В первых своих попытках создать электрогенератор мы вращали проволочную рамку в магнитном поле и убедились, что в полном соответствии с законами электромагнитной индукции в рамке действительно наводится электродвижущая сила — генератор работает. Однако оказалось, что полярность наведённой э.д.с. дважды в течение одного оборота рамки меняется, и если не принять специальных мер (переключение выводов рамки с помощью коллектора), то на выводах, или, как часто говорят, на зажимах генератора, «плюс» и «минус» дважды в течение каждого оборота рамки будут меняться местами. Таким образом, мы фактически получили бы генератор переменной э.д.с., который, естественно, создавал бы в цепи переменный ток — ток, который периодически меняет своё направление, идет туда-обратно. Приученные батарейкой карманного фонарика к тому, что «плюс» и «минус» никогда своих мест не меняют, что они всегда на одних и тех же зажимах генератора, мы тут же нашли способ сохранить неизменную полярность — подключили рамку к выводам генератора через переключатель, вращающийся вместе с ней, через коллектор. Но, решив задачу, есть смысл осмотреться и увидеть, что вся электроэнергетика — это в основном энергетика переменного тока. И что, столь долго путешествуя по электрическому миру, пора обратить внимание и на него.

Т-117. Если в магнитном поле равномерно вращать проводник, то в нём наведётся переменная синусоидальная э.д.с. Настал момент более внимательно всмотреться в проводник, который вращается в магнитном поле, понаблюдать, как меняется наведённая в нём электродвижущая сила (Р-56). Для начала вспомним, что наведённая э.д.с. зависит от скорости движения проводника. Но речь идёт не о движении вообще, куда угодно. Наведённая в проводнике э.д.с. зависит от того, с какой скоростью проводник пересекает магнитное поле, с какой скоростью он движется перпендикулярно полю, перпендикулярно направлению, в котором в этом поле установилась бы пробная магнитная стрелка. Для начала посмотрим на простейшую модель машинного электрогенератора переменной э.д.с., где она наводится в рамке и снимается с двух вращающихся металлических колец с помощью двух скользящих контактов. Процесс наведения этой э.д.с. очень прост и в то же время очень важен, поэтому мы сейчас разберём его подробно, как говорится, раз и навсегда.

Когда провода a и b рамки проходят в районе полюсов внешнего (статорного) магнита, в них наводится максимальная электродвижущая сила. И совсем не потому, что провода a и b находятся вблизи от полюсов внешнего магнита, это здесь ни при чём. Напряжение возрастает потому, что, двигаясь по своему круговому маршруту, оба провода a и b рамки именно в районе полюсов с наибольшей скоростью пересекают магнитное поле. А двигаясь в районе проходящей через центр (через ось генератора) условной горизонтальной линии, провода a и b (при неизменной скорости движения по кругу!) практически не пересекают магнитное поле, двигаются вдоль условных магнитных линий, соединяющих северный полюс внешнего магнита с южным. Естественно, что в этом районе наведённая э.д.с. очень мала и в какой-то момент даже равна нулю.

Зато, проходя мимо названной выше горизонтальной линии, провода рамки участвуют в очень интересном и важном событии. Не прекращая своего равномерного движения по кругу, провода а и Ъ рамки резко меняют направление, в котором они пересекали магнитное поле. Так, например, проходя верхнюю часть своего кругового пути, провод а пересекал магнитное поле, двигаясь справа налево. А пройдя горизонтальную линию и продолжая двигаться по своей круговой трассе, провод а будет пересекать магнитное поле в направлении слева направо. Аналогично провод, который вначале двигался в нижней части круга слева направо, пересечёт горизонтальную линию в правой её части и будет перемещаться по верхней части своего кругового маршрута справа налево. При этом согласно правилу правой руки изменится полярность напряжения, наведённого в каждом из проводников. А значит, два раза за время одного оборота рамки меняется полярность генератора. Если к нему подключить нагрузку, то по ней пойдёт переменный ток.

О том, как меняется наведённая э.д.с. при вращении проводника в магнитном поле, лучше всего рассказывает график (Р-57).

ВК-144. К потребителю трёхфазный ток чаще всего поступает с трансформатора, вторичная обмотка которого соединена звездой. К разным участкам сети, например к разным подъездам, подводят разные фазовые напряжения U_ф. К мощным аппаратам можно подвести более высокое линейное напряжение U_л или при необходимости все три фазы U_ф1, U_ф2 и U_фз. При соединении выходных обмоток трансформатора треугольником таких возможностей выбора нет. Всё это относится и к соединению обмоток генератора.

Р-52. ДВИГАТЕЛЬ НОРМАЛЬНО РАБОТАЕТ, ЕСЛИ НЕСКОЛЬКО ИЗМЕНИТЬ СИСТЕМУ СКОЛЬЗЯЩИХ КОНТАКТОВ. Нам нужно, чтобы потребляющая от батареи ток рамка (упрощённый ротор двигателя) двигалась по кругу, всегда получая поддержку внешнего магнитного поля. Одно из самых простых решений проблемы — нужно каждые пол-оборота менять направление тока в проводах рамки. И тогда, хоть на миллиметр проскочив по инерции среднее положение, рамка будет опять выталкиваться из внешнего магнитного поля в сторону своего вращения. Для того чтобы произвести такое переключение проводов, проще всего заменить контактные кольца системы скользящих контактов контактными полукольцами (1), одно из которых соединено с началом рамки (провод а), а другое — с её концом (провод Ь). К одному из этих полуколец прижат скользящий контакт «плюса» батареи, к другому полукольцу так же подключён её «минус». Но через половину оборота скользящие контакты (то есть выводы батареи) окажутся подключёнными к другим полукольцам, и направление тока в рамке изменится (2). Теперь, согласно правилу левой руки, внешнее магнитное поле будет двигать провода рамки, поддерживая её вращение.

Т-118. График — особый рисунок, наглядно демонстрирующий, как одна какая-либо величина зависит от другой. О необходимости знать язык графиков было сказано в самом начале (Т-7), и откладывать это знакомство дальше уже невозможно. Основа графика — две взаимно перпендикулярные линии, две, как их называют, оси — вертикальная и горизонтальная. По вертикальной оси в определённом масштабе откладывают ту величину, об изменениях которой мы хотим рассказать. А по горизонтальной оси в своём определённом масштабе откладывают ту величину, от которой зависит первая величина, то есть та, которая отмеряется по вертикальной оси. «В определённом масштабе» означает, что если, например, отмеряется масса, то 1 мм на какой-либо оси (вертикальной либо горизонтальной) соответствует 1 г (одному грамму) или 1 кг, как мы условимся. Если отмеряется температура, то 1 мм — это уже может быть 1 градус, если ток, то 1 А, если напряжение — 1 В. Иногда оси называют латинскими буквами «икс» и «игрек»: горизонтальная — ось х, вертикальная — ось у. Отсчёт ведётся от точки пересечения осей, то есть от точки 0.

