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

Сумка, которая самостоятельно наводит порядок внутри себя, – звучит как несбыточная мечта, но тем не менее она может оказаться реальностью. В прошлом году я посетила лондонский Музей науки, где намеревалась купить несколько симпатичных сферических магнитов (для себя и одной из своих подруг; сувенир с научным подтекстом – лучший подарок, не так ли?). Я остановилась выпить чашку горячего шоколада, а заодно и полюбоваться новыми приобретениями, а затем положила слипшиеся между собой магниты в верхний карман дорожной сумки и отправилась домой. Двумя днями позже, в Корнуолле, я вспомнила, что давненько не любовалась «новыми игрушками», и принялась копаться у себя в дорожной сумке. Я обнаружила их на дне сумки, причем слегка потолстевшими за счет семи монет, двух скрепок для бумаг и металлической кнопки. Я уже поздравляла себя с тем, что мне удалось изобрести новый способ навести порядок в сумке, как вдруг заметила, что далеко не все монеты, валявшиеся на дне сумки, притянулись к магнитам. Я попыталась разобраться, в чем разница между монетами, которые притянулись к магнитам и которые не реагировали на них. Ответить на этот вопрос оказалось не так-то просто. Некоторые из десятипенсовиков притянулись к магнитам, тогда как другие не желали этого делать. Монеты достоинством выше 20 пенсов вообще не притягивались. Большинство одно- и двухпенсовиков притягивались; исключение составляли лишь выпущенные до 1992 года.

Вообще говоря, магниты ведут себя очень избирательно. Большинство материалов – пластмассы, керамические изделия, вода, дерево и живые существа – ими не притягиваются. Другое дело – железо, никель или кобальт. Изделия из этих материалов охотно тянутся к магнитам. Это может показаться странным, но если бы железо не было одним из самых распространенных материалов в мире, то мы, наверное, никогда не столкнулись бы с магнетизмом в повседневной жизни. Лишь на один этот элемент приходится 35 % массы Земли, а сталь (состоящая в основном из железа с добавлением некоторых примесей) составляет существенную часть современной инфраструктуры. Если бы дверцы холодильников не изготавливались с применением стали, то симпатичные магниты, которыми многие домохозяйки украшают их, было бы невозможно прикрепить. Но изделия из стали встречаются буквально повсюду, поэтому магнетизм знаком большинству из нас.

Магниты в моей дорожной сумке рассортировали монетки согласно их химическому составу. Современные одно- и двухпенсовики имеют стальную основу, покрытую снаружи тонким слоем меди. До 1992 года монеты такого достоинства были на 97 % медными. Для меня старые и новые однопенсовики на вид почти неотличимы, но магниты реагируют на их разный качественный состав[71]. «Серебряные» двадцатипенсовики не притягиваются магнитами, поскольку, как ни странно, состоят главным образом из меди. То же можно сказать о более старых десятипенсовиках, но все монеты, которые начали чеканить с 2012 года, имеют стальную основу с никелевым покрытием. Все монеты, притягивающиеся магнитами – даже так называемые медяки, – преимущественно состоят из стали.

Любой магнит окружен магнитным полем – тем, что можно назвать «силовым полем». Это подразумевает наличие вокруг магнита области, которая может притягивать и отталкивать другие объекты, даже если сам по себе магнит к ним не прикасается. На первый взгляд это кажется странным, но так уж устроен физический мир. Проблема с магнитными полями заключается в том, что они невидимы и неосязаемы для нас, поэтому нам трудно их представить. Однако мы можем наблюдать производимое ими действие, и это будит наше воображение, заставляя его строить те или иные научные модели. Самое важное, что можно сказать о магнитах, – у каждого из них есть два особых, четко выраженных конца: северный и южный полюс.

Северный полюс одного магнита будет притягивать южный полюс другого магнита, но северные полюса двух разных магнитов будут отталкиваться друг от друга. Изначально мои монетки не обладали свойствами магнитов, но магниты применили хитрый прием, чтобы притянуть их к себе. Внутри каждого из моих новых однопенсовиков разные участки железа имеют магнитные поля, указывающие в разных направлениях. Эти участки называются доменами, а магнитные поля атомов внутри каждого из них действуют строго однонаправленно. Каждый домен обладает собственным магнитным полем, но поскольку северные полюса всех доменов указывают в разных, притом случайных, направлениях, у железной основы однопенсовой монетки все эти разнонаправленные магнитные поля взаимно компенсируются. Когда я подношу такую монетку к одному из магнитов, его сильное магнитное поле начинает воздействовать на все отдельные домены в монетке. Сами по себе атомы в доменах не движутся, но их магнитные поля переориентируются таким образом, чтобы их северные полюса оказались как можно дальше от северного полюса моего магнита. При этом все южные полюса доменов в монетке выстраиваются как можно ближе к магниту. А учитывая, что противоположные магнитные полюса притягиваются друг к другу, южный полюс монетки притягивается к северному полюсу магнита и монетка прилипает к нему. Стоит оторвать монетку от магнита, и все ее магнитные домены снова станут ориентированы почти случайным образом.

Это явление может показаться странным, однако люди научились им пользоваться, причем с такими примерами мы часто сталкиваемся в повседневной жизни. Речь идет не только о монетках, скрепках для бумаг и магнитах на дверцах холодильников. Магниты также играют важную роль в выработке электроэнергии. В основе каждого устройства, доставляющего ее в электросеть, есть магнит. Однако сами по себе магниты не решают задачу, а магнетизм – лишь половина дела. Магнетизм связан фундаментальным образом с электричеством. Все это имеет жизненно важное значение для современного общества, хотя многие из нас этого просто не замечают.

Однажды писатель-фантаст Артур Кларк сказал, что «любая достаточно продвинутая технология неотличима от волшебства». Электричество и магнетизм в совокупности лежат в основе большинства самых продвинутых современных технологий, даруя нам их поистине волшебные возможности. Если внимательно изучить эти две невидимые силы – электричество и магнетизм, – можно понять, что это две стороны одного и того же явления: электромагнетизма. Они неразрывно связаны между собой, влияя друг на друга. Но прежде чем рассматривать эту связь, давайте копнем поглубже в ту сторону, которая знакома нам гораздо лучше: электричество. К сожалению, первый в жизни опыт непосредственного контакта с электричеством, как правило, малоприятен: мы испытываем удар электрическим током.

⁂

Штат Род-Айленд – крошечный дружелюбный кусочек американского северо-востока, где я прожила два года. Род-Айленд еще называют «Океанским штатом». Местные жители совершенно забыли об ироническом подтексте этого названия самого маленького штата Америки, данного в честь самого обширного образования на планете, океана. Менталитет жителей Род-Айленда покоится на двух столпах: побережье и лето. Жизнь – это морские прогулки, домики на берегу, салат из улиток[72] и пляж. Однако зимой здесь бывает очень холодно. Туристы куда-то пропадают, местные жители впадают в зимнюю спячку, а оливковое масло у меня на кухне загустевало, если я выключала отопление, когда приходилось надолго отлучаться.