Продолжим про микроволновки. Вот говорят, что нельзя в микроволновку класть металл: фольгу, ложки и т.д. Обычно объясняют это тем, что металл будет отражать электромагнитные волны, что приводит к перегреву и поломке устройства.

У этого типичного объяснения есть слабое место: в микроволновке и без металлических вилок с ложками волны отражаются, образуется стоячая электромагнитная волна, и что-то наша микроволновка от этого не портится. К тому же внутренние стенки камеры сами металлические.

В действительности опасность представляют только металлические предметы с острыми или тонкими частями, например, иглы и очень тонкие листы фольги. Такие объекты могут перегреться и сгореть, а также послужить источником искр.

Как мы помним, в металле электроны передвигаются свободно. Под воздействием переменного электромагнитного поля электроны понесутся то в одну, то в другую часть металлического объекта. В результате этого объект разогреется.

Если какая-то часть нашего металлического объекта слишком тонкая, то она не сможет распределить это тепло, станет слишком горячей и может начать интенсивно окисляться кислородом воздуха, т.е. гореть.

В случае острого предмета, скажем кончика иглы сложится ситуация, когда в маленьком объеме вдруг окажется много электронов. Напряжение на кончике возрастет многократно и тогда у электронов возникнет непреодолимое желание отправиться в окружающую среду, т.е. в воздух. Таким образом может произойти пробой. Это приведет к ионизации молекул газов в воздухе. Ионы вперемешку с электронами составляют плазму, т.е. искру, свет и хлопок от которой мы можем наблюдать через окошко микроволновки.

Ничего более страшного произойти в микроволновке не может. Ни тебе взрывов, ни каких-то других экстремальностей. В общем забытая ложка в тарелке с супом не испортит микроволновку.

Правда стоит учесть другой важный момент: если на посуду нанесена позолота или другое очень тонкое металлическое покрытие, не исключено, что оно «поплывет» а то и вовсе испарится из-за нагрева.

#наука #физика #химия #микроволноваяпечь #свч

Во второй половине 20-го века на кухнях в разных частях мира стал появляться новый бытовой прибор – микроволновая печь, она же сверхвысокочастотная (СВЧ) печь. Судя по названию нагрев пищи она производит при помощи каких-то электромагнитных волн. Об этом процессе и поговорим.

При включении микроволновой печи в ней генерируются электромагнитные волны с частотой 2,45 ГГц. Это означает, что каждую секунду производится 2,45 миллиарда полных колебаний электромагнитного поля. Каждое колебание соответствует одному циклу распространения волны. Длина каждой такой волны составляет 12,2 см.

В камере микроволновки образуется стоячая электромагнитная волна. Положение ее максимумов и минимумов постоянно. Нагрев пищи происходит в точках максимумов.

Это одна из причин неравномерного нагрева еды на наших тарелках. Греются только те участки, на которые приходится максимум амплитуды волны. Чтобы частично компенсировать этот эффект и была добавлена функция вращения тарелки на платформе с роликами.

СВЧ-волны разогревают пищу по механизму диэлектрического нагрева. Нагрев происходит в результате поляризации молекул диэлектрического материала. А какие у нас есть вездесущие диэлектрические молекулы, которые даже и безо всяких волн не прочь поляризоваться? Правильно, молекулы воды!

Попав в СВЧ электромагнитное поле, молекулы воды начинают физически вращаться. Они стараются выровняться по полю, которое меняется с частотой 2,45 ГГц. Можно представить себе сошедшую с ума, хаотично вращающуюся стрелку компаса, попавшую в магнитную бурю. Вращение молекул воды приводит к межмолекулярному трению и соответственно разогреву.

Это, кстати, является причиной обжигающе горячих тарелок и непрогретой еды на них. В тарелках, особенно старых, довольно много микротрещин, заполненных влагой. Это создает идеальные условия для нагрева по указанному механизму.

А вот, если пища, которую мы пытаемся разогреть, слишком сухая и в ней нет других диэлектрических молекул, которым СВЧ-волны могли бы «вскружить голову», то нагрев будет неэффективным.

Ну и наконец, даже, если мы засунем в микроволновку целую кучу молекул воды, но физически лишим их возможности вращаться, нагрева тоже почти не произойдет. Именно поэтому кусок льда в микроволновке быстро расплавить не удастся.

