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 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.
Без сомнения, вы также слышали об «уменьшительных» приставках «санти-» и «милли-». Первая означает одну сотую долю, а вторая – одну тысячную. Так что сантиметр – это одна сотая часть метра, миллиметр – одна тысячная метра, а миллилитр – одна тысячная доля литра. Полную табличку приставок можете посмотреть в отдельном блоке.
Приставки для сокращения наименований больших и малых величин. Не надо их запоминать: крайние почти нигде и никогда не применяются, а те, что в серединочке, сами собой запомнятся или давно уже вам известны.
Уменьшительные приставки.
Екто — одна септиллионная доля – 0,000 000 000 000 000 000 000 001. Обозначается значком у.
Зепто — одна секстиллионная доля – 0,000 000 000 000 000 000 001. Обозначается значком z.
Атто — одна квинтиллионная доля – 0,000 000 000 000 000 001. Обозначается значком a.
Фемто — одна квадриллионная доля – 0,000 000 000 000 001. Обозначается значком f.
Пико — одна триллионная – 0,000 000 000 001. Обозначается значком p.
Нано — одна миллиардная – 0,000 000 001. Обозначается значком n.
Микро — одна миллионная – 0,000 001. Обозначается значком u.
Милли — одна тысячная – 0,001. Обозначается значком m.
Пример: 200 ml, то есть один стакан, папина доза чаю.
Санти — одна сотая – 0,01. Обозначается значком c.
Пример: 100 см, а сто сантиметров это как раз 1 метр.
Деци — одна десятая – 0,1. Обозначается значком d. Пример: 1 dm, то есть 10 сантиметров или одна десятая метра.
Увеличительные приставки
Дека — десять – 10. Обозначается значком D
Пример: 4 Dl – четыре декалитра, то есть 4 ведра по 10 литров.
Гекто — сто – 100. Обозначается значком h.
Кило — тысяча – 1000. Обозначается значком К.
Мега — миллион – 1 000 000. Обозначается значком M.
Гига — миллиард – 1 000 000 000. Обозначается значком G.
Тера — триллион – 1 000 000 000 000. Обозначается значком T.
Пета — квадриллион – 1 000 000 000 000 000. Обозначается значком P.
Экса — квинтиллион – 1 000 000 000 000 000 000. Обозначается значком Е.
Зетта — секстиллион – 1 000 000 000 000 000 000 000. Обозначается значком Z.
Етта — септиллион – 1 000 000 000 000 000 000 000 000. Обозначается значком Y.
И еще одну хитрость вам открою. Вы видите, сколько нулей тут написано? Очень много. Неудобно и долго записывать их, попутно пересчитывая и оставляя пробелы между каждой тысячей, чтобы удобнее было эти нули подсчитывать. Поэтому в науке – там, где встречаются такие длинные числа, – принято запись сокращать. Количество нулей просто обозначают маленькой вспомогательной цифиркой над десяткой. Эта маленькая цифирка называется степенью.
Например, вместо миллиона с его шестью нулями пишут так – 106. Это читается как «десять в шестой степени» или 10, умноженное на 10 шесть раз: 10×10×10×10×10×10 = 1 000 000.
А 109 – это миллиард, то есть единица и 9 нулей: 1 000 000 000.
103 – это единица и три нуля или 10х10х10 = 1000. Тысяча.
102 – это 100.
1012 – триллион, единичка с 12 нулями: 1 000 000 000 000.
Все просто, правда?
Тогда скажите, что такое десять в первой степени – 101? Это единица с одним нулем! То есть просто десять. Маленькая единичка тут ни о чем не говорит, поэтому ее никогда и не пишут, если речь идет просто о десятке.
А что делать, если нам надо указать очень маленькое число? Тогда тоже ставят маленькую циферку степени, но со знаком минус. И она означает количество цифр после запятой.
Например, десять в минус первой степени 10-1 – это одна десятая часть: 1/10 = 0,1.
А сколько будет десять в минус шестой – 10-6? Шесть нулей – это миллион. Значит, речь идет об одной миллионной доле: 0,000 001.
А 10-12 – это одна триллионная часть (в триллионе двенадцать нулей).
Теперь вы владеете «нотной грамотой науки». И сами запросто определите, что такое 2 × 103, например. Правильно, это два, умноженное на десять в третьей степени (то есть на тысячу). То есть просто 2000.
