Электрические силы и магнитные — два проявления единой физической сущности по имени «электромагнетизм». Иногда обе эти силы действуют совместно, а иногда раздельно, как бы совершенно независимо. В электрических аппаратах и системах мы в чистом виде встречаемся с электричеством значительно чаще, чем с магнетизмом, очевидно поэтому в учебных книгах основное внимание уделяется электрическим цепям и процессам. Вместе с тем магнитные явления играют в электрическом мире чрезвычайно важную роль. Достаточно вспомнить, что все электродвигатели работают благодаря взаимодействию электрических и магнитных сил, так же, впрочем, как и мощные генераторы на всех электростанциях. Поэтому, отдавая должное чисто электрическим цепям, ни в коем случае нельзя обидеть невниманием процессы магнитные. Пусть не очень вникая в количественную сторону дела, нужно понимать физическую сущность магнитных и особенно электромагнитных явлений, без которых электричество никак не достигло бы нынешних своих высот.

Т-88. С магнитными силами, так же как с гравитационными и электрическими, проще всего познакомиться в простейших опытах. Падающее на землю яблоко демонстрирует действие гравитационных сил, натёртая тряпкой пластмассовая гребенка притягивает лёгкие клочки бумаги и знакомит нас с электрическими силами. А теперь ещё одно знакомство — небольшой железный брусок, который мы называем магнитом, притягивает к себе железную булавку, и та, преодолевая силу тяжести, подскакивает вверх, как бы прилипает к бруску-магниту. Оговорка «железный брусок, который мы называем магнитом» нужна потому, что другие железные предметы булавку не притягивают, если, правда, она до этого не участвовала в опытах с магнитом. Кусок железа, не имеющий магнитных свойств, легко намагнитить (даже прикосновением намагниченной булавки), и тогда его тоже можно будет называть магнитом.

Итак, простейший опыт демонстрирует некую новую для нашего рассказа силу, которая в этом опыте оказалась сильнее гравитационного притяжения Земли. Нетрудно убедиться, что это не электрическая сила из предыдущих наших опытов — поднесите к железному бруску (который мы называем магнитом) мелкие клочки бумаги, и они даже с места не сдвинутся. Новую особую силу, которая тянула вверх булавки, называют магнитной силой, а всё, что связано с её действием, — магнетизмом. Действует магнитная сила так же, как электрическая и гравитационная, определённым образом меняя состояние пространства — создавая в нём магнитное поле. Именно с помощью своего магнитного поля магнит воздействовал на булавку, заставив её двигаться вверх.

Магнетизм, так же как и электричество, был замечен человеком как минимум несколько тысячелетий назад. Разумеется, этот новый вид притягивающих сил, так же как и электричество, в те времена нельзя было объяснить. Их можно было только назвать, то есть, образно говоря, к куску железа с вновь открытыми свойствами прикрепить табличку «магнит». Загадочная способность притягивать мелкие железные предметы была обнаружена у железной руды из месторождений вблизи города Магнезия, одного из древних городов Малой Азии (нынешняя территория Турции). Вероятно, от этой Магнезии и пошло слово «магнит».

Примечательно, что вещество с магнитными свойствами нашли в готовом виде, а вот вещества с готовым, природным электрическим зарядом в природе не встречаются — чтобы у янтарной или стеклянной палочки появились электрические свойства, чтобы у них появился электрический заряд, палочки приходится натирать (Р-1). Мы знаем, что есть частицы вещества с самой маленькой порцией электрического заряда — это электрон с самым маленьким отрицательным зарядом и протон с положительным. А как же с магнитными свойствами? Какие микроскопические частицы, собравшись в железном бруске, создают вполне ощутимую магнитную силу?

Мы очень скоро ответим на эти вопросы, но прежде для порядка ещё несколько опытов из школьного репертуара.

ВК-96. Поведение катушки в электрических цепях зависит от её способности создавать магнитное поле. Эта способность в свою очередь в основном определяется числом витков катушки, веществом, через которое замыкается поле, и называется индуктивностью катушки (L), или коэффициентом самоиндукции. Единица индуктивности — 1 генри (1 Гн), катушка имеет такую индуктивность, если при изменении тока в ней на 1 ампер за 1 секунду в катушке наводится электродвижущая сила самоиндукции в 1 вольт.

Т-89. Северный и южный полюсы магнита — два участка с особо сильно выраженными магнитными свойствами, но свойствами разного сорта. Кусок железа с магнитными свойствами называют постоянным магнитом, в школьных опытах чаще всего используют специально изготовленные стержневые или подковообразные постоянные магниты. Если подносить булавку к разным участкам стержневого магнита, то окажется, что он притягивает эту булавку с разной силой. Сильней все го её притягивают концы магнитного стержня, по мере приближения к его центральной части магнитная сила ослабевает и, наконец, в самом центре магнитная сила вообще не чувствуется. Концевые участки магнита, обладающие особо сильными магнитными свойствами, называют его полюсами, в переводе с латыни слово «полюс» означает «предел, крайняя точка».

