Физика в быту

При протекании любого тока, в том числе индукционного, проводник нагревается. Мы используем разогрев индукционными токами в индукционных электроплитах: токовые катушки создают сильное переменное магнитное поле высокой частоты, возбуждающее индукционные токи в посуде со специальным ферромагнитным слоем на дне. Вот и получается: сама конфорка холодная, а посуда на ней вместе со своим содержимым нагревается.

Забегая вперёд, отметим, что индукционные токи – один из главных механизмов воздействия на нас переменных магнитных полей, особенно высокочастотных.

Излучение электромагнитных волн

Электрическое и магнитное поля тесно связаны друг с другом. Подобно тому, как изменяющееся магнитное поле порождает электрическое, изменяющееся электрическое поле порождает магнитное.

Итак, электрическое поле создаётся не только зарядами, но и изменяющимся магнитным полем. Магнитное поле создаётся не только токами, но и изменяющимся электрическим полем. Этот процесс взаимного порождения полей, начавшись в некоторой точке пространства, распространяется от точки к точке всё дальше и дальше – это и есть электромагнитная волна.

Электромагнитные волны были предсказаны Максвеллом на основе полной системы уравнений, описывающей эти поля (уравнений Максвелла), и обнаружены экспериментально Генрихом Герцем в конце XIX века.

Более полувека физики не верили в существование электрического и магнитного полей, предсказанных Фарадеем. Построение полной теории электромагнитных полей Максвеллом (1865 г.) не убедило их в реальности существования полей. Только после опытов Генриха Герца (1888 г.) по излучению и приёму электромагнитных волн электромагнитные поля стали рассматриваться как объективная реальность.

Как же «запустить» в пространство электромагнитную волну? Ответ: для этого надо заставить заряды в каком-то месте двигаться с ускорением, и из этого места и начнёт распространяться электромагнитная волна. Чем больше ускорение, тем больше интенсивность волны. Один из способов сообщить ускорение зарядам – это заставить их колебаться туда-сюда с большой частотой. Чем больше частота колебаний, тем больше ускорение (оно пропорционально квадрату частоты) и больше интенсивность излучения (она пропорциональна квадрату ускорения, то есть частоте в четвёртой степени). На этом принципе основано излучение всех антенн: от смартфона до радиовещания.

Подчеркнём: чтобы интенсивность излучения электромагнитных волн была хоть сколько-то ощутима, частота колебаний в антенне должна быть очень большой – десятки килогерц и больше. На технической частоте 50 Гц никакого электромагнитного излучения нет! Иногда говорят: проводка или прибор, работающий на переменном токе, излучает электромагнитное поле. Это не совсем корректно: вокруг проводов проводки есть электромагнитное поле, но никакие волны она не излучает. Излучают радиоантенны, смартфоны и базовые станции, микроволновые печи, беспроводные наушники, радионяни, Wi-Fi роутеры и так далее.

Чем больше частота, тем меньше длина волны, как и для звуковых волн. Самые короткие радиоволны с длиной волны (в воздухе) от 1 мм до 1 м называют микроволнами, их частоты лежат в пределах от 30 МГц (мегагерц, то есть миллионов герц) до 300 ГГц (гигагерц, то есть миллиардов герц). Микроволны излучают любимые нами гаджеты, роутеры, микроволновки. Ещё более короткие волны – это уже инфракрасное излучение, источником которого являются все нагретые тела (мы сами создавать излучатели таких больших частот не умеем).

На этом завершим наш краткий экскурс в науку электродинамику и поговорим о тех естественных электромагнитных полях, в которые мы были погружены в доиндустриальную эпоху, пока они не были сильно искажены достижениями нашей технической цивилизации.

Глава 2

Естественные электромагнитные поля

Земной шар обладает собственными электрическим и магнитным полями, а ещё вблизи поверхности Земли наблюдается некий фон электромагнитных волн низких и сверхнизких частот. Итак, по порядку.

Электрическое поле Земли

Земля – это огромный заряженный шар, имеющий большой отрицательный заряд (почти полмиллиона кулон). Но из космоса этот заряд не заметен, так как он компенсируется таким же по величине положительным зарядом, сосредоточенным, в основном, в ионосфере на высоте около 50 км от земной поверхности; избыток положительных ионов имеется также в нижних слоях атмосферы. В целом Земля со своей атмосферой имеют нулевой суммарный заряд.