Если у вас есть 5 тысяч рублей, можете в строгом соответствии с научными правилами назвать их пятью килорублями или записать как 5×103 руб. Шикарно!
Посмотрите на картинку ниже. На ней белым фоном выделен тот диапазон частот, который слышит наше ухо – от 20 Гц до 20 тысяч Гц. А также показано, в каком диапазоне издают звуки различные музыкальные инструменты и некоторые животные. Низкие звуки, то есть звуки малой частоты, мы воспринимаем, как протяжный гул, а высокочастотные – как противный тонкий писк. У мамы частота звука гораздо выше, чем у папы, поэтому ее голос тоньше и визгливее. А у папы солидный бас или баритон, потому что мужской голос имеет низкую частоту и, соответственно, выглядит солиднее и убедительнее. И кулаки у папы больше.
Самый богатый инструмент из нарисованных на картинке – арфа. Арфа издает звуки наиболее широкого диапазона – гудит толстыми струнами от 30 герц и звенит самыми тонкими на 3000 герцах.
С другими инструментами, а также собачками и каркающими воронами тоже все ясно. А вот кузнечики, дельфины и летучие мыши умеют, как видите, издавать не только такие звуки, которые мы слышим (в белом поле), но и лежащие за пределами порога нашей слышимости (в сером поле).
Вот дельфин. Он издает звуки примерно от 5 тысяч герц до 180 тысяч! Таких звуков мы слышать не можем.
Издаваемые звуки и слышимый человеком диапазон
Начнем с высоких нот. По мере роста частоты звук постепенно истончается, переходит в противный писк и, наконец, перестает быть слышным, переходя в ультратонкую область.
В одном из восточных храмов прихожан поражал такой фокус – в металлический чан наливают воду, потом проводят по краю чана мокрыми пальцами, и на глазах у изумленной публики вода в чаше вдруг вскипает! Она реально начинает бурлить. И бурлит, пока водишь пальцами по краю сосуда.
Причина явления – ультразвук. Емкость сделана так, что трение по ее краю пальцем производит в металле звуковые волны ультразвуковой частоты. Металл передает свои колебания воде, и она начинает бурлить. Никаких чудес, сплошная физика.
Вообще, ультразвук «любит» твердое. Короткие волны, то есть волны высокой частоты, затухают быстрее, чем волны длинные (низкочастотные). Так, звук с частотой 10 000 герц поглощается в 100 раз сильнее, чем звук с частотой в 1000 герц. Но при этом твердое лучше проводит звук, чем жидкое и газообразное. Поэтому предпочтительная для ультразвука среда – кристаллические структуры, например, металл.
Максимальная частота ультразвука, которую удалось получить ученым – 25 миллиардов герц.А максимальная теоретически возможная – 100 миллиардов Гц. Волны с большей частотой не смогут распространяться даже в твердой среде, поскольку будут сразу затухать прямо возле источника колебаний. Но даже и ультразвук с частотой в 25 млрд герц, полученный в экспериментах, распространяется на совсем малые расстояния, в твердых кристаллах кварца при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю.
Люди вовсю используют ультразвуковые колебания в технике. С помощью ультразвуковых ножей в мастерских режут оргстекло и резину, а на кондитерских предприятиях – торты и пирожные. Казалось бы, зачем резать торты ультразвуковым лезвием, простого ножа что ли мало? А затем, что линия реза при этом получается очень ровная, потому как к лезвию ножа ничего не прилипает, поскольку он вибрирует с высокой частотой.
Как звук сфокусировать в одном направлении? Обычный рупор делает это прекрасно. Звуки отражаются от стенок рупора и не разлетаются в стороны, а направленно летят в сторону «цели».
Короткие волны легче фокусировать, получая направленный звуковой луч. С помощью таких лучей просвечивают металлические детали в поисках внутренних дефектов (трещинок, полостей). Это порой бывает весьма важно – например, на железнодорожном транспорте таким образом ищут дефекты в рельсах, потому что от нагрузок трещинка может увеличиться, рельс лопнет и поезд сойдет с рельсов. Поэтому едет по путям специальный вагон-дефектоскоп, просвечивает ультразвуком рельсы и, при обнаружении дефектного, дает команду на замену. С помощью специального оборудования в металле рельса возбуждают высокочастотные колебания, ловят отраженное эхо и по характеру отраженной волны понимают, есть внутри рельса дефект или нет. Это называется эхолокация.