Естествознание. Базовый уровень. 10 класс

Рис. 76. Первые упоминания о компасе относятся к XI в., а к XIV в. компас с подвижной розой (картушкой) уже получил широкое распространение

В 1820 г. Ганс Христиан Эрстед (1777–1851) описал результаты эксперимента, в котором было показано, что электрический ток, протекающий по проводнику, отклоняет магнитную стрелку компаса от её естественного направления на север. Эта сила, получившая название «поворачивающей», впервые оказалась не ньютоновской, её нельзя было связать ни с гравитацией, ни с инерцией и вообще ни с какой из известных в то время сил.

Исследование этого нового и необъяснимого явления начались немедленно. В том же году Андре Мари Ампер (1775–1836) (рис. 77) показал, что два параллельных проводника, по которым пропускается электрический ток, могут притягиваться или отталкиваться в зависимости от соотношения направлений токов: токи одного направления притягиваются, а разного – отталкиваются (рис. 78). При этом сила притяжения или отталкивания между проводниками прямо пропорциональна силе тока в них: чем больше – сила тока, тем сильнее взаимодействуют проводники.

Рис. 77. Андре Мари Ампер

Рис. 78. Взаимодействие двух параллельных проводников с током

Отсюда напрашивался вывод, что такие проводники ведут себя подобно магнитам. На основании многочисленных исследований Ампер пришёл к выводу, что «все магнитные явления сводятся к чисто электрическим эффектам». Через два года он открыл магнитный эффект катушки с током, которую назвал соленоидом. В настоящее время соленоиды являются основой всех электромагнитов: проволочная катушка, по которой пропускают ток, ведёт себя как постоянный магнит, только сила её притяжения может быть намного больше. Заслуги Ампера в изучении электрических и магнитных явлений так велики, что его называли Ньютоном электричества. Так, понятия «электростатика» и «электродинамика» впервые предложены Ампером. Он же ввёл в обиход термины «электрический ток», «напряжение», «гальванометр» и даже… «кибернетика». В честь Ампера названа единица измерения электрического тока.

Магнитное поле.

Таким образом, выяснилось, что помимо электростатического существует ещё и магнитное поле, которое всегда возникает вокруг проводника, по которому движется электрический ток. Это поле, так же как и электростатическое, обладает силовой характеристикой, которую называют магнитной индукцией. Она направлена перпендикулярно движению электрических зарядов и, следовательно, перпендикулярно электростатическому полю. Полная взаимосвязь этих полей была подтверждена в 1831 г., когда английский учёный Майкл Фарадей (1791–1867) (рис. 79) открыл явление электромагнитной индукции – возникновение электрического тока в замкнутом проводнике при изменении числа линий магнитной индукции сквозь его поверхность (рис. 80). Другими словами, если после опытов Эрстеда и Ампера было показано, что электричество способно вызывать магнитную силу, то после работ Фарадея было установлено, что существует и обратный эффект, т. е. была решена задача, которую Фарадей записал в своём дневнике: «Превратить магнетизм в электричество». В результате общепризнанной стала точка зрения, что электрические и магнитные поля представляют собой две стороны одного и того же поля, которое называют электромагнитным полем.

Рис. 79 Майкл Фарадей

Рис. 80. Опыты Фарадея: А – катушка, состоящая из большого числа витков изолированного провода, подключена к гальванометру;

Б – при внесении в катушку полосового магнита стрелка гальванометра отклоняется, фиксируя появление электрического тока в цепи;

В – магнит останавливается, ток в катушке исчезает;

Г – при выдвижении магнита из катушки ток появляется, но его направление изменяется на противоположное

Магнитное поле, в отличие от электрического, не создаётся какими-либо зарядами. Магнитных зарядов не существует. Аналогом электрических зарядов в магнитном поле служат два полюса, один из которых называют северным, а второй – южным в честь компаса, побудившего к исследованиям магнетизма. Как и в случае с электрическими зарядами, одноимённые полюсы отталкиваются, а разноимённые – притягиваются. Но в отличие от электрических зарядов, магнитные полюсы не могут существовать друг без друга. В этом легко убедиться, распиливая железный магнит: как бы ни мала была отпиленная часть, у неё всегда будут северный и южный полюсы.