У языка графиков в ещё большей мере проявляется достоинство, которое характерно для языка формул: одного взгляда на график достаточно, чтобы почувствовать зависимость, о которой он рассказывает. Попробуйте сами построить график, иллюстрирующий, например, закон Ома: зависимость тока I в простейшей цепи с одним резистором R (ток откладывается по вертикальной оси у) от электродвижущей силы Е или (и) сопротивления цепи R (они откладываются по горизонтальной оси х). Для начала задайтесь постоянной величиной э.д.с., например 20 В, и начинайте увеличивать R, например от

ВК-145. Уже пару раз отмечалось, что трансформатор, в зависимости от соотношения числа витков в обмотках, повышает или понижает ток и напряжение, но мощности никогда не меняет — сколько её поступило на вход в первичную обмотку, примерно столько же (немножко меньше из-за потерь энергии) будет на выходе во вторичной обмотке. Мы повторяем этот очевидный факт ввиду его исключительной важности. И еще потому, что его очень несложно запомнить, но он почему-то очень часто забывается.

Р-53. В РАЗНЫЕ ВРЕМЕНА ЧЕЛОВЕЧЕСТВО ОТКРЫЛО ТРИ РАЗНЫХ ИСТОЧНИКА ЭЛЕКТРИЧЕСТВА. Природа не делала секретов из электромагнетизма, и миллионы лет человек видел полыхающие на грозовом небе молнии. Но никто, конечно, в те далёкие времена не знал природу этих грозных небесных спектаклей и не связывал их с находками на самой земле. Четыре-пять тысяч лет назад люди обнаружили камни, притягивающие гвозди и другие железные предметы. Камни эти (железную руду с магнитными свойствами) назвали магнитом, говорят, по имени жившего на острове Крит пастуха Магнеса, который нашёл и показал землякам эти камни. По другой версии название появилось по имени горы Магнезия на том же Крите, возле которой существуют залежи железной руды с магнитными свойствами.

С электричеством дело оказалось похуже. На земле не было песков или вод, которые имели бы готовые электрические свойства, как некоторые железные руды имеют магнитные. Ходили слухи о том, что философ Фалес из греческого города Милет (на территории нынешней Турции) ещё около трёх тысяч лет назад знал, как натирание янтаря создаёт у него некоторые особые свойства, благодаря которым янтарь притягивает лёгкие предметы — клочки шёлка, пёрышки и пушинки. Только триста лет назад этим свойствам дали имя «электричество» от латинского слова «электрон» — «янтарь».

Совершенно новые возможности появились в 1800 году, когда Алессандро Вольта представил миру созданный им химический генератор электричества, как его потом называли «Вольтов столб» (2) — два металлических электрода, погружённых в жидкий или пастообразный электролит. Химические реакции между электролитом и электродами приводили к тому, что на одном из них появлялся избыток положительных зарядов («плюс»), а на другом — избыток электронов («минус»). С помощью Вольтова столба за несколько десятилетий было сделано много открытий — от законов постоянного тока до электромагнитной индукции (3), которая в дальнейшем сама стала источником электричества. Через 30 с лишним лет после появления Вольтова столба Майкл Фарадей обнаружил, что в проводнике, который находится в меняющемся магнитном поле, наводится электродвижущая сила. Но прошло несколько десятилетий, пока это открытие превратилось в действующие машины, снабжающие электричеством сначала отдельные дома, а затем большие города и целые страны.

одного ома, каждый раз на один ом. Подсчитанную величину тока сразу же отмечайте на графике, поставив в нужном месте точку. Затем соедините эти точки, и вы получите убывающую кривую, которая покажет, как уменьшается ток в цепи, если возрастает её сопротивление. Сначала с каждым дополнительным омом убывает быстро, а затем всё медленнее. Это типичный график для обратной пропорциональной зависимости: чем больше R, тем меньше ток I, и во сколько раз вы увеличите R, во столько же раз уменьшится ток I. Аналогичный график можно построить, чтобы показать, как напряжение Е влияет на величину тока I. Здесь на графике появится прямая линия, показывающая, как растёт ток I с увеличением Е. Это несложное домашнее задание поможет вам с помощью графиков показать, а заодно и самому увидеть, как в простейшей электрической цепи меняется ток при изменении сопротивления цепи и э.д.с. в ней.

Язык графиков — универсальный язык, он может рассказать о самых разных зависимостях. График, например, может показать зависимость напряжения U на участке цепи от тока, зависимость мощности Р от тока в цепи, зависимость тока I от сопротивления цепи. Точно так же график может показать, как в данном регионе меняется средняя июльская температура на протяжении последних ста лет. Или с какой скоростью двигался автомобиль во время большого туристического пробега. Или как меняется масса космической системы при выведении спутника на околоземную орбиту. В этом случае сама масса в тоннах (т) отложена по вертикальной оси, а по горизонтальной отложено то, что важнее знать: время полёта или высота подъёма ракеты-носителя. На Земле (нулевая высота) общая масса системы 20 т (все цифры условные), затем по мере подъёма выгорает топливо, и масса ракеты постепенно уменьшается. На высоте 40 км масса уменьшается резко, скачком — это отстреливается отработавшая первая ступень. Точно так же на высоте 100 км отстреливается вторая ступень, и на высоте 250 км — третья. Остаётся на орбите сам спутник — чистая масса 1 т.

Подобных примеров можно привести бессчётное множество, но нам пора обратиться к графику переменного тока (Р-57.2), о том же, что и он, будут рассказывать многие похожие, а иногда и не очень похожие графики в этой книге. Приведённый на рисунке график помогает понять, как во времени меняется ток (э.д.с.), протекающий в цепи, которую питает машинный генератор переменного тока. Предварительно хочется обратить внимание на две особенности переменной э.д.с. (тока), о которых рассказывает график и о которых в последующих разделах будет рассказано более подробно.

Особенность первая. На рисунке показан график синусоидальной э.д.с. (тока). Их величина меняется точно так же, как меняется длина линии синуса в известном геометрическом построении, которое можно считать началом тригонометрических функций и таблиц.

Особенность вторая. На рисунке показан график переменного тока, который можно было бы считать двумя разными токами, поочерёдно протекающими в двух разных направлениях, — человек с юмором вполне мог бы назвать направление этих токов «туда» и «обратно». Уже давно и вроде бы без возражений принято изображать эти токи на одном графике — один из них рисуется как обычно, а другой, образно говоря, верх ногами, — что поделаешь, за экономию и удобства приходится чем-то платить.

