Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Фарадей более четко уяснил себе (а также и аудитории, перед которой читалась лекция) это явление на более простом примере, поместив магнит в проволочную катушку, которая была соединена с гальванометром. Когда магнит устанавливали, стрелка гальванометра отклонялась в одну сторону, а когда его вытаскивали, она отклонялась в противоположном направлении. Пока магнит оставался в покое внутри катушки, на любой стадии его установки или вытаскивания никакого течения тока не наблюдалось. Однако в том случае, когда магнит был закреплен, а саму катушку переворачивали или опускали, ток снова начинал идти по проволоке. Не важно, двигалась ли проволока поперек силовых линий, или эти линии двигались поперек проволоки[107].

Фарадей, безусловно, использовал магнетизм для того, чтобы создать электрический ток, и изобрел таким образом электромагнитную индукцию. В США ученый Генри сделал то же открытие приблизительно в это же время, но работа Фарадея была опубликована первой.

Процесс возникновения тока по индукции можно легко представить, если рассмотреть пространство между полюсами магнита, где силовые линии проходят по прямой от северного полюса к южному, и предположить, что между этими полюсами двигается одинарная медная проволока. (Не имеет значения, постоянный это электромагнит или же электромагнит при пущенном токе.)

Если проволока неподвижна или двигается параллельно силовым линиям, индуктированный ток течь не будет. Если проволока движется в направлении, не параллельном силовым линиям, тем самым пересекая их, ток будет индуцироваться.

Величина разности потенциалов, которая приводит в движение индуктированный ток, зависит от количества силовых линий, пересекаемых в секунду, а эта скорость зависит от нескольких факторов. Во-первых, от скорости движущейся проволоки. Чем быстрее она движется в любом заданном направлении, не параллельном силовым линиям, тем большее количество этих линий она пересекает в течение секунды и тем больше разность потенциалов, приводящая к индукции тока.

Во-вторых, важен вопрос о направлении движения проволоки. Если проволока движется в направлении, перпендикулярном силовым линиям, то она в течение секунды пересекает некоторое количество этих линий. Однако при той же скорости движения, но в направлении, не совсем перпендикулярном силовым линиям, проволока пересекает меньшее число этих линий в единицу времени, и получающаяся при этом разность потенциалов меньше. Чем больше угол между направлением движения и перпендикуляром к силовым линиям, тем меньше разность потенциалов индуктированного тока. Так, при движении в направлении 90° к перпендикуляру это перемещение проволоки происходит фактически параллельно силовым линиям и тока не возникает.

Кроме того, если проволока скручена в витки и каждый виток пересекают силовые линии, разность потенциалов, приводящая в движение индуктированный ток, умножается в силе пропорционально отношению числа витков на единицу длины.

Направление индуктированного тока определяется при помощи правой руки, согласно системе, которую впервые предложил английский инженер-электрик Джон Эмброуз Флеминг (1849–1945), названной «правилом Флеминга», или правилом правой руки. Применение этого правила совсем несложно, если проволока движется перпендикулярно силовым линиям. Вытяните большой, указательный и средний пальцы так, чтобы каждый образовал прямой угол с двумя другими, причем большой палец направлен вверх, указательный — прямо, средний — налево. Указательный палец демонстрирует направление магнитных силовых линий от северного полюса к южному, большой палец показывает направление движения проволоки, а направление среднего пальца соответствует направлению течения тока по проволоке (от положительного полюса к отрицательному).

Спустя два месяца после открытия электромагнитной индукции Фарадей предпринял следующий шаг. Пока силовые магнитные линии пересекали электрический проводник, производился электрический ток, но как сделать этот процесс постоянным?

Ученый установил тонкий медный диск так, чтобы он мог поворачиваться на стержне. Когда диск поворачивался, его внешний край проходил между полюсами сильного магнита. По мере прохождения между этими полюсами он непрерывно пересекал магнитные линии, поэтому возникала разность потенциалов — разность, которая поддерживалась в течение всего времени, пока диск поворачивался. К диску были прикреплены две проволоки с подвижными контактами. Один контакт слегка задевал медное колесо по мере его вращения, второй касался стержня. Другие концы проволок соединялись с гальванометром.

Поскольку наибольший электрический потенциал возникал на внешнем крае, где диск вращался сильнее всего, пересекая большее число магнитных линий в единицу времени, между этим краем и неподвижным стержнем возникала максимальная разность потенциалов. Электрический ток шел по проводам, фиксируемый гальванометром, пока диск вращался. Фарадей производил постоянный ток, не используя химических реакций, и создал первый генератор электрического тока.

Важность этого устройства колоссальна, поскольку именно оно превращает энергию движения в электрическую энергию. Диск можно вращать, например, при помощи парового двигателя, горения угля или нефти (что гораздо дешевле, чем жечь цинк) или используя турбину, приводимую в движение потоком воды, — так водопады или реки могут быть приспособлены для производства электроэнергии. Для того чтобы приспособить генератор к практическим нуждам, потребовалось 50 лет, однако в 80-х годах XIX века уже в массовых объемах производилось дешевое электричество. Появился электрический свет, и стала возможна электрификация общества в целом.

В современных генераторах вращающийся между двумя полюсами диск Фарадея заменен на катушки с медной проволокой, намотанной на железный цилиндр, который вращается между полюсами электромагнита. Вращающиеся катушки составляют якорь. Чтобы увидеть, что происходит, рассмотрим упрощенный случай: простую прямоугольную петлю из проволоки, которая поворачивается между северным (справа) и южным (слева) полюсами.

Представим, что такой прямоугольник расположен параллельно силовым линиям (движущимся справа налево) и начинает поворачиваться так, что проволока слева от него (проволока L) движется наверх, пересекая силовые линии, а проволока справа (проволока R) — вниз, тоже пересекая линии.

Начнем с проволоки L и вспомним правило правой руки. Направьте вверх большой палец так, чтобы он соответствовал движению проволоки L. Вытяните указательный палец налево, он будет соответствовать направлению южного полюса магнита. Средний палец обращен в вашу сторону, это и есть направление индуктированного тока в проволоке L.