18.03 Электромагнетизм

Любое железное или стальное тело, внесённое в поле магнита, намагничивается, то есть само становится постоянным магнитом. Ещё
в конце XVI в. английский физик Гильберт заметил, что все железные колонны, стоящие вертикально в Ирландии, сами по себе становятся магнитами, причём нижний их конец всегда является южным полюсом. Известно, что стальные корпуса кораблей во время постройки приобретают намагниченность за счёт магнитного поля Земли и становятся гигантскими плавающими магнитами.
Самопроизвольное намагничивание железных предметов в магнитном поле Земли было использовано в годы Великой Отечественной войны для устройства магнитных мин, которые устанавливались на некоторой глубине и взрывались при прохождении над ними корабля. Механизм, заставляющий мину всплывать и взрываться, приходил в действие, когда магнитная стрелка, вращающаяся вокруг горизонтальной оси, поворачивалась под влиянием магнитного поля проходящего над миной железного корабля, который всегда оказывается самопроизвольно намагниченным.
Исследовательская группа под руководством И.В. Курчатова придумала, как обезвредить магнитную мину. Применялось два способа: магнитное траление этих мин и нейтрализация магнитного поля корабля.
Первый способ заключался в том, что самолёт, летящий низко над поверхностью моря, проносил над этим участком подвешенный к нему на тросах сильный магнит (или электромагнит). Под влиянием поля магнита или магнитного поля тока механизмы всех мин приходили в действие, и мины взрывались, не причиняя вреда.
Второй способ состоял в том, что на самом корабле укреплялись петли из изолированного провода и по ним пропускались токи с таким расчётом, чтобы магнитное поле этих токов было равно по величине и противоположно по направлению полю намагниченного корабля. Оба поля, складываясь, компенсировали друг друга, и корабль свободно проходил над магнитной миной, не приводя в действие её механизм.

В 1600 году была напечатана книга Вильяма Гильберта «О магните», которая содержит много опытов по магнетизму. 

Гильберт выдвинул гипотезу, что наша Земля — большой круглый магнит, причём он полагал, что географические полюсы почти совпадают с магнитными. Гильберт вырезал из природного магнита шар так, чтобы в нём получились полюсы в двух диаметрально противоположных точках. Этот шарообразный магнит он назвал тереллой, то есть маленькой Землёй. Приближая к ней подвижную магнитную стрелку, можно наглядно показать, как меняются положения магнитной стрелки, которые она принимает в различных точках земной поверхности: на экваторе стрелка расположена параллельно плоскости горизонта, на полюсе — перпендикулярно плоскости горизонта (рис. 1). Угол, на который отклоняется магнитная стрелка в вертикальной плоскости от плоскости горизонта, называется углом наклонения.

На рисунке 2 схематично изображены магнитные линии Земли. На экваторе магнитная индукция составляет примерно 30 мкТл, на географической широте 50^о -- примерно 50 мкТл.

В своей работе Гильберт рассмотрел также различные способы намагничивания железа. Рассмотрим опыт, обнаруживающий «магнетизм через влияние». Подвесим на нитках две железные полоски параллельно друг другу и будем медленно подносить к ним большой постоянный магнит. При этом нижние концы полосок расходятся, так как намагничиваются одинаково (рис. 3а). При дальнейшем приближении магнита нижние концы полосок несколько сходятся, так как притяжение полосок к магниту становится больше, чем отталкивание полосок друг от друга (рис. 3б).

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

Для осуществления процессов контактной точечной сварки первоначально использовались специальные клещи с угольными электродами, к которым подводился электрический ток. Затем две сложенные одна на другую стальные пластины зажимались клещами, а ток, подведённый к угольным электродам, проходя через металл, давал достаточное количество теплоты для образования сварной точки.

В 1886 году Э. Томсон запатентовал принципиально новый способ электрической сварки, описываемый следующим образом: «Свариваемые предметы приводятся в соприкосновение местами, которые должны быть сварены, и через них пропускается ток громадной силы – до 200 000 А при низком напряжении — 1-2 В. Место соприкосновения представит току наибольшее сопротивление и потому сильно нагреется. Если в этот момент начать сжимать свариваемые части и проковывать место сварки, то после охлаждения предметы окажутся хорошо сваренными».

