модействии с обычным стержневым магнитом.
Т-94. Катушка: ток последовательно проходит по нескольким виткам провода и их магнитные поля суммируются. Свернув проводник в кольцо, удалось получить абсолютное подобие стержневого магнита, и теперь есть возможность познакомиться с ещё одним не менее простым и не менее гениальным изобретением. Можно, оказывается, во много раз увеличить магнитную силу кольцевого электромагнита, складывая магнитные поля нескольких витков. Причём по всем этим виткам можно пропускать один и тот же ток, сделав электрический магнит в виде многовитковой спирали. Такой спиралевидный элемент называют «катушка индуктивности», или просто «катушка», и на схемах обозначают его буквой L. Ясно, что чем больше витков w у катушки, тем сильнее её суммарное магнитное поле. А кроме того, поле, как всегда, зависит от силы тока I, и поэтому способность катушки создавать магнитное поле иногда оценивают её ампер-витками (I∙w) — произведением тока I в амперах на число витков w.
ВК-107.Попробуем двигатель с рамкой в качестве ротора (ВК-95) превратить в генератор, создающий э.д.с. за счёт электромагнитной индукции. Для этого нужно вращать ротор (рамку) внешним двигателем, а вместо батареи включить вольтметр. Он покажет, что за первые полоборота наведённая э.д.с. росла, а затем падала — рамка с разной скоростью пересекала магнитное поле. В следующие пол-оборота сменилось направление проводников и одновременно тока — генератор выдал точно такую же э.д.с.
Р-37. МОЩНОСТЬ ПРИ РАЗНОМ СООТНОШЕНИИ НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА. Все приведённые рисунки будут в дальнейшем помогать нам в непростом деле анализа и применения электрических схем. Но некоторые будут встречаться особо часто, какие-то из них стоит разобрать подробнее и запомнить навсегда. В числе таких особо нужных и этот рисунок, он напоминает о том, что одну и ту же мощность Р можно получить при самых разных соотношениях напряжения U и тока I (1). Понимание этой простой истины привело к тому, что электроэнергетика ежегодно сберегает триллионы рублей, долларов, иен и прочей валюты. Об этом мы конкретно поговорим позже, а пока посмотрите, как в простой цепи получают одну и ту же мощность при разных напряжениях и токах (2). Из формулы Р = U∙I уже известным нам способом (Р-24) можно получить пару полезных расчётных формул, и ещё одну пару таких формул можно получить, заменив U или I их значениями, взятыми из закона Ома.
Т-95. Ферромагнитные и парамагнитные вещества в разной степени усиливают магнитное поле, диамагнитные ослабляют его. Можно в сотни и даже в тысячи раз усилить магнитное поле катушки, если вставить в нее сердечник из так называемых ферромагнитных веществ. К их числу относится сталь (железо), никель, кобальт, а также некоторые специальные сплавы и специальная керамика, содержащая окислы железа. Внешнее магнитное поле действует на магнитные домены ферромагнитного вещества таким образом, что их магнитные полюсы поворачиваются в одну сторону, всё физическое тело поляризуется, само становится магнитом, который может оказаться во много раз сильнее внешнего поля, созданного током в катушке.
Число, которое показывает, во сколько раз в том или ином веществе реальные магнитные силы превышают магнитные силы, созданные самой катушкой, называют относительной магнитной проницаемостью, обозначается она греческой буквойμ — «мю» (Р-46). У стали магнитная проницаемость μ около 7500, и это значит, что внутри стального сердечника, вставленного в катушку, магнитные силы поворачивали бы магнитную стрелку (стрелка внутри стального сердечника — это, конечно, мысленный эксперимент) в семь тысяч раз сильнее, чем внутри той же катушки, но без сердечника. Если в катушку вставлен стальной или иной ферромагнитный сердечник, то магнитное поле значительно усиливается не только в самом сердечнике, но и во всей области вблизи катушки. Потому что к магнитному полю катушки добавляется значительно более сильное магнитное поле намагнитившегося сердечника, этого уже, по сути дела, сильного постоянного магнита.
В электромагнитах практически всегда есть стальной или иной ферромагнитный сердечник, и именно к катушке с сердечником чаще всего относится само название «электромагнит».
Все остальные вещества, кроме ферромагнитных, делятся на две группы — диамагнитные и парамагнитные, и те и другие незначительно (на малые доли процента) влияют на реальные магнитные силы. При этом парамагнитные вещества незначительно усиливают магнитное поле, а диамагнитные незначительно ослабляют его.
