Андрей Варламов - Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

Принцип действия трансформатора.Он состоит из двух проводящих обмоток, размещенных на железном сердечнике. Первичная обмотка (красная) подключена к сети с напряжением V 1 . Она в своем объеме генерирует магнитное поле, интенсивность которого пропорциональна количеству витков N 1 . Магнитопровод переносит магнитное поле в объем, занимаемый вторичной обмоткой с количеством витков N 2 (синяя). Благодаря явлению электромагнитной индукции в последней генерируется переменное напряжение V 2 = V 1 N 2 / N 1 , которое будет питать, например, мобильный телефон

Изменение магнитного поля в обмотке (к примеру, из-за введения внутрь нее намагниченного стержня) порождает электрический ток, который можно измерить с помощью амперметра

Еще одно устройство для нагрева появилось на наших кухнях в начале 1980-х годов. Это – микроволновая печь. Как она работает?

Как следует из названия, в этой печи нагревание происходит благодаря «микроволновому излучению» – электромагнитным волнам, частота которых составляет 2,45 ГГц (2,45 млрд герц). Их называют также сверхвысокочастотным (СВЧ) излучением. Скорость электромагнитных волн любой длины в вакууме составляет 300 000 км/с. Поэтому соответствующая СВЧ-излучению в микроволновой печи длина волны, равная c/υ, составляет около 12,2 см – сантиметров (а не микрометров, как можно было бы предположить из названия волн!). Сравните ее с длиной волны света (от 0,4 до 0,7 мкм) и с длиной волны, принимаемой нашим приемником при прослушивании FM-радио (они обычно имеют частоту порядка 100 МГц и, следовательно, длину волны порядка 3 м (см. главу 3, «Цветовое зрение»)).

Элемент конструкции, который генерирует в печи СВЧ-излучение, называется магнетроном (илл. 4). Он представляет собой магнит и полый металлический цилиндр, внутри которого находится нагретый провод. Под влиянием создаваемой трансформатором высокой разности потенциалов (несколько киловольт) раскаленный провод излучает электроны, которые под действием магнитного поля вращаются вокруг провода и излучают СВЧ-волны. Геометрия конструкции рассчитана таким образом, чтобы в ней устанавливались стоячие электромагнитные волны заданной частоты, причем значение этой частоты выдерживается с точностью до 1 %. Затем созданное излучение направляется внутрь микроволновой печи посредством волновода, который подобен устройствам, о которых шла речь в главе 2.

4. Микроволновая печь. Под влиянием создаваемой трансформатором большой разности потенциалов магнетрон излучает электромагнитные волны, которые по волноводу направляются внутрь микроволновой печи. Специальное приспособление перераспределяет излучение в различных направлениях, чтобы пища готовилась как можно более равномерно. (По C. Ray et J.-C. Poizat, La physique par les objets quotidiens , Belin, 2014)

5.(a) Cхематическое представление молекулы воды H 2 O. Будучи в целом нейтральной, она содержит один атом кислорода (красного цвета), несущий отрицательный электрический заряд, и два атома водорода (белого цвета), несущие положительные заряды. Из-за своей треугольной формы она представляет собой электрический диполь (b), который ориентируется в пространстве в зависимости от направления электрического поля E →

Как же генерируемое магнетроном СВЧ-излучение нагревает пищу? Это нагревание происходит благодаря тому факту, что практически все блюда содержат в себе молекулы воды, с которыми и взаимодействуют генерируемые магнетроном электромагнитные волны. Чтобы понять, каким образом это происходит, рассмотрим структуру этих молекул. Молекула воды состоит из атома кислорода O, связанного ковалентными связями с двумя атомами водорода H. В эти связи вовлечены по два электрона. Атом кислорода притягивает эти электроны (говорят, что он более электроотрицателен, чем водород), что приводит к накоплению вблизи него избыточного отрицательного заряда, который компенсируется избыточным положительным зарядом вблизи атомов водорода. Угол между связями O – H в молекуле воды составляет примерно 100° (илл. 5). С точки зрения электростатики все происходит так, как если бы молекула состояла из двух зарядов с противоположными знаками, расположенных рядом друг с другом: она представляет собой так называемый электрический диполь. Если на диполь воздействует электрическое поле, то он стремится занять определенную ориентацию в направлении электрического поля: положительным полюсом (+) в сторону более высокого потенциала, отрицательным (–) – в сторону низкого.