В одном из прошлых занятий1 мы познакомились с магнитными действиями тока. Мы знаем уже, что электрический ток, проходящий по проводнику, создает вокруг этого проводника магнитное поле, причем сила этого магнитного поля зависит от силы тока в проводнике.
Но между магнитным полем и электрическим током существует и обратная связь. Если вокруг какого-либо проводника появляется или исчезает магнитное поле, то в проводнике возникает электродвижущая сила и если этот проводник замкнутый, то под действием электродвижущей силы в нем появляется электрический ток. Явление это, открытое Фарадеем, называется магнитной индукцией. В существовании магнитной индукции легко убедиться на опыте, при помощи мультипликатора, описанного нами в № 11 «Радио всем». Схема этого опыта, так называемого «опыта Фарадея», приведена на рис. 1. Катушка К, в качестве этой катушки служит любая сотовая катушка с большим числом (200—300) витков, замкнута на мультипликатор М. Если в середину катушки вдвинуть полюс постоянного магнита П (например, подковообразного магнита от индуктора), то при вдвигании магнита стрелка мультипликатора будет отклоняться — это значит, что в цепи, составленной из катушки и мультипликатора, при вдвигании магнита будет проходить электрический ток.
Опыт Фарадея дает нам возможность не только обнаружить явление магнитной индукции, но и установить основные законы этого явления. Прежде всего, производя опыт, легко убедиться, что в каком бы положении не находился постоянный магнит, если он будет неподвижен, мультипликатор не будет давать отклонений. Значит, если магнит неподвижен, то ток в катушке не возникает; присутствие тока мы обнаруживаем только тогда, когда магнит движется. Из этого мы можем заключить, что для возникновения электрического тока в проводнике необходимо, чтобы магнитное поле, пересекающее проводник, изменялось бы. Если проводник окружен постоянным и неизменяющимся магнитным полем, то явление индукции не наблюдается.
Если мы магнит оставим неподвижным, и будем двигать катушку (одевать ее на магнит), то явление индукции будет происходить так же, как и в первом случае (когда катушка неподвижна, а двигается магнит). Таким образом мы убедимся, что для возникновения электрического тока необходимо только, чтобы изменялось магнитное поле, пересекающее проводник, причем совершенно безразлично, каким именно образом мы достигаем этих изменений магнитного поля.
Производя опыт Фарадея легко заметить, что мультипликатор будет давать отклонения в разные стороны, в зависимости от того, двигаем ли мы магнит в катушку или выдвигаем его из катушки. Точно также мультипликатор будет давать отклонения в разные стороны в зависимости от того, вдвигаем ли мы в катушку один или другой полюс постоянного магнита. Значит направление индуцированного электрического тока (то-есть тока, возникающего вследствие магнитной индукции) зависит как от направления магнитного поля, так и от направления, в котором происходит движение (или вообще изменение) этого магнитного поля.
Наконец, при помощи опыта Фарадея можно установить еще один закон магнитной индукции. Если мы возьмем даже очень сильный постоянный магнит, но будем вдвигать его в катушку очень медленно, то отклонений мультипликатора мы не обнаружим. Если же мы возьмем слабый магнит, но будем вдвигать его в катушку достаточно быстро, то мультипликатор будет давать заметные отклонения. Из этого следует, что сила индуцированного тока зависит не от силы магнитного поля, а от скорости, с которой это поле изменяется.
Ясно, что явление магнитной индукции можно применить для получения электрического тока. Для этого необходимо только, чтобы магнитное поле вокруг какого-либо проводника все время изменялось бы. Тогда в этом проводнике все время будет существовать электрический ток. Например, мы можем взять проводник свернутый в виде витка и поместить его в поле постоянных магнитов (рис. 2). Если мы начнем вращать этот виток вокруг оси, то магнитное поле, пересекающее виток, будет все время изменяться. Сначала (начальным мы будем считать положение «1», изображенное сплошной линией) магнитное поле вовсе не проходит через виток. Затем, когда виток займет положение «2», через него будет проходить наибольшее магнитное поле (наибольшее число силовых линий).
