3. Применение в моторах и тормозах
Электромотор
Создание электрического мотора базируется на простом феномене – на том, что два магнита поворачиваются относительно друг друга, чтобы сойтись разными полюсами. А где поворот, там и вращение…
Разберем устройство мотора на постоянном токе: два магнита, закрепленные друг напротив друга разными полюсами. Между ними пространство, в котором расположен ротор, представляющий собой катушку, по которой проходит ток. Эта катушка, следовательно, ведет себя как магнит (➙ рис. 15.6).
Рис. 15.6 – Принцип работы мотора на постоянном токе
(а) – через катушку проходит ток, который идет от «плюса» к «минусу»: это создает магнитное поле. Северный полюс катушки (вверху) отталкивается северным полюсом магнита слева и притягивается южным полюсом магнита справа: катушка поворачивается.
Мы обозначили два конца катушки черной и белой точкой. (b) – черная точка прошла мимо правого магнита, то есть черная точка больше не касается положительно заряженной зоны, зато касается отрицательной. Таким образом, ток начинает двигаться от белой точки к черной, а не от черной к белой: направление тока было изменено.
Магнитное поле теперь направлено от черной точки к белой, противоположно (а): белая точка на этот раз соответствует северному полюсу, а черная – южному. На схеме видно, что это позволяет поддерживать вращение с помощью постоянного магнитного отталкивания.
Северный полюс ротора отталкивается северным полюсом одного из магнитов и притягивается южным полюсом другого магнита: ротор начинает вращаться. Проблема в том, что, когда ротор повернулся один раз, вращение прекращается. Чтобы его продлить, необходимо переделать северный полюс ротора в южный, чего можно достичь, изменив направление тока: там, где было притяжение, создается отталкивание, и ротор снова делает полуоборот, чтобы найти стабильное положение. В этот момент ток в роторе снова меняется, и ротор вновь поворачивается…
Таким образом, с каждым полуоборотом ротор приобретает ускорение: он достигнет номинальной скорости вращения, когда трение компенсирует действие магнитной силы.
Торможение с помощью магнитного поля
Мы видели, что вращение диска проводника, «погруженного» в магнитное поле, вызывало появление электрического тока, направленного к внешнему краю диска (➙ рис. 15.3.а, который мы перенесли на рис. 15.7). Но этот ток, направленный к внешнему краю, также подвергается действию магнитной силы, направленной к задней части диска (согласно правилу трех пальцев). Таким образом, ток описывает дугу, направленную к внешней и к задней части диска.
Во время перемещения свободные электроны оказывают трение на окружающее пространство. Эта сила трения направлена к задней части диска (свободные электроны в своем движении к задней части диска стремятся унести с собой атомы диска). Иначе говоря, сила препятствует вращению диска: речь идет о силе торможения, которая замедляет вращение диска.
Рис. 15.7 – Магнитное торможение металлического диска
Такое «магнитное торможение» позволяет избежать изнашивания материала, который участвует в традиционном тормозе. В частности, оно используется в грузовиках в дополнение к обычным тормозам.
СЛЕДУЕТ ЗАПОМНИТЬ
• Взаимодействие двух магнитов (притягивающее и отталкивающее) связано со схождением магнитного поля к южному полюсу магнита и расхождением от его северного полюса.
• Магнитное поле Земли возникает из-за вращения внутреннего ядра, жидкого проводника, который создает динамо-эффект.
• Природные магниты образованы намагничиванием лав под действием магнитного поля Земли, которое затем сохранилось после их остывания.
• Земля создает магнитное поле везде вокруг себя, даже в космосе, образуя таким образом магнитосферу. Она защищает нас от заряженных частиц солнечного ветра, заставляя их отклоняться. Магнитосфера также создает радиационный пояс и полярное сияние.
• Электромотор использует поворот катушки, по которой проходит ток, помещенной напротив магнита. Вращение поддерживается с помощью периодической инверсии направления тока.
• Металл, вращающийся в магнитном поле, тормозится с помощью магнитной силы.
16. Электромагнитная индукция
До сих пор мы сосредотачивали свое внимание на статических электромагнитных полях. Настало время еще больше обобщить информацию, обратившись к ситуации, когда поля меняются, что приведет нас к новому явлению – индукции. Ее применение имеет первостепенное значение в повседневной жизни: именно благодаря ей генераторы переменного тока электростанций вырабатывают электричество, которым мы пользуемся дома. Нам представится случай окунуться в богатый мир переменного тока и напряжения, которые заставляют работать наши электроприборы, подключенные к сети. Мы более подробно рассмотрим новый компонент, работающий на индукции, – катушку.
