Сайт-портфолио учителя физики Фаустова Г.Ю.

Как холод помог магниту?

admin — Thu, 13 Dec 2012 11:03:02 GMT

В конце XIX – начале XX вв. ученым удалось перевести в жидкость все без исключения газы и даже чемпиона среди них – гелий. Температура кипения его всего на 4,2 °С выше абсолютного нуля, равного минус 273,16 °С. Сейчас у ученых и инженеров принято измерять температуру не в градусах Цельсия, а в градусах Кельвина, которые берут отсчет от абсолютного нуля, при этом 0 К= – 273,16 °С. Температура кипения жидкого гелия, стало быть, будет 4,2 К (значок «°» при измерении в градусах Кельвина в отличие от градусов Цельсия не пишется).

Честь получения жидкого гелия принадлежит голландскому ученому Гейке Каммерлингу-Оннесу, и с его же именем связано явление, имеющее непосредственное отношение к магнитам, – явление сверхпроводимости. Сверхпроводимость должна совершить в технике настоящую революцию, немалая роль в которой будет принадлежать сверхпроводящим магнитам.

В начале XX в., а точнее, до 1911 г. и открытия сверхпроводимости, ученые совершенно не знали, как поведут себя проводники тока, в первую очередь металлы, при их охлаждении.

Какая-то часть ученых считала, что электрическое сопротивление проводников с понижением температуры будет постоянно падать, и при температуре абсолютного нуля могло бы исчезнуть совсем. (Такое явление назвали сверхпроводимостью). Но так как абсолютный нуль практически недостижим, то и сверхпроводимости, стало быть, реально не получить. Другие настаивали на том, что и при абсолютном нуле какое-то сопротивление останется из-за дефектов в кристаллах металлов. А третьи и вовсе утверждали, что при приближении к абсолютному нулю сопротивление проводников возрастает. И все это доказывали теоретическим путем.

А Каммерлинг-Оннес своим ставшим знаменитым опытом показал, что и те, и другие, и третьи неправы, а результат таков, какой и ожидать-то трудно было.

Весной 1911 г. ученый решил заморозить ртуть в недавно полученном им жидком гелии. Гелий этот сохраняли в сосуде, который придумал англичанин Дьюар и который впоследствии назвали его именем.

В сосудах Дьюара одинаково хорошо хранятся и холодные, и горячие предметы, в том числе и жидкости, так как они хорошо ограждены вакуумом от поступления тепла снаружи и выхода его изнутри. А зеркальный слой делает невозможным передачу тепла лучами.

Итак, в сосуд Дьюара, содержащий жидкий гелий, была помещена трубочка со ртутью, которая тотчас же там замерзла, а затем Каммерлинг-Оннес пропускал через ртуть ток и замерял электрическое сопротивление, так же, как это делают сегодня радиотехники и электрики. Сопротивление столбика ртути с понижением температуры падало, пока эта температура не снизилась до 4,12 К. При этой температуре сопротивление скачком исчезло совсем! Да об этом никто даже подозревать не мог!

Добросовестный ученый многократно изменял условия опыта: то брал загрязненную ртуть, то утончал и удлинял столбик ртути, чтобы сопротивление стало заметнее, но результат был все тот же: сопротивление равно нулю!

И, наконец, через два года Каммерлинг-Оннес проделывает решающий опыт, для которого уже не важна точность измерительных приборов. Он изготавливает из свинцовой проволоки обмотку и дает импульс тока. Свинец тоже оказался сверхпроводником, причем уже при 7,2 К. Если хоть какое-то, пусть даже ничтожное сопротивление есть, то ток в обмотке очень быстро, за доли секунды угаснет. Ток в обмотке не угасал совсем!

Итак, сверхпроводимость открыта! И не при недоступном абсолютном нуле, а при реальных температурах.

Для тех, кто не верит тому, что сопротивление сверхпроводника действительно равно нулю, можно рассказать об интересном и поучительном опыте, поставленном американским физиком С. Кол-линсом.

Он изготовил сверхпроводящее кольцо, как и Каммерлинг-Он-нес, поместил его в жидкий гелий и пустил по нему ток. В серебряном кольце, например, этот ток затух бы за несколько десятых долей секунды, а ведь серебро – лучший из известных проводников. А в кольце Коллинса угасания тока за 10 лет установить не удалось. Не менее 100 тысяч лет нужно для того, чтобы самыми точными приборами заметить это угасание!