Магнетики.

Итак, магнитное поле возникает при движении электрических зарядов. Откуда же оно берётся в куске намагниченного железа или в так называемом постоянном магните? На этот вопрос попытался ответить ещё Ампер. Он предположил, что в каждой молекуле вещества циркулируют электрические токи, которые, складываясь, создают общее магнитное поле. В то время никто не догадывался о существовании отрицательно заряженных электронов, поэтому гипотеза Ампера была гениальной догадкой. Теперь, когда мы знаем, что электроны обязательно входят в состав всех атомов, можно задать вопрос: почему не все вещества способны к намагничиванию? Оказывается, такой способностью обладают только некоторые вещества, называемые ферромагнетиками (от лат. ferrum – железо). К ним относится не только железо, но также никель, кобальт и их сплавы. Способность к намагничиванию зависит от строения атомов этих металлов. Вращаясь вокруг ядра атома и вокруг своей оси, электроны создают крошечные «магнитики», называемые магнитными диполями. Если тело не находится во внешнем магнитном поле, эти «магнитики» ориентированы во всех направлениях и их суммарное поле равно нулю. Если же оно попадает во внешнее поле, например соприкасается с куском магнетита, его атомы поворачиваются под влиянием магнитной силы и их элементарные магнитные поля складываются. Таким образом, тело приобретает свойства магнита. Для того чтобы «размагнитить» тело, надо нагреть его до достаточно высокой температуры, чтобы хаотическое движение атомов вернуло начальный беспорядок.

Кроме ферромагнетиков существуют парамагнетики, которые проявляют свойства магнита, только находясь во внешнем магнитном поле, а после прекращения его действия немедленно теряют эти свойства. Парамагнетиками являются алюминий, платина, оксид марганца и многие другие соединения. Наконец, существует ещё группа веществ, называемых диамагнетиками. Они также не обладают магнитными свойствами при отсутствии внешнего магнитного поля, но обладают свойством поворачивать свои атомы противоположно внешнему магнитному полю. К диамагнетикам относятся, например, вода, поваренная соль, водород и азот.

Проверьте свои знания

1. Что такое электромагнитная индукция?

2. С помощью какого опыта Эрстед впервые обнаружил электромагнитное поле?

3. Каким образом Ампер объяснил природу электромагнитного поля?

4. Чем ферромагнетики отличаются от парамагнетиков?

Задания

Проведите несколько опытов.

1. Положите на стол, находящийся вдали от электроприборов, компас и зарисуйте положение его стрелки. Положите рядом с ним другой компас, а лучше расположите несколько компасов в ряд. Пронаблюдайте, что произойдёт, и объясните полученный результат.

2. Подносите к крайнему в ряду компасу постоянный магнит то южным, то северным полюсом. Объясните полученные результаты.

3. Если у вас в школе имеется соленоид, подключите его к источнику питания и подносите по очереди различными участками к компасу. Объясните результаты наблюдений.

§ 30 Электромагнитные волны

Луч, пронзивши эфир,

На земле обернётся

Целой армией бликов…

М. Величка

Как вы узнали из предыдущего параграфа, Фарадеем было открыто явление электромагнитной индукции. Но мы знаем, что внешнюю силу, вызывающую в проводнике ток, называют электродвижущей силой (ЭДС). Следовательно, движение проводника относительно магнитного поля (или движение магнитного поля относительно проводника) приводит к возникновению ЭДС. Благодаря этой силе в проводнике возникнет ток, который, как нам тоже уже известно, будет создавать вокруг себя магнитное поле.