ВК-146. Довольно часто, работая с трансформатором, можно забыть о подробностях событий в его вторичной обмотке, так как важно знать, какую нагрузку трансформатор представляет для генератора, к которому подключена его первичная обмотка. В этом случае всю вторичную обмотку вместе с её реальной нагрузкой R_н как бы переносят и пересчитывают в первичную обмотку и заменяют её условным вносимым сопротивлением R_внс, которое вторичная обмотка со своей нагрузкой R_н создаёт в первичной цепи.

Р-54. ОСНОВА ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРА: ЕСЛИ В МЕНЯЮЩЕЕСЯ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ПОМЕСТИТЬ ПРОВОДНИК, В НЁМ НАВЕДЁТСЯ Э.Д.С. Получение магнетизма из электричества, открытое в 1820 году, оказалось делом довольно простым — пропускаешь электрический ток по проводнику, и вокруг него появляется магнитное поле. То, что можно совершить обратное превращение и с помощью магнита получить электрический ток, вроде бы было сразу понятно, но поиски конкретного решения заняли немало времени. Во всяком случае, ещё в 1822 году Майкл Фарадей записал в дневнике свою главную задачу: «Превратить магнетизм в электричество». Но прошло почти десять лет поисков, неудач и ошибок, пока эксперимент подтвердил, что такое в принципе возможно, — Фарадей в эксперименте получил электромагнитную индукцию. А затем ещё несколько десятилетий ушли на создание использующих её генераторов, пригодных для широкого применения. Достаточно вспомнить, что через 60 лет после открытия электромагнитной индукции машины вырабатывали в 20 тысяч раз меньше электрической энергии, чем мы потребляем сегодня. Электромагнитную индукцию, которая стала главным поставщиком электрической энергии, сейчас представляют очень просто: в катушке наводится э.д.с., когда она перемещается в магнитном поле и пересекает его (1), когда при тех же условиях поле перемещается относительно катушки (2) и когда катушка находится в магнитном поле, которое меняют каким-либо иным способом (3). Представьте себе, что в мощных генераторах чаще используют второй вариант (2), так как с катушки, которая находится в магнитном поле, снимают очень большую мощность, и её легче отвести от неподвижного объекта. А электромагниту, который создаёт магнитное поле, нужна во много раз меньшая мощность, и её не так уж сложно подвести к подвижному объекту.

Т-119. График переменной электродвижущей силы показывает, как она меняется с течением времени. Для начала повторим сказанное, но несколько по-другому. Двум э.д.с. (токам) разного направления, которые выдаёт генератор переменной электродвижущей силы (тока), названия «положительная э.д.с.» и «отрицательная э.д.с.» присвоены совершенно условно. Они должны лишь подчеркнуть, что меняется полярность генератора, его «плюс» и «минус» меняются местами. И одну из этих полярностей, часто совершенно безразлично какую, условно называют «положительной», вторую — «отрицательной». То же самое можно сказать о положительном и отрицательном токе — это просто токи разного направления, и опять же одному из них условно присвоено имя «положительный ток», другому — «отрицательный ток». Отсчёт отрицательной величины на графике, в частности отрицательной э.д.с., ведётся так же, как и положительной, от нулевого уровня, то есть от горизонтальной оси. Но для отрицательной величины (э.д.с., напряжение, ток) отсчёт идёт уже, естественно, вниз — чем больше отрицательная э.д.с., тем ниже от горизонтальной оси (ось времени) располагается соответствующая точка на графике. Мы уже в своё время говорили, что одно из направлений тока в проводнике мы совершенно условно назвали «положительным», а противоположное направление — «отрицательным». Точно так же условились называть «положительной» и «отрицательной» две разные полярности э.д.с. или напряжения (местонахождение их «плюса» и «минуса»). При этом график положительного тока (э.д.с., напряжения) договорились строить, как обычно, отсчитывая ток вверх от оси времени, а график отрицательного тока (э.д.с., напряжения) строить на этой же оси времени, но строить его, так сказать, «вверх ногами», то есть отсчитывая ток (э.д.с., напряжение) вниз от оси времени. Можно было, конечно, договориться как-нибудь по-другому, например, делать два отдельных графика — для положительного и отрицательного тока (э.д.с., напряжения), а затем рассматривать их совместно, так сказать, положив рядом. Но весь мир согласился, что принятый вариант — один общий график и отрицательный ток ниже оси времени — проще и удобней всех других. Теперь все именно таким способом представляют на графике переменный ток, и мы, конечно, тоже поддержим эту договорённость.

ВК-147. Аварийный режим — короткое замыкание, когда случайно возникает R_н = 0 и при этом недопустимо возрастают ток I₂ и ток I₁. В обмотках выделяется огромное количество тепла, трансформатор перегревается и быстро выходит из строя. Такой режим могут создать любые соседние витки, которые замкнулись из-за разрушения изоляции. Если не принять мер, то режим, близкий к короткому замыканию, создаст сердечник трансформатора, который представляет собой короткозамкнутый стальной виток.

Р-55. ДВИГАЕМСЯ ПО ЗНАКОМОЙ ДОРОГЕ: ОТ РАМКИ «ДВИГАТЕЛЬ» К РАМКЕ «ГЕНЕРАТОР». Правило левой руки (Р-50) помогло нам разобраться с работой двигателя, определить направление, в котором внешнее магнитное поле двигает проводник с током. Точно так же правило правой руки (1 на этом рисунке) помогает разобраться с генератором — определить, как направлена наведённая в проводнике ЭДС, если мы двигаем этот проводник в магнитом поле. Правило правой руки утверждает, что, когда ладонь направлена в сторону северного полюса внешнего магнита и когда отогнутый большой палец указывает направление движения проводника, то вытянутые четыре пальца показывают направление э.д.с. (и тока при замкнутой цепи), наведённой в результате электромагнитной индукции. Сходство ситуаций в правилах левой руки и правой руки, а также общий главный герой — проводник, дают повод думать об обратимости электрических машин. Во многих случаях такая обратимость действительно существует — двигатель может работать генератором, генератор — двигателем. В надежде на обратимость и не меняя систему скользящих контактов, превратим рамку «ротор двигателя» в рамку «ротор генератора», вращая её для этого отдельным двигателем (2). Осциллограф покажет, что мы не ошиблись, — на проводах, к которым раньше подключалась батарея питания двигателя, теперь действует напряжение, наведённое в результате электромагнитной индукции. В каком-то смысле это постоянное напряжение — оно, как и батарея, действует только в одном направлении, такова система переключения проводов а и Ь. Но по величине наведённое напряжение меняется — на разных участках своего пути провода рамки а и b с разной скоростью пересекают магнитное поле (3).

