Часть II. Помимо вещества
Поле чудес
Мы теперь знаем, как устроено вещество. Оно сделано из нейтронов, протонов и электронов. Из нейтронов и протонов собираются атомные ядра. А летающие вокруг ядра электроны образуют атом в сборе, причем количество электронов равно количеству протонов. Если же пару электронов смахнуть с атомной орбиты веником, останется положительно заряженный недоатом – ион.
А еще нам теперь известно, что помимо вещества, сделанного из атомов, в мире существуют некие лучи. Мы также знаем, что по крайней мере часть лучей состоит из частиц, например, нейтронное излучение, а также электронное излучение, которое по-другому еще называют бета-излучением. Такое излучение просто представляет собой поток частиц, летящих в пространстве, то есть обычное вещество. Но вот другие лучи сделаны бог знает из чего. Например, солнечные, рентгеновские или гамма-лучи – они из чего состоят?
Мы помним: Ньютон полагал, будто солнечный свет – это поток неизвестных электронейтральных частичек – корпускул. Но ему другие дяденьки возражали: нет, свет – это просто волна, то есть колебание все пронизывающего мирового эфира.
То есть свет – это или струя мелкого «гороха», или волна колебания среды, которая заполняет все пространство вселенной.
А еще что-нибудь в этом мире есть, кроме вещества, непонятных лучей, пространства и времени?
Есть. Поле…
К этому понятию физики пришли, раздумывая над вопросом, как передается взаимодействие между предметами и частицами.
Ну, в самом деле, как передается воздействие? В макромире, где мы живем, все понятно – шахтер вагонетку толкнул, она поехала. Груз к пружине подвесили, она растянулась. Два бильярдных шара столкнулись с приятным стуком и разлетелись. А если бы не столкнулись, не разлетелись бы. Ведь чтобы передать воздействие на предмет, нужно к нему подойти. Издалека-то разве можно на предмет воздействовать, мы же не колдуны?! Не прикасаясь к вазе, стоящей на столе, ее не сдвинешь. Толкнуть надо!
Но иногда воздействие передается и на расстоянии, вы прекрасно это знаете. Если поднести магнит к скрепке, лежащей на столе, она почувствует этот магнит не в момент касания, а раньше – и сама прыгнет на него!
А если потереть янтарь шерстяным носком, янтарь начнет притягивать мелкие бумажки – тоже на расстоянии, еще до касания.
Яблоко опять же падает с яблони на землю. Земля его притягивает на расстоянии, и едва оно теряет связь с деревом, как сразу устремляется вниз. Точно так же притягивает Землю Солнце, отчего планета наша вокруг светила вращается. Иначе бы давно улетела в мировое пространство.
А еще точно так же на расстоянии электроны чувствуют протоны, притягиваясь к ним. И вращаются вокруг ядра атома, словно планетки.
Видите, кругом тела воздействуют друг на друга на расстоянии. Как это возможно? Посредством чего? С помощью какого волшебства?
Когда сталкиваются бильярдные шары, тут все вроде бы понятно – они упругие, непосредственно взаимодействуют аж со стуком и разлетаются. А вот магнит… Как он действует дистанционно? Какими такими невидимыми ручками притягивает к себе скрепку? Разве не удивительно – самого предмета в этом месте пространства еще нет, а его влияние уже чувствуется другими предметами!
Вот тут физики и предложили свой вариант ответа. Наверное, есть некое невидимое поле, окружающее магнит, решили они, попав в которое железки начинают притягиваться. Поле это распространяется вокруг магнита и затухает с расстоянием, его сила постепенно падает до нуля. Поле магнита так и назвали – магнитным. С его помощью и происходит взаимодействие.
И у всякой массы тоже есть свое – гравитационное – поле. У малых масс оно слабенькое, а у большой Земли поле очень сильное, поэтому нас всех к ней притягивает.
И есть еще электрическое поле, которое притягивает бумажки к наэлектризованному янтарю и электроны к протонам.
Вот так все решили объяснить физики. Ловко! Взяли и заявили, будто существует некая невидимая и неосязаемая материя, окружающая тела.
Но если поле реально существует, значит, у него должны быть какие-то свойства, которые можно изучить. Физики стали их изучать, чтобы подтвердить свою догадку. И вскоре путем экспериментов нашли способ это самое невидимое поле визуализировать – косвенным образом, конечно же, – точно так, как мы наблюдаем черные пятна на фотоснимке, оставшиеся от невидимого рентгеновского излучения. То есть мы наблюдаем не сами рентгеновские лучи, а их следы, проявление.
