Датский профессор Ганс Христиан Эрстед демонстрировал своим студентам, как электрический ток нагревает проволоку. При этом обнаружилось, что с появлением тока в цепи один из соединительных проводов, проходивший рядом с оказавшимся на столе морским компасом, отклоняет его стрелку. Это означало то, что вокруг проводника с током возникает магнитное поле.
В дальнейшем исследователи в разных странах детально изучили поведение проводника с током в магнитном поле. Всё свелось к взаимодействию двух магнитов, в результате чего один из них — проводник с током — при определённых условиях (достаточно сильное внешнее поле, достаточно сильный ток в проводнике) начинал двигаться. Это движение и есть именно то, что требуется в двигателе: если бы к проводнику с током привязать какой-нибудь груз, то проводник вполне мог бы потащить его за собой. А энергия на эту работу шла бы от батареи, которая создаёт ток в проводнике и таким образом превращает его в электромагнит.
Кстати, в реальном двигателе работает не единичный проводник с током, а целая проводниковая система, по которой идёт ток, называется она обмоткой. Да и внешнее поле чаще всего создаётся не постоянным магнитом, а электромагнитами, имеющими свои собственные обмотки. Поскольку в реальном двигателе происходит вращательное движение работающей, то есть двигающейся, обмотки, то весь узел, где находится эта обмотка, называется ротором, от латинского слова «ротаре» — «вращать». А вся неподвижная система с электромагнитом и стальным магнитопроводом называется статором, от латинского «статос» — «стоящий».
ВК-118. В цепи переменного тока, которая состоит из обычных резисторов, все напряжения, все токи и э.д.с. совпадают по фазе — их положительные амплитуды, например, появляются одновременно, так же как и отрицательные. Элементы цепи, где совпадают по фазе токи и напряжения, — это активные сопротивления, они ведут себя активно, потребляют электрическую мощность. Совсем иначе ведут себя реактивные сопротивления, которые вскоре появятся в наших электрических цепях.
Р-42. СЛОВО № 1 — «МОДЕЛЬ». Этим рисунком призываю вас по-новому подумать о том, что было рассказано, и о том, что будет. Как ни странно, но слова «модель» и «моделирование» почти не встречаются в школьных учебниках, за многие годы обучения наша смена не приобщается к скрытому за этими словами огромному богатству. Может быть, это связано с ограниченным пониманием слова «модель», которое поддерживают словари и справочники: модель — уменьшенная копия чего-либо (например, коллекция автомобильчиков), марка конструкции (трактор, модель МТЗ-82), человек, позирующий художнику, изделие, с которого снимают форму, и тому подобное.
Вместе с тем в науке и в жизни слово модель понимается прежде всего как упрощённое отображение какой-то сложности, помогающее понять эту сложность, изучить её или принять какое-то связанное с ней важное практическое решение. На рисунке (1) вы видите план небольшого города на берегу реки. Город — это прежде всего люди, их работа, характеры, личные отношения, это состояние домов, электрической сети, водопровода. Но нас всё это сейчас не интересует, нам нужно найти определённый дом и подъехать к нему.
Поэтому мы выбрали очень упрощённую модель города — его план, и на нём проложили свой маршрут. Точно так же мы оставили без внимания подробности устройства сложной машины и на её упрощённой модели-схеме (2) рассматриваем лишь передачу движения от одного блока машины к другому. Простейшая модель самолёта (3) помогает понять, как форма, размеры и наклон крыла влияют на лётные качества большого авиалайнера. Модель входной цепи радиоприёмника (4) поясняет, как происходит его настройка на нужную станцию, а математическая модель (формула) позволяет определить необходимые для этого детали схемы. Модель может пояснить движение бактерии к месту скопления пищи (5), создание музыки (6), создание одежды разных размеров по отработанной модели (7). И, наконец, последний рисунок (8) напоминает, что, когда человек о чём-то мыслит, в его мозгу каким-то образом строятся модели различных устройств, взаимодействий, жизненных ситуаций. Процесс мышления в том и состоит, что человек работает с этими моделями, открывает законы, действующие в природе, постепенно создаёт свою картину мира, находит с помощью моделей варианты своих правильных действий.
Двигатели бывают самые разные, разные по устройству, размерам, по режиму работы, потребляемой электрической мощности, разные по характеру питающей их электродвижущей силы. К некоторым двигателям нужно подводить неизменную э.д.с. (её обычно называют «постоянная э.д.с.», и мы принимаем это название). К другим обязательно нужна переменная питающая э.д.с., то есть такая, у которой непрерывно меняются величина и направление. Но во всех этих разных электрических двигателях используется один и тот же принцип: по обмотке ротора тем или иным способом пропускают ток; магнитное поле внешнего неподвижного, то есть статорного, магнита (или электромагнита) двигает роторную обмотку (и, разумеется, весь ротор), взаимодействуя с её собственным магнитным полем. Сила этого взаимодействия, а значит, и работоспособность двигателя, зависит от тока I в роторной обмотке и от индукции В внешнего магнитного поля: чем больше ток I в обмотке и чем больше индукция В внешнего поля, тем мощнее двигатель. Поэтому, между прочим, в двигателях так много стальных деталей — они уменьшают магнитное сопротивление, при этом возрастают магнитные потоки и магнитная индукция.