На рисунке Р-57 показан график переменной э.д.с. (тока), которая наводится в проводнике при его вращении в магнитном поле. Фактически в магнитном поле вращается рамка, при этом её работающие (горизонтальные) проводники всегда пересекают магнитное поле в разных направлениях, и в них наводится э.д.с. разной полярности. Но проводники рамки соединены последовательно (не забыли? аналогично двум гальваническим элементам в батарее), и обе наведённые на них э.д.с. складываются. Поэтому, рассматривая события в этом простейшем генераторе, можно для упрощения картины опять же считать, что в магнитном поле движется один проводник.

На графике Р-57.2 время, как обычно, отложено по горизонтальной оси (ось х), но отмеряется в новых для нас условных единицах времени — в градусах. Можно было, конечно, выбрать миллисекунды или микросекунды, но более удобны и к тому же приняты во всем мире градусы. Рамка совершает полный оборот за время в 360°, в моменты 90° и 270° наведённая в ней э.д.с. достигает максимума, то есть своей амплитуды, в это время проводник с максимальной скоростью пересекает магнитное поле. Наконец, график рассказывает, что дважды за каждый оборот проводник движется не поперек поля, а вдоль и затем (пересекая условную горизонтальную линию) меняет направление, в котором он пересекал поле. В эти моменты — они соответствуют точкам (то есть моментам времени) 180° и 360° — э.д.с. равна нулю, и в эти же моменты происходит смена её полярности.

ВК-148. Начнём с конца: стальной сердечник трансформатора перестаёт быть короткозамкнутым витком потому, что он изготовлен не из сплошного металла. Он собран из тонких стальных пластин, между которыми проложен слой изоляции. Ток первичной обмотки своим меняющимся магнитным полем, конечно, наводит ток в сердечнике, но в каждой пластине отдельно. При этом токи в соседних пластинах действуют друг против друга, практически ликвидируя короткозамкнутый стальной виток.

Р-56. ВОЗВРАЩЕНИЕ К СТАРОЙ ОШИБКЕ ПРИНОСИТ В ИТОГЕ ОГРОМНЫЙ ВЫИГРЫШ. У нас есть все основания порадоваться — в генератор был успешно превращён двигатель с системой токосъёма из двух полуколец для переключения проводов рамки. Теперь можно попробовать провести ещё более рискованный эксперимент — в генератор превратить двигатель, который вообще не мог работать, потому что в его системе питания вместе со скользящими контактами использовались целые кольца (Р-51). Правило правой руки показывает, что в этом случае токи (или э.д.с.,) наведённые в проводах а и б, пересекающих внешнее магнитное поле, всегда будут суммироваться. Но при этом одну половину оборота эти провода будут давать э.д.с. одного направления, другую половину оборота — противоположного. Одним словом, с забракованным в своё время кольцевым токосъёмом мы получили генератор, который создаёт, как её называют, переменную э.д.с., а в нагрузке, подключенной к рамке, переменный ток. Учитывая огромные его достоинства и то, что 97 % мировой электрической мощности производится в виде переменного тока, знакомству с ним мы будем уделять основное внимание. На этом же рисунке показан принцип построения простейшей векторной диаграммы из числа тех, которыми мы будем пользоваться в рассказах о переменном токе.

Т-220. Под действием переменной э.д.с. в цепи идёт переменный ток, а на всех её участках действуют переменные напряжения. Подключив нагрузку к нашему экспериментальному генератору переменной э.д.с., отметим: всё, что происходит в электрической цепи, подчиняется закону Ома. Поэтому когда увеличивается или уменьшается электродвижущая сила Е, то увеличивается или уменьшается ток, а если меняется полярность электродвижущей силы Е, то меняется направление тока. И также в полном соответствии с законом Ома (но уже для участка цепи, Т-71) переменный ток, проходя по какому-нибудь резистору, создаёт на нём переменное напряжение, а электродвижущая сила делится между участками последовательной цепи, создав на каждом из них определённое напряжение, или, иначе, падение напряжения (Р-31).

Переменный ток и переменные напряжения по пятам следуют за всеми изменениями э.д.с., и можно так подобрать масштаб, что график переменного тока и график переменного напряжения будут точной копией графика переменной электродвижущей силы Е. Очень часто кривую тока и кривую э.д.с., или напряжения, располагают на одном графике, сделав для этого две разметки вертикальной оси, — одну разметку в вольтах для э.д.с. и напряжения, другую разметку в амперах для тока. Рассматривая такой двойной график, нужно помнить, что это всего лишь экономия бумаги, и ничего больше. Нельзя, например, сравнивать высоту кривых э.д.с. и тока — они рассказывают о разных характеристиках процесса и отображаются в разных единицах измерения, каждая кривая начерчена в своём масштабе, и общая у них только ось времени.

Т-121. Переменный ток может работать так же хорошо, как постоянный. От того, что ток переменный, что заряды двигаются «то туда, то обратно», работоспособность этих зарядов во многих случаях ничуть не уменьшается. Они так же, как при однонаправленном, одностороннем движении, сталкиваются с атомами вещества, нагревают его, заставляют вещество светиться. И магнитное поле переменный ток создаёт не менее успешно, чем постоянный, только направление этого магнитного поля непрерывно меняется — как только сменится направление тока в катушке, так тут же поменяются местами северный и южный магнитные полюсы электромагнита. В некоторых случаях эту неприятность научились обходить, а во многих случаях смена магнитных полюсов вообще не имеет значения.

Вот пример. Электромагнит притягивает стальную деталь потому, что он своим полем намагничивает её, а затем тянет к себе, как он тянул бы к себе любой другой магнит. Если же в обмотке электромагнита протекает переменный ток, то вслед за изменением магнитного поля самого электромагнита мгновенно меняются местами магнитные полюсы стальной детали, и её притягивание не прекращается.

В тех же случаях, когда постоянный ток нельзя заменить переменным, можно использовать выпрямитель, который без особого труда переменное напряжение превратит в постоянное (Р-99), вполне заменяющее гальванический элемент или аккумулятор.

ВК-149. Индуктивное сопротивление катушки X_L называют реактивным потому, что оно активной мощности не потребляет. Сколько возьмёт катушка для своего магнитного поля, столько же и отдаёт. Но так не получается в реальной жизни, где ток катушки I_L проходит по активному сопротивлению R_внт, куда входит внутреннее сопротивление генератора и ряд других сопротивлений большой сети. В этом сопротивлении R_внт реактивный ток I_L теряет часть своей мощности, и эти потери приходится учитывать.

