ВК-114. Изменения переменного тока повторяются, график какого-либо периода в точности похож на предыдущий и на последующий, а чтобы разместить график за длительное время, нужна очень длинная лента. Поэтому принято пользоваться графиком одного периода, считая его пригодным для всех остальных. На нём время отсчитывают не в секундах, а в градусах, приняв, что один период длится 360 градусов (360°). Другие приметные моменты: 1/4 периода — 90°, 1/2 периода — 180° и 3/4 периода — 270°.
Внешнее магнитное поле, а значит, и создающий его ток, затрачивают определённую энергию на каждый цикл перемагничивания стального сердечника. Из-за этого стальные детали, работающие в устройствах переменного тока (трансформаторы, электродвигатели, генераторы), создают определённые потери энергии, уменьшить их помогает глубокое понимание процессов перемагничивания.
И ещё одна встреча с процессами намагничивания ферромагнитных материалов — магнитная запись электрических сигналов. В наше время она используется исключительно широко: в магнитофонах и видеомагнитофонах, в нескольких разновидностях магнитной памяти компьютера, в разнообразных системах с кодами, записанными на ферромагнитной полоске пластиковых карточек. Например, на магнитной полоске электронного ключа к какому-либо электронному замку или на магнитной полоске вашей банковской карточки, где записан номер вашего счёта и коды, позволяющие вам положить деньги на этот счёт или, наоборот, снять часть денег и получить их или перевести на другой счёт.
В принципе магнитная запись и считывание электрических сигналов осуществляются очень просто. К диамагнитному или парамагнитному зазору в магнитопроводе записывающей головки прилегает полимерная плёнка с тонким слоем ферромагнитного покрытия, и магнитный поток, естественно, в основном замыкается через это покрытие — через этот своего рода магнитный шунт. Плёнка равномерно движется мимо щели, и если в катушке электромагнита (записывающей головки) появится импульс тока, то кусочек плёнки, проходивший в этот момент над зазором, намагнитится, на плёнке останется магнитный след. Его можно обнаружить с помощью считывающей головки, в которой меняющееся магнитное поле (магнитная запись) наводит электрический сигнал. Так, на движущейся ферромагнитной плёнке можно записывать, хранить, а затем считывать самые разные электрические сигналы, например, электрическую копию звука или сложные цифровые коды.
ВК-115.Для всей цепи переменного тока и для её участков действует такой же закон Ома, как и для постоянного тока. Но чтобы расчёты по его формулам давали правильный результат, нужно брать значения тока и напряжения для одного определённого момента времени, проще всего для их положительной амплитуды. Результат расчётов вы тоже получите в виде амплитудных значений. Они, бесспорно, будут правильными, но придумано более удобное представление переменных э.д.с., напряжений и токов.
Завершая первое знакомство с магнитными явлениями и магнитными цепями, напомним о главном. Электричество и магнетизм неразрывно связаны, и чрезвычайно важную, можно даже сказать, жизненно важную роль в их союзе играет движение. Вспомните, сами магнитные свойства появляются в результате движения электрических зарядов. Но это ещё далеко не всё. В следующей главе мы встретимся с новыми профессиями привычного слова «движение». В одном случае оно с помощью магнитов создаст электродвижущую силу, создаст мощные источники электричества, щедро питая всю планету электроэнергией. В другом случае электрическая энергия с помощью магнитов создаст мощное вращательное движение, заставит электричество работать в двигателях, выполнять механическую работу, столь нужную самым разным машинам — главным в наше время помощникам человека.
Глава 8Парад великих превращений
Человеку посчастливилось родиться и жить на планете с огромными доступными ему запасами энергии. Научившись добывать огонь, люди много тысячелетий получали энергию из того, что буквально валялось под ногами, — из дерева, древесины. Затем кое-где пошли в ход и другие энергетические консервы — уголь и нефть. Все эти источники энергии, сгорая, давали тепло и свет, что, конечно, сильно изменило жизнь наших далёких предков. Они уже могли спасаться от холодов и есть варёную пищу, сделав тем самым ещё один шаг вперёд из своей тяжёлой звериной предыстории. Но совсем по-иному заработало тепло, когда примерно 300 лет назад англичанин Томас Ньюкомен изобрёл и построил огромный паровой насос для откачки воды из шахты, — огонь показал, что может выполнять серьёзную механическую работу. А ещё через 80 лет Джеймс Уатт завершил создание универсальной паровой машины, она превращала тепловую энергию в непрерывное вращательное движение — началась эпоха машинного производства и транспортных машин. Это, конечно, была революция, человек получил помощников, которые могли работать вместо него, в том числе выполнять монотонную и очень тяжёлую, просто нечеловеческую работу. И совершенно новые возможности у работающих машин открылись после того, как в них начало действовать электричество, а вернее, союз электричества и магнетизма. Именно этот союз, открытый в простейших экспериментах с проволочками и магнитными стрелками, породил столь удобное, простое и чрезвычайно неприхотливое устройство, как электромотор, или, более официально, электрический двигатель. И именно электромагнитный союз дал человеку простой и очень эффективный способ получения электрической энергии.