Затем виток, сделав четверть оборота, опять придет в положение «1» и опять силовые линии через него проходить не будут. Далее, виток сделав еще четверть оборота придет опять в положение «2», но направление магнитного поля по отношению к витку будет обратное, так как виток повернулся к полю другой стороной. Таким образом, при вращении витка в магнитном поле все время будет изменяться не только число, но и направление магнитных силовых линий, проходящих сквозь виток. Значит, в витке все время будет существовать электрический ток, но сила и направление этого тока будут все время меняться, причем число этих изменений в секунду будет равно числу оборотов витка в секунду. Если мы разорвем виток и к концам его присоединим какую-либо внешнюю цепь, например, лампочку накаливания, то электрический ток потечет так же и через лампочку, то-есть вращающийся в магнитном поле виток представляет собой источник электрического тока.
Такие источники электрического тока называются электрическими машинами. Конечно, в электрических машинах вращается не один виток, а целая обмотка, состоящая из многих витков. Так как все витки обмотки направлены в одну сторону, то электродвижущие силы, возникающие в них, благодаря индукции, складываются и на концах обмотки получается большое напряжение. Электрические машины могут давать напряжения в несколько сот и даже в тысячи вольт.
В электрических машинах очень часто, вместо того, чтобы вращать обмотку, делают обмотку неподвижной, а магнитное поле вращающимся, то-есть вращают полюса постоянных магнитов. (Как мы уже выяснили выше — совершенно безразлично — двигается ли обмотка или магнитное поле). Кроме того, в электрических машинах применяются обычно не постоянные магниты, а электромагниты, то-есть такие магниты, в которых магнетизм возбуждается электрическим током, проходящим по обмотке электромагнита. Но все эти изменения нисколько не изменяют сущности дела — принцип действия электрических машин остается тот, который мы изложили.
Мы выяснили, что электрические машины дают ток, величина и направление которого все время изменяется. Такой ток называется переменным электрическим током. По своим свойствам переменный электрический ток во многом отличается от постоянного тока, с которым мы имели дело в предыдущих наших занятиях. О свойствах переменного электрического тока мы будем говорить подробно в следующих занятиях. Сейчас мы укажем только, что переменные токи в технике имеют еще большее значение и более широкое применение, чем постоянные токи. В частности и в радиотехнике приходится очень часто иметь дело с переменными токами.
Однако, ограничиваться применением одного только переменного тока ни в технике вообще, ни в радиотехнике в частности невозможно. В целом ряде случаев бывает необходим именно постоянный ток. Чтобы получить постоянный ток в электрических машинах применяется специальное приспособление, так называемый коллектор. При помощи коллектора можно превратить получающийся в обмотке машины переменный ток — в ток постоянный по направлению. Правда, величина этого тока не остается постоянной и все время изменяется в определенных пределах. Но направление этого тока остается постоянным. Такой электрический ток, постоянный по направлению, но не постоянный по величине, в отличие от строго постоянного тока, называется пульсирующим током. Электрические машины постоянного тока дают именно такой пульсирующий ток. Пульсирующий ток в целом ряде случаев может заменить постоянный ток и поэтому он так же очень широко применяется на практике.
На этот раз наши теоретические занятия немного разошлись с практической работой. В то время как теоретические занятия посвящены уже вопросу о магнитной индукции и о переменном токе, практическая работа относится еще к области постоянных токов и заключается в градуировке мультипликатора для измерения постоянных токов.
Чтобы не увеличивать этого расхождения еще больше, мы ограничимся на этот раз только одним занятием, а другое занятие рекомендуем нашим читателям посвятить повторению всех тех вопросов, которые были разобраны в предыдущих занятиях. С этой целью мы предлагаем нашим читателям несколько поверочных вопросов, ответы на которые будут помещены в следующем номере «Радио всем».
Почему для градуировки шкалы мультипликатора в вольтах (см. ниже статью «Градуировка мультипликатора») — мы выбрали в качестве потенциометра группу сопротивлений декадного магазина по 1 ому, а не по 10 или по 100 ом?
Если мы имеем два совершенно одинаковых стержня — причем один из них (стальной) является постоянным магнитом, а другой (железный) не является магнитом — как можно без помощи каких бы то ни было других приборов и кусков металла — определить, который из них является постоянным магнитом и который нет?
В описании декадного магазина сопротивлений (см. № 12 «Радио всем») указан способ, при помощи которого можно получить одну тысячную долю напряжения, даваемого элементом. Способ этот таков: весь магазин включается как потенциометр сопротивлением в 1000 ом, и тогда на концах одной секции в 1 ом получатся 1/1000 доля напряжения, даваемого элементом. Каким еще другим способом можно включить отдельные группы декадного магазина, чтобы получить также напряжения, примерно, в 1/1000 долю напряжения, даваемого элементом?
1 См. № 11 «Радио всем».