Элек­три­че­ская дуга  — это один из видов га­зо­во­го раз­ря­да. По­лу­чить ее можно сле­ду­ю­щим об­ра­зом. В шта­ти­ве за­креп­ля­ют два уголь­ных стерж­ня за­ост­рен­ны­ми кон­ца­ми друг к другу и при­со­еди­ня­ют к ис­точ­ни­ку тока. Когда угли при­во­дят в со­при­кос­но­ве­ние, а затем слег­ка раз­дви­га­ют, между кон­ца­ми углей об­ра­зу­ет­ся яркое пламя, а сами угли рас­ка­ля­ют­ся до­бе­ла. Дуга горит устой­чи­во, если через нее про­хо­дит по­сто­ян­ный элек­три­че­ский ток. В этом слу­чае один элек­трод яв­ля­ет­ся все время по­ло­жи­тель­ным (анод), а дру­гой  — от­ри­ца­тель­ным (катод). Между элек­тро­да­ми на­хо­дит­ся столб рас­ка­лен­но­го газа, хо­ро­шо про­во­дя­ще­го элек­три­че­ство. По­ло­жи­тель­ный уголь, имея более вы­со­кую тем­пе­ра­ту­ру, сго­ра­ет быст­рее, и в нем об­ра­зу­ет­ся углуб­ле­ние  — по­ло­жи­тель­ный кра­тер. Тем­пе­ра­ту­ра кра­те­ра в воз­ду­хе при ат­мо­сфер­ном дав­ле­нии до­хо­дит до 4000 °C.

Дуга может го­реть и между ме­тал­ли­че­ски­ми элек­тро­да­ми. При этом элек­тро­ды пла­вят­ся и быст­ро ис­па­ря­ют­ся, на что рас­хо­ду­ет­ся боль­шая энер­гия. По­это­му тем­пе­ра­ту­ра кра­те­ра ме­тал­ли­че­ско­го элек­тро­да обыч­но ниже, чем уголь­но­го (2000−2500 °C). При го­ре­нии дуги в газе при вы­со­ком дав­ле­нии (около 2·10⁶ Па) тем­пе­ра­ту­ру кра­те­ра уда­лось до­ве­сти до 5900 °C, т. е. до тем­пе­ра­ту­ры по­верх­но­сти Солн­ца. Столб газов или паров, через ко­то­рые идет раз­ряд, имеет еще более вы­со­кую тем­пе­ра­ту­ру  — до 6000−7000 °C. По­это­му в стол­бе дуги пла­вят­ся и об­ра­ща­ют­ся в пар почти все из­вест­ные ве­ще­ства.

Для под­дер­жа­ния ду­го­во­го раз­ря­да нужно не­боль­шое на­пря­же­ние, дуга горит при на­пря­же­нии на ее элек­тро­дах 40 В. Сила тока в дуге до­воль­но зна­чи­тель­на, а со­про­тив­ле­ние не­ве­ли­ко; сле­до­ва­тель­но, све­тя­щий­ся га­зо­вый столб хо­ро­шо про­во­дит элек­три­че­ский ток. Иони­за­цию мо­ле­кул газа в про­стран­стве между элек­тро­да­ми вы­зы­ва­ют сво­и­ми уда­ра­ми элек­тро­ны, ис­пус­ка­е­мые ка­то­дом дуги. Боль­шое ко­ли­че­ство ис­пус­ка­е­мых элек­тро­нов обес­пе­чи­ва­ет­ся тем, что катод на­грет до очень вы­со­кой тем­пе­ра­ту­ры. Когда для за­жи­га­ния дуги вна­ча­ле угли при­во­дят в со­при­кос­но­ве­ние, то в месте кон­так­та, об­ла­да­ю­щем очень боль­шим со­про­тив­ле­ни­ем, вы­де­ля­ет­ся огром­ное ко­ли­че­ство теп­ло­ты. По­это­му концы углей силь­но разо­гре­ва­ют­ся, и этого до­ста­точ­но для того, чтобы при их раз­дви­же­нии между ними вспых­ну­ла дуга. В даль­ней­шем катод дуги под­дер­жи­ва­ет­ся в на­ка­лен­ном со­сто­я­нии самим током, про­хо­дя­щим через дугу.

Масс-спек­тро­граф  — это при­бор для раз­де­ле­ния ионов по ве­ли­чи­не от­но­ше­ния их за­ря­да к массе. В самой про­стой мо­ди­фи­ка­ции схема при­бо­ра 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 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: фо­то­гра­фи­че­ские, элек­трон­ные и т. д. Ра­ди­ус тра­ек­то­рии опре­де­ля­ет­ся по фор­му­ле:

где U  — элек­три­че­ское на­пря­же­ние уско­ря­ю­ще­го элек­три­че­ско­го поля; B  — 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 про­ле­та от ис­точ­ни­ка до ре­ги­стри­ру­ю­ще­го устрой­ства.

По­ляр­ное си­я­ние  — одно из самых кра­си­вых яв­ле­ний в при­ро­де. Формы по­ляр­но­го си­я­ния очень раз­но­об­раз­ны: то это свое­об­раз­ные свет­лые стол­бы, то изу­мруд­но-зе­ле­ные с крас­ной ба­хро­мой пы­ла­ю­щие длин­ные ленты, рас­хо­дя­щи­е­ся мно­го­чис­лен­ные лучи-стре­лы, а то и про­сто бес­фор­мен­ные свет­лые, ино­гда цвет­ные пятна на небе.

При­чуд­ли­вый свет на небе свер­ка­ет, как пламя, охва­ты­вая порой боль­ше чем пол­не­ба. Эта фан­та­сти­че­ская игра при­род­ных сил длит­ся не­сколь­ко часов, то уга­сая, то раз­го­ра­ясь.

По­ляр­ные си­я­ния чаще всего на­блю­да­ют­ся в при­по­ляр­ных ре­ги­о­нах, от­ку­да и про­ис­хо­дит это на­зва­ние. По­ляр­ные си­я­ния могут быть видны не толь­ко на да­ле­ком Се­ве­ре, но и южнее. На­при­мер, в 1938 году по­ляр­ное си­я­ние на­блю­да­лось на южном бе­ре­гу Крыма, что объ­яс­ня­ет­ся уве­ли­че­ни­ем мощ­но­сти воз­бу­ди­те­ля све­че­ния  — сол­неч­но­го ветра.

На­ча­ло изу­че­нию по­ляр­ных си­я­ний по­ло­жил ве­ли­кий рус­ский уче­ный М. В. Ло­мо­но­сов, вы­ска­зав­ший ги­по­те­зу о том, что при­чи­ной этого яв­ле­ния слу­жат элек­три­че­ские раз­ря­ды в раз­ре­жен­ном воз­ду­хе.

Опыты под­твер­ди­ли на­уч­ное пред­по­ло­же­ние уче­но­го.