1. Индукционный ток
Индукция и магнитостатика
Действие магнитного поля и реакция зарядов
Для начала кратко напомним о выводах из предыдущих глав. Мы видели, что движущиеся заряды создают магнитное поле в любой точке пространства. Это поле вызывает появление магнитной силы у каждой заряженной движущейся частицы, проходящей через него.
Возьмем две катушки, через которые проходит одинаковый ток в одном направлении, и расположим их друг напротив друга: между двумя катушками появится магнитное поле (➙ рис. 16.1.а). Правило трех пальцев подсказывает нам, что две катушки создают поле, направленное в одну сторону: таким образом, общее поле будет больше.
Теперь заставим электроны перемещаться между двумя катушками перпендикулярно оси катушек (➙ рис. 16.1.b): магнитная сила, которая на них воздействует, меняет их траекторию и заставляет описывать круг (правило трех пальцев). Иначе говоря, электроны проходят по аналогии кольца: это значит, что они сами создают магнитное поле (кольцо ведет себя как магнит)… Правило трех пальцев (опять оно!) показывает нам, что поле направлено в противоположную сторону относительно первоначального магнитного поля, которое заставило электроны отклониться.
Иначе говоря, первоначальное магнитное поле вызывает движение зарядов, которое стремится уменьшить это магнитное поле. В каком-то смысле это противоположно динамо-эффекту: магнитное поле создает токи, которые нарушают это поле.
Рис. 16.1 – Влияние катушек на движение электрона
На схемах сверху представлено направление перемещения электронов (противоположное движению тока).
Две катушки создают магнитное поле, направление которого можно найти с помощью правила трех пальцев (а). Это поле действует с помощью магнитной силы на электроны, посланные в середину (b), которая меняет их траекторию и заставляет описывать круг (и снова правило трех пальцев). По созданному таким образом новому кольцу электроток движется в направлении противоположном току катушек: кольцо создает магнитное поле, которое противодействует полю катушек.
Мы отмечали это, когда говорили о взаимодействии солнечного ветра с магнитосферой земли: электроны и протоны закручиваются вокруг силовых линий магнитного поля, создавая нечто вроде колец, которые ведут себя как магниты. Эти маленькие магниты создают магнитное поле, направленное противоположно магнитному полю Земли. И здесь тоже магнитное поле Земли вызывает ток, который стремится ему противодействовать.
В динамо-эффекте нам удалось усилить магнитное поле, заставив ток идти по определенному пути. Но если мы позволим току свободно двигаться, куда он хочет, он всегда будет стремиться противодействовать магнитному полю, в которое он погружен.
Индукционный ток
В предыдущих примерах магнитная сила лишь отклоняет уже существующий ток. Но мы видели, что она также может создавать ток: так происходит, когда мы заставляем вращаться диск проводника в магнитном поле. На рис. 16.2 мы видим, что появляется ток, направленный к внешнему краю диска и к его задней части (это мы объяснили в предыдущей главе). В таком случае говорят, что ток индуцирован магнитным полем.
На самом деле об «индукции» говорят, когда возникает ток в результате действия магнитного поля. На рис. 16.2 мы видим, что, предоставленный самому себе, такой ток «запускает кольцо», направление которого стремится противодействовать первоначальному магнитному полю, – перед нами тот же результат, который описан выше.
Запомним, что индукционный ток стремится противодействовать тому, что его породило.
Рис. 16.2 – Индукционный ток, вызванный вращающимся металлическим диском
Магнитная сила создает ток, направленный к внешнему краю диска и отклоняющийся к задней части диска. Мы видим, что дуга, созданная этим током, образует нечто вроде обрывка кольца, которое создает магнитное поле, направленное противоположно первоначальному магнитному полю.
Индукция в изменяемом поле
Сила индукции
Соединим напрямую катушку и амперметр: это создает цепь, в которой электроны могут перемещаться, и амперметр позволяет измерять силу тока в цепи. Разумеется, при отсутствии батарейки ток не возникает.
То же самое происходит, если магнит помещен перед катушкой (➙ рис. 16.3.а): действительно, магнитная сила может воздействовать только на движущиеся заряды, а в цепи ничего не движется.