Р-57. В ПОРЯДКЕ ПЕРВОГО ЗНАКОМСТВА ЗАМЕНЯЕМ СЕКУНДЫ НА ГРАДУСЫ. О переменном токе или напряжении очень хорошо рассказывает их график. Но если сделать один такой полный график для какой-нибудь лампочки, которая включена уже несколько часов, то он наверняка растянется на несколько километров. Пользоваться таким графиком было бы не очень удобно. Кроме того, наш большой график переменного тока обычно всё время повторяется и рассказывает о событиях, очень похожих. Поэтому переменный ток принято отображать очень коротким графиком, на котором показан один полный цикл изменения тока (напряжения, э.д.с.), именуемый периодом. На таком коротком графике время принято отсчитывать не в привычных секундах, а в условных единицах времени — в градусах, каждый из них составляет 1/360 часть периода. Так что если такой типичный однопериодный график переменного тока начинается в нулевой точке 0° (момент времени 0 градусов) и ток нарастает, то в момент 90° он достигнет своей наибольшей величины — амплитуды. Затем, уменьшаясь, ток в момент 180° вновь станет равным нулю (как и в момент 0°) и начнёт нарастать, но уже сменив направление. Этот, как его называют, отрицательный ток отмеряют вниз от горизонтальной оси — от оси времени. Достигнув отрицательной амплитуды в момент 270°, ток завершит период своих изменений, уменьшившись до нуля в момент 360°. Время в градусах, соответствующее тому или иному значению тока (напряжения, э.д.с.) принято называть его фазой. Этот краткий комментарий, как и сам график, относится к наиболее распространённому синусоидальному току, который нам в дальнейшем предстоит часто вспоминать.

Т-122. Приятно всё же встречать технические термины в виде слов родного языка: частота говорит о том, насколько часто повторяется полный цикл переменного тока. Единица частоты — герц, Гц. О постоянном токе нам достаточно было знать одно — какова интенсивность движения зарядов, то есть то, что отражено в характеристике «величина тока», «сила тока». Переменный ток — явление значительно более сложное, чтобы судить о событиях в электрических цепях переменного тока, нужна более обширная информация. В частности, нужно знать, насколько быстро меняется ток, насколько часто происходит смена его направлений.

Об этом в равной мере хорошо говорят две характеристики. Первая — период Г, он указывает время, в течение которого переменный ток (э.д.с., напряжение), изменяясь, проходит весь свой цикл, все свои возможные значения (Р-58).

Вторая характеристика — частота f (или F), она говорит о том, сколько периодов, то есть сколько полных циклов изменения тока (э.д.с., напряжения), успевает произойти за единицу времени. Единица частоты — герц, сокращённо Гц, ей дано имя великого физика Генриха Герца (1857–1894), открывшего, в частности, электромагнитные волны, на основе которых вскоре появились радио, телевидение, локация. Единица частоты 1 герц соответствует одному полному периоду в секунду. Если, например, частота составляет 2 Гц, то период длился 0,5 с, и, следовательно, за время 1 с переменный ток (э.д.с., напряжение) пройдёт 2 полных своих периода. Если же, например, время полного изменения переменного тока, то есть период Т составляет 0,1 с, то за секунду будет 10 полных периодов, и частота составит 10 герц, 10 Гц). Ясно, что чем медленнее происходят изменения тока, чем дольше длится период, тем меньше (принято говорить «ниже») частота. И наоборот, с увеличением частоты период становится всё более коротким.

Т-123. «Мгновенное значение» и «амплитуда» сообщают о работоспособности переменного тока в какой-то определённый момент. С постоянным током было просто: чтобы представить себе ток в цепи, достаточно было знать одну цифру. А вот что делать, если потребуется указать величину переменного тока? Какую цифру называть? Ток ведь переменный, величина его непрерывно меняется, в какой-то момент по проводнику идёт очень много свободных зарядов, в другой момент очень мало, в третий ни одного.

Можно указать силу тока и отметить, что она наблюдалась именно в такой-то момент. Например, так: «29 мая 1987 года в 18 часов 37 минут 26,57854 секунды ток в цепи был равен 5 ампер». Это будет мгновенное значение тока, ток в данный момент, в данное мгновение. Характеристика не очень удобная — нельзя же каждую микросекунду замерять ток, чтобы составить его подробное жизнеописание (Т-8).

Можно назвать наибольшее значение тока (э.д.с., напряжения), тот максимум, которого он достигает дважды за период. Кстати, наибольший ток (э.д.с., напряжение) во время положительного и отрицательного полупериода называют положительной и отрицательной амплитудой тока. Это уже вполне приемлемая характеристика, по крайней мере, не меняющаяся каждое мгновение, жаль только, рассказывает она о довольно редких событиях: амплитудный ток появляется на неуловимо короткое мгновение всего два раза за период. А всё остальное время переменный ток (э.д.с., напряжение) меньше амплитуды, так что на неё никак нельзя рассчитывать, думая, например, о работоспособности генератора.

ВК-150. На большом заводе тысячи двигателей и трансформаторов, каждый со своими катушками. При этом потери в R_внт из-за индуктивной составляющей общего тока (ВК-149) могут быть значительными. Коэффициент мощности (косинус фи) cos φ помогает как-то оценить эти потери и снизить их. Если, например, cos φ = 0,7, то, значит, общие потери довольно велики. А если cos φ увеличился до 0,9, то, значит, оборудование используется лучше, и при этом общие потери намного меньше.

Р-58. ПЕРВЫЕ СТРОКИ АНКЕТЫ. Основные характеристики переменного тока — это его период Т и частота f. Период Т в традиционных единицах времени, например в секундах, говорит о том, сколько длится один полный цикл переменного тока, то есть указывает время, в течение которого переменный ток один раз проходит все свои возможные значения. Частота f говорит о том, сколько периодов приходится на время в одну секунду. Совершенно ясно, что чем больше частота, тем больше периодов успевает пройти за секунду, тем меньше времени приходится на один период.

Т-124. Для того чтобы оценить работоспособность переменного тока в среднем за длительное время, для него придумана характеристика «эффективное значение». Есть довольно простой способ судить о том, что может сделать переменный ток не в какой-то «данный момент», не в моменты своего регулярно повторяющегося рекорда (амплитуда), а в среднем за длительное время. Для этого удобно сравнить действие данного переменного тока с действием постоянного тока. Пропустим, например, через лампочку переменный ток и через такую же точно лампочку пропустим постоянный ток. Подберём величину этого постоянного тока так, чтобы обе лампочки светились одинаково, это означает, что оба тока — постоянный и переменный — производят одинаковую работу. Величину постоянного тока, который по своей работоспособности эквивалентен какому-то определённому переменному току, называют эффективным значением этого переменного тока. Точно так же эффективное значение переменного напряжения (э.д.с.) — это некое постоянное напряжение (э.д.с.) с такой же работоспособностью, эквивалент данного переменного тока, как говорится, по деловым качествам.

ВК-151. Генератор тока» и «генератор напряжения» — это два генератора со своими особенностями схемы. У первого внутреннее сопротивление намного меньше, чем у предполагаемой нагрузки, у второго намного больше. Поэтому к генератору напряжения можно подключать разную нагрузку и получать одинаковое напряжение. Аналогично генератор тока при нагрузке с разным сопротивлением создаст одинаковый ток.