Чтобы увидеть проявления магнитного поля, надо взять магнит, накрыть его листом бумаги и насыпать сверху крохотные железные опилки. И опилки, чувствующие поле, тут же расположатся в определенном порядке, показав нам устройство поля. Классический школьный опыт!
Визуализация магнитного поля с помощью железных опилок. Посмотрите, опилочки словно малюсенькие стрелочки компаса лежат вдоль дугообразных линий. Эти линии назвали силовыми линиями поля. Силовые линии поля словно выходят из северного полюса магнита (N) и, описав дугу, возвращаются в его южный полюс (S)
Дальше больше – выяснилось, что магнитное поле взаимодействует с электрическим. И вообще оно чем-то похоже на электрическое. В электричестве есть два заряда – положительный и отрицательный. И у магнита есть два полюса – северный и южный. Одноименные электрические заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются. И у магнитов так: одноименные полюса отталкиваются, а разноименные притягиваются!
Вот только электрические заряды можно разделить, накопив на каком-то предмете положительный заряд или отрицательный (если на предмете будет избыток электронов, как на янтаре, который шерстью потерли, он будет отрицательно заряжен, а если недостаток электронов – он будет заряжен положительно). А вот магнитные полюса разделить нельзя! Если мы разрежем магнит на две части посередине, на месте разреза тут же образуются новые полюса, и у нас в руках снова будет два двухполюсных магнита. Не бывает однополюсных магнитов!
На данном рисунке воображаемые линии поля нарисованы с условными стрелками
А как магнитное поле взаимодействует с электрическим? Весьма хитро! Магнитное поле действует только на движущиеся заряды. Если заряд относительно магнита покоится, замер, затаился, никакого взаимодействия нет, они просто не замечают друг друга, как кошка подчеркнуто не замечает неподвижный фантик. Но если фантик тронется, кошка начнет за ним настоящую охоту!.. Так и тут – стоит заряду двинуться, как магнитное поле его тут же «замечает» и начинает хватать и тащить.
Но что такое движущиеся заряды? Это, например, электрический ток в проводе! Возьмем проводник, то есть, попросту говоря, прямой провод, пропустим через него поток электронов и поместим в магнитное поле. Что получится?
Опыт Эрстеда. Слева батарейка. По проводу течет ток, под проводом – стрелка компаса. Нет тока – стрелка повернута как положено – по направлению север-юг. Но стоит пропустить по проводу ток от батареи, как стрелка забывает о магнитном поле Земли и повинуется бо́льшей силе – магнитному полю проводника с током
Такой опыт еще в начале XIX века поставил физик Эрстед. XIX век называют веком угля и пара, но это был еще и век покорения электричества. Эрстед, Вольт, Ампер, Фарадей – ученые, чьими именами сегодня названы различные физические единицы (силы тока, напряжения и т. д.), – это все великие имена XIX века… Открытие Эрстеда было случайным, как и многие другие открытия в науке. Демонстрируя студентам простейшую электрическую схему с батареей, Эрстед замкнул контакты выключателя, пустив по цепи ток, и увидел, как стрелка лежащего рядом компаса дернулась и повернулась перпендикулярно к проводнику.
«Между магнетизмом и электричеством есть связь!» – смекнул Эрстед. И дальнейшие опыты другого физика – Фарадея – эту связь не просто подтвердили, она оказалась неразрывной! Движущиеся электрические заряды порождали вокруг себя магнитное поле (на которое и реагировала стрелка компаса), и наоборот – движущийся внутри проволочной катушки магнит порождал в проволоке электрический ток (см. рисунок ниже).
Опыт Фарадея. Ушлый Фарадей совал магнит в деревянную катушку с намотанным проводом и диву давался: сунешь – прибор показывает, что по проволоке пробежал ток, и бежит он, пока магнит движется внутрь катушки. Обратно магнит начинаешь вынимать – стрелка отклоняется в другую сторону, то есть электрический ток течет в другую сторону, но течет он по проводам только пока вынимаешь магнит, то бишь пока магнитное поле вокруг проводов движется. А если магнит неподвижен, тока нету. Такие дела…
Так были придуманы генераторы и электромоторы! Ведь если безостановочно двигать внутри замкнутых проводников магниты, в проводниках будет возникать постоянный электрический ток. На этом принципе Фарадея работают все электростанции: река крутит турбины с магнитами внутри катушек, и по линиям электропередачи к потребителям идет ток. А там этот ток используют для освещения или переводят обратно в механическое движение, то есть во вращение токарного станка или, скажем, компрессора холодильника. Это делается по тому же принципу, только в обратном порядке – по принципу Эрстеда бегущий по хитро сплетенным проводникам ток приводит в движение магниты, то есть ротор электродвигателя, на которое насажено сверло или еще что-нибудь полезное… Вот в предельно упрощенной форме вся суть современной электрической цивилизации.
