? Полярность сторон «плюс» и «минус» аккумулятора не меняется (плюс остается плюсом, а минус – минусом). Таким образом, если подключить батарею к электропроводу, ток всегда будет течь в одном направлении, и его мы называем постоянным. Однако в США разность потенциалов между двумя дырочками электрической розетки чередуется с частотой 60 герц. В Нидерландах и большинстве стран Европы она составляет 50 герц. Если воткнуть провод, скажем, лампочки накаливания или обогревателя, в розетку у вас дома, ток будет колебаться (менять направление на противоположное и обратно) с частотой 60 герц (то есть 120 раз в секунду). Это называется переменным током.

Ежегодно на моих лекциях по электричеству и магнетизму проходит любопытный конкурс двигателей. (Впервые за несколько лет до меня его провели мои коллеги и друзья профессора Вит Бурза и Виктор Вайскопф.) Каждый студент получает конверт с простыми исходными материалами: два метра медного провода с изоляцией, две канцелярские скрепки, две чертежные кнопки, два магнита и небольшой брусок дерева. От студентов требуется принести батарейку типа AA с электрическим потенциалом в 1,5 вольта. Они могут использовать любой инструмент, пилить дерево и сверлить отверстия, но двигатель должен быть собран только из материалов, находящихся в конверте (клейкая лента и клей запрещены). Из этих простых ингредиентов студентам нужно построить двигатель, который будет работать быстрее других (то есть совершать наибольшее число оборотов в минуту). Скрепки предназначены для того, чтобы стать опорами для вращающейся катушки; провод необходим, чтобы сделать саму катушку; а магниты надо расположить так, чтобы обеспечить в катушке крутящий момент при прохождении по ней тока от аккумулятора.

Теперь предположим, что вы решили принять участие в конкурсе. Вы подключаете аккумулятор к своей катушке, и та начинает вращаться по часовой стрелке. Все идет нормально. Но, к вашему большому удивлению, катушка вскоре останавливается. Причина в том, что после каждого полуоборота крутящий момент, прилагаемый к ней, меняет направление на обратное. Реверсирование крутящего момента будет препятствовать вращению по часовой стрелке; катушка может даже какое-то короткое время вращаться против часовой стрелки. Очевидно, это не то, чего мы хотим добиться от своего двигателя. Нам нужно получить непрерывное вращение только в одном направлении (будь то по часовой стрелке или против нее). Эту проблему можно решить путем изменения направления тока, проходящего через катушку, на обратное после каждого полуоборота. Тогда крутящий момент будет прилагаться к катушке всегда в одном и том же направлении и, следовательно, она будет вращаться только в одном направлении.

Мастеря двигатели, студентам нужно решить неизбежную проблему реверсии крутящего момента, и мало кому из них удается собрать так называемый коммутатор – устройство, разворачивающее ток в обратную сторону после каждого полуоборота. Впрочем, это действительно довольно сложно. К счастью, есть одно очень умное и простое решение задачи, не требующее изменения направления тока. Если сделать так, чтобы ток (и, следовательно, крутящий момент) после каждого полуоборота стремился к нулю, крутящий момент в катушке в течение половины каждого оборота вообще отсутствует, а в течение другой половины каждого оборота всегда направлен в одну и ту же сторону. В результате катушка продолжает вращаться.

Я набавляю по очку за каждые сто оборотов в минуту, которые делает собранный конкурсантом двигатель, – и так максимум до двадцати очков. Студенты обожают этот проект, а поскольку речь идет о студентах Массачусетского технологического института, за много лет, которые я преподаю, они придумали несколько поистине удивительных конструкций.

Должен сказать, почти всем студентам без особого труда удается собрать двигатель, делающий около 400 оборотов в минуту. Как же они заставляют катушку вращаться в одном и том же направлении? Прежде всего, так как проволока полностью изолирована, надо соскрести изоляцию с одного конца катушки так, чтобы она всегда контактировала с одной из сторон аккумулятора – какой конец выбирает студент, не имеет значения. Со вторым концом провода дело обстоит значительно сложнее. Необходимо сделать так, чтобы ток через катушку шел только половину оборота – иными словами, найти способ разорвать цепь на полпути. Поэтому конкурсанты соскребают со второго конца провода половину изоляции. Это означает, что лишь половина окружности проволоки не изолирована. В те периоды, когда ток прекращается (каждую половину оборота), катушка продолжает вращаться даже без крутящего момента, прилагаемого к ней (трения недостаточно, чтобы остановить ее на половине оборота). Конечно, чтобы определить, как именно надо соскоблить изоляцию и какая именно половина провода должна быть голой, требуется немного поэкспериментировать – но как я уже сказал, почти всем ребятам удается получить результат в 400 оборотов в минуту. Это удавалось и мне – но у меня никак не получалось достичь значительно лучшего показателя.

