Глава четвертая
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ СИЛЫ В ДЕЙСТВИИ

4. Свободные заряды и токи в природе

4-1. Заряженные частицы над нами и вокруг нас

Естественное состояние тел на поверхности Земли — как атомов и молекул, так и больших кусков вещества — электрическая нейтральность. Однако если вы зарядите электроскоп, то через некоторое время он потеряет весь своя заряд, какой бы тщательной ни была изоляция Значит, в воздухе вокруг нас немало заряженных частиц — ионов и пылинок. Шарик электроскопа «всасывает» в себя из атмосферы ионы противоположного знака и становится нейтральным.

Высоко над нами простирается толстый слой сильно ионизированного газа — ионосфера. Она начинается в нескольких десятках километров от поверхности Земли и достигает четырехсот километров в высоту. Электроскопом ее не обнаружишь. Для открытия ионосферы понадобилось изобретение радио. Слой сильно ионизированного газа хорошо проводит электрический ток и подобно металлической поверхности отражает радиоволны с длиной волны, превышающей 30 метров. Не будь ионосферного «зеркала» вокруг Земли, радиосвязь на коротких волнах была бы возможна только в пределах прямой видимости.

4-2. Три поставщика

Итак, ионы вокруг нас и над нами есть. Но ведь они недолговечны. Случайная встреча разноименных ионов,— и они перестают существовать. Значит, должны существовать какие-то непрерывно действующие процессы, поставляющие ионы.

Таких поставщиков целых три. У поверхности Земли — это излучение радиоактивных элементов, содержащихся в земной коре в небольших количествах. На больших высотах — ультрафиолетовое излучение Солнца. И, наконец, всю толщу атмосферы сверху донизу пронизывают потоки очень быстрых заряженных частиц — космические лучи. Небольшая часть их идет от Солнца, а остальные — из глубин космического пространства нашей Галактики.

Иногда с поверхности Солнца вырываются особенно мощные потоки заряженных частиц. На высоте нескольких сот километров над Землей их электромагнитные поля возбуждают атомы и заставляют излучать свет. Тогда мы видим северные (полярные) сияния. Разыгрываются они преимущественно на высоких широтах, и жителям умеренных поясов почти никогда не доводится наслаждаться изумительной красоты игрой световых столбов, переливающихся всеми цветами радуги.

4-3. Молния

Зато всем знаком грозовой разряд. Чудовищное накопление в облаке электричества одного знака вызывает искру, длина которой иногда превышает десятки километров. (Электроэнергия средней молнии, если считать по тарифу 3 рубля за кВт. час, "стоит" 150 рублей.) Прихотливо изменяя свой путь в зависимости от проводимости воздуха и предметов, в которые она попадает, молния часто производит поразительные эффекты. Наиболее удивительные из них приведены в книге «Атмосфера» французского астронома Фламмариона.

«Никакая театральная пьеса, никакие фокусы не могут соперничать,— пишет Фламмарион,— с молнией по неожиданности и странности ее эффектов. Она кажется каким-то особым веществом, чем-то средним между бессознательными силами природы и сознательной душою человека; это — какой-то дух, тонкий и причудливый, хитрый и тупой в то же время, ясновидящий или слепой, обладающий волей или подневольный, переходящий из одной крайности в другую, страшный и непонятный. С ним не сговоришься, его не поймаешь. Он действует и только. Действия его, без сомнения, так же, как и наши, только кажутся капризами, а на самом деле подчинены каким-то неизменным законам. Но до сих пор мы не могли уловить этих законов. Здесь он наповал убивает и сжигает человека, не только пощадив, но даже не коснувшись его одежды, которая остается нетронутой. Там он раздевает человека догола, не причинив ему ни малейшего вреда, ни одной царапины. В другом месте он ворует монеты, не повредив ни кошелька, ни кармана. То он срывает позолоту с люстры и переносит ее на штукатурку стен; то разувает путника и отбрасывает его обувь на десять метров в сторону, то, наконец, в одном селении пробуравливает в центре стопку тарелок и притом попеременно, через две штуки... Какой тут можно установить порядок».

Далее перечисляется около сотни различных случаев. Например: «У одного очень волосатого человека, застигнутого грозой около Э., молния сбрила волосы полосами, вдоль всего тела, скатала их в клубочки и глубоко засунула в толщу икряных мышц». Или еще: «Летом 1865 года один врач из окрестностей Вены, доктор Дрендингер, возвращался домой с железной дороги. Выходя из экипажа, он хватился своего портмоне; оказалось, что его украли.

Это портмоне было черепаховое, и на одной из его крышек находился инкрустированный стальной вензель доктора: два переплетенных между собой Д.

Несколько времени спустя доктора позвали к иностранцу, «убитому» молнией и найденному без чувств под деревом. Первое, что доктор заметил на ляжке больного, был его собственный вензель, как бы только что сфотографированный. Можно судить об его удивлении! Больной был приведен в чувство и перенесен в госпиталь. Там доктор заявил, что в карманах больного где-нибудь должно находиться1 его черепаховое портмоне, что оказалось вполне справедливым. Субъект был тот самый вор, который стащил портмоне, а электричество заклеймило его, расплавив металлический вензель».

Любопытно, что в приведенной Фламмарионом статистике число убитых женщин чуть ли не втрое меньше, чем мужчин. Это, конечно, объясняется не галантностью молнии, а просто тем, что в те времена (начало XX века) во Франции мужчины чаще бывали на полевых работах.

Недавно в американских газетах сообщалось о случае, достойном Фламмариона. Молния ударила в холодильник и зажарила в нем курицу, которая затем была благополучно охлаждена, так как холодильник остался исправным.

Можно, конечно, сомневаться в достоверности всех приведенных случаев, но нельзя не согласиться с тем, что молния действительно способна вытворять чудеса. Объяснить их не всегда оказывается возможным. Разряд длится всего лишь около стотысячной доли секунды, и к наблюдению его в таких исключительных случаях никакой подготовки не бывает. Повторить же потом событие заново невозможно: вы не создадите точно такую же молнию, не говоря уже о прочих условиях.

Но в принципе не так уж все таинственно, как казалось Фламмариону. В конце концов все сводится к таким обычным действиям тока, как нагревание, электромагнитное поле и химические реакции. Только ток громадный: десятки, а то и сотни тысяч ампер.

Главное не в том, чтобы разобраться в бесчисленных курьезах. Нужно понять, каким образом в грозовом облаке накопляется электрический заряд. Что вызывает электризацию водяных капель, и почему заряды противоположного знака пространственно разделены внутри облака? Здесь еще далеко не все ясно до конца.

Прежде всего, нет единого механизма заряжения капель.

Достоверно известно несколько таких механизмов, и трудно оценить, какой из них играет основную роль. Вот два из них. В электрическом поле Земли (мы уже упоминали, что земной шар заряжен отрицательно) капля воды поляризуется. На нижней ее части скопляется положительный заряд, а на верхней — отрицательный. Крупная капля при своем падении преимущественно захватывает отрицательные ионы воздуха и приобретает электрический заряд. Положительные ионы уносятся вверх восходящим потоком воздуха.

Другой механизм — это заряжение капель при их дроблении встречными потоками воздуха. Мелкие брызги заряжаются отрицательно и уносятся вверх, а крупные, заряженные положительно, падают вниз.

Оба эти механизма обеспечивают как заряжение капель, так и пространственное разделение зарядов противоположного знака внутри облака. Обычно в нижней части грозового облака накопляется отрицательный заряд (за исключением небольшой, положительно заряженной области), а в верхней — положительный.

Гораздо хуже обстоит дело с объяснением шаровой молнии, которая иногда появляется после сильного разряда линейной молнии. Обычно это светящийся шар диаметром 10 — 20 сантиметров. Нередко она напоминает «котенка средней величины, свернувшегося клубочком и катящегося без помощи ног». Касаясь предметов, шаровая молния может взорваться, причиняя значительные разрушения.

Шаровая молния, пожалуй, единственное макроскопическое явление на Земле, которое до сих пор не имеет сколько-нибудь достоверного объяснения. Разряд шарового типа не удается получить в лаборатории. В этом все дело.

4-4. Огни святого Эльма

Перед грозой или во время ее нередко на остриях и острых углах высоко поднятых предметов вспыхивают похожие на кисточки конусы света. Этот медленный и мирно совершающийся разряд называют с давних времен огнями; святого Эльма.

Еще у Тита Ливия можно прочесть, что когда флот Лизандра выходил из порта для того, чтобы напасть на афинян, на мачтах адмиральской галеры загорелись огни. Древние считали появление огней Эльма хорошим предзнаменованием.

Особенно часто свидетелями этого явления становятся альпинисты. Иногда даже не только металлические предметы, но и кончики волос на голове украшаются маленькими светящимися плюмажами. Если поднять руку, то по характерному жжению чувствуется, как из пальцев истекает электрический ток. Нередко ледорубы начинают гудеть подобно большому шмелю.

Огни святого Эльма не что иное, как форма коронного разряда, легко получаемого в лаборатории. Заряженное облако индуцирует на поверхности Земли под собой электрические заряды противоположного знака. Особенно большой заряд скапливается На остриях. Когда напряженность электрического поля достигнет критического значения 30 000 в/см (из-за влажности воздуха может быть и меньше), начинается разряд. Образовавшиеся возле острия вследствие обычной ионизации воздуха электроны ускоряются полем и, сталкиваясь с атомами и молекулами, разрушают их. Число электронов и ионов лавинообразно растет, и воздух начинает светиться.

4-5. Электрический заряд Земли

Грозовое облако недолго хранит свой заряд. Несколько ударов молнии — и облако разряжается.

Заряд земного шара, если не обращать внимание на незначительные колебания, остается неизменным. Избыточный отрицательный заряд Земли q Земли = —5,8 . 10 5 Кл (минус 580 000 кулонов — это колоссальный размер электрического заряда). У поверхности Земли электрическое поле не так уж мало: 130 В/м. На первый взгляд это довольно странно. Из-за атмосферных ионов воздух проводит электрический ток, и расчеты показывают, что примерно за полчаса земной шар должен полностью разрядиться. Поэтому главная трудность не в выяснении происхождения заряда, а в том, чтобы понять, почему он не исчезает.

Существуют две причины восстановления заряда Земли. Во-первых, удары молний. За сутки на Земле происходит более 40 тысяч гроз и ежесекундно около 1800 молний бьют в Землю. Нижняя часть облака несет отрицательный заряд и, следовательно, удар молнии — это передача земному шару некоторой порции отрицательного электричества.

Одновременно во время грозы возникают токи с многочисленных остроконечных предметов (огни святого Эльма), которые отводят от земной поверхности, положительный заряд.

Баланс здесь навести трудно, но в общем, по-видимому, концы с концами сходятся. Потеря отрицательного заряда участками земной поверхности, над которыми простирается чистое небо, компенсируется притоком отрицательных зарядов в местах, где свирепствуют грозы.

Ну, а откуда же взялся у Земли заряд, и почему он отрицательный? Здесь приходится строить догадки. По мысли Френкеля вначале небольшой заряд возник от случайных причин. Затем он начал расти за счет «грозового механизма», о котором шла речь, пока не установилось динамическое равновесие, существующее по сей день.

Заряд вначале мог бы быть положительным. Тогда водяные капли грозового облака поляризовались бы по-иному, и молнии сообщали бы Земле положительный заряд. В общем все было бы так, как и сейчас, но только роли положительных и отрицательных зарядов переменились бы.