Дотошные физики подсчитали, что до полного затухания тока, когда его уже нельзя будет измерить приборами, пройдет время, в миллиарды миллиардов раз большее, чем время существования нашей Вселенной! Это ли не полное отсутствие сопротивления? Да и то говорят, что такое заключение ученые вынесли необоснованно – некоторое, ничтожное затухание тока наблюдается из-за растяжения кольца, по которому течет этот ток. Известно, что текущий по кольцу ток создает магнитные силы, стремящиеся разорвать кольцо.

Так вот это растяжение и связанное с ним падение напряженности магнитного поля ошибочно принимали за затухание тока. В действительности ток в сверхпроводящем кольце будет течь вечно, и мы получим вечный электромагнит!

Как Фарадей перехитрил Ампера?

admin — Thu, 13 Dec 2012 10:23:09 GMT

Тут нам снова надо вернуться в XIX в., к знаменитым опытам Фарадея (1791—1867). Сразу после опытов Эрстеда, где электричество порождало магнетизм, Фарадей записал в своем дневнике девиз: «Превратить магнетизм в электричество». 11 лет Фарадею это не удавалось. Много лет подряд ученый постоянно носил с собой спираль из медной проволоки и железный сердечник, проделывая с этими предметами самые невероятные манипуляции. Но ничего путного не выходило, и в его лабораторном журнале «О возбуждении электричества посредством магнетизма» снова появлялась запись: «Никакого результата». Каждому опыту Фарадей посвящал особый параграф, и последний параграф в журнале помечен номером 16041!

Баснословная работоспособность и одержимость Фарадея была наконец вознаграждена, и 29 августа 1831 г. он «напал на след». Весь сентябрь и октябрь были сплошным повторением в разных вариантах одного и того же опыта, который положил начало всему электромашиностроению. Вот как описал этот опыт сам Фарадей в своем журнале:

«Я взял цилиндрический магнитный брусок и ввел один его конец в просвет спирали из медной проволоки, соединенной с гальванометром. Потом я быстрым движением втолкнул магнит внутрь спирали на всю его длину, и стрелка гальванометра испытала толчок. Затем я также быстро вытащил магнит из спирали, и стрелка опять качнулась, но в противоположную сторону. Эти качания стрелки повторялись всякий раз, как магнит вталкивался или выталкивался…» Дальше следовал гениальный вывод ученого: «Это значит, что электрическая волна возникает только при движении магнита, а не в силу свойств, присущих ему в покое».

Сейчас мы отлично понимаем, что если положить магнит около обмотки или даже вдвинуть его в спираль и оставить там, то ожидать появления тока при неподвижном магните равносильно вере в появление энергии из ничего. Действительно, лежит себе магнит внутри обмотки, ничего не теряет, а там течет ток, совершая работу хотя бы на нагрев этой обмотки. Так и до «вечного двигателя» недалеко! Правда, как мы уже видели, такой случай возможен, когда обмотка сверхпроводящая – там ток, возникший при введении магнита, будет течь вечно – потерь-то никаких нет! А ведь такого же эффекта в те времена ждали, и не кто-нибудь, а сам Ампер и, возможно, поначалу и Фарадей.

Одновременно с Фарадеем опыты по вдвиганию магнитных сердечников в проволочную спираль проводил и Ампер. Чтобы избежать влияния магнита на чувствительный гальванометр и Фарадей, и Ампер помещали прибор в другую комнату. При этом Ампер сначала помещал сердечник внутрь спирали и потом уже шел в соседнюю комнату проверить, не появился ли ток. Но, увы, спираль была изготовлена не из сверхпроводника, а из обычной медной проволоки, и ток практически мгновенно затухал, стоило сердечнику прекратить движение. А Фарадей поручил наблюдение за прибором ассистенту, который и заметил появление тока во время движения магнита. Казалось бы, что стоило Амперу воспользоваться чьей-либо помощью или, на худой конец, поставить гальванометр в другом углу той же комнаты и самому наблюдать за ним!

Такие досадные случаи достаточно часты в истории науки, что и дало повод великому немецкому физику Герману Гельмгольцу воскликнуть: «И от этих случайных обстоятельств зависело великое открытие!»

Это изречение Гельмгольца в полной мере относится и к самому Фарадею. Еще за 9 лет до открытия им электромагнитной индукции (а именно так стали называть возбуждение магнитом электричества) Фарадей был необычайно близок к нему.

