Пока светит Солнце, или приречная беседа с внуком

– Солнышко светит, речка журчит, вот и ты выспался, сюда на своём велике приехал. Хорошо! Как думаешь, внук, что такое солнце?

– Деда, ты говорил, что Солнце – это огненный шар.

– Правильно, молодец, запомнил. Плазменный шар, самая ближняя к нам звезда, от которой мы получаем тепло и свет. Так вот, внучок, Солнце – это жизнь.

– Но тепло и свет, это ведь ещё не жизнь.

– Солнце – источник жизни. Скажи мне, например, откуда ты ночью свет берёшь?

– Лампочку включаю.

– Правильно: щёлкаешь выключателем, осветительный элемент лампочки (тонкая проволочка из металла вольфрама, свитая в спираль) накаляется и испускает свет. А почему спираль накаляется?

– По ней ток течёт.

– Опять правильно: ток так и называется, потому что течёт. Но это ведь ток электрический. Он откуда берётся?

– С электростанции.

– Вот. Давай разберём работу электростанции, которая находится на реке – гидроэлектростанции. Вода в реке течёт, значит, обладает механической энергией движения, как автомобиль или твой велосипед. Энергия движения называется кинетической, я тебе весной объяснял, почему. На пути течения ставят колесо турбины. Механическая энергия текущей воды превращается, или преобразуется в механическую энергию колеса – тут всё понятно. Очень важный момент: колесо не может получить энергии больше той, которой обладала движущаяся вода. Энергия не берётся ниоткуда и не уходит в никуда, она только передаётся от одного тела другому или преобразуется в другую форму. Это ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ. Учёные давно его открыли. Сам Михаил Васильевич Ломоносов говорил: «Не может у одного тела сколько-то убыть без того, чтобы у другого тела столько же не прибыло».
Смотри: на гидроэлектростанции уровень воды сначала поднимают с помощью плотины, по плотине Камской ГЭС ведь проезжал? Поэтому на ГЭСе вода не просто течёт, она падает с высоты на турбину. Поднятая наверх вода не обладает энергией движения, но она может обеспечить это движение. Такую энергию называют потенциальной, от латинского слова “potentia” – «возможность».

– Ага, значит, потенциальная энергия воды превращается в энергию падения, а потом в энергию вращения колеса. А дальше?

– Ух, смышлён. Дальше самое интересное.
Да что мы на солнышке-то стоим, печёт ведь. Пойдём в тень, за кустик, там ветерок, паутов отгоняет. Присядем на бережок, за поплавком последим.
Так вот, в турбине происходит преобразование механической энергии в электрическую. На колесо турбины намотан медный провод, который так и называется – обмотка. Вокруг обмотки располагаются магниты, поэтому говорят, что обмотка вращается в магнитном поле, а всё устройство называется «генератор». Медь – это металлический проводник, в обычных условиях – твёрдое тело, то есть кристалл. Атомы кристаллов не могут покидать свои места в кристаллической решётке, только немножко колеблются, я тебе об этом тоже рассказывал. Но металлы, например: золото, серебро, медь, алюминий, железо, – вещества специфические. Лёгкие, по сравнению с атомами, заряженные частицы электроны могут отрываться от атомов металлов и свободно перемещаться по кристаллу, не покидая его, возникает своеобразный газ или жидкость из электронов. Если кусок металла двигается в магнитном поле, то на электрон, двигающийся вместе с кристаллом, начинает действовать сила в сторону, перпендикулярную магнитному полю и направлению движения – её называют силой Лоренца. Электроны в медной обмотке генератора приходят в направленное движение, возникает поток электронной жидкости – электрический ток.

– Значит, в генераторе  энергия движения колеса преобразуется в энергию движения электронов?

