В середине XIX века немецкий стеклодув Генрих Гейслер сумел создать хороший вакуум в выдувной стеклянной
трубке с электродами на обоих концах. Проводя опыты с такими трубками, учёные заметили, что иногда само
стекло светилось бледно-голубым или зелёным светом вокруг анода — положительного полюса трубки. Было
выдвинуто предположение, что свечение создаётся лучами, идущими, от катода – отрицательного полюса —- к
аноду, и поэтому они были названы катодными лучами. В 1870-х годах для изучения этих лучей английский
физик Уильям Крукс разработал трубку, позже названную электронной трубкой. С её помощью учёные проводили
множество экспериментов, желая выяснить, что представляют собой эти лучи.
К концу 1880-х годов дискуссия о природе катодных лучей приняла острый полемический характер. Подавляющее
6ольшинство видных учёных немецкой школы придерживалось мнения, что катодные лучи имеют ту же природу,
что и световые лучи. В Англии же придерживались мнения, что катодные лучи состоят из ионизированных
молекул или атомов газа. У каждой стороны имелись веские доказательства в пользу своей гипотезы. Сторонники
молекулярной гипотезы справедливо указывали на тот факт, что катодные лучи отклоняются под воздействием
магнитного поля, в то время как на световые лучи магнитное поле никак не воздействует. Следовательно, они
состоят из заряженных частиц. Однако сторонники корпускулярной гипотезы никак не могли объяснить ряда
явлений, в частности обнаруженного в 1892 году эффекта практически беспрепятственного прохождения катодных
лучей через тонкую алюминиевую фольгу.
Наконец, в 1897 году молодой английский физик Дж. Дж. Томсон положил конец этим спорам раз и навсегда,
а заодно прославился в веках как первооткрыватель электрона. В своём опыте Томсон использовал усовершен-
ствованную катодно- лучевую трубку, конструкция которой была дополнена катушками с электрическим током,
создававшими внутри трубки магнитное поле, и набором параллельных электрически заряженных конденсаторных
пластин, создававших внутри трубки электрическое поле (см. рисунок). Благодаря этому появилась возможность
исследовать поведение катодных лучей под воздействием и магнитного, и электрического полей.

Используя трубку новой конструкции, Томсон последовательно показал, что катодные лучи ведут себя как поток
заряженных частиц: отклоняются в магнитном поле в отсутствие электрического; отклоняются в электрическом поле
в отсутствие магнитного (пунктирные линии 1 или 2 на рисунке); при одновременном действии электрического и
магнитного полей сбалансированной интенсивности, ориентированных в направлениях, вызывающих по отдельности
отклонения в противоположные стороны, катодные лучи распространяются прямолинейно, т. е. действие двух полей
взаимно уравновешивается (пунктирная линия 3 на рисунке).
Неизвестные частицы Томсон назвал корпускулами, но вскоре они стали называться электронами. Сразу же стало
ясно, что электроны обязаны существовать в составе атомов анода — иначе откуда бы они взялись. 30 апреля 1897
года — дата доклада Томсоном полученных им результатов на заседании Лондонского королевского общества —
считается днём рождения электрона.

В осветительных приборах используют люминесцентные лампы, которые хотя и стоят дороже, чем лампы накаливания, но при той же яркости света потребляют меньше электроэнергии.

Внутренняя поверхность люминесцентных ламп покрыта люминофором — веществом, которое не только отражает часть падающего на них света, но и само начинает светиться. Такое свечение называют фотолюминесценцией. Свет люминесценции зависит от состава люминофора и имеет иной спектральный состав, чем свет, вызвавший свечение. Наблюдения показывают, что свет люминесценции характеризуется большей длиной волны, чем возбуждающий свет.

Принцип работы люминесцентной лампы приведён на рисунке 1.

Люминесцентные лампы относятся к особо опасной категории отходов из-за наличия в них паров ртути, которая относится к отравляющим веществам. Повреждённые или использованные люминесцентные лампы нельзя выбрасывать в бытовые контейнеры для мусора, для утилизации этих ламп существует специальное оборудование.

На рисунке 2 представлены спектры излучения для люминесцентной лампы в сравнении с солнечным спектром и лампой накаливания.

Каким образом ученые определяют возраст археологических находок? Существуют различные методы датирования. Одним из них является метод радиоизотопного датирования. 

Радиоизотопные датирование - метод, при котором проводится подсчёт количества изотопов, которые успели распасться за период существования исследуемого образца. Этот метод используется не только в археологии, но и в палеонтологии и геологии.

