b (тот, который был просто соединительным проводом, подключающим проводник а к «минусу» батареи) выталкивается вправо, поскольку ток в нём идёт в противоположную сторону по сравнению с а. При этом проводник b тоже стремится вращать рамку против часовой стрелки. То есть пока всё в порядке, проводники a и b действуют согласованно, с удвоенной силой вращая рамку. Но давайте посмотрим на всё в конце первой половины оборота, когда рамка окажется в положении, показанном на Р-51.2. В этот момент направление сил, созданных внешним магнитным полем, уже не способствует вращению рамки против часовой стрелки, и, сделав свои первые полоборота, она остаётся неподвижной.
ВК-120.Обнаруженная математиками табличная зависимость длины некоторых линий от угла поворота радиуса в определённом геометрическом построении даёт повод поразмышлять о том, что есть математика. Оказалось, что синусоида описывает немало процессов, которые как бы сами по себе происходят в природе. Если бы древние математики смогли заглянуть в наши дни, они были бы потрясены тем, что их синусоида точно описывает переменный ток, который создают тысячи мощных генераторов.
Р-44. НАТЁРТАЯ СТЕКЛЯННАЯ ПАЛОЧКА, ЕСЛИ РАЗМАХИВАТЬ ЕЮ, СТАНОВИТСЯ МАГНИТОМ. Примерно двести лет назад было сделано открытие, которое в итоге привело к новому пониманию взаимодействий электричества и магнетизма. Это новое понимание в результате серьёзных экспериментов стало основой будущей электроэнергетики. В итоге обогатив нас мощными электродвигателями и генераторами электрической энергии. Как стало вскоре понятно, сделанное открытие помогло прийти к выводу, что, так сказать, независимого магнита вообще не существует, магнитные свойства и, следовательно, магнитное поле появляются при движении, при перемещении электрического заряда. Первое, что было обнаружено, — это появление магнитного поля вокруг проводника, по которому идёт электрический ток, то есть движутся заряды (1, 2). Направление магнитного поля в этом случае определяется по правилу буравчика, или по правилу часов (3). Сделав из проводника с током виток (4) и собрав из нескольких последовательно соединённых витков катушку (5), можно получить электромагнит, который будет создавать такое же примерно магнитное поле, как и постоянный стержневой магнит (Р-43.3).
Четвёртое. Выход из этого, казалось бы, безвыходного положения очень прост. Если после завершения каждого полуоборота менять направление тока в проводах рамки, то силы магнитного выталкивания этих проводов каждые пол-оборота тоже будут менять своё направление и непрерывно будут вращать рамку в одну и ту же сторону. Для того чтобы направление тока автоматически менялось в нужный момент, достаточно произвести некоторое изменение в системе скользящих контактов. Они должны скользить не по двум окружностям, каждая из которых всегда связана с одним из проводов — а или Ь. Вместо двух колец в контактной системе теперь будут тоже связанные с этими проводами два полукольца, и скользящие по ним контакты, связанные с «плюсом» и «минусом» батареи, будут поочередно подключаться к этим полукольцам (Р-52). Именно поочередно — половину оборота «плюс» батареи подключён к одному полукольцу, а «минус» к другому; в следующую половину оборота полукольца, вращаясь вместе с рамкой, меняются местами, и к тому, которое получало «плюс», теперь подводится «минус». В итоге батарея будет направлять ток по проводам рамки то в одну сторону, то в другую, и согласно правилу левой руки провода a и b всегда будут выталкиваться магнитным полем так, чтобы рамка вращалась в одну сторону. Вся эта система контактных полуколец называется «коллектор» (от латинского «коллект» — «собирать»), а скользящие по ним пружинящие контакты называют «щётками», чаще всего они сделаны из графита и прижаты к коллектору пружинами. Как правило, у двигателей в коллекторе не два полукольца, а 5-10 пар коллекторных пластин, к каждой паре подключена своя «рамка» — часть обмотки ротора. Включается эта часть обмотки своей парой коллекторных пластин на время, когда магнитная сила выталкивания вносит самый большой свой вклад во вращение ротора. Рисунок Р-52 помогает понять, как работает коллектор в случае самого простого ротора — одной рамки.
Пятое. Как всегда, нужно всеми силами повышать магнитную индукцию В, от которой напрямую зависит сила F, а значит, и работоспособность двигателя. Поэтому всю неподвижную часть мотора (статор) и его вращающийся узел (ротор) делают из стали, добиваясь минимально возможного зазора между этими двумя узлами двигателя. Для этого, например, в роторе делают пазы, в которые укладывают роторную обмотку, чтобы она не выступала за пределы стальной части и не вынуждала конструкторов увеличивать зазор между ротором и статором.