– Да. Только движение электронов мы не видим и не можем его обнаружить без специальных приборов или устройств, например, амперметра или той же лампочки. Браться за выводы генератора голыми руками не рекомендуется. Кинетическую энергию электронов называют электрической. Поэтому можно сказать, что в генераторе происходит преобразование механической энергии в электрическую.
Электрическую энергию легко передавать на расстояние с помощью тех же  металлических проводов. Её можно накапливать и хранить в аккумуляторах. На  одном выводе аккумулятора образуется избыток электронов (отрицательный полюс, минус), на другом – недостаток (плюс). Если выводы аккумулятора замкнуть, в цепи возникнет электрический ток. Понятно, что энергия аккумулятора – потенциальная, её называют электрическим напряжением. Избыток электронов в аккумуляторе при его работе образуется за счёт химических реакций. Когда запас реагирующего вещества в аккумуляторе заканчивается (аккумулятор разряжен), его можно возобновить. Для этого выводы аккумулятора нужно присоединить к генератору в обратной полярности. При зарядке аккумулятора химические реакции протекают в обратном направлении, и величина электрического напряжения восстанавливается. Таким образом, при работе аккумулятора происходит преобразование химической энергии в электрическую, а при зарядке аккумулятора электрическая энергия генератора (в твоём смартфоне – зарядного устройства) преобразуется в химическую.

– Деда, а что такое «химическая энергия»?

– Это энергия, которая выделяется или поглощается при превращениях молекул: их распаде на атомы или другие молекулы, при образовании молекул из атомов. Это и есть химические реакции, будешь изучать химию, всё узнаешь. Ой, смотри: поплавок под водой! Тяни! Эх, какой окушок сорвался! Ну, ладно, червячка поправь. Что–то понял из рассказа?

– Про электричество, вроде бы, понял. А тепло и свет?

– Электрический ток, т.е. поток электронов происходит в кристалле, движущиеся под действием внешних сил электроны соударяются с атомами в узлах кристаллической решётки, при этом частично теряют энергию. Говорят, что электрический ток испытывает сопротивление. Атомы, получив от электронов порцию энергии, начинают раскачиваться сильнее, а энергия движения атомов и есть тепловая энергия. Значит, проводник, по которому течёт ток, нагревается. Понятно, что чем тоньше проводник, тем его сопротивление больше, и у длинного проводника сопротивление больше, чем у короткого. Правила нагрева такие: если при одном и том же токе сопротивление проводника увеличить в 2 раза, то и тепла выделится в 2 раза больше, а если при постоянном сопротивлении в 2 раза увеличить ток, то тепла выделится в 4 раза больше. Закон Джоуля–Ленца. Понятно?

– Про тепло понятно. А свет?

– Свет – это просто. Колеблющийся атом всё время изменяет свою скорость: вправо-влево, вправо-влево. Изменение скорости называется ускорением. Атомы состоят из электрических зарядов. Вокруг заряда всегда есть электрическое поле, но существует ещё один закон: ускоренно движущееся заряженное тело создаёт переменное магнитное поле, вокруг этого магнитного поля образуется электрическое, которое опять создаёт магнитное поле, но уже дальше от заряда. В пространстве возникает электромагнитная волна. Законы возникновения и распространения электромагнитных волн описываются уравнениями, которые вывел английский учёный Джеймс Клерк Максвелл ещё в девятнадцатом веке, они так и называются –  уравнения Максвелла. Процессы протекают очень быстро, так что в пустом пространстве электромагнитная волна распространяется со скоростью 300 тысяч километров в секунду, эта скорость называется скоростью света. Включил фонарик – раз – и твой лучик уже на Луне.

– Какой свет, какой фонарик, дед, мы же про тепловое движение говорим.

– Свет и есть электромагнитная волна. Получается, что нагретое тело излучает электромагнитную энергию в виде волн. Атомы колеблются с разными частотами, поэтому испускаемое телом излучение содержит волны на разных частотах, это называется спектр излучения. Полная энергия, излучаемая нагретым телом, пропорциональна его температуре в четвёртой степени! До каких–то температур мы это излучение не видим, а ощущаем на расстоянии, как тепло, – это инфракрасное излучение, потому что в его спектре присутствуют, в основном, волны с частотой меньшей, чем у красного цвета. Наш глаз начинает видеть электромагнитную волну как свет, как раз начиная с красного цвета, потом идёт оранжевый, потом жёлтый, – ну, ты знаешь.