Схема такой сварки изображена на рисунке. Практически всё сопротивление- цепи сосредоточено в месте контакта свариваемых деталей (материал деталей имеет большое удельное сопротивление, и, дополнительно, касание происходит в отдельных точках поверхности).

В конце XIX века стыковая контактная сварка применялась для соединения телеграфных проводов. В своих дальнейших исследованиях Э. Томсон стал комбинировать нагрев электрическим током с пластическими деформациями, возможными благодаря применению гидравлических систем сжатия. К началу XX века относятся сообщения о применении контактной сварки для изготовления самолётных двигателей.

Такое свойство грунта, как его промерзание, — важный фактор, который следует учитывать при возведении нового
\nжилого или промышленного объекта. Скорость и глубина промерзания грунта зависят от многих составляющих: от
\nтипа породы (см. таблицу); природной влажности; значений отрицательных температур; наличия снегового покроя
\nи др. Знание этого показателя необходимо, если вы хотите возвести прочный и долговечный фундамент для дома,
\nпостроить зимний водопровод.

\n\n\n\t\n\t\t\n\t\t\t\n\t\t\t\n\t\t\n\t\t\n\t\t\t\n\t\t\t\n\t\t\t\n\t\t\n\t\t\n\t\t\t\n\t\t\t\n\t\t\t\n\t\t\t\n\t\t\n\t\t\n\t\t\t\n\t\t\t\n\t\t\t\n\t\t\t\n\t\t\n\t\t\n\t\t\t\n\t\t\t\n\t\t\t\n\t\t\t\n\t\t\n\t\t\n\t\t\t\n\t\t\t\n\t\t\t\n\t\t\t\n\t\t\n\t\t\n\t\t\t\n\t\t\t\n\t\t\t\n\t\t\t\n\t\t\n\t\t\n\t\t\t\n\t\t\t\n\t\t\t\n\t\t\t\n\t\t\n\t\n

\n\n

Для функционирования водопровода в зимнее время трубы укладывают в грунт ниже уровня промерзания земли.
\nТрубы, как правило, утенляют полипропиленовыми чехлами. Однако всегда существует участок водопровода, под-
\nводящий воду непосредственно в дом и нуждающийся в дополнительной защите от промерзания. Одним из решений
\nв этом случае является использование па этом участке водопровода специального кабеля, который помещается в
\nтрубу и подогревает на этом участке воду.
\nСаморегулирующий греющий кабель — разновидность нагревательных проводников, которые способны самостоя-
\nтельно изменять выделение тепла в зависимости от температуры окружающей среды. Устройство саморегулирую-
\nщего проводника представлено на рисунке 1

\n\n

\n\n

Основным устройством в конструкции является нагревательная проводящая матрица. Отдельные участки (нагре-
\nвательные элементы) матрицы подсоединяются параллельно к токопроводящим медным проводникам, которые,
\nв свою очередь, подключены к внешнему источнику тока. Принцип работы полимерной матрицы заключается в
\nследующем: при уменьшении температуры на любом участке матрицы электрическое сопротивление уменьшается.
\nПотребляемая мощность при этом увеличивается, и элемент нагревается до более высокой температуры. И наоборот,
\nпри нагревании матрицы потребляемая мощность начинает снижаться. Таким образом достигается терморегуляция
\n(рис. 2)

\n\n

\n\n

Слои изоляции, защитной экранирующей оплётки, внешней оболочки выполняют функции термозащиты, а также
\nзащиты от механических и электромагнитных внешних воздействий.

\n

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!

Атмосферное электричество образуется и концентрируется в облаках -- образованиях из мелких частиц воды, находящейся в жидком или твёрдом состоянии. 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 опускаются 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 искровых разрядов (молний) как внутри облака, так и между облаком и поверхностью Земли.

