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

⁂

Боцман окинул сердитым взглядом горизонт, засунул руки глубоко в карманы своей непромокаемой куртки с капюшоном и направился в мою сторону. Дело было в ноябре, в северной части Атлантики. Мы уже четыре недели не ступали на берег и не видели вокруг себя ничего, кроме серого моря, которое, куда ни обрати взор, сливалось на горизонте с таким же беспросветно серым небом, и непрестанно раскачивались на волнах: вверх-вниз, вверх-вниз… Моток электрического кабеля, который я только что вытащила на палубу, отвлек меня на какое-то время от унылого однообразия морского пейзажа. Я уже успела частично распутать этот моток, и теперь кабель тянулся поперек палубы, упираясь концом в башмак боцмана. Характерный и, на мой взгляд, смешной бостонский акцент боцмана казался совершенно неуместным в столь суровой обстановке. «Сколько вы собираетесь возиться со всем этим?»

Самое неприятное для меня в экспериментах на море – это последние проверки, которые я обязана провести, прежде чем завершить работу. Я немного нервничала, поскольку я, и только я, несла ответственность за данный этап эксперимента. Чтобы определить характеристики воздушных пузырьков, которые образуются непосредственно под бушующими волнами, я использовала большой желтый буй с закрепленными на нем всевозможными измерительными приборами. Боцман отвечал за маневрирование судна возле буя (например, не задевать его корпусом судна и не создавать каких-либо помех работе научной аппаратуры, закрепленной на буе). Приближавшийся шторм обещал быть достаточно серьезным, и я ожидала получить ценную информацию по результатам своего эксперимента. «Мне осталось только подключить электрические батареи, после чего можно приступать», – сказала я. Огромный желтый 11-метровый буй был все еще надежно закреплен на палубе. Подключение батарей я начала с бронированной камеры, установленной наверху буя. Положив ладонь на место подсоединения кабеля питания к камере, я провела рукой по проводу, тянущемуся до дна буя, где были закреплены массивные электрические батареи, и вставила вилку в разъем. Затем таким же способом подсоединила к батареям акустические резонаторы. Нащупать место подсоединения кабеля питания к очередному устройству, провести ладонью по кабелю питания до места его подсоединения к батареям и вставить вилку в разъем. Это называется проверкой надежности подсоединения к источнику питания. Семь раз проверь, один раз измерь – вот мое правило. В ходе этих экспериментов могут проводиться невероятно тонкие и сложные манипуляции в физическом мире, но только при наличии электропитания. В моем случае оно обеспечивалось четырьмя массивными свинцово-кислотными морскими аккумуляторными батареями, весом около 40 килограммов каждая. Эти батареи были изобретены еще в 1859 году, и с тех пор их конструкция не претерпела существенных изменений. Тем не менее они очень надежные.

Когда пришел момент опустить буй с аппаратурой на воду, мы, ученые, в своих непромокаемых комбинезонах, собрались на дальнем конце палубы, а за работу принялась команда судна. С помощью лебедки они приподняли нашего желтого монстра с палубы и осторожно опустили в темные воды. Оказавшись в одиночестве среди бескрайнего бушующего моря, он уже не производил впечатления монстра – скорее, напоминал маленькое желтое пятнышко, которое с трудом угадывалось за вздымающимися вокруг него волнами. Экипаж и ученые, столпившись возле поручней, начали оживленно обсуждать посадку буя на воду и скорость, с которой он удалялся от корабля. Но я не задумывалась об этом. Я думала об электронах.

Там, под водой, началась их гонка. Они отчаливали от батареи, обегали электрические цепи научной аппаратуры, закрепленной на буе, и возвращались в батарею – с другого ее конца. В этих кольцевых гонках по электрическим цепям устройств, задействованных в эксперименте, участвовало фиксированное количество электронов; все они обегали одно и то же кольцо. Электроны не покидали его пределов, никуда не «расходовались» – просто наматывали круг за кругом. Задача заключалась лишь в том, чтобы постоянно подпитывать систему энергией, которая бы заставляла электроны совершать свое поступательное движение. Наматывая круг за кругом по кольцу, электроны затрачивают определенную энергию. Ее источником является батарея, а это весьма хитроумное устройство.

