R, тем меньше ток I, и во сколько раз вы увеличите R, во столько же раз уменьшится ток I. Аналогичный график можно построить, чтобы показать, как напряжение Е влияет на величину тока I. Здесь на графике появится прямая линия, показывающая, как растёт ток I с увеличением Е. Это несложное домашнее задание поможет вам с помощью графиков показать, а заодно и самому увидеть, как в простейшей электрической цепи меняется ток при изменении сопротивления цепи и э.д.с. в ней.
Язык графиков — универсальный язык, он может рассказать о самых разных зависимостях. График, например, может показать зависимость напряжения U на участке цепи от тока, зависимость мощности Р от тока в цепи, зависимость тока I от сопротивления цепи. Точно так же график может показать, как в данном регионе меняется средняя июльская температура на протяжении последних ста лет. Или с какой скоростью двигался автомобиль во время большого туристического пробега. Или как меняется масса космической системы при выведении спутника на околоземную орбиту. В этом случае сама масса в тоннах (т) отложена по вертикальной оси, а по горизонтальной отложено то, что важнее знать: время полёта или высота подъёма ракеты-носителя. На Земле (нулевая высота) общая масса системы 20 т (все цифры условные), затем по мере подъёма выгорает топливо, и масса ракеты постепенно уменьшается. На высоте 40 км масса уменьшается резко, скачком — это отстреливается отработавшая первая ступень. Точно так же на высоте 100 км отстреливается вторая ступень, и на высоте 250 км — третья. Остаётся на орбите сам спутник — чистая масса 1 т.
Подобных примеров можно привести бессчётное множество, но нам пора обратиться к графику переменного тока (Р-57.2), о том же, что и он, будут рассказывать многие похожие, а иногда и не очень похожие графики в этой книге. Приведённый на рисунке график помогает понять, как во времени меняется ток (э.д.с.), протекающий в цепи, которую питает машинный генератор переменного тока. Предварительно хочется обратить внимание на две особенности переменной э.д.с. (тока), о которых рассказывает график и о которых в последующих разделах будет рассказано более подробно.
Особенность первая. На рисунке показан график синусоидальной э.д.с. (тока). Их величина меняется точно так же, как меняется длина линии синуса в известном геометрическом построении, которое можно считать началом тригонометрических функций и таблиц.
Особенность вторая. На рисунке показан график переменного тока, который можно было бы считать двумя разными токами, поочерёдно протекающими в двух разных направлениях, — человек с юмором вполне мог бы назвать направление этих токов «туда» и «обратно». Уже давно и вроде бы без возражений принято изображать эти токи на одном графике — один из них рисуется как обычно, а другой, образно говоря, верх ногами, — что поделаешь, за экономию и удобства приходится чем-то платить.
ВК-146.Довольно часто, работая с трансформатором, можно забыть о подробностях событий в его вторичной обмотке, так как важно знать, какую нагрузку трансформатор представляет для генератора, к которому подключена его первичная обмотка. В этом случае всю вторичную обмотку вместе с её реальной нагрузкой Rн как бы переносят и пересчитывают в первичную обмотку и заменяют её условным вносимым сопротивлением Rвнс, которое вторичная обмотка со своей нагрузкой Rн создаёт в первичной цепи.
Р-54. ОСНОВА ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРА: ЕСЛИ В МЕНЯЮЩЕЕСЯ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ПОМЕСТИТЬ ПРОВОДНИК, В НЁМ НАВЕДЁТСЯ Э.Д.С. Получение магнетизма из электричества, открытое в 1820 году, оказалось делом довольно простым — пропускаешь электрический ток по проводнику, и вокруг него появляется магнитное поле. То, что можно совершить обратное превращение и с помощью магнита получить электрический ток, вроде бы было сразу понятно, но поиски конкретного решения заняли немало времени. Во всяком случае, ещё в 1822 году Майкл Фарадей записал в дневнике свою главную задачу: «Превратить магнетизм в электричество». Но прошло почти десять лет поисков, неудач и ошибок, пока эксперимент подтвердил, что такое в принципе возможно, — Фарадей в эксперименте получил электромагнитную индукцию. А затем ещё несколько десятилетий ушли на создание использующих её генераторов, пригодных для широкого применения. Достаточно вспомнить, что через 60 лет после открытия электромагнитной индукции машины вырабатывали в 20 тысяч раз меньше электрической энергии, чем мы потребляем сегодня. Электромагнитную индукцию, которая стала главным поставщиком электрической энергии, сейчас представляют очень просто: в катушке наводится э.д.с., когда она перемещается в магнитном поле и пересекает его (1), когда при тех же условиях поле перемещается относительно катушки (2) и когда катушка находится в магнитном поле, которое меняют каким-либо иным способом (3). Представьте себе, что в мощных генераторах чаще используют второй вариант (2), так как с катушки, которая находится в магнитном поле, снимают очень большую мощность, и её легче отвести от неподвижного объекта. А электромагниту, который создаёт магнитное поле, нужна во много раз меньшая мощность, и её не так уж сложно подвести к подвижному объекту.