Гром возникает вследствие резкого расширения воздуха при быстром повышении температуры в канале разряда молнии. Вспышку молнии мы видим практически одновременно с разрядом, так как скорость распространения света очень велика ($3*10⁸ м/с). Разряд молнии длится всего 0,1–0,2 с. Звук распространяется значительно медленнее. В воздухе его скорость равна примерно 330 м/с. Чем дальше от нас произошёл разряд молнии, тем длиннее пауза между вспышкой света и громом. Гром от очень далёких молний вообще не доходит: звуковая энергия рассеивается и поглощается по пути. Такие молнии называют зарницами. Как правило, гром слышен на расстоянии до 15–20 километров; таким образом, если наблюдатель видит молнию, но не слышит грома, то гроза находится на расстоянии более 20 километров.

Гром, сопровождающий молнию, может длиться в течение нескольких секунд. Существует две причины, объясняющие, почему вслед за короткой молнией слышатся более или менее долгие раскаты грома. Во-первых, молния имеет очень большую длину (она измеряется километрами), поэтому звук от разных её участков доходит до наблюдателя в разные моменты времени. Во-вторых, происходит отражение звука от облаков и туч -- возникает эхо. Отражением звука от облаков объясняется происходящее иногда усиление громкости звука в конце громовых раскатов.

Каким образом ученые определяют возраст археологических находок? Существуют различные методы датирования. Одним из них является метод радиоизотопного датирования. 

\n\n

Радиоизотопные датирование - метод, при котором проводится подсчёт количества изотопов, которые успели распасться за период существования исследуемого образца. Этот метод используется не только в археологии, но и в палеонтологии и геологии.

\n\n

Радиоуглеродный анализ является одни из видов радиоактивного датирования, когда возраст материалов определяется с помощью измерения содержания в них радиоактивного изотопа углерода ¹⁴С 

\n\n

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

\n\n

\n\n

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

\n\n

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

\n\n

\n

\n

В осветительных приборах используют люминесцентные лампы, которые хотя и стоят дороже, чем лампы накаливания, но при той же яркости света потребляют меньше электроэнергии.

Внутренняя поверхность люминесцентных ламп покрыта люминофором — веществом, которое не только отражает часть падающего на них света, но и само начинает светиться. Такое свечение называют фотолюминесценцией. Свет люминесценции зависит от состава люминофора и имеет иной спектральный состав, чем свет, вызвавший свечение. Наблюдения показывают, что свет люминесценции характеризуется большей длиной волны, чем возбуждающий свет.

Принцип работы люминесцентной лампы приведён на рисунке 1.

Люминесцентные лампы относятся к особо опасной категории отходов из-за наличия в них паров ртути, которая относится к отравляющим веществам. Повреждённые или использованные люминесцентные лампы нельзя выбрасывать в бытовые контейнеры для мусора, для утилизации этих ламп существует специальное оборудование.

На рисунке 2 представлены спектры излучения для люминесцентной лампы в сравнении с солнечным спектром и лампой накаливания.

В середине XIX века немецкий стеклодув Генрих Гейслер сумел создать хороший вакуум в выдувной стеклянной
трубке с электродами на обоих концах. Проводя опыты с такими трубками, учёные заметили, что иногда само
стекло светилось бледно-голубым или зелёным светом вокруг анода — положительного полюса трубки. Было
выдвинуто предположение, что свечение создаётся лучами, идущими, от катода – отрицательного полюса —- к
аноду, и поэтому они были названы катодными лучами. В 1870-х годах для изучения этих лучей английский
физик Уильям Крукс разработал трубку, позже названную электронной трубкой. С её помощью учёные проводили
множество экспериментов, желая выяснить, что представляют собой эти лучи.
К концу 1880-х годов дискуссия о природе катодных лучей приняла острый полемический характер. Подавляющее
6ольшинство видных учёных немецкой школы придерживалось мнения, что катодные лучи имеют ту же природу,
что и световые лучи. В Англии же придерживались мнения, что катодные лучи состоят из ионизированных
молекул или атомов газа. У каждой стороны имелись веские доказательства в пользу своей гипотезы. Сторонники
молекулярной гипотезы справедливо указывали на тот факт, что катодные лучи отклоняются под воздействием
магнитного поля, в то время как на световые лучи магнитное поле никак не воздействует. Следовательно, они
состоят из заряженных частиц. Однако сторонники корпускулярной гипотезы никак не могли объяснить ряда
явлений, в частности обнаруженного в 1892 году эффекта практически беспрепятственного прохождения катодных
лучей через тонкую алюминиевую фольгу.
Наконец, в 1897 году молодой английский физик Дж. Дж. Томсон положил конец этим спорам раз и навсегда,
а заодно прославился в веках как первооткрыватель электрона. В своём опыте Томсон использовал усовершен-
ствованную катодно- лучевую трубку, конструкция которой была дополнена катушками с электрическим током,
создававшими внутри трубки магнитное поле, и набором параллельных электрически заряженных конденсаторных
пластин, создававших внутри трубки электрическое поле (см. рисунок). Благодаря этому появилась возможность
исследовать поведение катодных лучей под воздействием и магнитного, и электрического полей.

