Вы уже знаете, что вокруг электрического тока всегда существует магнитное поле. Электрический ток и магнитное поле неотделимы друг от друга.
Но если электрический ток, как говорят, «создаёт» магнитное поле, то не существует ли обратного явления? Нельзя ли с помощью магнитного поля «создать» электрический ток?
Такую задачу в начале XIX в. пытались решить многие учёные. Поставил её перед собой и английский учёный Майкл Фарадей. «Превратить магнетизм в электричество» - так записал в своём дневнике эту задачу Фарадей в 1822 г. Почти 10 лет упорной работы потребовалось учёному для её решения.
Проволочная петля сбалансирована на верхней части батареи, изогнутая так, чтобы она касалась магнитов на дне. Когда соединение будет выполнено, провод начнет вращаться немедленно и, как правило, начнет вращаться так быстро, что он перевернется с его окуня. Существуют более сложные и стабильные конструкции, но этот быстрый и эффектный.
Итак, как работает гомополярный двигатель, и «магнитоэлектрический» поезд показан в видео? Оба они зависят от взаимосвязи между движущимися электрическими зарядами и магнетизмом, хотя и несколькими способами. Наша история начинается с рождения того, что мы теперь называем «электромагнетизмом», началом теории природы, которая считает, что электричество и магнетизм неразрывно связаны. До этого потрясающего эксперимента обычно считалось, что электричество и магнетизм являются двумя совершенно отдельными физическими явлениями.
Майкл Фарадей (1791-1867)
Английский физик. Открыл явление электромагнитной индукции, экстратоки при замыкании и размыкании
Чтобы понять, как Фарадею удалось «превратить магнетизм в электричество», выполним некоторые опыты Фарадея, используя современные приборы.
На рисунке 119, а показано, что если в катушку, замкнутую на гальванометр, вдвигается магнит, то стрелка гальванометра при этом отклоняется, указывая на появление индукционного (наведённого) тока в цепи катушки. Индукционный ток в проводнике представляет собой такое же упорядоченное движение электронов, как и ток, полученный от гальванического элемента или аккумулятора. Название «индукционный» указывает только на причину его возникновения.
То, что Эрстед обнаружил, по сути, в том, что электричество, протекающее через длинный прямой провод, создает вокруг него циркулирующее магнитное поле, как показано ниже. Нужно изобразить эти поля, циркулирующие вокруг провода на всех высотах и расстояниях, будучи плотнее ближе к проводу.
Такой постоянный магнит будет иметь тенденцию делать две вещи в магнитном поле: он будет вращаться, чтобы выровнять свой Северный полюс с линиями поля, и он будет втягиваться в область с более сильным полем, т.е. более плотный сбор полевых линий. Линии поля циркулируют вокруг электрического тока в определенном смысле, который может быть определен «правым правилом»: указывая большим пальцем правой руки в направлении тока, линии поля будут циркулировать в определенном вами пальцем.
Рис. 119. Возникновение индукционного тока при движении магнита и катушки относительно друг друга
При извлечении магнита из катушки снова наблюдается отклонение стрелки гальванометра, но в противоположную сторону, что указывает на возникновение в катушке тока противоположного направления.
Как только движение магнита относительно катушки прекращается, прекращается и ток. Следовательно, ток в цепи катушки существует только во время движения магнита относительно катушки.
Мы можем использовать это правое правило для описания полей вокруг цикла циркулирующего тока; в этом случае линии поля отображаются примерно так, как показано ниже. Как только мы сделали замкнутый цикл, линии поля принципиально отличаются от прямого провода. Линии поля длинной проволоки имеют ручность, то есть они циркулируют в правом смысле, но у них нет «стороны». Однако петля имеет то, что мы могли бы назвать «верхним» и «нижним», а точнее, «северным» и «южным». Северная сторона петли - это сторона, из которой исходят полевые линии, а южная сторона - это сторона, в которую проходят линии поля.
Опыт можно изменить. На неподвижный магнит будем надевать катушку и снимать её (рис. 119, б). И опять можно обнаружить, что во время движения катушки относительно магнита в цепи снова появляется ток.
На рисунке 120 изображена катушка А, включённая в цепь источника тока. Эта катушка вставлена в другую катушку С, подключённую к гальванометру. При замыкании и размыкании цепи катушки А в катушке С возникает индукционный ток.