При прочих равных условиях эффективный ток (э.д.с., напряжение) тем больше, чем больше амплитуда переменного. А иначе и быть не может — атлет, который на соревнованиях поднял штангу в 200 килограммов, за день наверняка сумеет перенести больше грузов, чем малыш, личный рекорд которого — табуретка. Для переменной э.д.с. (напряжения, тока), которая наводится во вращающейся рамке, существует такое соотношение: эффективное значение составляет примерно 0,7 (то есть 70 %) от амплитуды, а амплитуда, соответственно, в 1,4 раза (на 40 %) больше эффективного значения (Р-59). Эти же соотношения действительны и для обычного сетевого напряжения, которое, в частности, поступает в наши дома. Так, например, в сети с переменным напряжением 127 В (для напряжения сети, так же как для всех электроприборов, всегда указывают именно эффективное напряжение) амплитуда составляет 127 В 1,4 = 180 В, а в сети 220 В амплитуда напряжения 220 В -1,4 = 308 В.

Ещё раз отметим: для всех электрических приборов и аппаратов — от утюга до мощного электродвигателя — в инструкциях, техническом паспорте, на корпусе самого прибора указывают именно эффективное напряжение, которое нужно для нормальной работы. Так, если на лампочке или возле сетевого разъёма электробритвы написано 220 В, то имеется в виду именно эффективное напряжение. Однако и про амплитуду иногда вспоминать необходимо — как-никак она почти в полтора раза больше эффективного напряжения или эффективного тока. И когда, например, вы хотите включить в цепь переменного тока конденсатор, то нужно следить, чтобы амплитуда напряжения на этом конденсаторе не превысила допустимое для него рабочее напряжение. Точно так же именно амплитуду напряжения нужно иметь в виду, сверяясь с правилами электрической безопасности (Т-10).

ВК-152. В районе температуры жидкого гелия (около 4 градусов Кельвина, или минус 269 градусов Цельсия) некоторые металлы и сплавы полностью теряют своё электрическое сопротивление, становятся сверхпроводниками. Подобное охлаждение пока настолько дорого, что сверхпроводники используют лишь в исключительных случаях, например в больших ускорителях. При этом проводят предварительное охлаждение до минус 77 градусов Цельсия в значительно более дешёвом жидком азоте.

И последнее, в порядке повторения пройденного, — с этого мы начали разговор о соотношении амплитуды переменного тока (э.д.с., напряжения) и его эффективного значения. Мы установили, что эффективное значение переменного тока (э.д.с., напряжения) на 30 % меньше его амплитуды, то есть I_эф = 0,7∙I_АМП. Соответственно, амплитуду переменного тока (э.д.с., напряжения) всегда легко подсчитать, так как она (амплитуда) примерно на 40 % больше эффективного тока, то есть I_АМП = 1,4∙I_эф. Так вот, эти коэффициенты 0,7 и 1,4 действительны только для тока (э.д.с., напряжения), который меняется по хорошо известному математикам графику с названием «синусоида». Для всех токов (э.д.с., напряжений), которые меняются по-иному (Р-60), эти коэффициенты могут быть совершенно другими. Об этом, как уже было обещано, вскоре будет рассказано более подробно.

Т-125. Фазу и сдвиг фаз надо бы указывать, называя точное время, причём его принято указывать не в секундах, а в градусах. В серьёзной литературе и в популярной, в некоторых заводских документах, да и просто в разговоре профессионалов нередко встречаются термины «фаза» и «сдвиг фаз». Рядовые пользователи электрической техники, как правило, не очень чётко представляют, о чём конкретно говорят эти слова, хотя, если разобраться, ничего такого сложного нет в понятиях «фаза» и «сдвиг фаз». Можно сказать, что фаза — это такой параметр переменного тока, который указывает, в какой именно момент времени этот переменный ток (э.д.с., напряжение) имеет то или иное мгновенное значение. Поэтому, указывая фазу, мы должны были бы, например, говорить так: «У мгновенного значения тока 5 А фаза была такая — 18 часов 37 минут 26,57854 секунды 19 декабря 1997 года» или «У этой положительной амплитуды фаза была 3 часа 17 минут 6,35532 секунды 19 декабря 2002 года».

ВК-153. При увеличении частоты переменного тока растёт сопротивление проводника, по которому идёт ток. Это явление названо «поверхностный эффект», или «скин-эффект», связано оно с магнитными полями, оттесняющими ток к поверхности провода. В радиотехнике, чтобы ослабить этот неприятный эффект, поверхность провода покрывают серебром. Или используют многожильный провод литцендрат, имеющий значительно большую, чем у одножильного провода, поверхность при том же общем диаметре.

Конечно, вести отсчёт от начала нашей эры и определять фазу по секундомеру не очень-то удобно. И главное, не нужно. Как правило, вполне достаточно вести отсчёт фазы от какого-либо условного момента времени, скажем, от начала периода, например от того момента, когда переменный ток проходит через ноль и начинает новый цикл своих изменений. И отсчитывать фазу удобно не в секундах, а в долях периода. Тогда фазу можно было бы, например, указывать так: «У мгновенного значения тока 5 А фаза — 5 % всего периода, если отсчитывать от его начала». Или так: «Из графика легко заметить, что фаза положительной амплитуды тока составляет 25 % периода, или, иначе, 1/4 периода, фаза отрицательной амплитуды — 75 % периода, или 3/4 периода, а фазы нулевых значений тока составляют 0, 50 и 100 % от длительности целого периода».

Фазу принято отмерять именно так, но только не в процентах (1/100 часть периода), а в более мелких единицах — в градусах, которых кое-кто почему-то очень боится. Принято, что градус составляет 1/360 часть периода, и целый период таким образом — это 360 градусов, половина периода (полупериод) — 180 градусов и четверть периода — 90 градусов. И что тут страшного? Чего бояться?

Само слово «градус» в переводе с латыни значит «шаг, ступень». В градусах измеряют температуру, угол и вот теперь ещё и время. Название во всех случаях одно и то же — градус, — а единицы измерения совершенно разные. Это, конечно, очень неудобно, когда одним и тем же словом называют разные характеристики, понятия, предметы, с таким неудобством, к сожалению, встречаешься нередко. Для отсчёта доли периода градус, скорее всего, выбрали потому, что переменную э.д.с. можно получать, вращая проводник в магнитном поле, и на один полный оборот, то есть на 360 угловых градусов, как раз приходится полный период Т переменного тока (напряжения, э.д.с.).

Параметр «фаза» очень важен, а часто и необходим, например, в тех случаях, когда в цепи действуют несколько переменных э.д.с. Чтобы оценить результаты такого взаимодействия, нужно знать, как сдвинуты фазы этих э.д.с. Иногда фазу приходится учитывать ещё и потому, что в цепи не совпадают по времени, то есть сдвинуты по фазе, напряжение и ток. В цепях переменного тока и такое возможно.