Примечание SuperCook о происхождении избыточного отрицательного заряда заряда Земли.
На Земле много воды, часть ее испаряется и достигает верхних слоев атмосферы. Там ионизирующими излучениями Солнца молекулы воды H 2 O разрываются на ионы H + (т.е. протоны p + , ионы водорода) и OH — (ионы гидроксила).
Надо учитывать, что Земля вращается не в космическом вакууме межзвездного Космоса, а в верхних, уже весьма разреженных слоях атмосферы Солнца (которая, постепенно уменьшаясь, простирается далеко за орбиту Плутона). В солнечной атмосфере дуют мощные солнечные ветры, от взрывов на Солнце распространяются сверхзвуковые ударные волны.
Некоторая часть атмосферы Земли постоянно сдувается солнечным ветром. В частности, 260 миллионов лет назад — во времена расцвета динозавров и гигантских летающих ящеров с размахом крыльев до 18 метров — давление воздуха у поверхности Земли было 6,5 атм (сейчас лишь 1 атм).
Понятно, что гораздо более легкие протоны (положительные ионы водорода) сдуваются легче, чем в 17 раз более тяжелые отрицательные ионы гидроксила. Земля приобретает избыточный отрицательный заряд, а ионы гидроксила — через несколько ступеней взаимодействий и отщеплений электронов — соединяются в молекулы перекиси водорода H 2 O 2 .
Постоянно миллионы тонн образовавшейся перекиси водорода с дождями и снегом выпадают на землю, где постепенно разлагаются на воду и свободный кислород.
Поэтому любая планета Солнечной системы, имеющая достаточно много воды, будет иметь в своей атмосфере много свободного кислорода. Например, на спутнике Юпитера Европе, сплошь покрытой льдами над 100-километровой толщей воды, в атмосфере 11% кислорода (Европа много холоднее Земли, воды испаряется меньше, и там солнечный ветер уже послабее). У Европы тоже огромный отрицательный электрический заряд.

4-6. Земной магнетизм

Магнитное поле Земли гораздо раньше привлекло к себе внимание людей, чем электрическое. Обнаруживается оно крайне просто, но его роль в жизни нашей планеты далеко не сводится к тому, чтобы помочь ее обитателям находить с помощью компаса верный путь в безбрежном океане, тайге или пустыне.

Если электрическое поле практически не выходит за пределы нижних слоев атмосферы, то магнитное простирается на 20 — 25 земных радиусов. Лишь на высоте в 100 000 километров оно перестает играть заметную роль, приближаясь к величине поля межпланетного пространства.

Магнитное поле образует третий «броневой пояс», окружающий Землю наряду с атмосферой и ионосферой. Оно не подпускает к Земле потоки космических частиц, если только их энергия не слишком велика. Лишь в области магнитных полюсов эти частицы беспрепятственно могут вторгаться в атмосферу.

На большой высоте магнитное поле невелико, но захватывает громадные области пространства. Действуя на заряженную частицу длительное время, оно значительно изменяет ее траекторию. Вместо прямой линии получается спираль, навивающаяся на силовые линии поля. Вдоль силовых линий магнитное поле гонит частицы к полюсам. Иногда, правда, если скорость частицы велика, она не успевает сделать даже одного витка, и тогда можно говорить лишь об искривлении траектории.

На летящую вдоль силовой линии частицу в соответствии с законом Ампера магнитное поле не действует. Вот почему частицы свободно могут подлетать к полюсам, откуда веером расходятся силовые линии. Не удивительно, что корпускулярные потоки от Солнца вызывают свечение верхних слоев воздушного океана преимущественно у полюсов.

Кстати, эти потоки частиц сами создают значительные магнитные поля и вызывают «магнитные бури», во время которых стрелка компаса начинает беспомощно метаться.

Радиационные пояса Земли, открытые с помощью космических ракет, — это не что иное, как заряженные частицы не слишком больших энергий, захваченные магнитной ловушкой, расставленной нашей планетой. Именно магнитное поле удерживает на большой высоте рои заряженных частиц, подобно ореолам окружающим Землю. Во внешнем поясе доминируют электроны, а во внутреннем, где напряженность поля больше,— протоны. Для полетов космонавтов на больших высотах эти пояса представляют реальную опасность.

Примечание SuperCook о происхождении земного магнетизма (предварительно см. выше "4-5. Электрический заряд Земли").
Источник всякого магнитного поля — это относительное движение электрических зарядов.
Огромный избыточный отрицательный заряд Земли, как и у всякой заряженной сферы, располагается на самой поверхности сферы.
У Земли есть крупный спутник Луна, которая тормозит вращение Земли и вызывает приливные волны. Но Земля — это не твердый шар, а густая кашеобразная расплавленная масса (температура внутри Земли от 6000 до 20000 градусов С), лишь сверху покрытая остывшей твердой корой. (Относительная толщина земной коры много меньше, чем толщина кожицы у яблока).
Приливные волны (у суши они около 0,5 м) сильнее тормозят внешние слои Земли, чем внутренние. Поэтому центральная часть Земли вращается вокруг земной оси быстрее.
Таким образом электрически нейтральная центральная часть провертывается относительно отрицательно заряженной поверхности Земли на один полный оборот каждые 120 лет (относительно поверхности это 40 см/с). С учетом колоссального избыточного заряда земной коры (минус 580 тыс. кулонов), такой относительной скорости вполне достаточно для создания мощного магнитного поля планеты.
Т.к. Луна вращается вокруг Земли (соответственно, и тормозит) не в плоскости земного экватора, а под углом к ней, магнитные полюса Земли располагаются не на географических полюсах. А т.к. Земля внутри не однородна (в частности, сейчас Западное полушарие немного тяжелее Восточного), магнитные полюса постоянно "бродят" по поверхности Земли. А вот полная "переполюсовка" магнитных полюсов невозможна — для этого Луна своим притяжением должна не тормозить (как сейчас), а ускорять осевое вращение Земли, т.е. вращаться вокруг Земли с большей угловой скоростью, чем Земля вращается вокруг своей оси.

4-7. Земной шар — сферическая динамомашина

По мнению авторов Григорьева и Мякишева, происхождение земного магнетизма (впрочем, выше в "4-6. Земной магнетизм" SuperCook по этой теме все разъяснил) — еще более запутанный вопрос, чем происхождение электрического поля. Его нельзя объяснить скоплением намагниченных пород. Интересная идея Френкеля, выдвинутая сравнительно недавно, позволяет, по-видимому, здесь кое-что понять. Земное ядро — это генератор электрического тока, действующий по принципу самовозбуждения, как и обычная динамомашина.

Вам, вероятно, нетрудно будет вспомнить, в чем состоит этот принцип. В динамомашинах ток возникает при движении проводников в магнитном поле, которое само создается этим же током. Если вначале тока нет, то при некоторой скорости вращения он возникнет и начнет нарастать. Ведь небольшое оста точное поле всегда есть. Оно создает ток, несколько увеличивающий магнитное поле. За счет этого возрастет ток, а затем и магнитное поле, и т. д. вплоть до некоторого предельного значения.

Чтобы можно было уподобить земной шар генератору, прежде всего надо допустить, что ядро Земли является жидким и способно проводить электрический ток. В этих предположениях нет ничего невероятного. Но откуда могут взяться движения проводящих масс ядра? У динамомашины мы просто раскручиваем якорь, а здесь нет никаких внешних воздействий.

Выход, однако, может быть найден. За счет радиоактивного распада неустойчивых элементов температура в центре ядра должна быть несколько выше, чем на его периферии. Из-за этого возникает конвекция: более горячие массы из центра ядра устремляются вверх, а холодные опускаются вниз. Но Земля вращается и скорость масс на поверхности ядра больше, чем в его глубинах. Поэтому поднимающиеся элементы жидкости тормозят вращение наружных слоев ядра, а опускающиеся, напротив, ускоряют внутренние. В результате внутренняя часть ядра вращается быстрее наружной и играет роль ротора генератора, в то время как наружная — роль статора.

В такой системе, как показывают расчеты, возможно самовозбуждение и появление вихревых электрических токов значительной величины. Эти токи, согласно гипотезе Френкеля, создают магнитное поле вокруг Земли/ Энергия на поддержание тока черпается из радиоактивного разогрева вещества, создающего конвекционные токи в ядре.

Так ли обстоит дело в действительности, сказать трудно. Во всяком случае правильнее называть Землю «большой динамомашиной», чем «большим магнитом», как это делается во многих книгах.

Магнитное поле окружает не только Землю, но может существовать и у других планет и звезд. Оно ставит «свой штамп» на световые волны, излученные атомами Солнца и звезд, давая тем самым физикам возможность обнаружить себя.

Луна, как показали измерения наших космических кораблей, если и имеет магнитное поле, то оно по крайней мере в 500 раз слабее земного. Имеют ли поля другие планеты солнечной системы, пока не известно. Но вот-вот космические аппараты доставят нам и эти сведения *).

*) Прим. SuperCook. По современным данным магнитное поле у Марса очень невелико, что вполне понятно — крайне мало тормозящее действие его двух маленьких спутников Фобоса и Деймоса, а также и весьма удаленного Солнца, своим гравитационным полем тоже вызывающего приливные волны на планетах.

4-8. Космическая электродинамика

Заговорив о магнитных полях планет и звезд, мы незаметно вступили в новую область, область космической электродинамики. Здесь пока еще мало достоверного; гораздо меньше, чем различных гипотез. Но многое, что вчера еще было любопытной догадкой, сегодня становится почти достоверным фактом. Главное, выяснилось, что электромагнитные силы играют в космосе совсем не малую роль, как это предполагалось ранее.

Бушующая поверхность и атмосфера Солнца... Гигантские языки раскаленного вещества взмывают вверх. Вихри и смерчи размером с нашу планету. Бури, непрерывные бури, но огненные, сверкающие. Бури не только вещества, но и магнитного поля.

Иногда из глубин Солнца парами выплывают черные пятна. Магнитное поле в этих участках возрастает в тысячи раз.

Неведомые силы порой уносят от Солнца целые сгустки заряженных частиц. Преодолевая гравитационное притяжение, они со скоростью нескольких тысяч километров в секунду врезаются в атмосферу Земли.

Трудно здесь физику усмотреть какую-то закономерность, какой-то порядок. Трудно понять природу сил в крутящейся массе материи. Это происходит далеко, очень далеко, и совсем не похоже на то, что мы можем видеть на нашей планете.

Трудно, но не невозможно. При тех температурах, которые есть на Солнце, не может быть ни нейтральных атомов, ни нейтральных молекул. Они просто не могут уцелеть, как не может уцелеть паровоз, на полном ходу врезающийся во встречный поезд.

А такой полностью ионизированный газ, или полностью ионизированная плазма, как говорят физики, превосходно проводит электрический ток. Это дает возможность электромагнитным силам развернуться и демонстрировать свою мощь на новом поприще.

В магнитном поле внутри движущейся высокотемпературной плазмы возбуждаются электрические токи немалой величины. Из-за хорошей проводимости они не склонны затухать. Поэтому в среде наряду с обычными силами упругости приобретают не меньшее значение силы магнитного взаимодействия токов. И если движение простой среды описывается законами гидродинамики, то здесь царствует магнитная гидродинамика.

Мы еще, конечно, очень далеки от того, чтобы понять все, происходящее на Солнце. Но есть уверенность, что основные явления, начиная от выброса целых масс материи и кончая появлением солнечных пятен, обязаны магнитным взаимодействиям.

Да и не только это! Межзвездный газ сильно ионизирован излучением. Плотность его мала (1 частица на кубический сантиметр), но это компенсируется громадными размерами облаков. С электрическими токами и, соответственно, магнитными полями в них нельзя не считаться.

Движущиеся облака заполняют собой всю Галактику, и поэтому вся она оказывается наполненной магнитным полем. И даже не только сама Галактика, но и соседние области пространства.

Магнитные поля здесь не велики, и мы их непосредственно воспринимать не можем. Но мы знаем, что они есть! Откуда же?

