01 Банк ФИПИ

Атмосферное электричество образуется и концентрируется в облаках –– образованиях из мелких частиц воды, находящейся в жидком или твёрдом состоянии. Сухой снег представляет собой типичное сыпучее тело: при трении снежинок друг о друга и их ударах о землю снег должен электризоваться. При низких температурах во время сильных снегопадов и метелей электризация снега настолько велика, что происходят зимние грозы, наблюдается свечение остроконечных предметов, образуются шаровые молнии.

При дроблении водяных капель и кристаллов льда, при столкновениях их с ионами атмосферного воздуха крупные капли и кристаллы приобретают избыточный отрицательный заряд, а мелкие –– положительный. Восходящие потоки воздуха в грозовом облаке поднимают мелкие капли и кристаллы к вершине облака, крупные капли и кристаллы падают к его основанию.

Заряженные облака наводят на земной поверхности под собой противоположный по знаку заряд. Внутри облака и между облаком и Землёй создаётся сильное электрическое поле, которое способствует ионизации воздуха и возникновению искрового разряда. Сила тока разряда составляет 20 кА и более, температура в канале искрового разряда может достигать 10 000 °С. Разряд прекращается, когда бóльшая часть избыточных электрических разрядов нейтрализуется электрическим током, протекающим по плазменному каналу молнии.

Атмосферное электричество образуется и концентрируется в облаках –– образованиях из мелких частиц воды, находящейся в жидком или твёрдом состоянии. Сухой снег представляет собой типичное сыпучее тело: при трении снежинок друг о друга и их ударах о землю снег должен электризоваться. При низких температурах во время сильных снегопадов и метелей электризация снега настолько велика, что происходят зимние грозы, наблюдается свечение остроконечных предметов, образуются шаровые молнии.

При дроблении водяных капель и кристаллов льда, при столкновениях их с ионами атмосферного воздуха крупные капли и кристаллы приобретают избыточный отрицательный заряд, а мелкие –– положительный. Восходящие потоки воздуха в грозовом облаке поднимают мелкие капли и кристаллы к вершине облака, крупные капли и кристаллы падают к его основанию.

Заряженные облака наводят на земной поверхности под собой противоположный по знаку заряд. Внутри облака и между облаком и Землёй создаётся сильное электрическое поле, которое способствует ионизации воздуха и возникновению искрового разряда. Сила тока разряда составляет 20 кА и более, температура в канале искрового разряда может достигать 10 000 °С. Разряд прекращается, когда бóльшая часть избыточных электрических разрядов нейтрализуется электрическим током, протекающим по плазменному каналу молнии.

Земля в целом представляет собой огромный шаровой магнит. Ядро Земли является жидким и состоящим из железа. Существует теория, что в ядре циркулируют круговые токи, которые и порождают земное магнитное поле (см. рисунок).

Как узнать, были ли в далёком прошлом Земли периоды, когда геомагнитное поле отличалось от нынешнего? Оказывается, следы есть: горные породы, содержащие железные сплавы, намагничиваются в период своего формирования под действием магнитного поля Земли и сохраняют приобретённую намагниченность в последующие эпохи. Величина и направление этой остаточной намагниченности соответствуют магнитному полю, существовавшему в данной точке земной поверхности при образовании породы, то есть миллионы и сотни миллионов лет назад.

Обыкновенная лава, вытекающая из вулкана при его извержении, всегда содержит некоторое количество сплавов железа. При остывании и   кристаллизации лавы в неё как бы вмораживается множество железосодержащих кристалликов, превратившихся в миниатюрные магнитные стрелки, ориентированные вдоль линий индукции магнитного поля Земли.

Изучение лавовых напластований, проведённое в разных точках Земли, показывает, что за последние примерно 700 тыс. лет геомагнитное поле практически не изменялось. Но исследования более глубоких и, следовательно, древних слоёв показало, что лавовые напластования представляют собой настоящий слоёный пирог – за верхним слоем с «нормальными» линиями индукции шёл слой с линиями «обратной» полярности, то есть такими, которые соответствуют геомагнитному полю с полюсами, поменявшимися местами. За последние 4 млн лет геомагнитное поле изменяло свою полярность не менее девяти раз!

