водяного колеса. При вращении рамки ее провода движутся в магнитном поле, и мы обнаруживаем в цепи рамки э.д. с. Мотор превратился в генератор.
Индуцированная э. д. с. возникает в катушке генератора за счет ее движения. Величина э.д. с. дается простым правилом, открытым Фарадеем. (Сейчас мы просто сформулируем это правило, а несколько позднее разберем его подробно.) Пра вило такое: если магнитный поток, проходящий через петлю (этот поток есть нормальная составляющая В, проинтегриро ванная по площади петли), меняется со временем, то э. д. с. равна скорости изменения потока. Мы будем в дальнейшем называть это «правилом потока». Вы видите, что, когда ка тушка на фиг. 16.1 вращается, поток через нее изменяется. Вначале, скажем, поток идет в одну сторону, а когда ка тушка повернется на 180°, тот же поток идет сквозь катушку по-другому. Если непрерывно вращать катушку, поток сначала будет положительным, затем отрицательным, потом опять по ложительным и т. д. Скорость изменения потока должна тоже меняться. Следовательно, в катушке возникает переменная э.д. с. Если присоединить два конца катушки к внешним про водам через скользящие контакты, которые называются кон тактными кольцами (просто, чтобы провода не перекручива лись), мы получаем генератор переменного тока.
А можно с помощью скользящих контактов устроить и так, чтобы через каждые пол-оборота соединение между концами катушки и внешними проводами становилось противополож ным, так что когда э.д.с. изменит свой знак, то и соединение станет противоположным. Тогда импульсы э.д. с. будут всегда толкать ток в одном направлении вдоль внешней цепи. Мы получаем так называемый генератор постоянного тока.
Прибор, изображенный на фиг. 16.1, может быть либо мо тором, либо генератором. Связь между моторами и генерато рами хорошо демонстрируется с помощью двух -одинаковых «моторов» постоянного тока с постоянными магнитами, ка тушки которых соединены двумя медными проводами. Если ручку одного из «моторов» поворачивать механически, он ста новится генератором и приводит в движение второй как мо тор. Если же поворачивать ручку второго, то генератором уже становится он, а первый работает как мотор. Итак, здесь мы встречаемся с интересным примером нового рода эквивалент ности в природе: мотор и генератор эквивалентны. Количе ственная эквивалентность на самом деле не совсем случайна. Она связана с законом сохранения энергии.
Другой пример устройства, которое может работать либо для создания э.д.с., либо воспринимать действие э.д.с., представляет собой приемная часть обычного телефона, т. е. «слухофон». Первоначальный телефон Белла состоял из двух
|
Тонкий |
Ф и г . 16.4. Приемное |
железный диск |
или передающее устрой |
|
ство телефона. |
|
Звуковое
давление
таких «слухофонов», соединенных двумя длинными прово дами. Основной принцип этого устройства показан на фиг. 16.4. Постоянный магнит создает магнитное поле в двух сердечни ках из мягкого железа и в тонком железном диске — мемб ране, которая приводится в движение звуковым давлением. При движении мембрана изменяет величину магнитного поля в сердечниках. Следовательно, поток через катушку прово локи, намотанной вокруг одного из сердечников, изменяется, когда звуковая волна попадает на мембрану. Тогда в катушке возникает э. д. с. Если концы катушки присоединены к цепи, в ней устанавливается ток, который представляет собой элект рическое изображение звука.
Если концы катушки на фиг. 16.4 присоединить двумя про водами к другому такому же устройству, то по второй ка тушке потечет меняющийся ток. Этот ток создаст меняю щееся магнитное поле и заставит меняться и силу притяже ния железной мембраны. Она начнет дрожать и породит зву ковые волны, подобные тем, которые колебали первую мемб рану. С помощью маленьких кусочков железа и меди челове ческий голос передается по проводам!
(Приемники в современных домашних телефонах похожи на только что описанный, а вот передатчики используются уже улучшенные, чтобы получить большую мощность. Это «микро фоны с угольной мембраной», в которых звуковое давление изменяет электрический ток от батарей.)
§ 2. Трансформаторы и индуктивности
Одна из наиболее интересных сторон открытий Фарадея заключается совсем не в том, что э, д. с. возникает в движу щейся катушке, это мы можем понять с помощью магнитной силы qv X В. Главное — в том, что изменение тока в одной катушке создает э. д. с. во второй катушке. И уж совсем уди вительно, что величина э.д. с., наведенной во второй катушке, дается тем же самым «правилом потока»: э.д.с. равна ско рости изменения магнитного потока сквозь катушку. Возьмем,
37
Ф и г. 16.5. Две катушки,, намо танные mi стопки желейных пла стинок, позволяют зажечь лам почку, не соединяя ее прямо с ге нератором.
например, две катушки (фиг. 16.5), каждая из которых намо тана на отдельную стопку железных пластинок (с их помощью можно создать более сильные магнитные поля). Присоединим теперь одну из катушек — катушку а — к генератору перемен ного тока. Непрерывно меняющийся ток создает непрерывно меняющееся магнитное полё. Такое изменяющееся магнитное поле генерирует переменную э. д. с. во второй катушке — ка тушке Ь. Эта э. д. с., например, способна заставить гореть электрическую лампочку.