4-9. Радиоизлучение Галактики и космические лучи

Если бы мы могли видеть радиоволны, то на небе сверкало бы не одно, а целых три Солнца (точнее, «радиосолнца»). Одно из них в созвездии Кассиопеи, другое—в Лебеде и, наконец, это наше обычное Солнце *). Но кроме того мы заметили бы множество менее ярких «радиосолнц» и слабый рассеянный «радио свет», идущий к нам из всех уголков Галактики и даже из прилегающих к ней, казалось бы, пустых мест.

*) Солнце — рядовая звезда и только близость его к нам позволяет ему конкурировать по «радиояркости» с двумя первыми источниками, неизмеримо более мощными, чем Солнце.

Часть радиоволн возникает при столкновениях заряженных частиц раскаленного газа. Это тепловое (тормозное) излучение. Оно ничего не может рассказать нам о магнитных полях Галактики. Но есть другая, нетепловая часть, колыбелью которой служит магнитное поле. Оно заворачивает быстрые космические электроны, и, крутясь по спирали, эти электроны излучают электромагнитные волны, подобно тому как бешено вращающийся точильный камень рассыпает вокруг себя искры, если коснуться его поверхности лезвием ножа. Можно утверждать, что там, где рождаются радиоволны, обязательно есть магнитные поля!

Но откуда берутся в космосе быстрые электроны? Радиоизлучение рождено ими, и там, где находятся особо мощные источники радиоволн, мы должны искать космические ускорители. Значит, те далекие мощные «радиосолнца», о которых шла речь, и являются главным образом такими космическими ускорителями.

Мы привыкли к спокойной глубине чистого ночного неба. Ничто не кажется столь незыблемым, вечным, как «стройный хор» небесных светил. В общем-то так оно и есть. Но иногда происходят катастрофы; катастрофы чисто космических масштабов. Звезда, жившая миллиарды лет своей обычной жизнью, вдруг начинает по неизвестным причинам чудовищно распухать. (Если бы это случилось о нашим Солнцем **), то очень скоро орбиты всех планет оказались бы внутри него.) Яркость звезды (ее называют сверхновой) увеличивается в сотни миллионов раз, и ее можно видеть на небе среди бела дня. Постепенно блеск уменьшается, и на месте звезды остается туманное облако, иногда с трудом различимое в телескоп.

**) Солнцу подобный взрыв в действительности не угрожает. Его масса слишком мала.

В Галактике с ее миллиардами звезд такая вспышка наблюдается раз в 100 — 200 лет. С тех пор как изобрели телескоп, не появилось ни одной сверхновой.

Так вот, «радиосолнца» в большинстве своем это остатки сверхновых звезд. Лишь в направлении созвездия Лебедя мы, вероятно, наблюдаем следы еще более мощной катастрофы; взрыв целой галактики, подобной нашей.

Можно себе представить, что первоначальное ускорение заряженные частицы (электроны, протоны и ядра атомов) получают от гигантской ударной волны, сопровождающей взрыв сверхновой. В дальнейшем начинают действовать электромагнитные силы. Нарастающие магнитные поля индуцируют электрическое поле. Это поле может быть не таким уж большим, но из-за своих космических размеров ускоряет отдельные частицы до энергий, недоступных пока для ускорителей, созданных руками человека.

Некоторую долю космических лучей поставляют менее мощные индукционные электрические поля Солнца и других звезд.

Существует, вероятно, еще один механизм ускорения космических частиц. При встрече движущегося намагниченного облака межзвездного газа с быстрой частицей происходит процесс, аналогичный соударению двух шаров. Только роль обычных упругих сил играет взаимодействие частицы с индукционным электрическим полем, порожденным движущимся вместе с газом магнитным полем. При таком столкновении энергия частицы должна возрастать, подобно тому, как это происходит при столкновении легкого шара с очень тяжелым. После большого числа столкновений частица может набрать значительную энергию.

Беспорядочные магнитные поля Галактики не только ускоряют, но и рассеивают космические частицы. В результате на Землю они уже поступают равномерно со всех сторон, а не только из тех мест, где происходит их ускорение. Сверхмощные частицы залетают к нам, вероятно, из соседних галактик.

Мы не можем утверждать, что все в мире происходит так и только так, как мы вам только что рассказали. Это лишь наиболее естественная с современной точки зрения картина электромагнитных явлений во Вселенной. Написана она, можно заметить, весьма крупными мазками. И это получилось не только за счет того, что картина очень велика. Детали явлений остаются пока неясными для самих художников-ученых. Да и «краска» на картине еще «не просохла»: картина была создана совсем недавно, несколько лет назад, и лишь ее цельность вселяет надежду, что в основе своей она правильна.

4-10. Электрические рыбы

Итак, электрические рыбы. Это уникальные существа, отличающиеся от своих собратьев тем, что несут на себе живые гальванические элементы. Вырабатываемый ими электрический ток служит средством защиты или нападения.

Интересно, что среди ископаемых рыб электрических было гораздо больше, чем среди здравствующих ныне. Видимо, явное использование электромагнитных сил оказалось не столь эффективным, как совершенствование сил, проявляющихся неявно: в первую очередь мышечных.

Наиболее ярким представителем интересующей нас породы является электрический скат (торпедо, по его имени названо и известное морское оружие). Рыба эта, обитающая в теплых морях, весит около 100 килограммов и достигает около двух метров в длину. Его электрические органы, расположенные по бокам головы, весят больше пуда. Неутомленный скат способен дать ток в 8 ампер при напряжении в 300 вольт. Это представляет серьезную опасность для человека.

От электрических рыб трудно ожидать большой чувствительности к току. И действительно, скат легко переносит напряжения, смертельные для других рыб.

Электрические органы ската по своему строению до удивления походят на батарею гальванических элементов. Они состоят из многочисленных пластинок, собранных столбиками (последовательное соединение элементов), которые расположены друг возле друга во много рядов (параллельное соединение).

Одна сторона пластинки гладкая и несет на себе отрицательный заряд. Другая, с выступающими сосочками, заряжена положительно. Как и полагается, все устройство заключено в электроизолирующую ткань.

Мы не будем пытаться вникнуть в механизм возникновения электродвижущей силы в органах ската, как не разбирали в свое время принцип действия обычного гальванического элемента. Здесь еще много неясного. С уверенностью можно утверждать лишь одно: в основе работы электрических органов лежат химические силы, как и в гальваническом элементе.

Не будем мы также расширять круг знакомств среди электрических рыб.

Нельзя только не упомянуть еще об одном замечательном обитателе Нила — мормирусе или водяном слонике. Эта рыба снабжена удивительным локатором. В основании хвоста у нее расположен генератор переменного электрического тока, посылающий импульсы с частотой нескольких сот колебаний в секунду. Окружающие предметы искажают электромагнитное поле вокруг мормируса, что немедленно отмечается приемным устройством на его спине. Чувствительность локатора необычайно велика. Мормируса нельзя поймать в сеть. В аквариуме он начинает метаться, как только вы проведете несколько раз расческой по волосам.

Как работает локатор, пока не выяснено. Есть надежда, что детальное исследование этого вопроса поможет наладить подводную электромагнитную связь, что пока не удается из-за большого затухания электромагнитных волн в воде.

4-11. Природа нервного импульса

В конце концов скат и подобные ему рыбы со всем своим электрическим хозяйством — не более чем каприз природы. Свободному электричеству в живых организмах природа отвела несравненно более значительную роль. Это электричество обслуживает линии связи, передающие в мозг «телеграммы» от органов чувств обо всем, совершающемся во внешнем мире, и ответные приказания мозга любым мышцам и всем внутренним органам.

Нервы пронизывают все тело более или менее совершенных живых существ, и благодаря им организм выступает как единое целое, действующее подчас поразительно целесообразно. Стоит перерезать нерв, ведущий к какой-либо мышце, и она становится парализованной, подобно тому как перестает работать цилиндр мотора, если порвать провод, передающий импульсы тока запальной свече.

Это не просто внешняя аналогия. Еще со времен Гальвани было установлено, что передаваемый нервным волокнам сигнал (нервный импульс) представляет собой кратковременный электрический импульс. Правда, дело обстоит далеко не так просто, как можно подумать. Нерв не пассивный канал большой проводимости, как обыкновенная металлическая проволока. Скорее он напоминает то, что в технике называют релейной линией, когда поступающий сигнал передается только соседним участкам линии, где он усиливается и лишь затем скользит дальше, там снова усиливается и т. д. Благодаря этому сигнал может быть передан без ослабления на значительные расстояния, несмотря на естественное затухание.

Что же такое нерв? У Р. Джерарда можно прочесть: «Если паука, которого мы видим с земли висящим на паутинной нити на высоте шестиэтажного здания, уменьшить в размерах еще примерно раз в двадцать (включая нить, на которой он висит), он очень напоминал бы нервную клетку, или нейрон. Тело нервной клетки не отличается от других клеток ни своими размерами, ни какими-либо другими особенностями... Однако нейрон, в отличие от обычных, нелюбопытных клеток, имеет не только клеточное тело — он рассылает для исследования отдаленных частей организма тонкие нитеподобные отростки. Большинство отростков распространяется на небольшие расстояния... Однако один тонкий отросток диаметром менее 0,01 миллиметра, точно одержимый страстью к странствованиям, отходит от нейрона на громадные расстояния, измеряемые сантиметрами и даже метрами.

Все нейроны центральной нервной системы собраны вместе в головном и спинном мозгу, где они образуют серое вещество... И только длинные отростки — аксоны соединяют их с остальными частями тела. Пучки этих аксонов, или осевых отростков, отходящих от близких друг к другу нервных клеток, образуют нервы». Особое вещество — миэлин окутывает тонким слоем большинство аксонов, подобно тому как изоляционная лента обматывает электрический провод.

Сам аксон можно упрощенно представить себе как длинную цилиндрическую трубку с поверхностной мембраной, разделяющей два водных раствора разного химического состава и разной концентрации. Мембрана подобна стенке с большим количеством полуоткрытых дверей, сквозь которые ионы растворов могут протискиваться только с большим трудом. Самое удивительное и непонятное в том, что электрическое поле «притворяет эти дверцы», а с его ослаблением они открываются шире.

В состоянии бездействия внутри аксона находится избыток ионов калия; снаружи — ионов натрия. Отрицательные ионы сконцентрированы главным образом на внутренней поверхности мембраны и поэтому она заряжена отрицательно, а наружная поверхность — положительно.

При раздражении нерва происходит частичная деполяризация мембраны (уменьшение зарядов на ее поверхностях), что ведет к снижению электрического поля внутри нее. Вследствие этого «приоткрываются дверцы» для ионов натрия и они начинают проникать внутрь волокна. В конце концов внутренняя часть аксона заряжается на этом участке положительно.

Так возникает нервный импульс. Собственно говоря, это импульс напряжения *), вызванный протеканием тока через мембрану.

*) Мы надеемся, что все более или менее представляют себе, что такое напряжение в электрической сети. Здесь слово напряжение имеет точно такой же смысл.

В этот момент «приоткрываются дверцы» для калиевых ионов. Проходя на поверхность аксона, они постепенно восстанавливают то напряжение (около 0,05 вольта), которое было у невозбужденного нерва.

Одновременно часть ионов с соседнего участка «прорывается сквозь дверцы соседей». Из-за этого поле здесь также начинает ослабевать, и весь процесс повторяется на новом участке аксона. В результате по нерву человека к мозгу, не затухая, со скоростью около 120 метров в секунду движется нервный импульс.

Ионы натрия и калия, смещенные при прохождении импульса со своих насиженных мест, постепенно возвращаются обратно непосредственно сквозь стенку за счет химических процессов, механизм которых пока еще не выяснен.

Вызывает восхищенное удивление, что все поведение высших животных, все творческие усилия человеческого мозга основаны в конечном счете на этих чрезвычайно слабых токах и тончайших, микроскопических химических реакциях.

