Физика без формул

В воде эти заряженные комбинации частиц, их еще называют ионами, чувствуют себя довольно свободно и немедленно двинутся в путешествие. Отрицательные ионы, само собой разумеется, направятся к проволочке, связанной с положительным полюсом батарейки. Положительные — в другую.

Итак, в воде началось движение электрических зарядов, иными словами, потек электрический ток.

Машины на электрическом ходу

Почему важно знать о протекании тока через жидкости? А вам не приходилось видеть, как безуспешно пытается завести двигатель водитель легковой машины? Он отчаянно нажимает стартер, вот-вот двигатель раскрутится, но снова глохнет. И вдруг — ура, завелся! Что же призывает на помощь шофер, пытаясь поначалу раскрутить вал мотора своего автомобиля? Это — аккумулятор электрической энергии. Если хотите, его можно считать батарейкой. Как от вашего фонарика, только очень большой.

Аккумуляторы безжизненны, пока в них не зальют специальную жидкость. Именно благодаря ей это устройство сперва можно зарядить, перегнав через нее заряды с одной пластины проводника на другую и сделав их тем самым полюсами. И опять же через эту жидкость заряды побегут, когда аккумулятор станет делиться своей энергией, как в приведенном примере. Слышали, как говорят: «батарейка села», «посадили аккумулятор»? «Посадить» — значит израсходовать их энергию.

К сожалению, даже современные аккумуляторы — слишком тяжелые и громоздкие, требуют частой подзарядки. Поэтому машины на электрическом ходу — трамваи, электровозы, троллейбусы, поезда метро — «привязаны» к проводам и рельсам, по которым к ним подают электроэнергию.

Однако человек не терял надежды изобрести такие накопители электричества, что позволили бы применить их на автомобилях. Уже сегодня существует довольно много разновидностей электромобилей. Они передвигаются автономно, но время от времени все же должны подзарядить свои источники тока — как обычные автомобили заправляются топливом. На длинные путешествия, однако, их пока еще не хватает. Но, может быть, скоро электромобили все-таки смогут вытеснить из городов чадящие машины с бензиновыми и дизельными двигателями и помочь очистить там воздух?

Блестящий обман электролиза

Как вы думаете, из чего сделаны сверкающие бамперы легковых автомобилей? Неужели целиком — из одного ценного металла? Однако на старых машинах можно обнаружить по краям бамперов тонкие блестящие лепесточки. Они похожи на шелушащуюся от загара кожу, а под ними заметен уже неказистый, недорогой материал. Или, если поковырять отливающую бронзой статуэтку, вдруг выяснится, что внутри — гипс.

Понятно, что во многих случаях хотелось бы нанести на изделие красивое, дорогое или защитное покрытие, но — тонким слоем. Чтобы уменьшить расход дефицитных материалов, прибегают к помощи электролиза. Как его провести?

В ванну с раствором необходимого для покрытия вещества опускают концы электрической цепи. Эти концы называют электродами. К одному из них крепят наше изделие, например, статую или металлическую деталь. И пропускают через раствор электрический ток. Заряженные частички — ионы, скажем, хрома или никеля, устремляются к изделию и начнут со всех сторон «облеплять» его. Электрические заряды пойдут дальше по цепи или, напротив, придут и «высадятся» на ионах. Но сама массивная частичка металла останется на месте, на поверхности изделия. Так можно, слой за слоем, наращивать толщину наносимого покрытия — хромировать или никелировать.

Оказалось, это явление подчиняется строгим законам. Они были открыты знаменитым английским ученым Майклом Фарадеем в начале тридцатых годов прошлого века. Зная эти законы, люди научились защищать металлы от коррозии, наносить рисунки на объемные детали, снимать слепки с различных фигур. Очень важное применение электролиза — получение чистых металлов из их растворов или расплавов, а также многих химических соединений, которые иным путем изготавливать не удается.

Посмотрите вокруг себя. Не скрывается ли под тонкой оболочкой многих приборов и украшений какой-нибудь простой и дешевый материал?

Откуда ток берется в пустоте?

Возможны ли частицы без заряда? Даже если это мельчайшие частички вещества — атомы или молекулы — они вполне могут быть незаряженными, нейтральными. А может быть заряд без частички? Оказывается, нет. Нигде мы не обнаружим заряда, «гуляющего», как киплинговская кошка, самого по себе. Всегда он к чему-то «приконопачен» — к электрону, к протону или к их комбинациям — ионам.