Проделав простейший опыт с двумя магнитами, легко убедиться, что у каждого из них полюсы (часто говорят полюса, с ударением на последнем слоге) имеют магнитные свойства двух разных сортов. Двум разным полюсам магнита дали названия северный и южный и тут же отметили очевидный факт: если сближать два магнита, то обнаружится, что их разноимённые магнитные полюсы (северный и южный) взаимно притягиваются, а одноимённые (северный и северный или южный и южный) отталкиваются

Здесь уместно отметить, что на самих магнитах, а также на рисунках северный магнитный полюс сокращённо обозначают буквой «С», а южный — буквой «Ю». Встречаются также обозначения N, скорее всего от немецкого слова Nord, голландского Nord или английского North — «север», и S от немецкого Sud или английского South «саус» — «юг».

Притяжение и отталкивание магнитных полюсов напоминает взаимодействие двух видов электрического заряда — положительного и отрицательного, но полного сходства здесь нет. Так, в частности, нельзя получить отдельно чисто северный или чисто южный магнит, как мы получали отдельно электрический «плюс» и «минус», накопив в каком-то предмете положительные или отрицательные заряды. Если вы захотите получить отдельно северный и южный магнитные полюсы и для этого распилите магнит посередине, то получите два новых магнита, и у каждого будет свои северный и южный полюсы.

Чтобы пояснить, почему это происходит, вернёмся к опытам с наэлектризованными палочками и попробуем ответить на вопрос, к которому раньше умышленно не привлекалось внимание читателя.

ВК-97. Познакомившись с электромагнитной индукцией, нетрудно понять, как из магнитной записи получают звук. Магнитная лента с записью (ВК-87) прилегает к воздушному зазору воспроизводящей головки (обычно для записи и воспроизведения используют одну переключаемую головку). Плёнка движется, и её намагниченность меняет магнитное поле сердечника (головки) и наводит в катушке меняющийся ток, такой же, какой участвовал в записи. Именно его громкоговоритель превращает в звук.

Т-90. Поляризация — физическое явление, которое объясняет некоторые загадочные электрические и магнитные процессы. Начиная знакомство с электричеством и повторяя опыты древних греков, мы наблюдали, как мелкие клочки бумаги притягивались к натёртой пластмассовой или стеклянной палочке. У стеклянной палочки после натирания, как потом выяснилось, в некоторых молекулах или атомах образовалась нехватка электронов, то есть появился положительный электрический заряд, появился «плюс». Такая палочка с избыточным положительным зарядом притягивает предметы с отрицательным зарядом, с «минусом». Но почему она притягивает мелкие кусочки бумаги? Откуда у них взялся этот «минус»? Ведь клочки бумаги никто не натирал, в них положительных зарядов столько же, сколько отрицательных, то есть кусочки бумаги электрически нейтральны, без какого-либо избыточного электрического заряда. Так почему же, не имея никакого электрического заряда, они притягиваются к электрическому «плюсу»?

ВК-98. Настал момент сказать нечто очень важное. Когда упоминалась скорость проводника и вспоминалось, что и как от неё зависит, надо бы заметить, что речь идёт о движении поперёк магнитного поля. Если обмотка ротора вращается (как провода рамки), то эта скорость максимальна лишь в районе полюсов магнита, при горизонтальном движении. Во всех остальных случаях нужно найти её составляющую, пересекающую в данный момент магнитное поле. Она, конечно, всегда будет меньше наибольшей скорости.

Р-32. КОМУ ТРУДНЕЕ, ТОТ ПОЛУЧАЕТ БОЛЬШЕ. Мы за короткое время обросли простыми объяснениями, настолько очевидными, что их легко усваивает даже тот, кто делает первые шаги в знакомстве с работающим электричеством. Возьмём, к примеру, цепь из четырёх последовательно соединённых сопротивлений 4, 20, 8 и 8 Ом (1), ясно, что ток во всех участках этой цепи должен быть одинаковым. Представьте себе, что ток в первом сопротивлении больше, чем во втором (не будем создавать путаницу — считаем, что ток идет от «плюса» к «минусу»). В этом случае на границе будет непрерывно накапливаться какое-то количество лишних зарядов — в резистор сопротивлением 20 Ом им пути нет, там ток меньше. А если в первом сопротивлении ток будет меньше, чем во втором, то в переходе между ними придётся как-то добывать заряды, чтобы добавить их к тому, что движется в первом резисторе. Оба эти варианта совершенно невозможны, и нужно согласиться с тем, что ток во всех участках последовательной цепи одинаковый. Ну а если сопротивления разные, если какому-нибудь из них нужно больше энергии, то ему достанется большая часть э.д.с., и напряжение на нём будет больше. В полном соответствии с законом Ома достанется больше напряжения. В электрической цепи автоматически установится режим, учитывающий разные потребности в энергии на преодоление разных сопротивлений. Об этом же напоминает вспомогательный рисунок (2), где спуск с горки с постоянной скоростью (аналог одинакового на всех участках тока) возможен потому, что участки с разным покрытием по-разному наклонены (аналог смены напряжений в зависимости от сопротивления участка электрической цепи).