Т-119. График переменной электродвижущей силы показывает, как она меняется с течением времени. Для начала повторим сказанное, но несколько по-другому. Двум э.д.с. (токам) разного направления, которые выдаёт генератор переменной электродвижущей силы (тока), названия «положительная э.д.с.» и «отрицательная э.д.с.» присвоены совершенно условно. Они должны лишь подчеркнуть, что меняется полярность генератора, его «плюс» и «минус» меняются местами. И одну из этих полярностей, часто совершенно безразлично какую, условно называют «положительной», вторую — «отрицательной». То же самое можно сказать о положительном и отрицательном токе — это просто токи разного направления, и опять же одному из них условно присвоено имя «положительный ток», другому — «отрицательный ток». Отсчёт отрицательной величины на графике, в частности отрицательной э.д.с., ведётся так же, как и положительной, от нулевого уровня, то есть от горизонтальной оси. Но для отрицательной величины (э.д.с., напряжение, ток) отсчёт идёт уже, естественно, вниз — чем больше отрицательная э.д.с., тем ниже от горизонтальной оси (ось времени) располагается соответствующая точка на графике. Мы уже в своё время говорили, что одно из направлений тока в проводнике мы совершенно условно назвали «положительным», а противоположное направление — «отрицательным». Точно так же условились называть «положительной» и «отрицательной» две разные полярности э.д.с. или напряжения (местонахождение их «плюса» и «минуса»). При этом график положительного тока (э.д.с., напряжения) договорились строить, как обычно, отсчитывая ток вверх от оси времени, а график отрицательного тока (э.д.с., напряжения) строить на этой же оси времени, но строить его, так сказать, «вверх ногами», то есть отсчитывая ток (э.д.с., напряжение) вниз от оси времени. Можно было, конечно, договориться как-нибудь по-другому, например, делать два отдельных графика — для положительного и отрицательного тока (э.д.с., напряжения), а затем рассматривать их совместно, так сказать, положив рядом. Но весь мир согласился, что принятый вариант — один общий график и отрицательный ток ниже оси времени — проще и удобней всех других. Теперь все именно таким способом представляют на графике переменный ток, и мы, конечно, тоже поддержим эту договорённость.
ВК-147.Аварийный режим — короткое замыкание, когда случайно возникает Rн = 0 и при этом недопустимо возрастают ток I2 и ток I1. В обмотках выделяется огромное количество тепла, трансформатор перегревается и быстро выходит из строя. Такой режим могут создать любые соседние витки, которые замкнулись из-за разрушения изоляции. Если не принять мер, то режим, близкий к короткому замыканию, создаст сердечник трансформатора, который представляет собой короткозамкнутый стальной виток.
Р-55. ДВИГАЕМСЯ ПО ЗНАКОМОЙ ДОРОГЕ: ОТ РАМКИ «ДВИГАТЕЛЬ» К РАМКЕ «ГЕНЕРАТОР». Правило левой руки (Р-50) помогло нам разобраться с работой двигателя, определить направление, в котором внешнее магнитное поле двигает проводник с током. Точно так же правило правой руки (1 на этом рисунке) помогает разобраться с генератором — определить, как направлена наведённая в проводнике ЭДС, если мы двигаем этот проводник в магнитом поле. Правило правой руки утверждает, что, когда ладонь направлена в сторону северного полюса внешнего магнита и когда отогнутый большой палец указывает направление движения проводника, то вытянутые четыре пальца показывают направление э.д.с. (и тока при замкнутой цепи), наведённой в результате электромагнитной индукции. Сходство ситуаций в правилах левой руки и правой руки, а также общий главный герой — проводник, дают повод думать об обратимости электрических машин. Во многих случаях такая обратимость действительно существует — двигатель может работать генератором, генератор — двигателем. В надежде на обратимость и не меняя систему скользящих контактов, превратим рамку «ротор двигателя» в рамку «ротор генератора», вращая её для этого отдельным двигателем (2). Осциллограф покажет, что мы не ошиблись, — на проводах, к которым раньше подключалась батарея питания двигателя, теперь действует напряжение, наведённое в результате электромагнитной индукции. В каком-то смысле это постоянное напряжение — оно, как и батарея, действует только в одном направлении, такова система переключения проводов а и Ь. Но по величине наведённое напряжение меняется — на разных участках своего пути провода рамки а и b с разной скоростью пересекают магнитное поле (3).
На рисунке Р-57 показан график переменной э.д.с. (тока), которая наводится в проводнике при его вращении в магнитном поле. Фактически в магнитном поле вращается рамка, при этом её работающие (горизонтальные) проводники всегда пересекают магнитное поле в разных направлениях, и в них наводится э.д.с. разной полярности. Но проводники рамки соединены последовательно (не забыли? аналогично двум гальваническим элементам в батарее), и обе наведённые на них э.д.с. складываются. Поэтому, рассматривая события в этом простейшем генераторе, можно для упрощения картины