Наблюдая за проволокой с током, проделывая с ней замысловатые манипуляции, Фарадей неожиданно обнаружил, что магнит начинает движение вблизи проволочки с током. Сохранился собственноручный рисунок Фарадея, иллюстрирующий этот опыт. В чаше с налитой туда ртутью плавает магнитик. Ртуть подсоединена к одному полюсу источника тока, причем в той же ртути находится конец проволочки, подсоединенный к другому полюсу. Когда электрическая цель замыкалась через ртуть, магнитик или конец проволоки приходили во вращение. Эта была первая униполярная электромашина, принципа действия которой тогда не понял сам автор. И не в этом дело – работу такой машины ученые смогли объяснить лишь гораздо позже.

Но так или иначе, именно Фарадей связал магнит и движение, получив и первый электромотор – магнит вращается при пропускании тока, – и первый электрогенератор – обмотка дает ток при движении около нее магнита. Начало эры электромашиностроения, без которого немыслима современная техника, было положено!

Было ли Сотворение мира?

admin — Thu, 13 Dec 2012 10:06:02 GMT

Действительно, было ли оно? Или Мир существовал вечно, и еще столько же будет существовать? Как говорится, «жил, жив и будет жить во веки веков»!

Заглянем, что же по этому поводу сказано в Книге книг – Библии, которую, как говорят, надиктовал сам Господь Бог. И на первой же странице, где речь идет как раз о Сотворении мира, мы находим такие слова: «И сказал Бог: да будет свет. И стал свет. И увидел Бог свет, что он хорош…»

Выходит, весь Мир – все, что вокруг нас, возникло… из света? Полноте, да это же сказки, вымысел, миф, наконец! Как можно этому верить – возмущались ученые-материалисты недалекого прошлого. Что, и мы с вами – тоже из света? Почему же мы тогда не светимся в темноте? Нет, наш Мир, Вселенная бесконечны как в пространстве, так и во времени, они никогда не возникали и никогда не исчезнут…

А вот картина Сотворения мира по самым современным научным данным, признанная подавляющим большинством ученых. Картина эта больше похожа на самую фантастическую из волшебных сказок, чем на реальность. Вот как она выглядит.

Вначале не было ничего – не только никаких предметов вокруг, но не было ни длины, ни ширины, ни высоты. Даже времени не было – оно еще не началось, его просто не существовало. Это трудно себе вообразить, но правильно говорят, что жизнь богаче всяческих сказок.

И вдруг в один поистине прекрасный момент раздался взрыв. По грандиозности с этим событием, названным Большим взрывом, сравнить ничего нельзя. Никакая фантазия, никакое воображение человека не в состоянии этого представить. Еще можно представить себе взрыв термоядерной бомбы, хотя и это трудно поддается воображению. Намного труднее почувствовать себя свидетелем гигантских взрывов на Солнце, тем более взрыва сверхновой звезды, которая испепеляет громадные пространства вокруг себя, нередко превышающие по размеру всю Солнечную систему. Но совершенно не поддается воображению взрыв, охарактеризованный скромным эпитетом «Большой», в результате которого образовались и миллиарды галактик, и миллиарды звезд, их составляющих, не говоря уже о микроскопических «пылинках» – планетах, на которых мы ведем нашу суетную жизнь с ее радостями и огорчениями…

Произошло это между 6 и 15 миллиардами лет тому назад, причем по самым новейшим данным, скорее всего, 13 миллиардов лет тому назад. Вот и считай после этого 13 «чертовой дюжиной»! Хотя о какой точности здесь можно говорить, когда понятие «год» тогда было лишено всяческого смысла – не существовало ни Солнца, ни Земли, которая именно за год должна была облетать вокруг него! Да и другие «мерила» времени появились лишь позже, и то были они совсем иными. Сутки, например, даже 3 миллиарда лет назад длились около девяти современных часов, так как Земля вращалась тогда быстрее! В общем, полное безобразие царило тогда в области измерения времени!

Но и в этих нелегких условиях ученые очень точно воссоздали всю картину возникновения и эволюции Вселенной, начиная примерно от одной сотой современной секунды после так называемого математического начала Мира.