Всё, оказывается, очень просто. Электрическое поле натёртой палочки воздействует на атомы, которые входят в состав бумаги, и несколько деформирует эти атомы. Их электроны, не уходя со своих орбит, тянутся к «плюсу» натёртой палочки (Т-8), и электронные орбиты становятся вытянутыми. Это нарушает своеобразную электрическую симметрию атомов, происходит их, как принято говорить, электрическая поляризация, то есть появление у атома электрических полюсов (Р-18). На том конце вытянутого атома, который ближе к натёртой стеклянной палочке, ближе к «плюсу», преобладает суммарный «минус» электронов, а с противоположной стороны в основном действует «плюс» ядра. Совершенно нейтральный по своему суммарному заряду атом превращается в электрический диполь — в частицу с двумя электрическими полюсами, положительным и отрицательным. Внешнее электрическое поле создаёт в кусочке бумаги сразу миллиарды таких атомов-диполей, все вместе они превращают в диполь весь этот кусочек бумаги, и он своим «минусом» тянется к «плюсу», к натёртой палочке.

Пытаясь объяснить свойства магнита, часто представляют его в виде огромного количества маленьких магнитиков, которые находятся в куске железа. В обычном состоянии железа эти элементарные магнитики расположены беспорядочно, хаотично, и в среднем их магнитные силы полностью друг друга нейтрализуют. Если же поместить кусок железа во внешнее магнитное поле, например, поднести этот кусок железа к постоянному магниту, то элементарные магнитики повернутся в одну сторону и примерно в таком положении останутся навсегда. И так же как совместное действие множества поляризованных атомов превращало весь кусочек бумаги в электрический диполь, точно так же суммарное упорядоченное действие множества магнитиков превратит кусок железа в большой магнитный диполь: на одном его конце обнаружится концентрация северных магнитных свойств (северный полюс), а на другом конце — южных (южный полюс). То есть под действием внешнего магнитного поля кусок железа намагнитится — превратится в постоянный магнит.

Именно таким намагничиванием можно объяснить притягивание булавки к постоянному магниту. Сначала магнит намагничивает булавку, поляризует её — создаёт у неё северный и южный магнитные полюсы. Ну а после этого булавка, как любой другой магнит, своим северным полюсом притягивается к южному полюсу постоянного магнита, или наоборот — южным полюсом к северному. Модель постоянного магнита, состоящего из элементарных магнитиков, помогает понять, почему этот магнит невозможно разделить на отдельные северную и южную части. Кстати, при более подробном знакомстве (Т-91) мы увидим, что эта очень упрощённая модель не так уж далека от истины.

Несколько слов о двух особо популярных магнитах — это стрелка компаса и земной шар. Стрелка компаса — обычный постоянный магнит, или, лучше сказать, лёгкий магнитик, который может свободно поворачиваться в горизонтальной плоскости. И наша Земля тоже магнит, в районе Северного географического полюса находится южный магнитный полюс Земли, а её северный магнитный полюс находится в районе Южного географического полюса, в центре Антарктиды. Отсюда ясно, почему северный магнитный полюс стрелки (он, как правило, окрашен в красный цвет) всегда смотрит на Север, где находится земной южный магнитный полюс, — разноимённые магнитные полюсы притягиваются.

Выполнив небольшую и несложную программу предварительной подготовки, мы можем вернуться к интригующему вопросу о природе магнетизма.

ВК-99. Электрогенератор сам в принципе ничего не выдаёт, это просто необходимый нам преобразователь энергии. Чтобы генератор дал обещанную электрическую мощность, нужно, чтобы двигатель затратил чуть большую мощность, вращая ротор генератора. На большинстве электростанций это делают в основном мощные паровые турбины, которые в свою очередь используют энергию органического топлива — нефти, угля, газа. Примерно 15 % мощности приходится на гидростанции и столько же — на атомные.

Р-33. ЭТОГО РЕЗИСТОРА ЛУЧШЕ БЫ НЕ БЫЛО ВООБЩЕ, НО ОН, К СОЖАЛЕНИЮ, ВСЕГДА ЕСТЬ. На рисунке вы видите пять одинаковых условных схем, помогающих объяснить важную особенность любого электрического генератора. На каждой схеме мы, прежде всего, видим два выходных провода, по которым генератор выдаёт во внешний мир свою продукцию — электродвижущую силу (э.д.с.) U_г. К этим проводам подключается нагрузка R_н. Как только нагрузка будет включена, во внешней цепи и в самом генераторе появится ток, он как раз и будет перебрасывать электрическую мощность оттуда, где она была создана, туда, где она будет выполнять какую-то работу. Этот ток пройдёт через внутреннее сопротивление генератора R_внг, то есть пройдёт через резистор, который позволяет учесть потери энергии в самом генераторе.

