Читать книгу "Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса - Элен Черски"

Люди могут генерировать электрический ток и управлять им лишь потому, что имеют оба типа материалов – и проводники, и изоляторы. Это все, что вам нужно: мозаика из материалов, создающая нечто вроде лабиринта для электронов, где одни пути гораздо легче других, что позволяет управлять движением электронов, заставляя их поток выполнять те или иные полезные функции. Овладев основами такого управления, вы получаете возможность контролировать многие процессы в физическом мире.

⁂

Статическое электричество – только начало, истинные перспективы открываются, когда вам удается обеспечить систематическое и упорядоченное движение электронов и электрических зарядов. Электрическая сеть, которую мы используем для передачи электроэнергии на расстояние, – источник безграничных возможностей. Продвигая электрические заряды по проводам и управляя их потоком с помощью всевозможных переключателей и преобразователей, мы можем доставлять электроэнергию в места, где она будет использоваться для удовлетворения тех или иных потребностей человека. Электросеть – лишь один из способов перераспределения электроэнергии. Самое важное качество любой электрической цепи – то, что это цепь. То есть любая электрическая цепь должна представлять собой замкнутый контур, по которому электроны могли бы свободно перемещаться, не накапливаясь где-нибудь «на дальнем конце». Каждая электрическая цепь должна начинаться и заканчиваться на источнике питания – устройстве, которое поддерживает движение электронов, принимая их с одного конца, продвигая по цепи и возвращая обратно в цепь на другом конце. Источник питания немного напоминает лифт, доставляющий детей от подножия горки, по которой они скатываются к ее началу, на самый верх. Дети могут круглосуточно кататься на таком лифте вверх и спускаться по горке – до тех пор, пока лифт будет работать и сможет служить источником достаточной энергии, чтобы каждый раз доставлять пассажиров в ту точку, с которой они начали свой путь по горке. Правило любой электрической цепи гласит, что вы должны потратить всю дополнительную энергию, полученную от источника питания, чтобы доставить электроны обратно в то место, из которого они стартовали.

Что же заставляет электрон двигаться по электрической цепи? Первое обязательное условие – наличие электрического проводника, то есть того, что создает путь, по которому будет перемещаться электрон. Второе – наличие силы, которая будет продвигать электрон по проводнику.

Магнитик, закрепленный на дверце холодильника, и воздушный шарик, несущий на себе электрический заряд, имеют одно общее свойство – демонстрируют возможность создания невидимого силового поля, наличие которого выражается в том, что один стационарный объект отталкивает или притягивает к себе другой объект, находящийся поблизости. Это сходство не случайно, но истинная связь между тем и другим становится очевидной лишь при перемещении электрического или магнитного поля в пространстве. Прежде всего давайте вернемся к принципу силового поля. Нужно заметить, что полями могут пользоваться не только люди.

Дно ручья напоминает мутновато-коричневый лабиринт, устланный камнями, растениями и корнями деревьев. Примерно на метровой глубине под водой едва различимы два усика в виде антенн, осторожно высовывающихся из-за края валуна. Кажется, будто эти усики-антенны тщательно обследуют окружающую обстановку. Рядом появляется какой-то движущийся предмет, и усики мгновенно скрываются за валуном. Это пресноводная креветка – мусорщик, которая питается всевозможными отбросами, случайно попадающими в ручей. Она голодна, но очень чувствительна и осторожна. Где-то выше по течению в воде появился потенциальный враг. Он движется по водной поверхности к середине ручья, энергично загребая воду своими перепончатыми лапами, затем закрывает глаза, зажимает нос, затыкает уши и ныряет. Утконос проголодался и намерен отобедать.