А потом мои же студенты объяснили мне, в чем проблема. Как только катушка начинает делать более нескольких сотен оборотов в минуту, она начинает вибрировать на своих опорах (скрепках), часто разрывая цепь и, следовательно, прерывая крутящий момент. В итоге самые проницательные студенты выяснили, как заставить два куска проволоки удерживать концы катушки на скрепках на обоих концах, одновременно позволяя ей вращаться с небольшим трением. И это в общем-то пустяковое усовершенствование позволило им – хотите верьте, хотите нет – достичь 4 тысяч оборотов в минуту!

Следует признать, что у этих ребят чрезвычайно богатое воображение. Почти во всех двигателях ось вращения катушки горизонтальна. Но один студент построил двигатель с вертикальной осью. А самый лучший из них умудрился получить результат 5200 оборотов в минуту – и это, напомню, с малюсенькой полуторавольтовой батарейкой! Помню я этого парня. Он был первокурсником и после лекции, стоя передо мной, заявил: «Ну что вы, профессор Левин, это же так легко. Я соберу двигатель, работающий на 4 тысячах оборотов, минут за десять». И действительно сделал это прямо у меня на глазах!

Но вам не нужно пытаться повторить его подвиг. Есть еще более простой двигатель, который вы можете смастерить за несколько минут из еще меньшего числа компонентов: батарейки, небольшого куска медной проволоки, самореза (или гвоздя) и маленького дискового магнита. Он называется гомеополярным. Вы найдете пошаговое описание по его изготовлению и видео работающей модели по следующему адресу (и непременно напишите мне, если ваш двигатель будет работать быстрее, чем на 5 тысячах оборотов в минуту): www.evilmadscientist.com/article.php/HomopolarMotor.

Не менее интересной, чем конкурс на самый быстрый двигатель, хоть и по совершенно иной причине, я считаю демонстрацию, которую провожу на своих лекциях, с электрической катушкой диаметром около 30 сантиметров и проводящей пластиной. Как вы уже знаете, электрический ток, проходя через катушку, создает магнитное поле. Переменный электрический ток в катушке генерирует переменное магнитное поле. (Напомним, что ток, созданный аккумулятором, является постоянным.) Поскольку частота переменного тока в моем лекционном зале составляет 60 герц, как везде в США, ток в моей катушке меняет направление на обратное каждые 1/120 секунды. Когда я помещаю такую катушку прямо над металлической пластиной, переменное магнитное поле (я называю его внешним магнитным полем) пронизывает проводящую пластину. По закону Фарадея, оно заставляет ток в металлической пластине двигаться; это явление известно как вихревые токи. Последние, в свою очередь, создают собственные переменные магнитные поля. В результате получается два магнитных поля: внешнее магнитное поле и поле, создаваемое вихревыми токами.

Примерно половину времени в 1/60-секундный цикл два магнитных поля будут иметь противоположную направленность и катушка станет отталкиваться пластиной; в течение другой половины магнитные поля будут направлены одинаково и пластина будет притягивать катушку. По причинам, которые слишком сложны, чтобы обсуждать их здесь, на катушку действует достаточно сильная результирующая отталкивающая сила, способная заставить катушку парить в воздухе. Вы можете увидеть это на видео курса 8.02, лекция № 19 по адресу: http://videolectures.net/МТИ802s02_lewin_lec19/. Ищите на сорок четвертой минуте и двадцатой секунде лекции.