В первом случае (1) генератор работает вхолостую, нагрузка не включена (R_н = оо), ток равен нулю, энергия в R_внг не теряется, на выходе генератора действует э.д.с. Е. При сравнительно малой нагрузке (2), то есть при большом сопротивлении R_н, (чем меньше сопротивление R_н, тем большии ток от генератора потребляется, тем больше нагрузка), ток весьма невелик и на потери в R_внг можно не обращать внимания. Увеличим нагрузку в 10 раз (3), уменьшив для этого в 10 раз сопротивление нагрузки R_н. Потери уже заметны, но напряжение генератора пока вполне приемлемое (U_г ~= 27 В) и в целом режим хороший, спокойный. Попытки форсировать его, получить от генератора значительно больший ток, быстро приводят к грустным результатам (4, 5) — из-за большого тока растут потери R_внг сильно падает рабочее напряжение U_г и генератор может быстро выйти из строя.

Т-91. Магнитное поле, оказывается, можно получить, размахивая натёртой пластмассовой палочкой. Итак, откуда берётся магнетизм? Какая частица хранит мельчайшую порцию магнитных сил, подобно тому, как электрон или протон хранят мельчайшую порцию электрического заряда, вместе с массой полученную при рождении нашей Вселенной?

Ответить на заданный вопрос, оказывается, не так уж сложно, достаточно проделать несколько очень простых опытов. Для них, правда, придётся добыть кое-какое оборудование: батарейку, две лампочки для карманного фонаря, компас и кусок провода. Соберите из этих элементов простейшую электрическую цепь для начала с одной лампочкой. Поднесите компас к проводу, по которому пойдёт ток, и на мгновение замкните цепь — стрелка компаса отклонится от своего привычного направления на Север и повернётся в сторону провода. Включите в цепь вторую лапочку последовательно с первой лампочкой и повторите опыт — ток в цепи уменьшится, и стрелка компаса отклонится слабее. А теперь повторите опыт, включив вторую лампочку параллельно первой, — сопротивление цепи уменьшится, ток возрастёт, и стрелка отклонится к проводу сильнее. Смените направление тока, поменяв полярность подключения батареи, и стрелка компаса отклонится в противоположную сторону. И последнее: разорвите цепь, прекратите ток в ней, и стрелка компаса тут же вернётся в исходное состояние, позабыв о проводнике, на который она только что равнялась, стрелка компаса будет, как всегда, показывать на Север.

ВК-100. Нам пришлось немало узнать, знакомясь с устройством современных электрогенераторов. Большой путь прошли и сами они от замысловатых приборов, появившихся вскоре после открытия электромагнитной индукции, до серийных машин мощностью в сотни тысяч и даже в миллион киловатт. У них в роторе находится электромагнит (ВК-94), а катушки, в которых наводится э.д.с., неподвижны — через скользящие контакты проще передать в ротор не очень большую мощность для магнитной системы.

Р-34. ИЗМЕРЕНИЕ ДЛИНЫ (РАССТОЯНИЯ), МАССЫ, ВРЕМЕНИ И СИЛЫ. Рисунки от Р-34 до Р-38 помогут нам подвести некоторые итоги, прежде чем двинуться дальше в совершенно новые разделы книги. Первые три рисунка, так же как ранее Р-20, помогают вспомнить или наново определить для себя единицы, в которых мы количественно оцениваем участников событий в электрических цепях и сами эти события. Так, на этом рисунке Р-34 мы прежде всего (1) отмечаем единицу оценки длины 1 метр, сокращённо 1 м (принято говорить «единица измерения длины», «единица измерения массы», «единица измерения электрического тока» и т. д.). Меньше чем 150 лет назад, а именно в 1875 году, единица 1 м вместе с другими единицами была принята Конференцией 17 стран (Великобритания, Германия, Италия, Россия, США, Франция и другие), и этим как бы официально узаконили конец хаоса, когда чуть ли не каждый большой рынок по-своему отсчитывал длину или вес. История метра началась почти за 100 лет до его международного признания — в 1791 году французская Академия наук предложила парламенту страны сделать единицей длины часть проходящего через Париж меридиана. Несколько лет идея обсуждалась и утверждалась, группа учёных в полевых командах измерила реальную длину меридиана на участке Дюнкерк — Барселона (больше 1000 километров), и в 1799 году из платины был изготовлен эталон метра, равный по длине 1/40 000 000 (одной сорокамиллионной) части Парижского меридиана. Сейчас эталоны этого класса хранятся в музеях и практически не используются — наука научилась более точно измерять представленные ими величины. Так, например, длину 1 метр можно представить как расстояние, которое свет в вакууме проходит за 1/299 792 458 секунды.