По­ляр­ные си­я­ния  — это элек­три­че­ское све­че­ние верх­них очень раз­ре­жен­ных слоев ат­мо­сфе­ры на вы­со­те (обыч­но) от 80 до 1000 км. Све­че­ние это про­ис­хо­дит под вли­я­ни­ем быст­ро дви­жу­щих­ся элек­три­че­ски за­ря­жен­ных ча­стиц (элек­тро­нов и про­то­нов), при­хо­дя­щих от Солн­ца. Вза­и­мо­дей­ствие сол­неч­но­го ветра с маг­нит­ным полем Земли при­во­дит к по­вы­шен­ной кон­цен­тра­ции за­ря­жен­ных ча­стиц в зонах, окру­жа­ю­щих гео­маг­нит­ные по­лю­са Земли. Имен­но в этих зонах и на­блю­да­ет­ся наи­боль­шая ак­тив­ность по­ляр­ных си­я­ний.

Столк­но­ве­ния быст­рых элек­тро­нов и про­то­нов с ато­ма­ми кис­ло­ро­да и азота при­во­дят атомы в воз­буж­ден­ное со­сто­я­ние. Вы­де­ляя из­бы­ток энер­гии, атомы кис­ло­ро­да дают яркое из­лу­че­ние в зе­ле­ной и крас­ной об­ла­стях спек­тра, мо­ле­ку­лы азота  — в фи­о­ле­то­вой. Со­че­та­ние всех этих из­лу­че­ний и при­да­ет по­ляр­ным си­я­ни­ям кра­си­вую, часто ме­ня­ю­щу­ю­ся окрас­ку. Такие про­цес­сы могут про­ис­хо­дить толь­ко в верх­них слоях ат­мо­сфе­ры, по­то­му что, во-пер­вых, в ниж­них плот­ных слоях столк­но­ве­ния ато­мов и мо­ле­кул воз­ду­ха друг с дру­гом сразу от­ни­ма­ют у них энер­гию, по­лу­ча­е­мую от сол­неч­ных ча­стиц, а во-вто­рых, сами кос­ми­че­ские ча­сти­цы не могут про­ник­нуть глу­бо­ко в зем­ную ат­мо­сфе­ру.

По­ляр­ные си­я­ния про­ис­хо­дят чаще и бы­ва­ют ярче в годы мак­си­му­ма сол­неч­ной ак­тив­но­сти, а также в дни по­яв­ле­ния на Солн­це мощ­ных вспы­шек и дру­гих форм уси­ле­ния сол­неч­ной ак­тив­но­сти, так как с ее по­вы­ше­ни­ем уси­ли­ва­ет­ся ин­тен­сив­ность сол­неч­но­го ветра, ко­то­рый яв­ля­ет­ся при­чи­ной воз­ник­но­ве­ния по­ляр­ных си­я­ний.

Кра­си­вое и не­без­опас­ное яв­ле­ние при­ро­ды — мол­ния — пред­став­ля­ет собой ис­кро­вой раз­ряд в ат­мо­сфе­ре.

Уже в се­ре­ди­не XVIII в. ис­сле­до­ва­те­ли об­ра­ти­ли вни­ма­ние на внеш­нее сход­ство мол­нии с элек­три­че­ской ис­крой. Вы­ска­зы­ва­лось пред­по­ло­же­ние, что гро­зо­вые об­ла­ка несут в себе боль­шие элек­три­че­ские за­ря­ды и мол­ния есть ги­гант­ская искра, ничем, кроме раз­ме­ров, не от­ли­ча­ю­ща­я­ся от искры между ша­ра­ми элек­тро­фор­ной ма­ши­ны. На это ука­зы­вал М. В. Ло­мо­но­сов, за­ни­мав­ший­ся изу­че­ни­ем ат­мо­сфер­но­го элек­три­че­ства.

Ло­мо­но­сов по­стро­ил «гро­мо­вую ма­ши­ну» — кон­ден­са­тор, на­хо­див­ший­ся в его ла­бо­ра­то­рии и за­ря­жав­ший­ся ат­мо­сфер­ным элек­три­че­ством по­сред­ством про­во­да, конец ко­то­ро­го был вы­ве­ден из по­ме­ще­ния и под­нят на вы­со­ком шесте. Во время грозы из кон­ден­са­то­ра можно было из­вле­кать искры. Таким об­ра­зом, было по­ка­за­но, что гро­зо­вые об­ла­ка дей­стви­тель­но несут на себе огром­ный элек­три­че­ский заряд.

Раз­ные части гро­зо­во­го об­ла­ка несут за­ря­ды раз­ных зна­ков. Чаще всего ниж­няя часть об­ла­ка (об­ра­щен­ная к Земле) бы­ва­ет за­ря­же­на от­ри­ца­тель­но, а верх­няя — по­ло­жи­тель­но. По­это­му если два об­ла­ка сбли­жа­ют­ся раз­но­имен­но за­ря­жен­ны­ми ча­стя­ми, то между ними про­ска­ки­ва­ет мол­ния.

Од­на­ко гро­зо­вой раз­ряд может про­изой­ти и иначе. Про­хо­дя над Зем­лей, гро­зо­вое об­ла­ко со­зда­ет на ее по­верх­но­сти боль­шой ин­ду­ци­ро­ван­ный заряд, и по­это­му об­ла­ко и по­верх­ность Земли об­ра­зу­ют две об­клад­ки боль­шо­го кон­ден­са­то­ра. На­пря­же­ние между об­ла­ком и Зем­лей до­сти­га­ет не­сколь­ких мил­ли­о­нов вольт, и в воз­ду­хе воз­ни­ка­ет силь­ное элек­три­че­ское поле. В ре­зуль­та­те может про­изой­ти про­бой, т. е. мол­ния, ко­то­рая уда­рит в землю. При этом мол­ния ино­гда по­ра­жа­ет людей, дома, де­ре­вья.

Гром, воз­ни­ка­ю­щий после мол­нии, имеет такое же про­ис­хож­де­ние, что и треск при про­ска­ки­ва­нии искры. Он по­яв­ля­ет­ся из-за того, что воз­дух внут­ри ка­на­ла мол­нии силь­но разо­гре­ва­ет­ся и рас­ши­ря­ет­ся, от­че­го и воз­ни­ка­ют зву­ко­вые волны. Эти волны, от­ра­жа­ясь от об­ла­ков, гор и дру­гих объ­ек­тов, со­зда­ют дли­тель­ное мно­го­крат­ное эхо, по­это­му и слыш­ны гро­мо­вые рас­ка­ты.

В пе­ри­од ак­тив­но­сти на Солн­це на­блю­да­ют­ся вспыш­ки. Вспыш­ка пред­став­ля­ет собой нечто по­доб­ное взры­ву, в ре­зуль­та­те 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 вдоль маг­нит­ных си­ло­вых линий и наи­бо­лее близ­ко к по­верх­но­сти Земли про­ни­ка­ют в об­ла­сти маг­нит­ных по­лю­сов Земли. В ре­зуль­та­те столк­но­ве­ний за­ря­жен­ных ча­стиц с мо­ле­ку­ла­ми воз­ду­ха воз­ни­ка­ет 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 зе­ле­ным или крас­но­ва­тым. Ниже уже пре­об­ла­да­ет азот, да­ю­щий си­я­ния ярко-крас­но­го и фи­о­ле­то­во­го цве­тов.