4-12. Биотоки мозга

Здесь мы касаемся святая-святых живой природы — человеческого мозга. В мозгу непрерывно совершаются электрические процессы. Если на лоб и затылок наложить металлические пластины, соединенные через усилитель с регистрирующим прибором, то можно зафиксировать непрерывные электрические колебания коры головного мозга *). Их ритм, форма и интенсивность существенно зависят от состояния человека.

*) Естественно, что колебания наблюдаются не только в мозге человека, но и в мозге любых животных.

В мозгу сидящего спокойно с закрытыми глазами, не думающего ни о чем человека совершается около 10 колебаний в секунду. Когда человек открывает глаза, мозговые волны исчезают и вновь появляются, когда глаза закрыты. Когда человек засыпает, ритм колебаний замедляется. По характеру колебаний можно очень точно определить момент начала и конца сновидения.

При заболеваниях мозга характер электрических колебаний меняется особенно резко. Так, патологические колебания при эпилепсии могут служить верным признаком заболевания.

Все это доказывает, что мозговые клетки находятся в состоянии постоянной активности, и большие количества их, по выражению Джерарда, «колеблются вместе, подобно скрипкам огромного оркестра». Поступающие в мозг нервные импульсы не идут проторенными путями, а меняют всю картину распределения колебаний в коре больших полушарий.

Характер электрической активности мозга меняется с возрастом в течение всей жизни и обучения.

Надо полагать, что электрические колебания не просто сопутствуют работе мозга, как шум — движению автомобиля, а являются существеннейшим моментом всей его жизнедеятельности. У электронной вычислительной машины, способной выполнять отдельные функции мозга даже лучше, чем он сам, именно электромагнитные процессы определяют всю работу.

Электрическое поле Земли

Измерения электрометром показывают, что у поверхности Земли существует электрическое поле, даже если вблизи нет заряженных тел. Это означает, что наша планета обладает некоторым электрическим зарядом, т. е. представляет собой заряженный шар большого радиуса.

Исследование электрического поля Земли показало, что в среднем модуль его напряженности E = 130 В/м, а силовые линии вертикальны и направлены к Земле. Наибольшее значение напряженность электрического поля имеет в средних широтах, а к полюсам и экватору она уменьшается. Следовательно, наша планета в целом обладает отрицательным зарядом, который оценивается величиной q = –3∙10 5 Кл, а атмосфера в целом заряжена положительно.

Электризация грозовых облаков осуществляется совместным действием различных механизмов. Во-первых, дроблением дождевых капель потоками воздуха. В результате дробления падающие более крупные капли заряжаются положительно, а остающиеся в верхней части облака более мелкие - отрицательно. Во-вторых, электрические заряды разделяются электрическим полем Земли, имеющей отрицательный заряд. В-третьих, электризация возникает как результат избирательного накопления ионов находящимися в атмосфере капельками разных размеров. Основным из механизмов является падение достаточно крупных частиц, электризуемых трением об атмосферный воздух.

Атмосферное электричество данного района зависит от глобальных и локальных факторов. Районы, где преобладает действие глобальных факторов, рассматриваются как зоны «хорошей», или ненарушенной, погоды, а где преобладает действие локальных факторов - как зоны нарушенной погоды (районы гроз, осадков, пылевых бурь и др.).

Измерения показывают, что разность потенциалов между поверхностью Земли и верхним краем атмосферы равна примерно 400 кВ.

Где же начинаются силовые линии поля, заканчивающиеся на Земле? Иными словами, где те положительные заряды, которые компенсируют отрицательный заряд Земли?

Исследования атмосферы показали, что на высоте нескольких десятков километров над Землей существует слой положительно заряженных (ионизованных) молекул, называемых ионосферой . Именно заряд ионосферы компенсирует заряд Земли, т. е. фактически силовые линии земного электричества идут от ионосферы к поверхности Земли, как в сферическом конденсаторе, обкладками которого являются концентрические сферы.

Под действием электрического поля в атмосфере к Земле идет ток проводимости. Через каждый квадратный метр атмосферы перпендикулярно к земной поверхности в среднем проходит ток силой I ~ 10 –12 А (j ~ 10 –12 А/м 2). На всю поверхность Земли приходится ток силой примерно 1,8 кА. При такой силе тока отрицательный заряд Земли должен был бы исчезнуть в течение нескольких минут, однако этого не происходит. Благодаря процессам, идущим в земной атмосфере и вне ее, заряд Земли остается в среднем неизменным. Следовательно, существует механизм непрерывной электризации нашей планеты, приводящий к появлению у нее отрицательного заряда. Что же является такими атмосферными «генераторами», заряжающими Землю? Это дожди, метели, песчаные бури, торнадо, извержение вулканов, разбрызгивание воды водопадами и прибоем, пар и дым промышленных объектов и т.д. Но наибольший вклад в электризацию атмосферы вносят облака и осадки. Как правило, облака в верхней части заряжены положительно, а в нижней части - отрицательно.

Тщательные исследования показали, что сила тока в атмосфере Земли максимальна в 19 00 и минимальна в 4 00 по Гринвичу.

Молнии

Долгое время считалось, что около 1800 гроз, одновременно происходящих на Земле, дают ток силой ~ 2 кА, который компенсирует потери отрицательного заряда Земли за счет токов проводимости в зонах «хорошей» погоды. Однако оказалось, что ток гроз значительно меньше указанного и необходимо учитывать процессы конвекции по всей поверхности Земли.

В зонах, где напряженность поля и плотность объемных зарядов наибольшие, могут зарождаться молнии. Разряду предшествует возникновение значительной разности электрических потенциалов между облаком и Землей или между соседними облаками. Возникшая таким образом разность потенциалов может достигать миллиарда вольт, а последующий разряд накопленной электрической энергии через атмосферу может создавать кратковременные токи силой от 3 кА до 200 кА.

Выделяют два класса линейных молний: наземные (ударяющие в Землю) и внутри- облачные. Средняя длина молниевых разрядов обычно составляет несколько километров, но иногда внутриоблачные молнии достигают 50-150 км.

Процесс развития наземной молнии состоит из нескольких стадий. На первой стадии в зоне, где электрическое поле достигает критического значения, начинается ударная ионизация, создаваемая свободными электронами, имеющимися в небольшом количестве. Под действием электрического поля электроны приобретают значительные скорости по направлению к Земле и, сталкиваясь с молекулами, составляющими воздух, ионизируют их. Таким образом возникают электронные лавины, переходящие в нити электрических разрядов - стримеры, представляющие собой хорошо проводящие каналы, которые, сливаясь, дают начало яркому термоионизованному каналу с высокой проводимостью - ступенчатому лидеру молнии . По мере продвижения лидера к Земле напряженность поля на его конце усиливается и под его действием из выступающих на поверхности Земли предметов выбрасывается ответный стример, соединяющийся с лидером. Если не дать возникнуть стримеру (рис. 126), то удар молнии будет предотвращен. Эта особенность молнии используется для создания молниеотвода (рис. 127).

Обычное явление - многоканальные молнии. Они могут насчитывать до 40 разрядов с интервалами от 500 мкс до 0,5 с, а полная продолжительность многократного разряда может достигать 1 с. Он обычно глубоко проникает внутрь облака, образуя множество разветвленных каналов (рис. 128).

Рис. 128. Многоканальная молния

Наиболее часто молния возникает в кучево-дождевых облаках, тогда они называются грозовыми; иногда молния образуется в слоисто-дождевых облаках, а также при вулканических извержениях, торнадо и пылевых бурях.

Молния с большой вероятностью повторно ударяет в ту же точку, если только объект не разрушен предыдущим ударом.

Разряды молний сопровождаются видимым электромагнитным излучением. При нарастании силы тока в канале молнии происходит повышение температуры до 10 4 К. Изменение давления в канале молнии при изменении силы тока и прекращение разряда вызывает звуковые явления, называемые громом.

Грозы с молниями происходят практически по всей планете, за исключением ее полюсов и засушливых районов.

Таким образом, систему «Земля - атмосфера» можно считать непрерывно работающей электрофорной машиной, осуществляющей электризацию поверхности планеты и ионосферы.

Молнии издавна являлись для человека символом «небесного могущества» и источником опасности. С выяснением природы электричества человек научился защищаться от этого опасного атмосферного явления с помощью молниеотвода.

Первый в России молниеотвод был сооружен в 1856 г. над Петропавловским собором в Санкт-Петербурге после того, как молния дважды ударила в шпиль и подожгла собор.

Мы с вами живем в постоянном электрическом поле значительной напряженности (рис. 129). И, казалось бы, между макушкой и пятками человека должна существовать разность потенциалов ~ 200 В. Почему же при этом по телу не проходит электрический ток? Это объясняется тем, что тело человека является хорошим проводником, и вследствие этого некоторый заряд с поверхности Земли переходит на него. В результате поле вокруг каждого из нас изменяется (рис. 130) и наш потенциал становится равным потенциалу Земли.

Литература

Жилко, В.В. Физика: учеб. пособие для 11-го кл. общеобразоват. учреждений с рус. яз. обучения с 12-летнми сроком обучения (базовый и повышенный)/ В.В. Жилко, Л.Г. Маркович. - Минск: Нар. Асвета, 2008. - С. 142-145.

Небесное тело, именуемое планета Земля, имеет электрический заряд, который создает естественное электрическое поле Земли. Одна из характеристик электрического поля - это потенциал, и электрическое поле Земли также характеризуется потенциалом. Также можно сказать, что кроме естественного электрического поля имеется и естественный постоянный электрический ток (DC) планеты Земля. Градиент потенциала Земли распределяется от ее поверхности до ионосферы. В хорошую для статического электричества погоду электрическое поле атмосферы составляет приблизительно 150 вольт на метр (В/м) вблизи поверхности Земли, но эта величина падает экспоненциально с увеличением высоты до 1 В/м и меньше (на высоте 30 км). Причиной снижения градиента является в том числе и рост проводимости атмосферы.

Если надеть одежду из хорошего изолятора, являющегося отличным диэлектриком, например одежда из нейлона, а обувь использовать исключительно резиновую, при этом не иметь на поверхности одежды никаких металлических предметов, тогда между поверхностью земли и макушкой головы можно померить разность потенциалов. Так как каждый метр составляет 150 Вольт, то при росте 170 см, на макушке будет относительно поверхности разность потенциалов в 1,7x150=255 Вольт. Если на голову надеть металлическую кастрюлю, то на ней соберется поверхностный заряд. Причина такого собирания заряда в том, что одежда из нейлона является хорошим изолятором, а обувь резиновая. Заземление, то есть проводящий контакт с поверхностью земли отсутствует. Для того, чтобы не накапливать на себе электрические заряды, необходимо «заземляться». Точно также предметы, вещи, здания и сооружения, особенно высотные, способны накапливать атмосферное электричество. Это может привести к неприятным последствиям, так как любой накопленный заряд может стать причиной электрического тока и искрового пробоя в газах. Такие электростатические разряды могут вывести из строя электронику и быть причиной пожаров, особенно для легковоспламеняющихся веществ.

Чтобы не копить заряды атмосферного электричества достаточно соединить верхнюю точку с нижней (земля) электрическим проводником, а если площадь является большой, то заземление выполняют в виде клетки, контура, но, по сути, используют то, что именуется «клетка Фарадея».

Характеристики атмосферного электричества

Земля заряжена отрицательно, и имеет заряд равный 500000 Кулонам (Кл) электрического заряда. Разность потенциалов составляет величину от 300000 Вольт (300 кВ), если рассматривать напряжение между положительно заряженной ионосферой и поверхностью Земли. Также существует постоянный ток электричества, величиной порядка 1350 Ампер (А), и сопротивление атмосферы Земли составляет около 220 Ом. Это дает выходную мощность приблизительно 400 мегаватт (МВт), которая регенерируется деятельностью Солнца. Эта мощность влияет на ионосферу Земли, а также на более низкие слои, что вызывает грозы. Электрическая энергия, которая хранится и запасается в земной атмосфере составляет около 150 гигаджоулей (ГДж).