Эта петля имеет два полюса и поэтому называется диполем. Этот язык полюсов наводит на мысль о регулярном стержневом магните и магнитной Земле, и это, конечно, точка - в хорошем приближении, петля тока, Земли и простой барный магнит имеют подобную структуру дипольного поля. Например, вот набросок магнитного поля Земли, с наложенным соответствующим магнитом.
Земля как гигантский барный магнит. Урок увода здесь состоит в том, что петля тока будет вести себя почти так же, как обычный постоянный магнит; то есть полюса Северного и Южного полюсов будут привлекать, в то время как комбинации Север-Север и Юг-Юг будут отталкиваться.
Рис. 120. Возникновение индукционного тока при замыкании и размыкании электрической цепи
Можно вызвать появление индукционного тока в катушке С и путём изменения силы тока в катушке А или движением этих катушек относительно друг друга.
Проделаем ещё один опыт. Поместим в магнитное поле плоский контур из проводника, концы которого соединим с гальванометром (рис. 121, а). При повороте контура гальванометр отмечает появление в нём индукционного тока. Ток будет появляться и в том случае, если рядом с контуром или внутри него вращать магнит (рис. 121, б).
Это сразу дает нам простое объяснение того, как работает «магнитоэлектрический поезд»! Когда мы помещаем нашу батарею, закрытую магнитами, внутри катушки, мы завершаем цепь, и ток течет через катушку. Катушка, по существу, представляет собой множество петлей тока, уложенных друг на друга, и результат заключается в том, что область катушки между постоянными магнитами является самим магнитом!
Мы проиллюстрируем ситуацию ниже. Что происходит: «виртуальный барный магнит», создаваемый током, протекающим через катушку, толкает магнит вперед и тянет магнит позади. Конечно, батарея между ними берется за поездку! Это подчеркивает важный момент, который не был затронут в оригинальном видео выше - по крайней мере, согласно моим экспериментам, необходимо убедиться, что два магнита на обоих концах батареи имеют свои северные полюса, указывающие в противоположных направлениях! В противном случае они либо толкаются, либо оба тянут, а «поезд» не двигается.
Рис. 121. При вращении контура в магнитном поле(магнита относительно контура) изменение магнитного потока приводит к возникновению индукционного тока
Во всех рассмотренных опытах индукционный ток возникал при изменении магнитного потока, пронизывающего охваченную проводником площадь.
Вот моя собственная короткая демонстрация «магнитоэлектрического поезда». На удивление легко и дешево собрать. Важно, чтобы провод был непокрытым - иначе ток не будет течь, и ничего не произойдет! Провод 18 калибра казался правильным балансом, который можно было легко изгибать, но достаточно жестким, чтобы удерживать форму.
С учетом этого мы теперь можем вернуться к гомополярному двигателю, который использует подобную физику, чтобы заставить ее вращаться. Опять же, мы имеем электрический ток, создающий магнитное поле, которое взаимодействует с постоянным магнитом, но взаимодействие немного сложнее.
В случаях, изображённых на рисунках 119 и 120, магнитный поток менялся за счёт изменения индукции магнитного поля. Действительно, при движении магнита и катушки относительно друг друга (см. рис. 119) катушка попадала в области поля с большей или меньшей магнитной индукцией (так как поле магнита неоднородное). При замыкании и размыкании цепи катушки А (см. рис. 120) индукция создаваемого этой катушкой магнитного поля менялась за счёт изменения силы тока в ней.
Здесь немного дополнительной истории. Мы уже отметили, что первая связь между электричеством и магнетизмом была обнаружена Эрстедом. Ряд ученых сразу же увидели возможность создания электродвигателя, в том числе наблюдателя Хамфри Дэви, но их попытки сделать одно не удалось.
Здесь изображены два устройства. Один справа находится ближе всего к моему: висячая проволока опускается в контейнер с электропроводящей ртутью, с электрическим заземлением, проходящим через дно, и постоянным магнитом в центре контейнера. Когда ток протекает через провод и ртуть, провод вращается вокруг магнита. В системе слева провод фиксируется в центре контейнера, и магнит заканчивается вокруг провода при приложении тока.
При вращении проволочного контура в магнитном поле (см. рис. 121, а) или магнита относительно контура (см. рис. 121, б") магнитный поток менялся за счёт изменения ориентации этого контура по отношению к линиям магнитной индукции.