Подобный вопрос пришлось обсуждать, когда возникла задача пропустить ток через… вакуум. Встала такая задача с развитием радиотехники. Может быть, вам приходилось заглядывать в «нутро» старых радиоприемников или телевизоров. Вы замечали, сколько там разнообразных ламп с хитроумной начинкой? А ведь из них откачан воздух, и все электрические процессы протекают в пустоте. Сегодня ламповые приборы из-за большого потребления энергии и не очень высокой надежности вытеснены более эффективными, полупроводниковыми. Но вот одну большую лампу вы и по сей день встретите как в телевизорах, так и в дисплеях. Это — кинескоп.

Итак, поскольку внутри этих малых и гигантских ламп нет, можно сказать, ничего, то что же будет переносить там электрический заряд? Так как он «отдельно» от частичек не существует, то ответ напрашивается сам собой. В откачанное от воздуха пространство необходимо «впрыснуть» заряженные частички. Это и делают, нагревая, например, металлы, из которых как бы испаряются электроны.

Вот теперь есть чем погонять «электрическому ветру». Подавая, скажем, на кинескоп высокое напряжение, можно так манипулировать электронами, что они будут послушно выполнять любые приказы. Да, собственно, вы наблюдаете за этим каждый день, смотря телевизор. Ведь изображение на его экране — не что иное, как результат «бомбардировки» электронным пучком светящегося от его ударов вещества. А уж когда начинается электронная игра на дисплее или вам демонстрируют чудеса компьютерной графики, можно понять, насколько велики возможности электронного луча, несущегося в вакууме.

Что роднит молнию и сварочный аппарат?

Отчего светятся разными цветами рекламные трубки? Почему горят люминисцентные лампы, или, как их еще называют, лампы дневного света? Почему сверкает молния? Почему горит электрическая дуга, скажем, при сварке? Оказывается, все эти, на первый взгляд, различные примеры свечения объединяет одно — это электрический разряд в газах.

Газы — неплохие изоляторы, так как в «чистом» виде — это нейтральные молекулы. Поэтому, чтобы через газ прошел электрический ток, заряды в нем каким-то образом надо создать. Ухищрений для этого придумали много. Можно газ облучать, подогревать, «впрыскивать» в него заряженные частички. Но самый важный процесс при разряде — когда электроны, подгоняемые напряжением, смогут так разогнаться, что при ударе о нейтральную молекулу газа выбьют из нее новый электрон.

Что останется тогда от молекулы? По массе она почти ничего не потеряет — электрон слишком легок. А вот если от ее нулевого заряда электрон, оторвавшись, «утащит» с собой отрицательный заряд? Конечно, вы догадались — молекула газа зарядится положительно — и станет ионом.

Вот как газы-диэлектрики, выдерживающие высокое напряжение, в какой-то момент становятся прекрасными проводниками. При протекании по ним электрического тока молекулы газов из-за электронной бомбардировки оказываются способными излучать свет. Это их качество активно используется сейчас в самых разных отраслях науки, техники и быта. Отметим лишь одно изобретение, сыгравшее в дальнейшем огромную роль.

Павел Николаевич Яблочков (1847–1894) — российский электротехник. Исследовал электричество как источник света. Изобрел дуговую лампу — «свечу Яблочкова». Положил начало первой применимой на практике системе электрического освещения. Занимался созданием электрических машин и вопросами получения электричества непосредственно из химической энергии угля.

В 1802 году русский ученый Василий Владимирович Петров впервые изучил явление, названное им электрической дугой. Впоследствии его стали применять при сваривании металлических деталей. Два электрода, подключенные к мощному источнику тока, способны вызвать между собой ослепительное свечение газа. Наверняка вы наблюдали за электросваркой и знаете, что яркость вспышек так велика, что от нее надо защищать глаза. Сварку с помощью электрического тока изобрели русские инженеры Николай Николаевич Бенардос и Николай Гаврилович Славянов. И где только теперь она не применяется — от постройки мостов до сварки корпусов автомашин.

В прошлом же веке электрическую дугу «подрядили» освещать улицы. И сегодня одни из самых мощных осветительных приборов — дуговые лампы.

Миниатюрный, надежный? — В космос!

Вы, конечно, пользовались транзисторными приемниками. Их иногда просто называют «транзистор». Однако это — пусть важная, но только одна деталь приемника, построенного на полупроводниковых элементах.

А что такое полупроводник? Это кристаллики твердых веществ, скажем, кремния, обладающих особыми электрическими свойствами. Например, в отличие от металлов, сопротивление полупроводников с увеличением температуры уменьшается. На их проводимость может влиять облучение светом. А самое интересное, что мы можем менять их способность проводить электрический ток вкраплением примесей разных химических веществ.