Система «Земля-Ионосфера» действует как гигантский конденсатор, емкость которого составляет 1,8 Фарад. Учитывая громадный размер площади поверхности Земли, на 1 квадратный метр поверхности приходится всего лишь 1 нКл электрического заряда.

Электросфера Земли простирается от уровня моря на высоту около 60 км. В верхних слоях, там где много свободных ионов и эта часть сферы называется ионосферой, проводимость максимальная, так как есть свободные носители зарядов. Потенциал в ионосфере можно сказать выровнен, так как эта сфера по сути считается проводником электрического тока, в ней существуют токи в газах и ток переноса. Источником свободных ионов является радиоактивность Солнца. Поток заряженных частиц, идущих от Солнца и из космоса «выбивает» электроны из молекул газа, что приводит к ионизации. Чем выше от поверхности моря, тем меньше проводимость атмосферы. У поверхности моря электропроводность воздуха составляет порядка 10 -14 Сименс/м (См/м), но она быстро растет по мере увеличения высоты, и на высоте 35 км составляет уже 10 -11 См/м. На такой высоте плотность воздуха составляет всего 1% от той, что у поверхности моря. Дальше, с ростом высоты проводимость меняется неоднородно, потому как оказывает влияние магнитное поле Земли и потоки фотонов от Солнца. Это значит, что проводимость электросферы выше 35 км от уровня моря неоднородна, зависит от времени суток (поток фотонов) и от географического места (магнитное поле Земли).

Для того, чтобы произошел электрический пробой между двумя плоскими параллельными электродами (расстояние между которыми 1 метр), которые находятся на уровне поверхности моря, при сухом воздухе, необходима напряженность поля в размере 3000 кВ/м. Если же эти электроды поднять на высоту 10 км от уровня моря, то потребуется всего лишь 3% от такой напряженности, то есть достаточно 90 кВ/м. Если же электроды сблизить так, что расстояние между ними будет 1 мм, тогда потребуется в 1000 раз меньшее напряжение для пробоя, то есть 3 кВ (уровень моря) и 9 В (на высоте 10 км).

Естественная величина напряженности электрического поля Земли у ее поверхности (уровень моря) составляет порядка 150 В/м, что гораздо меньше значений необходимых для пробоя между электродами даже в промежутке 1 мм (требуется 3 кВ/м).

Откуда берется потенциал электрического поля Земли?

Как было уже выше сказано, Земля представляет собой конденсатор, одна обкладка которого поверхность Земли, а другая обкладка суперконденсатора - это область ионосферы. На поверхности Земли заряд отрицательный, а за ионосферой - положительный. Также как и поверхность Земли, ионосфера также является проводником, а слой атмосферы между ними представляет собой неоднородный газовый диэлектрик. Положительный заряд ионосферы образуется за счет космического излучения, но что же заряжает поверхность Земли отрицательным зарядом?

Для наглядности необходимо вспомнить, как заряжается обычный электротехнический конденсатор. Его включают в электрическую цепь к источнику тока, и он заряжается до максимального значения напряжения на обкладках. Для такого конденсатора как Земля, происходит нечто подобное. Точно также должен включатся некий источник, протекать ток, и на обкладках образуются разноименные заряды. Вспомните про молнии, которые обычно сопровождаются грозами. Эти молнии и есть та самая электрическая цепь, которая заряжает Землю.

Именно молнии, бьющие на поверхность, Земли являются тем источником, которые заряжают поверхность Земли отрицательным зарядом. Молния имеет ток порядка 1800 Ампер, а количество гроз и молний за сутки более 300. Грозовое облако имеет полярность. Верхняя ее часть на высоте примерно 6-7 км при температуре воздуха около -20°С заряжена положительно, а нижняя часть на высоте 3-4 км при температуре воздуха от 0° до -10°С отрицательно. Заряда нижней части грозового облака хватает, чтобы создать разность потенциалов с поверхностью Земли в 20-100 миллионов вольт. Заряд молнии обычно составляет порядка 20-30 Кулон (Кл) электричества. Молнии бьют разрядами между тучами и между тучами и поверхностью Земли. Для каждой перезарядки требуется около 5 секунд, поэтому с такой очередностью могут идти разряды молний, но это еще не значит, что через 5 секунд обязательно произойдет разряд.

Молнии

Атмосферный разряд в виде молнии имеет довольно сложную структуру. Во всяком случае - это явление электрического тока в газах , которое происходит при достижении необходимых условий для газового пробоя, то есть ионизации молекул воздуха. Самое любопытное, что атмосфера Земли действует как непрерывная динамомашина, которая заряжает поверхность Земли отрицательно. Каждый разряд молнии бьет при условии, что поверхность Земли лишена отрицательных зарядов, что обеспечивает необходимую разность потенциала для разряда (газовой ионизации).

Как только молния ударяет в землю, отрицательный заряд перетекает на поверхность, но после этого нижняя часть грозового облака оказывается разряженной и ее потенциал меняется, он становится положительным. Далее происходит обратный ток и избыток заряда, попавший на поверхность Земли, движется вверх, заряжая грозовую тучу вновь. После этого процесс может повториться снова, но с меньшими значениями электрического напряжения и тока. Так происходит до тех пор, пока существуют условия для ионизации газов, необходимая разность потенциалов и избыток отрицательного электрического заряда.

Подытожив можно сказать, что молния бьет ступенчато, тем самым создавая электрическую цепь по которой течет ток в газах, чередуясь по направлению. Каждая перезарядка молнии длится около 5 секунд и бьет, только когда для этого существуют необходимые условия (пробойное напряжение и ионизация газов). Напряжение между началом и концом молнии может составлять порядка 100 млн. Вольт, а средняя величина тока около 1800 Ампер. Величина тока в пике достигает более 10000 Ампер, а переносимый заряд равен 20-30 Кулонам электричества.

Естественное состояние тел на поверхности Земли - как атомов и молекул, так и больших кусков вещества - электрическая нейтральность. Однако если вы зарядите электроскоп, то через некоторое время он потеряет весь свой заряд, какой бы тщательной ни была изоляция. Значит, в воздухе вокруг нас немало заряженных частиц - ионов и пылинок. Шарик электроскопа "всасывает" в себя из атмосферы ионы противоположного знака и становится нейтральным.

Высоко над нами простирается толстый слой сильно ионизированного газа - ионосфера. Она начинается в нескольких десятках километров от поверхности Земли и достигает четырехсот километров в высоту. Электроскопом ее не обнаружишь. Для открытия ионосферы понадобилось изобретение радио. Слой сильно ионизированного газа хорошо проводит электрический ток и подобно металлической поверхности отражает радиоволны с длиной волны, превышающей 30 метров. Не будь ионосферного "зеркала" вокруг Земли, радиосвязь на коротких волнах была бы возможна только в пределах прямой видимости.

Три поставщика

Итак, ионы вокруг нас и над нами есть. Но ведь они недолговечны. Случайная встреча разноименных ионов, - и они перестают существовать. Значит, должны существовать какие-то непрерывно действующие процессы, поставляющие ионы.

Таких поставщиков целых три. У поверхности Земли - это излучение радиоактивных элементов, содержащихся в земной коре в небольших количествах. На больших высотах - ультрафиолетовое излучение Солнца. И, наконец, всю толщу атмосферы сверху донизу пронизывают потоки очень быстрых заряженных частиц - космические лучи. Небольшая часть их идет от Солнца, а остальные - из глубин космического пространства нашей Галактики.

Иногда с поверхности Солнца вырываются особенно мощные потоки заряженных частиц. На высоте нескольких сот километров над Землей их электромагнитные поля возбуждают атомы и заставляют излучать свет. Тогда мы видим северные (полярные) сияния. Разыгрываются они преимущественно на высоких широтах, и жителям умеренных поясов почти никогда не доводится наслаждаться изумительной красоты игрой световых столбов, переливающихся всеми цветами радуги.

Молния

Зато всем знаком грозовой разряд. Чудовищное накопление в облаке электричества одного знака вызывает искру, длина которой иногда превышает десятки километров. Прихотливо изменяя свой путь в зависимости от проводимости воздуха и предметов, в которые она попадает, молния часто производит поразительные эффекты. Наиболее удивительные из них приведены в книге "Атмосфера" французского астронома Фламмариона.

"Никакая театральная пьеса, никакие фокусы не могут соперничать, - пишет Фламмарион, - с молнией по неожиданности и странности ее эффектов. Она кажется каким-то особым веществом, чем-то средним между бессознательными силами природы и сознательной душою человека; это - какой-то дух, тонкий и причудливый, хитрый и тупой в то же время, ясновидящий или слепой, обладающий волей или подневольный, переходящий из одной крайности в другую, страшный и непонятный. С ним не сговоришься, его не поймаешь. Он действует и только. Действия его, без сомнения, так же, как и наши, только кажутся капризами, а на самом деле подчинены каким-то неизменным законам. Но до сих пор мы не могли уловить этих законов. Здесь он наповал убивает и сжигает человека, не только пощадив, но даже не коснувшись его одежды, которая остается нетронутой. Там он раздевает человека догола, не причинив ему ни малейшего вреда, ни одной царапины. В другом месте он ворует монеты, не повредив ни кошелька, ни кармана. То он срывает позолоту с люстры и переносит ее на штукатурку стен; то разувает путника и отбрасывает его обувь на десять метров в сторону, то, наконец, в одном селении пробуравливает в центре стопку тарелок и притом попеременно, через две штуки... Какой тут можно установить порядок".

Далее перечисляется около сотни различных случаев. Например: "У одного очень волосатого человека, застигнутого грозой около Э., молния сбрила волосы полосами, вдоль всего тела, скатала их в клубочки и глубоко засунула в толщу икряных мышц". Или еще: "Летом 1865 года один врач из окрестностей Вены, доктор Дрендингер, возвращался домой с железной дороги. Выходя из экипажа, он хватился своего портмоне; оказалось, что его украли.

Это портмоне было черепаховое, и на одной из его крышек находился инкрустированный стальной вензель доктора: два переплетенных между собой Д.

Несколько времени спустя доктора позвали к иностранцу, "убитому" молнией и найденному без чувств под деревом. Первое, что доктор заметил на ляжке больного, был его собственный вензель, как бы только что сфотографированный. Можно судить об его удивлении! Больной был приведен в чувство и перенесен в госпиталь. Там доктор заявил, что в карманах больного где-нибудь должно находиться его черепаховое портмоне, что оказалось вполне справедливым. Субъект был тот самый вор, который стащил портмоне, а электричество заклеймило его, расплавив металлический вензель".

Любопытно, что в приведенной Фламмарионом статистике число убитых женщин чуть ли не втрое меньше, чем мужчин. Это, конечно, объясняется не галантностью молнии, а просто тем, что в те времена (начало XX века) во Франции мужчины чаще бывали на полевых работах.

Недавно в американских газетах сообщалось о случае, достойном Фламмариона. Молния ударила в холодильник и зажарила в нем курицу, которая затем была благополучно охлаждена, так как холодильник остался исправным.

Можно, конечно, сомневаться в достоверности всех приведенных случаев, но нельзя не согласиться с тем, что молния действительно способна вытворять чудеса. Объяснить их не всегда оказывается возможным. Разряд длится всего лишь около стотысячной доли секунды, и к наблюдению его в таких исключительных случаях никакой подготовки не бывает. Повторить же потом событие заново невозможно: вы не создадите точно такую же молнию, не говоря уже о прочих условиях.