– Да: каждый охотник желает знать, где сидит фазан.

– Вот–вот. После «фазана», то есть фиолетового цвета, наш глаз опять перестаёт видеть излучение, а оно есть, ультрафиолетовое называется, от него на коже загар образуется, можно и обгореть. Полезно знать, что Солнце излучает энергию, как тело, нагретое до 5500 градусов, в солнечном спектре есть все волны – от инфракрасных до ультрафиолетовых, поэтому мы видим Солнце белым, с небольшим преобладанием жёлтого цвета. Другими словами, видимый глазом свет от нашего солнышка содержит все цвета радуги.
Вообще говоря, свет, который мы видим глазом, испускают уже не атомы, а электроны изнутри атомов. Частота излучения определяется  не частотой  колебаний, а разностью энергетических уровней электрона в атоме – квантами энергии. Это немножко другая история, не будем в неё углубляться.
Итак, что происходит, когда ты щёлкаешь выключателем?

– Спираль лампочки начинает светиться, потому что она нагревается электрическим током, который создаётся генератором на электростанции, турбину которого раскручивает вода, которая…

– Ну, как-то так. В доме, который построило Солнце. Мы рассмотрели, как преобразуется энергия в технических устройствах, созданных человеком. А в природе? Вот закончим мы рыбалку – клевать-то уже перестало, солнце высоко, – сядешь ты на велосипед и поедешь домой. Откуда энергия движения возьмётся, электродвигателя с аккумулятором на велике ведь нет?

– Я педали буду крутить.

– Правильно. Твои мышцы будут совершать работу за счёт запасённой в их клетках биологической энергии. А она откуда взялась?

– Бабушка меня супом накормила и свежей тёплой булочкой с вареньем.

– Опять в точку. Живой организм получает энергию с пищей. Вот мы и подходим к началу жизни. Не будем рассматривать цепочку превращений энергии в твоём организме. Вопрос: что такое пища?

– Хлеб, колбаса, молоко, масло, конфеты, яблоки, поп–корн.

– Хватит, хватит. Во всех продуктах, которые ты перечислил, есть органические молекулы: белки, жиры, углеводы, – которые и есть топливо для нашего организма – биологического устройства преобразования энергии, созданного природой. Надо только воды выпить, чтобы нужные химические реакции и биофизические процессы протекали как следует.
Мы получаем пищу из растений: размалываем зёрна пшеницы в муку, чтобы испечь хлеб, варим картофель, едим сырые овощи, ягоды, фрукты. Зёрна клюют куры, траву жуют коровы, водоросли едят рыбы – вот тебе яйца, молоко, куриный суп, телячьи отбивные и рыбий жир. Чтобы зимой согреться, топим дровами печь (деревья – тоже растения!). Кстати, уголь, нефть, природный газ получились из растений, существовавших миллионы лет назад. А растения строят свои стебли, стволы, листья за счёт солнечной энергии. Всё от Солнца!

– Деда, есть ведь другие источники энергии, например, ветровые.

– Ветряные. Ты про так называемую альтернативную, «зелёную» энергию. Никакая она не альтернативная, она тоже от Солнца. Вот смотри: солнечные батареи напрямую преобразуют солнечную энергию в электрическую, технология их изготовления отнюдь не «зелёная» и очень энергозатратная. Ветер – суть конвективное движение воздушных масс, вызванное неравномерным прогревом атмосферы Солнцем. Реки не могли бы образоваться, если бы Солнце не испаряло воды океанов, образуя облака и тучи, стаи которых ветер перегоняет на сушу, где они и проливаются в виде дождя.
Всё, всё от Солнца: еда, тепло, электричество. Теперь понял, что Солнце – это жизнь? Слава богу, в наших недрах много угля, нефти, газа, у нас в стране есть леса, реки, поля с пшеницей.

Запомни внучок: пока светит Солнце – стоит Россия!


АЮ

06.01.2023