Удивительная физика Гулиа Нурбей
А вот вообще курьезный случай. Летом 1865 г. в окрестностях Вены у доктора Дрендингера украли кошелек, причем кошелек был с вензелем доктора – DD. Так молния не только настигла вора и ударила в него, но и выгравировала вензель доктора на его бедре. Помочь пострадавшему позвали этого же доктора, который и опознал свой вензель!
И наряду с этими «ювелирными» работами молнии совершают поистине чудовищные разрушения – превращают в развалины дома, вырывают с корнем деревья, раскалывают надвое корабли. На рис. 304 изображен корабль «Моисей», расколотый надвое ударом молнии 3 августа 1852 г. близ Мальты. Погибли все пассажиры, кроме капитана, который спасся, проплавав 17 часов на доске. Что же такое молния? В грозовом облаке вода находится в виде кристаллов льда. Эти кристаллики трутся друг о друга, генерируя статическое электричество. При этом потенциал возникшего электрического заряда оценивается в среднем примерно в 5 · 107 В, а сила тока – около 200 000 А. Эту силу тока, кстати, определяют по степени намагниченности стальных стержней громоотводов при ударе молний. Известно, что мощность в ваттах есть произведение потенциала в вольтах на силу тока в амперах, причем средняя мощность вдвое меньше максимальной. Получаем 5 · 109 кВт. Если принимать во внимание максимальные показатели – длина молнии свыше 50 км, напряжение в 1 · 109 В, а силу тока в 500 000 А, то мощность уже будет 2,5 · 1011 кВт. Эта мощность соизмерима с мощностью мировой энергетики. Но много ли энергии содержится в молнии?
Чтобы ответить, нужно знать время жизни молнии. Вы заметили, что во время вспышки молнии все движущиеся предметы – и автомобили, и пешеходы кажутся неподвижными? Это потому, что искровой разряд, которым является молния, протекает крайне быстро, в среднем около 0,001 секунды. Помножим на это время мощность молнии и получим ее энергию. Она будет для средней молнии равна 1 400 кВт·ч. Это примерно годовой расход электроэнергии для средней квартиры. Ну а молния-рекордсмен потянет на 70 000 кВт·ч. Много это или мало, решайте сами.
Наряду с таким грозным проявлением атмосферного электричества, как молния, существует и более «мирный» и спокойный способ электрического атмосферного разряда – огни святого Эльма. Эти огни были так названы потому, что в Средние века их часто видели на шпиле церкви святого Эльма в одном из городов Франции.
Эти огни – медленный, коронный электрический разряд на высоко поднятых металлических остриях – громоотводах, шпилях, мачтах и т. д. Чаще всего такой разряд происходит во время гроз, когда эти предметы оказываются под высоким электрическим потенциалом.
В древности считалось, что огни святого Эльма нисходят с неба и садятся на мачты кораблей, если за участь моряков вступаются божества Кастор и Поллукс. Так в Древнем Риме и назывались эти огни, если появлялись парами, – огни Кастора и Поллукса. Если же огонь появлялся в единственном числе, то он предвещал несчастье и тогда назывался Елениным огнем. Позже, с ликвидацией язычества, этот огонь, уже святого Эльма, стал считаться благоприятным признаком, даже если был и один.
Огни святого Эльма можно получить в домашней обстановке, если наэлектризовать, например, лист оргстекла (плексигласа), натерев его сухой шерстяной тряпкой, и приблизить к нему полураскрытые ножницы остриями вперед. Если проводить этот опыт в темноте, то на остриях ножниц появятся дрожащие лиловые пучки светящихся нитей. Нити эти будут издавать легкое шипение. Если сделать вертушку из заостренной проволоки и наэлектризовать ее, то она завертится, а на остриях вертушки появятся миниатюрные огни святого Эльма. Для возникновения этих огней нужен потенциал не ниже 30 000 В.
Огни святого Эльма посещали в путешествиях и Колумба, и Магеллана, не говоря уже о Юлии Цезаре. «В одну из ночей, – писал Цезарь, – железные острия копий пятого легиона казались огненными». Римский философ Луций Анней Сенека 2 тысячи лет назад описал, как во время грозы «сошедшие с неба звезды, словно птицы, садились на мачты кораблей», к радости моряков.
Во Франции особенно часто огни святого Эльма «любят» посещать шпиль собора Парижской Богоматери (рис. 305). Иногда эти огни могут и «пошутить». Например, в 1769 г. во время грозы, когда на кресте колокольни показались огоньки, два соседа прибежали на колокольню, чтобы потушить, как они считали, пожар. Но огни святого Эльма перекинулись на головы добровольных пожарных и прогнали их домой. Хорошо, что эти огни совершенно холодные, они не могут даже поджечь спички.
Иногда огонь святого Эльма охватывает все тело человека, тогда ощущается сильное жжение. Один из туристов, который 22 июня 1867 г. поднялся на высоту 3 200 м в Альпах, вдруг ощутил такое жжение, «как будто пчелы забрались под одежду». Он последовательно сбросил плащ, сюртук, рубашку. Все тело, особенно концы пальцев, уши и другие отстоящие от его тела части излучали сияние, туристические палки в руках вибрировали и тоже светились. Турист бросился бежать вниз и огни святого Эльма постепенно покинули его.
Иногда огни святого Эльма путают с блуждающими огнями, которые возникают на «страшных» местах – кладбищах, болотах, бойнях и т. д. Природа этих блуждающих огней совершенно другая – это фосфористый водород, выделяющийся при гниении органических веществ, самопроизвольно загорается и горит «холодным» светом.
Когда утонувшая в крови Парижская коммуна зарыла в одну общую яму тысячи расстрелянных трупов, то весь запад Парижа превратился в огромное кладбище. И по ночам над оврагами блуждали и горели огоньки, словно души загубленных людей. «Вот все, что осталось от дела, по самому существу своему зловредного», – так заключает рассказ о блуждающих огнях Фламмарион.
Шаровая молния – что это?
Шаровая молния (рис. 306) – это таинственное и непонятное явление, природа которого неясна до сих пор. Редкое явление, с которым человечество знакомо тысячи лет, до сих пор не разгадано наукой. Но шаровая молния – именно такое явление. Ведет она себя совершенно непредсказуемо. То она свободно проходит сквозь стекла, то гуляет по воздуху, как по ветру, так и против него, то «вдувается» в комнату через штепсельную розетку.
Иногда шаровая молния ведет себя шаловливо. Вот что пишет об этом Фламмарион. 29 августа 1791 г. недалеко от города Павии к молодой крестьянской девушке подкатил огненный шар, величиной с «два кулака», проскочил к ней, простите, под юбку, покрутился там немного и вышел из-под корсажа, не теряя круглой формы. В момент нахождения шара под юбкой последняя расширилась как открытый зонтик. Девушка осталась цела и невредима, но нижняя рубашка ее была изорвана в клочья.
Рассказывать о всех проделках шаровых молний не хватит ни времени, ни места. В общей сложности учеными собрано несколько тысяч описаний шаровой молнии, отличающихся друг от друга. Часто эта молния залетала в дома (рис. 307). Однако особенно примечателен «опыт с бочонком», описанный английским профессором Б. Гудлетом. Никто не планировал этот эксперимент, просто обстоятельства сложились столь удачно, что профессор даже смог достаточно точно подсчитать внутреннюю энергию (энергоемкость) шаровой молнии.
Шаровая молния размером с большой апельсин (диаметром 10—15 см) залетела в дом через окно на кухне и оказалась в бочонке с водой. Хозяин дома, присутствовавший при этом и со страхом ожидавший развязки, заметил, что вода в бочонке, недавно принесенная из колодца, кипит. Вскоре вода перестала кипеть, но и 20 минут спустя в нее нельзя было опустить руку. Шаровая молния, израсходовав свою энергию на кипячение воды, исчезла без взрыва. Похоже, она в течение нескольких минут находилась под водой, поскольку ее не было видно.
В бочонке помещалось около 16 л воды, значит, энергия, необходимая для ее кипячения, должна составлять от 1 до 3,5 кВт·ч.
В действительности энергия молнии наверняка была еще больше, так как по пути к бочонку пережгла телеграфные провода и опалила оконную раму.
Профессор Гудлет определил также плотность энергии молнии. Зная примерный объем шаровой молнии – около 1 л и взяв средний показатель плотности 0,01 г/см3, он получил массу 10 г. Это типичная для шаровой молнии масса, в пределах 0,5 – 50 г. Плотность энергии молнии оказалась соответственно 100 кВт·ч, или 360 МДж/кг на 1 кг массы! То есть плотность энергии шаровой молнии в сотни и тысячи раз выше, чем у лучших электрохимических аккумуляторов!
«Опыт с бочонком» не был уникальным. Во все последующие времена всегда попадание шаровых молний в баки, канистры и ведра с водой вызывало вскипание их содержимого. Просто «опыт с бочонком» профессора Б. Гудлета наиболее подробно и достоверно разобран ученым, а не простым обывателем.
Американский исследователь Гарольд У. Льюис высказал мнение, что если бы объем шаровой молнии был заполнен напалмом или желеобразным бензином, то энергия напалмового шара равнялась бы энергии шаровой молнии таких же размеров. Правда, плотность энергии в этом случае будет в несколько раз меньше – около 50 МДж/кг, так как плотность напалма больше, чем шаровой молнии, но и это чрезвычайно много!