Наи­бо­лее убе­ди­тель­ным до­во­дом в поль­зу того, что мы пра­виль­но по­ни­ма­ем при­ро­ду по­ляр­но­го си­я­ния, яв­ля­ет­ся его по­вто­ре­ние в ла­бо­ра­то­рии. Такой экс­пе­ри­мент, по­лу­чив­ший на­зва­ние «Араке», был про­ве­ден в 1985 году сов­мест­но рос­сий­ски­ми и фран­цуз­ски­ми ис­сле­до­ва­те­ля­ми.

В ка­че­стве ла­бо­ра­то­рий были вы­бра­ны две точки на по­верх­но­сти Земли, ле­жа­щие вдоль одной и той же си­ло­вой линии маг­нит­но­го поля. Этими точ­ка­ми слу­жи­ли в Южном по­лу­ша­рии фран­цуз­ский ост­ров Кер­ге­лен в Ин­дий­ском оке­а­не и в Се­вер­ном по­лу­ша­рии по­се­лок Согра в Ар­хан­гель­ской об­ла­сти. С ост­ро­ва Кер­ге­лен стар­то­ва­ла гео­фи­зи­че­ская ра­ке­та с не­боль­шим уско­ри­те­лем ча­стиц, ко­то­рый на опре­де­лен­ной вы­со­те со­здал поток элек­тро­нов. Дви­га­ясь вдоль маг­нит­ной си­ло­вой линии, эти элек­тро­ны про­ник­ли в Се­вер­ное по­лу­ша­рие и вы­зва­ли ис­кус­ствен­ное по­ляр­ное си­я­ние над Со­грой.

В 1880 году фран­цуз­ские уче­ные  — бра­тья Пьер и Поль Кюри  — ис­сле­до­ва­ли свой­ства кри­стал­лов. Они за­ме­ти­ли, что если кри­сталл квар­ца сжать с двух сто­рон, то на его гра­нях, пер­пен­ди­ку­ляр­ных на­прав­ле­нию сжа­тия, воз­ни­ка­ют элек­три­че­ские за­ря­ды: на одной грани по­ло­жи­тель­ные, на дру­гой  — от­ри­ца­тель­ные. Таким же свой­ством об­ла­да­ют кри­стал­лы тур­ма­ли­на, се­гне­то­вой соли, даже са­ха­ра. За­ря­ды на гра­нях кри­стал­ла воз­ни­ка­ют и при его рас­тя­же­нии. При­чем если при сжа­тии на грани на­кап­ли­вал­ся по­ло­жи­тель­ный заряд, то при рас­тя­же­нии на этой грани будет на­кап­ли­вать­ся от­ри­ца­тель­ный заряд, и на­о­бо­рот. Это яв­ле­ние было на­зва­но пье­зо­элек­три­че­ством (от гре­че­ско­го слова «пьезо»  — давлю). Кри­сталл с таким свой­ством на­зы­ва­ют пъ­е­зо­элек­три­ком.

В даль­ней­шем бра­тья Кюри об­на­ру­жи­ли, что пье­зо­элек­три­че­ский эф­фект об­ра­тим: если на гра­нях кри­стал­ла со­здать раз­но­имен­ные элек­три­че­ские за­ря­ды, он либо со­жмет­ся, либо рас­тя­нет­ся в за­ви­си­мо­сти от того, к какой грани при­ло­жен по­ло­жи­тель­ный и к какой  — от­ри­ца­тель­ный заряд.

На яв­ле­нии пье­зо­элек­три­че­ства ос­но­ва­но дей­ствие ши­ро­ко рас­про­стра­нен­ных пье­зо­элек­три­че­ских за­жи­га­лок. Ос­нов­ной ча­стью такой за­жи­гал­ки яв­ля­ет­ся пье­зо­эле­мент  — ке­ра­ми­че­ский пье­зо­элек­три­че­ский ци­линдр с ме­тал­ли­че­ски­ми элек­тро­да­ми на ос­но­ва­ни­ях. При по­мо­щи ме­ха­ни­че­ско­го устрой­ства про­из­во­дит­ся крат­ко­вре­мен­ный удар по пье­зо­эле­мен­ту. При этом на двух его сто­ро­нах, рас­по­ло­жен­ных пер­пен­ди­ку­ляр­но на­прав­ле­нию дей­ствия де­фор­ми­ру­ю­щей силы, по­яв­ля­ют­ся раз­но­имен­ные элек­три­че­ские за­ря­ды. На­пря­же­ние между этими сто­ро­на­ми может до­сти­гать не­сколь­ких тысяч вольт. По изо­ли­ро­ван­ным про­во­дам на­пря­же­ние под­во­дит­ся к двум элек­тро­дам, рас­по­ло­жен­ным в на­ко­неч­ни­ке за­жи­гал­ки на рас­сто­я­нии 3-4 мм друг от друга. Воз­ни­ка­ю­щий между элек­тро­да­ми ис­кро­вой раз­ряд под­жи­га­ет смесь газа и воз­ду­ха.

Не­смот­ря на очень боль­шие на­пря­же­ния (-10 кВ), опыты с пье­зо­за­жи­гал­кой со­вер­шен­но без­опас­ны, так как даже при ко­рот­ком за­мы­ка­нии сила тока ока­зы­ва­ет­ся такой же ни­чтож­но малой и без­опас­ной для здо­ро­вья че­ло­ве­ка, как при элек­тро­ста­ти­че­ских раз­ря­дах при сни­ма­нии шер­стя­ной или син­те­ти­че­ской одеж­ды в сухую по­го­ду.

Жизнь со­вре­мен­но­го че­ло­ве­ка не­воз­мож­но пред­ста­вить без раз­лич­ных элек­тро­при­бо­ров. Элек­три­че­ские лампы, элек­тро­пли­ты, элек­тро­чай­ни­ки, те­ле­ви­зо­ры, хо­ло­диль­ни­ки, аудио- и ви­део­си­сте­мы, фены и мно­гие дру­гие элек­тро­при­бо­ры проч­но вошли в нашу жизнь. Для обес­пе­че­ния ра­бо­ты этих при­бо­ров все по­ме­ще­ния, пред­на­зна­чен­ные для по­сто­ян­но­го или вре­мен­но­го про­жи­ва­ния че­ло­ве­ка, элек­три­фи­ци­ру­ют­ся. Стан­дар­ты, при­ня­тые в нашей стра­не, преду­смат­ри­ва­ют под­клю­че­ние элек­тро­при­бо­ров к пе­ре­мен­но­му на­пря­же­нию (220 В, 50 Гц). В по­ме­ще­ние обыч­но вво­дят­ся три про­во­да  — ну­ле­вой, фаз­ный и за­зем­ля­ю­щий. При под­клю­че­нии вилки элек­тро­при­бо­ра между ну­ле­вым и фаз­ным про­во­дом (по­сред­ством ро­зет­ки) на при­бор по­да­ет­ся нуж­ное пе­ре­мен­ное на­пря­же­ние, и в цепи при­бо­ра на­чи­на­ет про­те­кать пе­ре­мен­ный элек­три­че­ский ток. За­зем­ля­ю­щий про­вод при по­мо­щи спе­ци­аль­но­го кон­так­та, име­ю­ще­го­ся в ро­зет­ке, под­клю­ча­ет­ся к кор­пу­су при­бо­ра.

