17. Применение электромагнитной индукции

В продолжение предыдущей главы данный раздел представляет некоторые виды применения электромагнитной индукции: мы начинаем с принципа работы микрофонов и громкоговорителей, затем поговорим о роли трансформаторов в изоляции или усилении. Нам представится случай объяснить целесообразность передачи электрической энергии с помощью линий высокого напряжения. Наконец, мы опишем явление резонанса и объясним, как сделать природные электрические осцилляторы. Мы расскажем о различных видах применения этих осцилляторов, таких как аудиопроцессоры или радиоприемники.

1. Микрофоны и громкоговорители

Цель микрофона – уловить звуки и преобразовать их в электрические сигналы. Однако мы уже знаем, что звук связан с вибрацией воздуха. В ухе барабанная перепонка вибрирует от чередования высокого и низкого давления. Тот же принцип действия и в микрофоне, мембрана играет роль барабанной перепонки.

Как превратить колебания мембраны в электрический сигнал? С помощью электромагнитной индукции, конечно! Достаточно, например, объединить мембрану с магнитом, один из полюсов которого будет направлен к катушке. Когда магнит колеблется под действием звука, магнитное поле колеблется внутри катушки, что создает индукционный ток (➙ рис. 17.1).

В звуке высокие частоты соответствуют быстрой вибрации воздуха (до 20 000 в секунду), а низкие «медленной» (около 20 в секунду). Таким образом, любой звук можно рассматривать как сумму переменных вибраций очень разных частот. С помощью микрофона мы получаем электрическое напряжение, которое колеблется так же, как сумма синусоид весьма разнообразных частот. В конечном итоге микрофон является не чем иным, как несколько необычным электрогенератором.

Рис. 17.1 – Принцип действия микрофона

(а) – зона высокого давления находится перед мембраной микрофона, что направляет действие силы вправо. Эта сила ускоряет действие магнита вправо: с помощью электромагнитной индукции ток усиливается по мере того, как увеличивается скорость магнита.

(b) – зона низкого давления, следующая за высоким давлением, достигает мембраны, создавая противоположно направленную силу: ток будет уменьшаться, пока не сменит направление в цепи. В конечном счете переменные вибрации воздуха создают переменный ток в цепи. Отметим, что на практике в настоящем микрофоне магнит скорее неподвижен, а двигается катушка вместе с мембраной.

Когда звук преобразован в электрический сигнал, можно приступать к его трансформации (часть III, «Осцилляторы»), можно передавать его на большие расстояния или записывать.

Как же в конце восстановить звук? Точно таким же способом: воспользоваться методом, представленным на рис. 17.1, только «наоборот»: колеблющийся электрический сигнал проходит по катушке, что создает колеблемое магнитное поле. Под действием магнитной силы оно заставит колебаться магнит, соединенный с мембраной: колебание мембраны заставит колебаться окружающий воздух, создавая высокое и низкое давление подобно нашим голосовым связкам. Таким образом, мы преобразовали электрический сигнал в звуковой – таков принцип действия громкоговорителя (как и в микрофоне, магнит скорее неподвижен, а двигается катушка, но принцип остается тем же).

Из предыдущего описания мы можем убедиться, что громкоговоритель является микрофоном: между ними нет никакой разницы. В одном случае прибор служит рецептором, а в другом – передатчиком. Такой аппарат, имеющий возможность работать и как микрофон, и как громкоговоритель, называется «трансдуктор», или магнитный усилитель.

Конечно, на практике микрофоны больше предназначены для приема звуков, а громкоговорители для их передачи, то есть, если мы хотим, чтобы система хорошо работала, не стоит переделывать микрофон в громкоговоритель.

2. Трансформаторы

Принцип действия

Магнитная структура трансформатора

Если мы расположим четыре вращающихся магнита в форме квадрата, они естественным образом повернутся так, как показано на рис. 17.2: магниты повернуты друг к другу противоположными полюсами. Заменим три магнита справа на три бруска парамагнетика: внутренние «кольца» (электроны, вращающиеся в атомах), будучи маленькими магнитами, вращаются в том же направлении под действием магнита слева. Таким образом, три бруска намагничиваются так, что их противоположные полюса смотрят друг на друга. Мы получаем ту же конфигурацию, что и на рис. 17.2.

Рис. 17.2 – Вращающиеся магниты, расположенные в форме квадрата

Магниты вращаются естественным образом, чтобы повернуться друг к другу противоположными полюсами. Из-за этого кажется, что магнитное поле проходит по периметру квадрата. Если заменить три магнита справа парамагнетиками, они будут намагничиваться друг за другом от присутствия магнита слева, пока не станут магнитами, расположенными точно таким же образом.

Теперь заменим брусок слева парамагнетиком, обернутым проводом, по которому проходит электрический ток (➙ рис. 17.3): брусок слева становится магнитом. Ситуация вновь такая же, как на рис. 17.2.

Рис. 17.3 – Намагничивание парамагнитных брусков, расположенных в форме квадрата

Брусок слева ведет себя как магнит, потому что в его центре катушка, по которой проходит ток. Все бруски намагничиваются по очереди под его воздействием, пока не расположатся так, как показано на рис. 17.2.

На рис. 17.3 брусок справа намагничен: намагничивание происходит от одного бруска к другому от того, внутри которого катушка. Мы видим, что катушка сама представляет собой мощный магнит, чья сила распространяется далеко за пределы катушки, образуя широкий квадрат.

Взаимное влияние электрических цепей

Обернем другой электропровод вокруг бруска справа, чтобы получилась новая катушка (➙ рис. 17.4). Таким образом, магнитное поле находится внутри этой катушки, но, поскольку это поле не изменяется, в катушке не возникает ток.

