Электромагнитные волны переносят энергию. Вся жизнь на Земле существует только благодаря энергии Солнца, переносимой к нам электромагнитными волнами инфракрасного, оптического и ультрафиолетового диапазонов. Каждый квадратный метр земной поверхности получает около 600 Вт солнечной энергии. Если бы мы научились всю ее использовать, то на каждом квадратном метре можно было бы включить по электроплитке! А ведь между Землей и Солнцем нет никаких проводов или других материальных «энергетических мостиков» — только космическое пространство!
Возможность направленной передачи энергии с помощью электромагнитных волн давно интересует специалистов. Главная проблема заключается в том, чтобы энергия не рассеивалась в пространстве бесполезно, а по возможности вся поступала к потребителю. Следовательно, энергию электромагнитных волн необходимо сконцентрировать в очень узкий луч. Сделать это можно только при использовании очень коротких волн длиной в несколько миллиметров или еще меньше. Дело в том, что хорошо концентрируют энергию только излучатели (антенны) достаточно больших по сравнению с длиной волны размеров. Один из проектов предусматривает строительство в космосе электростанции, превращающей с помощью полупроводниковых солнечных элементов световую энергию Солнца в электрический ток. Этим током должны питаться мощные генераторы сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения, снабженные большими антеннами, направленными на Землю. На Земле размещается мозаика из огромного числа приемных антенн с полупроводниковыми СВЧ детекторами, преобразующими энергию сверхвысокочастотных колебаний в постоянный электрический ток. Необходимость в большом числе приемников обусловлена тем, что каждый полупроводниковый приемник может работать лишь при сравнительно небольшой мощности. Но это пока всего лишь проект.
Как преобразовать энергии электромагнитного излучения Солнца в электрическую здесь, на Земле? Проще всего подвесить черный котел с водой в фокусе большого параболического рефлектора-зеркала. Вода в котле нагревается до высокой температуры и превращается в пар, который может вращать небольшую паровую турбину, или использоваться для обогрева теплиц и помещений. Подобные солнечные энергетические установки уже изготавливаются и устанавливаются в южных районах страны, где много солнечных дней в году, но в то же время трудно пользоваться обычными источниками энергии ввиду удаленности от промышленных и энергетических центров. Недостаток подобного способа использования солнечной энергии, переносимой электромагнитными волнами, очевиден: коэффициент полезного действия (КПД) паровой машины, так же как и старого паровоза, не превосходит 10.. 20 %. Желательно было найти преобразователи энергии с более высоким КПД. И в этом вопросе бурно развивающаяся полупроводниковая электроника не могла не сказать своего веского слова. Были созданы солнечные элементы — устройства, непосредственно преобразующие энергию световых волы в электрический ток. Если р-n переход полупроводникового диода осветить, на выводах диода появится небольшая разность потенциалов. Она вызвана так называемым вентильным фотоэффектом. Энергия квантов света, сообщаемая электронам полупроводника, помогает им преодолеть потенциальный барьер, существующий в области р-n перехода, в результате чего и возникает разность потенциалов. Подробнее о р-n переходе будет сказано в следующей главе, а пока лишь отметим, что инженерам удалось решить главную задачу сделать р-n переход достаточно большой площади, чтобы можно было собирать больше световой энергии. Один солнечный элемент с размерами 1 х 3 см развивает ЭДС до 0,5 В. Элементы соединяют в батареи площадью до нескольких квадратных метров. Подобная батарея может генерировать уже несколько киловатт электроэнергии, ведь КПД солнечных элементов очень высок и достигает 70.. 90 %. Солнечные батареи пока еще очень дороги, и поэтому их широко используют лишь для питания электронной аппаратуры искусственных спутников Земли, тем более, что погода вне атмосферы Земли всегда солнечная.
Солнечные батареи на космическом корабле.
Немало технических новинок с солнечными батареями создано и для земных условий. Сделаны радиоприемники и портативные радиостанции с солнечным питанием. Если первые служат в основном для развлечения, то вторые могут оказаться незаменимыми для геологов, туристов и прочего таежно-бродячего люда. Выпускаются микрокалькуляторы с питанием от солнечных элементов, причем для работы их даже не обязательно выносить на солнце, вполне достаточно света настольной лампы.