Из множества попыток объяснить природу шаровой молнии пока ни одна не увенчалась успехом. Внимание привлекают две противоположные гипотезы. Согласно первой из них, выдвинутой в XIX в. знаменитым французским ученым Домиником Араго, шаровая молния – особое соединение азота с кислородом, энергия взаимодействия которых и расходуется на существование шаровой молнии. Этой же точки зрения придерживался французский астроном и физик Матиас, который полагал, что энергия шаровой молнии вчетверо больше, чем энергия такого же шара, наполненного нитроглицерином.
К сожалению, подобных соединений химикам создать пока не удалось, хотя, как можно судить по некоторым сообщениям, надежд на это они все-таки не теряют. Уверяют, что горение этих соединений по своему эффекту будет мало чем отличаться от взрыва шаровой молнии.
Известный физик Я. И. Френкель, сторонник первой гипотезы, считал шаровую молнию сфероидным вихрем смеси частиц пыли или дыма с химически активными (из-за электрического разряда) газами. Такой шар-вихрь, подчеркивал ученый, способен на длительное независимое существование. Действительно, согласно наблюдениям, шаровая молния появляется в основном при электрическом разряде в запыленном воздухе и оставляет после себя дымку с острым запахом.
Недавно открытое учеными явление хемилюминесценции вновь вызвало интерес к первой гипотезе возникновения шаровой молнии. Ряд исследователей утверждает, что шаровая молния не что иное, как хемилюминесцентное образование (ХЛО), которое тоже наблюдается в запыленном воздухе.
Так или иначе, но эта первая гипотеза, по которой вся энергия шаровой молнии находится внутри ее самой, кажется реальнее остальных. Она позволяет считать шаровую молнию накопителем энергии.
Противоположную точку зрения на происхождение шаровой молнии высказал академик П. Л. Капица. Прежде всего, он считает неприемлемой первую гипотезу, так как она якобы противоречит закону сохранения энергии. «Если в природе, – пишет П. Л. Капица, – не существует источников энергии, еще нам не известных, то на основании закона сохранения энергии приходится принять, что во время свечения шаровой молнии непрерывно подводится энергия, и мы вынуждены искать этот источник энергии вне объема шаровой молнии».
При этом П. Л. Капица ссылается на высвечивание сияния шаровой молнии. Время высвечивания сияющего шара прямо пропорционально его диаметру. Экспериментальные ядерные взрывы показали, что огненное облако диаметром в 150 м высвечивается примерно за 10 секунд. Стало быть, шаровая молния диаметром 10 см (наиболее вероятный ее размер) высветится всего за 0,01 секунды!
Исходя из этого, П. Л. Капица полагает, что шаровую молнию, существующую в тысячи раз дольше расчетного времени, питают приходящие извне радиоволны, преимущественно длиной 35—70 см. Взрыв шаровой молнии объясняется внезапным прекращением подвода энергии (например, если резко меняется частота электромагнитных колебаний) и представляет собой простое «схлопывание» разреженного воздуха.
Хотя эта теория нашла горячих приверженцев, многое в ней не соответствует наблюдениям. Во-первых, радиоволны в диапазоне 35—70 см, появляющиеся в результате атмосферных разрядов, современными радиоустановками пока не зафиксированы. Во-вторых, эта теория не соответствует «опыту с бочонком». Вода является практически непреодолимой преградой для радиоволн. Если бы даже их энергия передалась воде мгновенно, это не вызвало бы сколько-нибудь заметного ее нагрева.
Неувязка получается и со взрывом шаровой молнии. Хорошо известно, что этот взрыв способен вызвать большие разрушения. Шаровая молния легко переламывает толстенные бревна, волочит по земле тяжелые предметы, переворачивает трактора, совершает другие силовые трюки. Взрыв молнии, нередко оглушительный, способен разнести в куски прочнейшие предметы. Был даже случай, когда шаровая молния нырнула в реку и взорвалась там, подняв огромный фонтан воды. «Схлопывание» же разреженного воздуха по своему эффекту напоминало бы скорее лопающийся резиновый воздушный шарик.
Что касается высвечивания, которое приводят в качестве основного аргумента критики гипотезы внутренней энергии шаровой молнии, то длительность его вовсе не противоречит закону сохранения энергии при допущении, что энергия переходит в свечение не сразу, а постепенно. Если внутренняя энергия шаровой молнии как накопителя выделяется медленно, то свечение может продолжаться достаточно долго. Так, например, 1 л легкого газа ацетилена, медленно сгорая в воздухе, обеспечивает яркое свечение, соизмеримое с силой света шаровой молнии, в течение нескольких десятков секунд. А ведь вещество шаровой молнии может таить энергию и в сотни раз большую.
Загадка шаровой молнии останется неразгаданной, пока не удастся получить шаровую молнию искусственно. Возможно, что, добившись этого, человек будет иметь едва ли не самый емкий аккумулятор энергии!
Как накопить электроны?
Знаменитый физик и политический деятель США Бенджамин Франклин считал, что при электризации некая жидкость – «флюид» перетекает из одного тела в другое. Потом уже, в конце XIX в., ученые, главным образом английский физик Дж. Дж. Томсон (1856—1940), обнаружили, что никакой жидкости тут нет, а есть частички, заряженные электрическим зарядом, и мельчайшая из них была названа в честь янтаря электроном. Заряда меньше, чем у электрона, оказывается, быть не может, а почему – этого пока точно никто не знает; может быть, это установит и подарит свое открытие человечеству один из читателей этой книги.
Считается, что электрон – носитель отрицательного заряда электричества. Если у атома вещества отнять электроны, то атом этот зарядится положительно; если передать лишние – то отрицательно. При трении янтаря о шерсть, например, электроны переходят от шерсти на янтарь, он заряжается отрицательно, а шерсть – положительно; при натирании шелком стекла происходит обратное: стекло заряжается положительно, а шелк – отрицательно. Мало-помалу процесс натирания механизировался, и ученые создали электрические машины. Сейчас почти в каждой школе есть такая электрическая, или, правильнее, электрофорная, машина со стеклянным диском (рис. 308, а), а раньше предпочитали натирать диски из более экзотических материалов. Английский физик Ф. Хоксби (1666—1713) построил электрофорную машину в виде стеклянного вакуумированного шара, который начинал светиться, если его натирать (рис. 308, б).
Известный своими опытами с магдебургскими полушариями бургомистр немецкого города Магдебурга Отто фон Герике строил электрические машины из больших вращающихся серных шаров, придерживаемых для натирания руками или специальными подушечками, шелковыми или кожаными. Между наэлектризованными шарами удавалось получить достаточно крупные, но пока еще безобидные искры.
Но когда в лаборатории голландского города Лейдена попробовали электризовать воду в стеклянной колбе, получив таким образом первый в истории конденсатор, то искра оказалась такой мощной, что экспериментатор – студент по имени Канеус – чуть не был убит ею. Впоследствии ученые фон Клейст и Мушенбрук придали современный вид конденсатору, выполнив колбу с обкладками из фольги изнутри и снаружи. Так была открыта знаменитая лейденская банка (рис. 309), таинственные опыты с которой быстро завоевали популярность в научных и даже аристократических кругах.
Француз Жан Нолле в присутствии короля Людовика XV продемонстрировал забавный эксперимент. Двести придворных короля согласились пропустить через себя заряд лейденской банки. И длинная цепь из взявшися за руки блестящих кавалеров и дам с визгом подскочила вверх. Когда же смех и восторги по поводу опыта затихли, Нолле продемонстрировал и убийственную силу электричества. Тот же электрический заряд был пущен через тело воробья, а затем мыши – они были мгновенно убиты искрой!
Опыты эти по праву считались опасными для жизни (рис. 310). «Это страшные опыты, и я никому не рекомендую их повторять», – писал один из первых экспериментаторов с лейденской банкой. Заметим, что эти слова не мешало бы помнить и нам, людям XXI в., часто пренебрегающим опасностью электрического тока, ставшего таким привычным.
Даже монахи, и те проводили опыты с лейденской банкой. Известен грандиозный опыт, когда 700 монахов из Парижа, взявшись цепочкой за руки, провели эксперимент Канеуса, пропустив через себя ток от лейденской банки. Электрический разряд был настолько силен, что все 700 человек, сведенные судорогой, разом вскрикнули.
Сейчас мало кто пользуется лейденскими банками, они сохранились разве только на школьных электрофорных машинах. Современные емкие конденсаторы, способные накопить большое количество электронов, делают из алюминиевой фольги, покрытой очень тонкой пленкой оксида алюминия. Эта пленка, как стекло в лейденской банке, разделяет электроды – алюминиевую пленку и специальный электролит (жидкость). Чем тоньше пленка, тем емче конденсатор, но тем скорее она может быть пробита искрой.
Вот такие электролитические конденсаторы (рис. 311), настоящие «банки» для электронов, находятся во многих электронных приборах, например телевизорах. Иногда они пробиваются искрой, и тогда весь их заряд мгновенно переходит в тепло. Конденсатор со страшным грохотом взрывается; кто слышал такой взрыв конденсатора в телевизоре во время передач типа «Байки из склепа» и не стал после этого заикой, тот настоящий герой!