ВК-154. Скин-эффект давно и широко используется в индустрии для поверхностной закалки некоторых изделий из стали или её сплавов. Есть детали, у которых очень важно иметь твёрдую износостойкую поверхность, и при этом их центральная часть должна оставаться не закалённой. Такая структура обеспечивает высокую прочность и долговечность при больших нагрузках. Поверхностная закалка позволяет получить нужную структуру валов, шестерён, элементов подшипников и многих других деталей.

Т-126. Активное сопротивление: ток и напряжение совпадают по фазе. Примером активного сопротивления может служить обычная электрическая лампочка. А вообще активным называют сопротивление, если оно уменьшает ток в цепи, препятствует движению зарядов и одновременно (это нужно отметить обязательно!) отбирает у них часть мощности.

Но разве бывает иначе? Разве может какой-либо элемент цепи препятствовать, мешать электрическому току и в то же время не отбирать у него энергию? Оказывается, может. Понятие активное сопротивление понадобилось именно потому, что есть элементы электрических цепей, которые оказывают сопротивление переменному току, но мощности при этом не отбирают. О таких элементах говорят, что у них реактивное сопротивление.

События на участке с активным сопротивлением беспрекословно подчиняются закону Ома в том виде, в каком он был установлен для постоянного тока. Поэтому и максимум тока наблюдается точно в тот же момент, что и максимум напряжения, то есть между током и напряжением нет никакого сдвига фаз.

Т-127. Под действием переменного напряжения через катушку индуктивности идёт переменный ток. Тот факт, что по катушке индуктивности пойдёт переменный ток, если подвести к ней переменное напряжение, не вызывает никаких сомнений — на катушку намотан металлический провод, а ток идёт по любому проводнику. В подтверждение мы можем показать, как через катушку идёт постоянный ток, например, от гальванического элемента. Однако то, что происходит в цепи катушки при переменном токе, определяется не только сопротивлением проводника, из которого эта катушка изготовлена. Потому что под действием переменного тока катушка будет создавать переменное магнитное поле, в ней будет наводиться э.д.с. самоиндукции и начнутся непростые процессы, в которых мы сможем разобраться чуть позже. А сейчас разберёмся в непростых процессах, которые происходят при подключении конденсатора к источнику переменного напряжения.

ВК-155. Электрическая энергия поставляется потребителям в виде трёхфазного напряжения. Его источник можно представить себе как генератор, где в магнитном поле вращаются три рамки, сдвинутые на угол 120 градусов. В результате генерируются три ЭДС, которые появляются со сдвигом во времени на 1/3 часть периода, то есть на 120 градусов. В целом три такие рамки дают в три раза большую мощность, чем одна, но для их вращения, естественно, нужна в три раза большая мощность двигателя.

Т-128. Под действием переменного напряжения в цепи конденсатора идёт переменный ток. Постоянный ток через конденсатор не проходит — в диэлектрике практически нет свободных зарядов, которые могли бы создавать ток, включение конденсатора в цепь постоянного тока равносильно разрыву этой цепи. Однако в момент, когда конденсатор заряжается или разряжается, ток в цепи идёт — заряды идут к обкладкам или уходят с них. И такое движение зарядов будет происходить в цепи не только при включении-выключении, но и при любом изменении напряжения на конденсаторе. Увеличится напряжение — пойдут на обкладки дополнительные заряды и на какое-то мгновение появится зарядный ток в цепи. Уменьшится напряжение — и часть зарядов уйдёт с обкладок, появится кратковременный разрядный ток, то есть ток обратного направления.

Нетрудно представить себе, что произойдёт, если подвести к конденсатору переменное напряжение. Поскольку напряжение непрерывно меняется, то конденсатор будет непрерывно заряжаться и разряжаться, а значит, в цепи конденсатора будет непрерывно идти ток. Через диэлектрик заряды, как всегда, не проходят, они лишь двигаются к обкладкам конденсатора (напряжение на конденсаторе растёт, конденсатор заряжается) или с обкладок (напряжение на конденсаторе падает, конденсатор разряжается). Это движение зарядов как раз и есть переменный ток в цепи конденсатора.

На рисунке Р-61 показан график такого переменного тока, видно, что он сдвинут по фазе относительно напряжения на конденсаторе, но при этом график тока имеет ту же форму (у графика такого вида есть собственное имя — «синусоидальный»), что и график самого напряжения. То, что всё получается именно так, требует некоторых пояснений.

ВК-156. Если вращать магнит по кругу, то он, притягивая другой магнит, заставит и его вращаться вместе с собой. Об этом можно сказать и иными словами, более близкими к тому, что нам покажет следующий рисунок: вращаясь по кругу, магнит создаст вращающееся магнитное поле, которое заставит вращаться находящиеся в нём намагниченные предметы.

Т-129. Замечательная математическая кривая синусоида была получена древними математиками, как результат несложных геометрических построений. В мире происходит бессчётное множество естественных и искусственных процессов, в которых одни какие-нибудь величины зависят от других каких-нибудь величин. Температура звезды зависит от плотности её вещества, вес зайца — от количества съеденной им травы, скорость автомобиля — от количества сжигаемого бензина, ток в цепи — от э.д.с. генератора и так далее. Зависимости эти бывают самые разные, в том числе описываемые очень простыми уравнениями и чрезвычайно сложными, которые, в свою очередь, могут быть представлены простыми или сложными графиками (Р-60).

Среди возможных зависимостей одной величины от другой особое место занимает та, которую мы называем «синусоидальная зависимость». Она была открыта очень давно при исследовании некоторых геометрических построений, но потом оказалось, что такая же синусоидальная зависимость наблюдается у самых различных природных явлений.

ВК-157. Равномерно расставим вдоль окружности три электромагнита и к каждому из них от системы трёхфазного тока подведём одно фазовое напряжение — они следуют друг за другом, и 50 раз в секунду их магнитное поле будет проходить полный круг. Это вращающееся магнитное поле могло бы крутить магнит в центре круга, но в реальном двигателе вместо магнита работает электромагнит, ток в котором наводят (а значит, и магнитное поле создают) сами три электромагнита, расположенных в статоре по кругу.

Думая о происхождении синусоиды, можно мобилизовать фантазию и представить себе, как неизвестный древний математик, отдыхая от своих размышлений о мирах где-то на берегу моря, нарисовал на песке круг, провёл через центр две перпендикулярные оси и, наконец, изобразил главную работающую деталь рисунка — радиус R своего круга.