Но в принципе не так уж все таинственно, как казалось Фламмариону. В конце концов все сводится к таким обычным действиям тока, как нагревание, электромагнитное поле и химические реакции. Только ток громадный: десятки, а то и сотни тысяч ампер.

Главное не в том, чтобы разобраться в бесчисленных курьезах. Нужно понять, каким образом в грозовом облаке накопляется электрический заряд. Что вызывает электризацию водяных капель, и почему заряды противоположного знака пространственно разделены внутри облака? Здесь еще далеко не все ясно до конца.

Прежде всего, нет единого механизма заряжения капель.

Достоверно известно несколько таких механизмов, и трудно оценить, какой из них играет основную роль. Вот два из них. В электрическом поле Земли (мы уже упоминали, что земной шар заряжен отрицательно) капля воды поляризуется. На нижней ее части скопляется положительный заряд, а на верхней - отрицательный. Крупная капля при своем падении преимущественно захватывает отрицательные ионы воздуха и приобретает электрический заряд. Положительные ионы уносятся вверх восходящим потоком воздуха.

Другой механизм - это заряжение капель при их дроблении встречными потоками воздуха. Мелкие брызги заряжаются отрицательно и уносятся вверх, а крупные, заряженные положительно, падают вниз.

Оба эти механизма обеспечивают как заряжение капель, так и пространственное разделение зарядов противоположного знака внутри облака. Обычно в нижней части грозового облака накопляется отрицательный заряд (за исключением небольшой, положительно заряженной области), а в верхней - положительный.

Гораздо хуже обстоит дело с объяснением шаровой молнии, которая иногда появляется после сильного разряда линейной молнии. Обычно это светящийся шар диаметром 10 - 20 сантиметров. Нередко она напоминает "котенка средней величины, свернувшегося клубочком и катящегося без помощи ног". Касаясь предметов, шаровая молния может взорваться, причиняя значительные разрушения.

Шаровая молния, пожалуй, единственное макроскопическое явление на Земле, которое до сих пор не имеет сколько-нибудь достоверного объяснения. Разряд шарового типа не удается получить в лаборатории. В этом все дело.

Огни святого Эльма

Перед грозой или во время ее нередко на остриях и острых углах высоко поднятых предметов вспыхивают похожие на кисточки конусы света. Этот медленный и мирно совершающийся разряд называют с давних времен огнями святого Эльма.

Еще у Тита Ливия можно прочесть, что когда флот Лизандра выходил из порта для того, чтобы напасть на афинян, на мачтах адмиральской галеры загорелись огни. Древние считали появление огней Эльма хорошим предзнаменованием.

Особенно часто свидетелями этого явления становятся альпинисты. Иногда даже не только металлические предметы, но и кончики волос на голове украшаются маленькими светящимися плюмажами. Если поднять руку, то по характерному жжению чувствуется, как из пальцев истекает электрический ток. Нередко ледорубы начинают гудеть подобно большому шмелю.

Огни святого Эльма не что иное, как форма коронного разряда, легко получаемого в лаборатории. Заряженное облако индуцирует на поверхности Земли под собой электрические заряды противоположного знака. Особенно большой заряд скапливается на остриях. Когда напряженность электрического поля достигнет критического значения 30 000 в/см, начинается разряд. Образовавшиеся возле острия вследствие обычной ионизации воздуха электроны ускоряются полем и, сталкиваясь с атомами и молекулами, разрушают их. Число электронов и ионов лавинообразно растет, и воздух начинает светиться.

Электрический заряд Земли

Грозовое облако недолго хранит свой заряд. Несколько ударов молнии - и облако разряжается. Заряд земного шара, если не обращать внимание на незначительные колебания, остается неизменным. У поверхности Земли электрическое поле не так уж мало: 130 в/м. На первый взгляд это довольно странно. Из-за атмосферных ионов воздух проводит электрический ток, и расчеты показывают, что примерно за полчаса земной шар должен полностью разрядиться. Поэтому главная трудность не в выяснении происхождения заряда, а в том, чтобы понять, почему он не исчезает.

Существуют две причины восстановления заряда Земли. Во-первых, удары молний. За сутки на Земле происходит более 40 тысяч гроз и ежесекундно около 1800 молний бьют в Землю. Нижняя часть облака несет отрицательный заряд и, следовательно, удар молнии - это передача земному шару некоторой порции отрицательного электричества.

Одновременно во время грозы возникают токи с многочисленных остроконечных предметов (огни святого Эльма), которые отводят от земной поверхности положительный заряд.

Баланс здесь навести трудно, но в общем, по- видимому, концы с концами сходятся. Потеря отрицательного заряда участками земной поверхности, над которыми простирается чистое небо, компенсируется притоком отрицательных зарядов в местах, где свирепствуют грозы.

Ну, а откуда же взялся у Земли заряд, и почему он отрицательный? Здесь приходится строить догадки. По мысли Френкеля вначале небольшой заряд возник от случайных причин. Затем он начал расти за счет "грозового механизма", о котором шла речь, пока не установилось динамическое равновесие, существующее по сей день.

Заряд вначале мог бы быть положительным. Тогда водяные капли грозового облака поляризовались бы по-иному, и молнии сообщали бы Земле положительный заряд. В общем все было бы так, как и сейчас, но только роли положительных и отрицательных зарядов переменились бы.

Магнитное поле Земли гораздо раньше привлекло к себе внимание людей, чем электрическое. Обнаруживается оно крайне просто, но его роль в жизни нашей планеты далеко не сводится к тому, чтобы помочь ее обитателям находить с помощью компаса верный путь в безбрежном океане, тайге или пустыне.

Если электрическое поле практически не выходит за пределы нижних слоев атмосферы, то магнитное простирается на 20 - 25 земных радиусов. Лишь на высоте в 100 000 километров оно перестает играть заметную роль, приближаясь к величине поля межпланетного пространства.

Магнитное поле образует третий "броневой пояс", окружающий Землю наряду с атмосферой и ионосферой. Око не подпускает к Земле потоки космических частиц, если только их энергия не слишком велика. Лишь в области магнитных полюсов эти частицы беспрепятственно могут вторгаться в атмосферу.

На большой высоте магнитное поле невелико, но захватывает громадные области пространства. Действуя на заряженную частицу длительное время, оно значительно изменяет ее траекторию. Вместо прямой линии получается спираль, навивающаяся на силовые линии поля. Вдоль силовых линий магнитное поле гонит частицы к полюсам. Иногда, правда, если скорость частицы велика, она не успевает сделать даже одного витка, и тогда можно говорить лишь об искривлении траектории.

На летящую вдоль силовой линии частицу в соответствии с законом Ампера магнитное поле не действует. Вот почему частицы свободно могут подлетать к полюсам, откуда веером расходятся силовые линии. Не удивительно, что корпускулярные потоки от Солнца вызывают свечение верхних слоев воздушного океана преимущественно у полюсов.

Кстати, эти потоки частиц сами создают значительные магнитные поля и вызывают "магнитные бури", во время которых стрелка компаса начинает беспомощно метаться.

Радиационные пояса Земли, открытые сравнительно недавно с помощью космических ракет, - это не что иное, как заряженные частицы не слишком больших энергий, захваченные магнитной ловушкой, расставленной нашей планетой. Именно магнитное поле удерживает на большой высоте рои заряженных частиц, подобно ореолам окружающим Землю. Во внешнем поясе доминируют электроны, а во внутреннем, где напряженность поля больше, - протоны. Для полетов космонавтов на больших высотах эти пояса представляют реальную опасность.

Земной шар - сферическая динамомашина

Происхождение земного магнетизма - еще более запутанный вопрос, чем происхождение электрического поля. Его нельзя объяснить скоплением намагниченных пород. Интересная идея Френкеля, выдвинутая сравнительно недавно, позволяет, по-видимому, здесь кое-что понять. Земное ядро - это генератор электрического тока, действующий по принципу самовозбуждения, как и обычная динамомашина.

Вам, вероятно, нетрудно будет вспомнить, в чем состоит этот принцип. В динамомашинах ток возникает при движении проводников в магнитном поле, которое само создается этим же током. Если вначале тока нет, то при некоторой скорости вращения он возникает и начнет нарастать. Ведь небольшое остаточное поле всегда есть. Оно создает ток, несколько увеличивающий магнитное поле. За счет этого возрастает ток, а затем и магнитное поле, и т. д., вплоть до некоторого предельного значения.

Чтобы можно было уподобить земной шар генератору, прежде всего надо допустить, что ядро Земли является жидким и способно проводить электрический ток. В этих предположениях нет ничего невероятного. Но откуда могут взяться движения проводящих масс ядра? У динамомашины мы просто раскручиваем якорь, а здесь нет никаких внешних воздействий.

Выход, однако, может быть найден. За счет радиоактивного распада неустойчивых элементов температура в центре ядра должна быть несколько выше, чем на его периферии. Из-за этого возникает конвекция: более горячие массы из центра ядра устремляются вверх, а холодные опускаются вниз. Но Земля вращается и скорость масс на поверхности ядра больше, чем в его глубинах. Поэтому поднимающиеся элементы жидкости тормозят вращение наружных слоев ядра, а опускающиеся, напротив, ускоряют внутренние слои. В результате внутренняя часть ядра вращается быстрее наружной и играет роль ротора генератора, в то время как наружная - роль статора.

В такой системе, как показывают расчеты, возможно самовозбуждение и появление вихревых электрических токов значительной величины.

Эти токи, согласно гипотезе Френкеля, создают магнитное поле вокруг Земли!

Энергия на поддержание тока черпается из радиоактивного разогрева вещества, создающего конвекционные токи в ядре.

Так ли обстоит дело в действительности, сказать трудно. Во всяком случае правильнее называть Землю "большой динамомашиной", чем "большим магнитом", как это делается во многих книгах.

Магнитное поле окружает не только Землю, но может существовать и у других планет и звезд. Оно ставит "свой штамп" на световые волны, излученные атомами Солнца и звезд, давая тем самым физикам возможность обнаружить себя.

Луна, как показали измерения наших и американских ученых, не имеет магнитного поля. Не имеет его и Венера. Марс, возможно, и обладает магнитным полем, но оно очень мало, по крайней мере в 1000 раз слабее земного. Это было установлено с помощью наших космических орбитальных станций "Марс 2" и "Марс 3".

Космическая электродинамика

Заговорив о магнитных полях планет и звезд, мы незаметно вступили в новую область, область космической электродинамики. Здесь пока еще мало достоверного; гораздо меньше, чем различных гипотез. Но многое, что вчера еще было любопытной догадкой, сегодня становится почти достоверным фактом. Главное, выяснилось, что электромагнитные силы играют в космосе совсем не малую роль, как это предполагалось ранее.

Бушующая поверхность и атмосфера Солнца... Гигантские языки раскаленного вещества взмывают вверх. Вихри и смерчи размером с нашу планету. Бури, непрерывные бури, но огненные, сверкающие. Бури не только вещества, но и магнитного поля.

Иногда из глубин Солнца парами выплывают черные пятна. Магнитное поле в этих участках возрастает в тысячи раз.

Огромные силы порой выбрасывают из Солнца целые сгустки заряженных частиц. Преодолевая гравитационное притяжение, они со скоростью нескольких тысяч километров в секунду врезаются в атмосферу Земли.

Трудно здесь физику усмотреть какую-то закономерность, какой-то порядок. Трудно понять природу сил в крутящейся массе материи. Это происходит далеко, очень далеко, и совсем не похоже на то, что мы можем видеть на нашей планете.

Трудно, но не невозможно. При тех температурах, которые есть на Солнце, не может быть ни нейтральных атомов, ни нейтральных молекул. Они просто не могут уцелеть, как не может уцелеть паровоз, на полном ходу врезающийся во встречный поезд.

