Александр Никонов - Физика на пальцах. Для детей и родителей, которые хотят объяснять детям
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 чего тут 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 очень умный! И вы 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 Петя, 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 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 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.
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.
Волны – это круто!
Глава 2
Сплошные волнения
Какие бывают волны? Продольные и поперечные. Самые привычные для нас волны – на море. Вверх-вниз, вверх-вниз. Это поперечная волна, потому что среда колеблется поперек направления бега волны. Волна бежит по морю вдоль поверхности, к берегу, то есть горизонтально, а частички воды согласованно колеблются в перпендикулярном направлении – вверх и вниз. Такая же волна образуется, если колебать привязанную к дверной ручке веревку.
Поперечная волна
А есть волны продольные. Там колебания среды, по которой распространяется волна, происходят вдоль направления бега волны. Наиболее наглядный пример – растянутая пружина, толкнув которую, мы запускаем волну уплотнений и разрежений витков.
Продольная волна
Воздушные волны как раз продольные, в них распространяются сгущения и разрежения упругих молекул воздуха.
Звуковая волна
?Какие еще есть характеристики у волны?Скорость волны. Мы про это уже говорили. Скорость зависит от среды, в которой распространяется волна. Чем она плотнее, тем выше скорость волны.
Еще одна характеристика волны – амплитуда! То есть высота волны. Амплитуда – характеристика мощности. Чем выше амплитуда, тем мощнее волна, что понятно.
Две волны с разными амплитудами
Еще одной важнейшей характеристикой является длина волны или ее частота. Длина волны – это расстояние между ближайшими гребнями поперечной волны (или соседними областями сжатия в волне продольной). А частота – количество колебаний в секунду. Частота измеряется в герцах. 1 герц – это одно колебание в секунду. 50 Гц – 50 колебаний.
Длина волны и частота – обратные величины, что совершенно понятно: чем больше длина волны, тем меньше частота и наоборот. У волны с огромной частотой длина волны крохотная. Давайте покопаемся в этом на примере звуковых волн.
Звуковые волны какой частоты мы слышим? Мы ведь воспринимаем не все звуковые волны, а только лишь определенный диапазон частот, на который от природы настроен наш приемник под названием ухо.
Волны с разными частотами (длинами волн).
Так вот, наше ухо воспринимает звуковые волны с частотой от 20 Гц до 20 тысяч Гц или, что то же самое, до 20 килогерц.
Я уверен, что вы прекрасно знаете приставку «кило-» в слове «килограмм». Она означает «тысяча». Килограмм – это тысяча грамм. Такого рода приставок довольно много. Наверняка вы знаете и приставку «мега-», означающую «миллион». Мегабайт – это миллион байтов. А гигабайт – целый миллиард байтов. Чем больше гигабайт памяти в вашей флэшке или компьютере, тем лучше.