Но нас пока не интересуют с высочайшей точностью измеренные величины, нас интересуют величины наглядные и запоминающиеся, как, например, линейка, отображающая длину 1 метр, литровая банка воды, отображающая массу 1 килограмм, движение секундной стрелки часов, отображающее время 1 секунда, и полстакана молока или сока, отображающие силу притяжения к Земле (вес) 1 ньютон.

Из всех этих опытов можно сделать два неотвратимых вывода.

Вывод первый: магнетизм порождается электрическим током, то есть движением электрических зарядов, в наших опытах — движением электронов. Если ток (упорядоченное движение зарядов) в проводнике прекращается, его магнитное поле исчезает.

Вывод второй: чем сильнее ток в проводнике, тем более сильным магнитом становится этот проводник.

Глубокие исследования привели к ещё более категоричному выводу: никакого самостоятельного магнетизма мы не наблюдали, магнетизм, магнитное поле порождается электричеством, магнитные свойства появляются у движущихся электрических зарядов, и только у движущихся электрических зарядов.

Но откуда же тогда берутся магнитные свойства у постоянного магнита, который спокойно лежит на столе и ни в какую электрическую цепь не включён? Что создаёт магнетизм у намагниченного железного стержня или у стрелки компаса? Их, оказывается, тоже создаёт движение электрических зарядов, но на этот раз движение особое, внутреннее.

Каждый электрон сам по себе обладает некоторыми магнитными свойствами, они, видимо, связаны с особым внутренним движением его заряда. Электрон, как и большинство других атомных частиц, чем-то напоминает волчок, во всяком случае, имеет момент собственного вращения — спин. С ним, скорее всего, связано и внутреннее движение заряда, которое мы пока не можем представить себе наглядно, в виде какой-нибудь привычной модели. Но об этом движении уже многое известно, например, известно, как от спина зависит магнитный момент частицы. В частности, магнитный момент электрона в два раза выше, чем если бы заряженную частицу раскручивали «обычным способом», например, закрепив на вращающемся волчке.

Так или иначе, отдельный электрон, где бы он ни находился, ведёт себя как некий микроскопический магнитик с явно выраженными полюсами. Под действием внешнего магнитного поля все магнитики-электроны несколько поворачиваются и вносят свой вклад в магнитную поляризацию всего физического тела, в частности, куска железа. Кроме того, в каждом атоме есть свои внутренние кольцевые электрические токи — движение электронов по орбитам. Именно эти орбитальные токи вместе с собственным магнетизмом электронов могут превратить атом в микроскопический магнит. В железе и некоторых других веществах (они называются ферромагнитными, от слова «феррум» — «железо») при объединении атомов в молекулы их магнитные поля складываются в значительно более крупных (по атомным масштабам) образованиях — в особых молекулярных комплексах, получивших название «магнитные домены» (от латинского «доминиум» — «владение»). Сильно упростив картину, можно считать магнитные домены элементарными магнитиками, благодаря которым существуют постоянные магниты. В не намагниченном железе элементарные магнитики (магнитные домены) расположены случайным образом, беспорядочно, а в намагниченном железе действуют согласованно, формируя сильное поле постоянного магнита и его полюсы.

Конечно, в действительности всё происходит не так-то просто, но результат именно такой — постоянные магниты своими магнитными свойствами в итоге тоже обязаны движению зарядов. Пытаясь подвести итог и несколько утрируя ситуацию, скажем так: пластмассовая палочка — это всего лишь пластмассовая палочка, натёртая пластмассовая палочка — это электрический заряд, и, наконец, натёртая пластмассовая палочка, если ею размахивать в воздухе, — это уже магнит.

ВК-101. Уже знакомую нам э.д.с. самоиндукции (ВК-96) часто называют противоэ.д.с. Направление у неё всегда такое, что она противодействует изменениям тока в цепи. Например, при подключении к генератору какой-либо катушки, в ней вроде бы сразу должен появиться ток, определяемый по закону Ома. Но из-за противоэ.д.с. ток нужной величины появляется лишь через некоторое время — это генератор создаёт магнитное поле, которое непременно должно быть у катушки, по которой идёт ток.

Р-35. ИЗМЕРЕНИЕ РАБОТЫ И МОЩНОСТИ, А ТАКЖЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА И ТОКА. Если мы поднимаем какой-либо небольшой груз (1), например полстакана молока, то вынуждены затратить на это перемещение снизу вверх определённую энергию, выполнить какую-то работу, преодолевая притяжение Земли. Если же мы дадим возможность поднятому стакану спокойно переместиться вниз (2), то он, используя притяжение Земли, сможет сам поработать на нас, выполнить какую-нибудь работу, например с помощью нитки поднять другой небольшой груз. Все это мы называем механическими действиями или движениями, затратой или получением механической энергии. Подсчитать проделанную работу несложно — нужно вес груза (силу его притяжения к Земле) умножить на пройденный им путь. Если хочешь узнать, насколько энергично велась вся эта механическая работа, воспользуйся общепринятой характеристикой «мощность», прикинь, сколько работы выполнено или сколько энергии получено за единицу времени — за 1 секунду (2). В электрических цепях, с которыми нам предстоит иметь дело, всё, как вам видится, происходит по-другому, но смысл самих характеристик «работа» и «мощность» не меняется. Возвращение в электрический мир мы начинаем с повторения того, что уже представил нам рисунок Р-20, — с количественной оценки электрического заряда (3) и силы тока в цепи (4), например в подключённой к генератору нагрузке. Силу тока точно называет заряд, проходящий через условный контрольный пункт за 1 секунду.

