Электромагнитные поля и человек
Человек, как и всё живое, эволюционировал в тесной взаимосвязи с условиями окружающей среды. Мы уже обсудили, насколько тонко наше зрение и гормональная система настроены на состав солнечного света у поверхности Земли. Не менее удивительна наша связь с естественными электромагнитными полями. Но в современном мире эти поля почти полностью заглушены гораздо более сильными техногенными полями. Как это может отразиться на нашем здоровье? Об этом пойдёт разговор в третьей части книги.
Но сначала вкратце остановимся на некоторых физических законах, которым подчиняются все электромагнитные явления.
Глава 1Законы электромагнетизма
Роль электромагнитного взаимодействия в мире
Для начала хочется, чтобы вы прониклись уважением к электромагнитному взаимодействию, к этой фундаментальной силе природы.
Вся известная нам материя Вселенной построена из частиц, имеющих электрический заряд: протоны и нейтроны ядер сделаны из заряженных кварков; заряженные ядра, удерживающие вокруг себя заряженные электроны, образуют атомы. И хотя атомы сами по себе электронейтральны, их объединение в молекулы тоже связано с взаимодействием входящих в их состав зарядов. Благодаря электрическому притяжению молекул образуются жидкие и твёрдые вещества, то есть и мы с вами. Благодаря электрическому отталкиванию молекул вы не проваливаетесь сквозь землю или сквозь стул. Можно смело сказать: всё вещество видимого мира существует в привычных формах благодаря электрическим зарядам. Электрическое взаимодействие (правильнее сказать, электромагнитное, как мы поймём в дальнейшем) – это то фундаментальное взаимодействие, которое создаёт весь окружающий мир. Второе «слагаемое», формирующее мир, – это гравитация, соединяющая огромные массы вещества в космические тела. Но наши тела какое-то время могут существовать и без гравитации, а вот без электромагнитного взаимодействия – ни одного мгновения!
Что же такое электрический заряд? Мы до конца не понимаем этого. Можно только сказать, что это фундаментальное свойство, изначально присущее фундаментальным частицам материи, как им присуща масса. Благодаря этому свойству – заряду – частицы участвуют в электромагнитном взаимодействии, законы которого физикам хорошо известны. Благодаря массе частицы участвуют в гравитационном взаимодействии.
Несколько слов о фундаментальных частицах материи. Согласно современной теории микромира – так называемой Стандартной модели – к фундаментальным (то есть не составным частицам), помимо кварков и электронов, относятся не имеющие заряда нейтрино, а также два более массивных «двойника» электрона – мюон и таон. К тому же у каждой фундаментальной частицы есть своя античастица. Но для построения атомов хватает протонов с нейтронами (состоящими из самых лёгких кварков) и электронов. Остальные частицы рождаются в ядерных реакциях внутри атомов и внутри звёзд, а затем распадаются. Только легчайшие нейтрино живут сколь угодно долго и пронизывают всю Вселенную.
Заряды. Статическое электричество
Начнём с того, что есть заряд и антизаряд, но мы больше привыкли называть их положительным и отрицательным зарядами. При соединении равного количества заряда и антизаряда происходит их нейтрализация. Исторически сложилось так, что заряд электрона назвали отрицательным, а протона – положительным.
Одноименные заряды отталкиваются, а разноимённые – притягиваются, причём сила взаимодействия убывает обратно пропорционально квадрату расстояния между зарядами. Это закон Кулона. Математически он очень напоминает закон всемирного тяготения Ньютона. Но надо отметить, что электрическое взаимодействие гораздо мощнее гравитационного. К примеру, сила электрического отталкивания двух электронов больше силы их гравитационного притяжения на таком же расстоянии в 1043 раз! У такого числа и названия-то нет. Поэтому электрическое взаимодействие доминирует «в масштабах человека», а гравитационное взаимодействие становится заметным только при огромной массе хотя бы одного из тел.
Самое древнее, известное ещё древним грекам электрическое явление – электризация трением. При этом мизерная доля лёгких электронов переходит с одного тела на другое; тела заряжаются разноимённо и притягиваются друг к другу. Это явление называют также статическим электричеством. Кстати, не обязательно что-то специально натирать, статический заряд часто появляется без нашего желания: шагаешь по синтетическим коврам, съезжаешь с пластиковой горки, снимаешь синтетическую рубашку или шерстяной свитер, выходишь из автомобиля, наливаешь бензин из канистры – рождается статический заряд. А поднесёшь потом руку к батарее или к другому человеку, и вот вам микромолния, то есть электрический разряд – кратковременный ток через воздушный промежуток между телами. Разряд статического электричества для человека в принципе не представляет особой опасности. Но он неприятен. А иногда и пожароопасен. Так, при заправке автомобиля бензином из пластмассовой канистры могут воспламениться пары бензина.
Из-за статического электричества предметы притягивают к себе пыль. Протрешь мебель сухой тряпкой – пыль тут же вернётся. Надо проводить влажную уборку, она снимает статический заряд с поверхности, и предмет становится ненаэлектризован на некоторое время.
Электромагнитное поле
Заряды чувствуют друг друга на расстоянии благодаря электрическому полю – особой материальной среде, возникающей вокруг каждого заряда. Первым об этом заговорил Майкл Фарадей в 1830 году, а ещё на сто лет раньше – российский физик Рихман, тот самый, который был убит молнией во время изучения грозы.
Электрические поля пронизывают буквально всё вокруг: они внутри атомов, между молекулами. Они окружают заряженные тела. Электрическое поле создаётся и самим земным шаром (об этом подробнее в следующей главе).