Рассмотрим цепь, составленную из проводников, изготовленных из разных металлов (см. рисунок 1). Если места спаев металлов находятся при одной температуре, то тока в цепи не наблюдается. Положение станет совершенно иным, если нагреть какой-нибудь из спаев, например спай a.
В этом случае гальванометр покажет наличие в цепи электрического тока, протекающего всё время, пока существует разность температур между спаями a и b.

Рисунок 1. Цепь, состоящая из железного и двух медных проводников
и гальванометра

Значение силы тока, протекающего в цепи, приблизительно пропорционально разности температур спаев. Направление тока зависит от того, какой из спаев находится при более высокой температуре. Если спай a не нагревать, а охлаждать (поместить, например, в сухой лёд), то ток потечёт в обратном направлении.

Описанное явление было открыто в 1821 г. немецким физиком Зеебеком и получило название термоэлектричества; комбинация проводников из разных металлов, образующих замкнутую цепь, называется термоэлементом. Важная область применения металлических термоэлементов – их использование для измерения температуры.

Рассмотрим цепь, составленную из проводников, изготовленных из разных металлов (см. рисунок 1). Если места спаев металлов находятся при одной температуре, то тока в цепи не наблюдается. Положение станет совершенно иным, если нагреть какой-нибудь из спаев, например спай a.
В этом случае гальванометр покажет наличие в цепи электрического тока, протекающего всё время, пока существует разность температур между спаями a и b.

Рисунок 1. Цепь, состоящая из железного и двух медных проводников
и гальванометра

Значение силы тока, протекающего в цепи, приблизительно пропорционально разности температур спаев. Направление тока зависит от того, какой из спаев находится при более высокой температуре. Если спай a не нагревать, а охлаждать (поместить, например, в сухой лёд), то ток потечёт в обратном направлении.

Описанное явление было открыто в 1821 г. немецким физиком Зеебеком и получило название термоэлектричества; комбинация проводников из разных металлов, образующих замкнутую цепь, называется термоэлементом. Важная область применения металлических термоэлементов – их использование для измерения температуры.

В основе действия индукционной плиты лежит явление электромагнитной индукции –– возникновения электрического тока
в замкнутом проводнике при изменении магнитного потока через площадку, ограниченную контуром проводника. Индукционные токи при изменении магнитного поля возникают и в массивных образцах металла, а не только
в проволочных контурах. Эти токи обычно называют вихревыми токами, или токами Фуко, по имени открывшего их французского физика. Сила вихревого тока зависит от свойств материала, из которого сделан образец,
а также от скорости изменения магнитного поля (сила вихревого тока увеличивается при увеличении частоты переменного магнитного поля,
в котором находится образец). В массивных проводниках вследствие небольшого электрического сопротивления токи могут быть очень сильными и вызывать значительное нагревание.

Принцип работы индукционной плиты показан на рисунке. Под стеклокерамической поверхностью плиты находится катушка индуктивности, по которой протекает переменный электрический ток, создающий переменное магнитное поле. Частота тока составляет 20––60 кГц. В дне посуды наводятся токи индукции, которые нагревают его, а заодно
и помещённые в посуду продукты. Нет никакой теплопередачи снизу вверх, от конфорки через стекло к посуде, а значит, нет и тепловых потерь. С точки зрения эффективности использования потребляемой электроэнергии индукционная плита выгодно отличается от всех других типов кухонных плит: нагрев происходит быстрее, чем на газовой или обычной электрической плите, а КПД нагрева у индукционной плиты выше, чем
у этих плит.

Устройство индукционной плиты: 1 –– посуда с дном из ферромагнитного материала; 2 –– стеклокерамическая поверхность;
3 –– слой изоляции; 4 –– катушка индуктивности

Индукционные плиты требуют применения металлической посуды, обладающей ферромагнитными свойствами (к посуде должен притягиваться магнит). Причём чем толще дно, тем быстрее происходит нагрев.

Солнце нельзя считать полностью стабильной звездой, оно постоянно меняет силу излучения. На Солнце периодически образуются активные области — в видимом свете наиболее заметными структурными образованиями активной области являются тёмные, резко очерченные солнечные пятна, часто образующие целые группы. Причинами солнечной активности являются явления и процессы, связанные с образованием и распадом в солнечной атмосфере сильных магнитных полей.

Протяжённости активной области достигают нескольких сотен тысяч километров, а время существования — от нескольких дней до нескольких месяцев. Как правило, активные области можно наблюдать в различных диапазонах электромагнитного излучения — от рентгеновских, ультрафиолетовых и видимых лучей до инфракрасных и радиоволн.