А такой полностью ионизированный газ, или полностью ионизированная плазма, как говорят физики, превосходно проводит электрический ток. Это дает возможность электромагнитным силам развернуться и демонстрировать свою мощь на новом поприще.

В магнитном поле внутри движущейся высокотемпературной плазмы возбуждаются электрические токи немалой величины. Из-за хорошей проводимости они не склонны затухать. Поэтому в среде наряду с обычными силами упругости приобретают не меньшее значение силы магнитного взаимодействия токов. И если движение простой среды описывается законами гидродинамики, то здесь царствует магнитная гидродинамика.

Мы еще, конечно, очень далеки от того, чтобы понять все, происходящее на Солнце. Но есть уверенность, что основные явления, начиная от выброса целых масс материи и кончая появлением солнечных пятен, обязаны магнитным взаимодействиям.

Да и не только это! Межзвездный газ сильно ионизирован излучением. Плотность его мала (1 частица на кубический сантиметр), но это компенсируется громадными размерами облаков. С электрическими токами и, соответственно, магнитными полями в них нельзя не считаться.

Движущиеся облака заполняют собой всю Галактику, и поэтому вся она оказывается наполненной магнитным полем. И даже не только сама Галактика, но и соседние области пространства.

Магнитные поля здесь не велики, и мы их непосредственно воспринимать не можем. Но мы знаем, что они есть! Откуда же?

Радиоизлучение Галактики и космические лучи

Если бы мы могли видеть радиоволны, то на небе сверкало бы не одно, а целых три Солнца (точнее, "радиосолнца"). Одно из них в созвездии Кассиопеи, другое - в Лебеде и, наконец, это наше обычное Солнце * . Но кроме того мы заметили бы множество менее ярких "радиосолнц" и слабый рассеянный "радиосвет", идущий к нам из всех уголков Галактики и даже из прилегающих к ней, казалось бы, пустых мест.

* (Солнце - рядовая звезда и только близость его к нам позволяет ему конкурировать по "радиояркости" с двумя первыми источниками, неизмеримо более мощными, чем Солнце. )

Часть радиоволн возникает при столкновениях заряженных частиц раскаленного газа. Это тепловое (тормозное) излучение. Оно ничего не может рассказать нам о магнитных полях Галактики. Но есть другая, нетепловая часть, колыбелью которой служит магнитное поле. Оно заворачивает быстрые космические электроны, и, крутясь по спирали, эти электроны излучают электромагнитные волны, подобно тому как бешено вращающийся точильный камень рассыпает вокруг себя искры, если коснуться его поверхности лезвием ножа. Можно утверждать, что там, где рождаются радиоволны, обязательно есть магнитные поля!

Но откуда берутся в космосе быстрые электроны? Радиоизлучение рождено ими, и там, где находятся особо мощные источники радиоволн, мы должны искать космические ускорители. Значит, те далекие мощные "радиосолнца", о которых шла речь, и являются главным образом такими космическими ускорителями.

Мы привыкли к спокойной глубине чистого ночного неба. Ничто не кажется столь незыблемым, вечным, как "стройный хор" небесных светил. В общем-то так оно и есть. Но иногда происходят катастрофы; катастрофы чисто космических масштабов. Звезда, жившая миллиарды лет своей обычной жизнью, вдруг начинает по неизвестным причинам чудовищно распухать. (Если бы это случилось с нашим Солнцем * , то очень скоро орбиты всех планет оказались бы внутри него.) Яркость звезды (ее называют сверхновой) увеличивается в сотни миллионов раз, и ее можно видеть на небе среди бела дня. Постепенно блеск уменьшается, и на месте звезды остается туманное облако, иногда с трудом различимое в телескоп.

* (Солнцу подобный взрыв в действительности не угрожает. Его масса слишком мала. )

Мы надеемся, что все более или менее представляют себе, что такое напряжение в электрической сети. Здесь слово напряжение имеет точно такой же смысл.

В Галактике с ее миллиардами звезд такая вспышка наблюдается раз в 100 - 200 лет. С тех пор как изобрели телескоп, не появилось ни одной сверхновой.

Так вот, "радиосолнца" в большинстве своем это остатки сверхновых звезд. Лишь в направлении созвездия Лебедя мы, вероятно, наблюдаем следы еще более мощной катастрофы; взрыв целой галактики, подобной нашей.

Можно себе представить, что первоначальное ускорение заряженные частицы (электроны, протоны и ядра атомов) получают от гигантской ударной волны, сопровождающей взрыв сверхновой. В дальнейшем начинают действовать электромагнитные силы. Нарастающие магнитные поля индуцируют электрическое поле. Это поле может быть не таким уж большим, но из-за своих космических размеров ускоряет отдельные частицы до энергий, недоступных пока для ускорителей, созданных руками человека.

Некоторую долю космических лучей поставляют менее мощные индукционные электрические поля Солнца и других звезд.

Существует, вероятно, еще один механизм ускорения космических частиц. При встрече движущегося намагниченного облака межзвездного газа с быстрой частицей происходит процесс, аналогичный соударению двух шаров. Только роль обычных упругих сил играет взаимодействие частицы с индукционным электрическим полем, порожденным движущимся вместе с газом магнитным полем. При таком столкновении энергия частицы должна возрастать, подобно тому, как это происходит при столкновении легкого шара с очень тяжелым. После большого числа столкновений частица может набрать значительную энергию.

Беспорядочные магнитные поля Галактики не только ускоряют, но и рассеивают космические частицы. В результате на Землю они уже поступают равномерно со всех сторон, а не только из тех мест, где происходит их ускорение. Сверхмощные частицы залетают к нам, вероятно, из соседних галактик.

Мы не можем утверждать, что все в мире происходит так и только так, как мы вам только что рассказали. Это лишь наиболее естественная с современной точки зрения картина электромагнитных явлений во Вселенной. Написана она, можно заметить, весьма крупными мазками. И это получилось не только за счет того, что картина очень велика. Детали явлений остаются пока неясными для самих художников-ученых. Да и "краска" на картине еще "не просохла": картина была создана совсем недавно, несколько лет назад, и лишь ее цельность вселяет надежду, что в основе своей она правильна.

В то время как в космосе разыгрывались приличествующие ему величественные явления, в одной из московских квартир "маленький дружный коллектив" (так именовали себя авторы) раздирали противоречия. К моменту, когда работа над книгой уже шла полным ходом, авторам стало ясно, что их позиции, мягко говоря, не вполне совпадают.

Сущность спора, как ясно из дальнейшего, позволяет закрепить за одним из соавторов имя Кроткого (сокращенно К ), а за другим - Строптивого (сокращенно С ).

К . Ты знаешь, как я тебя уважаю! Но что ты делаешь?

Вместо непринужденного рассказа о сущности сил, ты, превратившись в архивариуса, скрупулезно, с ненужными деталями регистрируешь все проявления электромагнитных сил, которые знаешь. Да еще выискиваешь в книгах описания проявлений сил, которых, извини меня, совсем не знаешь.

Об этом ли мечтал наш читатель, приобретая книгу? Что ты думаешь, ему нужен еще один учебник?

С . Прости меня, но поскольку книга не одобрена Министерством, это еще не учебник. И, кроме того, разве мы не обещали рассказать о силах в природе? Значит о силах, которые окружают каждого из нас. Нельзя, никак нельзя обойти трение, упругость, химические силы и т. д. Ведь мы пишем не для юных философов, желающих знать только основы основ и не интересующихся тем, что происходит вокруг нас, над нами и под нами каждый день.

К . Я верю, что у тебя прекрасные намерения. Но ведь если идти по твоему пути, то придется, например, говорить не только о трении в жидкостях вообще, но и о трении шарика, цилиндрика, кубика и т. д. Тогда все будет разложено по полочкам.

Я, конечно, немного преувеличиваю, но стремление к раскладыванию по полочкам у тебя, несомненно, есть.

С . Что же ты предлагаешь, поступить согласно старому анекдоту, в котором выучившийся сынок поражал родителей и всех окружающих крайним научным лаконизмом ответов? На все вопросы: что, как и почему, он бросал кратко - это электричество.

И нам что ли писать: упругость - это электричество; трение - тоже электричество; химические силы есть силы электрические и т. д.

К . А посмотри, что получилось у тебя. Здесь и строение газов вместе с жидкостями (которое известно всем), и особенности сил в кристаллах (которые мало кому известны, но зато не интересны почти никому)...

Хочешь все же о них написать - пиши. Но пиши так, чтобы читатель не заснул или не забросил книгу куда-нибудь подальше.

С . Да пойми же ты, что это трудно, очень трудно.

Интереснее и проще писать, например, о теории относительности, чем о химических силах. Да кроме того, о каждом типе электромагнитных сил надо писать целую книгу. Желая быть кратким, трудно не быть скучным.

К . Интереснее не только писать о теории относительности, о ней интереснее и читать.

С . Ну что же, пусть эта часть книги и будет энциклопедией, но энциклопедией, все же (льщу себя надеждой) более приспособленной для не слишком изнурительного чтения.

К . Я вижу, ты упорствуешь. А ведь в твоем рассказе, кроме всего прочего, нет даже элементарной последовательности. После космических лучей ты сразу же хочешь перейти к электрическим рыбам.

С . Ну и что? Рыбы, так рыбы. Кто ими не интересуется, может не читать.

И вообще, почему бы нам не написать в предисловии, что каждый читатель может выбрать из разделов главы "Электромагнитные силы в действии" лишь те, которые его интересуют. На худой конец пусть не читает эту главу совсем.

К . Гм... поскольку ты так упрям, это, по-видимому, действительно единственный выход.

С . Ты не огорчайся особенно. Есть ведь еще редактор. Скажет: все это выбросить - выбросим.

Электрические рыбы

Итак, электрические рыбы. Это уникальные существа, отличающиеся от своих собратьев тем, что несут на себе живые гальванические элементы. Вырабатываемый ими электрический ток служит средством защиты или нападения.

Интересно, что среди ископаемых рыб электрических было гораздо больше, чем среди здравствующих ныне. Видимо, явное использование электромагнитных сил оказалось не столь эффективным, как совершенствование сил, проявляющихся неявно: в первую очередь мышечных.

Наиболее ярким представителем интересующей нас породы является электрический скат. Рыба эта, обитающая в теплых морях, весит около 100 килограммов и достигает около двух метров в длину. Его электрические органы, расположенные по бокам головы, весят больше пуда. Неутомленный скат способен дать ток в 8 ампер при напряжении в 300 вольт. Это представляет серьезную опасность для человека.

От электрических рыб трудно ожидать большой чувствительности к току. И действительно, скат легко переносит напряжения, смертельные для других рыб.

Электрические органы ската по своему строению до удивления походят на батарею гальванических элементов. Они состоят из многочисленных пластинок, собранных столбиками (последовательное соединение элементов), которые расположены друг возле друга во много рядов (параллельное соединение).

Одна сторона пластинки гладкая и несет на себе отрицательный заряд. Другая, с выступающими сосочками, заряжена положительно. Как и полагается, все устройство заключено в электроизолирующую ткань.

Мы не будем пытаться вникнуть в механизм возникновения электродвижущей силы в органах ската, как не разбирали в свое время принцип действия обычного гальванического элемента (последуем совету К). Здесь еще много неясного. С уверенностью можно утверждать лишь одно: в основе работы электрических органов лежат химические силы, как и в гальваническом элементе.

Не будем мы также расширять круг знакомств среди электрических рыб.

Нельзя только не упомянуть еще об одном замечательном обитателе Нила - мормирусе или водяном слонике. Эта рыба снабжена удивительным локатором. В основании хвоста у нее расположен генератор переменного электрического тока, посылающий импульсы с частотой нескольких сот колебаний в секунду. Окружающие предметы искажают электромагнитное поле вокруг мормируса, что немедленно отмечается приемным устройством на его спине. Чувствительность локатора необычайно велика. Мормируса нельзя поймать в сеть. В аквариуме он начинает метаться, как только вы проведете несколько раз расческой по волосам.