В учебнике физики для 9 класса описывается принцип работы колебательного контура. Суть его в общих чертах такова. Существует электрическая цепь, в которой находится конденсатор, на котором имеется разность потенциалов, и катушка, состоящая из многих витков электрического проводника. Конденсатор разряжается, по цепи течёт ток, который, проходя через катушку, создаёт в ней магнитное поле. Под действием этого поля в цепи возникает ЭДС, вызывающая движение зарядов в противоположном направлении. Когда это движение становится достаточно сильным, суммарное направление тока в сети изменяется и конденсатор снова заряжается. Затем весь процесс повторяется сначала и в контуре возникают периодические колебания электрического заряда и электрического тока.

Но мы знаем, что во многих случаях возникшие в какой-то точке колебания могут из неё распространяться в пространстве, вызывая волновые процессы. Возможно ли это в случае электромагнитных колебаний?

Существование электромагнитных волн теоретически предсказал великий британский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879). Он же разработал систему математических уравнений, описывающих их распространение. Максвелл предположил, что любые изменения электрического или магнитного поля должны вызывать изменения в напряжённости и магнитной индукции в соседних областях. Для этого не требуется наличия каких-либо электрических зарядов (электронов, ионов и т. п.). Просто изменяющееся поле создаёт другое изменяющееся поле, то, в свою очередь, новое поле, и в результате в пространстве распространяется электромагнитная волна. Эта волна является поперечной, и для неё справедливы все характеристики, которые свойственны другим волнам. Мы можем описать электромагнитную волну с помощью её скорости, амплитуды, длины и частоты колебаний, как об этом говорилось в § 23.

На основании своих расчётов Максвелл пришёл к выводу, что электромагнитные волны распространяются не мгновенно, а с некоторой, хотя и очень большой, скоростью. Ему удалось вычислить эту скорость. Она составила 3 •1010 см/с или 300 000 км/с, что оказалось величиной, очень близкой к скорости света, которая за несколько лет до того была измерена французским физиком А. Физо. Исходя из этого, Максвелл пришёл к выводу, что свет представляет собой электромагнитную волну.

Природа электромагнитных волн, однако, вызывала большие недоумения. Несмотря на математическую изящность уравнений Максвелла, представленные им физические подтверждения были неубедительны. Главная проблема заключалась в том, что все прочие известные волны распространяются в какой-либо среде: газах, жидкостях или твёрдых телах. Для электромагнитных волн Максвелл придумал искусственное объяснение с использованием гипотетической среды, которое не убедило физиков. На самом деле для распространения света не нужно ничего. В этом легко убедиться, если поместить электрическую лампочку под герметический стеклянный колокол, из которого затем начать откачивать воздух (рис. 81). Каким бы разреженным ни становился воздух под колоколом, лампочка будет гореть так же ярко, как и вначале. В то же время, если вместе с лампочкой мы поместим под колпак звонок, то очень скоро перестанем слышать его звучание. Это показывает, что свет может распространяться и в вакууме.

Рис. 81. Если мы поместим электрическую лампочку под герметический стеклянный колокол и откачаем из-под него воздух, то лампочка будет гореть так же ярко, как и вначале. Однако если вместо лампочки мы поместим под колокол звонок, то очень скоро перестанем слышать его звучание

Но если свет представляет собой колебания, то что же именно колеблется? Представить себе колебания без материального посредника физики позапрошлого века не могли. Поэтому, как мы уже говорили, они придумали для объяснения распространения электромагнитных колебаний специальную среду, которую называли эфиром. Считалось, что эфир повсюду однороден и целиком заполняет собой любое вещество, а также вакуум. За это его назвали «мировым эфиром». Никто не объяснял его природы, но все считали, что свет представляет собой колебания эфира, так же как другие волны представляют колебания вещества. От гипотезы мирового эфира физикам пришлось отказаться в начале прошлого века, о чём вы узнаете из следующей главы.

