Однако бóльшая часть электроэнергии, которую использует человечество, вырабатывается тепловыми электростанциями. В них вращение электрогенератора осуществляет турбина, через которую пропускают водяной пар под высоким давлением. Так можно раскрутить турбину до очень высоких скоростей и получить много электроэнергии. Но чтобы получить водяной пар, нужно вскипятить воду, а для этого ее нужно хорошенько разогреть. Вот для чего необходимо топливо: уголь, природный газ, мазут или даже радиоактивный уран[21].

Поэтому схема работы тепловой электростанции следующая. Сжигая топливо, мы получаем тепло. Это тепло идет на разогрев воды. После закипания вода превращается в пар, который по системе труб поступает в турбину. Турбина раскручивается и вращает электрогенератор, который за счет явления электромагнитной индукции и вырабатывает электрический ток.

Так происходит преобразование химической энергии (т. е. энергии химических связей атомов топлива) или ядерной энергии (т. е. энергии связи ядер урана) сначала в тепловую, потом в механическую и потом уже в электроэнергию, которую мы можем использовать у себя дома.

В главе «Откуда берется магнитное поле» (стр. 75) мы выяснили, что магнитное поле возникает из-за движения электрических зарядов. Кроме того, изменяющееся магнитное поле может создавать электрическое, которое индуцирует электрический ток (явление электромагнитной индукции). Получается, что эти два вида полей (или сил, или взаимодействий) как-то связаны друг с другом. Проиллюстрируем это еще на одном примере. Он может войти в противоречие с вашей интуицией, так что приготовьтесь.

Представим, что вы сидите в вагоне поезда, который движется со скоростью 100 км/ч. Перед вами на столе лежит пластиковая расческа, которой вы только что почесали своего кота, т. е. расческа обладает электрическим зарядом. Значит, в вашем вагоне вокруг этой расчески существует электрическое поле, создаваемое этим зарядом. Магнитного поля нет, т. к. расческа просто лежит и никуда не движется. Теперь представим, что за движением вагона наблюдает ваш приятель, стоящий на платформе вокзала, мимо которого вы проноситесь со скоростью 100 км/ч. Какую картину зафиксирует он[22]? Во-первых, так же как и вы, он увидит заряженную расческу, а значит зафиксирует электрическое поле, создаваемое этим зарядом. А во‐вторых, поскольку этот заряд движется мимо него, еще его приборы зафиксируют магнитное поле, создаваемое движущимся электрическим зарядом. Получается, что для вас, сидящего в вагоне, никакого магнитного поля нет. А для вашего приятеля, стоящего на платформе, магнитное поле есть. Так существует ли магнитное поле, создаваемое зарядом расчески, на самом деле?

Ответ не так очевиден. Получается, что он опять зависит от системы отсчета. В каких-то системах отсчета магнитное поле может существовать, а в других отсутствовать. Как это может быть вообще? А дело тут в том, что никакого электрического и никакого магнитного полей в отрыве друг от друга не существует. Есть единое электромагнитное поле, отдельными компонентами которого будут электрические и магнитные поля[23]. При переходе из одной системы отсчета в другую компоненты этого поля меняются. И может оказаться, что в некоторых системах отсчета магнитные компоненты просто обнулятся (там будет наблюдаться только электрическое поле).

Значит, мы должны признать, что электрическое и магнитное взаимодействия – это просто две грани одного и того же взаимодействия, электромагнитного. Тогда необходимо установить взаимосвязь между ними и выразить это математически. Ведь физика – точная наука, и, помимо словесного описания какого-либо феномена, физикам нужны строгие математические формулы, описывающие эти взаимосвязи.

Этой работой занялся английский физик Джеймс Максвелл (1831–1879). Он собрал все известные на тот момент формулы, описывающие электрические и магнитные взаимодействия, разработал новый математический язык – векторный анализ, для более универсальной записи своих уравнений ввел тензор электромагнитного поля, содержащий компоненты как электрического, так и магнитного полей. В итоге у Максвелла получилось всего две пары уравнений.

Первое уравнение – это просто закон Кулона, переписанный в векторной форме. Оно говорит о том, что электрическое поле создается электрическими зарядами. Второе уравнение описывает уже магнитное поле и говорит, что магнитных зарядов (тех самых магнитных монополей) не существует. Третье уравнение описывает магнитные поля, которые создаются движущимися электрическими зарядами. А четвертое уравнение – это закон электромагнитной индукции, открытый Фарадеем.