Уолтер Левин - Глазами физика. От края радуги к границе времени

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.)

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.