Вот вам принципиальная схема генератора постоянного тока, крутишь внутри рамки магнит – получаешь ток. Не крутишь – не получаешь
На схемах всё выглядит практически одинаково, но в инженерной реальности всё, конечно, гораздо сложнее – появляются угольные щетки токосъемников, сложная намотка проводов и так далее. Нам же главное не ковыряться в железе, а понять основной принцип работы генератора и электромотора: движущийся электрический заряд порождает вокруг себя магнитное поле. Это люди и научились использовать в неизмеримой хитрости своей.
А вот вам принципиальная схема электромотора. Подаешь на него ток – начинает крутиться магнит. Не подаешь – не начинает
Вы поняли? Еще раз… Движение зарядов по проводнику в опыте Эрстеда порождает магнитное поле, которое взаимодействует с магнитным полем стрелки компаса. И поворачивает ее. То есть движущееся электрическое поле порождает поле магнитное!
А движущееся магнитное поле в опыте Фарадея с катушкой порождает электрическое поле. Которое, взаимодействуя с электрическим полем электронов, толкает их по проводнику.
Одно поле порождает своим движением другое!
Продолжив эксперименты Эрстеда и Фарадея, наука постепенно поняла, что магнетизм и электричество есть одна и та же сущность, которую назвали электромагнитным полем. Просто в разных экспериментах мы видим разные ипостаси, то есть проявления этой физической сущности: у постоянного магнита мы видим только магнитную составляющую электромагнитного поля, а у одинокого неподвижного зарядика – только электрическую его составляющую.
Это как орел и решка у монеты. Орел и решка вроде бы разные, но это всего лишь две стороны одной реальности по имени монета. Так и магнетизм с электричеством – две стороны одной реальности по имени электромагнитное поле.
Но что же такое поле по сути своей, господа и дамы? Из чего оно сделано?
Вот, например, на этой картинке изображено магнитное поле проволоки с током. Оно – круговое. Силовые линии этого поля замкнуты. Это подтверждают и металлические опилки, рассыпанные на бумажке, которую проткнули проводником
Вопрос, конечно, интересный. И физиков он, разумеется, всегда занимал. Но физики народ выдержанный. Если они не могут пока ответить на какой-то вопрос – например, из чего сделан предмет, – они на время откладывают этот вопрос в сторону и спокойно изучают свойства этого предмета. Так, например, до сих пор никто не знает, что такое заряд по сути своей. Но это же не мешает нам пользоваться розеткой! Потому что физики прекрасно изучили свойства этой таинственной сущности. И может, когда-нибудь с более глубоких позиций поймут, что такое заряд. Но для того, чтобы пользоваться чем-либо, до таких глубин добираться не нужно, вы же пользуетесь телевизором, не зная, как он устроен внутри. Просто усвоили, что если нажать такую-то кнопку – случится то-то и то-то. Именно так и ведет себя наука по отношению к миру. Только она еще пользуется математикой для описания.
Еще вопрос. Если магнитное поле порождается движущимся электрическим зарядом и наоборот, то чем же порождается магнитное поле постоянного магнита? Ну, в самом деле, почему вот эта вот железка, тупо лежащая на столе, все время магнитит? Магнитное поле должно быть порождено движущимися зарядами! А где там они в куске железки?
Есть там зарядики! Это электроны, движущиеся по своим орбитам! Просто в магните атомы расположены в таком порядке, что электротоки синхронно крутящихся электронов как бы складывают свою силу, образуя единое магнитное поле. Упорядочивание расположения атомов в железке и называется намагничиванием. Если магнитные поля электрончиков расположены хаотично, как это бывает во всяком другом веществе, то все их магнитные поля компенсируются, и никакими магнитными свойствами в среднем вещество не обладает. Но в некоторых веществах атомы можно развернуть и расположить в определенном порядке. Тогда магнитная сила их электронов начинает складываться, и мы имеем магнит.
Впервые эту идею о существовании в куске магнита неких элементарных токов высказал гениальный французский физик Ампер. До него люди все искали особые магнитные заряды – наподобие зарядов электрических. И они были по-своему правы: на уровне микромира электрическое поле порождается электрическими зарядами, присущими микрочастицам. Они и есть носители поля, которое вокруг себя распространяют. Значит, магнитное поле тоже должно порождаться особыми магнитными частицами!.. Но Ампер сказал: да нету их, не ищите, магнитное поле порождается какими-то элементарными токами внутри самого металла!.. Это была гениальная догадка, ведь об электронах тогда еще ничего не знали, а планетная теория атома была разработана только через сто лет. На сто лет опередил свое время гениальный Ампер!