Т-100. Всё многообразие электродвигателей, все их неисчислимые количества берут начало с открытия, сделанного примерно 200 лет назад. До сих пор мы знали, что ток, работая в электрической цепи, может создавать тепло и свет, может переносить некоторые вещества с одного электрода на другой. Тепло, конечно, очень нужно, особенно зимой, свет — это всегда прекрасно. Но всё же человек на протяжении всей своей истории искал помощников, которые могли бы поднимать, перевозить, проталкивать, протягивать, передвигать, сжимать, вращать различные предметы, могли бы, коротко говоря, выполнять механическую работу.
То, что электричество могло бы это делать, подсказали уже первые опыты с натёртой янтарной палочкой. Но интуитивно чувствуется, что большой работающей силы здесь не получишь, — электричество притягивает какие-то клочки бумаги, да и то с близкого расстояния. Другое дело магнит или электромагнит, подсказывает та же интуиция, — он килограммовую гирю тянет вверх и, притянув, держит мёртвой хваткой, не оторвёшь. А маленькая катушка электромагнита в обычном реле, получив слабый импульс тока, так щёлкает притянутой стальной пластинкой, что, кажется, кто-то стукнул по ней молотком.
Интуиция в данном случае не подвела — главным электрическим работником действительно стал магнетизм, а точнее, союз электричества и магнетизма. Действует этот союз так: используя энергию электрогенератора (в простейшем случае батарейки), электрический ток с помощью электромагнитов создаёт магнитные поля, которые с большой силой взаимодействуют с магнитным полем другого электромагнита, неутомимо выполняя именно то, что требуется от исполнительного помощника, притягивают или отталкивают другой электромагнит.
ВК-116.Мы уже обратили внимание на то, что многие процессы зависят от скорости изменения какой-либо величины. Настало время посмотреть, как меняется скорость изменения синусоиды, — от скорости, как мы увидим, тоже многое зависит. Простейшие рассуждения и точный математический анализ показывают, что скорость изменения синусоиды это тоже синусоида, но опережающая основную зависимость на 90 градусов, — положительная амплитуда скорости появляется на 1/4 периода раньше.
Магнитные поля заставляют его двигаться, и при этом второй магнит поднимает, перевозит, проталкивает, протягивает, сжимает, передвигает, вращает, коротко говоря, выполняет механическую работу. Правда, подавляющее большинство этих электрическо-магнитных работников выполняют только одно из всех перечисленных действий — они создают крутящий момент на своей главной оси, быстро и с большой силой заставляют её вращаться. Имя этих исполнительных и неутомимых тружеников хорошо всем знакомо — это электрические двигатели, или, иначе, электрические моторы, что, по сути дела, одно и то же, так как «мотор» в переводе с латыни как раз и означает «создающий движение, двигатель». Ну а то, что электродвигатель создаёт лишь вращательное движение, не умаляет его достоинств. Во-первых, именно это и нужно для большинства наших машин-помощников — электропоездов, пылесосов, видеомагнитофонов, токарных станков и многих других. Ну и, во-вторых, механика умеет превращать вращательное движение в любое другое.
Даже представить себе трудно, что лабораторный опыт, который можно считать началом истории электродвигателей, был проведён примерно 200 лет назад, а первые настоящие, работающие моторы появились еще лет через 50. Электродвигатели, как, впрочем, почти вся техника нашего века, прогрессировали лавинообразно, причём и качественно, и количественно. Сегодня их наверняка тысячи разновидностей, а общее количество — миллиарды. Только в своём доме вы насчитаете не меньше десятка электромоторов: в компрессоре холодильника, вентиляторе, магнитофоне, в нескольких электронных часах, пылесосе, микроволновке, в компьютере и принтере. А ведь есть ещё трамваи, лифты, электродрели, самолёты, подъёмные краны, пожарные насосы, аппараты «искусственное сердце — лёгкие», стартеры и стеклоочистители в автомобилях — всего не перечислишь. И всё это началось с простейшего опыта, который, возможно, не специально был задуман, а получился случайно.
ВК-117.Ещё один термин — «фаза», к которому вы быстро привыкнете. Это время появления определённого напряжения или тока. Например, положительной амплитуде э.д.с., наведённой в проводнике, соответствует фаза (момент) 90 градусов, а отрицательной амплитуде (наибольший ток противоположного направления) соответствует фаза (момент) 270 градусов. Термин «фаза» окажется очень удобным, когда в одной цепи появятся два тока и нужно будет найти разницу времени их появления — сдвиг фаз.