Остается только рассказать, как ученые догадались, что Вселенная «взорвалась» из ничего, когда это произошло и как. Дело в том, что, рассматривая далекие небесные тела в телескоп, ученые обнаружили, что Вселенная… постоянно расширяется. То есть галактики как бы разбегаются друг от друга. Это можно легко представить себе, если нанести на воздушный шарик точки, изображающие собой галактики, и начать раздувать этот шарик. Точки-галактики начнут удаляться друг от друга, совсем как в модели расширяющейся Вселенной. А если это так, то, стало быть, они когда-то были все вместе, в одной точке. Проколите или сдуйте шарик – и все галактики сойдутся! А по скоростям их разлета ученые определили, когда начался этот разлет, то есть Большой взрыв. Так Мир и разлетается в разные стороны уже столько миллиардов лет…

Кто же конкретно додумался до такой фантастической картины Сотворения мира, или, если хотите, подтвердил научно то, что давно уже сказано в Библии? В первую очередь это американский астроном Эдвин Хаббл (1889—1953), который своими наблюдениями установил, что галактики, или звездные скопления, удаляются от нас, причем тем быстрее, чем дальше они от нас находятся. Так возникла гипотеза «расширяющейся Вселенной», которая когда-то разлетелась из одной точки. В 1927 г. астроном Жорж Леметр (1894—1966) теоретически обосновал гипотезу Большого взрыва, а в 1970 г. физики Р. Пенроуз и С. Хоукинс уточнили эту теорию. Свой вклад в теорию образования Вселенной внес и наш соотечественник А. А. Фридман (1888—1925).

Остается уточнить: что, так и будем мы «разлетаться» во все стороны постоянно, или это когда-нибудь закончится? Сперва ученые подсчитали, что если исходить из существующих значений средней плотности Вселенной, то галактики будут разлетаться все время. Согласитесь, ситуация получается довольно нелепая: стоило ли создавать Мир, чтобы он окончательно разлетелся? Но затем ученые пересчитали эту среднюю плотность Вселенной с учетом вновь открытых частиц, и она якобы оказалась значительно большей. Поэтому, по всей вероятности, через миллиарды лет этот разлет прекратится и Вселенная начнет сжиматься, стремясь опять в точку. Такая критическая плотность Вселенной эквивалентна 11 атомам водорода на 1 см3 пространства.

Пройдут эти миллиарды лет, и нашего Мира не станет, он снова превратится в ничто, закончится при этом и время! И произойдет ли новый Большой взрыв, образующий новый Мир, или не будет его – никто из нас не знает. Но если есть Высший Разум, в существование которого верит большинство ведущих физиков мира, то Он уж знает, скомандовать ли ему «Пли!» и вызвать новый Большой взрыв или не делать этого. Может быть, это зависит и от того, как мы с вами живем на нашей Земле и нравится ли наше поведение Тому, Кто может скомандовать «Пли!». Или возмущенный нашими делами, Он решит, что таких опытов лучше не повторять.

Одно ясно – все это произойдет очень и очень не скоро!

Чем отличается механизм лакания воды у кошек и собак?

admin — Thu, 06 Dec 2012 09:10:30 GMT

В процессе лакания кошки не погружают язык в воду, а, слегка коснувшись изогнутым кончиком поверхности, тут же втягивают его обратно вверх. При этом образуется столбик жидкости благодаря тончайшему балансу гравитации, которая тянет воду вниз, и силы инерции, заставляющей воду продолжать движение вверх. Похожий механизм лакания используют собаки — хотя наблюдателю может показаться, что собака зачерпывает жидкость языком, сложенным в лопатку, рентгеновский анализ показал, что внутри рта эта «лопатка» разворачивается, а создаваемый собакой водяной столбик аналогичен кошачьему.

Какие оценки по математике получал Эйнштейн в школе?

admin — Tue, 20 Nov 2012 17:07:19 GMT

Во многих источниках, зачастую с целью ободрения плохо успевающих учеников, встречается утверждение, что Эйнштейн завалил в школе математику или, более того, вообще учился из рук вон плохо по всем предметам. На самом деле всё обстояло не так: Альберт ещё в раннем возрасте начал проявлять талант в математике и знал её далеко за пределами школьной программы. Позднее Эйнштейн не смог поступить в Швейцарскую высшую политехническую школу Цюриха, показав высшие результаты по физике и математике, но не добрав нужное количество баллов в других дисциплинах. Подтянув эти предметы, он через год в возрасте 17 лет стал студентом данного заведения.

Почему сидящая на проводе птица не погибает от удара током?

svetlana — Wed, 16 Nov 2011 16:10:24 GMT

Сидящая на проводе высоковольтной ЛЭП птица не страдает от тока, потому что её тело — плохой проводник тока. В местах прикосновения птичьих лап к проводу создаётся параллельное соединение, а так как провод гораздо лучше проводит электричество, по самой птице бежит очень малый ток, который не может причинить вреда. Однако стоит птице на проводе коснуться ещё какого-нибудь заземлённого предмета, например металлической части опоры, она сразу погибает, ведь тогда уже сопротивление воздуха по сравнению с сопротивлением тела слишком велико, и весь ток идёт по птице.