Как работает локатор, пока не выяснено. Есть надежда, что детальное исследование этого вопроса поможет наладить подводную электромагнитную связь, что пока не удается из-за большого затухания электромагнитных волн в воде.

Природа нервного импульса

В конце концов скат и подобные ему рыбы со всем своим электрическим хозяйством - не более чем каприз природы. Свободному электричеству в живых организмах природа отвела несравненно более значительную роль. Это электричество обслуживает линии связи, передающие в мозг "телеграммы" от органов чувств обо всем, совершающемся во внешнем мире, и ответные приказания мозга любым мышцам и всем внутренним органам.

Нервы пронизывают все тело более или менее совершенных живых существ, и благодаря им организм выступает как единое целое, действующее подчас поразительно целесообразно. Стоит перерезать нерв, ведущий к какой-либо мышце, и она становится парализованной, подобно тому как перестает работать цилиндр мотора, если порвать провод, передающий импульсы тока запальной свече.

Это не просто внешняя аналогия. Еще со времен Гальвани было установлено, что передаваемый нервным волокнам сигнал (нервный импульс) представляет собой кратковременный электрический импульс. Правда, дело обстоит далеко не так просто, как молено подумать. Нерв не пассивный канал большой проводимости, как обыкновенная металлическая проволока. Скорее он напоминает то, что в технике называют релейной линией, когда поступающий сигнал передается только соседним участкам линии, где он усиливается и лишь затем скользит дальше, там снова усиливается и т. д. Благодаря этому сигнал может быть передан без ослабления на значительные расстояния, несмотря на естественное затухание.

Что же такое нерв? У Р. Джерарда можно прочесть: "Если паука, которого мы видим с земли висящим на паутинной нити на высоте шестиэтажного здания, уменьшить в размерах еще примерно раз в двадцать (включая нить, на которой он висит), он очень напоминал бы нервную клетку, или нейрон. Тело нервной клетки не отличается от других клеток ни своими размерами, ни какими-либо другими особенностями... Однако нейрон, в отличие от обычных, нелюбопытных клеток, имеет не только клеточное тело - он рассылает для исследования отдаленных частей организма тонкие нитеподобные отростки. Большинство отростков распространяется на небольшие расстояния... Однако один тонкий отросток диаметром менее 0,01 миллиметра, точно одержимый страстью к странствованиям, отходит от нейрона на громадные расстояния, измеряемые сантиметрами и даже метрами.

Все нейроны центральной нервной системы собраны вместе в головном и спинном мозгу, где они образуют серое вещество... И только длинные отростки - аксоны соединяют их с остальными частями тела. Пучки этих аксонов, или осевых отростков, отходящих от близких друг к другу нервных клеток, образуют нервы". Особое вещество - миэлин окутывает тонким слоем большинство аксонов, подобно тому как изоляционная лента обматывает электрический провод.

Сам аксон можно упрощенно представить себе как длинную цилиндрическую трубку с поверхностной мембраной, разделяющей два водных раствора разного химического состава и разной концентрации. Мембрана подобна стенке с большим количеством полуоткрытых дверей, сквозь которые ионы растворов могут протискиваться только с большим трудом. Самое удивительное и непонятное в том, что электрическое поле "притворяет эти дверцы", а с его ослаблением они открываются шире.

В состоянии бездействия внутри аксона находится избыток ионов калия; снаружи - ионов натрия. Отрицательные ионы сконцентрированы главным образом на внутренней поверхности мембраны и поэтому она заряжена отрицательно, а наружная поверхность - положительно.

При раздражении нерва происходит частичная деполяризация мембраны (уменьшение зарядов на ее поверхностях), что ведет к снижению электрического поля внутри нее. Вследствие этого "приоткрываются дверцы" для ионов натрия и они начинают проникать внутрь волокна. В конце концов внутренняя часть аксона заряжается на этом участке положительно.

Так возникает нервный импульс. Собственно говоря, это импульс напряжения * , вызванный протеканием тока через мембрану.

* (Мы надеемся, что все более или менее представляют себе, что такое напряжение в электрической сети. Здесь слово напряжение имеет точно такой же смысл. )

В этот момент "приоткрываются дверцы" для калиевых ионов. Проходя на поверхность аксона, они постепенно восстанавливают то напряжение (около 0,05 вольта), которое было у невозбужденного нерва.

Одновременно часть ионов с соседнего участка "прорывается сквозь дверцы соседей". Из-за этого поле здесь также начинает ослабевать, и весь процесс повторяется на новом участке аксона. В результате по нерву человека к мозгу, не затухая, со скоростью около 120 метров в секунду движется нервный импульс.

Ионы натрия и калия, смещенные при прохождении импульса со своих насиженных мест, постепенно возвращаются обратно непосредственно сквозь стенку за счет химических процессов, механизм которых пока еще не выяснен.

Вызывает восхищенное удивление, что все поведение высших животных, все творческие усилия человеческого мозга основаны в конечном счете на этих чрезвычайно слабых токах и тончайших, микроскопических химических реакциях.

Биотоки мозга

Здесь мы касаемся святая-святых живой природы - человеческого мозга. В мозгу непрерывно совершаются электрические процессы. Если на лоб и затылок наложить металлические пластины, соединенные через усилитель с регистрирующим прибором, то можно зафиксировать непрерывные электрические колебания коры головного мозга * . Их ритм, форма и интенсивность существенно зависят от состояния человека.

* (Колебания наблюдаются не только в мозгу человека, но и в мозгу животных. )

В мозгу сидящего спокойно с закрытыми глазами, не думающего ни о чем человека совершается около 10 колебаний в секунду. Когда человек открывает глаза, мозговые волны исчезают и вновь появляются, когда глаза закрыты. Когда человек засыпает, ритм колебаний замедляется. По характеру колебаний можно очень точно определить момент начала и конца сновидения.

При заболеваниях мозга характер электрических колебаний меняется особенно резко. Так, патологические колебания при эпилепсии могут служить верным признаком заболевания.

Все это доказывает, что мозговые клетки находятся в состоянии постоянной активности, и большие количества их, по выражению Джерарда, "колеблются вместе, подобно скрипкам огромного оркестра". Поступающие в мозг нервные импульсы не идут проторенными путями, а меняют всю картину распределения колебаний в коре больших полушарий.

Характер электрической активности мозга меняется с возрастом в течение всей жизни и обучения.

Надо полагать, что электрические колебания не просто сопутствуют работе мозга, как шум - движению автомобиля, а являются существеннейшим моментом всей его жизнедеятельности. У электронной вычислительной машины, способной выполнять отдельные функции мозга даже лучше, чем он сам, именно электромагнитные процессы определяют всю работу.

Нужно подчеркнуть, что каждому ощущению, каждой мысли отнюдь не соответствует свое собственное, определенное колебание. О чем думает человек, по форме электрических колебаний мы пока определять не умеем.

Какие функции выполняют эти процессы в мозгу, мы пока не знаем. Но они отчетливо показывают, что материальной основой мышления являются электромагнитные процессы в наиболее высокоорганизованной материи, которую создала природа на нашей планете.

Электрический заряд земли Исследования показали, что у поверхности Земли имеется электрическое поле. Это поле обусловлено существованием у земного шара отрицательного электрического заряда, равного примерно Кл.

Ионизация нейтральных молекул газов В атмосфере Земли на любой высоте имеются положительные и отрицательные ионы. Эти ионы возникают в результате ионизации нейтральных молекул газов атмосферного воздуха космическими лучами, ультрафиолетовым излучением Солнца и ионизирующими излучениями радиоактивных изотопов земной коры и атмосферы

Сила тока атмосферного электричества земли Под действием электрического поля Земли ионы в атмосферном воздухе создают электрический ток в направлении от верхних слоев атмосферы к поверхности Земли. На всю поверхность Земли сила тока атмосферного электричества составляет примерно 1800 А.

Напряжение ионосферы Легко убедиться, что если бы заряд Земли каким-то способом не пополнялся, этот ток очень быстро разрядил бы Землю. Но заряд не изменяется со временем, электрическое поле Земли не исчезает. Напряжение между поверхностью Земли и проводящим слоем атмосферы ионосферы на высоте около 80 км достигает примерно В.

Пополнение электрического заряда Земли Основной механизм постоянного пополнения электрического заряда Земли оказался связанным с процессами электризации капель воды при образовании облаков и осадков. В дождевых облаках при образовании капель воды происходит их электризация. Конвективные потоки внутри большинства облаков приводят к повышению концентрации положительных ионов у вершины облака и отрицательных ионов у основания облака.

Пополнение электрического заряда Земли. Капли дождя при прохождении через основание облака обычно приобретают отрицательный электрический заряд и передают его Земле. Удары молний из отрицательно заряженных оснований облаков так же переносят отрицательный заряд на Землю. Эти процессы и компенсируют потери электрического заряда Земли.

Вопрос 1 Напряжение между ионосферой и поверхностью Земли равно примерно 1) Кл 2) Кл 3) 1800 А 4) В Напряжение между ионосферой и поверхностью Земли равно примерно 1) Кл 2) Кл 3) 1800 А 4) В

Вопрос 2 Электрическое сопротивление атмосферы между ионосферой и поверхностью Земли равно примерно 1) Вт 2) 111Вт 3) 111 Ом 4) 11,10 м Электрическое сопротивление атмосферы между ионосферой и поверхностью Земли равно примерно 1) Вт 2) 111Вт 3) 111 Ом 4) 11,10 м

Вопрос 3 Почему в атмосфере протекает электрический ток от ионосферы к поверхности Земли? 1) Только потому, что в атмосфере имеются свободные ионы 2) Только потому, что Земля обладает положительным электрическим зарядом 3) Только потому, что Земля обладает отрицательным электрическим зарядом 4) Потому, что в атмосфере имеются свободные ионы, и Земля обладает электрическим зарядом Почему в атмосфере протекает электрический ток от ионосферы к поверхности Земли? 1) Только потому, что в атмосфере имеются свободные ионы 2) Только потому, что Земля обладает положительным электрическим зарядом 3) Только потому, что Земля обладает отрицательным электрическим зарядом 4) Потому, что в атмосфере имеются свободные ионы, и Земля обладает электрическим зарядом

Источники Студенты 21 группы Сахипзянов Ильгиз, Ямалетдинов Ильвир руководитель: Сабитова Файруза Рифовна преподаватель физики ГАОУ СПО «Сармановский аграрный колледж» Студенты 21 группы Сахипзянов Ильгиз, Ямалетдинов Ильвир руководитель: Сабитова Файруза Рифовна преподаватель физики ГАОУ СПО «Сармановский аграрный колледж» Зорин Н. И ГИА Физика. Тренировочные задания: 9 класс / Н. И Зо­рин. М. : Эксмо, с. (Государственная (итоговая) ат­тестация (в новой форме). Кабарднн, О.Ф. К12 ГИА физика. 9 класс. Государственная итоговая аттестация (в новой форме). Типовые тесто­вые задания / О.Ф. Кабардик, С.И. Кабардина. М.: Издательство «Экзамен», с. (Серия «ГИА. 9 класс. Типовые тестовые задания») Зорин Н. И ГИА Физика. Тренировочные задания: 9 класс / Н. И Зо­рин. М. : Эксмо, с. (Государственная (итоговая) ат­тестация (в новой форме). Кабарднн, О.Ф. К12 ГИА физика. 9 класс. Государственная итоговая аттестация (в новой форме). Типовые тесто­вые задания / О.Ф. Кабардик, С.И. Кабардина. М.: Издательство «Экзамен», с. (Серия «ГИА. 9 класс. Типовые тестовые задания»)