По­сколь­ку пе­ре­мен­ное на­пря­же­ние, о ко­то­ром идет речь, опас­но для жизни, важ­ной за­да­чей яв­ля­ет­ся обес­пе­че­ние без­опас­но­сти под­клю­че­ния элек­тро­при­бо­ров. В част­но­сти, не­об­хо­ди­мы спе­ци­аль­ные при­спо­соб­ле­ния, ко­то­рые обес­пе­чи­ва­ют от­клю­че­ние по­ме­ще­ния от сети пе­ре­мен­но­го на­пря­же­ния в слу­чае воз­ник­но­ве­ния утеч­ки элек­три­че­ско­го тока из фаз­но­го про­во­да на за­зем­ля­ю­щий про­вод  — через по­вре­жден­ную изо­ля­цию или че­ло­ве­че­ское тело. Такое при­спо­соб­ле­ние на­зы­ва­ет­ся устрой­ством за­щит­но­го от­клю­че­ния (УЗО).

По­яс­ним прин­цип дей­ствия УЗО при по­мо­щи ри­сун­ка. Вхо­дя­щие в по­ме­ще­ние ну­ле­вой и фаз­ный про­во­да (0 и Ф) под­клю­ча­ют­ся к вход­ным кон­так­там (1) УЗО, а про­во­да, иду­щие к ро­зет­кам - к вы­ход­ным кон­так­там (2) УЗО. За­зем­ля­ю­щий про­вод (3) к УЗО не под­клю­ча­ет­ся, он под­со­еди­ня­ет­ся на­пря­мую к спе­ци­аль­ной клем­ме в ро­зет­ке. Для вклю­че­ния УЗО (и по­да­чи на­пря­же­ния в ро­зет­ки) нужно на­жать кноп­ку (3) - в ре­зуль­та­те этого пру­жин­ные кон­так­ты (4) за­мы­ка­ют­ся, и УЗО про­пус­ка­ет ток. При этом од­но­вре­мен­но вклю­ча­ет­ся пи­та­ние элек­тро­маг­ни­та (5), ко­то­рый удер­жи­ва­ет кон­так­ты (4) в за­мкну­том со­сто­я­нии. Ну­ле­вой и фаз­ный про­во­да рас­по­ло­же­ны па­рал­лель­но друг другу и про­хо­дят через от­вер­стие в кар­ка­се, на ко­то­ром на­мо­та­на ка­туш­ка (6), со­дер­жа­щая много вит­ков про­во­ло­ки (ну­ле­вой и фаз­ный про­во­да не имеют элек­три­че­ско­го кон­так­та с ка­туш­кой). При нор­маль­ной ра­бо­те элек­тро­при­бо­ров ток, те­ку­щий по фаз­но­му про­во­ду, в точ­но­сти равен току, те­ку­ще­му по ну­ле­во­му про­во­ду, при­чем в каж­дый мо­мент вре­ме­ни эти токи текут в про­ти­во­по­лож­ных на­прав­ле­ни­ях. По­это­му при нор­маль­ной ра­бо­те элек­тро­при­бо­ров маг­нит­ное поле, со­зда­ва­е­мое сов­мест­но то­ка­ми, те­ку­щи­ми в ну­ле­вом и в фаз­ном про­во­де, близ­ко к нулю. При воз­ник­но­ве­нии утеч­ки тока из фаз­но­го про­во­да в за­зем­ля­ю­щий про­вод (на­при­мер, в ре­зуль­та­те од­но­вре­мен­но­го при­кос­но­ве­ния че­ло­ве­ка к фаз­но­му и к за­зем­ля­ю­ще­му про­во­ду) ба­ланс на­ру­ша­ет­ся - ток, те­ку­щий по ну­ле­во­му про­во­ду, ста­но­вит­ся мень­ше тока, те­ку­ще­го по фаз­но­му про­во­ду (часть тока уте­ка­ет через за­зем­ля­ю­щий про­вод «мимо» ну­ле­во­го). Вслед­ствие этого во­круг ну­ле­во­го и фаз­но­го про­во­да воз­ни­ка­ет за­мет­ное пе­ре­мен­ное маг­нит­ное поле, ко­то­рое вы­зы­ва­ет по­яв­ле­ние ЭДС ин­дук­ции в на­мо­тан­ной на кар­кас ка­туш­ке (6). В ре­зуль­та­те в ка­туш­ке на­чи­на­ет про­те­кать пе­ре­мен­ный элек­три­че­ский ток, ко­то­рый ре­ги­стри­ру­ет­ся сле­дя­щим элек­трон­ным устрой­ством (7). Это устрой­ство сразу же раз­мы­ка­ет ключ (8) и тем самым от­клю­ча­ет пи­та­ние элек­тро­маг­ни­та (5), ко­то­рый, в свою оче­редь, пе­ре­ста­ет удер­жи­вать в за­мкну­том со­сто­я­нии кон­так­ты (4), и они под дей­стви­ем пру­жи­ны также раз­мы­ка­ют­ся, от­клю­чая ро­зет­ки от ну­ле­во­го и фаз­но­го про­во­да.

Из при­ве­ден­но­го опи­са­ния ясно, что УЗО будет сра­ба­ты­вать во всех слу­ча­ях, когда будет ста­но­вить­ся от­лич­ным от нуля сум­мар­ный ток, те­ку­щий через ну­ле­вой и фаз­ный про­во­да, про­пу­щен­ные через ка­туш­ку (6). УЗО кон­стру­и­ру­ют так, чтобы оно сра­ба­ты­ва­ло и раз­ры­ва­ло пи­та­ю­щую цепь за мак­си­маль­но ко­рот­кий про­ме­жу­ток вре­ме­ни, чтобы элек­три­че­ский ток не успел на­не­сти вред че­ло­ве­че­ско­му ор­га­низ­му.

