65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё - Кирилл Викторович Половников
Хорошо, пусть у магнита два полюса. Но что будет, если распилить его пополам? Получим ли мы два куска магнита: первый только с северным полюсом и второй только с южным? Оказывается, что нет. В реальности мы просто получим два маленьких магнита, и у каждого из них будет также по два полюса. И так можно пилить магнит хоть до бесконечности – мы всё равно будем получать более мелкие магниты с двумя полюсами. На научном языке это можно сформулировать так: не существует магнитных зарядов (или магнитных монополей). Причина этого кроется в том, как возникает магнитное поле. Об этом мы поговорим в главе «Откуда берется магнитное поле?» (стр. с. 75).
Но давайте вернемся к компасу и разберемся, как же он работает и при чем тут магниты. А дело тут в том, что наша Земля сама по себе является магнитом. Да-да, такой огромный магнит размером с целую планету. Причем южный магнитный полюс Земли расположен вблизи северного географического полюса (близко, но не точно на полюсе), а северный магнитный – вблизи южного географического[16]. Кстати, именно благодаря наличию у Земли собственного магнитного поля стало возможно возникновение и существование жизни. Потому что оно защищает поверхность Земли от космического излучения и солнечного ветра, состоящего из потоков очень быстрых заряженных частиц, способных разрушить все органические молекулы, из которых мы состоим.
Теперь, если мы возьмем очень маленький магнитик – тонкую железную стрелку и подвесим ее за центр на тоненькой иголке, чтобы стрелка могла свободно вращаться, то северный полюс стрелки притянется к южному магнитному полюсу Земли, т. е. укажет направление на север; а южный полюс стрелки – соответственно, направление на юг.
Так будет, но с небольшими оговорками. Во-первых, стрелка компаса указывает не строго на север, а почти на север (расстояние от северного географического полюса до южного магнитного сегодня составляет порядка 400 км), поэтому более точные навигационные приборы обязательно делают на это поправку. Во-вторых, на стрелку компаса могут повлиять другие магниты, находящиеся поблизости, или даже местные горные породы, содержащие намагниченное железо (например, Курская магнитная аномалия).
Вопрос 13. Что такое электрический ток, откуда и куда он «течет»?
В главе «Откуда берется электричество и какое оно бывает?» (стр. 56) мы уже выяснили, что электрические явления порождаются электрическими зарядами. Теперь давайте обсудим, как они могут двигаться. Оказывается, не по любому предмету заряды могут достаточно свободно перемещаться. По этому признаку все вещества можно разделить на три типа:
1) Проводники – по ним заряды бегут очень легко. К проводникам в основном относятся металлы, полуметаллы, некоторые жидкости (вода, даже с небольшим количеством растворенной соли) и ионизированные газы (плазма).
2) Диэлектрики (или изоляторы) – по ним заряды вообще бежать не могут. Например, стекло, резина, дерево, пластмасса, дистиллированная вода и обычные газы.
3) Полупроводники – что-то среднее между проводником и диэлектриком. Например, алмаз, германий, кремний, арсенид галлия и множество других химических соединений.
Получается, что если зарядить какой-либо предмет (например, расчесать пластиковой расческой вашего кота) и прикоснуться к нему деревянным или пластмассовым предметом, то заряд так и останется на месте и никуда не «убежит», потому что дерево и пластмасса – это диэлектрики. А если вы прикоснетесь к нему металлическим предметом, то часть заряда перебежит по этому проводнику на вас. Так вот процесс, когда заряды будут «бежать» по проводнику с предмета на вас, мы назовем электрическим током, потому что это и есть направленное движение заряженных частиц.
Конечно, это движение будет длиться совсем короткий промежуток времени, и мы вряд ли сможем что-то про него понять. Поэтому, чтобы изучить свойства электрического тока во всех деталях, физикам пришлось придумать «резервуары» большого количества зарядов – батарейки. Это такие мини-фабрики по разделению электрических зарядов. За счет химических реакций, протекающих внутри батарейки, на одном ее конце (он называется анод) скапливается большое количество электронов, а на другом (он называется катод) – их недостает. Поэтому, если соединить эти концы проводником, то электроны «побегут» с одного конца на другой, создавая электрический ток. А почему они должны «побежать»? Да потому что все они заряжены отрицательно и отталкиваются друг от друга, им обязательно нужно «разбежаться» как можно дальше. Кроме того, на катоде скопился избыточный положительный заряд, который их еще дополнительно притягивает. А при перемещении электронов от анода к катоду электроны можно заставить немного поработать. Например, если где-то на их пути подключить лампочку, или вентилятор, или еще какой полезный электроприбор.
Вопрос 14. Откуда берется магнитное поле?
Мы уже обсуждали[17], что существуют постоянные магниты, которые сами по себе создают вокруг себя магнитное поле. Это магнитное может воздействовать на стрелку компаса и сбивать его с «пути истинного», т. е. с направления «строго на север». Значит, мы можем использовать компас для изучения магнитных полей: если стрелка отклонилась, значит на нее подействовала магнитная сила, следовательно, где-то рядом появился магнит. Именно компас помог сделать открытие первого явления, связывающего электричество и магнетизм. Произошло это зимой 1819–1820 годов, когда датский физик Ханс Кристиан Эрстед (1777–1851) во время одной из своих лекций демонстрировал студентам эксперимент по нагреванию проводника током. В этот момент на его рабочем столе оказался забытый кем-то компас. Когда Эрстед пустил по проводам электрический ток, один из студентов заметил, что стрелка компаса повернулась. Это было чем-то совершенно удивительным! Ведь в проводнике нет никакого магнита, сам по себе он на стрелку компаса не воздействует. Батарейка тоже. Но стоит лишь включить ток, как стрелка компаса начинает отклоняться. Выходит, что именно движущиеся электрические заряды создают магнитное поле.
Компас также помог более детально изучить это явление. Если его перемещать вокруг проводника, то можно определить, в каком направлении будет действовать магнитная сила – по тому, в какую сторону будет поворачиваться стрелка компаса. Так удалось понять, что магнитное поле как бы закручивается вокруг электрического тока, т. е. магнитные силы направлены не в сторону проводника, а перпендикулярно ему. В школьном курсе физики для определения направления этих сил используют правило правой руки: если сжать правую ладонь в кулак, а вытянутый большой палец направить вдоль тока, то