В катушке b э. д. с. меняется с частотой, конечно, равной частоте первого генератора. Но ток в катушке Ь может быть больше или меньше тока в катушке а.- Ток в катушке Ъ зави-, сит от индуцированной в ней э. д. с. и от сопротивления и индуктивности остальной части ее цепи. Эта э. д. с. может быть меньше э.д. с. генератора, если, скажем, изменение по тока мало. Или же э. д. с. в катушке b может оказаться много больше э.д.с. генератора, если на катушку Ь навить много витков, ибо в этом случае в данном магнитном поле поток че рез катушку будет больше. (Можно, если хотите, сказать об этом иначе — в каждом витке э.д.с. одна и та же, и поскольку полная э.д.с. равна сумме э.д.с. отдельных витков, то боль шое число витков в совокупности создает большую э.д.с.)
Такая комбинация двух катушек (обычно с набором же лезных пластинок, повышающих магнитное поле) называется трансформатором. Он может «трансформировать» одну э.д.с. (называемую еще «напряжением») в другую.
Эффекты индукции возникают и в одной отдельной ка тушке. Например, в установке, изображенной на фиг. 16.5,
38
меняющийся поток проходит ие только через катушку Ь, кото рая зажигает лампочку, но и через катушку а. Меняющийся ток в катушке о создает меняющееся магнитное поле внутри нее самой, и поток этого поля непрерывно изменяется, так что в катушке а получается самоиндуцированная э. д. с.
Э.д. с., действующая на ток, возникает тогда, когда его собственное магнитное поле растет, пли в общем случае, если его собственное поле изменяется каким угодно образом. Этот эффект называется самоиндукцией.
Когда мы ввели «правило потока», утверждающее, что э.д.с. равна скорости изменения потока, мы не определяли направление э.д.с. Существует простое правило (называемое правилом Ленца) для определения направления э.д.с.: э.д.с. стремится препятствовать всякому изменению потока. Иначе говоря, направление наведенной э.д.с. всегда такое, что, если бы ток пошел в направлении э. д. с., он создал бы поток поля В, препятствующий изменению поля В, создающего эту э.д.с. Правилом Ленца можно пользоваться, чтобы, найти направление э.д.с. в генераторе, показанном на фиг. 16.1, или
вобмотке трансформатора (фиг. 16.3).
Вчастности, если ток в отдельной катушке (или в любом проводе) меняется, возникает «обратная» э.д.с. в цепи. Эта э.д.с. действует на заряды, текущие в катушке а на фиг. 16.5, препятствуя изменению магнитного поля, и поэтому направ лена так, чтобы препятствовать изменению тока. Она стре мится сохранить ток постоянным; э.д.с. противоположна току, когда ток увеличивается, и направлена по току, когда
он уменьшается. При самоиндукции ток обладает «инерцией», потому что эффекты индукции'стремятся сохранить поток по стоянным точно так же, как механическая инерция стремится сохранить скорость тела неизменной:
Любой большой электромагнит обладает большой самоин дукцией. Пусть, например, к катушке большого электромаг нита присоединена батарея (фиг. 16.6) и пусть установилось большое магнитное поле. (Ток достигает постоянной величины,
Ф и г . 16.6, Включениеэлек~ тромагнита в цепь.
Лампочка открывает проход то ку в момент отключения, пре
пятствуя возникновению слиш ком большой в. д. с. на контак тах выключателя.
39
определяемой напряжением батареи и сопротивлением про* вода катушки.) Но теперь предположим, что мы пытаемся от соединить батарею, разомкнув выключатель. Если бы мы на самом деле разорвали цепь, ток быстро уменьшился бы до нуля и в процессе уменьшения создал бы огромную э.д. с. G большинстве случаев такой э.д.с. оказывается вполне до статочно, чтобы образовалась вольтова дуга между разомк нутыми контактами выключателя. Возникающее большое на пряжение могло бы нанести вред катушке, да и вам, если бы именно вы размыкали выключатель! По этим причинам элект ромагниты обычно включают в цепь примерно так, как по казано на фиг. 16.6. Когда переключатель разомкнут, ток не меняется быстро, а продолжает течь через лампу, оставаясь постоянным за счет э.д.с. от самоиндукции катушки.
§ 3. Силы, действующие на индуцируемые токи
Вы, вероятно, наблюдали великолепную демонстрацию правила Ленца с помощью приспособления, изображенного на фиг. 16.7. Это электромагнит точно такой же, как катуш ка а на фиг. 16.5. На одном конце электромагнита помещается алюминиевое кольцо. Если с помощью переключателя подсо единить катушку к генератору переменного тока, то кольцо взлетает в воздух. Силу, конечно, порождают токи, индуцируе мые в кольце. Тот факт, что кольцо отлетает прочь, показы вает, что токи в нем препятствуют изменению поля, прохо дящего через кольцо. Когда у магнита северный полюс нахо дится сверху, индуцированный ток в кольце создает внизу северный полюс. Кольцо и катушка отталкиваются точно так же, как два магнита, приложенные одинаковыми полюсами. Если в кольце сделать тонкий разрез по радиусу, сила исче-
Ф и г. J6.7. Проводящее кольцо сильно отталкивается влектромаенитом, когда в нем меняется ток.
40