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

Итак, континенты таки «дрейфуют», правда, при этом не «пропахивают» морское дно. Они плывут поверх того, что под ними, под воздействием конвекционных токов, перемещающихся под поверхностью Земли. И этот процесс разворачивается прямо у нас на глазах. Сейчас Атлантический океан все еще расширяет свои границы со скоростью примерно 2,5 сантиметра в год [84]. В настоящее время продолжается формирование магнитной полосы. Чтобы убедить ученых в том, что поверхность Земли подвижна, потребовалось немало фактов, но неопровержимым доказательством послужили картины магнетизма морского дна. Сегодня мы можем измерить перемещение всех континентов с помощью очень точных данных, поступающих с GPS. Они позволяют нам видеть механизм таких перемещений в действии. Но ключом к прошлой истории Земли и ее нынешнему виду оказался магнетизм, заключенный в древних горных породах планеты, возраст которых сотни тысяч лет.

Сочетание электричества и магнетизма образует симбиоз, играющий огромную роль в нашей жизни. Наша нервная система использует электричество для передачи сигналов к разным участкам тела, электропитание необходимо многим устройствам, жизненно важным для современной цивилизации, а магнетизм позволяет нам сохранять информацию и управлять упорядоченным движением электронов, исполняющим те или иные полезные функции. Мы добились значительных успехов в том, что касается контроля электромагнетизма. Мы довольно редко испытываем удар электрическим током, да и неожиданные отключения электроэнергии стали редкостью. Мы научились эффективно защищать себя от вредного воздействия сильных электрических и магнитных полей; более того, мы живем, даже не замечая их существования. С одной стороны, наше умение управлять электромагнетизмом не может не радовать. С другой – мне становится грустно оттого, что мы так тщательно прячем от себя такую важную часть физического мира, как электромагнетизм. Впрочем, меня не покидает надежда, что в будущем человечество найдет дополнительные способы напоминать людям о наличии электромагнетизма, чтобы мы не забыли о нем окончательно. Перед человечеством встала во весь рост проблема неминуемого исчерпания традиционного источника энергии – ископаемого топлива. В будущем выработка электроэнергии не обязательно будет происходить на удаленных электростанциях. Возобновляемая энергия может вырабатываться гораздо ближе к местам нашего проживания. Не исключено, что появятся какие-то новые способы выработки электроэнергии. Циферблат моих наручных часов представляет собой солнечную батарею. С момента их покупки прошло семь лет, а они тикают, как ни в чем не бывало. Уже разработаны технологии, которые позволяют добывать солнечную энергию из света, проникающего в наши жилища через окна, из кинетической энергии, вырабатываемой при ходьбе, и из энергии волн в устьях рек. Принципы, на которых основаны эти технологии, – все те же законы электромагнетизма.

Мне осталось добавить еще один фрагмент в картину электромагнетизма, иначе она будет неполной. Мы видели, что электрический ток может создавать магнитное поле в тостере. Но этот процесс действует и в обратном направлении. Когда вы перемещаете магнит вблизи проводника, магнитное поле воздействует на заряженные частицы (например, на электроны), а это означает, что вы можете создать в проводнике электрический ток, которого там раньше не было. Речь в данном случае идет не о каких-то технологиях будущего, а о довольно распространенном способе выработки электроэнергии в наши дни. Мы подаем в электрическую сеть электроэнергию, образующуюся за счет перемещения магнитов – либо с помощью вращения турбин тепловых или атомных электростанций, либо вращая ручку так называемого заводного радиоприемника, который работает от встроенной динамо-машины. Один из самых элегантных и простейших примеров использования электричества и магнитов для выработки электроэнергии – ветряной двигатель.