Полупроводники, как подсказывает их название, занимают промежуточное место между проводниками и изоляторами. Возможность менять их электрические свойства в широком диапазоне обеспечила им широкое применение в электротехнике, радиоприборах и электронике. Скажем, фотоэлемент, способный замыкать и размыкать электрическую цепь под действием света, построен на основе полупроводников. Чувствительный термометр, замечающий ничтожно малые перепады температур — тоже его применение.

Соединение различных полупроводников образует диод — прибор, пропускающий ток только в одну сторону. А добавление третьего полупроводника в эту «компанию» позволяет слабыми изменениями тока управлять током большим. Вот это и есть усилитель — транзистор.

Благодаря распространению полупроводниковых элементов стало возможным перейти от громоздких вычислительных машин к миниатюрным, умещающимся порой в объеме записной книжки. Маленькие размеры, большой объем памяти и быстродействие позволяют применять такие устройства на борту космических кораблей.

Еще очень важная область, где полупроводники должны сказать свое весомое слово — солнечная энергетика. Пока устройства, преобразующие солнечный свет в электроэнергию, не очень эффективны и весьма дороги. Но их уже используют для обеспечения энергией космических комплексов. Солнечные батареи размещают, как вы, наверное, видели, на «крыльях»-панелях орбитальных аппаратов. А не так давно смог самостоятельно двигаться первый автомобиль на солнечных батареях.

Без потерь по проводам

В механических устройствах, как ни старайся, а совсем избавиться от трения нельзя. Наверное, то же самое и с электрическим сопротивлением? На то оно и сопротивление, чтобы мешать электрическому току течь по проводам, терять энергию и выделять ее в виде тепла.

До поры до времени так и считали. Однако оказалось, что природа и здесь подготовила нам сюрприз.

В 1911 году голландский ученый Хейке Камерлинг-Оннес обнаружил удивительное явление. При очень низких температурах, близких к абсолютному нулю, некоторые металлы резко, скачком, теряют свое сопротивление. Это явление получило название сверхпроводимости.

К сожалению, такой «подарок», который обеспечил бы передачу электрической энергии по проводам без потерь, принять людям было трудно. Ведь чтобы создать такие низкие, несуществующие на Земле, температуры, приходилось, как в холодильнике, энергию затрачивать. Поэтому начались многолетние поиски новых, высокотемпературных сверхпроводников.

Шли десятилетия. Лишь в пятидесятых годах это явление получило теоретическое объяснение. Однако температуру необычного состояния удалось поднять только на пару десятков градусов. Чего только не изобретали исследователи! И вот в 1986 году швейцарским ученым удалось найти такие композиции веществ, в которых сверхпроводимость возникала уже при сотне градусов выше абсолютного нуля.

Это, конечно, еще далековато до наших обычных температур. Тем не менее, достижение сверхпроводимости упростилось. Сейчас ее используют во все более широких масштабах при проведении физических экспериментов.

А еще благодаря этому открытию укрепилась надежда, что в скором времени она будет достигнута и при обычных, комнатных температурах.

Подумайте, к каким революционным последствиям может привести появление материалов с нулевым электрическим сопротивлением.

Как зарядиться давлением?

Какие зажигалки вы знаете? Может быть, кому-нибудь встречались старые — с фитильком, пропитанным бензином. Или новые, газовые, когда колесиком высекают искру, поджигающую струйку вырывающегося сжатого газа. На кухнях, где стоят газовые плиты, пользуются подсоединенными к сети электрическими зажигалками, в которых проскакивает искра, созданная высоким напряжением. А не попадались ли вам зажигалки без всяких проводов, но так же высекающие искры при нажатии на кнопку?

Действительно, откуда в них берется энергия? Если вы разберете такую зажигалку в поисках батарейки или газового баллончика, то ничего подобного не обнаружите. А найдете внутри небольшой кристалл с подсоединенными к нему проводочками. Это — кристалл кварца, который как выяснилось более 100 лет назад, обладает интересными свойствами. При сжатии его с двух сторон на других гранях возникают электрические заряды двух разных знаков, то есть создается электрическое напряжение. Именно его используют в зажигалках для создания искры.

Такое любопытное явление, названное пьезоэлектричеством, стали применять уже во время I мировой войны для обнаружения… подводных лодок. Двигаясь в воде, винт лодки создает попеременные сжатия и разрежения воды, бегущие от лодки в виде волн. Если на их пути разместить пьезоэлектрический кристалл, то он начнет колебаться под действием переменного давления и его грани станут заряжаться. Возникнет электрический сигнал, который позволит таким образом уловить шум от далекой подводной лодки.

Пьезоэлектрический эффект сегодня широко применяют в микрофонах и телефонах, для создания ультразвуковых волн, обнаружения дефектов внутри металлов и для измерения механических напряжений и вибраций.