Радиоуглеродный анализ является одни из видов радиоактивного датирования, когда возраст материалов определяется с помощью измерения содержания в них радиоактивного изотопа углерода ¹⁴С 

В атмосфере присутствуют при изотопа углерода: стабильные ¹²С  (около 98,89 %) и ¹³С (около 1,11 %), а также микроскопическое количество изотопа ¹⁴С  (0,0000000001 %). Изотоп ¹⁴С  образуется в процессе бомбардировки земной атмосферы космическими лучами в результате следующей реакции:

В организмах всех живых существ отношение изотопов ¹²С , ¹³С  и ¹⁴С  равно атмосферному отношению этих изотопов и поддерживается скоростью их метаболизма. После того, как организм умирает, прекращается обмен углерода с внешней средой. Содержание изотопа углерода ¹⁴С  в организме начинает уменьшаться в результате радиоактивного распада:

Период полураспада изотопа ¹⁴С $ составляет примерно 5730 лет. Это означает, что через 5730 лет в образце остаётся половина от первоначального количества ¹⁴С  (см. рисунок).

Атмосферное электричество образуется и концентрируется в облаках -- образованиях из мелких частиц воды, находящейся в жидком или твёрдом 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 Землёй создаётся 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 произошёл разряд молнии, тем длиннее пауза между вспышкой света и громом. Гром от очень далёких 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 её 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.

Земля обладает магнитным полем, обусловленным источниками в глубинах Земли.

Как узнать, были ли в далёком прошлом Земли периоды, когда геомагнитное поле отличалось от нынешнего? Оказывается, следы есть: горные породы, содержащие железные сплавы, намагничиваются в период своего формирования под действием магнитного поля
Земли и сохраняют приобретённую намагниченность в последующие эпохи. Величина
и направление этой намагниченности соответствуют магнитному полю, существовавшему
в данной точке земной поверхности при образовании породы, т. e. миллионы и сотни
миллионов лет назад.

Обыкновенная лава, вытекающая из вулкана при его извержении, всегда содержит некоторое
количество сплавов железа. При остывании и кристаллизации лавы в неё как бы вмораживается множество железосодержащих кристалликов, превратившихся в миниатюрные магнитные стрелки, ориентированные вдоль силовых линий геомагнитного поля Земли.

Изучение лавовых напластований, проведённое в разных точках Земли, показывает, что
за последние примерно 700 тыс. лет геомагнитное поле практически не изменялось.
Но исследования более глубоких и, следовательно, древних слоёв показали, что лавовые
напластования представляют собой настоящий слоёный пирог — за верхним слоем
с «нормальными» силовыми линиями шёл слой с линиями «обратной» полярности, т. е. такими, которые соответствуют геомагнитному полю с полюсами, поменявшимися местами. За последние 4 млн лет геомагнитное поле изменяло свою полярность не менее девяти раз!
 

Зимний водопровод на даче

Такое свойство грунта, как его промерзание, — важный фактор, который следует учитывать при возведении нового жилого или промышленного объекта. Скорость и глубина промерзания грунта зависят от многих составляющих: от самого типа породы (см. таблицу); природной влажности; значений отрицательных температур; наличия снегового покрова и др. Знание этого показателя необходимо, если вы хотите возвести прочный и долговечный фундамент для дома, построить зимний водопровод.

Нормативная глубина промерзания почвы в некоторых городах России

Для функционирования водопровода в зимнее время трубы укладывают в грунт ниже уровня промерзания земли. Трубы, как правило, утепляют подстилкой из песка или полипропиленовыми чехлами. Однако всегда существует участок водопровода, подводящий воду непосредственно в дом и нуждающийся в дополнительной защите от промерзания. Одним из решений в этом случае является использование на этом участке водопровода специального кабеля, который помещается в трубу и подогревает на этом участке воду.

Саморегулирующий греющий кабель — разновидность нагревательных проводников, которые способны самостоятельно изменять выделение тепла в зависимости от температуры окружающей среды. Устройство саморегулирующего проводника представлено на рис. 1.

Основным устройством в конструкции является нагревательная проводящая матрица. Отдельные участки (нагревательные элементы) матрицы подсоединяются параллельно к токопроводящим медным проводникам, которые, в свою очередь, подключены к внешнему источнику тока. Принцип работы полимерной матрицы заключается в следующем: при уменьшении температуры на любом участке матрицы электрическое сопротивление

уменьшается. Потребляемая мощность при этом увеличивается, и элемент нагревается до более высокой температуры. И, наоборот, при нагревании матрицы потребляемая мощность начинает снижаться. Таким образом достигается терморегуляция (рис. 2).

Слои изоляции, защитной экранирующей оплётки, внешней оболочки выполняют функции термозащиты, а также защиты от механических и электромагнитных внешних воздействий.