В со­вре­мен­ных тех­ни­че­ских устрой­ствах, при­ме­ня­е­мых для за­пи­си и транс­ля­ции звука, не­воз­мож­но обой­тись без мик­ро­фо­на. Мик­ро­фон  — это устрой­ство, пред­на­зна­чен­ное для пре­об­ра­зо­ва­ния зву­ко­вой волны в элек­три­че­ский сиг­нал, ко­то­рый затем может ис­поль­зо­вать­ся для за­пи­си звука, для его уси­ле­ния или вос­про­из­ве­де­ния. Мик­ро­фо­ны могут иметь раз­лич­ные кон­струк­ции, их ра­бо­та ос­но­вы­ва­ет­ся на раз­лич­ных фи­зи­че­ских прин­ци­пах. Од­на­ко все мик­ро­фо­ны имеют общие эле­мен­ты кон­струк­ции  — это мем­бра­на, ко­то­рая вос­при­ни­ма­ет зву­ко­вые ко­ле­ба­ния, и элек­тро­ме­ха­ни­че­ская часть, ко­то­рая пре­об­ра­зу­ет ме­ха­ни­че­ские ко­ле­ба­ния в элек­тро­маг­нит­ные.

Рас­смот­рим в ка­че­стве наи­бо­лее про­сто­го при­ме­ра элек­тро­ди­на­ми­че­ский мик­ро­фон с по­движ­ной ка­туш­кой. Он со­сто­ит из кор­пу­са, внут­ри ко­то­ро­го не­по­движ­но за­креп­лен по­ло­со­вой по­сто­ян­ный маг­нит ПМ. Упру­гая мем­бра­на М вы­не­се­на на один из тор­цов кор­пу­са мик­ро­фо­на. К мем­бра­не при­креп­ле­на ка­туш­ка К, на ко­то­рую на­мо­та­но много вит­ков про­во­да. Ка­туш­ка рас­по­ло­же­на так, что она на­хо­дит­ся вб­ли­зи од­но­го из по­лю­сов маг­ни­та. При воз­дей­ствии зву­ко­вых волн на мем­бра­ну она при­хо­дит в ко­ле­ба­тель­ное дви­же­ние, и вме­сте с ней на­чи­на­ет ко­ле­бать­ся ка­туш­ка, дви­га­ясь вдоль про­доль­ной оси маг­ни­та. В ре­зуль­та­те этого из­ме­ня­ет­ся маг­нит­ный поток через ка­туш­ку, и в ней, в со­от­вет­ствии с за­ко­ном элек­тро­маг­нит­ной ин­дук­ции, воз­ни­ка­ет пе­ре­мен­ное на­пря­же­ние. Закон из­ме­не­ния этого на­пря­же­ния со­от­вет­ству­ет за­ко­ну ко­ле­ба­ний мем­бра­ны под дей­стви­ем зву­ко­вых волн. Таким об­ра­зом, ме­ха­ни­че­ский сиг­нал (зву­ко­вая волна) пре­об­ра­зу­ет­ся в элек­три­че­ский (ко­ле­ба­ния на­пря­же­ния между вы­во­да­ми на­мо­тан­но­го на ка­туш­ку про­во­да), ко­то­рый затем по­да­ет­ся на спе­ци­аль­ную элек­три­че­скую схему. Сле­до­ва­тель­но, в дан­ном типе мик­ро­фо­на элек­тро­ме­ха­ни­че­ская часть со­сто­ит из по­сто­ян­но­го маг­ни­та, по­движ­ной про­во­лоч­ной ка­туш­ки и элек­три­че­ской цепи, к ко­то­рой она под­клю­че­на.

Су­ще­ству­ют и дру­гие типы мик­ро­фо­нов  — кон­ден­са­тор­ный мик­ро­фон (в нем мем­бра­на при­креп­ле­на к одной из пла­стин вклю­чен­но­го в элек­три­че­скую цепь кон­ден­са­то­ра, в ре­зуль­та­те чего при ко­ле­ба­ни­ях мем­бра­ны из­ме­ня­ет­ся его элек­три­че­ская ем­кость), уголь­ный мик­ро­фон (в нем мем­бра­на при ко­ле­ба­ни­ях давит на уголь­ный по­ро­шок, вклю­чен­ный в элек­три­че­скую цепь, в ре­зуль­та­те чего из­ме­ня­ет­ся его со­про­тив­ле­ние), пье­зо­мик­ро­фон (его ра­бо­та ос­но­ва­на на свой­стве не­ко­то­рых ве­ществ  — пье­зо­элек­три­ков  — со­зда­вать элек­три­че­ское поле при де­фор­ма­ци­ях), а также ряд мо­ди­фи­ка­ций этих типов мик­ро­фо­нов.

Ат­мо­сфер­ное элек­три­че­ство об­ра­зу­ет­ся и кон­цен­три­ру­ет­ся в об­ла­ках  — об­ра­зо­ва­ни­ях из мел­ких ча­стиц воды, на­хо­дя­щей­ся в жид­ком или твер­дом 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 Зем­лей со­зда­ет­ся 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 про­изо­шел раз­ряд мол­нии, тем длин­нее пауза между вспыш­кой света и гро­мом. Гром от очень да­ле­ких 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 ее 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.

Рас­смот­рим про­стей­ший опыт, де­мон­стри­ру­ю­щий воз­ник­но­ве­ние ин­дук­ци­он­но­го тока в за­мкну­том витке из про­во­да, по­ме­щен­ном в из­ме­ня­ю­ще­е­ся маг­нит­ное поле. Су­дить о на­ли­чии в витке ин­дук­ци­он­но­го тока можно по на­гре­ва­нию про­вод­ни­ка. Если, со­хра­няя преж­ние внеш­ние раз­ме­ры витка, сде­лать его из более тол­сто­го про­во­да, то со­про­тив­ле­ние витка умень­шит­ся, а ин­дук­ци­он­ный ток воз­рас­тет. Мощ­ность, вы­де­ля­е­мая в витке в виде тепла, уве­ли­чит­ся.

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. На­прав­ле­ние и сила вих­ре­во­го тока за­ви­сят от формы об­раз­ца, от на­прав­ле­ния и ско­ро­сти из­ме­ня­ю­ще­го­ся маг­нит­но­го поля, от свойств ма­те­ри­а­ла, из ко­то­ро­го сде­лан об­ра­зец. В мас­сив­ных про­вод­ни­ках вслед­ствие ма­ло­сти элек­три­че­ско­го со­про­тив­ле­ния токи могут быть очень боль­ши­ми и вы­зы­вать зна­чи­тель­ное на­гре­ва­ние.

Если по­ме­стить внутрь ка­туш­ки мас­сив­ный же­лез­ный сер­деч­ник и про­пу­стить по ка­туш­ке пе­ре­мен­ный ток, то сер­деч­ник на­гре­ва­ет­ся очень силь­но. Чтобы умень­шить на­гре­ва­ние, сер­деч­ник на­би­ра­ют из тон­ких пла­стин, изо­ли­ро­ван­ных друг от друга слоем лака.