#наука #физика #свч #электричество #электрическиеволны

В начале 19-го века религиозные учреждения в Европе переживали не лучшие времена. Научный подход заявлял свои права, и религиозная монополия картины мира трещала по швам. Но были еще области, в которых мистическое начало было буквально фундаментом материи.

Так считалось, что органические соединения – производные жизнедеятельности живых существ, творений высших сил, а следовательно, не могут быть воспроизведены человеком. Эта идея основывалась на принципе витализма — концепции, утверждающей, что живые организмы управляются особой жизненной силой, которая отличает их от неживой материи.

Но вот в 1828 г. Фридрих Велер работал с растворами цианата аммония, в результате чего получил мочевину (карбамид). Это было потрясающим открытием, ведь до этого мочевину получали только из других органических соединений. Впервые это соединение было выделено из отходов жизнедеятельности человека в 1727 году голландским учёным Германом Бурхаве.

В представления 19-го века открытие Велера как-то не укладывалось: мы смешали неорганические вещества, а получили органическое, которое раньше обнаруживали только в продуктах жизнедеятельности живых существ. Это был первый подобный случай в истории и, наверное, с него по-настоящему и началась органическая химия.

Однако благодаря инерционности принятия новых концепций идеи витализма держались еще вплоть до конца 19-го века.

Примечательно, что в год Велеровского открытия родился Александр Николаевич Бутлеров, будущий выдающийся российский химик и отец теории химического строения органических соединений.

#наука #физика #химия #история #мочевина #витализм

Согласно одной байке, в конце 19-го века бульварные газеты не на шутку перепугали просвещенную общественность, опубликовав новость о том, что кольца Сатурна разлетелись во все стороны и не сегодня, так завтра долетят до Земли и всех тут перешибут. А кто не верит, может лично посмотреть в телескоп и убедиться, что обсуждаемая планета никаких признаков окольцованности не проявляет.

Газетчики то ли не знали, то ли нарочно решили не сообщать, что колец Сатурна не видно потому, что они оказались повернуты ребром к наблюдателю на Земле. Но газетчиков можно понять: с такой новостью газеты вряд ли продавались бы бойко.

Тем не менее Сатурн действительно порой прячет от нас свои кольца. Такая взаимная ориентация наших планет бывает чрезвычайно редко. Однако астрономы-любители могут порадоваться, весной 2025 г. как раз ожидается такое событие.

Тем не менее, вероятно, что кольца Сатурна – явление действительно кратковременное. Напомним, что они могли образоваться из разрушенной кометы, астероида или даже луны, которая подошла слишком близко к Сатурну и была разорвана его гравитацией. Возраст колец оценивается в десятки или сотни миллионов лет — это относительно молодой объект по космическим меркам.

Результаты, добытые космическим аппаратом Cassini, показали, что кольца Сатурна медленно «исчезают», осыпаясь на планету в виде «кольцевого дождя». Ультрафиолетовое излучение Солнца и гравитация Сатурна приводят к тому, что частицы из колец попадают в верхние слои атмосферы планеты. Такими темпами вся система колец может исчезнуть через 100 миллионов лет.

Вот тогда провокационные газетные заголовки окажутся уместны. Однако никаких колец нам, землянам не достанется.

#наука #физика #история #сатурн

Недавно с удивлением узнал, что в США практически нет электрифицированных железных дорог. Практически все поезда ездят на дизеле. Интересно представить себе многие километры железной дороги без привычных нам линий сверху. Для сравнения в России электрифицирована половина всех ж/д дорог, а в Индии – свыше 90%.

Казалось затраты дизеля на то, чтобы тянуть огромный товарный состав, должны быть просто гигантскими. На деле большую роль играет поверхность, по которой этот состав тянуть предлагается.

Коэффициент трения между шинами и сухим асфальтом, в среднем (очень среднем), равен 0,7. Для стального колеса поезда и металлической рельсы эта величина меньше во много десятков раз и равна 0.1 и ниже.

Другой важный параметр – коэффициент сопротивления качению показывает, насколько тяжело перекатывать колесо по той или иной поверхности. Для автотранспорта он равен примерно 0,005. Для поезда – около 0,0001.

Учтем еще и аэродинамику: какой бы длины ни была наша фура, будь она даже автопоездом, ей не сравниться по своей протяженности с поездом железнодорожным. Каждый следующий за локомотивом вагон не будет испытывать большого аэродинамического сопротивления. Поэтому, чем длиннее состав, тем больше выигрыш по данному параметру. Для автотранспорта около половины всех энергетических потерь приходятся на аэродинамику, для поезда – около 15%.