Бывают и конденсаторы-гиганты, как, например, изображенный на рис. 312. Но в современных молекулярных конденсаторах повышают не размер, а электрическую емкость, что выгоднее. На таких конденсаторах, как накопители энергии, электромобиль может проехать сотни метров. Но все равно конденсатор принципиально не может накопить больших количеств энергии. Лучшие конденсаторы в сотни раз менее энергоемки, чем, например, маховики или электрические аккумуляторы.
Бывает ли электричество «живое»?
С древних пор люди знают, что существуют «электрические» рыбы, например угорь или скат, которые создают разряд, подобный разряду конденсатора. И вот профессор анатомии университета в городе Болонье Луиджи Гальвани (1737—1798) решил выяснить, не обладают ли такой способностью другие животные. В 1780 г. он препарировал мертвую лягушку и вывесил на балкон для просушки лапку этой лягушки на медной проволоке. Ветер раскачивал лапку, и Гальвани заметил, что, прикасаясь к железным перилам, она сокращается, совсем как у живого существа. Из этого Гальвани сделал ошибочный (как потом выяснили) вывод, что мышцы и нервы животных вырабатывают электричество.
Вывод этот был неправилен в случае лягушки. Между тем рыбы, вырабатывающие электричество, причем в немалом количестве, существуют и достаточно распространены. Вот что пишет об этом ученый, специалист в этой области Н. И. Тарасов.
В теплых и тропических морях, в реках Африки и Южной Америки живут несколько десятков видов рыб, способных временами или постоянно испускать электрические разряды разной силы. Своим электрическим током эти рыбы пользуются не только для защиты и нападения, но и для того, чтобы сигнализировать друг другу и обнаруживать заблаговременно препятствия (локации). Электрические органы встречаются только у рыб. Если бы они были у других животных, ученым давно бы это стало известно.
Электрические рыбы существуют на Земле уже миллионы лет. Их останки найдены в очень древних слоях земной коры. На древнегреческих вазах встречаются изображения электрического морского ската – торпедо.
В сочинениях древнегреческих и древнеримских писателей и натуралистов немало упоминаний о чудесной, непонятной силе, которой наделен торпедо. Врачи Древнего Рима держали этих скатов у себя дома в больших аквариумах. Они пытались использовать торпедо для лечения болезней: пациентов заставляли прикасаться к скату, и от ударов электрического тока больные будто бы выздоравливали.
Даже в наше время на побережье Средиземного моря и Атлантическом берегу Пиренейского полуострова пожилые люди бродят иногда по мелководью – надеются излечиться от ревматизма или подагры «целительным» электрическим торпедо.
Очертания тела торпедо напоминают гитару длиной от 30 см до 1,5 и даже до 2 м (рис. 313). Его кожа принимает цвет, сходный с окружающей средой (такая способность присуща также осьминогу, камбале, некоторым креветкам). Различные виды торпедо живут в прибрежных водах Средиземного и Красного морей, Индийского и Тихого океанов, у берегов Англии. В некоторых бухтах Португалии и Италии торпедо буквально кишат на песчаном дне.
Электрические разряды торпедо очень сильны. Если этот скат попадет в рыбачью сеть, его ток может пройти по влажным нитям сети и ударить рыбака. Электрические разряды защищают торпедо от хищников – акул и осьминогов – и помогают ему охотиться за мелкой рыбой.
Электричество у торпедо вырабатывается в особых органах – «электрических батареях». Они находятся между головой и грудными плавниками и состоят из сотен шестигранных столбиков студенистого вещества (рис. 314). Столбики отделены друг от друга плотными перегородочками, к которым подходят нервы. Верхушки и основания столбиков соприкасаются с кожей спины и брюха. Нервы, подходящие к электрическим органам, сильно развиты и имеют внутри «батарей» около полумиллиона окончаний.
За несколько десятков секунд торпедо испускает сотни и тысячи коротких разрядов, идущих потоком от брюха к спине. Напряжение тока у разных видов скатов колеблется от 80 до 300 В при силе тока 7 – 8 А.
В водах наших морей живут некоторые виды колючих скатов – райя, или, как их у нас называют, морские лисицы (рис. 315). Действие электрических органов у этих скатов гораздо слабее, чем у торпедо. Можно предполагать, что слабые, но хорошо развитые электрические органы райя служат им для связи друг с другом и играют роль беспроволочного телеграфа.
Недавно ученые установили, что африканская пресноводная рыбка гимнархус всю жизнь непрерывно испускает слабые, но частые электрические сигналы. Ими гимнархус как бы прощупывает пространство вокруг себя. Он уверенно плавает в мутной воде, среди водорослей и камней, не задевая телом ни за какие препятствия. Такой же способностью наделены и «слаботочные» родственники электрического угря – южноамериканские гимноты и африканская рыбка мормиропс.
В восточной части тихоокеанских тропических вод живет скат дископиге глазчатый (рис. 316). Он занимает как бы промежуточное положение между торпедо и колючими скатами. Питается скат мелкими рачками и легко их добывает, не применяя электрического тока. Его электрические разряды никого не могут убить и, вероятно, служат ему лишь для того, чтобы отгонять от себя хищников.
Электрические органы есть не только у скатов. Тело африканского речного сома – малаптеруруса, обернуто, как шубой, студенистым слоем, в котором образуется электрический ток. На долю электрических органов приходится около четверти веса всего сома. Напряжение разрядов этой рыбы достигает 360 В; оно небезопасно для человека и, конечно, гибельно для рыб.
В Индийском, Тихом и Атлантическом океанах, в Средиземном и Черном морях живут небольшие рыбки, похожие на бычков, – звездочеты (рис. 317). Обычно они лежат на прибрежном дне, подкарауливая проплывающую сверху добычу. Поэтому их глаза, расположенные на верхней стороне головы, смотрят вверх. Отсюда и происходит их название. Некоторые виды звездочетов имеют электрические органы, которые находятся в глазной впадине и служат, вероятно, лишь для сигнализации.
В южноамериканских тропических реках живет электрический угорь. Это серо-синяя змееобразная рыба длиной до 3 м. На долю головы и грудобрюшной части приходится всего 1/5 ее тела, а вдоль 4/5 тела с обеих сторон расположены сложные электрические органы. Они состоят из 6 000 – 7 000 пластинок, отделенных друг от друга тонкой оболочкой и изолированных прокладками из студенистого вещества. Пластинки образуют своего рода батарею, дающую разряд по направлению от хвоста к голове. Ток угря достаточен, чтобы убить в воде рыбу или лягушку. Плохо приходится и людям, купающимся в реке: электрический орган угря дает напряжение в несколько сот вольт. Особенно сильное напряжение тока дает угорь, когда он изгибается дугой так, что жертва находится между его хвостом и головой: получается замкнутое электрическое кольцо.
Электрический разряд угря привлекает других угрей, находящихся поблизости. Этим свойством угрей можно пользоваться и искусственно. Разряжая в воду любой источник электричества, удавалось привлекать целое стадо угрей, надо было только подобрать соответствующее напряжение тока и частоту разрядов.
Подсчитано, что 10 000 угрей могли бы дать энергию для движения электропоезда в течение нескольких минут. Но после этого поезд стоял бы несколько суток, пока угри не восстановили бы свою электрическую энергию.
Сколько вольт в вольтовом столбе?
В XVIII в. с подачи профессора Л. Гальвани считали, что мышцы животных вырабатывают электричество. Лапка лягушки, подвешенная на медном проводе, как мы уже знаем, дергается, когда прикасается к железным перилам. Дескать, цепь замыкается и «животное» электричество делает свое дело.
Итальянский ученый Аллесандро Вольта (1745—1827) не согласился с этим и доказал, что электричество здесь получается из-за контакта двух разных металлов. Лапка лягушки служит лишь чувствительным прибором для обнаружения этого электричества.
В 1799 г. Вольта изготовил первую электрическую батарею, названную Вольтовым столбом. Столб этот (рис. 318) состоял из серебряных (позже замененных на дешевую медь) и цинковых пластинок, нанизанных на непроводящий стержень; между пластинками были прокладки, смоченные слабой серной кислотой. Первую и последнюю пластинку соединили с проводами – и первая в мире батарейка готова!
Каждая пара пластинок давала 1,1 В. Если, к примеру, в батарее таких пар было 100, то напряжение составляло 110 В, и от него вполне можно было получить вольтову дугу, если замкнуть батарею на два угольных электрода (рис. 319).
Дело было сделано: Вольта доказал, что различные металлы, соединенные через проводящий электролит (прокладки в кислоте), дают электрический ток.
В честь Вольта единица напряжения тока и названа вольтом. А в честь Гальвани, хоть он и ошибался, все источники электричества, подобные описанному, стали называть гальваническими элементами. При этом к созданию гальванических элементов Гальвани не имел никакого отношения!
В действительности оказалось, что Гальвани не так уж и ошибался – живые ткани все-таки вырабатывают электричество, но чрезвычайно малой мощности. Возьмитесь руками за контакты точного прибора (гальванометра), и он покажет наличие у вас «животного» электричества.
Несложно самому соорудить что-то вроде вольтова столба: собрать медные и «белые» монеты в столбик, проложив их кусочками бумаги, затем залить все «рассолом» из обычной соли и закатать герметично в полиэтилен. И от такого вольтова столба длиной около 10 см стенные часы могут идти несколько лет.
После открытия вольтова столба Вольта стал знаменит во всем мире. В Париже его принял Наполеон Бонапарт, вручил орден, пожаловал звание графа и должность сенатора.
