Элен Черски - Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса

Добравшись по проводу до отсека с камерой, поток электронов разветвляется по двум направлением: одно ведет к компьютеру, а другое – к собственно камере. Говорят, что все дороги ведут в Рим. Применительно к электрическим цепям можно сказать, что они ведут к батарее. Массивный желтый буй был лишь наружной оболочкой для этого ветвящегося потока электронов, а сами они генерировали электрические и магнитные поля, приводя в движение шторки камеры, выполняя роль секундомеров, создавая световые вспышки и фиксируя данные в виде огромной и чрезвычайно сложной синхронизированной последовательности электрических импульсов, прежде чем вернуться к батарее.

И все это происходило во время шторма, разыгравшегося в Северной Атлантике, когда буй раскачивался на огромных волнах (иногда их высота достигала 8–10 метров). Мы маневрировали, отдавшись во власть стихии, рядом с буем на исследовательском судне, где сила земного притяжения была весьма ненадежным товарищем и где видимость порядка поддерживалась лишь стальными тросами, пеньковыми канатами и эластичными шнурами. Через три-четыре дня течение химической реакции в батареях подошло к концу – они снова вернулись в свое первоначальное, незаряженное состояние. Запас электрической энергии на буе закончился, исчерпалась сила, заставлявшая электроны перемещаться по электрическим цепям. Буй превратился в безжизненную оболочку из металла, пластика и полупроводниковых материалов. Но собранные нами данные уже хранились в полупроводниковой памяти компьютера, и это было очень надежное хранилище информации.

Через несколько дней, когда шторм стих, мы подтянули буй к судну и затащили на борт. Я всегда испытывала безмерное восхищение мастерством экипажа нашего исследовательского судна, наблюдая за тем, как умело они вылавливают из воды всевозможные предметы. Корабль нельзя заставить двигаться вбок; он медленно поворачивается и меняет направление. Чтобы получить шанс выловить буй и поднять его на борт, капитану нашего 75-метрового судна нужно было поставить его так, чтобы не повредить буй, но стать рядом с ним настолько близко, чтобы боцман мог зацепить его длинным багром. Как правило, этот маневр удавался капитану с первого раза.

Теперь наступала наша очередь. Батареи подключались к дизель-генератору. Электроэнергия, подаваемая с него, запускала в них обратные химические реакции, которые обеспечивали заряд батарей. Научную аппаратуру, за исключением камеры, извлекали из буя и заносили в помещения. Камеру мы оставляли на холоде, так как у танца электронов есть оборотная сторона и моему бедному аспиранту пришлось бы заплатить соответствующую цену.

Возможно, самый фундаментальный из известных нам физических законов – который из раза в раз подтверждает свою точность и его еще никогда и никому не удавалось опровергнуть – это закон сохранения энергии. Он гласит, что энергию нельзя создать или уничтожить, а можно лишь преобразовывать из одной формы в другую. Батарея заключала в себе химическую энергию, а химические реакции преобразовывали ее в электрическую энергию, после чего она перемещалась где-то между одним терминалом батареи и другим. Но где конкретно? Что-то происходило: камера делала снимки, выполнялись компьютерные программы, на носители информации записывались данные. Но ни одно из этих устройств не сохраняло электрическую энергию в каком-либо новом месте. Она просто незаметно куда-то «вымывалась». За целенаправленное перемещение электронов всегда приходится платить определенную цену, и такой ценой становится тепловыделение. Любое электрическое сопротивление заставляет платить некий «энергетический налог» на электрическую энергию, проходящую через него. Несмотря на то что электроны всегда выбирают путь наименьшего сопротивления, какой-то «налог» приходится платить в любом случае [75].

Камера была заключена в толстый пластмассовый корпус – материал, очень плохо проводящий тепло. Когда она работала, вся энергия электронов, перемещающихся по электрическим цепям, постепенно преобразовывалась в тепло. Пока камера пребывала в воде, это не имело особого значения, так как температура морской воды в то время составляла примерно 8 ℃ и вода интенсивно вбирала в себя тепло, эффективно охлаждая корпус камеры. Но воздух гораздо хуже справлялся с этой задачей. В лаборатории при загрузке данных из камеры в компьютер камера перегревалась. Мы делали все, что было в наших силах, но единственным решением, которое нам удалось найти, было оставлять камеру снаружи, в ведре, наполненном водой вперемешку со льдом (благо у нас на корабле был агрегат для его приготовления). Таким образом, моему аспиранту приходилось тратить по девять-десять часов, запуская и останавливая загрузку данных, чтобы предотвратить перегрев камеры и возможную потерю данных, собранных с таким трудом. Вот так творится наука в полевых условиях!

Вот почему в процессе использования нагреваются ноутбуки, пылесосы и фены. Электрическая энергия должна куда-то выходить, и если она не преобразовывается в какие-то другие виды энергии, то неизбежно выделяется в виде тепла. В фенах это свойство используется для нагрева воздуха: они так устроены, чтобы преобразовывать электрическую энергию в тепло очень концентрированным способом. Но производителям ноутбуков приходится думать над тем, как избавиться от тепла, выделяемого в ходе работы устройства, потому что перегрев снижает эффективность функционирования электронных схем. За использование электрической энергии неизбежно приходится платить «тепловой налог» [76].

Таким образом, упорядоченное перемещение электронов обеспечивается действием электрического поля. В действительности батарея не является источником электронов – в окружающем нас мире их более чем достаточно. Задача – создать электрическое поле, действие которого обусловливает упорядоченное перемещение электронов. Если электрическая цепь замкнута, это электрическое поле заставит электроны двигаться по образовываемому ею контуру. На первый взгляд ничего сложного. Но что означают все эти числа, нанесенные на электрические разъемы и указанные мелким шрифтом в рекомендациях по соблюдения мер безопасности? Возможно, лучше всего воспользоваться типично британским подходом к решению любых проблем: найти коробку печенья и поставить на плиту чайник?

Главная особенность такого подхода заключается в том, что он включает и перерыв, и чай. Некоторые из моих американских коллег никогда этого не понимали и во время чаепития продолжали говорить о работе. Но для истинного британца «поставить чайник на плиту» означает смену ритма. Я собираюсь сделать это сейчас, причем в данном случае воспользуюсь электрическим чайником. Для этого мне нужно наполнить его водой и вставить вилку в розетку. Я разрешаю своему мозгу расслабиться ненадолго, пока чайник выполняет порученную ему работу.