Т-92. Магнитное поле всегда замкнуто. Вокруг всякого движущегося электрического заряда существует уже не только электрическое поле, как вокруг неподвижного, но также магнитное поле, ещё одна особая форма материи, ещё одно невидимое, неслышимое, неосязаемое и в то же время прекрасно работающее Нечто. Чтобы убедиться в том, что в какой-то точке пространства есть электрическое поле, достаточно сунуть в эту точку пробный электрический заряд — если электрическое поле есть, то оно будет пытаться сдвинуть этот заряд с места. Обнаружить магнитное поле можно с помощью пробной магнитной стрелки — если магнитное поле есть, то стрелка будет поворачиваться в сторону действия магнитных сил.

Перемещая магнитную стрелку возле постоянного магнита, легко по разным её отклонениям заметить северный и южный магнитные полюсы, а также центральную область, где магнитные силы практически не чувствуются. Если же подобным способом исследовать пространство вокруг проводника, по которому идёт ток, то не удастся обнаружить никаких полюсов, то есть областей с особо сильным магнитным полем; перемещая стрелку вокруг провода, мы увидим, что магнитное поле всегда замкнуто, что оно в данном случае напоминает бублик, у которого тоже нет начала и нет конца. Слово «замкнуто» надо понимать так: если двигать пробную магнитную стрелку в ту сторону, куда её поворачивает магнитное поле, то мы придём в ту же точку, из которой вышли. Этому факту можно дать хорошо известное уже объяснение — так устроен мир. Замкнутость магнитного поля — это его основное свойство, оно из той же серии, что и существование двух сортов электрического заряда и только одного сорта массы.

Замкнуто не только магнитное поле проводника с током, замкнуто вообще любое магнитное поле, созданное любым магнитом. В этом нетрудно убедиться, используя давний и очень простой способ наблюдения за магнитным полем. Накройте магнит стеклом и сверху насыпьте на это стекло железные опилки. Под действием магнитного поля они, подобно мельчайшим магнитным стрелочкам, растянутся вдоль невидимых до этого линий, соединяющих северный полюс магнита с южным.

ВК-102. При отключении катушки от генератора ток в её цепи сразу не прекратится, он будет и после отключения генератора существовать ещё какое-то время, не получая энергии ниоткуда, кроме собственного магнитного поля. Это противоэ.д.с., оправдывая своё название, опять же будет мешать изменениям тока — в данном случае его уменьшению до нуля после отключения катушки от генератора. Катушка — пример элемента электрической цепи с довольно сложным поведением. Другой пример — конденсатор.

ВК-103. Конденсатор — это элемент электрических цепей, его основа — две металлические пластины (их называют обкладками), между которыми находится слой изолятора, например воздуха. Из-за этого изоляционного слоя конденсатор постоянного тока не пропускает. Но если изменить напряжение, которое подводится к обкладкам, то изменится и количество электрических зарядов в них — в одной обкладке «плюс», в другой «минус». В этот момент в цепи конденсатора (не проходя через изолятор) пойдёт ток.

ВК-104. Зарядка конденсатора предполагает подключение его к источнику постоянного напряжения, увеличение за счёт этого электрического заряда в обкладках и рост напряжения между ними. Энергия, затраченная на зарядку, хранится в электрическом поле между обкладками. Если отключить от источника напряжения заряженный конденсатор, и он в своём электрическом поле будет долго хранить энергию, главное — уберечь его от саморазряда. Например, через воздух, в котором есть немного свободных зарядов.

ВК-105. Заряженный конденсатор по команде в виде импульса тока мгновенно отдаст накопленную энергию, и в виде такого хранилища электрической мощности он нашёл немало применений. А специалисты по электромобилям работают над созданием конденсаторов очень большой ёмкости (ВК-106), которые часто называют ионисторами. В нужный момент ионисторы подключатся в помощь аккумуляторной батарее и помогут резко увеличить скорость машины или выполнить иную тяжёлую работу.