Для осуществления процессов контактной точечной сварки первоначально использовались специальные клещи с угольными электродами, к которым подводился электрический ток. Затем две сложенные одна на другую стальные пластины зажимались клещами, а ток, подведённый к угольным электродам, проходя через металл, давал достаточное количество теплоты для образования сварной точки.

В 1886 году Э. Томсон запатентовал принципиально новый способ электрической сварки, описываемый следующим образом: «Свариваемые предметы приводятся в соприкосновение местами, которые должны быть сварены, и через них пропускается ток громадной силы – до 200 000 А при низком напряжении — 1-2 В. Место соприкосновения представит току наибольшее сопротивление и потому сильно нагреется. Если в этот момент начать сжимать свариваемые части и проковывать место сварки, то после охлаждения предметы окажутся хорошо сваренными».

Схема такой сварки изображена на рисунке. Практически всё сопротивление- цепи сосредоточено в месте контакта свариваемых деталей (материал деталей имеет большое удельное сопротивление, и, дополнительно, касание происходит в отдельных точках поверхности).

В конце XIX века стыковая контактная сварка применялась для соединения телеграфных проводов. В своих дальнейших исследованиях Э. Томсон стал комбинировать нагрев электрическим током с пластическими деформациями, возможными благодаря применению гидравлических систем сжатия. К началу XX века относятся сообщения о применении контактной сварки для изготовления самолётных двигателей.

Солнце нельзя считать полностью стабильной звездой, оно постоянно меняет силу излучения. На Солнце периодически образуются активные области — в видимом свете наиболее заметными структурными образованиями активной области являются тёмные, резко очерченные солнечные пятна, часто образующие целые группы. Причинами солнечной активности являются явления и процессы, связанные с образованием и распадом в солнечной атмосфере сильных магнитных полей.

Протяжённости активной области достигают нескольких сотен тысяч километров, а время существования — от нескольких дней до нескольких месяцев. Как правило, активные области можно наблюдать в различных диапазонах электромагнитного излучения — от рентгеновских, ультрафиолетовых и видимых лучей до инфракрасных и радиоволн.

Одним из наиболее распространённых показателей уровня солнечной активности является число Вольфа, связанное с количеством солнечных пятен на видимой полусфере Солнца. Общий уровень солнечной активности меняется с периодом, примерно равным 11 годам (см. рисунок).

Время от времени в активной области происходят вспышки. Вспышка представляет собой нечто подобное взрыву, в результате которого образуются выброс частиц высокой энергии (электронов, протонов и др.) и мощный направленный поток электромагнитного излучения (в основном, рентгеновского).

Рентгеновское излучение и потоки заряжённых частиц, приходящие от вспышки, оказывают сильное влияние на физические процессы в верхней атмосфере Земли, вызывают дополнительную ионизацию земной ионосферы, что сказывается на условиях распространения радиоволн (благодаря атмосфере рентген и жёсткий ультрафиолет не проходят до поверхности Земли). Появляется серьёзная опасность облучения космонавтов, находящихся на орбите. Поток выброшенных при вспышке частиц примерно через 1-3 дня достигает орбиты Земли, захватывается её магнитным полем и вызывает на Земле магнитную бурю и полярные сияния (захваченные магнитным полем заряженные частицы взаимодействуют с молекулами и атомами газов атмосферы Земли, вызывая красочные северные сияния).

Активность Солнца несомненно влияет и на нашу планету, и на её биосферу. Учёный A. JI. Чижевский ещё в 1920-х годах указывал на то, что солнечная активность влияет на возникновение заболеваний у человека. Особенно явно это проявляется в заболеваниях сердечно-сосудистой системы

В 1600 году была напечатана книга Вильяма Гильберта «О магните», которая содержит много опытов по магнетизму. 

Гильберт выдвинул гипотезу, что наша Земля — большой круглый магнит, причём он полагал, что географические полюсы почти совпадают с магнитными. Гильберт вырезал из природного магнита шар так, чтобы в нём получились полюсы в двух диаметрально противоположных точках. Этот шарообразный магнит он назвал тереллой, то есть маленькой Землёй. Приближая к ней подвижную магнитную стрелку, можно наглядно показать, как меняются положения магнитной стрелки, которые она принимает в различных точках земной поверхности: на экваторе стрелка расположена параллельно плоскости горизонта, на полюсе — перпендикулярно плоскости горизонта (рис. 1). Угол, на который отклоняется магнитная стрелка в вертикальной плоскости от плоскости горизонта, называется углом наклонения.

На рисунке 2 схематично изображены магнитные линии Земли. На экваторе магнитная индукция составляет примерно 30 мкТл, на географической широте 50^о -- примерно 50 мкТл.