Пустим в катушку справа переменный ток: это создаст изменяемое магнитное поле внутри ее. Это поле будет переходить от одного бруска к другому, пока не достигнет правого – это создаст в правой катушке индукционный ток. Уровень силы тока зависит от изменения магнитного поля, которое колеблется переменным образом. Можно с легкостью продемонстрировать, что созданный ток тоже переменный.

В конечном итоге мы видим, что переменный ток в цепи слева вызывает появление переменного тока в цепи справа, в то время как между цепями нет никакого контакта. Две цепи взаимодействуют только с помощью магнитного поля в парамагнетике.

Рис. 17.4 – Принцип работы трансформатора

Ток первичной цепи (слева) создает магнитное поле в парамагнетике. Это влечет намагничивание всего квадрата парамагнетиков, как на рис. 17.3. Ток возникает во вторичной цепи (справа) при малейшем изменении магнитного поля (электромагнитная индукция).

На самом деле токи в первичной и вторичной цепях тесно связаны, поскольку они оба влияют на магнитное поле в парамагнитном квадрате.

Мы создали трансформатор. Цепь слева называют первичной, а цепь справа – вторичной: ток во вторичной цепи создан током в первичной.

Заметим, что ток во вторичной цепи тоже создает магнитное поле в правом бруске, которое сказывается на бруске слева и нарушает ток в первичной цепи. Таким образом, токи в первичной и вторичной цепях воздействуют друг на друга под влиянием электромагнитной индукции. Магнитное поле в парамагнетике является результатом влияния вторичной цепи, так же как и первичной.

Отношение напряжения и силы тока

Выражение силы тока

Предположим, что мы закрутим одно-единственное кольцо на первичной и на вторичной цепи. Магнитное поле одинаково колеблется в обоих кольцах (магнитное поле одинаково во всех парамагнетиках). То есть ток в обоих кольцах колеблется одинаково благодаря явлению электромагнитной индукции. Это значит, что в любой момент сила тока в первичной цепи равна силе тока во вторичной.

Предположим теперь, что мы закрутили в первичной цепи одно поверх другого 10 колец, по которым проходит ток силой 0,1 А: это равносильно одному кольцу, сила тока которого 1 А (10 колец по 0,1 А). Как мы только что видели, такова сила тока 1 А в кольце вторичной цепи. Поскольку во вторичной цепи всего одно кольцо, сила тока в 1 А содержится в одном проводе и во второй электрической цепи.

В конечном итоге, увеличив число колец в десять раз в первичной цепи по сравнению со вторичной, мы в десять раз увеличили силу тока благодаря трансформатору. Можно обобщить этот результат: отношение силы тока между первичной и вторичной цепями обратно отношению числа колец. Это записывается как i_2/i₁ =N_2/N1 (где N₁ и N₂ – число колец в первичной и вторичной цепи, а i₁ и i₂ – соответственно переменная сила тока).

Отношение напряжений

В первичной цепи энергия, переданная генератором трансформатору, подразделяется на две части:

• одна часть поглощается двумя катушками трансформатора;

• одна часть переходит в трансформатор вторичной цепи.

На практике во время работы трансформатора поглощенная энергия очень мала по сравнению с «потребленной» энергией вторичной цепи. Таким образом, вся энергия, отданная первичной цепи, оказывается во вторичной. В любой момент мощность p = ui, полученная катушкой первичной цепи, равна мощности, отданной катушке вторичной цепи, то есть u₁i₁ = u₂ i₂.

Отношение напряжений в трансформаторе, таким образом, обратно отношению силы тока u_2/u1 = i_1/i2 или u_2/u1 =N_2/N1.

Увеличив число колец во вторичной цепи в десять раз, мы получаем напряжение в десять раз больше, чем в первичной цепи, но силу тока в десять раз меньше. Таким образом, никакая энергия не была ни создана, ни уничтожена.

Отметим, что вышеупомянутое отношение силы тока и напряжения действительно в любой момент, то есть мы можем сделать такие же выводы относительно эффективного напряжения и силы тока.

Силовые линии высокого напряжения

Трансформатор прежде всего служит для повышения или понижения напряжения. Для чего нужно повышать напряжение, если не увеличивается энергия?

Это необходимо, в частности, когда мы хотим передать электричество на очень большое расстояние (линии высокого напряжения). Чем длиннее провод, тем больше сопротивление (сопротивление пропорционально длине проводника), тем выше энергетические потери в проводах, и важно уменьшить их любыми возможными средствами.

Уточним: допустим, что жители города потребляют определенное количество электрической мощности с помощью приборов, совместимых с сопротивлением. Это соответствует P = UI (где U – напряжение в электророзетке, а I – сила тока) Если мы решаем увеличить напряжение U, это позволяет на столько же уменьшить силу тока I в цепи.

Между тем мощность, рассеянная в тепловом виде в линии электропередачи, равна P_l = RI² (где R – сопротивление линии, а I – сила тока этой линии). Таким образом, уменьшение I при увеличении U позволяет значительно снизить энергетические потери. Например, при умножении напряжения на десять сила тока делится на десять, а рассеянная мощность линии делится на сто.

На практике выбор высокого напряжения необходим, когда речь идет об очень больших расстояниях (сильное напряжение) и когда требуемая мощность P = UI очень высока (большое число потребителей). Трансформаторы позволяют увеличить напряжение на сотни тысяч вольт на выходе электроцентралей: чем чаще линия электропередачи подразделяется на многочисленные местные линии, питающие города, тем больше мы можем позволить себе уменьшить напряжение (расстояния меньше, и число домов меньше). Это тоже делается с помощью трансформаторов, пока напряжение в наших розетках не достигнет величины 220 В.