Токи Фуко ис­поль­зу­ют­ся в ин­дук­ци­он­ных печах для силь­но­го на­гре­ва­ния и даже плав­ле­ния ме­тал­лов. Для этого ме­талл по­ме­ща­ют в пе­ре­мен­ное маг­нит­ное поле, со­зда­ва­е­мое током ча­сто­той 500–2000 Гц.

Тор­мо­зя­щее дей­ствие токов Фуко ис­поль­зу­ет­ся для со­зда­ния маг­нит­ных успо­ко­и­те­лей  — демп­фе­ров. Если под ка­ча­ю­щей­ся в го­ри­зон­таль­ной плос­ко­сти маг­нит­ной стрел­кой рас­по­ло­жить мас­сив­ную мед­ную пла­сти­ну, то воз­буж­да­е­мые в мед­ной пла­сти­не токи Фуко будут тор­мо­зить ко­ле­ба­ния стрел­ки. Маг­нит­ные успо­ко­и­те­ли та­ко­го рода ис­поль­зу­ют­ся в галь­ва­но­мет­рах и дру­гих при­бо­рах.

Для по­лу­че­ния за­ря­жен­ных ча­стиц (элек­тро­нов, про­то­нов, атом­ных ядер, ионов) боль­ших энер­гий при­ме­ня­ют­ся спе­ци­аль­ные устрой­ства  — уско­ри­те­ли за­ря­жен­ных ча­стиц. В ос­но­ве ра­бо­ты уско­ри­те­ля лежит вза­и­мо­дей­ствие за­ря­жен­ных ча­стиц с элек­три­че­ским и маг­нит­ным по­ля­ми. Элек­три­че­ское поле спо­соб­но на­пря­мую со­вер­шать ра­бо­ту над ча­сти­цей, то есть уве­ли­чи­вать ее энер­гию. Маг­нит­ное же поле, со­зда­вая силу Ло­рен­ца, лишь от­кло­ня­ет ча­сти­цу, не из­ме­няя ее энер­гии, и за­да­ет тра­ек­то­рию, по ко­то­рой дви­жут­ся ча­сти­цы.

Уско­ри­те­ли за­ря­жен­ных ча­стиц можно клас­си­фи­ци­ро­вать по раз­ным при­зна­кам. По типу уско­ря­е­мых ча­стиц раз­ли­ча­ют элек­трон­ные уско­ри­те­ли, про­тон­ные уско­ри­те­ли и уско­ри­те­ли ионов. По ха­рак­те­ру тра­ек­то­рий ча­стиц раз­ли­ча­ют ли­ней­ные уско­ри­те­ли, в ко­то­рых пучок ча­стиц од­но­крат­но про­хо­дит уско­ря­ю­щие про­ме­жут­ки и тра­ек­то­рии ча­стиц близ­ки к пря­мой линии, и цик­ли­че­ские уско­ри­те­ли, в ко­то­рых пучки дви­жут­ся по за­мкну­тым кри­вым (на­при­мер, окруж­но­стям или спи­ра­лям), про­хо­дя уско­ря­ю­щие про­ме­жут­ки по многу раз.

На ри­сун­ке 1 пред­став­ле­на схема ра­бо­ты цик­ло­тро­на  — цик­ли­че­ско­го уско­ри­те­ля про­то­нов (или ионов). Ча­сти­цы из ион­но­го ис­точ­ни­ка 1 не­пре­рыв­но по­сту­па­ют в ва­ку­ум­ную ка­ме­ру и уско­ря­ют­ся элек­три­че­ским полем, со­зда­ва­е­мым элек­тро­да­ми 3. Маг­нит­ное поле, на­прав­лен­ное пер­пен­ди­ку­ляр­но плос­ко­сти ри­сун­ка, за­став­ля­ет за­ря­жен­ную ча­сти­цу от­кло­нять­ся от пря­мо­ли­ней­но­го дви­же­ния.

Каж­дый раз, про­хо­дя зазор между элек­тро­да­ми, за­ря­жен­ная ча­сти­ца по­лу­ча­ет новую пор­цию энер­гии и до­пол­ни­тель­но уско­ря­ет­ся. Тра­ек­то­ри­ей дви­же­ния уско­ря­ю­щей­ся ча­сти­цы в по­сто­ян­ном маг­нит­ном поле по­лу­ча­ет­ся рас­кру­чи­ва­ю­ща­я­ся спи­раль.

Рис. 1. Схема дви­же­ния ча­стиц в цик­ло­тро­не; маг­нит­ное поле пер­пен­ди­ку­ляр­но плос­ко­сти

чер­те­жа. 1 − ион­ный ис­точ­ник; 2 − ор­би­та уско­ря­е­мой ча­сти­цы (спи­раль); 3 − уско­ря­ю­щие

элек­тро­ды; 4 − вы­вод­ное устрой­ство (от­кло­ня­ю­щие пла­сти­ны); 5 − ис­точ­ник уско­ря­ю­ще­го

поля

Цик­ло­трон  — пер­вый из цик­ли­че­ских уско­ри­те­лей. Впер­вые был раз­ра­бо­тан и по­стро­ен в 1931 году. До сих пор цик­ло­тро­ны ши­ро­ко при­ме­ня­ют­ся для уско­ре­ния тя­же­лых ча­стиц до от­но­си­тель­но не­боль­ших энер­гий.

Сред­няя ско­рость по­ез­дов на же­лез­ных до­ро­гах не пре­вы­ша­ет 150 км/ч. Скон­стру­и­ро­вать поезд, спо­соб­ный со­стя­зать­ся по ско­ро­сти с са­мо­ле­том, не­про­сто. При боль­ших ско­ро­стях ко­ле­са по­ез­дов не вы­дер­жи­ва­ют на­груз­ку. Выход один: от­ка­зать­ся от колес, за­ста­вив поезд ле­теть. Один из спо­со­бов «под­ве­сить» поезд над рель­са­ми  — ис­поль­зо­вать от­тал­ки­ва­ние маг­ни­тов.

В 1910 году бель­ги­ец Э. Башле по­стро­ил первую в мире мо­дель ле­та­ю­ще­го по­ез­да и ис­пы­тал ее. 50-ки­ло­грам­мо­вый си­га­ро­об­раз­ный ва­гон­чик ле­та­ю­ще­го по­ез­да раз­го­нял­ся до ско­ро­сти свыше 500 км/ч! Маг­нит­ная до­ро­га Башле пред­став­ля­ла собой це­поч­ку ме­тал­ли­че­ских стол­би­ков с укреп­лен­ны­ми на их вер­ши­нах ка­туш­ка­ми. После вклю­че­ния тока ва­гон­чик со встро­ен­ны­ми маг­ни­та­ми при­под­ни­мал­ся над ка­туш­ка­ми и раз­го­нял­ся тем же маг­нит­ным полем, над ко­то­рым был под­ве­шен.