Одним из наиболее распространённых показателей уровня солнечной активности является число Вольфа, связанное с количеством солнечных пятен на видимой полусфере Солнца. Общий уровень солнечной активности меняется с периодом, примерно равным 11 годам (см. рисунок).

Время от времени в активной области происходят вспышки. Вспышка представляет собой нечто подобное взрыву, в результате которого образуются выброс частиц высокой энергии (электронов, протонов и др.) и мощный направленный поток электромагнитного излучения (в основном, рентгеновского).

Рентгеновское излучение и потоки заряжённых частиц, приходящие от вспышки, оказывают сильное влияние на физические процессы в верхней атмосфере Земли, вызывают дополнительную ионизацию земной ионосферы, что сказывается на условиях распространения радиоволн (благодаря атмосфере рентген и жёсткий ультрафиолет не проходят до поверхности Земли). Появляется серьёзная опасность облучения космонавтов, находящихся на орбите. Поток выброшенных при вспышке частиц примерно через 1-3 дня достигает орбиты Земли, захватывается её магнитным полем и вызывает на Земле магнитную бурю и полярные сияния (захваченные магнитным полем заряженные частицы взаимодействуют с молекулами и атомами газов атмосферы Земли, вызывая красочные северные сияния).

Активность Солнца несомненно влияет и на нашу планету, и на её биосферу. Учёный A. JI. Чижевский ещё в 1920-х годах указывал на то, что солнечная активность влияет на возникновение заболеваний у человека. Особенно явно это проявляется в заболеваниях сердечно-сосудистой системы

На исходе XIX в. было проведено много опытов по изучению электрического разряда в разреженных газах. Разряд возникал между отрицательным электродом (катодом) и положительным электродом (анодом), причём оба электрода запаивались внутрь стеклянной трубки (трубки У. Крукса), из которой частично откачивали газ (рисунок 1). Когда газ в трубке становился достаточно разреженным, тёмная область вокруг катода постепенно расширялась, пока не достигала противоположного конца трубки, который после этого начинал светиться. Цвет свечения катода зависел от состава стекла, из которого была изготовлена трубка.

Рисунок 1. Трубка У. Крукса

В конце XIX в. считалось, что это свечение вызвано неизвестными лучами, исходящими от катода, и происходили оживлённые дискуссии
о природе этих лучей (катодных лучей). В 1895 г. Ж. Перрену удалось собрать эти лучи в изолированном сосуде и доказать, что они несут отрицательный заряд. Вскоре после этого Дж. Томсон осуществил свой классический эксперимент, в котором он впервые отождествил катодные лучи с частицами, названными позднее электронами.  Создавая электрическое поле между пластинами (рисунок 2), Томсон наблюдал смещение светящегося пятна на конце трубки. Проведя измерения, Томсон получил, что для частиц, составляющих катодные лучи, отношение массы к заряду () не зависит от природы газа, а его значение очень мало по сравнению с наименьшей известной величиной этого отношения (то есть для иона водорода).

Рисунок 2. Отклонение катодных лучей в электрическом поле

В 1895 г. немецкий физик В. Рентген параллельно проводил опыты с катодными лучами. Однажды он заметил, что полоска бумаги, покрытая флуоресцирующей солью бария и лежащая в стороне от работающей трубки Крукса, светится. После долгого и напряжённого труда Рентген пришёл к выводу, что он смог открыть новый вид излучения –– Х-лучи (или рентгеновские), которые возникали при торможении катодных лучей (электронов) в материале мишени. Х-лучи являются, так же как и свет, электромагнитным излучением, которое характеризуется малыми длинами волн и большой проникающей способностью.

К ультрафиолетовому излучению относят электромагнитное излучение, занимающее диапазон между видимым и рентгеновским излучением.

Ультрафиолетовый спектр разделяют на ультрафиолет-А (УФ-A)
с длиной волны 315–400 нм, ультрафиолет-В (УФ-B) – 280–315 нм
и ультрафиолет-С (УФ-С) – 100–280 нм, которые отличаются по проникающей способности и биологическому воздействию на организм.