Однажды мне пришло в голову, что нам следует использовать эту силу для левитации человека, и я решил поднять в воздух женщину – как это делают фокусники, – создав на лекции гигантскую катушку и положив даму сверху. Мы с моими друзьями Маркосом Хэнкином и Билом Сэнфордом (из группы физических демонстраций МТИ) бились изо всех сил, чтобы получить достаточное количество тока, но каждый раз все заканчивалось срабатыванием автоматических прерывателей цепи. В итоге мы позвонили в отдел материального обеспечения МТИ и заявили, что нам нужно получить несколько тысяч ампер тока. В ответ мы услышали смех. «Чтобы дать вам такой ток, нам придется перепроектировать весь университет!» – сказали они нам. Нас это сильно расстроило, тем более что к тому времени довольно много женщин предложили нам свои услуги в качестве объекта левитации. И мне пришлось сообщать им всем об отказе от этой замечательной затеи. Впрочем, нас это не остановило, в чем вы можете убедиться примерно на сорок седьмой с половиной минуте моей лекции. Я сделал все, чтобы выполнить свое обещание; просто женщина оказалась намного легче, чем я планировал первоначально.

Электромагнетизм спешит на помощь

Парящая в воздухе женщина – весьма убедительная и забавная демонстрация, но магнитная левитация имеет множество других, еще более удивительных и гораздо более полезных применений. В частности, это основа для ряда новых технологий, благодаря которым человечество получило несколько самых крутых, самых быстрых и наименее загрязняющих окружающую среду транспортных средств в мире.

Вы наверняка слышали о магнитной подвеске высокоскоростных поездов. Многие считают эти поезда просто невероятными, ведь они, кажется, сочетают в себе магию невидимых магнитных сил с современнейшим аэродинамичным дизайном, и все это движется на поистине потрясающих скоростях. Поезд на магнитной подвеске базируется на принципе магнитной левитации. Всем известно, что если подвести магнитные полюса близко друг к другу, они либо притягивают, либо отталкивают друг друга. В основе поездов на магнитной подвеске лежит замечательная мысль, что, отыскав способ контролировать эту силу притяжения или отталкивания, можно сделать так, чтобы поезд левитировал над рельсами, а затем тянуть либо толкать его на высокой скорости в нужную сторону. В поезде одного такого вида, работающего за счет электромагнитной подвески (EMS – electromagnetic suspension), электромагниты поднимают его с помощью силы магнитного притяжения. Эти поезда имеют С-образную консоль, проходящую под ними, верхняя часть которой прикреплена к поезду, а на нижней ниже уровня путей на поверхности крепятся магниты, поднимающие поезд по направлению к рельсам, изготовленным из ферромагнитного материала.

Поскольку никому не нужно, чтобы поезд «присосался» к рельсам, а сила притяжения по природе своей нестабильна, необходима сложная система обратной связи, позволяющая удерживать такие поезда на нужном расстоянии от рельсов, которое, кстати, всего около двух сантиметров! Отдельная система синхронно включающихся и выключающихся электромагнитов обеспечивает поступательное движение поезда.

Второй основной тип системы поезда на магнитной подвеске, известной как электродинамическая подвеска (EDS – electrodynamic suspension), базируется на принципе магнитного отталкивания; в нем используются замечательные устройства, называемые сверхпроводниками. Сверхпроводник представляет собой вещество, которое при очень низких температурах не имеет электрического сопротивления. В результате сильно охлажденной катушке, изготовленной из сверхпроводящего материала, требуется совсем незначительная электрическая мощность, чтобы генерировать очень сильное магнитное поле. Еще удивительнее то, что сверхпроводящий магнит может действовать как магнитная ловушка. Если подвести близко к нему другой магнит, взаимодействие гравитации и сверхпроводника удерживает магнит на определенном расстоянии. В результате поезда на магнитной подвеске, в которых используются сверхпроводники, изначально намного устойчивее, чем поезда системы EMS. Если вы попробуете соединить сверхпроводник с магнитом или развести их, то увидите, что сделать это довольно трудно. Оба упорно хотят оставаться на одном и том же расстоянии друг от друга. (Очень интересное небольшое видео, наглядно демонстрирующее взаимосвязь между магнитом и сверхпроводником, можно найти по адресу: http://www.youtube.com/watch?v=nWTSzBWEsms.)

Если поезд с магнитами на днище слишком сильно приближается к колее, в которой установлены сверхпроводники, сила отталкивания усиливается и отталкивает его. Если же он отдаляется чересчур далеко, сила тяжести тянет его назад к колее. В результате вагоны парят в воздухе в устойчивом состоянии равновесия. И перемещение поезда вперед, для чего также используется в основном сила отталкивания, в них проще, чем в системах EMS.

