Электричество
Электричество или, точнее, весь круг явлений, связанных с электромагнетизмом, — настолько важная и магистральная технология, что в эпоху перезагрузки нужно будет восстановить ее как можно скорее. Открытие электромагнетизма — прекрасный пример того, как абсолютно новая область знания, обнаруженная по случайности, открывает нам широкий круг сопутствующих явлений и полезных возможностей. Эти новые явления исследуются в аспекте технологического освоения, что в свою очередь прокладывает новые пути для чистого научного поиска.
Впервые электричество в виде непрерывного и стабильного тока было получено в аккумуляторной батарее. Изготовить батарею удивительно просто. Чтобы запустить электрический ток, понадобится всего лишь два куска разного металла, погруженные в электропроводящую жидкость или пасту, так называемый электролит[33]. Каждый металл характеризуется своей «степенью сродства» к частицам, называемым электронами, и, когда два разных металла соединяются, один из них делится своими электронами с другим, более «голодным», вызывая ток в связывающем их проводе. В любых аккумуляторах, будь то мобильный телефон, карманный фонарик или кардиостимулятор, «запакована» химическая реакция, которая происходит, лишь когда контакт замкнут и поток электронов бежит по лабиринту проводов и выполняет предписанную работу. Разница в реактивности между двумя металлами определяет электрический потенциал или напряжение, выдаваемое батареей.
Подходящее напряжение получается, если серебро или медь соединяется с более активными металлами типа железа или цинка. Первая электрическая батарея, вольтов столб, сконструированная в 1800 г., состояла из чередующихся серебряных и цинковых дисков, разделенных картонными прокладками, пропитанными соленой водой. Серебро, медь и железо были известны за тысячи лет до вольтова столба, а цинк, хотя его обогащать труднее, присутствует в античных бронзовых сплавах и в чистом виде был доступен человеку с середины XVIII в. Провода можно изготовить прокатыванием или волочением мягкой меди. Так что, похоже, не было никаких непреодолимых преград для того, чтобы электричество открыли в Античности.
И не исключено, что его тогда и вправду открыли.
В 1930-х гг. в раскопках около Багдада обнаружилось несколько любопытных артефактов. Это были глиняные сосуды, каждый около 12 см высотой, датированные парфянской эпохой (200 г. до н. э. — 200 г. н. э.). Примечательным в этих сосудах было их содержимое. В каждом находился железный стержень, помещенный в трубку из свернутого медного листа, и обнаружились следы присутствия кислотосодержащей жидкости типа уксуса. Металлические детали не соприкасаются, а горлышко сосуда было запечатано природным изолятором битумом. По одной из версий, этот древний реликт представляет собой гальванический элемент, использовавшийся, возможно, для напыления золота на ювелирные украшения, а может быть, у покалывающего электрического тока предполагали лечебные свойства. Реплики, сделанные с «багдадских батарей», спокойно выдавали напряжение около 1,5 В, но свидетельства применения гальванических покрытий, прямо сказать, недостаточны, и назначение загадочных сосудов по-прежнему остается под вопросом. Если они все же созданы для получения электричества, что, безусловно, возможно, тогда их создатели опередили Алессандро Вольту более чем на тысячелетие.
Если химическую реакцию, снимающую электроны с отрицательного контакта и переносящую на положительный, можно обратить, получаем вдвойне полезный снаряд — возобновляемую батарею. Простейшая для изготовления заряжаемая с нуля батарея — это свинцово-кислотный аккумулятор, широко применяемый на автомобилях. Электродами служат свинцовые пластины, погруженные в сернокислый электролит. Оба электрода реагируют с кислотой, превращаясь в сульфат свинца, но во время зарядки положительный электрод переходит в оксид свинца (свинцовая ржа), а отрицательный — в металлический свинец, а во время разрядки батареи происходит строго обратное. Каждый такой элемент производит чуть больше 2 В, а шесть штук, соединенные последовательно, дают 12 В на выходе автомобильного аккумулятора[34].
С батареями, однако, есть одна трудность: хотя они служат фантастически удобным переносным источником энергии, от которого работают наши ноутбуки, смартфоны и другие новейшие устройства, здесь мы просто подключаемся к энергии, уже содержащейся в разнородных металлах (точно так же сжигание дров всего лишь высвобождает энергию углерода, реагирующего с кислородом). Сначала придется истратить немало энергии на получение чистых реактивных металлов или на подзарядку возобновляемой батареи от какого-то источника. Батареи — это хранилище, а не источник.