Прак­ти­че­ски од­но­вре­мен­но с Башле в 1911 году про­фес­сор Том­ско­го тех­но­ло­ги­че­ско­го ин­сти­ту­та Б. Вейн­берг раз­ра­бо­тал го­раз­до более эко­но­мич­ную под­вес­ку ле­та­ю­ще­го по­ез­да. Вейн­берг пред­ла­гал не от­тал­ки­вать до­ро­гу и ва­го­ны друг от друга, что чре­ва­то огром­ны­ми за­тра­та­ми энер­гии, а при­тя­ги­вать их обыч­ны­ми элек­тро­маг­ни­та­ми. Элек­тро­маг­ни­ты до­ро­ги были рас­по­ло­же­ны над по­ез­дом, чтобы своим при­тя­же­ни­ем ком­пен­си­ро­вать силу тя­же­сти по­ез­да. Же­лез­ный вагон рас­по­ла­гал­ся пер­во­на­чаль­но не точно под элек­тро­маг­ни­том, а по­за­ди него. При этом элек­тро­маг­ни­ты мон­ти­ро­ва­лись по всей длине до­ро­ги. При вклю­че­нии тока в пер­вом элек­тро­маг­ни­те ва­гон­чик под­ни­мал­ся и про­дви­гал­ся впе­ред, по на­прав­ле­нию к маг­ни­ту. Но за мгно­ве­ние до того, как ва­гон­чик дол­жен был при­лип­нуть к элек­тро­маг­ни­ту, ток вы­клю­чал­ся. Поезд про­дол­жал ле­теть по инер­ции, сни­жая вы­со­ту. Вклю­чал­ся сле­ду­ю­щий элек­тро­маг­нит, поезд опять при­под­ни­мал­ся и уско­рял­ся. По­ме­стив свой вагон в мед­ную трубу, из ко­то­рой был от­ка­чан воз­дух, Вейн­берг разо­гнал вагон до ско­ро­сти 800 км/ч!

Ат­мо­сфер­ное элек­три­че­ство об­ра­зу­ет­ся и кон­цен­три­ру­ет­ся в об­ла­ках  — об­ра­зо­ва­ни­ях из мел­ких ча­стиц воды, на­хо­дя­щей­ся в жид­ком или твер­дом 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 Зем­лей со­зда­ет­ся 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 про­изо­шел раз­ряд мол­нии, тем длин­нее пауза между вспыш­кой света и гро­мом. Гром от очень да­ле­ких 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 ее 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.

Рас­про­стра­нен­ным при­бо­ром для ре­ги­стра­ции за­ря­жен­ных ча­стиц яв­ля­ет­ся га­зо­раз­ряд­ный счет­чик Гей­ге­ра–Мюл­ле­ра. Га­зо­раз­ряд­ный счет­чик пред­став­ля­ет собой ме­тал­ли­че­ский ци­линдр, по оси ко­то­ро­го на­тя­ну­та тон­кая про­во­ло­ка, изо­ли­ро­ван­ная от ци­лин­дра. Ци­линдр за­пол­ня­ет­ся спе­ци­аль­ной сме­сью газов (на­при­мер, аргон + пары спир­та), дав­ле­ние ко­то­рых 1000–1500 мм рт. ст. Счет­чик вклю­ча­ет­ся в цепь: ци­линдр со­еди­ня­ет­ся с от­ри­ца­тель­ным по­лю­сом ис­точ­ни­ка тока, а нить с по­ло­жи­тель­ным; на них по­да­ет­ся на­пря­же­ние по­ряд­ка 1000 В.

По­па­да­ние в счет­чик быст­рой за­ря­жен­ной ча­сти­цы вы­зы­ва­ет иони­за­цию газа. При этом об­ра­зу­ет­ся сво­бод­ный элек­трон. Он дви­жет­ся к по­ло­жи­тель­но за­ря­жен­ной нити, и в об­ла­сти силь­но­го поля вб­ли­зи нити иони­зи­ру­ет атомы газа. Про­дук­ты иони­за­ции  — элек­тро­ны  — уско­ря­ют­ся полем и в свою оче­редь иони­зи­ру­ют газ, об­ра­зуя новые сво­бод­ные элек­тро­ны, ко­то­рые участ­ву­ют в даль­ней­шей иони­за­ции ато­мов газа.

Число иони­зи­ро­ван­ных ато­мов ла­ви­но­об­раз­но воз­рас­та­ет  — в газе счет­чи­ка вспы­хи­ва­ет элек­три­че­ский раз­ряд. При этом по цепи счет­чи­ка про­хо­дит крат­ко­вре­мен­ный им­пульс элек­три­че­ско­го тока. От­ри­ца­тель­но за­ря­жен­ные элек­тро­ны со­би­ра­ют­ся вб­ли­зи нити, а более мас­сив­ные по­ло­жи­тель­но за­ря­жен­ные ионы мед­лен­но дви­жут­ся к стен­кам ци­лин­дра. Элек­тро­ны умень­ша­ют по­ло­жи­тель­ный заряд нити, а по­ло­жи­тель­ные ионы  — от­ри­ца­тель­ный заряд ци­лин­дра; со­от­вет­ствен­но, элек­три­че­ское поле внут­ри ци­лин­дра осла­бе­ва­ет. Через про­ме­жу­ток вре­ме­ни по­ряд­ка мик­ро­се­кун­ды поле ослаб­ля­ет­ся на­столь­ко, что элек­тро­ны не будут иметь ско­ро­сти, не­об­хо­ди­мой для иони­за­ции. Иони­за­ция пре­кра­ща­ет­ся, и раз­ряд об­ры­ва­ет­ся.

За счет при­то­ка за­ря­дов из ис­точ­ни­ка тока счет­чик снова будет готов к ра­бо­те через 100–2000 мкс после вспыш­ки. Таким об­ра­зом, в счет­чи­ке воз­ни­ка­ют крат­ко­вре­мен­ные раз­ря­ды, ко­то­рые могут быть под­счи­та­ны спе­ци­аль­ным устрой­ством. По их числу можно оце­нить число ча­стиц, по­па­да­ю­щих в счет­чик.

В ос­но­ве дей­ствия ин­дук­ци­он­ной плиты лежит яв­ле­ние элек­тро­маг­нит­ной ин­дук­ции  — яв­ле­ние воз­ник­но­ве­ни 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. На­прав­ле­ние и сила вих­ре­во­го тока за­ви­сят от формы об­раз­ца, от на­прав­ле­ния век­то­ра маг­нит­ной ин­дук­ции и ско­ро­сти его из­ме­не­ния, от свойств ма­те­ри­а­ла, из ко­то­ро­го сде­лан об­ра­зец. В мас­сив­ных про­вод­ни­ках вслед­ствие ма­ло­сти элек­три­че­ско­го со­про­тив­ле­ния токи могут быть очень боль­ши­ми 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 по­ме­щен­ные 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.

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

Рас­смот­рим цепь, со­став­лен­ную из про­вод­ни­ков, из­го­тов­лен­ных из раз­ных ме­тал­лов (см. рис.). 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 по­ка­зы­ва­ет на­ли­чие в цепи элек­три­че­ско­го тока, про­те­ка­ю­ще­го все время, пока су­ще­ству­ет раз­ность тем­пе­ра­тур между спа­я­ми a и b.

