ов. В итоге на одном конце проводника концентрация электронов увеличится, на другом — уменьшится. То есть на концах проводника появится скопление разноименных зарядов, а значит, электродвижущая сила. Если же остановить проводник, то электроны постепенно вернутся в свои старые районы и вновь равномерно распределятся в проводнике. При этом, разумеется, э.д.с. на его концах исчезнет. Еще раз отметим: это очень упрощенное объяснение, скорее даже намек на объяснение, чем истинная картина.
Величина наведенной э.д.с. Е зависит от длины проводника I, от индукции внешнего магнитного поля В и еще, конечно, от скорости движения проводника и: чем быстрее он движется, тем больше наведенная электродвижущая сила (Р-37;3).
Т-57. Различные способы наведения э.д.с. — индукция, взаимоиндукция, самоиндукция. Для того чтобы в проводнике навелась э.д.с., можно двигать его в магнитном поле или, что то же самое, магнитное поле двигать относительно проводника. А можно еще поступить так: расположить рядом два проводника и в одном из них менять величину тока, например включив в цепь переменное сопротивление (Р-37;4). Раз в первом проводнике меняется ток, то, значит, меняется и его магнитное поле. А оно, это меняющееся поле, охватывает второй проводник и наводит в нем э.д.с. точно так же, как это делало магнитное поле движущегося магнита. Такой способ наведения э.д.с. называется взаимоиндукцией.
Уберем второй проводник и внимательно посмотрим, что происходит в первом, когда в нем меняется ток. Этот меняющийся ток, как мы только что установили, создает меняющееся магнитное поле. Но ведь это поле не только действует в пространстве вокруг проводника, оно пронизывает и сам проводник. И когда собственное магнитное поле проводника меняется, то оно, по всем правилам электромагнитной индукции, наводит э.д.с. в самом этом проводнике (Р-37;5). Такой способ наведения называют самоиндукцией, а наведенную э.д.с. — электродвижущей силой самоиндукции.
Итак, в цепи при изменении тока действуют две электродвижущие силы — э.д.с. генератора и э.д.с. самоиндукции. Как же происходит их взаимодействие, каковы результаты такой совместной работы? Оказывается, что э.д.с. самоиндукции всегда мешает генератору менять ток в цепи. (Интерес представляет только режим изменения тока: если ток не меняется, то остается неизменным и магнитное поле проводника, а значит, э.д.с. самоиндукции вообще нет.) Если ток по какой-либо причине увеличивается, то э.д.с. самоиндукции мешает этому увеличению, и ток уже возрастает не так резко. Если ток в цепи уменьшается, то э.д.с. самоиндукции мешает этому уменьшению, поддерживает ток, и в итоге он падает более плавно. В этом отношении э.д.с. самоиндукции можно сравнить с маховиком, который вначале трудно раскрутить, а затем трудно остановить. Особенно велика э.д.с. самоиндукции при резком изменении тока, например в момент размыкания цепи.
Т-58. Чем больше число витков в катушке индуктивности, тем больше наведенная в ней э.д.с. Можно увеличить наведенную в проводнике э.д.с., если свернуть этот проводник в спираль, то есть сделать из него катушку индуктивности. В этом случае в каждом витке будет наводиться электродвижущая сила (э.д.с. индукции, взаимоиндукции или самоиндукции, в зависимости от выбранного способа наведения), и все эти э.д.с. отдельных витков будут складываться так же, как складывается э.д.с. последовательно включенных генераторов. Суммарная э.д.с., наведенная магнитным полем в катушке, пропорциональна числу ее витков.
То же самое можно сказать и о процессе взаимоиндукции. Здесь для получения э.д.с. располагают рядом две катушки (Р-38;4) — первичную I (в ней меняется ток и создает меняющееся магнитное поле) и вторичную II (в ней наводится э.д.с. взаимоиндукции).
Р-38
Чем больше витков в этой вторичной катушке, тем больше наведенная в ней э.д.с. Кстати, такое устройство из нескольких катушек (обмоток) называется трансформатором. Вскоре мы познакомимся с ним подробнее (Т-87).
Наведенная э.д.с. зависит и от скорости изменения индукции В магнитного поля, охватывающего витки. Обратите внимание: не от самой величины магнитной индукции, а от скорости ее изменения. Это настолько важная особенность многих процессов — зависимость чего-либо от скорости изменения, — что на ней стоит остановиться более подробно.
Т-59. Во многих процессах решающую роль играет не абсолютное значение какой-либо величины, а скорость ее изменения. Вообразите себя героем арифметической задачи из популярной серии задач с бассейнами. По условиям нужно выбрать для купания один бассейн из трех возможных. При этом известно, что в первом бассейне уровень воды 30 см, во втором — 15 см и в третьем — 5 см. Из всех этих мелких водоемов вы, конечно, выбираете первый — лучше уж войти в воду по колено, чем по щиколотку. Но вот, почитав условия задачи чуть дальше, вы узнаете, что кран, наполняющий первый бассейн, закрыт, а во втором бассейне кран открыт (в задаче с бассейнами обязательно должны быть открытые и закрытые краны) и уровень воды поднимается на 1 см каждую минуту. Приходится на ходу менять решение — выбираем второй бассейн, через час здесь вода поднимется уже до 75 см, и можно будет поплавать по-настоящему.