Если смотреть на него снизу вверх, он кажется величественным и безмятежным: высокая белая опора, на которой крепятся элегантные вращающиеся лопасти. Но эта мирная и безмятежная картина исчезает, как только вы вступаете в основание башни. Внутри царит низкое, сильное гудение. Вам кажется, что вы попали внутрь какого-то гигантского музыкального инструмента. Я побывала на одной из таких ветротурбин, расположенных в Своффэме, на востоке Англии. Это один из немногих ветряков, открытых для посещения туристами (в определенные часы). Возможно, вам понадобится немало времени, чтобы добраться до него, но уверяю, вы не пожалеете о времени, потраченном на поездку.

Взбираясь по винтовой лестнице внутри башни, вы слышите, как гудение то усиливается, то ослабевает. Вы можете даже почувствовать, как все это сооружение содрогается под напором ветра. По мере приближения к вершине башни ваши глаза улавливают вспышки света: это солнечный свет отражается то в одной, то в другой лопасти ветряка. Поднявшись на самый верх башни, на высоту 67 метров, вы попадаете в закрытую галерею кругового обзора, расположенную непосредственно под ступицей турбины. От ощущения покоя и безмятежности не остается и следа. Три гигантские лопасти, каждая длиной 30 метров, вращаются с такой мощью, что при взгляде на них не остается никаких сомнений, что из этого вращения можно извлечь немалую энергию. На то, как ветер усиливается и ослабевает, гудение и скорость вращения лопастей реагируют практически мгновенно. Это само по себе уже способно произвести сильное впечатление.

Но самое главное скрывается в белом мундштуке – той части механизма, которая находится за лопастями. При взгляде вверх можно увидеть вращающуюся ступицу турбины. Прямо у меня над головой ее край, ближайший к башне, плавно вращается вокруг неподвижного внутреннего кольца. Этот край ступицы обложен сильными постоянными магнитами; таким образом, они вращаются вокруг внутренней части ступицы. А неподвижное внутреннее кольцо обложено катушками из медного провода, каждая из которых подсоединена к соответствующей электрической цепи. В ходе движения каждого магнита мимо катушек провода в проводе возникает электрический ток. Несмотря на то что магниты и провода не соприкасаются между собой, энергия вращения преобразуется в электрическую энергию, вырабатываемую в проводах катушек. Вращение лопастей ветряка обеспечивает движение магнитов мимо катушек провода, а законы электромагнитной индукции создают в каждой из катушек электрический ток. Именно так вырабатывается электрическая энергия в ветротурбинах.

Те же законы электромагнитной индукции применяются на всех наших электростанциях независимо от исходного источника энергии, которым может служить уголь, мазут, ядерная энергия или энергия волн. Какой бы ни была исходная энергия, ее задача – обеспечивать движение магнитов мимо катушек провода, в результате чего исходная энергия преобразуется в электрическую. Прелесть ветротурбины в том, что энергия ветра преобразуется непосредственно в электрическую энергию. В теплоэлектростанции, работающей на угле, вода нагревается и превращается в пар, который вращает лопатки паровой турбины, а та, в свою очередь, вращает магниты. Конечный результат тот же, но для его достижения приходится использовать дополнительные преобразования энергии. Каждый раз, включая какой-либо электрический прибор, вы потребляете энергию, которая возникла вследствие того, что движение магнита мимо катушки с медным проводом вызывало в этом проводе упорядоченное движение электронов. Электричество и магнетизм неразделимы. Наша цивилизация использует энергию, которая вырабатывается электромагнитной индукцией, вызываемой движением электрического проводника в магнитном поле. Мы научились ловко скрывать процессы генерации электроэнергии, пуская ее по руслу экранированных проводов, прокладываемых в стенах зданий, и электрических кабелей, зарытых в земле. Мы настолько преуспели в маскировке этих процессов, что ребенок, родившийся в наши дни, может никогда в жизни не увидеть и не пощупать собственными руками, что такое электричество и магнетизм. Будущие поколения вообще могут быть лишены возможности наблюдать непосредственные проявления электромагнетизма и не смогут оценить их элегантность и важность для человечества: невидимый покров прогресса надежно скроет их от нас. Тем не менее мы всегда должны помнить о них, поскольку в наше время ткань человеческой цивилизации прочно сшита электромагнитными нитями.