Rвнг, то есть пройдёт через резистор, который позволяет учесть потери энергии в самом генераторе.
В первом случае (1) генератор работает вхолостую, нагрузка не включена (Rн = оо), ток равен нулю, энергия в Rвнг не теряется, на выходе генератора действует э.д.с. Е. При сравнительно малой нагрузке (2), то есть при большом сопротивлении Rн, (чем меньше сопротивление Rн, тем большии ток от генератора потребляется, тем больше нагрузка), ток весьма невелик и на потери в Rвнг можно не обращать внимания. Увеличим нагрузку в 10 раз (3), уменьшив для этого в 10 раз сопротивление нагрузки Rн. Потери уже заметны, но напряжение генератора пока вполне приемлемое (Uг ~= 27 В) и в целом режим хороший, спокойный. Попытки форсировать его, получить от генератора значительно больший ток, быстро приводят к грустным результатам (4, 5) — из-за большого тока растут потери Rвнг сильно падает рабочее напряжение Uг и генератор может быстро выйти из строя.
Т-91. Магнитное поле, оказывается, можно получить, размахивая натёртой пластмассовой палочкой. Итак, откуда берётся магнетизм? Какая частица хранит мельчайшую порцию магнитных сил, подобно тому, как электрон или протон хранят мельчайшую порцию электрического заряда, вместе с массой полученную при рождении нашей Вселенной?
Ответить на заданный вопрос, оказывается, не так уж сложно, достаточно проделать несколько очень простых опытов. Для них, правда, придётся добыть кое-какое оборудование: батарейку, две лампочки для карманного фонаря, компас и кусок провода. Соберите из этих элементов простейшую электрическую цепь для начала с одной лампочкой. Поднесите компас к проводу, по которому пойдёт ток, и на мгновение замкните цепь — стрелка компаса отклонится от своего привычного направления на Север и повернётся в сторону провода. Включите в цепь вторую лапочку последовательно с первой лампочкой и повторите опыт — ток в цепи уменьшится, и стрелка компаса отклонится слабее. А теперь повторите опыт, включив вторую лампочку параллельно первой, — сопротивление цепи уменьшится, ток возрастёт, и стрелка отклонится к проводу сильнее. Смените направление тока, поменяв полярность подключения батареи, и стрелка компаса отклонится в противоположную сторону. И последнее: разорвите цепь, прекратите ток в ней, и стрелка компаса тут же вернётся в исходное состояние, позабыв о проводнике, на который она только что равнялась, стрелка компаса будет, как всегда, показывать на Север.
ВК-100.Нам пришлось немало узнать, знакомясь с устройством современных электрогенераторов. Большой путь прошли и сами они от замысловатых приборов, появившихся вскоре после открытия электромагнитной индукции, до серийных машин мощностью в сотни тысяч и даже в миллион киловатт. У них в роторе находится электромагнит (ВК-94), а катушки, в которых наводится э.д.с., неподвижны — через скользящие контакты проще передать в ротор не очень большую мощность для магнитной системы.
Р-34. ИЗМЕРЕНИЕ ДЛИНЫ (РАССТОЯНИЯ), МАССЫ, ВРЕМЕНИ И СИЛЫ. Рисунки от Р-34 до Р-38 помогут нам подвести некоторые итоги, прежде чем двинуться дальше в совершенно новые разделы книги. Первые три рисунка, так же как ранее Р-20, помогают вспомнить или наново определить для себя единицы, в которых мы количественно оцениваем участников событий в электрических цепях и сами эти события. Так, на этом рисунке Р-34 мы прежде всего (1) отмечаем единицу оценки длины 1 метр, сокращённо 1 м (принято говорить «единица измерения длины», «единица измерения массы», «единица измерения электрического тока» и т. д.). Меньше чем 150 лет назад, а именно в 1875 году, единица 1 м вместе с другими единицами была принята Конференцией 17 стран (Великобритания, Германия, Италия, Россия, США, Франция и другие), и этим как бы официально узаконили конец хаоса, когда чуть ли не каждый большой рынок по-своему отсчитывал длину или вес. История метра началась почти за 100 лет до его международного признания — в 1791 году французская Академия наук предложила парламенту страны сделать единицей длины часть проходящего через Париж меридиана. Несколько лет идея обсуждалась и утверждалась, группа учёных в полевых командах измерила реальную длину меридиана на участке Дюнкерк — Барселона (больше 1000 километров), и в 1799 году из платины был изготовлен эталон метра, равный по длине 1/40 000 000 (одной сорокамиллионной) части Парижского меридиана. Сейчас эталоны этого класса хранятся в музеях и практически не используются — наука научилась более точно измерять представленные ими величины. Так, например, длину 1 метр можно представить как расстояние, которое свет в вакууме проходит за 1/299 792 458 секунды.
Но нас пока не интересуют с высочайшей точностью измеренные величины, нас интересуют величины наглядные и запоминающиеся, как, например, линейка, отображающая длину 1 метр, литровая банка воды, отображающая массу 1 килограмм, движение секундной стрелки часов, отображающее время 1 секунда, и полстакана молока или сока, отображающие силу притяжения к Земле (вес) 1 ньютон.
