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

Но вернемся к магнитам. Магнитное поле может воздействовать на электроны, поэтому может управлять электрическими токами. Однако взаимосвязь электричества и магнетизма этим не ограничивается. Электрические токи могут также создавать собственные магнитные поля.

⁂

Как мы уже знаем из главы 5, тостеры обеспечивают весьма эффективный нагрев с помощью инфракрасного света. Однако подлинная прелесть тостера вовсе не в этом – ваш гриль тоже так умеет. Подлинная прелесть тостера в том, что он знает, когда остановиться. Универсальное правило работы тостера заключается в том, что хлеб только тогда исчезает в его недрах, когда вы нажимаете на рычажок с одной стороны. Если вы нажмете на этот рычажок не до самого конца, хлеб просто выскочит обратно из тостера. Но если вы нажмете на рычажок до упора, раздастся щелчок и хлеб останется в тостере до тех пор, пока не обжарится и не выскочит из этой мини-печи. Мне не нужно неотрывно следить за процессом обжаривания, проверяя степень готовности тоста. Когда хлеб превратится в тост, раздастся еще один механический щелчок и тост выскочит из тостера сам собой. Таким образом, пока я занимаюсь какими-то другими делами, например выкладываю из холодильника на стол масло и джем, что-то удерживает тост внутри тостера.

Прелесть тостера – в простоте его конструкции. Когда вы помещаете в тостер хлеб, он оказывается на подпружиненном лотке. Пружины, на которых смонтирован лоток, поднимают хлеб в верхнюю позицию, расположенную достаточно высоко над нагревательными элементами. Впрочем, вам не составит большого труда преодолеть действие этих пружин и протолкнуть хлеб вниз. Когда лоток достигнет дна тостера, выступающая наружу металлическая пластинка замыкает зазор не в одной, а сразу в двух электрических цепях. Одна из этих цепей отвечает за функцию нагрева: электрический ток, проходя по нагревательным элементам тостера, которые являются составными частями этой цепи, начинает подогревать лоток с хлебом.

Но другая электрическая цепь представляет для нас гораздо больший интерес. Электроны в ней циркулируют по отрезку провода, обернутому вокруг небольшого куска железа, так называемого сердечника. Перемещение электронов по отрезку провода напоминает движение по винтовой лестнице: они заходят в отрезок провода с одного его конца, движутся по спирали вокруг железного сердечника, наматывая круг за кругом, а затем, выйдя с другого конца отрезка провода, продолжают движение по цепи, пока не доберутся до штырька вилки, вставленной в электрическую розетку. Вот, собственно, и все, что происходит во второй электрической цепи. Но, учитывая неразрывную связь электричества и магнетизма, проходя по проводу, электрический ток создает вокруг него магнитное поле. Если ток проходит по проводу, намотанному на катушку, то его прохождение по каждому очередному витку провода наращивает магнитное поле в катушке, а железный сердечник, помещенный внутрь катушки, усиливает его. Такая конструкция называется электромагнитом. Когда электрический ток проходит по проводу, получается магнит, когда подача тока прекращается, магнитное поле вокруг катушки исчезает. Поэтому, нажимая на рычажок, вы включаете магнитное поле у основания тостера (до этого момента оно отсутствовало). Так как нижняя сторона лотка с хлебом изготовлена из железа, лоток притягивается к магниту. Другими словами, пока я достаю масло и джем из холодильника, временное магнитное поле удерживает лоток с хлебом в нижнем положении. В тостере сбоку встроен таймер, который запускается при замыкании электрических цепей. По истечении заданного времени таймер прекращает подачу электропитания в цепи тостера. Поскольку электрический ток перестает подаваться на электромагнит, он теряет свои свойства. Магнитное поле перестает удерживать лоток с хлебом в нижнем положении, и пружина толкает его вверх.

Иногда я забываю вставить вилку тостера в электрическую розетку. Впрочем, все довольно быстро выясняется: если я попытаюсь нажать на рычажок тостера, он тотчас же вернется в исходное положение, даже если я повторю нажатие. Это объясняется отсутствием подачи электрического тока на электромагнит, поэтому электромагнит не может удерживать лоток с хлебом в нижнем положении. В такой простой системе все происходит с потрясающей элегантностью. Каждый раз, готовя тост, вы пользуетесь фундаментальной связью электричества и магнетизма.

Электромагниты широко распространены благодаря своему уникальному свойству: возможности включать и выключать магнитное поле. Они применяются в громкоговорителях, электронных дверных замках и компьютерных дисководах. Чтобы электромагнит создавал магнитное поле, на него должно подаваться электропитание – иначе магнитное поле пропадает. Магниты, которые вы прикрепляете на двери холодильников, называются постоянными – их нельзя включать и выключать и на них не нужно подавать электропитание. Электромагниты при подаче электропитания, по сути, исполняют ту же функцию, что и постоянные магниты. Но их удобство в том, что их можно выключить, прекратив подачу электрического тока.

На нас все время воздействуют небольшие, локальные магнитные поля. Какие-то из них постоянные, а какие-то – временные. Эти поля почти всегда рукотворны, то есть искусственного происхождения, и используются для выполнения той или иной полезной функции. Иногда они оказываются побочным продуктом при выполнении какой-либо полезной функции. Магнитные поля действуют в весьма ограниченном пространстве, поэтому их можно обнаружить только вблизи магнита. Но все это лишь слабые проявления гораздо более мощного магнитного поля, которое охватывает всю нашу планету и имеет исключительно естественное происхождение. Мы не можем почувствовать его, но все время им пользуемся.

⁂

Большинство из нас – особенно любители совершать длительные пешие походы по незнакомой местности – воспринимают компас как нечто совершенно естественное. Очень удобно брать в походы прибор, стрелка которого всегда указывает на север. Сколько бы компасов у вас ни было – десять, двадцать или двести и как бы вы их не размещали, все они всегда указывают на север. Вы можете перенести свою коллекцию компасов в любое место на Земном шаре, разложить ее на земле – и стрелки всех компасов будут указывать на север. Магнитное поле Земли повсеместно. Оно пронизывает наши города, леса и горные массивы. Мы живем в нем и хотя и не ощущаем его действия, компас всегда напомнит нам о его существовании.

Компас – гениально простой измерительный прибор. Его стрелка – это магнит, поэтому ее концы ведут себя по-разному, будучи северным и южным полюсами магнита. Если два магнита разместить рядом и перемещать относительно друга друга, то вскоре вы заметите, что сдвинуть между собой два северных полюса очень трудно, тогда как разноименные полюса магнитов сильно притягиваются. Именно поэтому так легко определить направление магнитного поля: если поместить небольшой подвижный магнит внутри магнитного поля, он будет поворачиваться вокруг собственной оси до тех пор, пока его северный и южный концы не окажутся ориентированными вдоль этого магнитного поля. Именно в этом и заключается принцип действия компаса: подвижный магнит, который поворачивается в направлении внешнего магнитного поля. Вы не можете видеть обширное магнитное поле Земли, но можете видеть стрелку компаса, реагирующую на него. Впрочем, компасы реагируют не только на магнитное поле Земли. Возьмите в руку компас и походите с ним по комнатам своего дома. Вы наверняка обнаружите магнитные поля вокруг электрических розеток, стальных кастрюль, бытовых электроприборов, магнитов, закрепленных на холодильнике, и даже возле утюга, если он недавно побывал возле какого-либо магнита.