В своей работе Гильберт рассмотрел также различные способы намагничивания железа. Рассмотрим опыт, обнаруживающий «магнетизм через влияние». Подвесим на нитках две железные полоски параллельно друг другу и будем медленно подносить к ним большой постоянный магнит. При этом нижние концы полосок расходятся, так как намагничиваются одинаково (рис. 3а). При дальнейшем приближении магнита нижние концы полосок несколько сходятся, так как притяжение полосок к магниту становится больше, чем отталкивание полосок друг от друга (рис. 3б).

Любое железное или стальное тело, внесённое в поле магнита, намагничивается, то есть само становится постоянным магнитом. Ещё в шестнадцатом веке английский физик Гильберт заметил, что все железные колонны, стоящие вертикально в Ирландии, сами по себе становятся магнитами, причём нижний их конец всегда является южным полюсом. Известно, что стальные корпуса кораблей во время постройки приобретают намагниченность за счёт магнитного поля Земли и становятся гигантскими плавающими магнитами.

Самопроизвольное намагничивание железных предметов в магнитном поле Земли было использовано в годы Великой Отечественной войны для устройства магнитных мин, которые устанавливались на некоторой глубине под поверхностью воды и взрывались при прохождении над ними корабля. Механизм, заставляющий мину всплывать и взрываться, приходил в действие, когда магнитная стрелка, вращающаяся вокруг горизонтальной оси, поворачивалась под влиянием магнитного поля проходящего над миной железного корабля, который всегда оказывается самопроизвольно намагниченным.

Исследовательская группа под руководством Игоря Васильевича Курчатова придумала, как обезвредить магнитную мину. Применялось два способа:  магнитное траление мин и нейтрализация магнитного поля корабля. 

Первый способ заключался в том, что самолет, летящий низко над поверхностью моря, проносил подвешенный на тросе сильный магнит. Иногда вместо магнита опускали на поплавках кабель в виде кольца и пропускали по нему ток. Под влиянием поля магнита механизмы мин приходили в действие, и мины взрывались, не причиняя вреда. 

Второй способ состоял в том, что на самом корабле укреплялись металлические петли, по которым пропускали ток с таким расчетом, чтобы магнитное поле этих токов было равно и противоположно полю самого корабля. Оба поля, складываясь, компенсировали друг друга, и корабль свободно проходил над магнитной миной, не приводя в действие ее механизм.

С развитием электротехники традиционная лампа накаливания перестаёт быть единственным вариантом для освещения жилья. На смену ей пришли сначала люминесцентные, а затем и светодиодные (light emitting diode, или LED) источники света.

Светодиод -- это полупроводниковый прибор, преобразующий электрический ток непосредственно в световое излучение. Так как в светодиоде, в отличие от лампы накаливания или люминесцентной лампы, электрический ток преобразуется непосредственно в световое излучение, то теоретически это можно сделать почти без потерь. При этом практически отсутствует ультрафиолетовое и инфракрасное излучения. Светодиод механически прочен и исключительно надёжен, его срок службы может достигать 100 тысяч часов, что почти в 100 раз больше, чем у лампочки накаливания, и в 5-10 раз больше, чем у люминесцентной лампы. Наконец, светодиод -- низковольтный электроприбор, а стало быть, безопасный.

На рисунке представлены спектр излучения для светодиода в сравнении с солнечным спектром и лампой накаливания.

Светодиодные лампы способны давать световой поток разной теплоты: холодный (с преобладанием синей части спектра) или тёплый (с преобладанием красной или жёлтой части спектра). Цвет излучения ламп характеризуется цветовой температурой. Цветовая температура светодиодных ламп и любых других источников света связана с длиной волны, испускаемой светоизлучающим элементом. Чем больше цветовая температура, тем меньше длина волны излучения. Цветовую температуру измеряют в градусах Кельвина (К).

В зависимости от оттенка осветительные приборы могут использоваться для освещения разных помещений и объектов:

Тёплый белый свет с цветовой температурой 2700-3200 К. Самый оптимальный диапазон, в котором человек чувствует себя комфортно, поэтому такие параметры рекомендованы для освещения в жилых помещениях. Аналогичное излучение дают обычные лампы накаливания.

Дневной белый свет с температурным диапазоном 3500-5000 К. Это нормальный белый свет, который даёт утреннее солнце. Свечение нейтральное, поэтому подходит для использования в разных помещениях: учебных кабинетах, офисах, цехах и пр.

Холодный белый свет с цветовой температурой 5000-7000 К. По характеру свечения напоминает яркий дневной свет. Светильники с такой температурой рекомендуют устанавливать в больницах, лабораториях, на рекламных конструкциях. Ещё диапазон подходит для промышленного и уличного освещения: в парках, на аллеях и парковках.