А между тем новое – это хорошо забытое старое, так как гальванические элементы, подобные элементу Вольты, существовали несколько тысяч лет назад, и найдены они были при раскопках близ Багдада немецким археологом В. Кенигом еще до второй мировой войны. В своей книге «Затерянный рай» он отметил, что найденный им глиняный глазурованный сосуд с находившимися внутри него медным цилиндром и железным стержнем есть не что иное, как гальванический элемент (рис. 320). В дальнейшем такие сосуды находили в большом количестве. Определили, что заливались они уксусом, а герметизировались битумом. Реставрировали батарейку, залили уксусом – получили ток! Использовали такие батарейки в древности, по-видимому, для гальванического золочения мелких серебряных украшений.
Но Вольта не мог знать об этих гораздо более поздних находках и, как это уже часто бывало в науке и технике, сделал открытие заново, чем дал толчок к целой лавине изысканий в области гальванических элементов, которые активно продолжаются и сейчас.
Почти все гальванические элементы должны содержать жидкий электролит: раствор серной кислоты, как в элементе Вольта, или уксус, как в древней батарейке. Это очень неудобно: представьте себе, что мы в наручных часах или в мобильном телефоне носим банку с кислотой, которая при неудачном ударе бьется. Уж куда удобнее иметь небьющуюся емкость с непроливающимся содержимым. Вольта в своем столбе добился этого лишь временно – прокладки между пластинами высыхали, их приходилось смачивать снова.
И был еще один недостаток у элемента Вольта – он очень быстро «уставал» – начинал давать токи все более низких величин. Причина крылась в том, что медные пластины покрывались пузырьками водорода, который выделялся при работе элемента, и активная поверхность металла сильно уменьшалась.
Чтобы устранить это явление, француз Лекланше придумал элемент, который служит нам до сих пор. В цинковую гильзу помещается электролит – раствор нашатыря (хлористого аммония, который используют для пайки), туда же опущен угольный стержень, обмотанный марлей с перекисью марганца в ней. Таким образом, угольный стержень хоть и находится в электролите, но последний проникает к нему только через слой перекиси марганца, который и поглощает водород, выделяющийся на угольном электроде. В результате элемент Лекланше почти «не устает» до самого конца срока действия.
Остается добавить, что электролит в современных элементах Лекланше не жидкий, а в виде пасты или густого киселя. Тогда даже при повреждении корпуса (что, кстати, часто бывает при истощении элемента и сильном утончении цинковой гильзы) жидкость не вытекает. Такие «сухие» батарейки (рис. 321) продаются и сегодня, хотя есть гораздо более емкие, но и более дорогие элементы.
Эти емкие и дорогие элементы бывают двух видов. Первый – это миниатюрные «кнопки» для часов и приборов, где больше всего ценится срок службы и герметичность, такие сегодня в большом количестве можно видеть в магазинах. А второй вид, который в магазинах так просто не встретишь, – металл-воздушные системы.
Это в основном мощные батареи, которые могут быть использованы даже для движения автомобиля. В них металл – цинк или алюминий – окисляется кислородом воздуха, который продувается через батарею. За счет окисления металла вырабатывается энергия. Израсходованные металлические части заменяют новыми, и батарея снова работает. Металл, таким образом, является в них топливом. Поэтому элементы, сжигающие, или, правильнее, окисляющие, металлы, да и не только металлы, но и топливо, и за счет этого вырабатывающие электроэнергию, называются топливными элементами. За ними – большое будущее!
Как накопить электроэнергию?
Можно ли «оживить» истощенную батарейку? Некоторые умельцы знают, как сделать это: через разряженную сухую батарейку особыми импульсами пропускают ток. Эту операцию порой проделывают по нескольку раз. Однако она ненадолго восстанавливает элемент.
Постойте, постойте! Как бы там ни было, получается, что гальванический элемент – тот же аккумулятор! Заряжая его электрическим током, восстанавливая, мы накапливаем в нем электроэнергию, которую затем расходуем. Так ли это?
Оказывается, и так и нет. Прежде всего, не каждый элемент можно подзарядить. Нельзя это сделать, например, с элементом, в котором присутствуют два жидких электролита. Таков, например, элемент Даниэля, где две разные жидкости разделены пористым стаканчиком. Постепенно просачиваясь через стаканчик, электролиты смешиваются, реагируют друг с другом и выделяют ток. Этот элемент, если он уже отработал свой срок, не восстановить.
Другие элементы с твердыми электродами в принципе подзаряжаются, накапливают энергию, но процесс накопления так неэкономичен и неэффективен, что многие считают его излишним. Накапливается только ничтожная часть поданной на элемент электроэнергии, а сам элемент после нескольких таких зарядок разрушается. Чтобы стать хорошим накопителем, гальванический элемент должен достаточно хорошо переносить процесс зарядки. Этого наконец удалось добиться в середине XIX в.
В 1859 г. французский ученый и инженер Гастон Плантэ провел любопытный опыт, внешне очень похожий на опыт Вольты. Как и Вольта, Плантэ построил гальванический элемент, однако в качестве электродов он взял две свинцовые пластины, в обычных условиях покрытые пленкой окиси свинца. Электролит был все тот же – разбавленная серная кислота. Плантэ подключил к электродам источник постоянного тока и некоторое время пропускал ток через свой элемент, совсем как при подзарядке сухих элементов. Потом он отключил ток и подключил к электродам гальванометр. Прибор показал, что элемент Плантэ стал сам вырабатывать электроток и при этом выделял почти всю энергию, затраченную на зарядку. Зарядку можно было повторять большое число раз – элемент неизменно работал исправно, не разрушался, подобно сухим батарейкам.
Этот гальванический элемент назвали элементом второго рода, или аккумулятором. Как же происходит накопление энергии в аккумуляторе Плантэ? При пропускании тока через электролит из серной кислоты на свинцовой пластине, соединенной с отрицательным полюсом источника тока – катодом, выделяется водород, который восстанавливает окись свинца в чистый свинец. На электроде, соединенном с положительным полюсом – анодом, выделяется кислород, который окисляет окись свинца до перекиси. Аккумулятор зарядится, когда катод целиком станет чистым свинцом, а анод – перекисью свинца. Тогда между электродами окажется наибольшее напряжение.
Соединяя пластины-электроды проводником с потребителем, расходуя энергию, мы разряжаем аккумулятор. Направление тока при разрядке противоположно тому, что было при зарядке. Положительно заряженная пластина будет восстанавливаться водородом, а отрицательная – окисляться кислородом. Как только пластины станут одинаковыми, аккумулятор прекратит давать ток. Надо повторить зарядку.
Ясно, что энергия в этом аккумуляторе накапливается в виде вполне осязаемого вещества – свинца, переходящего с выделением энергии в перекись свинца. Сам процесс накопления и выделения энергии здесь происходит иначе, чем в чисто электрических аккумуляторах – конденсаторах. Поэтому такой аккумулятор принято называть электрохимическим.
В конструкциях автомобильных свинцово-кислотных аккумуляторов (рис. 322) ученые постарались как можно больше увеличить поверхность электродов, не нарушая при этом их прочности. Ведь именно от величины поверхности зависит мощность аккумулятора. Сейчас пластины аккумулятора изготовляются в форме свинцовых решеток, покрытых перекисью свинца (положительный электрод) и губчатым свинцом (отрицательный электрод). Электролитом служит 25—35%-й водный раствор серной кислоты. Заряженный автомобильный аккумулятор имеет напряжение (точнее – электродвижущую силу) на клеммах 2 – 2,2 В. При разрядке это напряжение падает, и когда оно достигает 1,8 В, разрядку обычно прекращают, иначе решетка из свинца может слишком истончиться в ходе реакции, и пластины, потеряв прочность, рассыплются.
Вы хотите узнать, что будет с аккумулятором, если попробовать хотя бы кратковременно получить от него ток большой мощности? Тогда включите стартер, питаемый от аккумулятора, но без подачи топлива в двигатель. Двигатель, естественно, не заведется, а через 15—20 секунд стартер начнет сбавлять обороты. Еще через некоторое время он вообще остановится. Будет полное впечатление, что аккумулятор разрядился и больше из него «выжать» ничего нельзя. Но потом, спустя несколько минут, стартер снова заработает! Откуда берутся силы у аккумулятора? Не может же он, как живое существо, отдыхать?
В самом деле, поведение аккумулятора и живого организма здесь поразительно похожи. При усталости мышц от интенсивной работы их сила резко снижается, и нужно время, чтобы она восстановилась. Человек сделает гораздо больше, если он будет работать равномерно, с постоянной, но небольшой по мощности нагрузкой. Например, если попытаться взбежать на 20-й этаж дома, с одного раза это вряд ли получится, потребуется отдых. Да и усталость после этого будет ощущаться немалая. А если идти спокойно, то 20 этажей можно преодолеть без особой усталости.
Так и в аккумуляторе: при включении его на большую мощность серная кислота, которая была в порах пластин, быстро израсходуется, в результате реакции она превратится в воду, и выделение тока прекратится. Только через некоторое время, когда серная кислота постепенно вновь заполнит поры, можно опять разряжать аккумулятор.
Поэтому разряжают и заряжают аккумуляторы (это касается практически всех видов электрохимических аккумуляторов) обычно с достаточно малой нагрузкой, небольшими токами и продолжительное время – несколько часов. Здесь и кроется один из главнейших недостатков электрохимических аккумуляторов – их малая мощность, приходящаяся на 1 кг массы аккумулятора, так называемая удельная мощность, или плотность мощности.