Хотелось бы обратить ваше особое внимание на слова «невидимых до этого линий». Линии магнитного поля невидимы потому, что их вообще нет — поле может меняться, но происходит это плавно, постепенно, и никаких сгущений поля в виде линий не возникает. Получившийся узор иногда называют магнитными линиями, или силовыми линиями магнитного поля. Но, ещё раз отметим, в самом магнитном поле никаких таких магнитных линий нет и не было. Опилки собираются в линии под действием нескольких, по существу дела, совершенно посторонних факторов, в том числе случайных. При другом размере опилок, другой силе их сцепления со стеклом, другой высоте их падения на стекло узор мог оказаться несколько иным, с чуть смещёнными «магнитными линиями». В главном же ничего не изменилось бы — получившийся «опилочный узор» своими линиями всегда, при любой форме магнита соединяет два его полюса. Соединяющие северный полюс с южным «опилочные линии», если бы это было технически возможно, обнаружились бы и внутри магнита, ещё раз подтверждая, что магнитное поле всегда замкнуто, в данном случае и у постоянного магнита.

Т-93. Нехитрое изобретение превращает проводник с током в стержневой магнит с явно выраженными полюсами — северным и южным. Изучая окружающую нас физическую реальность, встречаешься с такими её чертами, на которые сразу повлиять невозможно, они вполне могли бы быть в хорошо знакомой нам серии «Так устроен наш мир». Невозможно, например, или скажем аккуратнее, пока невозможно сразу поверить, что создана антигравитация — не притяжение, а расталкивание двух масс. Невозможно ускоренно двигаться во времени вперед и раньше других заглянуть в будущее, как это с лёгкостью делают в фантастических романах. Невозможно отделить северный магнетизм от южного, получить магнитный монополь, хотя физики пытаются найти его, а некоторые теоретики строят математические модели мира, в котором магнитный монополь должен быть. Но сплошь и рядом встречаются природные объекты или процессы, которые можно изменить так, чтобы они стали более удобными и полезными для человека. Посмотрите вокруг — все достижения техники, технологии, медицины появились потому, что думающие люди в своё время придумали какие-то изменения чего-то, встретившегося им в природе.

ВК-106. А пока широко применяются конденсаторы с разным значением двух основных параметров — ёмкости (измеряется в фарадах) и допустимого рабочего напряжения (измеряется, конечно, в вольтах). При малой ёмкости обкладки выполнены в виде небольших дисков или трубок, а изолятор — керамика. При средней ёмкости обкладки и тонкая плёнка изолятора — это спирали длинных лент. А электролитическим конденсаторам большой ёмкости нужно вспомогательное постоянное напряжение.

Р-36. ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ, РАБОТЫ, МОЩНОСТИ И СОПРОТИВЛЕНИЯ НАГРУЗКИ. С электродвижущей силой (э.д.с.) и напряжением мы впервые познакомились ещё на рисунке Р-20 и вынуждены были лишь назвать эти характеристики и оценить их с помощью тогда ещё не известного нам закона Ома. Сейчас мы уже можем сообщить, что единица э.д.с., или напряжения, вольт — это, по сути дела, энергетическая единица, она участвует в оценке той работы, которую выполняет электричество. Если на выходе какого-либо генератора напряжение U составляет 1 вольт, то этот генератор затрачивает на продвижение заряда в 1 кулон энергию в 1 джоуль (1). Эту энергию заряд при необходимости может отдать нагрузке, выполнив в ней работу в 1 джоуль. Напряжение ничего не говорит о том, сколько времени это будет происходить, об этом сообщает другая характеристика — сила тока I, она называет число кулонов, которые проходят по цепи за 1 секунду. Зная обе эти величины — работу каждого кулона (U) и число кулонов, работавших в течение секунды (7), — мы как раз и узнаем мощность (Р) — электрическую работу за секунду (2). Ну а зная мощность и время t, в течение которого велась работа А, мы легко подсчитаем всю её. Иногда эту работу А удобно представить не в джоулях, а в равных им ватт-секундах или в более крупных единицах киловатт-часах, каждый из которых в 3 600 000 раз больше джоуля (3).

Думая о столь известных и важных характеристиках, как напряжение и ток, не нужно забывать о скромном сопротивлении нагрузки R_н, которое определяет ток в цепи (4) и таким образом влияет на основные процессы в ней.

Мы видели, что магнитное поле проводника с током напоминает бублик (Р-44), оно окружает проводник и не имеет магнитных полюсов. А нельзя ли сделать это поле таким, как у стержневого магнита, — с явно выраженными северным и южным полюсами? Оказывается, что сделать это совсем несложно, мы сейчас просто мгновенно создадим такой стержневой электрический магнит, или коротко — электромагнит.

Чтобы всякий раз не путаться с дополнительными объяснениями, принято считать, что магнитное поле направлено в ту сторону, куда смотрит северный конец помещённой в это поле пробной магнитной стрелки.

Кто-то когда-то придумал гениально простой способ складывания магнитных полей, которые создаются разными участками одного и того же проводника, — нужно просто свернуть проводник в кольцо (Р-44). Магнитное поле внутри такого кольца станет суммой магнитных полей многих согласованно действующих участков провода — их магнитные поля имеют одно и то же направление и поэтому суммируются. А если вдоль условной оси проволочного кольца с двух разных направлений приближать к этому кольцу стрелку компаса, то эта стрелка будет вести себя точно так же, как при взаимодействии с обычным стержневым магнитом.