Таким образом,
В этом и заключается явление электромагнитной индукции.
Существует одна существенная разница между магнитоэлектрическим поездом и гомополярным двигателем. Когда поезд использует магнитное поле тока для нажимания магнитов, двигатель использует поле магнита для толкания электрического тока. Чтобы объяснить двигатель, нам, следовательно, нужна еще одна информация: как магнитное поле воздействует на движущиеся заряды. Электрический ток создает магнитное поле, но движущиеся заряды электрического тока также испытывают силу из-за магнитного поля. Если мы посмотрим на один заряд, мы знаем из эксперимента, что сила на нем из-за магнетизма удовлетворяет другому виду «правого правила», как показано ниже.
Открытие электромагнитной индукции принадлежит к числу самых замечательных научных достижений первой половины XIX в. Оно вызвало появление и бурное развитие электротехники и радиотехники.
На основании явления электромагнитной индукции были созданы мощные генераторы электрической энергии, в разработке которых принимали участие учёные и техники разных стран. Среди них были и наши соотечественники: Эмилий Христианович Ленц, Борис Семёнович Якоби, Михаил Иосифович Доливо-Добровольский и другие, внёсшие большой вклад в развитие электротехники.
Для этого правого правила мы указываем наш указательный палец в направлении движения заряда, наш средний палец в направлении, указывающем магнитное поле, и наш большой палец указывает в направлении силы, которую заряжает. Поэтому восходящая движущаяся положительно заряженная частица, движущаяся в магнитном поле, указывающем на Запад, будет испытывать силу на Юге. Одним из следствий этого является то, что зарядовая частица, движущаяся параллельно магнитному полю, вообще не испытывает магнитной силы.
Меня недавно задали интересный вопрос: почему заряженная частица испытывает силу «правого правого»? Ответ заключается в том, что отрицательно заряженная частица движется в противоположном направлении, следуя левому правилу! Теперь давайте посмотрим, как это относится к гомополярному двигателю, как показано ниже. Ток течет от верхней части батареи через оба плеча проволочной петли и вниз через магнит внизу. Используя наше новое правое правило на правой стороне провода, мы видим, что сила на движущихся зарядах и, следовательно, провод, указывает на экран; мы отмечаем несколько из этих пунктов красными точками.
Исследуя явление электромагнитной индукции, Фарадей решил воспользоваться для опытов самым обыкновенным магнитом. Ведь и постоянный магнит - окружен магнитными силовыми линиями. Если постоянный магнит вдвигать внутрь проволочной катушки так, чтобы магнитные силовые линии пересекали витки проволоки, то в ней должен возникнуть электрический ток!
Для проверки своего вывода Фарадей намотал 220 футов медной проволоки на картонный цилиндр. Концы проводов от этой катушки он присоединил к гальванометру.
Затем он взял стальной намагниченный стержень и стал двигать его взад и вперед внутри своей катушки. Каждое движение магнита вызывало появление индуктивного тока.
Фарадей вдвигал стержень, и стрелка гальванометра отклонялась в одну сторону, а когда он выдвигал стержень,- стрелка отклонялась в другую сторону. Через гальванометр шел ток, и это был ток, рожденный не другим током, а движением обыкновенного магнита. Цель, которую преследовал Фарадей - «доказать неразрывную связь между электрическими и магнитными явлениями», была достигнута (рис. 28).
Используя правое правило на левой стороне провода, мы видим, что сила на движущихся зарядах и, следовательно, провод, указывает на экран; мы отмечаем эти точки синими точками. Конечный результат: правая сторона петли вытягивается, левая сторона толкается. Проволочная петля вращается вокруг своей точки равновесия на батарее, и у нас есть двигатель!
И гомополярный двигатель, и магнитоэлектрический поезд - действительно привлекательные демонстрации. Они используют ту же физику, что и все электрические генераторы и электродвигатели, но почему-то их простота действительно стимулирует то, что это фундаментальная физика в игре, а не какой-то умный технический трюк.
После открытия электромагнитной индукции Фарадей продолжал свои исследования. В январе 1833 года он закончил новую работу и установил тождественность так называемого «обыкновенного» электричества, возбуждаемого трением, и «гальванического»,- возникающего в батарее.