Поле — стремительный гонец

Давайте задумаемся над вот каким вопросом. Пусть нам понадобится включить какой-то мощный электрический прибор, доступ к которому затруднен. Ну что ж, для этого мы протянем к нему провода, а кнопку или рубильник разместим в удобном нам месте. Теперь одним движением пальца щелкаем кнопкой, замыкаем цепь, и что-то там вдалеке зажглось, завращалось, загрохотало, поехало…

Как вы считаете, когда мы замкнули цепь, заряды от нас сразу помчались к прибору? Моментально добежали до него и вернулись обратно? Закружились по цепи? Да, закружились, но не так скоро, как нам могло показаться.

Оказывается, при включении цепи заряды, переносящие ток, пришли в движение все одновременно. Собственная скорость, с которой они текут, удивительно мала — какие-то доли миллиметра в секунду. Почему же тогда прибор почти мгновенно отреагировал на наше нажатие кнопки и сразу заработал?

А дело в том, что не сами заряды побежали по цепи так быстро, они только передали друг другу сигнал — «пора двигаться!» Вот этот-то сигнал и несется с огромной — триста тысяч километров в секунду — скоростью. Что же это за скорость такая? Ее называют скоростью распространения электрического поля и равна она скорости света.

Идея о том, что вокруг электрических зарядов меняются свойства пространства, иными словами, создается электрическое поле, возникло в работах великого английского ученого Майкла Фарадея. В дальнейшем она блестяще подтвердилась и легла в фундамент теории электромагнетизма.

Вот и в нашем примере зарядам не было нужды мчаться «во весь дух» по цепи. Им было достаточно «шевельнуться» при ее замыкании, а информацию об этом электрическое поле донесло до всех «закоулков» цепи, заставив везде течь ток.

Мир магнетизма

…Сесть на железный круг И, взяв большой магнит, Его забросить вверх высоко, Докуда будет видеть око; Он за собой железо приманит… Э. Ростан

Знаете, что описано в этом стихе? Так знаменитый герой Эдмона Ростана, поэт и фантазер Сирано де Бержерак предлагал полететь… на Луну. Подумайте, кстати, возможно ли подниматься подобным манером.

Нам же сейчас важен лишь один из участников этого «полета» — магнит. Знали о нем, как видно, исстари. И компасы придумали, и для всяких развлечений и устройств приспосабливали. Да и вы, конечно, баловались с магнитами, заставляя ими «плясать» гвоздики и стальные скрепки.

Но вот когда человек научился управлять «магнитной силой» и даже создавать магниты искусственные, он сумел воплотить в жизнь свои давние и заветные мечты.

Можно ли говорить друг с другом на огромном расстоянии? Бывает ли связь без проводов? Как посмотреть футбол в Америке, сидя на диване в Москве?

Все это оказалось осуществимо. Телеграф, телефон, радио, телевидение, даже трансляции с других планет — разве нам это в диковинку? А начиналось путешествие в огромный и волшебный мир магнетизма с наблюдений за маленькой дрожащей стрелкой компаса.

Зачем нужен компас?

Самые простые опыты по магнетизму — опыты с компасом. Ну-ка, рассмотрите его повнимательнее. Стрелка компаса окрашена двумя цветами: один конец синий или голубой, а другой — красный. Сделана она из кусочка железа и укреплена так, что может свободно вращаться на кончике иглы. Синий ее конец указывает на север, красный — на юг. С помощью этой стрелки мы можем ориентироваться в сторонах света.

Таким свойством — поворачиваться в пространстве — обладают многие намагниченные предметы. Подвешенный на нитке железный гвоздь, если он был намагничен, также становится «компасом», то есть поворачивается по направлению «север-юг».

Трудно сказать, когда люди обнаружили такое явление и стали его применять. Во всяком случае, еще более 4000 лет назад это открытие было известно китайцам. Через арабских купцов с принципом действия компаса познакомилась и Европа, и в течение XII века он широко распространился по ней.

Со временем компас стали ставить на корабли, брать с собой в путешествия, использовать при составлении географических карт. В сочетании с ориентированием по звездам компас превратился в незаменимое навигационное средство.

Для точных показаний компаса надо следить за тем, чтобы его стрелка не размагничивалась, то есть не помещать его вблизи железных предметов. Так же надо дать стрелке возможность вращаться без трения. Этого вы, кстати, можете добиться тем, что поместите намагниченную стрелку на деревянную планку или кусочек пенопласта, плавающие в воде. Последите, как всякий раз «потревоженный» компас будет возвращаться в одно и то же положение.

Как бродят полюса?

В любой ли точке на поверхности Земли компас дает верные показания? Оказывается, нет. И дело не в самом приборе, а в том, где его используют.