Рис. 82. Генрих Герц

Впервые экспериментально подтвердил теорию Максвелла Генрих Герц (1832–1918) в 1888 г. (рис. 82). С помощью сконструированного им прибора он доказал, что колебания тока вызывают в пространстве волны. Эти волны состоят из двух колебаний – напряжённости электрического поля и индукции магнитного поля, – направленных перпендикулярно друг другу. Кроме того, направления этих колебаний перпендикулярны направлению распространения волны. Герцу удалось определить длину волны, испускаемой его прибором, и измерить скорость её распространения. Эта скорость совпала со скоростью распространения света. Результаты экспериментов Герца полностью подтвердили правильность уравнений Максвелла, что привело к всеобщему признанию этой теории.

В дальнейшем были разработаны методы исследования, а также способы получения электромагнитных волн с разной длиной волны и, соответственно, с разной частотой колебаний. В своё время Герц, открывший электромагнитное излучение, признавал, что это интереснейшее явление никогда не сможет найти практического применения. Сейчас трудно представить себе область человеческой деятельности, где бы не использовались электромагнитные волны – от изучения строения атома до исследования галактик, от медицины до космической связи.

Проверьте свои знания

1. Вспомните и опишите работу колебательного контура.

2. Кто из физиков впервые разработал теорию электромагнитных волн?

3. С какой скоростью распространяются электромагнитные волны?

4. С какой целью было придумано понятие «мировой эфир»?

§ 31 Виды электромагнитных волн

В зависимости от частоты колебаний электромагнитные волны оказывают различное действие на организм человека и используются для различных технических целей. Диапазон этих частот называют спектром электромагнитного излучения, он огромен – от нескольких десятков тысяч до 1020 Гц (табл. 5).

Соответственно, длина электромагнитной волны может составлять от десятков километров до тысячных долей нанометра. Человек без помощи приборов может воспринимать лишь очень небольшую часть электромагнитного спектра, которую называют видимой частью этого спектра или его световым диапазоном (рис. 83). Светочувствительные клетки глаза реагируют на попадающее в глаз излучение, находящееся в световом диапазоне, и превращают его в ощущение света.

Таблица 5

Длина волны и частота электромагнитного излучения в различных диапазонах

Рис. 83. Спектр видимого излучения

Причём в зависимости от длины волны мы можем воспринимать различные цвета. Самые короткие волны вызывают ощущения фиолетового света, затем, по мере увеличения длины волны, возникают ощущения голубого, синего, зелёного, жёлтого, оранжевого и красного цвета. В точности с фразой для запоминания видимого спектра: «Каждый охотник желает знать, где сидит фазан».

В других областях спектра электромагнитное излучение невидимо для человеческого глаза. Излучение, длина волны которого немного больше, чем в видимой области, называют инфракрасным. Мы тоже можем воспринимать его, но уже не как свет, а как тепло. Существуют приборы, способные реагировать на инфракрасное излучение; на фотографиях, сделанных с их помощью, горячие предметы будут выглядеть тёмными, а холодные – светлыми. Сфотографировав комнату зимой, мы увидим чёрные радиаторы отопления и белые окна. Мы также различим на фоне стен фигуры людей и животных, так как температура их тел выше, чем температура окружающих предметов (рис. 84). Некоторые змеи способны видеть в инфракрасной области и, благодаря этому, находить в темноте мышей, на которых они охотятся.

Волны с ещё большей длиной волны называют радиоволнами.

Так как их диапазон сам по себе огромен, он делится на несколько областей. Наиболее широко в настоящее время используются ультракороткие волны, которые, в свою очередь, бывают метровыми, дециметровыми, сантиметровыми и миллиметровыми.