Представим себе, что мы везем 100 т груза на пяти грузовиках на расстояние 1000 км и параллельно отправляем один поезд с тем же грузом на то же расстояние.

Оценим расход одного грузовика как 35 л дизеля на 100 км и получим 1750 л на весь наш караван. Товарному поезду нужно от 4 л дизеля на 100 км на каждую тонну грузу, что дает нам 400 л на весь путь.

Получается действительно выгодно. Но как бы ни были замечательны поезда, а капиллярная доставка грузов всё равно будет за автотранспортом.

#наука #физика #железнаядорога #поезд

Пока в качестве атомов антивещества стабильно удается получать только антиводород. А может это и к лучшему?

Мы уже упоминали, что частица и античастица могут родиться одновременно в результате взаимодействия высокоэнергетического гамма-кванта с электромагнитным полем ядра. Этот процесс называется рождением пары.

Но самое интересное, что при столкновении частицы и античастицы происходит обратный процесс: обе частицы исчезнут в «ослепительной» вспышечке света, ну т.е. с образованием двух гамма-квантов, разлетающихся в противоположные стороны.

Этот процесс назвали аннигиляцией. Одними из первых аннигиляцию наблюдали для электрона и позитрона всё в том же 1933 г. знакомые нам французские физики Ирен и Фредерик Жолио-Кюри.

И, возможно, это самый наглядный процесс, демонстрирующий работу самой знаменитой формулы в мире, незабвенной Е = mc^2. Действительно, у нас были объекты: электрон и позитрон, пускай с маленькой, но массой, а получились гамма-кванты, объекты с нулевой массой, несущие большую энергию.

Нет, не так. БОЛЬШУЮ энергию. Если мы аннигилируем один грамм электронов с одним граммом позитронов, то выделится примерно 180 триллионов Дж энергии.

Это столько же энергии, сколько выделится при взрыве 43000 тонн тротила. Этот тротил будет весить примерно, как 250 синих китов. Или это столько же энергии, сколько выделится при сжигании 2-3 олимпийских бассейнов, заполненных бензином.

По-моему впечатляет: 250 китов тротила или моря бензина на одной чаше весов и пара грамм электронов с позитронами на другой.

А, ну и если где встретим свою копию из антивещества, то не спешим с обнимашками.

#физика #наука #химия #энергия #антивещество

Итак, если у нас есть антиэлектрон (позитрон), то может есть и антипротон, т.е. протон с отрицательным зарядом?

И действительно есть. Он был открыт в 1955 г. с применением ускорителя протонов американскими физиками Эмилио Сегре и Оуэном Чемберленом. За что последние были удостоены Нобелевской премии несколько лет спустя.

А что насчет нейтрона? Нейтрон же без заряда. Есть у него античастица? Оказывается есть. Отличается она знаком своего магнитного момента.

Примерно с середины 20-го века, с развитием ускорителей античастицы поперли, как грибы после дождя. И, ох, до чего соблазнительной стала идея о том, что вдруг из этих античастиц можно составить атом? Это же будет натуральное антивещество.

В 60-70-х годах на ускорителях элементарных частиц в СССР (группа Юрия Дмитриевича Прокошкина) и США (группа Леона Ледермана) наблюдали образование антиядер антидейтерия (антипротон + антинейтрон), антитрития (антипротон + два антинейтрона) и антигелия-3 (два антипротона + антинейтрон).

Возбужденные атомы антиводорода наблюдали в конце 20-го века. Но нам-то охота «спокойных» антиатомов, чтобы самим их повозбуждать и поизучать.

Впервые их удалось получить в начале нулевых годов в ЦЕРНе. Берем протоны, разгоняем их до околосветовых скоростей на синхротроне и направляем в металлическую фольгу. В результате столкновения получаем разные новые частицы в том числе антипротоны.

Собираем и фокусируем свеженькие антипротоны электромагнитными линзами и направляем в замедлитель. Там ошалелые антипротоны подуспокоятся и их скорость упадет до 0,1 скорости света.

Тем временем наготове у нас лежат радиоактивные материалы, любезно снабжающие нас позитронами, которые мы тоже собираем в пучок.