Из всех этих опытов можно сделать два неотвратимых вывода.
Вывод первый: магнетизм порождается электрическим током, то есть движением электрических зарядов, в наших опытах — движением электронов. Если ток (упорядоченное движение зарядов) в проводнике прекращается, его магнитное поле исчезает.
Вывод второй: чем сильнее ток в проводнике, тем более сильным магнитом становится этот проводник.
Глубокие исследования привели к ещё более категоричному выводу: никакого самостоятельного магнетизма мы не наблюдали, магнетизм, магнитное поле порождается электричеством, магнитные свойства появляются у движущихся электрических зарядов, и только у движущихся электрических зарядов.
Но откуда же тогда берутся магнитные свойства у постоянного магнита, который спокойно лежит на столе и ни в какую электрическую цепь не включён? Что создаёт магнетизм у намагниченного железного стержня или у стрелки компаса? Их, оказывается, тоже создаёт движение электрических зарядов, но на этот раз движение особое, внутреннее.
Каждый электрон сам по себе обладает некоторыми магнитными свойствами, они, видимо, связаны с особым внутренним движением его заряда. Электрон, как и большинство других атомных частиц, чем-то напоминает волчок, во всяком случае, имеет момент собственного вращения — спин. С ним, скорее всего, связано и внутреннее движение заряда, которое мы пока не можем представить себе наглядно, в виде какой-нибудь привычной модели. Но об этом движении уже многое известно, например, известно, как от спина зависит магнитный момент частицы. В частности, магнитный момент электрона в два раза выше, чем если бы заряженную частицу раскручивали «обычным способом», например, закрепив на вращающемся волчке.
Так или иначе, отдельный электрон, где бы он ни находился, ведёт себя как некий микроскопический магнитик с явно выраженными полюсами. Под действием внешнего магнитного поля все магнитики-электроны несколько поворачиваются и вносят свой вклад в магнитную поляризацию всего физического тела, в частности, куска железа. Кроме того, в каждом атоме есть свои внутренние кольцевые электрические токи — движение электронов по орбитам. Именно эти орбитальные токи вместе с собственным магнетизмом электронов могут превратить атом в микроскопический магнит. В железе и некоторых других веществах (они называются ферромагнитными, от слова «феррум» — «железо») при объединении атомов в молекулы их магнитные поля складываются в значительно более крупных (по атомным масштабам) образованиях — в особых молекулярных комплексах, получивших название «магнитные домены» (от латинского «доминиум» — «владение»). Сильно упростив картину, можно считать магнитные домены элементарными магнитиками, благодаря которым существуют постоянные магниты. В не намагниченном железе элементарные магнитики (магнитные домены) расположены случайным образом, беспорядочно, а в намагниченном железе действуют согласованно, формируя сильное поле постоянного магнита и его полюсы.
Конечно, в действительности всё происходит не так-то просто, но результат именно такой — постоянные магниты своими магнитными свойствами в итоге тоже обязаны движению зарядов. Пытаясь подвести итог и несколько утрируя ситуацию, скажем так: пластмассовая палочка — это всего лишь пластмассовая палочка, натёртая пластмассовая палочка — это электрический заряд, и, наконец, натёртая пластмассовая палочка, если ею размахивать в воздухе, — это уже магнит.
ВК-101. Уже знакомую нам э.д.с. самоиндукции (ВК-96) часто называют противоэ.д.с. Направление у неё всегда такое, что она противодействует изменениям тока в цепи. Например, при подключении к генератору какой-либо катушки, в ней вроде бы сразу должен появиться ток, определяемый по закону Ома. Но из-за противоэ.д.с. ток нужной величины появляется лишь через некоторое время — это генератор создаёт магнитное поле, которое непременно должно быть у катушки, по которой идёт ток.
Р-35. ИЗМЕРЕНИЕ РАБОТЫ И МОЩНОСТИ, А ТАКЖЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА И ТОКА. Если мы поднимаем какой-либо небольшой груз (1), например полстакана молока, то вынуждены затратить на это перемещение снизу вверх определённую энергию, выполнить какую-то работу, преодолевая притяжение Земли. Если же мы дадим возможность поднятому стакану спокойно переместиться вниз (2), то он, используя притяжение Земли, сможет сам поработать на нас, выполнить какую-нибудь работу, например с помощью нитки поднять другой небольшой груз. Все это мы называем механическими действиями или движениями, затратой или получением механической энергии. Подсчитать проделанную работу несложно — нужно вес груза (силу его притяжения к Земле) умножить на пройденный им путь. Если хочешь узнать, насколько энергично велась вся эта механическая работа, воспользуйся общепринятой характеристикой «мощность», прикинь, сколько работы выполнено или сколько энергии получено за единицу времени — за 1 секунду (2). В электрических цепях, с которыми нам предстоит иметь дело, всё, как вам видится, происходит по-другому, но смысл самих характеристик «работа» и «мощно