Т-96. Основные характеристики магнитного поля — напряжённость Н, магнитная индукция В и магнитный поток Ф. Мы затратили довольно много усилий на знакомство с электрическими явлениями, с процессами в электрических цепях. Хочется верить, что это было интересное знакомство, но во всех случаях это было знакомство полезное. Можно даже сказать, необходимое. Потому что любой электрический аппарат, любая электрическая система — это прежде всего не что иное, как электрическая цепь. И, как уже не раз отмечалось, чувствовать себя свободно и легко в электрическом мире может только тот, кто глубоко понимает законы электрических цепей.
Во многих электрических приборах и установках работает не только электричество, но и магнетизм, однако, как правило, нечасто приходится разбираться в магнитных устройствах и процессах столь же детально, как в электрических. И всё же очень полезно иметь хотя бы самое общее представление не только о физической сущности важнейших магнитных процессов, но и о некоторых магнитных характеристиках и единицах их измерения.
ВК-108.Теперь вместо переключателя с двумя полукольцами поставим два контактных кольца — одно соединим с началом рамки, другое с её концом. В результате после первой половины оборота наведённая э.д.с. сменит полярность — «плюс» и «минус» поменяются местами. После окончания второй половины оборота всё начнётся сначала. И вывод: мы получили генератор переменной э.д.с. Одну из её полярностей (условно положительную) откладываем вверх от горизонтальной оси, другую (отрицательную) — вниз.
Р-38. ПОПРОБУЕМ ЗАГЛЯНУТЬ В НЕВИДИМЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МИРЫ. Главная особенность всех электрических систем в том, что мы не видим и очень часто даже не представляем себе, что в них происходит, как они работают. В попытках понять, что именно происходит в конкретных электрических машинах, неоценима помощь специальных измерительных приборов: вольтметра, амперметра и омметра. Как обещают сами названия, эти приборы позволят измерить напряжение и ток в каком-либо участке цепи и реально действующее сопротивление этого участка. Внимательный читатель уже, видимо, заметил, что амперметр включается последовательно в цепь, где нужно измерить ток (3), а вольтметр подключается параллельно участку, на котором измеряют напряжение (2). Что же касается сопротивления, то его лучше всего измерять при полном отключении от цепи, в которой протекает ток (4). Попутно отметим, что сопротивление амперметра должно быть как можно меньше, чтобы он при включении в минимальной степени влиял на измеряемый ток. Сопротивление вольтметра, напротив, должно быть как можно больше, чтобы прибор не снижал сопротивление участка, на котором измеряется напряжение. Омметр оценивает измеряемое сопротивление Rx по величине тока, который создаёт в цепи небольшой собственный гальванический элемент Б, расположенный внутри омметра.
Первым на рисунке показан хорошо всем известный прибор для измерения времени — часы (1). В данном случае мы видим три стрелки и три шкалы для отсчёта часов, минут и секунд. Это огромное удобство, оно позволяет замечать и крупные интервалы времени (часы), и мелкие (секунды, каждая длится в 3600 раз меньше часа). На рисунках вверху показаны электроизмерительные приборы, которые, судя по шкале, используют тактику часов и тоже могут измерять как большие, так и малые величины напряжений, токов и сопротивлений. Как это делается, пояснит следующий рисунок.
Когда нам понадобились единицы измерения электрических характеристик — напряжения, тока, сопротивления, мощности, — то мы начали с минимальной порции электрического заряда, с электрона. Из него была сформирована реальная единица заряда (кулон), и дальше уже всё пошло легко и просто, мы легко ввели единицы измерения и оценки величины тока, напряжения, сопротивления, энергии и мощности: ампер, вольт, ом, джоуль, ватт.
С единицей магнетизма дело обстоит сложней. Во всяком случае, сделать эталоном магнитные свойства единичного электрона или какой-либо атомный кольцевой ток было бы слишком сложно. Одна из основных магнитных единиц — напряжённость магнитного поля Н, она говорит о том, с какой силой магнитное поле в данной точке действовало бы на определённый пробный магнит, а конкретно на проводник с током 1 А. При этом предполагается — и это очень важно, — что дело происходит в вакууме и свойства среды на действие поля не влияют. Поэтому можно считать, что напряжённость поля Н — это абсолютно личная характеристика магнита или электромагнита (Т-8), она говорит только о его собственных возможностях, о том, какие силы могли бы действовать в его магнитном поле. Единица напряжённости — ампер/метр (произносится «ампер-на-метр), сокращённо А/м. Магнитное поле с такой напряжённостью появляется на расстоянии 16 сантиметров от проводника, по которому идёт ток 1 ампер.
Итак, напряжённость Н говорит о том, что могло бы делать магнитное поле в вакууме, без учёта влияния среды, в которой реально действуют магнитные силы. А между тем влияние среды, как мы уже отметили, может быть очень сильным, она, в частности, может в сотни и тысячи раз усиливать действие магнитного поля. Поэтому вводится ещё одна характеристика — магнитная индукция