Теперь резко приблизим магнит к катушке: внезапно мы видим появление в цепи тока, который исчезает, как только магнит перестает двигаться. Точно так же, если мы резко удалим магнит, снова возникнет ток, направленный в другую сторону. Таким образом, появилась сила, которая заставляет свободные электроны двигаться по цепи.
Проблема в том, что магнитная сила действует только на подвижные заряды, тогда как здесь электроны изначально неподвижны: то есть мы имеем дело с другой силой. Это также и не электростатическая сила, потому что магнит не заряжен.
Таким образом, мы вынуждены обозначить третью, совершенно новую силу, которая действует на заряды. Это называется электродвижущей силой индукции (ЭДС), потому что в присутствии магнитного поля возникает индукционный ток. На первый взгляд эта «сила индукции» связана с изменением магнитного поля, поскольку она возникает, когда мы приближаем или удаляем магнит.
Уточним кое-что:
• Если мы приближаем северный полюс магнита (➙ рис. 16.3), магнитное поле, направленное вправо, увеличивается: изменение поля направлено вправо.
• Опытным путем мы установили, что в этом случае индукционный ток создает магнитное поле, направленное влево (➙ рис. 16.3.b1).
• Если мы удаляем северный полюс магнита, магнитное поле, направленное вправо, уменьшается: изменение поля направлено влево. Мы видим, что в этом случае индукционный ток создает магнитное поле, направленное вправо (➙ рис. 16.3.b2).
• Если мы приближаем южный полюс магнита, магнитное поле, направленное влево, увеличивается: изменение поля направлено влево. Мы видим, что индукционный ток создает магнитное поле, направленное вправо (➙ рис. 16.3.b3).
• Если мы удаляем южный полюс магнита, магнитное поле, направленное влево, уменьшается: изменение поля направлено вправо. Мы замечаем, что в этом случае индукционный ток создает магнитное поле, направленное влево (➙ рис. 16.3.b4).
Рис. 16.3
(а) Неподвижный магнит перед катушкой не создает никакого тока в цепи.
(b) Подвижный магнит перед катушкой создает в цепи индукционный ток. Направление этого тока таково, что магнитное поле, созданное катушкой, противодействует изменению магнитного поля, созданного магнитом.
Таким образом, в любом случае сила индукции (ЭДС) создает индукционный ток, который противодействует изменению магнитного поля, которое его породило.
Мы получаем вывод, сходный с выводом из предыдущего параграфа, но на этот раз это изменение магнитного поля, а не само поле создает индукционный ток. Более того, в данном случае заряду необязательно двигаться, чтобы подвергнуться силе индукции (ЭДС).
Разделение электричества и магнетизма
Сила индукции (ЭДС) обнаруживает связь между магнитными (присутствие магнита) и электрическими (ускорение свободных электронов в цепи) аспектами. Вместо того чтобы учитывать большое количество сил, действующих на заряды, физики предпочли разделить их на две категории:
• Магнитная сила действует на подвижные заряды и зависит от их скорости ν. Она записывается F = qνB sin α (где α – угол между траекторией и полем, а B – величина магнитной индукции, характеризующей магнитное поле). Таким образом, новая сила, которую мы только что обнаружили, не входит в эту категорию, поскольку она воздействует даже на неподвижные заряды.
• Электрическая сила не зависит от движения зарядов, на которые воздействует. Она всегда записывается F = qE (где E – напряженность электрического поля).
Таким образом, наша новая «сила индукции» относится к «электрическому» типу, поскольку воздействует и на подвижные, и на неподвижные заряды. Это значит, что изменение магнитного поля создает электрическое поле E, которое воздействует электрической силой F = qE на электроны цепи. Это электрическое поле, порожденное магнитным полем, не имеет очевидной связи с электростатическим полем, образованным неподвижными зарядами, которым мы интересовались до сих пор.
В итоге такое различие между электрической и магнитной силой может показаться совершенно произвольным: в конце концов, в опыте, который мы ставим, именно магнит создает ток в цепи, и, следовательно, нам хочется причислить его к магнитной силе, а не к электрической…
На самом деле в дальнейшем мы увидим, что магнитные и электрические составляющие связаны еще теснее, чем показывает данный опыт: они лишь демонстрируют два разных способа увидеть одну и ту же силу. Все зависит от точки зрения, как и в случае с силами инерции. Мы вернемся к этому, когда будем говорить о теории относительности, потому что она позволяет понять, почему магнетизм и электричество являются единым целым.