Ну, а раз никаких отдельных магнитных зарядов нет, а есть лишь заряды электрические, которые просто движутся и порождают вокруг магнитное поле… Если эти зарядики по-разному себя проявляют – то в виде электрических явлений, то в виде магнитных, – значит, электромагнитное поле действительно едино. И бессмысленно отделять орла от решки, это невозможно.
По-моему, все ясно. Или нет?
А что тут может быть неясного? Лежит магнит на столе. Притягивает железки, током не бьется. Мы видим только одну ипостась электромагнитного поля – магнитную.
Висит на ниточке электрический заряд, например, заряженный металлический шар. Гвозди и скрепки он не притягивает, но если к нему протянуть шаловливый пальчик – с треском проскочит искра, и по пальчику шарахнет электрический разряд. Никаких тебе магнитных проявлений, одни электрические.
Теперь если мы начнем двигать магнит, то увидим проявления электрического поля (которое сможем засечь, например, по его действию на пробный заряд).
А если начнем двигать заряд на ниточке, то сможем засечь проявление вокруг него магнитного поля (по его действию на магнитное поле стрелки компаса, например).
Вы, как человек умный, можете, хитро прищурившись, сказать: «Но ведь движение – штука относительная! Может двигаться заряд, а могу двигаться я сам относительно заряда. Или, допустим, еще круче – я стою напротив заряда, и он по отношению ко мне неподвижен и никаких магнитных свойств не проявляет. А мой приятель Петя начнет вокруг этого заряда носиться как полоумный. Это означает, что заряд будет относительно Пети двигаться. Но движущийся заряд должен порождать магнитное поле! При этом относительно меня заряд неподвижен, а относительно безумного Пети – очень даже подвижен! Так что же происходит на самом деле – порождает висящий заряд магнитное поле или нет?»
А все зависит от точки зрения! Вы, стоящий неподвижно, не заметите никаких проявлений магнитного поля. А безумный Петр Жопов, если на бегу проведет эксперименты, заметит магнетизм своими приборами.
Вот вам простая аналогия. Если вы встанете так, чтобы толстое дерево загораживало вам солнце, вы солнца не увидите. А вот бегающий Петя, которому дерево солнце не загораживает, его увидит.
Результат эксперимента зависит от условий его проведения, от точки зрения экспериментатора. В науке такую точку зрения называют системой отсчета. Если вы сидите в движущемся поезде, то в вашей системе отсчета поезд неподвижен, поскольку вы движетесь вместе с ним с той же скоростью. А вот относительно системы отсчета Пети, который стоит на полустанке, и поезд, и вы очень даже подвижны и со свистом проноситесь мимо, оставив господина Петю со взъерошенными волосами. А нельзя стоять так близко от электрички!
В общем, электромагнитное поле есть единая природная реальность. Просто можно найти такую точку зрения для наблюдения за ней, что вам будет видна только одна грань этой реальности – магнитная либо электрическая.
К интересным делам мы сейчас переходим! Ох, к интересным!..
Смотрите. Вот мы толкнули магнит, висящий на веревочке. Он начал движение. А движущееся магнитное поле порождает рядышком поле электрическое. Которое, естественно, тоже движется (вслед за магнитом). Но движущееся электрическое поле должно, в свою очередь, порождать рядышком магнитное поле! А магнитное – снова неподалеку порождает электрическое. И так далее. Что это? Электромагнитная волна побежала вокруг во все стороны!
Вокруг силовых линий магнитного поля закручиваются силовые линии поля электрического, а вокруг тех – снова магнитного и так далее. А теперь мы раз – и остановили качающийся магнит! Генерация волны прекратилась. Но те волны, которые уже были сгенерированы ранее и успели убежать, все еще кругами разбегаются от нас в мировое пространство, постепенно затухая.
Распространение электромагнитной волны, ее электрической и магнитной составляющих
Можно и по-другому поступить – начать трясти или колебать электрический заряд. Тогда в пространстве вокруг него тоже начнет распространяться волна электромагнитных возмущений. Качающийся заряд колеблет вокруг себя поле совершенно точно так же, как дрожащая струна колеблет воздух, периодически толкая его вокруг себя. При этом мы слышим звук струны.
Звуки – это волны в воздухе, то есть периодически налетающие на нас уплотнения и разрежения воздуха. Мы этих периодических сгущений и разрежений прозрачного воздуха не видим. Но слышим. А электромагнитную волну можем засечь приборно.
И раз уж у нас речь зашла о разных волнах, им придется уделить некоторое внимание.
