. В электрических приборах и аппаратах часто встречаются магнитные элементы. Читатель довольно долго пробирается через трудные разделы книги, посвященные основным явлениям и общим законам электрического мира. Сейчас уже, пожалуй, можно порадоваться: мы заметно приблизились к для многих более лёгким и более приятным описаниям конкретных машин и приборов. До сих пор у нас была лишь одна конкретная электрическая машина — любимый наш карманный фонарик. Сейчас, завершая общее знакомство с магнитными цепями, уместно вспомнить о нескольких других конкретностях, предвещая этим многие приятные встречи уже недалекого будущего.
ВК-111.В начале 1900-х годов, когда активно начали строить электростанции, возникли споры о том, на какой основе развивать электроэнергетику — на основе постоянного (главный сторонник Эдисон) или переменного тока. И только когда великий изобретатель Эдисон признался, что он был неправ, заслуженную победу переменного тока признали все. О его достоинствах мы ещё поговорим, а пока отметим вот что: в какую бы сторону ни двигались электроны, они создают тепло и магнитное поле, — переменный ток отлично работает в бытовых приборах.
Р-41. С ЧЕГО НАЧИНАЕТСЯ МИЛЛИОН ПРОВОДОВ. Даже человеку, далёкому от электротехники, неплохо знать, что сегодня создание, транспортировка и использование электрической энергии — это гигантская индустрия. И в ней много своих самостоятельных областей со своей промышленностью, своими научными поисками, со своим огромным разнообразием изделий. Среди таких областей — провода и кабели, которых выпускаются тысячи разновидностей, каждая со своим названием. Достаточно пробежаться по нужному разделу Интернета, чтобы увидеть, как много в этой области самостоятельных направлений: провода и кабели сильноточные и для передачи слабых сигналов, провода круглого и прямоугольного сечения, специально для морских судов, для самолётов, для дачных построек и для высотных домов, для подземной и воздушной проводки, для стерильных медицинских помещений, для прокладки в химически агрессивных средах и многие десятки других. И совсем уже ошеломляющее впечатление производит бессчётное количество непонятных человеку со стороны названий проводов и кабелей, всех этих КГХЛ, АВБ6ШГ, НГП-30, СБПЕГ, ПЭШО, КУПЭЗ, КММ, РХ-50, КВВГ, PKTM, ПЭПТ-В-100, БПВЛ, XLPE, ПУНП, ПТВВГ и много сотен, а скорее всего, тысяч других.
Первые сведения о медных проводах с шёлковой изоляцией относятся к 1810–1830 годам. С тех пор разного диаметра медный провод, покрытый тонким слоем изолирующей эмали, несмотря на множество появившихся помощников и конкурентов, остался самым распространённым путём для передачи электричества. Медный провод можно встретить в многочисленных современных кабелях, в обмотках генераторов, двигателей, трансформаторов и других электрических машин.
В электрических системах и аппаратах довольно часто встречаются чисто магнитные элементы, в частности магнитопроводы и разного рода электромагниты. Мы нечасто обращаем внимание на этих скромных тружеников электрического мира, ибо они как-то не очень заметно вплетены в сложные электрические цепи и, главное, редко отвлекают нас своими неисправностями.
На рисунке Р-47 показаны распространённые типы магнитопроводов — один из них (п-образный) напоминает две состыкованные буквы «п», второй (ш-образный) — две состыкованные буквы «ш», третий (кольцевой) — обычное кольцо. Во всех случаях магнитное поле создаётся катушкой L, внутри которой каким-то образом проходит магнитопровод, его принято называть сердечником катушки. Как правило, сердечники изготовлены из ферромагнитного материала, будем считать, что из стали. Магнитное поле везде замыкается по пути наименьшего магнитного сопротивления, то есть по магнитопроводу, при этом в самом магнитопроводе получается очень высокая магнитная индукция В и сильный магнитный поток Ф. В ш-образном сердечнике магнитный поток разветвляется, а затем вновь сходится в центральной части. А в одном из кольцевых сердечников имеется зазор, он, возможно, понадобился для того, чтобы подбором магнитного шунта установить в сердечнике необходимый магнитный поток.
Ещё один пример работающих магнитных зазоров — электромагнитное реле, упрощённо показанное на рисунке Р-49. Здесь стальная пластинка, именуемая якорем, находится на небольшом расстоянии от сердечника электромагнита и оттягивается от него пружиной. Как только в катушке L появляется ток, якорь намагничивается, притягивается к сердечнику, и контакты, закреплённые на якоре, замыкают или размыкают какую-либо электрическую цепь. С помощью реле можно слабым сигналом произвести переключения в мощных электрических цепях или одним сигналом производить большое число переключений.
