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 V₁. Она в своем объеме генерирует магнитное поле, интенсивность которого пропорциональна количеству витков N₁. Магнитопровод переносит магнитное поле в объем, занимаемый вторичной обмоткой с количеством витков N₂ (синяя). Благодаря явлению электромагнитной индукции в последней генерируется переменное напряжение V₂ = V₁N₂/N₁, 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

Микроволновая печь

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 H₂O. 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^→