Предпринимаются попытки создать и более мощные конструкции — электромобили, яхты с электропитанием от солнечных батарей, однако ясно, что для успешной работы таких систем нужна ясная солнечная погода.
Электромобиль с солнечными батареями.
Энергия, переносимая электромагнитными волнами, зависит от мощности источника и расстояния до него. Солнце — чрезвычайно мощный источник электромагнитной энергии. И хотя расстояние от Земли до Солнца очень велико — оно составляет 149 млн. км, солнечной энергии хватает и для обогрева Земли, и для поддержания на ней жизни. Иное положение на далеких планетах Солнечной системы — там поток энергии значительно меньше. Чтобы установить зависимость потока энергии, переносимой электромагнитными волнами, от расстояния, окружим Солнце воображаемой сферой радиуса R. Через поверхность этой сферы пройдет весь поток энергии, излучаемой Солнцем, а площадь поверхности сферы составит 4π·R2.
Увеличив радиус сферы вдвое, мы увеличим ее поверхность в четыре раза. Следовательно, поток энергии, проходящей через один квадратный метр нашей воображаемой поверхности, уменьшится также в четыре раза. Таким образом, поток энергии, переносимой электромагнитными волнами, обратно пропорционален квадрату расстояния от источника. Именно поэтому свет далеких звезд так слаб и его невозможно увидеть днем при ярком сиянии Солнца. И уж конечно, нельзя говорить об энергии света звезд в плане ее практического использования. Но звездный свет нам нужен, без него мы не представляем ясных летних ночей, без него мир был бы намного беднее. Информация, которую несет нам звездный свет, используют навигаторы, ученые, а уж о влюбленных и говорить нечего! Значит, и очень слабый поток электромагнитной энергии может быть чрезвычайно полезен — он может нести информацию!
Об информации, передаваемой световыми сигналами, мы уже говорили во второй главе, в частности о кострах на башнях. Для приема этой информации служил один из самых совершенных приемников электромагнитных волн, созданный природой, — человеческий глаз. Но распространение световых сигналов зависит от атмосферных условий в пасмурную, дождливую и туманную погоду электромагнитные волны светового диапазона сильно поглощаются. Этого недостатка нет у более длинных волн — радиоволн.
История их применения и использования очень коротка, она не насчитывает еще и века, но столь насыщена событиями, необычна и интересна, что о ней стоит поговорить подробнее.
Великие теоретики и великие практики
Путь к познанию и изучению электромагнитных волн был нелегок. Связь магнитного поля с порождающим его током установил X. Эрстед в 1820 году. Майкл Фарадей, замечательный английский физик-экспериментатор, задался противоположной целью — установить, а не может ли магнитное поле быть причиной возникновения электрического тока. Многочисленные опыты привели к успеху. Сейчас трудно даже представить, что пришлось преодолеть экспериментатору. Любому школьнику ясно, что катушку индуктивности надо наматывать изолированным проводом. Но в 20-х годах прошлого столетия это было совсем не очевидно! Где было взять изолированный провод, ведь промышленность его не выпускала? Да и электротехнической промышленности как таковой еще не было. Неизвестно, выпускалась ли вообще тонкая медная проволока. Поставим себя на место экспериментатора и даже облегчим задачу — допустим, что проволока у нас уже имеется. Для изготовления небольшой катушки ее требуется метров пятьдесят. Значит, нам предстоит обмотать эту проволоку бумагой или полосками ткани, да так, чтобы не осталось неизолированных мест. А теперь проволоку надо намотать на катушку, чтобы не повредить, и не сдвинуть нашу самодельную изоляцию. Не зря великий Т. Эдисон говорил, что научное творчество на 99 % состоит из вовсе не творческого, а рутинного труда.
Опыт по электромагнитной индукции.
Разумеется, опытами с электричеством занимался не один Фарадей. Рассказывают, например, такой курьезный случай. Один из физиков того времени был очень близок к открытию закона электромагнитной индукции. Он разместил рядом две катушки, к одной из которых был подключен гальванометр, а через другую пропускался электрический ток. Вся беда была в том, что, желая обеспечить чистоту эксперимента, источник тока с выключателем физик разместил в другой комнате. Ток выключен стрелка гальванометра на нуле, ток включен — стрелка опять на нуле. Она отклонялась в момент включения и в момент выключения тока, но на гальванометр в это время никто не смотрел физик уходил в другую комнату включать и выключать рубильник.