И последний пример — электромагнит, позволяющий измерять силу тока в цепи. Небольшой стальной сердечник закреплён на двух пружинках и частично вставлен в катушку электромагнита. Когда в катушке появляется ток, сердечник намагничивается и постепенно втягивается в катушку, преодолевая сопротивление пружин. Чем больше ток, тем в большей мере сердечник преодолевает это сопротивление и втягивается в катушку всё глубже и глубже. К сердечнику прикреплена стрелка прибора, по её смещению можно определить, насколько сильный ток проходит по катушке, создавая магнитное поле. На этом принципе работают очень распространённые измерительные приборы электромагнитного типа — амперметры и вольтметры.
ВК-112. О работоспособности переменного тока (э.д.с., напряжения) нельзя судить по его амплитуде — основную часть периода ток меньше амплитудного. О реальных возможностях переменного напряжения (тока) говорит его эффективное значение — условное постоянное напряжение с такой же работоспособностью. Эффективное напряжение (ток) в электросети составляет примерно 0,7, или иначе 70 %, от амплитуды. На электроприборах всегда указывают необходимое им эффективное напряжение и ток.
Т-99. Странное поведение ферромагнитного сердечника становится причиной некоторых неприятностей и в то же время основой для замечательных изобретений. Попробуем провести мысленный эксперимент. Подключив катушку к источнику постоянной э.д.с. (Р-48), будем с помощью переменного сопротивления менять ток I в катушке, а вместе с ним и напряжённость магнитного поля Н. При этом будем следить за тем, как меняется созданное катушкой магнитное поле, а конкретно магнитная индукция В, в какой-то определённой точке. Существуют специальные приборы для измерения магнитной индукции, но в мысленном эксперименте можно воспользоваться и простейшим приспособлением — подвешенным на нитке небольшим магнитиком, который тем сильнее притягивается к катушке, чем более усиливается её магнитное поле. Результат эксперимента нетрудно предсказать: по мере того как растёт ток, магнитное поле становится всё более сильным, магнитная индукция В растёт, и не видно никаких ограничений этому росту. Если сменить направление тока, то направление поля изменится на противоположное и индукция В в выбранной точке всё так же будет возрастать с увеличением тока в катушке.
Теперь вставим в катушку стальной сердечник, в надежде увидеть всё то же самое, но в значительно усиленном варианте. И действительно, с увеличением тока магнитная индукция В резко возрастает, график зависимости В от тока идёт значительно круче, чем у катушки без сердечника. Но в какой-то момент этот быстрый рост замедляется и затем почти совсем прекращается — магнитная индукция с увеличением тока растёт так же медленно, как в первом опыте, то есть без сердечника. Объяснение достаточно простое: все магнитные домены («элементарные магнитики»), которые могли сориентироваться вдоль магнитного поля и усилить его, уже сделали это, процесс намагничивания сердечника вошёл в область насыщения.
ВК-113.Пора привлечь особое внимание читателя к тому, чем мы уже давно пользуемся, — к рисунку по имени «график». Он показывает, как одна какая-нибудь величина зависит от другой, например магнитная индукция от тока в катушке или температура воздуха от времени суток. Величину, от которой зависит процесс (аргумент), например время t, откладывают по горизонтальной оси, а ту, что зависит от неё (функция), — по вертикальной. График может о многом рассказать, если в него всмотреться и вдуматься.
Другая интересная особенность: если, уменьшая ток, довести его до нуля, то магнитное поле не исчезнет — какие-то магнитные домены как бы застрянут (Т-8) в новом своём положении, останутся поляризованными. Из-за этого у сердечника и после отключения тока будет собственная, остаточная намагниченность, остаточная магнитная индукция Вост — сердечник превратится в постоянный магнит. Чтобы размагнитить его, нужно приложить силу, которая «повернёт» домены, ликвидирует их поляризацию и вместе с ней остаточную намагниченность — уменьшит В до нуля. Такой силой может быть поле противоположного направления, созданное, соответственно, током противоположного направления.
Если, размагнитив сердечник (В = 0), увеличивать этот обратный ток, то можно вновь прийти к насыщению, а затем, уменьшая ток, получить остаточную индукцию Вост, но уже при противоположной полярности магнитного поля. График полного перемагничивания стального сердечника называют гистерезисной петлёй, от греческого слова «гистерезис» — «отставание». Понимание процесса позволило сделать ряд важных выводов, в том числе исключительно ценных для техники. Один из практических выводов: размагничивание стальных деталей, например, в дорогих пружинных часах, которые вышли из строя из-за случайного попадания в сильное магнитное поле. Если стальной предмет медленно удалять от катушки, по которой идёт переменный ток, то сталь будет непрерывно перемагничиваться, переходя на всё более «мелкую» гистерезисную петлю, и на некотором расстоянии от катушки намагниченный стальной предмет размагнитится полностью.