Оба описанных выше метода имеют свои плюсы и минусы, но в обоих эффективно устранена серьезная проблема трения, характерная для традиционных железнодорожных колес – основной компонент износа, – и при этом обе системы обеспечивают гораздо более плавную, бесшумную и самое главное быструю езду. (Хотя обеим системам по-прежнему приходится преодолевать сопротивление воздуха, которое быстро возрастает с увеличением скорости поезда. Именно поэтому их дизайн максимально аэродинамичен.) Так, например, знаменитому Шанхайскому маглеву (maglev – magnetic levitation), работающему на электромагнитной подвеске и запущенному в 2004 году, требуется примерно 8 минут, чтобы проехать около 30 километров, отделяющих город от аэропорта; его средняя скорость (по данным на 2008 год) составляет 224–251 километр в час, хотя он способен развивать максимальную скорость до 431 километра в час – больше, чем любой другой высокоскоростной поезд в мире. Вы можете увидеть короткое видео этого поезда, снятое его производителями, по адресу: www.youtube.com/watch?v=weWmTldrOyo. А самая высокая скорость, когда-либо зарегистрированная для поездов на магнитной подвеске, принадлежит японской испытательной трассе, на которой поезд JR-Maglev летит с поистине непостижимой скоростью 580 километров в час. Короткий, но очень впечатляющий фильм о японском поезде смотрите на сайте: www.youtube.com/watch?v=VuSrLvCVoVk&feature=related.

На YouTube много забавных и информативных видео, посвященных этой новой технологии. В одном из них мальчик подвешивает в воздухе автоматический карандаш с помощью шести магнитов и куска пластилина; эту демонстрацию вы легко можете воспроизвести в домашних условиях: www.youtube.com/watch?v=rrRG38WpkTQ&feature=related. Но непременно посмотрите еще одно видео, где используется конструкция со сверхпроводником. В нем показана модель вагона поезда, летящая по путям, и даже есть небольшой анимированный пояснительный раздел: www.youtube.com/watch?v=GHtAwQXVsuk&feature=related.

Однако моя наилюбимейшая демонстрация maglev-технологии – замечательный маленький волчок, известный как левитрон. Вы можете увидеть разные версии на сайте www.levitron.com. У меня в кабинете хранится одна из ранних моделей, приводящая в восторг сотни моих посетителей.

Поезда на магнитной подвеске обладают также неоспоримым преимуществом с точки зрения защиты окружающей среды – они относительно эффективно используют электричество и не выделяют при выхлопе газов, вызывающих парниковый эффект. Но их использование, увы, затратно. Поскольку большинство колей для маглевов несовместимы с существующими железнодорожными линиями, строительство этих систем требует огромных авансовых капиталовложений, чем и объясняется тот факт, что они до сих пор не нашли широкого коммерческого применения ни в одной стране мира. А между тем разработка более эффективных и экологически чистых систем массового транспорта, нежели имеющиеся ныне, – абсолютное условие нашего дальнейшего выживания, если только мы не хотим сварить всмятку свою собственную планету.

Максвелл и его экстраординарное достижение

По мнению многих физиков, Джеймс Клерк Максвелл – один из самых великих физиков всех времен, уступающий, возможно, только Ньютону и Эйнштейну. Это ученый внес вклад в широчайший диапазон областей физики, от анализа колец Сатурна до исследования поведения газов, термодинамики и теории цвета. Но самым значимым достижением Максвелла стали четыре уравнения, описывающие и связывающие электричество с магнетизмом, известные ныне как уравнения Максвелла. Хотя они кажутся простыми, в их основе лежат довольно сложные математические концепции. Если вас не пугают интегралы и дифференциальные уравнения, пожалуйста, посмотрите мои лекции или поищите их в интернете, чтобы лучше с ними познакомиться. А мы с вами в рамках данной книги ограничимся более простым обсуждением достижений Максвелла.

Прежде всего он объединил теорию электричества и магнетизма, показав, что, по сути, это не два отдельных явления, а одно – электромагнетизм – только с разными проявлениями. За одним чрезвычайно важным исключением четыре уравнения Максвелла не являются его «законами» или изобретениями, в той или иной форме они существовали и до него. Но именно Максвелл объединил их в то, что теперь принято называть теорией электромагнитного поля.