«Фишка» батареи в том, что она организует некую цепочку событий, где каждое звено служит источником электронов, необходимых следующему звену. Таким образом, как только к какой-либо электрической цепи подключают батарею, создаются условия, обеспечивающие движение электронов по этой цепи. У каждой из наших морских батарей было два вывода, с помощью которых они подсоединялись к любой электрической цепи, обеспечив ее питание. Внутри батареи каждый вывод был подсоединен к одной из двух свинцовых, не соприкасавшихся между собой пластин. Пространство между ними было заполнено кислотой (именно поэтому батареи называются свинцово-кислотными). Свинец может вступать в реакцию с кислотой двумя способами. Для одного необходим приток дополнительных электронов, а другой обеспечивает такой приток, вырабатывая дополнительные электроны. Свинцово-кислотная батарея считается полностью заряженой, когда эти две реакции между свинцом и кислотой заходят настолько далеко, насколько это возможно.

Подсоединив научную аппаратуру к батарее, я, по сути, создала путь, пролегающий от одной свинцовой пластины через электрические схемы всей научной аппаратуры к другой свинцовой пластине. Оставалось добавить в этот лабиринт последний, но принципиально важный, недостающий фрагмент: вследствие химических реакций, протекающих на свинцовых пластинах, в проводах возникло электрическое поле. Именно оно приводит в движение электроны, заставляя их перемещаться от одной свинцовой пластины к другой. Но поскольку электроны не могут перемещаться в кислоте, им ничего не остается, как двигаться длинным окольным путем: по «наружной» электрической цепи. Как только электрическое поле создаст для электронов возможность продвижения по электрической цепи, реакции на свинцовых пластинах начинают идти в обратном направлении из-за образования замкнутой электрической цепи. Одна из свинцовых пластин (точнее, следовало бы говорить об «одном комплекте» свинцовых пластин) отдает электроны кислоте, а затем кислота передает этот заряд на другую свинцовую пластину (опять-таки, следовало бы говорить о «другом комплекте» свинцовых пластин), которая в процессе химической реакции принимает на себя электроны. В целом процесс движения электронов по цепи поддерживается, поскольку существует наружная электрическая цепь, по которой они могут возвращаться к первому комплекту пластин. Самое главное, что в процессе перемещения по наружной электрической цепи электроны теряют часть энергии. Такое их перемещение называется электрическим током. Если его прохождение по сложной электрической цепи приводит к выполнению какой-либо полезной функции, реализуемой этой электрической цепью, то это означает, что с помощью электрической батареи вам удалось заставить электрическую энергию работать.

Все эти мысли проносились в моей голове, пока я, перегнувшись через поручни на палубе, наблюдала за желтым буем, пляшущим на волнах. Камера должна была включиться, создав путь для электронов от батареи, которые добрались по проводу до отсека с камерой. Пути прохождения электронов нужно все время контролировать, памятуя о том, что они всегда выбирают самый легкий для себя путь. Пути для движения электронов создаются с помощью проводящих материалов. Кабель питания изготавливается из металла. Продвигаться по металлу электронам гораздо легче, чем по пластмассовой оболочке кабеля, поэтому можете быть уверены, что они будут двигаться именно по кабелю, а не рваться наружу через его пластмассовую оболочку. Помимо управления электрическим током путем комбинирования проводящих и непроводящих материалов, самым основным элементом управления электрическим током является переключатель. Замкнутый переключатель – то место в электрической цепи, где соприкасаются две части электрического провода. Они не соединены между собой «намертво», но когда соприкасаются, электроны могут свободно перетекать из одной части в другую. Чтобы остановить их движение, достаточно просто рассоединить эти части электрического провода. Поток электронов остановится, лишившись легкого пути, чтобы перебраться из одной части провода в другую.