Используя трубку новой конструкции, Томсон последовательно показал, что катодные лучи ведут себя как поток
заряженных частиц: отклоняются в магнитном поле в отсутствие электрического; отклоняются в электрическом поле
в отсутствие магнитного (пунктирные линии 1 или 2 на рисунке); при одновременном действии электрического и
магнитного полей сбалансированной интенсивности, ориентированных в направлениях, вызывающих по отдельности
отклонения в противоположные стороны, катодные лучи распространяются прямолинейно, т. е. действие двух полей
взаимно уравновешивается (пунктирная линия 3 на рисунке).
Неизвестные частицы Томсон назвал корпускулами, но вскоре они стали называться электронами. Сразу же стало
ясно, что электроны обязаны существовать в составе атомов анода — иначе откуда бы они взялись. 30 апреля 1897
года — дата доклада Томсоном полученных им результатов на заседании Лондонского королевского общества —
считается днём рождения электрона.

Такое свойство грунта, как его промерзание, — важный фактор, который следует учитывать при возведении нового
\nжилого или промышленного объекта. Скорость и глубина промерзания грунта зависят от многих составляющих: от
\nтипа породы (см. таблицу); природной влажности; значений отрицательных температур; наличия снегового покроя
\nи др. Знание этого показателя необходимо, если вы хотите возвести прочный и долговечный фундамент для дома,
\nпостроить зимний водопровод.

\n\n\n\t\n\t\t\n\t\t\t\n\t\t\t\n\t\t\n\t\t\n\t\t\t\n\t\t\t\n\t\t\t\n\t\t\n\t\t\n\t\t\t\n\t\t\t\n\t\t\t\n\t\t\t\n\t\t\n\t\t\n\t\t\t\n\t\t\t\n\t\t\t\n\t\t\t\n\t\t\n\t\t\n\t\t\t\n\t\t\t\n\t\t\t\n\t\t\t\n\t\t\n\t\t\n\t\t\t\n\t\t\t\n\t\t\t\n\t\t\t\n\t\t\n\t\t\n\t\t\t\n\t\t\t\n\t\t\t\n\t\t\t\n\t\t\n\t\t\n\t\t\t\n\t\t\t\n\t\t\t\n\t\t\t\n\t\t\n\t\n

\n\n

Для функционирования водопровода в зимнее время трубы укладывают в грунт ниже уровня промерзания земли.
\nТрубы, как правило, утенляют полипропиленовыми чехлами. Однако всегда существует участок водопровода, под-
\nводящий воду непосредственно в дом и нуждающийся в дополнительной защите от промерзания. Одним из решений
\nв этом случае является использование па этом участке водопровода специального кабеля, который помещается в
\nтрубу и подогревает на этом участке воду.
\nСаморегулирующий греющий кабель — разновидность нагревательных проводников, которые способны самостоя-
\nтельно изменять выделение тепла в зависимости от температуры окружающей среды. Устройство саморегулирую-
\nщего проводника представлено на рисунке 1