Рис. 84. На регистрации инфракрасного излучения основана работа тепловизоров – приборов для наблюдения за распределением температуры исследуемой поверхности. Инфракрасное излучение в приборе преобразуется в электрический сигнал. Распределение температуры отображается на дисплее тепловизора как цветовое поле, где определённой температуре соответствует определённый цвет

Они используются для радио– и телевизионных передач, в мобильных телефонах, в медицинских и астрономических исследованиях и во многих других областях, о чём будет рассказано в следующих главах учебника. В радиотехнике для различных видов связи используют также короткие, средние, длинные и сверхдлинные радиоволны. Последние обладают очень низкой частотой и, соответственно, большой длиной волны. В природе они возникают во время разрядов молнии. Сверхдлинные волны слабо затухают по мере их распространения и являются очень устойчивыми по амплитуде. Благодаря этому, их широко используют в глобальных радиосистемах для связи на больших расстояниях. Кроме того, эти волны глубоко проникают в воду и в толщу Земли, что позволяет использовать их для связи с подводными и подземными объектами.

Если теперь от видимого света сдвинуться в область более коротких волн, то ближайшую часть спектра займёт ультрафиолетовое излучение. Человеческий глаз это излучение не воспринимает, но некоторые животные, например пчёлы, видят его достаточно хорошо.

Следующую, ещё более коротковолновую, область электромагнитного спектра называют рентгеновским излучением. Его открыл в 1895 г. немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген (1845–1923), обнаружив существование невидимого излучения, которое он назвал Х-лучами. Лучи Рентгена обладают способностью глубоко проникать в предметы и вещества. Благодаря этому их используют для исследования внутреннего строения всевозможных объектов: человеческого тела, кристаллов, древних произведений искусства и многого другого (рис. 85). За своё открытие Рентген был награждён первой в истории Нобелевской премией по физике.

Наконец, самое коротковолновое и, следовательно, самое высокочастотное излучение называют гамма-излучением.

Рис. 85. Рентгеновские снимки

Оно возникает при радиоактивном распаде атомных ядер и превращениях элементарных частиц.

Необходимо обратить внимание на одну очень важную закономерность. Чем больше частота электромагнитного излучения (или чем меньше длина его волны), тем большей энергией оно обладает. Если радиоволны и видимый свет при умеренной интенсивности не оказывают вредного влияния на человека, то уже ультрафиолетовые лучи могут вызвать ожоги и при достаточно длительном воздействии привести к возникновению опухолей. Рентгеновские лучи несут в себе достаточно серьёзную опасность. Конечно, медицинское рентгеновское обследование, проводимое один-два раза в год, такой опасности не представляет, но у врача-рентгенолога, включающего в своём кабинете аппарат много раз в день, оно может вызвать серьёзные заболевания. Поэтому врач, перед тем как включить рентгеновскую установку, удаляется в специальное укрытие, куда излучение не проникает. Наиболее разрушительное действие оказывает гамма-излучение, которое может вызвать неизлечимую лучевую болезнь и даже смерть в течение нескольких минут, так называемую «смерть под лучом». Подробнее о природе света и других видов электромагнитного излучения вы узнаете из следующей главы.

Проверьте свои знания

1. Как называются виды электромагнитного излучения, частота которых немного выше и немного ниже частоты излучения видимой части электромагнитного спектра?

2. Какие электромагнитные волны используют для установления связи на больших расстояниях?

3. Для каких целей используют рентгеновское излучение?

4. Как зависит энергия излучения от его частоты?

Задания

1. Подберите эпиграф к данному параграфу.

2. Расположите виды электромагнитного излучения в порядке увеличения длины их волны: а – рентгеновское, б – жёлтое, в – гамма, г – ультрафиолетовое, д – зелёное, е – радиоволны, ж – инфракрасное.

3. Рассмотрите рисунок 84. Предположите, какой цвет соответствует максимальной, а какой – минимальной температуре поверхности человека.

4. С 2008–2009 гг. тепловизоры, регистрирующие инфракрасное излучение, начали активно использовать в аэропортах и на железнодорожных вокзалах для выделения из толпы определённых людей.

Обсудите в классе и предположите, кого именно и с какой целью ищут среди толпы с помощью тепловизора.