Свойства электричества, от которых мы так зависим в современном мире, представляют собой совокупность взаимосвязанных явлений, на которые человек наталкивался начиная с 1820-х гг. Положите компас рядом с проводом, по которому течет ток из аккумуляторной батареи, и вы увидите, что стрелка отклонится. Провод создает магнитное поле, которое локально превалирует над магнитным полем Земли, и потому стрелка компаса меняет положение. Эффект можно усилить, туго обвив проводом железный стержень: в этом случае несильные поля от провода, складываясь, превращают железный сердечник в мощный электромагнит, который можно включать и выключать щелчком рубильника и применять для постоянного намагничивания других кусков железа.
Но если электрический ток создает магнитное поле, не верно ли и обратное: может ли магнит вызвать ток в проводнике? И в самом деле — может. Если возле мотка проволоки перемещать магнит или даже включать и выключать электромагнит, в проволоке возникнет ток. Чем быстрее магнитное поле движется мимо провода, тем мощнее ток. То есть электричество и магнетизм — это симметричные неразрывно переплетенные силы: две стороны одной медали электромагнетизма.
Простое наблюдение, состоящее в том, что магнитное поле индуцирует электрический ток, открывает нам необъятное разнообразие современных технологий: с помощью магнита самое движение можно преобразовать в электроэнергию. И не надо зависеть от батарей, требующих дорогого металла и быстро истощающихся: вращая магнит в бухте проволоки или бухту вокруг магнита, можно получать сколько нужно электроэнергии. Принцип работает и в обратную сторону: электромагнитное поле может приводить тела в движение. Положите сильный магнит рядом с проводом, и вы заметите, что провод вздрогнет оттого, что в нем возник ток. Это эффект отталкивания. Немного поэкспериментировав, можно определить, как расположить электрические провода и магниты (или даже электромагниты), чтобы привести в движение быстро крутящийся вал. Сегодня электромоторы приводят в движение промышленные машины, пилят лес и мелют зерно, и в вашем доме их добрый десяток: электромотор жужжит в пылесосе, вертит вытяжной вентилятор в ванной, вращает диск в DVD-проигрывателе. Миниатюризация труда облегчает наш быт, электромоторы нынче всюду, и они почти невидимы.
Зная, как электромагнетизм приводит тела в движение, можно сконструировать инструменты для точного измерения основных характеристик электрического тока: силы и напряжения. (Первые электротехники пытались мерить эти параметры языком, оценивая степень болезненности прикосновения!) Как мы увидим в главе 13, способность верно исчислить новое явление — это необходимый первый шаг к его пониманию и далее к возможному техническому освоению.
Электрический свет тоже играет в нашей жизни немалую роль. Его можно зажечь в любой момент, и это кардинальным образом изменило режим сна и производственные ритмы человека: наши улицы и дома сияют миллионами маленьких солнц. Простейший вид электрического освещения — дуговая лампа. Изобретенная в 1800-х гг. и питавшаяся от вольтова столба, это, по сути дела, непрерывная искра — искусственная молния, бьющая между двумя угольными электродами. Неудобство дуговой лампы в том, что она невыносимо яркая и потому не годится для помещений. Хотя вызвать свечение тел с помощью электромагнетизма достаточно несложно, регулировать силу электрического света — задача потруднее.
Физические явления, на которых основана конструкция лампочки накаливания, достаточно просты. Электрическое сопротивление — свойство любого вещества, и благодаря ему тонкую нить накаливания можно раскалить, пропуская через нее ток. Раскаляясь, вещества начинают сами испускать лучи — температурное излучение: железный прут в пламени горна становится сначала багровым, потом оранжевым, желтым и, наконец, ослепительно-белым. Но дьявол прячется в деталях: если угольная или металлическая нить накаливания добела раскалится на воздухе, она вступит в реакцию с кислородом и сгорит. Ее можно поместить в герметичную стеклянную колбу, откачав оттуда воздух, но в вакууме раскаленные вещества легко испаряются. Проблему решает заполнение колбы разреженным инертным газом, но для этого все равно потребуется исследование и эксперименты, подбор методом проб и ошибок среди разных карбонизированных материалов и видов тонкой проволоки надежного варианта нити накаливания.
