Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

Поскольку потоки электронов — это токи, вокруг электроджетов возникают магнитные поля, распространяющиеся далеко за пределы магнитосферы и захватывающие поверхность Земли и линии электропередачи объединенных энергосистем. Проблемы с энергосистемой в Квебеке вызвали как раз эти поля, точнее, их изменение.

На одном конце высоковольтной линии располагается повышающий трансформатор , поднимающий электрический потенциал для таких значений, чтобы электроэнергия передавалась по проводам под очень высоким напряжением. На другом конце находится понижающий трансформатор , уменьшающий потенциал до низкого значения, используемого в доме. Любой трансформатор состоит из двух обмоток ( первичной и вторичной ) с разным количеством витков проволоки, намотанной на железный сердечник. Обычный переменный ток, пропущенный через первичную обмотку, создает переменный ток во вторичной обмотке и разность потенциалов либо большую, либо меньшую — в зависимости от того, имеет ли вторичная обмотка больше или меньше витков, чем первичная.

Оба трансформатора, установленные на линии, заземлены, то есть соединены проводами с землей. Когда образуется электроджет, вокруг него возникает магнитное поле, которое может охватить протяженный контур, образованный проводами линии электропередачи (верхняя часть контура), проводами, соединяющими оба трансформатора на концах линии с землей (две боковые части контура), и землей (нижняя часть контура) (рис. 5.7). Постоянное магнитное поле, охватывающее этот контур, не создает проблем. Проблемы возникают, когда поле меняется.

Рис. 5.7 / Задача 5.47.Электроджет (ток) создает магнитное поле в вертикальном контуре, образованном линией электропередачи, землей и проводами, заземляющими трансформаторы (помещенные в цилиндры на концах линии передачи). Изменения поля приводят к появлению тока (ГИТ) в замкнутом контуре.

В ночь аварии (блэкаута) поле изменилось неожиданно и резко, поскольку энергия, принесенная солнечным протуберанцем, неожиданно и резко изменила величину электроджета. Когда в контуре меняется поток магнитного поля, в нем возникает ток. Если этот ток возник из-за электроджета, его называют геомагнитно-индуцированным током (ГИТ). Таким образом, в ночь блэкаута в линии электропередачи, кроме обычного тока, возник большой и быстро изменяющийся ГИТ.

Передача энергии в единой энергетической системе возможна лишь в том случае, если изменения токов и напряжений в системе не выходят за определенные пределы. Прошедший через трансформаторы дополнительный ГИТ в Квебеке вышел за допустимые пределы, и трансформаторы перестали правильно преобразовывать переменный ток первичной обмотки в ток вторичной обмотки. В результате и ток, и напряжение на вторичной обмотке оказались сильно искаженными и менялись не так, как нужно. Это искажение прервало передачу энергии, многие трансформаторы сгорели, и система обрушилась. В настоящее время, если солнечный протуберанец устремляется в сторону Земли, инженеров, обслуживающих электросеть, немедленно предупреждают о возможности возникновения проблем.

ГИТ может возникнуть в любом длинном проводнике, например в телекоммуникационных кабелях или в Трансаляскинском нефтепроводе. На самом деле этот факт был замечен, но не понят, уже 150 лет назад, когда для передачи телеграфных сообщений использовались длинные проводные линии. Иногда в проводах, не подключенных к своим источникам питания (находящихся в нерабочем режиме), шел ток. ГИТ может пойти и по самой земле, вызвав коррозию в длинных трубопроводах, электрически связанных с землей.

На самом деле существуют явления, сходные с теми, что вызывают появление ГИТ. Например, в подводных кабелях при движении воды во время прилива тоже могут возникать токи. Поскольку вода проводит ток и движется в магнитном поле Земли, через воду (и через кабель в воде) начинает идти ток. Цепь замыкается, когда в обратном направлении ток течет по морскому дну.

Лягушка (или любое другое маленькое животное) может парить в магнитном поле, создаваемом соленоидом — катушкой с обмоткой, через которую идет ток. Понятно, что лягушка — не магнит, иначе всякий раз, когда она запрыгивала бы в кухню и оказывалась рядом с холодильником, то примагничивалась бы к его металлической двери. Да и мы определенно не примагничиваемся к двери холодильника. Как могут биологические объекты левитировать?

ОТВЕТ •Несколько лягушек прославились тем, что парили в магнитном поле соленоида. Ни одна лягушка при этом не пострадала, они даже не испытывали дискомфорта — у них возникало ощущение, что они плавают в воде, а это лягушки очень любят. Соленоид располагался вертикально, лягушка помещалась вблизи верхнего конца, где магнитное поле выходит из соленоида наружу. Хотя в обычном состоянии лягушка не намагничена, она приобретает магнитные свойства, попадая в магнитное поле. Говорят, что лягушки (как и люди, и другие биологические объекты) являются диамагнетиками . В диамагнитных материалах внешнее магнитное поле меняет состояние электронов в атомах, материал становится намагниченным, причем его собственное магнитное поле направлено в противоположную сторону относительно внешнего поля. Так что когда лягушка попадает в расходящееся магнитное поле у верхней части соленоида, ее выталкивает полем вверх и поднимает на ту высоту, где сила, выталкивающая ее вверх, уравновешивается силой земного притяжения, направленной вниз. В этой точке она останавливается и парит.

Если лягушку заменить маленьким магнитом, он будет вести себя нестабильно, парить не будет и упадет. Лягушка отличается от маленького магнита тем, что ее магнитные свойства зависят от магнитного поля соленоида. Так, если лягушка направится прочь от соленоида, туда, где магнитное поле слабее, ее магнитные свойства тоже будут ослабевать, а вот магнитные свойства маленького магнита в подобной ситуации не изменятся.

Маленький магнит может парить, если его заставить крутиться и прецессировать наподобие волчка. Необычная игрушка левитрон основывается на этом принципе: быстро вращающийся магнитный волчок парит на высоте нескольких сантиметров от намагниченной подставки. Но когда поток воздуха со временем замедлит вращение волчка, скорость вращения волчка станется слишком низкой и он упадет.

Нажмите на кассетном аудиоплеере (музыку раньше записывали на магнитные ленты) кнопку Play, но кассету в плеер не ставьте (или поставьте пустую кассету). Выберите максимальный уровень громкости и поднесите сильный магнит к звукоснимающей головке. Почему при этом в плеере возникает шипящий звук?