\n\n

\n\n

Основным устройством в конструкции является нагревательная проводящая матрица. Отдельные участки (нагре-
\nвательные элементы) матрицы подсоединяются параллельно к токопроводящим медным проводникам, которые,
\nв свою очередь, подключены к внешнему источнику тока. Принцип работы полимерной матрицы заключается в
\nследующем: при уменьшении температуры на любом участке матрицы электрическое сопротивление уменьшается.
\nПотребляемая мощность при этом увеличивается, и элемент нагревается до более высокой температуры. И наоборот,
\nпри нагревании матрицы потребляемая мощность начинает снижаться. Таким образом достигается терморегуляция
\n(рис. 2)

\n\n

\n\n

Слои изоляции, защитной экранирующей оплётки, внешней оболочки выполняют функции термозащиты, а также
\nзащиты от механических и электромагнитных внешних воздействий.

\n

Одним из важнейших способов качественной идентификации веществ является масс-спектроскопия. Схема масс-спектрографа, позволяющего разделить различные ионы по величине отношения их заряда к массе, представлена на рисунке.

Исследуемый образец специальными методами (испарением, электронным ударом) переводится в газообразное состояние, затем образовавшийся газ ионизируется в источнике 1. Затем ионы ускоряются электрическим полем и формируются в узкий пучок в ускоряющем устройстве 2, после чего через узкую входную щель попадают в камеру 3,
в которой создано однородное магнитное поле. Магнитное поле изменяет траекторию движения заряженных частиц. Под действием силы Лоренца ионы начинают двигаться по дуге окружности и попадают на экран 4, где регистрируется место их попадания. Методы регистрации могут быть различными: фотографическими, электронными и т.д.

Радиус траектории определяется по формуле

где U –– электрическое напряжение ускоряющего электрического поля;

В –– индукция магнитного поля;

m и q –– соответственно масса и заряд частицы.

Так как радиус траектории зависит от массы и заряда иона, то разные ионы попадают на экран на различном расстоянии от источника, что
и позволяет их разделять и анализировать состав образца.

В настоящее время разработаны многочисленные типы масс-спектрометров, принципы работы которых отличаются от рассмотренного выше. Изготавливаются, например, динамические масс-спектрометры,
в которых массы исследуемых ионов определяются по времени пролёта от источника до регистрирующего устройства.

Рассмотрим цепь, составленную из проводников, изготовленных из разных металлов (см. рисунок). Если места спаев металлов находятся при одной температуре, то тока в цепи не наблюдается. Положение станет совершенно иным, если мы нагреем 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.

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, а всякую комбинацию проводников из разных металлов, образующих замкнутую цепь, называют термоэлементом.

Важным применением металлических термоэлементов является их использование для измерения температуры. Термоэлементы, используемые для измерения температуры (так называемые термопары), обладают перед обычными жидкостными термометрами рядом преимуществ: термопары можно использовать для измерения как очень высоких (до 2000 °С), так
и очень низких температур. Помимо этого, термопары дают более высокую точность измерения температуры и гораздо быстрее реагируют на изменение температуры.

Электрическая природа молнии была раскрыта в исследованиях американского физика Б. Франклина, по идее которого был проведён опыт по извлечению электричества из грозового облака. В 1750 г. он опубликовал работу, в которой описал эксперимент с использованием воздушного змея, запущенного в грозу. Франклин запустил змея в грозовое облако и обнаружил, что змей собирает электрический заряд.

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. 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 опускаются 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 искровых разрядов (молний) как внутри облака, так и между облаком и поверхностью Земли.

Гром возникает вследствие резкого расширения воздуха при быстром повышении температуры в канале разряда молнии. Вспышку молнии мы видим практически одновременно с разрядом, так как скорость распространения света очень велика ($3*10⁸ м/с). Разряд молнии длится всего 0,1–0,2 с. Звук распространяется значительно медленнее. В воздухе его скорость равна примерно 330 м/с. Чем дальше от нас произошёл разряд молнии, тем длиннее пауза между вспышкой света и громом. Гром от очень далёких молний вообще не доходит: звуковая энергия рассеивается и поглощается по пути. Такие молнии называют зарницами. Как правило, гром слышен на расстоянии до 15–20 километров; таким образом, если наблюдатель видит молнию, но не слышит грома, то гроза находится на расстоянии более 20 километров.