А что такое магнитное поле? Оказывается, когда заряды движутся, между ними возникает дополнительное, гораздо более слабое, взаимодействие. Если одноимённые заряды движутся в одну сторону, то будет дополнительное притяжение, в противоположные стороны – отталкивание. Это дополнительное взаимодействие движущихся зарядов называют магнитным взаимодействием. А так как оно очень слабое по сравнению с электрическим, то заметить его можно, либо когда заряды движутся очень быстро (почти со скоростью света), либо когда их очень много, причём положительных и отрицательных примерно поровну. Так, упорядоченным движением электронов среди положительных ионов кристаллической решётки обусловлено магнитное взаимодействие проводов с током.
Движущийся заряд создаёт вокруг себя не только электрическое поле, но ещё и «довесок» к нему – магнитное поле. Это просто установившийся способ описывать единое явление: поле вокруг заряда – электромагнитное поле. Электрическое поле действует на любой заряд, магнитное – только на движущий заряд. Разделение единого поля на электрическую и магнитную составляющие – дань исторической традиции.
В дальнейшем нам понадобятся количественные характеристики полей. Величину электрического поля характеризует его напряжённость (Е), единицей её измерения является вольт на метр (В/м). У магнитного поля есть разные характеристики и разные единицы их измерения, но чтобы не запутаться, мы будем использовать для его описания в этой книге магнитную индукцию (В), единицей измерения которой является тесла (Тл).
Электрическая напряжённость Е = 1 В/м – это небольшая величина. Когда возникает пробой воздуха при статическом разряде, напряженность в месте искры достигает трёх миллионов вольт на метр.
А вот магнитная индукция В = 1 Тл – это очень сильное магнитное поле. Такая индукция характерна для сильных постоянных магнитов, применяемых в электродвигателях и генераторах. Магнитные поля от 1 до 3 Тл используются в медицине при МРТ (магнито-резонансной томографии).
Для понимания дальнейшего подчеркнём ещё раз: магнитное поле всегда возникает вокруг проводов с током. Все электрические приборы питаются током. Чем больше ток (то есть чем больше мощность, потребляемая электрическим прибором), тем более сильное магнитное поле он создаёт вокруг себя. Естественно, это поле с расстоянием убывает.
А откуда же берётся поле постоянных магнитов, ведь мы не пропускаем через них токи? Ещё Ампер в 1820 году догадался, что оно возникает от упорядоченных атомных микротоков, похожих на крохотные круговые виточки. Чтобы все микротоки были одинаково ориентированы, магнит надо намагнитить, поместив во внешнее магнитное поле. Способностью сильно намагничиваться обладают ферромагнетики: железо, кобальт, никель и редкоземельные металлы. При нагревании выше определённой температуры эти вещества теряют свои магнитные свойства.
Магнитное поле Земли, как предполагают, порождается круговым током, циркулирующим во внешнем жидком ядре из-за вращения Земли.
В наших телах тоже имеются свободные (способные куда угодно двигаться) заряды и токи. Носителями заряда являются нейроны, а в разных клетках организма и в крови присутствуют ионы металлов, в том числе железа. Все эти компоненты создают собственные электрические и магнитные поля, характерные для разных органов, и реагируют на внешние поля. Мы получаем информацию об электрической активности сердца с помощью электрокардиограмм, мозга – электроэнцефалограмм. Много информации о сердце и мозге могут дать магнитограммы.
Более ста лет физики не знали, что же представляет собой эта таинственная субстанция – электромагнитное поле, – хотя прекрасно изучили законы, которым оно подчиняется. В середине XX века квантовая электродинамика раскрыла тайну электромагнитного поля: оно состоит из «супа» виртуальных фотонов и виртуальных электронно-позитронных пар, непрерывно рождающихся и исчезающих в пространстве вокруг заряженной частицы.
Индукционные токи
Все знают, что для получения тока в цепи надо, чтобы в цепи присутствовал источник напряжения, например аккумулятор или батарейка. Но Фарадей обнаружил, что можно получить ток в проводящем контуре безо всяких источников! Надо только, чтобы магнитный поток через этот контур изменялся по любым причинам. А что такое магнитный поток? Это, грубо говоря, произведение магнитной индукции на площадь, ограниченную контуром. Но важна также и ориентация контура относительно магнитного поля. Чтобы магнитный поток изменялся, можно или менять само магнитное поле в месте нахождения контура, или поворачивать контур в неизменном магнитном поле. По этому принципу работает генератор переменного тока: рамку, состоящую из многих витков, вращают между полюсами магнита, или, наоборот, магнит вращают вокруг неподвижной рамки. В обоих случаях через витки рамки течёт ток – тот самый переменный ток, которым мы активно пользуемся. Такой ток, созданный путём изменения магнитного потока, называют индукционным. Чем быстрее изменяется магнитный поток, тем больше величина индукционного тока. Это суть закона электромагнитной индукции Фарадея.
Если линии магнитной индукции составляют угол α с направлением нормали к площадке S, то магнитный поток через эту площадку равен BS·cosα. Изменение магнитного потока в электрогенераторах достигается за счёт изменения угла α при вращении рамки.
Но каким образом изменяющееся магнитное поле заставляет двигаться электроны в неподвижном проводнике? Ведь на неподвижные (в среднем) заряды магнитные поля не действуют. Размышляя над этой загадкой, Максвелл пришёл к выводу: изменяющееся со временем магнитное поле порождает вихревое электрическое поле, то есть поле, линии напряженности которого замкнуты сами на себя. Оно-то и приводит в движение электроны в проводящем контуре, создавая индукционный (или вихревой) ток.
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.