Всё это была лишь подготовка к главному действию, которое, возможно, производилось из чистого любопытства. Действие состояло в том, что математик менял на рисунке положение радиуса R, как бы вращал его, и при этом выполнял два измерения — сначала измерял угол а между самим радиусом R и горизонтальной осью, а затем измерял длину линии М, которую он назвал линией синуса, — это был перпендикуляр, опущенный на горизонтальную ось из точки, где радиус R упирается в круг. Название «линия синуса» появилось, видимо, потому, что в переводе с латыни «синус» означает «дуга», а линия М находится рядом с дугой, на которую как бы смотрит угол а, с которого начинаются все измерения.

Итак, неизвестный нам древний математик вращает радиус на своей нехитрой геометрической конструкции, измеряет угол α (то есть угол наклона радиуса R) и записывает его в таблицу. Затем он сразу же измеряет соответствующую этому углу α длину линии М, то есть длину линии синуса, и результат тоже вносит в таблицу. В таблицу, правда, для удобства вносится не сама длина линии М, в таблицу вносится её отношение к радиусу, то есть M/R — число, которое показывает, какую часть радиуса R составляет М. Для угла 90 градусов, например, это соотношение равно единице, поскольку М полностью совпадает с радиусом R, они равны, то есть М = R и, значит, M/R = 1. Коротко это записывают так: sin 90° = 1. Для угла 45° отношение М/R примерно равно 0,7, для угла 30° отношение M/R = 0,5, то есть sin 45° = 0,7 и sin 30° = 0,5.

Наш математик нашёл значение М/R для всех углов α — от 0 до 360 градусов — и все результаты свёл в таблицу, которая успешно добралась до нынешних справочников и по которой всегда можно найти значение sin а для нужного угла α.

Попробуем подвести итоги своего путешествия в далёкое прошлое. Если где-нибудь встречаются две величины, связанные обозначением sin, то это значит, что одна из величин зависит от другой точно так же, как длина линии синуса М зависит от угла α в известном круге неизвестного математического гения. Хотите знать, как именно зависит? Посмотрите в таблицу на рисунке Р-67 (в полном виде её, как уже говорилось, можно найти в справочнике) или на построенный на её основе график на этом же рисунке.

ВК-158. В трёхфазной системе крайне опасна повышенная нагрузка одной из фаз, а короткое замыкание в ней может привести к трагическим последствиям. При повышенной нагрузке в какой-либо фазе (тем более при коротком замыкании в ней) сильно возрастает напряжение в других фазах, и оно может стать опасным для включённых в сеть приборов. В каждом участке потребления есть предохранитель, отключающий в подобном случае линию электропитания, но знать о возможной опасности тоже полезно.

Т-130. Родившаяся из чисто геометрических построений синусоида, как оказалось, описывает много самых разных процессов, в том числе электрических. Зависимость, о которой рассказывают график и таблица на рисунке Р-67, как уже было отмечено, называется синусоидальной, или, иначе, гармонической зависимостью, а сама кривая на графике — синусоидой. Таблица и график — это своего рода рабочий инструмент, а обозначение sin — обычное математическое указание к действию. Когда мы видим запись А = В², то знаем: чтобы найти А, нужно В возвести в квадрат, то есть провести простое умножение А = В² = В∙В. Когда написано А = В/С, то А находят, разделив В на С. Когда же написано А = В∙sin 60°, то для вычисления А нужно найти в таблице значение sin α для угла α = 60° и умножить В на найденную в таблице величину.

Можно, конечно, нарисовать много кривых, похожих на синусоиду, но синусоидой называется только одна (Р-60). Именно та, которая в точности соответствует таблице на рисунке Р-67. О замечательных особенностях синусоиды, о том, почему она оказалась столь универсальной, надо бы рассказать отдельно и подробнее. Но это уже когда-нибудь потом. Сейчас достаточно сказать, что в точности по синусоидальному сценарию протекает огромное множество природных процессов. По синусоиде, в частности, меняется энергия звуковой волны, скорость движения маятника, отклонение колеблющейся струны, изменение магнитного и электрического полей в радиоволне. Даже изменение численности зайцев в каком-либо регионе тоже очень напоминает синусоиду.

Для нас особо важно, что по закону синуса меняется скорость, с которой равномерно вращающиеся проводник или рамка из двух проводников пересекают магнитное поле. Поэтому в таком простейшем генераторе наводится синусоидальная — именно синусоидальная! — электродвижущая сила, а при подключении к нему нагрузки в цепи идёт синусоидальный ток.

Практически во всех генераторах переменного тока, от небольших, в бортовой сети автомобиля, до самых мощных генераторов на электростанциях, питающих электроэнергией города и страны, везде э.д.с. получают, вращая систему проводов в магнитном поле. Поэтому везде эта э.д.с. получается синусоидальной, и все потребители электроэнергии получают именно синусоидальное переменное напряжение в свои дома или на заводы. Правда, для некоторых транспортных машин, в частности для электропоездов и трамваев, переменное синусоидальное напряжение потом преобразуют в постоянное, но это уже совсем другая история.

Особый интерес представляет одна исключительно важная особенность синусоидальной зависимости, которую нетрудно заметить, если всмотреться в её график, особенно на рисунке Р-60.

Т-131. Скорость изменения синусоидального напряжения (э.д.с., тока) также изменяется по синусоидальному закону. В своё время мы обратили особое внимание на то, что в ряде случаев важна не абсолютная величина чего-либо (объёма воды, пройденного пути, тока), а скорость её изменения. Подтверждение этой истины в цепях переменного тока можно встретить на каждом шагу, и для синусоидальных процессов она приобретает особое значение. Чтобы увидеть это, давайте для начала посмотрим, чему равна скорость изменения переменного синусоидального напряжения U (напряжение выбрано в качестве примера, то же самое можно было бы сказать о токе или э.д.с.).

Синусоидальное напряжение U в разные моменты меняется с разной скоростью. Иногда график этого напряжения идёт вверх или вниз круто — напряжение меняется резко, быстро. Иногда график сравнительно пологий — напряжение меняется вяло, медленно. Скорость изменения считается положительной, если напряжение меняется в сторону положительной амплитуды, а если оно движется в сторону отрицательной амплитуды — скорость отрицательная. Если измерять скорость изменения синусоиды и построить график изменения этой скорости, то окажется, что это тоже синусоида, но сдвинутая по фазе на четверть периода, то есть на 90 градусов (Р-60.5). Если подобным образом исследовать любые другие переменные напряжения (несколько примеров на рисунках Р-60.1, Р-60.2, Р-60.3, Р-60.4), то ничего подобного мы не обнаружим — синусоида единственная в своём роде.

То, что мы установили для синусоидального напряжения (ещё раз повторим — скорость его изменения меняется по такому же синусоидальному закону, как и само напряжение), относится к любому другому процессу, график которого синусоида, в частности, к синусоидальному току, отклонению маятника, колебаниям струны, изменению электрического поля в световой волне и многим другим. Обнаруженная одинаковость графиков синусоидального напряжения и скорости его изменения приводит к исключительно важным последствиям.