Свинцово-кислотные аккумуляторы весьма экономичны, однако они и капризны, часто портятся, недолговечны. К тому же свинец – сравнительно редкий и дорогой металл, а кислота опасна в обращении. Естественно, что ученые стали искать новые материалы и новые принципы работы аккумуляторов. Так возник второй основной тип электрохимических аккумуляторов – щелочные аккумуляторы. Создание их тесно связано с именем знаменитого американского ученого и изобретателя Томаса Эдисона (1847—1931).
В аккумуляторах электролитом служит уже не кислота, а щелочь – 20 %-й раствор едкого кали. Пластины изготовлены из стальных решеток с карманами в них. У положительных пластин карманы заполнены смесью, содержащей окись никеля, а у отрицательных – губчатым кадмием. Корпус щелочного аккумулятора стальной, что придает устройству большую прочность.
Щелочные аккумуляторы дороже кислотных и менее экономичны. Но, несмотря на это, положительные их качества преобладают – они неприхотливы, прочны, долговечны. Поэтому они все больше входят в технику. Например, на троллейбусах применяются именно такие накопители. Их можно видеть в транзисторных приемниках, телефонных и слуховых аппаратах, карманных фонариках и других устройствах. Во многих радиоприборах присутствуют миниатюрные аккумуляторы, тоже щелочные, называемые кнопочными, так как они внешне напоминают кнопку. Ценность их в том, что они герметично закрыты, совершенно нечувствительны к перезаряду, не требуют ухода. Обычные крупные аккумуляторы этим похвастать не могут.
На некоторых спутниках связи и космических станциях применяются очень дорогие, но зато великолепные по своим характеристикам серебряно-цинковые щелочные аккумуляторы. Им нипочем ни большие токи, ни низкие (до – 60 °C) температуры. Плотность энергии, накапливаемой в них, в 5 раз выше, чем у кислотных аккумуляторов, а плотность мощности – вдвое выше.
Но серебро нынче дорого, а будет еще дороже. Много серебра идет на технические нужды, вот оно и кончается. Так что ставку на эти аккумуляторы делать не стоит, особенно если речь идет о массовом и мощном потребителе, как, например, электромобили.
Чем кормить электрическую лошадку?
Электромобиль сегодня – притча во языцех. Вот автомобили, дескать, весь кислород съели и всю атмосферу задымили, только электромобиль и может спасти мир от экологической катастрофы.
Мало кто знает, что электромобиль появился задолго до первого автомобиля с двигателем внутреннего сгорания. Как только в 30-х гг. XIX в. появился первый электродвигатель, его сразу поставили на экипаж. Питался этот двигатель от батареи гальванических элементов.
Автором первого в мире электромобиля был англичанин Роберт Дэвидсон. Его машина, построенная в 1837 г. еще в правление королевы Виктории, представляла собой четырехколесную коляску длиной 4,8 и шириной 1,8 м, с метровыми колесами, т. е. была достаточно крупным сооружением. Большую часть коляски занимали батарея гальванических элементов и пока еще примитивный, внушительных размеров электродвигатель. О ходовых качествах этого электромобиля достоверных сведений не осталось.
Но чтобы электромобиль мог заменить автомобили, ему нужен достойный аккумулятор, обычным стартерным тут не обойдешься. Сейчас ученые связывают свои надежды с необычным на первый взгляд аккумулятором, в котором используются гальванические пары сера-натрий (рис. 323) и хлор-литий (рис. 324). Металлы – натрий или литий – там расплавлены, их температура достигает нескольких сот градусов. Расплавленный натрий соединяется в аккумуляторе с горячей жидкой серой, а литий взаимодействует с раскаленным газом – хлором. Из-за того, что содержимое таких аккумуляторов при работе нагрето до 300—800 °C, они получили название горячих.
1 – хлорный электрод; 2 – канал ввода хлора; 3 – литиевый электрод; 4 – сепаратор
Происходящее внутри горячих аккумуляторов напоминает мифологический ад. Достаточно представить расплавленную серу, в которой варится расплавленный же натрий, тот самый натрий, что и от воды-то загорается и даже взрывается! О хлоре и говорить нечего – это один из наиболее ядовитых газов, чрезвычайно активный даже при комнатной температуре, а что будет при 800 °C! Недаром ученые который уж год бьются над созданием корпуса к этому адскому накопителю – мало какой материал выдерживает такую начинку.
Однако, к чести горячих аккумуляторов, они при низкой своей стоимости развивают плотность энергии примерно в 10 раз большую, чем свинцово-кислотные аккумуляторы, и плотность мощности у них значительно выше. Если свинцово-кислотные аккумуляторы накапливают в 1 кг своей массы 60—80 кДж энергии, а щелочные – 110, то горячие серно-натриевые – 400—700 кДж!
Автомобилю для пробега в 100 км хватило бы всего 50 кг серно-натриевого аккумулятора. 150 кг на 300 км пробега – это неплохие результаты. Но горячие аккумуляторы перед началом работы надо разогревать, их оболочка долго не выдерживает адское содержимое. Да и при аварии машины с таким аккумулятором присутствовать даже зрителем никому не пожелаешь.
Более спокойный характер у новых, медно-литиевых аккумуляторов. Они имеют катод из медного сплава и анод из пористого лития. Электролит органический, с высокой электропроводностью. Плотность энергии в опытных образцах этих аккумуляторов в 1,5 раза выше, чем у серебряно-цинковых, но, что самое важное, у них возможно получение высоких удельных мощностей. Если же вместо меди взять фтористое соединение никеля, то и процесс зарядки аккумулятора можно сильно сократить, всего до нескольких минут, что также очень существенно.
Интересны аккумуляторы на основе цинка и… обыкновенного воздуха. Цинковый анод здесь просто окисляется кислородом воздуха, поэтому весь запас энергии в батарее обусловлен только количеством цинка. Катод изготовлен из пористого никеля и почти не расходуется, а анод по мере износа заменяется новым или восстанавливается пропусканием зарядного тока (рис. 325).
1 – электролитный насос; 2 – компрессор; 3 – цинковые элементы
Своеобразие этих батарей заключается в том, что они могут работать как в режиме аккумуляторов, так и в режиме обычных гальванических элементов, попросту «сжигая» – окисляя цинк в кислороде воздуха. Именно в этом случае цинковые аноды приходится заменять, но плотность энергии элемента при этом получается почти вдвое большей, чем у аккумулятора.
Но главнейшей проблемой электромобиля являются не сами аккумуляторы, а то, что для зарядки этих аккумуляторов просто не хватит мощности электростанций всего мира, ибо мощность двигателей всех автомобилей значительно превышает мощность всех электростанций. На электромобили можно перевести лишь незначительную долю автотранспорта, преимущественно в городах. Поэтому надо научиться вырабатывать электричество из топлива прямо на автомобиле (теперь уж его с полным основанием можно называть электромобилем). И эту задачу с успехом выполняют топливные элементы. Они бесшумно и экологически безвредно преобразуют химическую энергию топлива в электроэнергию с КПД, превышающим КПД электростанций.
Еще в XIX в. было замечено, что если в горячий раствор едкого кали опустить платиновые электроды и к одному из них медленно подавать водород, а к другому кислород, то на электродах появляется разность потенциалов. Платина играла роль катализатора реакции окисления-восстановления водорода и кислорода. Соединив электроды, ученые получали электрический ток (рис. 326). Ток вначале был невелик, и вся последующая работа над прямым преобразованием энергии топлива в электричество заключалась как раз в увеличении мощности этого процесса.
Ныне существует множество типов установок для преобразования энергии, называемых топливными элементами, электрохимическими генераторами, или, если они работают на водороде, водородными генераторами. Есть высокотемпературные (как горячие аккумуляторы) топливные элементы, а есть работающие и при комнатной температуре. Применяются также элементы с промежуточными температурами: 100—200 °C. Электролитами могут служить и щелочь, и кислота, причем в твердом и жидком виде.
Разнообразно и топливо, которым питаются такие элементы. Это газы (например, водород); жидкости – спирт, гидразин; твердые вещества – уголь, металлы. В качестве окислителя используют кислород, воздух, перекись водорода. КПД топливных элементов очень высок, он достигает 70 %, что, по меньшей мере, вдвое выше, чем у двигателей.
Как же все-таки работает современный топливный элемент? В во-дородно-кислородном элементе водород поступает на поверхность отрицательного электрода, а кислород – на поверхность положительного электрода. Газы эти доставляются к электродам по трубкам. Ионы водорода в процессе реакции окисления-восстановления соединяются с ионами кислорода, образуя обычную воду. Энергия химической реакции передается электродам в виде электрической энергии. Получаемая в топливном элементе вода удаляется оттуда через особый фитиль (рис. 327). Она настолько чиста, что ее можно использовать для питья и приготовления пищи. Так поступают, например, космонавты в длительном полете – на космических станциях тоже установлены топливные элементы. Это еще одно достоинство прямого преобразования топлива в ток.
