65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё - Кирилл Викторович Половников
Но как нам быть с постоянными магнитами? Они же не подключены ни к какой батарейке. Откуда у них магнитное поле? Для объяснения этого явления нам придется привлечь несколько идей из квантовой физики. Оказывается, что электроны, из которых все состоит, сами по себе являются маленькими магнитами. Физики говорят, что у электрона есть собственный магнитный момент или спин. Это чисто квантовая характеристика, не имеющая аналогов в классической механике. Хотя иногда для иллюстрации представляют электроны как шарики, вращающиеся вокруг своей оси, – это аналог спина. Вращение заряженного шарика может рассматриваться как круговой электрический ток, генерирующий магнитное поле электрона, – это аналог магнитного момента. Но нужно понимать, что это всего лишь аналогии. В действительности электрон, конечно же, никуда не крутится и вообще вряд ли представляет собой заряженный шарик. Тем не менее наличие магнитного момента у отдельных электронов – это экспериментальный факт. Так что давайте договоримся, что будем понимать под спином еще одну характеристику электрона, наряду с массой и электрическим зарядом.
Рис. Правило правой руки.
Кроме того, что электроны обладают собственным магнитным моментом, они еще вращаются вокруг ядер атомов[18], создавая за счет этого дополнительное магнитное поле. А поскольку внутри вещества этих электронов огромное количество, то их суммарное магнитное поле может достигать довольно больших значений. Однако для этого нужно, чтобы все эти магнитные поля были выстроены примерно в одном направлении. У обычных веществ так выстроить все свои электроны не получается – там магнитные моменты всех электронов ориентированы как попало, так что они просто компенсируют друг друга, и итоговое магнитное поле оказывается равным нулю. Но есть в природе особые вещества, ферромагнетики, у которых магнитные поля всех электронов могут выстроиться в одну и ту же сторону. И тогда происходит их взаимное усиление, а кусок такого вещества превращается в постоянный магнит.
Вопрос 15. Как при помощи магнита получить электричество?
Воздействие проводника с током на магниты – это довольно интересное свойство, поскольку оно четко показывает, что электричество и магнетизм как-то связаны друг с другом. И если с помощью электричества можно получать магнитное поле, то, наверное, с помощью магнитов можно получать электричество. Но как превратить магнетизм в электричество? Этим вопросом задавались многие ученые XIX века. И только Майкл Фарадей 29 августа 1831 года придумал, как это сделать. Это было очень важным открытием, потому что именно таким способом мы до сих пор получаем бóльшую часть электричества.
А суть эксперимента Фарадея была в следующем. Он взял спираль из медной проволоки и подключил ее к гальванометру (прибору для измерения силы электрического тока). Если больше ничего не делать, то никакого тока по проволоке не возникает (ведь никакой батарейки в этой цепи нет). Но как только Фарадей начинал вводить магнитный брусок в эту спираль, в цепи появлялся электрический ток и стрелка гальванометра отклонялась. А когда после этого он вытаскивал магнит обратно, то стрелка гальванометра отклонялась в обратную сторону, т. е. направление электрического тока менялось на противоположное.
Выходит, что если перемещать (именно перемещать, а не просто положить) возле проводника магнит, то в этом проводнике возникает электрический ток. Или более точно: изменяющееся во времени магнитное поле создает (индуцирует) электрический ток. Поэтому Фарадей назвал это явление электромагнитной индукцией. На нем основан принцип работы электрогенераторов и электромоторов, без него была бы невозможна работа индукционных плит и беспроводная зарядка мобильных устройств. Но, пожалуй, самое важное применение электромагнитной индукции состоит в том, что с ее помощью мы научились получать электричество.
Вопрос 16. Как работают электростанции?
Для производства большого количества электроэнергии люди до сих пор используют явление электромагнитной индукции, открытое Фарадеем еще в начале XIX века. Только, в отличие от его опытов, сегодня не магнит перемещают возле проводника, а проводник вращают в магнитном поле (потому что магниты большие и тяжелые и двигать их гораздо тяжелее, чем маленькие и легкие проводники). А принцип работы электрогенератора такой: берется постоянный магнит (либо два магнита, повернутые друг к другу противоположными полюсами), между полюсами магнита помещается рамка из проволоки, которую можно подключить к какой-нибудь полезной нагрузке, например лампочке, и далее эту рамку начинают вращать.
При вращении рамки магнитный поток, проходящий через нее, будет постоянно изменяться. Следовательно, по закону электромагнитной индукции, в этой рамке возникает (индуцируется) электрический ток. Этот ток, проходя через лампочку, заставляет ее светиться[19]. Так механическая энергия (энергия вращения) преобразуется в электрическую энергию. Т. е. для генерации тока обязательно нужно что-то покрутить[20].
На этом принципе основана работа почти всех электростанций (кроме солнечных). Все они отличаются только способом заставить генератор крутиться и видом используемого топлива. Как же они раскручивают свои генераторы и зачем для этого топливо? Руками крутить генератор довольно тяжело, да и ни одного человека не хватит надолго. Поэтому используют, например, силу ветра – чтобы ветер вращал лопасти «мельницы», к которой подключен электрогенератор. Либо можно использовать течение воды, как это делают в гидроэлектростанциях. Тут никакого топлива не требуется.
Однако бóльшая часть электроэнергии, которую использует человечество, вырабатывается тепловыми электростанциями. В них вращение электрогенератора осуществляет турбина, через которую пропускают водяной пар под высоким давлением. Так можно раскрутить турбину до очень высоких скоростей и получить много электроэнергии. Но чтобы получить водяной пар, нужно вскипятить воду, а для этого ее нужно хорошенько разогреть. Вот для чего необходимо топливо: уголь, природный газ, мазут или даже радиоактивный уран[21].
Поэтому схема работы тепловой электростанции следующая. Сжигая топливо, мы получаем тепло. Это тепло идет на разогрев воды. После закипания вода превращается в пар, который по системе труб поступает в турбину. Турбина раскручивается и вращает электрогенератор, который за счет явления электромагнитной индукции и вырабатывает электрический ток.
Так происходит преобразование химической энергии (т. е. энергии химических связей атомов топлива) или ядерной энергии (т. е. энергии связи ядер урана) сначала в тепловую, потом в механическую и потом уже в электроэнергию, которую мы можем использовать у себя дома.
Вопрос 17. Как связаны электрические и магнитные поля?
В главе «Откуда берется магнитное поле» (стр. 75) мы выяснили, что магнитное поле возникает из-за движения электрических зарядов. Кроме того, изменяющееся магнитное поле может создавать электрическое, которое индуцирует электрический ток (явление электромагнитной индукции). Получается,
