Н. — Невероятно! Стрелка миллиамперметра качнулась вправо, указывая на наличие тока малой длительности.
Л. — Этот ток вызван тем, что поле исчезло, т. е. изменилось от некоторой величины до нуля. А теперь я снова включаю батарейку.
Н. — Стрелка сдвинулась, но влево.
Л. — Потому что возникло поле, что является изменением, противоположным по знаку по сравнению с предыдущим случаем. Если вместо того, чтобы включать и выключать батарейку, я пропустил бы через первую катушку переменный электрический ток…
Н. — … то поле постоянно менялось бы, и во второй катушке также появился бы переменный ток.
Л. — Ты должен знать, что ток, который создает поле, называется индуктирующим, а ток, создаваемый полем, и индуктированным, или наведенным током. А само явление наведения одного тока другим называется электромагнитной индукцией.
Н. — Словом, допустим, что первая катушка — это ты, а вторая — я. Ток твоих мыслей с помощью звукового поля слов наводит ток мыслей в той же форме у меня, т. е. происходит своеобразная индукция.
Л. — Да, твои рассуждения правильны.
Беседа третья
Продолжая изучение явления индукции, Любознайкин подведет Незнайкина к «открытию» самоиндукции, влияние которой создает препятствие прохождению переменных токов. Затем, прибегая к очень выразительным аналогиям, наши два друга изучают свойства конденсаторов. Анализируя различные факторы, от которых зависит емкость, Незнайкин оценит «емкость» своего собственного понимания.
Незнайкин. — Я много думал о том, что ты рассказал об индукции. Я хорошо понял, что изменение тока в одной катушке ведет к возникновению индуктированного тока в другой. Но каковы направление и сила индуктированного тока?
Любознайкин. — Индуктированный ток, надо тебе сказать, обладает очень плохим «характером»: он находится всегда в противоречии с индуктирующим током. Если последний течет, увеличиваясь в одном направлении, то индуктированный ток потечет в противоположном направлении (рис. 8).
Рис. 8.Направление тока индукции.
а — увеличение тока в катушке I вызывает в катушке II ток противоположного направления;
б — уменьшениетока в катушке I вызывает в катушке II ток того же направления.
Н. — Можно ли сказать, что если в индуктирующей катушке ток течет в направлении часовой стрелки, то индуктированный ток потечет в противоположном направлении?
Л. — Точно! А когда индуктирующий ток уменьшается, индуктированный ток идет в том же направлении, стараясь воспрепятствовать уменьшению первого.
Н. — Это как собака моего дядюшки.
Л. — Еще одна выдумка!
Н. — Совсем нет. Собака, о которой пойдет речь, упряма, как осел… Каждое утро, когда мой дядюшка занимается гимнастикой, он бегает вокруг сада со своей собакой, держа ее на поводке. Вначале, когда он ускоряет бег, собака тянет ею назад и сдерживает движение. Затем, когда он, устав, хочет замедлить свой бег, животное заставляет его ставить рекорды.
Л. — Мне кажется, эту историю ты только что выдумал. Тем не менее она доказывает, что ты понял явление индукции. Ты мог бы также добавить, что чем быстрее твой дядюшка ускорял или замедлял бег, тем сильнее была реакция его собаки, так как величина индуктированного тока пропорциональна скорости изменения индуктирующего тока, а также его величине.
Н. — Может быть, это и глупо то, что я скажу, но мне кажется, что если одна катушка индуктирует ток в витках другой, более или менее удаленной, то тем более она должна индуктировать ток в своих собственных витках.
Л. — Мой дорогой Незнайка, ты только что заново открыл явление самоиндукции. Поздравляю! Действительно, индуктированный ток появляется также и в той катушке, по которой течет индуктирующий ток. В этой катушке индуктированный ток сосуществует с индуктирующим и противодействует его изменениям в силу своего «духа противоречия».
Н. — Это совсем как в «психологических» романах, в которых «внутренний голос» постоянно противопоставляет свои доводы сентиментальным движениям героя.
Л. — Лучше бы ты прочел хорошую книжку по электричеству. Ты бы увидел, что самоиндукцию лучше сравнить с механической инерцией. Так же, как инерция всегда противодействует началу движения какого-либо тела и стремится удержать его в этом состоянии движения, так и самоиндукция противодействует появлению тока в обмотке (возрастающий ток вызывав! индуктированный ток противоположного направления) и стремится поддержать существующий ток, когда он начинает уменьшаться (ток, который уменьшается, индуктирует ток того же направления).