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 лед), то ток по­те­чет 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 °C), так и очень низ­ких тем­пе­ра­тур. Более того, тер­мо­па­ры дают более вы­со­кую точ­ность из­ме­ре­ния тем­пе­ра­ту­ры и го­раз­до быст­рее ре­а­ги­ру­ют на из­ме­не­ние тем­пе­ра­ту­ры.

Рис. 1

Зна­ме­ни­тый ита­льян­ский физик Алес­сан­дро Воль­та в конце 18-го века уста­но­вил, что в элек­три­че­ской цепи, со­став­лен­ной толь­ко из ме­тал­ли­че­ских про­вод­ни­ков (от­но­ся­щих­ся к так на­зы­ва­е­мым про­вод­ни­кам пер­во­го рода, в ко­то­рых элек­три­че­ский ток не вы­зы­ва­ет хи­ми­че­ских пре­вра­ще­ний), элек­три­че­ский ток не воз­ни­ка­ет. Это верно, од­на­ко, толь­ко в том слу­чае, если все спаи, то есть места со­еди­не­ния про­вод­ни­ков, на­хо­дят­ся при оди­на­ко­вой тем­пе­ра­ту­ре.

В 1821 году не­мец­кий физик Томас Иоганн Зее­бек, про­во­дя опыты с ме­тал­ли­че­ски­ми про­вод­ни­ка­ми, за­ме­тил, что в за­мкну­той цепи, со­став­лен­ной из двух раз­ных ме­тал­лов, воз­ни­ка­ет элек­три­че­ский ток вся­кий раз, когда места кон­так­та про­вод­ни­ков имеют раз­лич­ные тем­пе­ра­ту­ры.

Так, если взять же­лез­ную про­во­ло­ку и к ее кон­цам в точ­ках a и b при­кру­тить по куску мед­ной про­во­ло­ки, а сво­бод­ные мед­ные концы при­со­еди­нить к чув­стви­тель­но­му галь­ва­но­мет­ру, то в по­лу­чен­ной за­мкну­той цепи, тока не будет (рис. 1).

Со­всем иная кар­ти­на будет на­блю­дать­ся, если на­греть какое-ни­будь место со­еди­не­ния про­во­лок (на­при­мер, точку a), под­не­ся к нему го­рел­ку (рис. 2). В этом слу­чае ам­пер­метр фик­си­ру­ет в цепи элек­три­че­ский ток, ко­то­рый про­те­ка­ет в

Рис. 2

Опи­сан­ное яв­ле­ние, от­кры­тое Зее­бе­ком, по­лу­чи­ло на­зва­ние тер­мо­элек­три­че­ства, а вся­кую ком­би­на­цию раз­но­род­ных про­вод­ни­ков пер­во­го рода, об­ра­зу­ю­щих за­мкну­тую цепь, на­зы­ва­ют тер­мо­эле­мен­том.

Тер­мо­эле­мент можно рас­смат­ри­вать как тер­мо­элек­три­че­ский ге­не­ра­тор элек­три­че­ско­го тока, ко­то­рый, не имея дви­жу­щих­ся ча­стей пре­вра­ща­ет часть теп­ло­вой энер­гии, на­гре­ва­ю­щей место со­еди­не­ния про­во­лок a, в элек­три­че­скую энер­гию; при этом осталь­ная часть теп­ло­ты от­да­ет­ся в окру­жа­ю­щую среду через кон­такт b. Опыт по­ка­зы­ва­ет, что таким спо­со­бом можно по­лу­чить на­пря­же­ние, не пре­вы­ша­ю­щее не­сколь­ких мил­ли­вольт. При этом ко­эф­фи­ци­ент по­лез­но­го дей­ствия (КПД) тер­мо­эле­мен­тов, со­став­лен­ных из ме­тал­ли­че­ских про­вод­ни­ков, не пре­вы­ша­ет 0,5 %. Все дело в том, что из-за боль­шой теп­ло­про­вод­но­сти ме­тал­лов теп­ло­та, пе­ре­хо­дя­щая путем теп­ло­про­вод­но­сти от го­ря­че­го кон­так­та к хо­лод­но­му, зна­чи­тель­но боль­ше, чем теп­ло­та, ко­то­рая пре­вра­ща­ет­ся в элек­три­че­скую энер­гию. Кроме того, часть элек­три­че­ской энер­гии, со­зда­ва­е­мой тер­мо­эле­мен­том, пре­вра­ща­ет­ся в теп­ло­ту внут­ри са­мо­го же тер­мо­эле­мен­та, и она также не может быть ис­поль­зо­ва­на. Эти бес­по­лез­ные траты боль­шей части теп­ло­ты, пе­ре­да­ва­е­мой го­ря­че­му кон­так­ту, на­столь­ко ве­ли­ки, что тер­мо­эле­мен­ты, из­го­тов­лен­ные из ме­тал­ли­че­ских про­во­лок, со­вер­шен­но не при­год­ны как тех­ни­че­ские ге­не­ра­то­ры элек­тро­энер­гии.

Од­на­ко если в ка­че­стве тер­мо­эле­мен­тов ис­поль­зо­вать спе­ци­аль­но из­го­тов­лен­ные по­лу­про­вод­ни­ки в кон­так­те с ме­тал­ла­ми, то со­зда­ва­е­мое ими на­пря­же­ние в де­сят­ки раз пре­вы­ша­ет на­пря­же­ние, ко­то­рое со­зда­ют чисто ме­тал­ли­че­ские тер­мо­эле­мен­ты. Кроме того, КПД по­лу­про­вод­ни­ко­вых тер­мо­эле­мен­тов зна­чи­тель­но выше. По­это­му по­лу­про­вод­ни­ки поз­во­ля­ют ре­шить во­прос о не­по­сред­ствен­ном по­лу­че­нии элек­тро­энер­гии из теп­ло­вой энер­гии.

От­кры­тие рент­ге­нов­ских лучей

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 уче­ный на­звал Х-лу­ча­ми (в даль­ней­шем за ними утвер­дит­ся тер­мин «рент­ге­нов­ские лучи»). Когда Рент­ген дер­жал руку между труб­кой и экра­ном, то на экра­не были видны тем­ные 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 тор­мо­же­нии элек­тро­нов пучка воз­ни­ка­ют рент­ге­нов­ские лучи. На­пря­же­ние между ано­дом и ка­то­дом до­сти­га­ет не­сколь­ких де­сят­ков ки­ло­вольт. В труб­ке со­зда­ет­ся глу­бо­кий ва­ку­ум; дав­ле­ние газа в ней не пре­вы­ша­ет 10⁻⁵ мм рт. ст.
 Со­глас­но при­ве­ден­ным 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 об­на­ру­жить 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 их близ­ка к раз­ме­рам ато­мов.