Т-101. Правило левой руки позволяет узнать, куда движется проводник с током, помещённый в магнитное поле. Пояснив в самом общем виде, как работает электрический двигатель, уже можно рассказать о нём кое-что конкретное.
Первое. Магнитное поле выталкивает проводник с током, и направление выталкивания можно определить по правилу левой руки (Р-50). Если расположить левую руку так, чтобы ладонь смотрела в сторону северного полюса внешнего магнита, а вытянутые пальцы были направлены в ту же сторону, что и ток в проводнике (не забудьте, это условное направление тока, от плюса к минусу), то отогнутый большой палец покажет, в какую сторону будет двигаться сам проводник с током.
Второе. Подводя итог рассказанному ранее, можно в виде простенькой формулы записать, что сила F, с которой внешнее магнитное поле двигает проводник, будет тем больше, чем больше длина проводника, чем больше ток в нём и чем выше магнитная индукция В, созданная внешним магнитом в районе проводника. Скромная длина проводника I влияет на силу F наравне с главными электрическими и магнитными параметрами, поэтому желательно поместить в магнитное поле насколько это возможно длинный проводник. Именно так и поступают, но, конечно, не раздувая до неприличия размеры двигателя, а заменив одинокий проводник многовитковой обмоткой ротора.
ВК-119. Переменный ток (напряжение, э.д.с.), о котором в основном шла речь, — это синусоидальный ток, его изменения повторяют график, открытый древними математиками. Из точки пересечения двух осей, как из центра, была построена окружность, из точки, где с ней пересекался радиус R, провели две особые линии — линию синуса а и линию косинуса Ь. Вращая радиус R, записывали длину линий а и Ь для разных угловα— получилась таблица, по которой построили график и назвали его «синусоида».
Р-43. В ПРОСТЕЙШИХ ОПЫТАХ МАГНИТ ДЕМОНСТРИРУЕТ СВОИ СИЛЫ И СВОЁ ПОВЕДЕНИЕ. Куски железной руды, притягивающие другие железные предметы, люди находили ещё несколько тысячелетий назад. И наверняка очень удивлялись своим находкам. До этого притягивание в природе встречалось только в одном экземпляре — наша планета Земля притягивала к себе все предметы, все вещества, демонстрируя то, что мы сейчас называем гравитационное притяжение. А тут какая-то земная порода, какая-то руда, в отличие от всех других веществ, своим притяжением копирует способность огромной планеты. Этой породе с удивительными притягивающими силами ещё в древности дали имя магнит, но лишь триста лет назад начали серьезно её изучать. А к пониманию природы магнитных явлений пришли совсем уже недавно, начав лет сто назад. Сегодня выплавленные из этой породы (руды) железные магниты хорошо знакомы всем, часто их особенности впервые показывали удивлённой публике на школьных уроках. В нехитрых экспериментах можно увидеть, что внутри магнита складываются его магнитные силы, образуя два полюса и практически немагнитную среднюю область магнита (2, 3). Опыты позволяют увидеть, как взаимодействуют два полюса магнита, получившие названия «северный» и «южный» (4).
Третье. Но тут возникает новая проблема, она лучше всего видна на примере самой простой роторной обмотки, состоящей из одного витка, — на примере рамки (Р-51) в виде соединённых друг с другом и помещённых в магнитное поле двух горизонтальных проводов а и Ь. Попутно отметим, что рамка не какой-то особый элемент электродвигателя, а всего лишь маленькая хитрость, позволяющая дважды воспользоваться уже знакомым нам поведением одиночного проводника в магнитном поле. К дальнему концу этого проводника нужно подвести провод питания, и это делает проводник, идущий от «минуса» батареи. Но этот проводник можно не вести стороной, а поместить его в магнитное поле, чтобы поле и его выталкивало в нужную сторону. Так появляется рамка, оба горизонтальных проводника которой поле выталкивает именно так, чтобы рамка вращалась. А поскольку она вращается (в этом весь смысл двигателя), питающее напряжение к ней подводится через скользящие контакты и два металлических кольца, к которым эти контакты прижаты. Давайте рассматривать процесс с момента, показанного на рисунке Р-51. Проводник а (это тот, с которым мы поясняли правило левой руки на Р-50) выталкивается магнитным полем влево, то есть стремится вращать рамку против часовой стрелки. Проводник