Н. — Так значит переменный ток, постоянно меняющий свою величину и направление, испытывает затруднения при прохождении через катушку?
Л. — Конечно, так как самоиндукция противодействует его изменениям (рис. 9). Сопротивление, которое появляется в результате явления самоиндукции, называется индуктивным сопротивлением. Не надо его путать с простым активным сопротивлением проводника. Индуктивное сопротивление зависит от коэффициента самоиндукции катушки, т. е. от индуктивного действия каждого витка на другие, а также от частоты тока.
Рис. 9.Иллюстрация явления индукции.
а — переменный ток, б — кривая индуктированного тока.
1 — индуктирующий ток увеличивается очень быстро, индуктированный ток имеет противоположное направление;
2 — индуктирующий ток не меняется в течение короткого промежутка времени, индуктированный ток равен нулю;
3 — индуктирующий ток уменьшается, индуктированный ток течет в том же направлении;
4 — индуктирующий ток не меняется в течение короткого промежутка времени, индуктированный ток равен нулю;
5 и 6 —тоже, что 1 и 2.
Н. — Почему же?
Л. — Ведь это очень просто? Чем больше частота, тем изменения тока происходят быстрее, следовательно, тем сильнее и индуктированные токи, которые противодействуют этим изменениям.
Н. — Таким образом, для высоких частот индуктивное сопротивление катушки больше, чем для низких? Это нужно знать, так как я вижу, что чем дальше, тем сложнее.
Л. — Однако я тебе еще ничего не говорил о конденсаторах.
Н. — Я очень хорошо знаю, что это такое. Я их видел в радиоприемниках. Можно сказать, что это прибор с круглыми пластинами, одни из которых могут вращаться, а другие остаются неподвижными.
Л. — Да. Это конденсаторы переменной емкости. Имеются также конденсаторы постоянной емкости, пластины которых всегда неподвижны, так что их емкость постоянна.
Н. — Емкость? Вероятно, еще один термин, который надо понять и выучить?
Л. — Знаешь, дружище, конденсатор — вещь очень простая. Это система из двух взаимно изолированных электродов, к которым прикладывается некоторое напряжение.
Н. — Я не знаю, почему два изолированных друг от друга электрода заслуживают наименования конденсатора.
Л. — Конденсатор можно сравнить с двумя резервуарами, разделенными эластичной резиновой мембраной (рис. 10). Насос,
Рис. 10.Два резервуара, разделенные эластичной перегородкой, похожи на электрический конденсатор. Насос, создающий разность давлений, аналогичен электрическому элементу, который создает разность потенциалов.
Л. — Да Это свойство называется емкостью конденсатора. Как ты думаешь, отчего зависит ее величина?
Н. — Я думаю, что емкость зависит от толщины мембраны. Чем она тоньше, тем больше она может изогнуться и, следовательно, оставить больше места для молекул газа в резервуаре 2.
Л. — Правильно. Применительно к конденсатору мы скажем, что его емкость обратно пропорциональна расстоянию между пластинами. Но возвратимся к нашим резервуарам; как ты думаешь, зависит ли емкость также от свойств эластичной мембраны?
Н. — Конечно, Гибкость резиновой мембраны, например, больше, чем жестяной.
Л. — Следовательно, емкость конденсатора зависит также от свойств диэлектрика, разделяющего пластины. Числовой коэффициент, который характеризует способность диэлектрика увеличивать емкость, называется его диэлектрической проницаемостью. Для воздуха она равна 1, а для слюды — 8. Таким образом, если в конденсаторе с воздушным диэлектриком емкостью 10 пикофарад поместить между пластинами листок слюды, то емкость увеличится до 80 пикофарад.
Н. — Разве емкость измеряют в пикофарадах?
Л. — Единицей измерения емкости является фарада (ф) Однако практически это очень большая емкость. Поэтому пользуются ее производными: микрофарадой (мкф), составляющей миллионную долю фарады, или пикофарадой (пф), составляющей миллионную долю микрофарады{4}.
Н. — Эта система единиц дьявольски сложна. Однако вернемся к тему, от чего зависит емкость. Мне кажется, что она зависит еще от площади мембраны: чем она больше, тем больше сфера действия положительных атомов на электроны{5}.
Л. — Действительно, емкость пропорциональна площади пластин.
Н. — Я полагаю, что емкость зависит также и от толщины пластин, ибо при большем объеме они могут содержать большее число электронов.
Л. — Вот тут ты ошибаешься, друг мой. Здесь имеет значение не объем, а площадь пластин, на которых накапливаются положительные и отрицательные заряды.