Всё готово, самое время нарушить главное правило охотников за привидениями и скрестить лучи, ну т.е. пучки антипротонов и позитронов. За один эксперимент получается несколько тысяч атомов антиводорода, самые низкоэнергетические из которых нужно захватить в магнитную ловушку для дальнейших исследований.

В результате в магнитной ловушке оказываются десятки, а порой всего единицы атомов антиводорода. На первый взгляд даже немного забавно, что это уже большое достижение цивилизационного проекта.

#наука #физика #химия #энергия #антивещество

В начале-середине 20-го века ученые по всему свету вовсю предсказывали и обнаруживали (или не обнаруживали) всякие элементарные частицы. Не отставал от тренда и английский физик-теоретик Поль Дирак, который в 1928 г. вывел уравнение имени себя. Уравнение описывало движение электрона, но было применимо и для других элементарных частиц.

Ковыряя свое уравнение, Дирак обнаруживает, что теоретически не исключено существование одной хитрой частицы. Свойства у этой частицы должны быть такими же как у электрона, вот только заряд должен быть не отрицательным, а положительным.

Научное сообщество идею Дирака восприняло прохладно, потому что никаких положительных электронов никто никогда и близко не наблюдал. Порешили, что просто математика чудит.

На помощь пришел американский физик Карл Андерсон, который в 1932 г. взял, да и обнаружил этот «антиэлектрон». На тот момент было известно, как электрон движется в магнитном поле. Вооружившись этим знанием Андерсон, решил посмотреть, а как повлияет магнитное поле на движение частиц космических лучей.

И вот обнаружилось, что среди множества частиц встречаются такие, которые двигаются в магнитном поле так, как двигался бы электрон с положительным зарядом. Андерсон назвал частицу «позитроном», а всем остальным пришлось признать, что уравнение Дирака работает как надо.

Неожиданно разобраться с новой частицей посчастливилось французским физикам Ирен и Фредерику Жолио-Кюри (а также независимо от них и английскому физику Патрику Блэкетту). В в 1933 г. им удалось подсмотреть, как она появляется на свет.

Они наблюдали за гамма-квантами от радиоактивного источника. Когда объект их наблюдения попадал в электромагнитное поле ядра атома некоторого вещества могло произойти удивительное событие: сам гамма-квант исчезал, а вместо него, как черти из табакерки, появлялись электрон и позитрон. Этот процесс назвали рождением пары.

В дальнейшем были найдены и другие механизмы образования позитронов. Но именно тогда в науку и фантастику начало проползать понятие загадочного и пугающего «антивещества».

#наука #физика #химия #энергия #позитрон

В прошлый раз мы упомянули проблемы хранения водорода, пожаловались на то, как много места он занимает, да еще норовит пролезть в стенки баллона.

А вот последним обстоятельством можно было бы воспользоваться. Раз уж водород всюду лезет, то и будем хранить его в адсорбированном состоянии. Правда для физической адсорбции нам тоже не помешает пониженная температура (хотя и не настолько низкая, как в случае с водородом жидким).

Проблема здесь состоит в том, что водород, держащийся на поверхности некоторой подложки за счет Ван-дер-Ваальсовых сил (а именно они работают при физосорбции), сидит на этой самой поверхности монослоем. Т.е. как только одна молекула водорода села на поверхность, другая сверху уже не сядет.

По этой причине у материала адсорбента должна быть высокая удельная поверхность. Хорошо для этого годятся металлорганические каркасы или цеолиты.

Цеолиты способны наадсорбировать около 0,5 масс. % водорода при комнатной температуре и до 1,5-2% – при пониженной. У металлорганических каркасов показатели повыше: до 1 масс. % при комнатной температуре и 4,5-5% при жидком азоте.

Оригинальным физическим методом хранения водорода является хранение водорода в стеклянных микросферах. Представьте себе целую гору малюсеньких сфер размерами в единицы и десятки микрометров и толщиной стенки не более 1 мкм.

Эту груда «елочных шариков» под давлением «напитывается» водородом, а потом при нагреве способна весь свой поглощенный водород отдать. А отдать микросферы могут довольно много: около 15 кг водорода на кубический метр сфер.

Вот только работать с хрупкими стеклянными сферами в промышленных условиях, да еще транспортировать их – большая проблема. И здесь чуда не случилось. «Будем искать».

#физика #наука #химия #водород #энергия