Гром, сопровождающий молнию, может длиться в течение нескольких секунд. Существует две причины, объясняющие, почему вслед за короткой молнией слышатся более или менее долгие раскаты грома. Во-первых, молния имеет очень большую длину (она измеряется километрами), поэтому звук от разных её участков доходит до наблюдателя в разные моменты времени. Во-вторых, происходит отражение звука от облаков и туч -- возникает эхо. Отражением звука от облаков объясняется происходящее иногда усиление громкости звука в конце громовых раскатов.

В 1600 году была напечатана книга Вильяма Гильберта «О магните», которая содержит много опытов по магнетизму. 

Гильберт выдвинул гипотезу, что наша Земля — большой круглый магнит, причём он полагал, что географические полюсы почти совпадают с магнитными. Гильберт вырезал из природного магнита шар так, чтобы в нём получились полюсы в двух диаметрально противоположных точках. Этот шарообразный магнит он назвал тереллой, то есть маленькой Землёй. Приближая к ней подвижную магнитную стрелку, можно наглядно показать, как меняются положения магнитной стрелки, которые она принимает в различных точках земной поверхности: на экваторе стрелка расположена параллельно плоскости горизонта, на полюсе — перпендикулярно плоскости горизонта (рис. 1). Угол, на который отклоняется магнитная стрелка в вертикальной плоскости от плоскости горизонта, называется углом наклонения.

На рисунке 2 схематично изображены магнитные линии Земли. На экваторе магнитная индукция составляет примерно 30 мкТл, на географической широте 50^о -- примерно 50 мкТл.

В своей работе Гильберт рассмотрел также различные способы намагничивания железа. Рассмотрим опыт, обнаруживающий «магнетизм через влияние». Подвесим на нитках две железные полоски параллельно друг другу и будем медленно подносить к ним большой постоянный магнит. При этом нижние концы полосок расходятся, так как намагничиваются одинаково (рис. 3а). При дальнейшем приближении магнита нижние концы полосок несколько сходятся, так как притяжение полосок к магниту становится больше, чем отталкивание полосок друг от друга (рис. 3б).

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

Рентгеновские лучи были открыты в 1895 г. немецким физиком Вильгельмом Рентгеном. Рентген заметил, что при торможении быстрых электронов на любых препятствиях возникает сильно проникающее излучение, которое учёный назвал Х-лучами (в дальнейшем за ними утвердится термин «рентгеновские лучи»). Когда Рентген держал руку между трубкой и экраном, то на экране были видны тёмные тени костей на фоне более светлых очертаний всей кисти руки.

Схема современной рентгеновской трубки для получения Х-лучей представлена на рисунке. Катод 1 представляет собой подогреваемую вольфрамовую спираль, испускающую электроны. Поток электронов фокусируется с помощью цилиндра 3, а затем соударяется с металлическим электродом (анодом) 2. При ударе электроны пучка резко тормозятся, и возникают рентгеновские лучи. Напряжение между анодом и катодом достигает нескольких десятков киловольт. В трубке создаётся глубокий вакуум; давление газа в ней не превышает 10^–5 мм рт. ст.

Согласно проведённым исследованиям рентгеновские лучи действовали на фотопластинку, вызывали ионизацию воздуха, не взаимодействовали с электрическими и магнитными полями. Сразу же возникло предположение, что рентгеновские лучи – это электромагнитные волны, которые в отличие от световых лучей видимого участка спектра и ультрафиолетовых лучей имеют гораздо меньшую длину волны. Но если рентгеновское излучение представляет собой электромагнитные волны, то оно должно обнаруживать дифракцию – явление, присущее всем видам волн. Дифракцию рентгеновских волн удалось наблюдать на кристаллах. Кристалл с его периодической структурой и есть то «устройство», которое неизбежно должно вызвать заметную дифракцию рентгеновских волн, так как длина этих волн близка к периоду кристаллической решётки, который, в свою очередь, сопоставим с размерами атомов.

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.

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.