Открытие электромагнитной индукции произвело переворот и в технике и в науке.
Начиная с 1600 по 1800 год - в течение двух веков - ученые исследовали только электрические заряды, их образование, накапливание, взаимодействие между собой, а также действие электрических разрядов.
С 1800 по 1831 год, то есть до открытия электромагнитной индукции, ученые все свое внимание обратили на новое явление - движение зарядов по проводникам исследовали особенности прохождения тока в металлах и жидкостях.
С 1831 года начинается новая эпоха. Ученые углубляются в изучение свойств полей - электрического и магнитного.
Все магнитные поля создаются движущимися заряженными частицами. Даже магнит на вашем холодильнике является магнитным, потому что он содержит электроны, которые постоянно движутся внутри. Во время эксперимента наблюдалось, что при прохождении электрического тока через провод соседний компас меняет направление. Вывод из этого наблюдения заключался в том, что электроны, движущиеся по проволоке, создают магнитное поле, которое не было, когда ток был отключен. Важно отметить, что заряженные частицы создают магнитные поля только тогда, когда они движутся. что мы действительно имеем магнит, который можно включать и выключать с помощью переключателя.
Известие об открытии электромагнитной индукции облетело все академии мира. Ученые на разные лады и каждый по-своему повторяли опыты Фарадея. Некоторые замечали новые особенности этого явления, ставившие их втупик. Возражения против выводов Фарадея сыпались, как желуди с дуба в ветреный день. У индуктивного тока обнаруживали какие-то особые свойства, отличающие его будто бы от тюка, поставляемого обычной гальванической батареей. Было объявлено о существовании нового, «индуктивного» электричества.
Нашлись также «ученые», которые стали доказывать, что электромагнитная индукция позволяет осуществить вечное движение, и в подтверждение ссылались на опыты Фарадея с катушкой и магнитом, когда движение магнита внутри катушки вызывало в проволочной обмотке индуктированный ток.
Фарадей объяснял смысл своего опыта так: силовые линии магнитного поля, окружающего железный стержень, пересекают витки проволочной катушки и тем самым вызывают в ней ток.
Такое объяснение правильно, но оно не исчерпывает сути явления. Превратно толкуя результаты опыта, некоторые физики вообразили, что ток в данном случае рождается магнитом. А так как магнит, сколько его ни двигай взад и вперед, не портится, не ослабевает, и его «сила» никак не расходуется, то, очевидно, катушка с магнитом внутри является настоящим вечным двигателем, способным рождать электрическую энергию из ничего.
Основной и всеобщий ломоносовский закон: «из ничего не может возникнуть что-то» был чужд и непонятен большинству ученых того времени. Даже позже, в 1851 году, немецкого ученого Юлия Майера, который собрал неопровержимые доказательства в пользу закона сохранения энергии, попросту объявили умалишенным и поместили в сумасшедший дом.
Фарадей не довел до конца объяснение открытого им явления. Этим-то и воспользовались невежды, пытавшиеся воскресить порочную идею вечного двигателя.
Это имеет огромное значение, когда дело касается практических приложений, о чем мы поговорим позже. Эксперимент 19-го века показал, что провод, несущий электрический ток, является магнитом. Так как все электроны движутся по проводу в одном направлении, существует хорошо определенное магнитное поле, окружающее провод. Прочность магнитного поля пропорциональна величине тока, протекающего через провод. Другими словами, увеличение тока увеличивает силу магнитного поля. Итак, если провода настолько магнитные, почему мы не видим, что скрепки и вилки летают по комнате и прилипают к ним?
В 1833 году исследованиями электромагнитной индукции занялся молодой русский ученый Э. X. Ленц. Он весьма глубоко разобрал все возражения, выдвинутые против Фарадея, и методично, многочисленными опытами, показал, что все эти возражения и опровержения основаны на ошибках тех людей, которые повторяли опыты Фарадея. Они либо не умели правильно поставить эти опыты, либо совершенно произвольно их истолковывали.
Особо тщательно Ленц изучал взаимодействие между магнитом и проволочной катушкой. Он установил, что приближение намагниченного стержня к замкнутой катушке вызывает в ней индуктивные токи такого направления, что их магнитное поле противодействует, сопротивляется движению стержня. Магнитное поле катушки выталкивает назад магнитный стержень, и для того, чтобы вдвинуть его в катушку, необходимо преодолеть это сопротивление, то есть совершить определенную работу против сил магнитного поля индуктивного тока.