Коротковолновая часть ультрафиолета, излучаемого Солнцем,
не достигает поверхности Земли. Благодаря озоновому слою в атмосфере, поглощающему ультрафиолетовые лучи, спектр солнечного излучения вблизи земной поверхности практически обрывается на длине волны 290 нм.

Под действием ультрафиолета в коже вырабатывается особый пигмент, при этом кожа приобретает характерный оттенок, известный как загар. Спектральный максимум пигментации соответствует длине волны 340 нм.

На организм человека вредное влияние оказывает как недостаток ультрафиолетового излучения, так и его избыток. Воздействие больших доз УФ-излучения приводит к кожным заболеваниям и вредно для центральной нервной системы. Ультрафиолетовое излучение с длиной волны менее
0,32 мкм отрицательно влияет на сетчатку глаз, вызывая болезненные воспалительные процессы.

Некоторые вещества при освещении электромагнитным излучением сами начинают светиться. Такое свечение, или люминесценция, отличается важной особенностью: свет люминесценции имеет иной спектральный состав, чем свет, вызвавший свечение. Наблюдения показывают, что свет люминесценции характеризуется большей длиной волны, чем возбуждающий свет. Например, если пучок фиолетового света направить на колбочку с раствором красителя флуоресцеина, то освещённая жидкость начинает ярко люминесцировать зелёно-жёлтым светом.

Некоторые тела сохраняют способность светиться некоторое время после того, как освещение их прекратилось. Такое послесвечение может иметь различную длительность: от долей секунды до многих часов. Принято называть свечение, исчезающее с прекращением освещения, флуоресценцией, а свечение, имеющее заметную длительность после прекращения освещения, – фосфоресценцией.

Явление люминесценции характеризуется крайне высокой чувствительностью: достаточно иногда 10 ^– 10 г светящегося вещества, например, в растворе, чтобы обнаружить это вещество по характерному свечению. Это свойство лежит в основе люминесцентного анализа, который позволяет обнаружить ничтожно малые примеси и судить о загрязнениях или процессах, приводящих к изменению исходного вещества.

Очень важное применение нашли фосфоресцирующие порошки при изготовлении ламп дневного света.

Один из наиболее распространённых показателей уровня солнечной активности – число Вольфа, связанное с количеством солнечных пятен на видимой полусфере Солнца. Общий уровень солнечной активности меняется с периодом, примерно равным 11 годам (см. рисунок 1).

Рисунок 1. Солнечная активность середины XX в. – начала XXI в.

В период активности на Солнце наблюдаются вспышки, в результате которых образуется направленный поток очень быстрых заряженных частиц (электронов, протонов и др.). Потоки заряженных частиц, несущихся
с огромной скоростью, изменяют магнитное поле Земли, то есть приводят
к появлению магнитных бурь на нашей планете.

Захваченные магнитным полем Земли заряженные частицы движутся
по спирали вдоль линий индукции магнитного поля и наиболее близко
к поверхности Земли проникают в областях магнитных полюсов Земли.
В результате столкновений заряженных частиц с молекулами воздуха возникает видимое электромагнитное излучение – полярное сияние.

Цвет полярного сияния определяется химическим составом атмосферы. На высотах от 300 до 500 км, где воздух разрежен, преобладает кислород. Цвет сияния здесь может быть зелёным или красноватым. Ниже преобладает азот, дающий сияние ярко-красного и фиолетового цвета.

Каким образом ученые определяют возраст археологических находок? Существуют различные методы, один из которых – метод радиоуглеродного анализа, когда возраст материалов определяется с помощью измерения содержания в них радиоактивного изотопа углерода C-14.

В атмосфере присутствуют три изотопа углерода: стабильные С-12 (около 98,89 %) и С-13 (около 1,11 %), а также микроскопическое количество радиоактивного изотопа С-14 (0,0000000001 %). Изотоп С-14 образуется
в процессе бомбардировки земной атмосферы космическими лучами
в результате следующей реакции:

В организмах всех живых существ соотношение изотопов С-12, С-13
и С-14 равно атмосферному соотношению этих изотопов и поддерживается скоростью их метаболизма. После того как организм умирает, прекращается обмен углеродом с внешней средой. Содержание изотопа углерода С-14
в организме начинает уменьшаться в результате радиоактивного распада:

Период полураспада изотопа С-14 составляет примерно 5730 лет. Это означает, что через 5730 лет в образце остаётся половина от первоначального количества С-14 (см. рисунок 1).