Водородно-кислородные топливные элементы, если брать в расчет только массу топлива-водорода и кислорода, имеют громадную плотность энергии – около МДж/кг. Но ведь надо учитывать и массу самого устройства – топливного элемента со вспомогательным оборудованием. А это уже снижает плотность энергии до уровня обычных электроаккумуляторов – топливные элементы очень тяжелы. Лишь после многочасовой работы, когда будет израсходовано значительное количество водорода и кислорода, топливные элементы окажутся легче электрохимических аккумуляторов с тем же запасом накопленной энергии.
Плотность мощности у топливных элементов совсем мала, около 60 Вт на 1 кг массы, или втрое меньше, чем у горячих аккумуляторов. Для автомобилей это явно недостаточно.
Но если эту мощность накапливать, например, в маховиках (или супермаховиках), разгоняя их легким скоростным электромотором, то топливные элементы, развивая свою незначительную удельную мощность, смогут обеспечивать ею любой режим движения автомобиля. Ведь непосредственно к ведущим колесам мощность будет подаваться от маховика, который может развивать ее в неограниченных количествах. Трансмиссией в этом случае может служить механический вариатор, легкий и экономичный.
Конечно же, хотя бы в первое время заправка таких электромобилей на топливных элементах будет производиться обычным топливом – сжиженным газом, бензином или соляркой. Уже на самой машине это топливо будет проходить через конвертор, вырабатывающий из него водород, питающий топливные элементы. Кислород будет забираться из воздуха.
На наш взгляд, будущее энергетического агрегата автомобилей именно в использовании гибрида топливных элементов с накопителями энергии.
И работа над этим ведется уже сегодня.
Магнетизм магнита
Почему магнит называют магнитом?
Действительно, почему мы его так называем? А ведь как только раньше не пробовали именовать магнит! Древние греки – «особым камнем», «тем камнем», а также «геркулесовым камнем», то ли из-за его силы, то ли из-за того, что добывали этот камень близ города Гераклеи в Лидии. У греков было и другое название – «сидерит», в переводе – «алмаз». Но не подумайте, что это из-за твердости или красоты магнита. Просто алмаз сам был назван сидеритом благодаря чисто «железистому» блеску в необработанном виде, так же греки называли и мягкое железо. Греческое название сидерит происходило вследствие «склонности» магнита к железу, а может быть, и из-за того, что магнит первоначально добывали в копях железных руд.
Позже англичане, французы, испанцы, а затем и сами же греки обманулись этой двойственностью названия и положили в основу своих современных прозваний магнита алмаз. Так получились французское «аймант», испанское «пьедрамант», английское «адамант» и новогреческое «адамас». Правда, говорят, что французы при этом имели в виду не алмаз – адамас, а древнее китайское название магнита «чу-ши» или «нитши-чи», что означает «любящий камень». А на французском «аймант» – (произносится «эман») и есть «любящий».
Надо сказать, что весь Древний Восток наделял магнит свойством любить железо. Раз притягивает – значит, любит. И поэтому почти все восточные названия магнита берут начало от этого свойства – например, санскритское «тхумбака».
Итальянцы именовали магнит «каламита», и этим словом стали пользоваться в Румынии, Боснии и в той же Греции.
Известно и старонемецкое название магнита: «зигельштейн» – «печатный камень». Вероятно, происходит оно из-за распространенного в древности обычая вырезать на природных магнитах различные магические фигуры и символы (рис. 328), а такие камни уже можно было использовать в качестве печаток. Великий ученый Исаак Ньютон носил даже перстень, где в качестве драгоценного камня присутствовал природный магнит необычайной силы. Возможно, что ученый и припечатывал им сургучные пломбы на письмах и документах… И, наконец, египтяне звали магнит костью Ора. Под именем Ор они имели в виду свойство Солнца восходить и заходить. Иначе говоря, Ор – это одно из божеств Древнего Египта, костью которого, как считалось, был магнит.
Вот сколько имен было у этого чудесного камня, но мы все-таки зовем его магнитом.
Древнегреческий философ Платон сообщает, что такое название дал камню поэт Эврипид. Но ни с того ни с сего ведь слова не выдумаешь. Согласно легенде, описанной античным историком Плинием, заимствованной им из еще более древних источников, некий пастух с острова Крит по имени Магнис или Магнесс заметил, что его сандалии, подкованные железом, а также палка с железным наконечником, липнут к черным камням, в изобилии валявшимся под ногами. Пастух перевернул палку «неподкованным» концом и убедился, что дерево не притягивается странными камнями, которые не признают никаких других материалов, кроме железа. Видимо, пастух захватил несколько таких камней с горы Идо, где он пас овец, домой и поразил воображение соседей. От имени пастуха и пошло название «магнит».
Существует и другое объяснение слова «магнит» – по названию провинции Магнесия в Ионии у реки Меандра. Жителей этой провинции называли магнетами. Римский ученый и поэт Тит Лукреций Кар в своей поэме «О природе вещей», уделяя много внимания магнитам, прямо указывает:
«Камень же этот по имени месторожденья магнитом Назван был греками, так как он найден в пределах магнетов». Немецкое название магнита – «магнет», по-видимому, имеет к этому отношение.
Сейчас эта провинция называется Манисса, и там до сих пор встречаются магнитные камни. Местная гора Сипил, богатая естественными магнитами, часто поражается ударами молний, совсем как гора Магнитная на Урале. Давно было подмечено, что магнит притягивает молнию.
Свыше 2 тысяч лет люди используют свойства магнита. И, пожалуй, раньше всего был применен геркулесов камень в компасе.
Что такое югоуказатель?
Перенесемся в Древний Китай. Китайский историк Су Матзен, изучив древние летописи, оставил нам интересный рассказ о событиях, происшедших в глубокой древности.
Более 4 тысяч лет тому назад император Хуанг Ти с войском, в густом тумане напал на противника с тыла и одержал победу. Помогли ему в этом, согласно летописи, установленные на повозках фигуры с вытянутой рукой, всегда указывающей на юг (рис. 329).
Или другая легенда. В караванах, которые в древности шли по пустыне Гоби на запад, был особый, белый верблюд. Этот верблюд нес на себе необычный груз – глиняный сосуд с водой, помещенный в деревянную защитную клетку. На воде плавал плотик из коры пробкового дерева, на котором был закреплен продолговатый кусочек камня чу-ши или стальная игла, натертая этим камнем. Края сосуда были выкрашены в цвета, символически обозначавшие части света: красный – юг, черный – север, зеленый – восток, белый – запад. (И сейчас часто окрашивают южный полюс магнита в красный цвет, а северный – в черный или синий. Не потому ли, что красный цвет – теплый, а синий – холодный?) Магнит на пробке, легко поворачиваясь на воде, всегда указывал направление «юг – север». Сосуд с водой и магнитом был, пожалуй, самым первым компасом, по которому караван ориентировался в пустыне.
Китайские компасы дошли и до нашего времени, правда, в достаточно поврежденном виде; они хранятся в музеях. Один из таких компасов, относящийся к X в. н. э., внешне удивительно похож на современную деревянную ложку, положенную на поднос (рис. 330). Ручка этой «ложки» представляет собой продолговатый магнит, а дно ложки – неплохую шаровую опору, легко вращающуюся на «подносе», на котором нанесены деления, позволяющие определить страны света, даже юго-запад, юго-восток, северо-запад и северо-восток.
В XI—XII в. югоуказатель стал уже называться «чи нан тин», или «стрелка, указывающая на юг», что ближе к современному понятию «магнитная стрелка компаса». Известно и то, что умели приготовлять искусственные магниты из стальной иглы, натертой магнитным камнем. Эта намагниченная игла использовалась в качестве стрелки, «указывающей на юг», или древнего компаса.
Иногда считают, что из Китая через Индию компас попал к арабам, а уже от арабов – к европейцам, причем случилось это в XII в. Но, вероятно, идея компаса так и не проникла из Китая в Европу, и прибор этот был изобретен там самостоятельно. Изобретателем компаса в Европе считается итальянец Флавио Джойя, уроженец города Амальфи. В Неаполе ему даже установили памятник, а в 1902 г. торжественно праздновали 600-летие этого изобретения. Правда, были упоминания о «европейском» компасе у монаха Альбана Некэма в 1187 г. и поэта Гюйо Прованского в 1206 г.
Однако до изобретения Джойя европейский компас хоть и имел стрелку, но не имел поворотного диска с делениями, что сильно затрудняло пользование им. Да и назывался этот прибор не компасом, а дрожалкой, магнитной вертушкой и даже лягушкой. Потом появилось современное название прибора – от итальянского «компассаре», что означает «измерять шагами». А заслугой Джойя явилось хотя бы то, что он снабдил прибор недостающим поворотным диском с делениями, придав ему современный вид. С помощью компаса, изобретенного Джойя, были сделаны все великие географические открытия.
Сильны ли магнитные искушения?
На столе автора лежит толстая книга с профилем мудреца, оттесненном на переплете. Издана она в 1600 г. в Лондоне. Человек, написавший ее, сделал для изучения магнитов больше, чем кто-нибудь другой. Зовут его Вильям (Уильям) Гильберт (1544—1603). Английский поэт Драйден сказал про него:
- «Гильберт будет жить до тех пор,
- пока магнит не перестанет притягивать…»
Галилей, прочитав книгу Гильберта, объявил его «великим до такой степени, которая вызывает зависть».
В знаменитом Оксфордском университете долго висел портрет Гильберта, изображенного во весь рост, в докторской мантии, держащего в руке магнитную модель земного шара – террелу. Над левым плечом ученого написаны слова: «Магнитных сил первый изыскатель Гильберт». Современники и потомки называли Гильберта отцом магнетизма.