Шестое. На схемах двигатель имеет свое обозначение, но для простоты его чаще всего можно рассматривать как резистор. Потому что двигатель потребляет электрическую энергию и превращает её в механическую работу точно так же, как, скажем, лампочка эту энергию превращает в тепло и свет. Соответственно мощность Р двигателя есть произведение подведённого напряжения U на потребляемый ток I, и точно так же, как для любого участка цепи, для двигателя действительны все формулы закона Ома.
Всё это предварительные сведения об электрических двигателях, о них ещё будет рассказано кое-что интересное и важное. А нам пора перейти к другим разновидностям замечательных электромагнитно-механических превращений, в том числе к таким, на которых основано крупномасштабное производство электрической энергии.
ВК-121. Генератор переменной э.д.с. непрерывно меняет напряжение Ucна обкладках конденсатора С. При этом в них меняется число зарядов и появляется меняющийся ток Iс — движение зарядов к обкладкам и обратно. Ток этот тем больше, чем быстрее меняется напряжение Uc, а оно меняется быстрее всего, когда начинает нарастать от нуля или, уменьшаясь, приближается к нулю. В этот момент и появляется амплитуда тока, она опережает амплитуду напряжения на 90 градусов — на четверть периода.
Р-45. ЗАГАДОЧНЫЕ «ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ МАГНИТИКИ» ОКАЗАЛИСЬ РЕАЛЬНЫМ ФИЗИЧЕСКИМ ОБЪЕКТОМ. Итак, магнетизм появляется как результат движения электрических зарядов, например как результат электрического тока в проводнике. Но откуда же тогда берутся магнитные свойства стальных постоянных магнитов, которые ни к какому электрическому генератору не подключены и ток в которых не протекает? В давние времена, когда о природе магнитных сил постоянных магнитов ещё ничего не было известно, появилась гипотеза о том, что в атомной или молекулярной структуре магнитного материала, например стали, имеются микроскопические подвижные «элементарные магнитики», которые обычно направлены в самые разные стороны, и их суммарное магнитное поле просто равно нулю. Если же намагнитить сталь, то есть поместить её в сильное магнитное поле, то оно повернёт «элементарные магнитики» в одну сторону, и в таком состоянии они останутся навсегда и у куска стали появится своё сильное магнитное поле, он превратится в постоянный магнит. В популярных книжках появились картинки таких колоний из «постоянных магнитиков», напоминающих микроскопические стрелки компаса. На одном из рисунков они были направлены в самые разные стороны, на другом у всех стрелок было одно направление. До сих пор широко публикуются различные варианты таких рисунков, хотя еще в 1911 году появилась и начала обсуждаться идея магнитных доменов, которые ведут себя подобно «элементарным магнитикам». Ну а в 1930 году домены были сфотографированы с помощью микроскопа, их реальность была окончательно доказана, они стали объектом глубоких физических исследований и новых проектов. Домен — это группа молекул, которая может иметь собственное магнитное поле. В намагниченной стали суммарные магнитные поля доменов направлены в одну сторону и создают намагниченность постоянного магнита.
Т-102. В проводнике, который движется в магнитном поле, индуцируется (наводится) электродвижущая сила. После того как обнаружилось, что из электричества можно получать магнетизм, естественно было попытаться сделать обратное преобразование — из магнетизма получить электричество. В природе известны подобные «туда-обратно» превращения — получают же, например, из воды лёд, а изо льда воду.
Электричество из магнетизма действительно было получено, но не сразу, а только через 11–12 лет после открытия Эрстеда. Все эти годы ушли на выяснение одной, как теперь кажется, очень простой истины.
Электричество с помощью магнита впервые получил английский физик Майкл Фарадей, обогативший мировую науку, в частности науку об электричестве, многими замечательными открытиями. Он, скорее всего, исходил из того, что электрический ток демонстрирует свои магнитные силы, если определённым образом расположить возле проводника с током магнитную стрелку. Возможно, поэтому Фарадей пытался самыми разными способами расположить проводник возле магнита, полагая, видимо, что ток сам собой появится в проводнике, если придать ему удачную форму и найти ему удачное место в магнитном поле.
Только спустя много лет, может быть, тоже случайно, Фарадей, обнаружил, что для получения тока в проводнике кроме этого проводника и магнита нужно ещё одно обязательное слагаемое — движение. Электродвижущая сила на концах проводника, а при замкнутой цепи и ток в нём, появляется лишь в том случае, если проводник определённым образом двигать в магнитном поле (Р-54). Или (что практически то же самое) определённым образом перемещать магнитное поле, в котором находится проводник. Такой способ получения э.д.с. называется электромагнитной индукцией, или в переводе — электромагнитным наведением. Имеется в виду, что движущееся или меняющееся магнитное поле индуцирует, то есть наводит, э.д.с. (ток) в проводе. А сама огромная область науки об электричестве, где сходятся электричество, магнетизм, изменение их параметров и механическое движение, называется «электродинамика».