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

Масштабный физический эксперимент в ЦЕРН [80](Женева), уже успевший прославиться открытием бозона Хиггса в 2012 году [81], основан на тех же принципах, что и электронно-лучевая трубка, хотя в Большом адронном коллайдере проводятся эксперименты не только с электронами, но и с другими элементарными частицами. Электрическое поле позволяет придать ускорение любой заряженной частице, а магнитное поле – искривить путь, по которому она движется. В недрах Большого адронного коллайдера – эксперимента, который наконец подтвердил существование бозона Хиггса, – ускорение придается протонам. В коллайдере достигнуты скорости, весьма близкие к скорости света. Они настолько высоки, что даже при использовании чрезвычайно мощных магнитов, управляющих движением частиц, протяженность кольца ускорителя пришлось сделать равной 27 километрам.

Таким образом, базовую концепцию, используемую и для обнаружения самого электрона, и для создания Большого адронного коллайдера в ЦЕРН – управляемый поток заряженных частиц в вакууме, – еще до сравнительно недавнего времени можно было обнаружить и у себя дома. В наши дни громоздкие телевизоры на базе электронно-лучевых трубок почти полностью вытеснены плоскими «плазменными» экранами. В 2008 году общемировые объемы продаж телевизоров с плоским экраном впервые превысили объемы продаж телевизоров на базе электронно-лучевых трубок, и тенденция сохраняется. Появление плоских экранов обусловило разработку смартфонов и ноутбуков, поскольку такие экраны могут иметь малые размеры. Эти новые дисплеи также управляются электронами, но гораздо более сложным способом. Вся площадь экрана делится на множество крошечных квадратиков, пикселов, а электронное управление каждым таким пикселом определяет, светится ли он. Если разрешение экрана составляет 1280 × 800 пикселов, значит, вы смотрите на сетку, состоящую из более чем миллиона отдельных цветовых точек. Каждая из таких точек управляется (включение/выключение) раздельно путем подачи на них крошечных напряжений. Состояние каждого пиксела обновляется не менее шестидесяти раз в секунду. Координация раздельного управления таким количеством пикселов – чрезвычайно сложная задача, но даже она кажется тривиальной по сравнению со сложностью функций, выполняемых вашим ноутбуком.

Но вернемся к магнитам. Магнитное поле может воздействовать на электроны, поэтому может управлять электрическими токами. Однако взаимосвязь электричества и магнетизма этим не ограничивается. Электрические токи могут также создавать собственные магнитные поля.

Как мы уже знаем из главы 5, тостеры обеспечивают весьма эффективный нагрев с помощью инфракрасного света. Однако подлинная прелесть тостера вовсе не в этом – ваш гриль тоже так умеет. Подлинная прелесть тостера в том, что он знает, когда остановиться. Универсальное правило работы тостера заключается в том, что хлеб только тогда исчезает в его недрах, когда вы нажимаете на рычажок с одной стороны. Если вы нажмете на этот рычажок не до самого конца, хлеб просто выскочит обратно из тостера. Но если вы нажмете на рычажок до упора, раздастся щелчок и хлеб останется в тостере до тех пор, пока не обжарится и не выскочит из этой мини-печи. Мне не нужно неотрывно следить за процессом обжаривания, проверяя степень готовности тоста. Когда хлеб превратится в тост, раздастся еще один механический щелчок и тост выскочит из тостера сам собой. Таким образом, пока я занимаюсь какими-то другими делами, например выкладываю из холодильника на стол масло и джем, что-то удерживает тост внутри тостера.

Прелесть тостера – в простоте его конструкции. Когда вы помещаете в тостер хлеб, он оказывается на подпружиненном лотке. Пружины, на которых смонтирован лоток, поднимают хлеб в верхнюю позицию, расположенную достаточно высоко над нагревательными элементами. Впрочем, вам не составит большого труда преодолеть действие этих пружин и протолкнуть хлеб вниз. Когда лоток достигнет дна тостера, выступающая наружу металлическая пластинка замыкает зазор не в одной, а сразу в двух электрических цепях. Одна из этих цепей отвечает за функцию нагрева: электрический ток, проходя по нагревательным элементам тостера, которые являются составными частями этой цепи, начинает подогревать лоток с хлебом.

Но другая электрическая цепь представляет для нас гораздо больший интерес. Электроны в ней циркулируют по отрезку провода, обернутому вокруг небольшого куска железа, так называемого сердечника. Перемещение электронов по отрезку провода напоминает движение по винтовой лестнице: они заходят в отрезок провода с одного его конца, движутся по спирали вокруг железного сердечника, наматывая круг за кругом, а затем, выйдя с другого конца отрезка провода, продолжают движение по цепи, пока не доберутся до штырька вилки, вставленной в электрическую розетку. Вот, собственно, и все, что происходит во второй электрической цепи. Но, учитывая неразрывную связь электричества и магнетизма, проходя по проводу, электрический ток создает вокруг него магнитное поле. Если ток проходит по проводу, намотанному на катушку, то его прохождение по каждому очередному витку провода наращивает магнитное поле в катушке, а железный сердечник, помещенный внутрь катушки, усиливает его. Такая конструкция называется электромагнитом. Когда электрический ток проходит по проводу, получается магнит, когда подача тока прекращается, магнитное поле вокруг катушки исчезает. Поэтому, нажимая на рычажок, вы включаете магнитное поле у основания тостера (до этого момента оно отсутствовало). Так как нижняя сторона лотка с хлебом изготовлена из железа, лоток притягивается к магниту. Другими словами, пока я достаю масло и джем из холодильника, временное магнитное поле удерживает лоток с хлебом в нижнем положении. В тостере сбоку встроен таймер, который запускается при замыкании электрических цепей. По истечении заданного времени таймер прекращает подачу электропитания в цепи тостера. Поскольку электрический ток перестает подаваться на электромагнит, он теряет свои свойства. Магнитное поле перестает удерживать лоток с хлебом в нижнем положении, и пружина толкает его вверх.

Иногда я забываю вставить вилку тостера в электрическую розетку. Впрочем, все довольно быстро выясняется: если я попытаюсь нажать на рычажок тостера, он тотчас же вернется в исходное положение, даже если я повторю нажатие. Это объясняется отсутствием подачи электрического тока на электромагнит, поэтому электромагнит не может удерживать лоток с хлебом в нижнем положении. В такой простой системе все происходит с потрясающей элегантностью. Каждый раз, готовя тост, вы пользуетесь фундаментальной связью электричества и магнетизма.