Первое уравнение – это закон Гаусса для электричества, описывающий взаимосвязь между электрическими зарядами и силой и распределением создаваемых ими электрических полей. Второе уравнение – закон Гаусса для магнетизма – самое простое из четырех и касается сразу нескольких аспектов. В частности, данный закон не допускает существования магнитных монополей. У магнита всегда есть северный и южный полюс (мы называем их диполями), в отличие от электроэнергии, что делает возможными электрические монополи (монополь – это либо положительно, либо отрицательно заряженная частица). Если вы разломаете магнит (у меня на холодильнике их много) на две части, каждая из них будет иметь северный и южный полюс, а если разбить магнит на десять тысяч кусочков, то северный и южный полюс будет у каждого обломка. И способа остаться в итоге с магнитом только с северным магнитным полюсом в одной руке и только с южным магнитным полюсом в другой не существует. А вот если у вас есть электрически заряженный объект (например, положительно) и вы разобьете его на две части, то обе могут быть заряжены положительно.

А дальше начинается нечто действительно интересное. Третье уравнение Максвелла – это уже закон Фарадея, описывающий, как переменные магнитные поля приводят к созданию электрического поля. Совершенно очевидно, что именно этот закон послужил теоретической основой для электрогенераторов, о которых я рассказывал ранее. И наконец, последнее уравнение – это закон Ампера, модифицированный Максвеллом с помощью очень важного уточнения. Оригинальный закон Ампера гласил, что электрический ток генерирует магнитное поле. Но Максвелл окончательно расставил точки над «i», добавив уточнение, что изменение электрического поля также создает магнитное поле.

Экспериментируя с этими четырьмя уравнениями, Максвелл предсказал существование электромагнитных волн, распространяющихся в пустом пространстве. Более того, он смог вычислить их скорость. Утверждение, что она равна скорости света, повергла его коллег в настоящий шок. Иными словами, Максвелл пришел к выводу, что свет сам должен быть электромагнитной волной!

Эти ученые – Ампер, Фарадей и Максвелл – безусловно, знали, что стоят на пороге масштабной революции в физике. Другие исследователи на протяжении целого столетия изо всех сил пытались разъяснить природу электричества, а эти трое раз за разом открывали совершенно новые горизонты. Я иногда задаюсь вопросом, удавалось ли им вообще спать по ночам?

Уравнения Максвелла, объединенные в общую теорию в 1861 году, стали истинным венцом физики XIX века и уж, безусловно, всей физики в период между Ньютоном и Эйнштейном. И, как все великие открытия, указали путь для дальнейших усилий в деле унификации фундаментальных научных теорий.

Со времен Максвелла физики потратили немалые усилия в попытке разработать единую теорию четырех фундаментальных сил природы: электромагнитных сил, сильного и слабого ядерного взаимодействия и гравитации. Альберт Эйнштейн последние тридцать лет своей жизни пытался объединить электромагнетизм и гравитацию в теорию, которая впоследствии получила название единой теории поля, но все же не успел этого сделать.

Поиски продолжаются и доныне. В 1979 году физики Абдус Салам, Шелдон Глэшоу и Стивен Вайнберг получили Нобелевскую премию за объединение электромагнетизма и слабого ядерного взаимодействия в то, что теперь известно как единое электрослабое взаимодействие. Многие физики по-прежнему пытаются объединить электрослабое и сильное ядерное взаимодействие в то, что назвали теорией великого объединения. Достижение такой степени унификации станет великим научным прорывом, на одном уровне с теорией Максвелла. А если каким-то образом, где-то когда-то кому-то из физиков посчастливится включить в теорию великого объединения гравитацию и создать то, что уже сегодня многие называют теорией всего, то это, безусловно, станет святым Граалем физики. Унификация – великая и мощная мечта.

Вот почему во время чтения курса «Электричество и магнетизм» я, описав уравнения Максвелла во всем их великолепии и простоте, проецирую их на стены и потолок лекционного зала и праздную эту важную веху со своими студентами, даря им цветы. Подождите еще немного и вы узнаете об этом больше в главе 15.