Индуктивный ток не может возникнуть в разомкнутой катушке, около нее не образуется магнитного ноля, и она не мешает движению магнита.
Индуктивный ток, возникая в катушке, не рождается из ничего. Для его образования приходится затрачивать энергию, то есть работать. Значит, энергия не рождается, а лишь преобразуется: механическая энергия превращается в электрическую.
Если к проволочной катушке поднести железный стержень, а затем пропустить по катушке достаточно сильный ток, то катушка втянет в себя стержень, то есть электрическая энергия перейдет в механическую - в движение стержня.
Ленц нашел также закон преобразования электрической энергии в тепловую (рис, 29). Он ясно показал, что и для электрических явлений закон сохранения энергии остается незыблемым. И впервые мир услыхал от Ленца новое слово - электрическая энергия.
Причина в том, что магнитное поле просто не очень сильное при нормальных, повседневных уровнях электрического тока. Нам понадобится немного больше работы, чтобы превратить провод в полезный магнит. Электромагнит - это магнит, который использует электрический ток для генерации своего магнитного поля. Это отличается от постоянных магнитов, таких как те, что на вашем холодильнике, которые полагаются на магнитные свойства атомов в материале для создания магнитного поля. На данный момент наш электромагнит - всего лишь провод, но магнитное поле слишком слабое, чтобы делать что-либо практическое.
Энергия, затрачиваемая током на преодоление сопротивления проводника, превращается в тепловую энергию. Мы пользуемся ею для нагревания воды в электрическом чайнике, для накаливания нитей осветительных лампочек. В электромоторах электрическая энергия превращается в механическую работу и т. д.
Безграничны области применения этого вида энергии, впервые подробно изученной Ленцем.
Однако, если мы согните провод вокруг и вокруг, чтобы сформировать катушку, магнитные поля петель будут концентрироваться в центре. Чтобы еще больше увеличить этот эффект, мы можем обернуть несколько слоев провода друг над другом. Использование большего количества витков проволоки увеличивает прочность магнитного поля. Это определенное улучшение по сравнению с предыдущим, но оно все еще недостаточно сильное, чтобы быть действительно практичным.
Мы можем сделать наш электромагнит в несколько тысяч раз сильнее, положив в центр катушки сердечник из ферромагнитного материала, такого как железо. Ферромагнитные материалы содержат нечто, называемое магнитными доменами, которые являются областями в материале, которые действуют как крошечные магниты. Обычно домены произвольно конфигурируются и материал не проявляет никакого магнетизма. Однако при воздействии магнитного поля, подобного тому, который создается нашей катушкой провода, домены начинают выравниваться, а отдельные магнитные поля объединяются в большее поле.
Закончив опыты с электромагнитной индукцией, свою следующую работу Фарадей посвятил исследованию химического действия тока. Ученый стал пропускать электрический ток через различные растворы, наблюдая, как под действием тока разлагаются химические соединения.
Во время опытов Фарадей убедился, что ему трудно составлять описание их, у него для этой цели не хватает терминов. Чтобы описать какую-нибудь пустяковую проволочку, опущенную в воду, приходится сочинять длинную запутанную фразу. Фарадей решил придумать новые простые и короткие названия, составив их из древнегреческих слов.
Разложение растворенного вещества с помощью электрического тока получило название: электролиз - электрическое разложение. Жидкость, которую наливают в батарею или в сосуд для разложения ее на составные части, Фарадей назвал электролит.
Проволочки, пластинки, стержни, по которым ток проникает в прибор или выходит из него, стали называться электродами.
Тот электрод, через который ток «входит» в какой-либо прибор, Фарадей назвал анод - что значит восход (ано - вверх, одос - путь; анодос - путь вверх), Электрод, через который ток уходит из прибора,- катод («иду вниз» - заход) Фарадей, следуя установившейся традиции, тоже считал, что ток идет от плюса к минусу.
Частицы вещества в электролите, которые переносят электрические заряды, Фарадей назвал ионами, что значит - странствующие. Ионы, двигающиеся при электролизе к аноду, получили название анионов; ионы, движущиеся к катоду, - катионов (рис. 31).