И все эти слова – признательность ученому за его знаменитую книгу «О магните, магнитных телах и большом магните – Земле», которую он писал в течение 18 лет.
Гильберт собрал многочисленные притчи и суеверия о магните, созданные древними учеными, «обманщиками и слагателями сказок», как он их называл.
Вот что пишет сам Гильберт:
«Например, высказанное подозрение по поводу магнита, не создан ли он коварно злыми демонами… Или будто магнит отпирает любые замки и затворы и своим дымом и чадом приносит пользу ворам, как будто этот камень возник ради воровства. Или будто железо, притянутое магнитом и положенное на весы, ничего не прибавляет весу магнита, как если бы тяжесть железа поглощалась силой камня. Или будто в Индии существуют какие-то изобилующие магнитом морские скалы, которые извлекают все гвозди из приставших к ним кораблей… и при постройке их приходится употреблять деревянные гвозди, чтобы их не вырвало. Или говорят, что существует и другая гора в Эфиопии, которая порождена камнем феамедом, не выносящим железа, выбрасывающим его и отталкивающим от себя».
«Подобным вздором и сказочками, – эмоционально замечает Гильберт, – пошлые философы забавляются сами и кормят жаждущих познать таинственное читателей и невежд, забавляющихся нелепостями».
Интересно, что не только в старину, но даже и сегодня с магнитом связывали и продолжают связывать различные необычайные явления. Чего только не пытались достигнуть с помощью магнитов! И полететь на Луну, и построить «вечный двигатель», и создать новый тип оружия. Что-то общее есть во всех этих попытках, которые уместно было бы назвать магнитными искушениями.
Все началось опять же с Китая. Согласно легенде, возникшей много веков назад, император Ши Хуанди приказал облицевать магнитным камнем ворота, открывающие дорогу к его дворцу. И если воин в железных латах пытался пройти через эти ворота, то застывал на месте, притянутый магнитом. Более того, если через эти ворота пытался пробраться злоумышленник со спрятанным оружием, то оно вырывалось у него и прилипало к магнитному своду, совсем как гвозди, вырванные из корабля «магнитной горой». Скорее всего, это вымысел, так как природные магниты не могли обладать такой силой.
Характерно, что идея вырывания оружия из рук врага магнитами пережила тысячелетия и дошла даже до позапрошлого века. В романе «На двух планетах» писатель XIX в. Курт Лассвиц описывает битву землян с марсианами. Земляне-кавалеристы смело выступили против марсианских воздушных машин и, казалось, вынудили их подняться в воздух, чтобы улететь. Но хитрые марсиане развернули между своими воздушными машинами нечто в виде огромного покрывала, накрывшего сверху поле сражения. Это покрывало оказалось… огромным магнитом необычайной мощности. Остальное происходило так же, как и в китайских магнитных воротах. Воздух во мгновение ока наполнился густой тучей копий, сабель и карабинов, с громом и треском летевших вверх к магнитному покрывалу, к которому они и прилипали.
Или появился фантастический проект по спасению кораблей от пушечных ядер противника. Идея состояла в том, чтобы на корабле установить навстречу противнику мощные магниты, покрытые толстой броней. Ядра неприятеля должны были притягиваться близлежащим магнитом, сворачивать в его сторону и разбиваться о прочную броню. Остальные части корабля можно было бы оставить незащищенными.
В принципе все было верно, кроме того, что даже самый мощный из магнитов не может действовать на большом расстоянии. Представим себе, что мы имеем магнит, способный притянуть 10 т железа на расстоянии в 1 см. Это очень сильный магнит. Так вот, если мы отодвинем полезный предмет еще на 1 см, то сила притяжения упадет в 8 раз! На расстоянии в 1 м сила притяжения упадет в 1 000 000 раз, и ни о каком притягивании ядер не может быть и речи.
Но в прошлом веке еще не умели рассчитывать силы магнитов, и такой магнит-броня все-таки был построен в 1887 г. Этот магнит притягивал стальную плиту так, что для отрыва ее нужна была сила в 10 т. Четыре 120-килограммовых ядра висели одно за другим на полюсе магнита. Но за 2 м от магнита люди, имевшие стальные предметы в карманах, лишь едва чувствовали действие магнита. О притяжении ядер неприятеля нечего было и думать. Правда, на стрелку компаса такой магнит действовал за 10 км.
И это послужило изобретению так называемых магнитных мин. Известно, что стальные тела под действием земного магнетизма самопроизвольно намагничиваются. Особенно это касается длинных предметов – мостов, кораблей. Так вот, такой намагниченный корабль, проплывая над миной, установленной на дне, влияет на прибор типа магнитной стрелки, находящийся в мине. Мина всплывает и взрывается близ корабля.
Такие магнитные мины можно легко обезвредить. По трассе движения корабля пускают самолет с мощным магнитом на борту. Этот магнит вызывает всплывание и взрыв мины, когда сам самолет будет уже далеко впереди. А кроме того, корабль можно и «размагнитить» – создать такое магнитное поле дополнительными магнитами, которое равно, но противоположно магнитному полю корабля. Так часто и поступали во время Великой Отечественной войны, в частности этим занимался в Крыму будущий великий физик И. В. Курчатов.
Возможен ли магнитный «вечный двигатель»?
С магнитами связаны многочисленные проекты «вечных двигателей», которые оказалось довольно трудно разоблачить.
В хронологическом порядке это выглядит так. Еще в XIII в. средневековый исследователь магнитов Пьер Перигрин де Марикур утверждал, что если магнитный камень обточить в виде правильного шара и направить его полюсами точно по оси мира, то такой шар завертится и будет вертеться вечно.
Сам де Марикур такого опыта не делал, хотя магнитные шары у него были, и другие эксперименты он с ними проделывал. Видимо, он считал, что сам недостаточно точно изготовил шар либо направил его полюсами не по оси мира. Но он настойчиво советовал читателям изготовить и опробовать магнитный вечный двигатель, добавляя: «Если выйдет, вы насладитесь, если нет – вините свое малое искусство!»
У этого же автора имеется описание еще одного «вечного двигателя» – зубчатого колеса с зубьями из стали и серебра через один. Если поднести к этому колесу магнит, утверждал де Марикур, колесо придет во вращение. Здесь де Марикур был очень близок к постройке хоть и не вечного, но по крайней мере теплового, двигателя, который в то время несомненно сочли бы за «вечный». Но об этом после, а пока о «настоящих» «вечных двигателях».
Любителей изготовлять магнитные «вечные двигатели» было великое множество. Английский епископ Джон Вилькенс в XVII в. даже получил официальное подтверждение изобретения им «вечного двигателя», но от этого последний не заработал. На рис. 331 показан принцип его действия. По мысли автора, стальной шарик, притягиваемый магнитом, поднимается по верхней наклонной плоскости, но, не достигнув магнита, проваливается в отверстие и катится по нижнему лотку. Скатившись, он снова попадает на прежний свой путь и так вечно продолжает свое движение.
На самом деле все выходило иначе. Если магнит был силен, то шарик не проваливался в отверстие, а перескакивал через него и прилипал к магниту. Если магнит был слаб, то шарик останавливался на полдороге на нижнем лотке, либо не сходил с нижней точки вообще. А вот «вечный двигатель», который построил сам автор в детстве, и был очень удивлен, когда тот не заработал.
В круглую пластмассовую коробочку, посаженную на спицу, как колесо на ось, помещался стальной шарик. Спереди нужно было поднести магнит, и коробочка-колесо должна была завертеться на спице (рис. 332). Еще бы: шарик притягивался магнитом, поднимался по стенке коробочки, как белка в колесе, как та же белка начинал, падая вниз, крутить колесо. Однако колесо вертеться не хотело. Как выяснилось, шарик под действием магнита поднимался, прижимаясь к стенке коробки, и падать вниз не собирался.
Но существуют и реальные магнитные двигатели, которые с первого взгляда похожи на вечные.
Еще сам Гильберт заметил, что если железо сильно нагреть, то оно совершенно перестает притягиваться магнитом. Сейчас температуру, при которой железо, сталь или сплавы теряют магнитные свойства, называют точкой Кюри, по имени физика Пьера Кюри, объяснившего это явление. Если бы эти магнитные свойства не терялись, то раскаленные болванки в кузницах можно было бы переносить магнитами, что очень заманчиво.
Но это свойство позволило создать так называемую магнитную мельницу, или карусель. Подвесим на нити деревянный диск или поставим его на стальную иглу подобно стрелке компаса. Затем воткнем в него несколько спиц и приставим сбоку полюс сильного магнита (рис. 333). Чем не зубчатое колесо де Марикура? Разумеется, как и то колесо, наша мельница вращаться не будет, пока мы не нагреем соседнюю с магнитом спицу в пламени горелки и легким толчком не сообщим вращение. Нагретая спица уже не притягивается к магниту, а следующая стремится к нему, пока не попадет в пламя горелки. А пока нагретая спица пройдет полный круг, она остынет и снова притянется магнитом.
Чем не вечный двигатель? А тем, что на вращение его уходит энергия горелки. Стало быть, этот двигатель не вечный, а тепловой, в принципе такой же, как на автомобилях и тепловозах.