Если креветка будет пребывать в полной неподвижности, это сохранит ей жизнь. Утконос плывет быстро, уверенно продвигаясь вперед, хотя сейчас он ничего не видит, не слышит и не обоняет. Его плоский клюв рыскает из стороны в сторону, сканируя ил, скопившийся на дне ручья. Еще одна креветка – потенциальная добыча утконоса, чувствует его приближение по характерным колебаниям воды, резко поджимает хвост и скрывается под галькой, усеивающей дно ручья. Утконос направляется в ее сторону. Сигнал, приведший к резкому сокращению хвостовой мышцы креветки, был электрическим. Этот электрический импульс создал кратковременное электрическое поле, сосредоточенное на креветке. Электрическое возмущение, передаваясь через воду, кратковременно воздействовало на близлежащие электроны. Хотя оно и заняло какую-то долю секунды, но этого оказалось достаточно. На верхней и нижней поверхностях клюва утконоса сосредоточен массив из примерно сорока тысяч электрических датчиков. Одновременного колебания воды и электрического импульса хватило, чтобы определить нужное направление и расстояние. Клюв ударяет дно ручья в нужном месте – и креветка отправляется в желудок животного.

Шевеление креветки выдало ее с головой, потому что изменило ее электрическое поле. Каждый электрический заряд притягивает или отталкивает другие близлежащие электрические заряды. Электрическое поле – лишь способ описания того, насколько сильно это притягивание или отталкивание в тех или иных местах. Когда же речь идет об электрических сигналах, это означает, что произошло перемещение электрического заряда и нечто, находящееся от него поблизости, уловило это, так как изменилось (увеличилось или уменьшилось) воздействие на это «нечто». Поскольку все мышечные движения сопровождаются перемещением электрических зарядов в мышцах, все эти движения генерируют электрические поля. Поэтому улавливание электрических сигналов – надежный способ ведения подводной охоты, если охотник находится недалеко от своей потенциальной добычи, никакая маскировка не поможет заглушить электрический сигнал. Рано или поздно любое живое существо будет вынуждено пошевелиться, и даже мельчайшее движение создаст электрический сигнал, который выдаст свой источник.

Если это так, то почему же мы не ощущаем электрические поля, которые сами же и создаем? Отчасти потому, что они довольно слабые, но главным образом потому, что в воздухе, который не проводит электричество, электрические поля быстро затухают. Поток воды (а особенно соленая морская вода) – очень хороший проводник электричества, поэтому электрические сигналы удается улавливать на гораздо больших расстояниях, чем в воздухе. Почти все виды живых существ, которые обладают органами, способными улавливать электрические сигналы, – это обитатели морей (к числу известных нам исключений относятся пчелы, ехидна и тараканы).

В электрической цепи электроны движутся потому, что в проводе существует электрическое поле. Оно толкает каждый электрон, продвигая его по проводу. Но откуда берется электрическое поле? Чтобы ответить на этот вопрос, лучше всего начать с батареи. Батареи бывают разных форм и размеров, но одну из их разновидностей я не забуду никогда. Это были специальные морские батареи, и я очень волновалась за их судьбу (они попали в сильный шторм во время проведения важного эксперимента), поскольку от них питался один из научных приборов.

Чтобы изучать физику поверхности океана во время шторма, нам нужно было выходить в море и наблюдать за поведением водной поверхности. Океан – очень сложная среда. Строить всевозможные теории, сидя в кресле в теплом кабинете, можно до бесконечности, только вряд ли такое теоретизирование способно принести реальную пользу, если вы собственными глазами не видели, как все происходит на самом деле. Но даже когда вы оказываетесь в реальной обстановке, на борту корабля в штормящем море, очень трудно «пощупать» именно тот водный слой, который интересует меня больше всего: слой на глубине двух-трех метров от поверхности воды. Знание того, что происходит на этой глубине, позволит нам понять, как «дышит» океан, что поможет давать более точные прогнозы погоды и строить более точные климатические модели. Но чтобы узнать подробности, вам нужно оказаться на указанной глубине, а это очень беспокойное и опасное место. Я не могу плавать в такой воде, но свои эксперименты должна проводить именно там. Для экспериментов с использованием научной аппаратуры требуется электропитание, которое могут обеспечивать электрические батареи. Но им придется работать непосредственно в море, болтаясь вверх и вниз на волнах, невдалеке от корабля. К моему счастью, электрические цепи способны работать не только на суше, но и на море, не боясь волн и болтанки.