В ожидании, пока это произойдет, вы наконец дочитываете условия задачи до конца, и выясняется, что и в третьем бассейне открыт кран, причем открыт очень сильно — уровень воды каждую минуту поднимается на 10 см. Теперь сомнений нет: лучше всех третий бассейн, он наполнится до тех же 75 см, что и второй, уже не за час, а всего за каких-нибудь 7 минут. Только успеешь раздеться, и уже можно нырять.
Этот простой пример показывает, что есть случаи, когда нужно не только знать «сколько?», но стоит также поинтересоваться, «меняется или не меняется?», а если окажется, что меняется, то необходимо выяснить, «насколько быстро меняется?», или, иными словами, «чему равна скорость изменения?»
Т-60. Наведенная в катушке э.д.с. тем больше, чем больше скорость изменения магнитного поля. До чего же все-таки это прекрасное изобретение человека— школа, система передачи знаний. То, на выяснение чего великий Фарадей потратил годы, мы узнаем в несколько минут. Заглянув в школьный учебник физики, мы узнаем, что э.д.с., которая наводится в проводнике или в катушке, зависит от того, насколько быстро меняется поле: чем больше скорость изменения магнитной индукции (или скорость движения проводника в равномерном поле с постоянной индукцией), тем больше наведенная э.д.с. Объяснить это можно, пользуясь крайне упрощенной картиной наведения э.д.с. и ни на минуту не забывая о предупреждении Т-8. При движении проводника внешнее поле, схватившее его свободные электроны, старается сдвинуть их в один конец этого проводника, накопить в одной области. А электроны своими электрическими полями расталкиваются, стараются распределиться по проводнику равномерно. Здесь для магнитного поля, создающего э.д.с., самое главное— скорость: чем быстрее оно будет сдвигать электроны, тем большее их количество накопится на концах проводника (катушки), тем больше будет наведенная э.д.с. индукции. Кое-что здесь может пояснить еще один пример с бассейнами. Представьте себе, что в бассейне два крана, через один вода наливается (внешнее магнитное поле, изменяясь, тянет за собой электроны), через другой кран — выливается. Ясно, что чем больше открыт первый кран, чем больше скорость наполнения бассейна, тем больше в нем успеет накопиться воды. А стоит перекрыть первый кран (скорость изменения магнитного поля равна нулю), как бассейн быстро окажется пустым (наведенная э.д.с. равна нулю).
В процессе взаимоиндукции и самоиндукции магнитное поле меняется потому, что меняется ток в цепи, и поэтому чем быстрее меняется ток, тем больше и наведенная в катушке э.д.с. (Р-39;1,2).
Р-39
Подчеркнем смысл понятия «скорость изменения» еще одним примером, но уже не с бассейнами, а с более близкой нам теперь электрической цепью. По двум совершенно одинаковым катушкам идет ток — по первой 5 А, по второй — 1000 А. Токи в катушках постепенно меняются, и через секунду в первой катушке уже 10 А, во второй— 1001 А. Так вот, э.д.с. самоиндукции во второй катушке, несмотря на устрашающую абсолютную величину тока (1000 А — это очень много!), будет меньше, чем в первой. Потому что скорость изменения тока в первой катушке больше — здесь ток изменился на 5 А за 1 сек, а во второй катушке — всего на 1 А за 1 сек.
Т-61. Индуктивность характеризует способность катушки создавать магнитное поле, единица индуктивности — генри. Зависимость э.д.с. самоиндукции от скорости изменения тока позволяет ввести точную характеристику тех свойств самой катушки, которые говорят об умении взаимодействовать с магнитным полем и создавать свое поле. Мы упоминали, что магнитное поле катушки тем сильнее, чем больше в ней витков, и что поле резко усиливается, если вставить в катушку ферромагнитный сердечник (Т-52). Теперь мы можем о магнитных свойствах катушки судить по той э.д.с., которая в этой катушке наводится. Характеристика катушки, которая рассказывает об этом, называется ее коэффициентом самоиндукции, или, короче, коэффициентом индуктивности, или, еще короче, просто индуктивностью. Обозначается этот коэффициент буквой L, этой же буквой часто обозначаются на схемах и сами катушки. Единица индуктивности — генри. Такой индуктивностью обладает катушка, если при изменении в ней тока на 1 А за 1 сек в катушке наводится э.д.с. 1 В. То, что реально могут представлять собой катушки той или иной индуктивности, показано на Р-39.
Т-62. В машинных генераторах э.д.с. создается за счет перемещения проводников в магнитном поле. К арсеналу генераторов, в которых электризация электродов шла за счет химической, тепловой или световой энергии (Т-27), мы сейчас прибавим еще один тип источников электрической энергии. Это машинный генератор, в нем получают э.д.с., двигая проводник или систему проводников (обмотку) в магнитн