Работающие на этом же принципе магнитные качели легко построить и самому. Небольшой железный предмет подвесим на проволоке к вершине стойки качелей. Легче всего взять длинный кусок железной проволоки и скатать ее конец в небольшой комочек. Затем на небольшую подставку положим магнит, направленный одним полюсом вбок. Будем придвигать подставку с магнитом к подвешенному железному комочку, пока он не притянется к магниту.
Теперь подставим под качели спиртовку, свечу или другую горелку так, чтобы комочек оказался над самым пламенем (рис. 334). Через некоторое время, нагревшись до точки Кюри, он отпадет от магнита. Раскачиваясь в воздухе, он снова охладится и опять притянется к полюсу магнита. Получатся интересные качели, которые будут раскачиваться до тех пор, пока мы не уберем горелку.
Комочек, скатанный из проволоки, хорош для опыта тем, что он и нагревается, и охлаждается быстрее, чем, например, цельный стальной шарик. Поэтому и раскачиваться такие качели будут чаще, чем с шариком на нити.
В практике этот принцип иногда используют для автоматической закалки мелких стальных предметов, например игл. Холодные иголки висят, притянутые магнитом, и нагреваются. Как только они нагреются до точки Кюри, то перестают притягиваться и падают в закалочную ванну.
Обычное железо имеет достаточно высокую точку Кюри: 753 °C, но сейчас получены сплавы, для которых точка Кюри ненамного превышает комнатную температуру. Нагретый солнечным теплом, такой материал, особенно окрашенный в темный цвет, уже немагнитен. А в тени магнитные свойства восстанавливаются, и материал снова может притягиваться. Например, у металла гадолиния точка Кюри всего 20 °C.
Изобретатель и журналист А. Пресняков создал на этом принципе двигатель, непрерывно качающий воду в жаркой пустыне. Солнце сполна обеспечивает его своей энергией. Построена даже тележка, автоматически двигающаяся навстречу Солнцу и даже электролампе (рис. 335). Такие двигатели, работающие на чистой и даровой энергии Солнца, очень перспективны, особенно при освоении Луны и других планет. Чем не «вечные двигатели», о которых мечтал де Марикур?
Летает ли гроб Магомета?
История с гробом пророка Магомета, летающим, или, точнее, левитирующим, в магнитной пещере, будоражит умы ученых уже не один век.
По-видимому, первым поведал миру о странном парящем гробе Магомета сам великий Гильберт – отец магнетизма. В своей книге «О магнитах…», изданной в 1600 г., он ссылается на некого Маттиола, который «…приводит рассказ о часовне Магомета со сводом из магнитов и пишет, что это необычайное явление (железный сундук, висящий в воздухе) поражает толпу, как некое божественное чудо».
Еще в 1574 г. итальянец Джиоламо Фракостро в своей книге «О симпатии» писал: «…кусочек железа повисает в воздухе, так что не может двинуться ни вверх, ни вниз в том случае, когда наверху будет помещен магнит, который в состоянии с одинаковой мощностью тянуть железо вверх настолько же, насколько железо устремляется вниз. Железо как будто бы укрепляется в воздухе».
Гильберт разоблачает это утверждение Фракостро. «Это нелепо, – пишет Гильберт, – так как более близкая магнитная сила является всегда более мощной. Вследствие того, что сила магнита ненамного поднимает железо от земли, оно должно непрерывно возбуждаться магнитом (если нет никаких преград) и приставать к нему».
То есть не может идти и речи о каком-нибудь устойчивом положении подвешенного в магнитном поле кусочке железа.
Интересно, что еще до Гильберта в невозможности этого убедился итальянец Порта. В своей книге с экзотическим названием «Натуральная магия», вышедшей в 1589 г., Порта, отчаявшись заставить магнит парить под куском железа, пишет: «Но я говорю, что это может быть сделано, потому, что я теперь это сделал, чтобы удерживать магнит на почти невидимой нити, дабы он висел в воздухе: только так, чтобы к нему была привязана небольшая нитка внизу, дабы он не мог подняться выше».
Этот интересный опыт часто проделывают школьники, заставляя висеть иголку на нитке «вверх ногами» под магнитом. Этот эффектный опыт повторила одна немецкая фирма, производящая электромагниты. На цепи к полу был прикован тяжелый железный шар, рвущийся в небеса. По цепи к шару даже поднимается рабочий – и шар продолжает висеть (рис. 336). Но хитрость в том, что над шаром укреплен подъемный электромагнит, притягивающий его так сильно, что шар не падает, несмотря на большой воздушный зазор между ним и магнитом. Между тем зазор очень уменьшает подъемную силу магнита – даже листок бумаги, подложенный между полюсами школьного подковообразного магнита и притягиваемым куском железа, уменьшает силу притяжения вдвое.
Естественно, Гильберт опроверг слухи о свободном парении сундука в часовне Магомета. Но в 1647 г. в книге немецкого ученого-иезуита Афанасия Кирхера «О магните» уже появляется парящий в воздухе гроб – «Гроб Магомета магнитною силою держится в воздухе».
Но самое удивительное, что великий ученый, математик и физик Леонард Эйлер тоже поверил в возможность свободного магнитного подвешивания железных предметов! В его книге «Письма о разных физических и филозофических материях, писанные к некоторой немецкой принцессе Академии наук членом, астрономом и профессором», выдержавшей свыше сорока изданий, переведенной на десять иностранных языков, говорится: «Повествуют, будто гробницу Магомета держит сила некоторого магнита; это кажется не невозможным, потому что есть магниты, искусством сделанные, которые поднимают до ста фунтов». Выходит, Эйлер не сомневался даже в возможностях создания магнитов с большой подъемной силой. Вопрос, задержится ли поднятое тело в точке равновесия или упадет в ту или другую сторону, как карандаш, поставленный на острие, остался без внимания ученого.
Книга Эйлера была написана в 1774 г., а только в 1842 г. профессор С. Ирншоу в «Записках Кембриджского университета» опубликовал статью «Природа молекулярных сил», где доказал, что ферромагнитное тело, расположенное в поле постоянных магнитов, не может находиться в состоянии устойчивого равновесия. То есть Ирншоу сделал с помощью математики то, что Гильберт выразил словами, – наложил запрет на свободное парение магнитов и металлов, притягиваемых ими. И никакой комбинацией магнитов и железных кусков невозможно подвесить ни те ни другие так, чтобы они не касались никаких других тел.
Что же касается пресловутого гроба Магомета, то неужели нельзя было поехать туда, в город Медину на Аравийском полуострове, и посетить легендарную гробницу – Хиджру, как ее называют мусульмане, которая расположена в мечети Харам, и воочию убедиться, парит ли в воздухе этот гроб?
Нет, оказывается, это было совсем не просто. Многие путешественники поплатились жизнью за свое любопытство. Фанатичные паломники тут же убивали всякого «неверного», проникшего в Медину. В начале XIX в. в Медину с этой целью отправился некий Буркгардт, которому посчастливилось увидеть мечеть Харам. Ему за большие деньги удалось заглянуть в небольшое окошко и посмотреть на гробницу. Но в окне он увидел только… занавес. Загадка не была разрешена.
Наконец в 1853 г. в Медину по заданию Лондонского географического общества отправился храбрый английский офицер Ричард Бартон. Он был переодет в халат паломника и хорошо осведомлен, как необходимо вести себя в соответствующих ситуациях, чтобы в нем не узнали европейца. Несколько раз Бартон был на грани разоблачения, но в результате все прошло удачно, и он оказался первым среди европейцев, которому удалось проникнуть в святая святых мусульман – мечеть Харам, осмотреть знаменитую гробницу и живым вернуться домой.
А вскоре, в 1854 г. вышла книга Бартона «Описание путешествия в Мекку и Медину», где была подробно описана гробница Магомета. Она представляла собой обыкновенный склеп, в котором были не один, а целых три гроба – Магомета и его двух родственников. Гробы эти были отнюдь не железные (или хрустальные, по другим легендам), а обыкновенные, деревянные, хотя и богато украшенные. И об огромном магните, поддерживающем их, конечно, не могло быть и речи.
Как писал об этом русский журнал «Библиотека для чтения», «так исчезают рассказы, похожие на басни „Тысячи и одной ночи“, едва только представляется возможность проверить их наблюдением». Золотые слова!
Какой магнетизм продольный, а какой – поперечный?
В 1939 г. немецкий ученый доктор В. Браунбек совершил настоящее чудо, подвесив в постоянном магнитном поле крошечные тела. Причем тела эти парили в воздухе, ни к чему не прикасаясь, точно как мифический гроб Магомета (рис. 337). Но об этих телах надо поговорить особо, так как они были изготовлены их веществ, которые вплоть до ХХ в. считались немагнитными.
Мы знаем, что магнит притягивает железные предметы. Кроме железа, притягиваются также близкие к нему металлы – никель и кобальт. Такие металлы называют ферромагнетиками. Если нагреть эти металлы до точки Кюри, то они перестают притягиваться к магниту, – это было известно еще Гильберту. Но если быть точным, то они продолжают притягиваться, только в сотни тысяч раз слабее. Эти металлы становятся парамагнетиками. Например, металл гадолиний становится ферромагнетиком только при температуре ниже 16 °C, а выше он парамагнетик. Точка Кюри для него наступает при комнатной температуре. Парамагнетиков достаточно много. Это металлы магний, кальций, алюминий, хром, марганец, газ кислород и многие другие.
Читать бесплатно другие книги:
