Андрей Варламов - Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

Использовать один электрический ток для производства другого – какой в этом смысл? Смысл в том, что индукционный ток гораздо более высокой частоты, чем приходящий из сети, возникает без электрического контакта именно там, где необходимо (в дне кастрюли). Это, в частности, предотвращает опасность поражения электрическим током. По сравнению с другими способами приготовления пищи (газовой плитой или чугунной плитой, где тепло выделяется непосредственно благодаря эффекту Джоуля – Ленца) индукционный нагрев имеет ощутимое преимущество: на рабочей поверхности индукционной плиты нагревается только то, что вы хотите нагреть. Окружающий воздух изменяет температуру незначительно. Керамическая поверхность индукционной плиты нагревается при контакте с кастрюлей, но значительно меньше, чем чугунные конфорки. Таким образом, индукционная плита экономит энергию и уменьшает риск ожога. Кроме того, она обеспечивает очень быстрый нагрев. Единственный минус: не всякая посуда подходит для приготовления пищи на такой плите. Соответствующая посуда должна быть не просто металлической, но изготовленной из ферромагнитного металла, такого как сталь или чугун. Дно кастрюли также по различным причинам должно быть толстым, в первую очередь во избежание повреждения воздействующей на него высокой температурой.

Оказывается, что в то время, как для индукционной плиты подходит только металлическая посуда, другое популярное на наших кухнях устройство ее не приемлет. Перейдем к его обсуждению.

В начале 1830-х годов физик Майкл Фарадей провел серию экспериментов, посвященных электромагнитной индукции.

Установить ее позволяет простой опыт. Рассмотрим замкнутый проводящий контур (например, из меди) с обмоткой, образующей n витков площади S (см. илл.). Когда проходящее через обмотку магнитное поле H меняется во времени, то в цепи возникает электрический ток. Его величина зависит от свойств электрической цепи (в особенности от ее сопротивления). Возникающая же на концах обмотки электродвижущая сила V определяется простой формулой: V = – n dΦ/d t , где Φ – «магнитный поток», проходящий через каждый виток. Он пропорционален площади S витков и магнитному полю H . Таким образом, чем больше витков в обмотке, тем большая электродвижущая сила в ней возникает.

Сегодня большая часть электроприборов работает на основе явления индукции. Например, снабжающие нас электричеством генераторы на атомных, тепловых и гидроэлектростанциях (см. главу 13) или зарядные устройства для мобильных телефонов. Все эти приборы содержат трансформаторы (см. иллюстрацию), которые позволяют от источника переменного тока данного напряжения получить переменный ток под другим напряжением. Первичная катушка в устройстве генерирует в ферромагнитном сердечнике (магнитопроводе) магнитное поле. Под его влиянием металл намагничивается, что приводит к значительному увеличению магнитного потока: в случае железного сердечника он возрастает примерно в 5000 раз! Поэтому магнитопровод обязательно изготовливается из ферромагнитного металла. По той же причине и кастрюли на индукционной плите должны быть изготовлены из стали или чугуна – ферромагнитных сплавов железа и углерода.

Принцип действия трансформатора.Он состоит из двух проводящих обмоток, размещенных на железном сердечнике. Первичная обмотка (красная) подключена к сети с напряжением V 1 . Она в своем объеме генерирует магнитное поле, интенсивность которого пропорциональна количеству витков N 1 . Магнитопровод переносит магнитное поле в объем, занимаемый вторичной обмоткой с количеством витков N 2 (синяя). Благодаря явлению электромагнитной индукции в последней генерируется переменное напряжение V 2 = V 1 N 2 / N 1 , которое будет питать, например, мобильный телефон

Изменение магнитного поля в обмотке (к примеру, из-за введения внутрь нее намагниченного стержня) порождает электрический ток, который можно измерить с помощью амперметра

Еще одно устройство для нагрева появилось на наших кухнях в начале 1980-х годов. Это – микроволновая печь. Как она работает?

Как следует из названия, в этой печи нагревание происходит благодаря «микроволновому излучению» – электромагнитным волнам, частота которых составляет 2,45 ГГц (2,45 млрд герц). Их называют также сверхвысокочастотным (СВЧ) излучением. Скорость электромагнитных волн любой длины в вакууме составляет 300 000 км/с. Поэтому соответствующая СВЧ-излучению в микроволновой печи длина волны, равная c/υ, составляет около 12,2 см – сантиметров (а не микрометров, как можно было бы предположить из названия волн!). Сравните ее с длиной волны света (от 0,4 до 0,7 мкм) и с длиной волны, принимаемой нашим приемником при прослушивании FM-радио (они обычно имеют частоту порядка 100 МГц и, следовательно, длину волны порядка 3 м (см. главу 3, «Цветовое зрение»)).

Элемент конструкции, который генерирует в печи СВЧ-излучение, называется магнетроном (илл. 4). Он представляет собой магнит и полый металлический цилиндр, внутри которого находится нагретый провод. Под влиянием создаваемой трансформатором высокой разности потенциалов (несколько киловольт) раскаленный провод излучает электроны, которые под действием магнитного поля вращаются вокруг провода и излучают СВЧ-волны. Геометрия конструкции рассчитана таким образом, чтобы в ней устанавливались стоячие электромагнитные волны заданной частоты, причем значение этой частоты выдерживается с точностью до 1 %. Затем созданное излучение направляется внутрь микроволновой печи посредством волновода, который подобен устройствам, о которых шла речь в главе 2.

4. Микроволновая печь. Под влиянием создаваемой трансформатором большой разности потенциалов магнетрон излучает электромагнитные волны, которые по волноводу направляются внутрь микроволновой печи. Специальное приспособление перераспределяет излучение в различных направлениях, чтобы пища готовилась как можно более равномерно. (По C. Ray et J.-C. Poizat, La physique par les objets quotidiens , Belin, 2014)

5.(a) Cхематическое представление молекулы воды H 2 O. Будучи в целом нейтральной, она содержит один атом кислорода (красного цвета), несущий отрицательный электрический заряд, и два атома водорода (белого цвета), несущие положительные заряды. Из-за своей треугольной формы она представляет собой электрический диполь (b), который ориентируется в пространстве в зависимости от направления электрического поля E →