Т-94. Катушка: ток последовательно проходит по нескольким виткам провода и их магнитные поля суммируются. Свернув проводник в кольцо, удалось получить абсолютное подобие стержневого магнита, и теперь есть возможность познакомиться с ещё одним не менее простым и не менее гениальным изобретением. Можно, оказывается, во много раз увеличить магнитную силу кольцевого электромагнита, складывая магнитные поля нескольких витков. Причём по всем этим виткам можно пропускать один и тот же ток, сделав электрический магнит в виде многовитковой спирали. Такой спиралевидный элемент называют «катушка индуктивности», или просто «катушка», и на схемах обозначают его буквой L. Ясно, что чем больше витков w у катушки, тем сильнее её суммарное магнитное поле. А кроме того, поле, как всегда, зависит от силы тока I, и поэтому способность катушки создавать магнитное поле иногда оценивают её ампер-витками (I∙w) — произведением тока I в амперах на число витков w.

ВК-107. Попробуем двигатель с рамкой в качестве ротора (ВК-95) превратить в генератор, создающий э.д.с. за счёт электромагнитной индукции. Для этого нужно вращать ротор (рамку) внешним двигателем, а вместо батареи включить вольтметр. Он покажет, что за первые полоборота наведённая э.д.с. росла, а затем падала — рамка с разной скоростью пересекала магнитное поле. В следующие пол-оборота сменилось направление проводников и одновременно тока — генератор выдал точно такую же э.д.с.

Р-37. МОЩНОСТЬ ПРИ РАЗНОМ СООТНОШЕНИИ НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА. Все приведённые рисунки будут в дальнейшем помогать нам в непростом деле анализа и применения электрических схем. Но некоторые будут встречаться особо часто, какие-то из них стоит разобрать подробнее и запомнить навсегда. В числе таких особо нужных и этот рисунок, он напоминает о том, что одну и ту же мощность Р можно получить при самых разных соотношениях напряжения U и тока I (1). Понимание этой простой истины привело к тому, что электроэнергетика ежегодно сберегает триллионы рублей, долларов, иен и прочей валюты. Об этом мы конкретно поговорим позже, а пока посмотрите, как в простой цепи получают одну и ту же мощность при разных напряжениях и токах (2). Из формулы Р = U∙I уже известным нам способом (Р-24) можно получить пару полезных расчётных формул, и ещё одну пару таких формул можно получить, заменив U или I их значениями, взятыми из закона Ома.

Т-95. Ферромагнитные и парамагнитные вещества в разной степени усиливают магнитное поле, диамагнитные ослабляют его. Можно в сотни и даже в тысячи раз усилить магнитное поле катушки, если вставить в нее сердечник из так называемых ферромагнитных веществ. К их числу относится сталь (железо), никель, кобальт, а также некоторые специальные сплавы и специальная керамика, содержащая окислы железа. Внешнее магнитное поле действует на магнитные домены ферромагнитного вещества таким образом, что их магнитные полюсы поворачиваются в одну сторону, всё физическое тело поляризуется, само становится магнитом, который может оказаться во много раз сильнее внешнего поля, созданного током в катушке.

Число, которое показывает, во сколько раз в том или ином веществе реальные магнитные силы превышают магнитные силы, созданные самой катушкой, называют относительной магнитной проницаемостью, обозначается она греческой буквой μ — «мю» (Р-46). У стали магнитная проницаемость μ около 7500, и это значит, что внутри стального сердечника, вставленного в катушку, магнитные силы поворачивали бы магнитную стрелку (стрелка внутри стального сердечника — это, конечно, мысленный эксперимент) в семь тысяч раз сильнее, чем внутри той же катушки, но без сердечника. Если в катушку вставлен стальной или иной ферромагнитный сердечник, то магнитное поле значительно усиливается не только в самом сердечнике, но и во всей области вблизи катушки. Потому что к магнитному полю катушки добавляется значительно более сильное магнитное поле намагнитившегося сердечника, этого уже, по сути дела, сильного постоянного магнита.

В электромагнитах практически всегда есть стальной или иной ферромагнитный сердечник, и именно к катушке с сердечником чаще всего относится само название «электромагнит».

Все остальные вещества, кроме ферромагнитных, делятся на две группы — диамагнитные и парамагнитные, и те и другие незначительно (на малые доли процента) влияют на реальные магнитные силы. При этом парамагнитные вещества незначительно усиливают магнитное поле, а диамагнитные незначительно ослабляют его.

Т-96. Основные характеристики магнитного поля — напряжённость Н, магнитная индукция В и магнитный поток Ф. Мы затратили довольно много усилий на знакомство с электрическими явлениями, с процессами в электрических цепях. Хочется верить, что это было интересное знакомство, но во всех случаях это было знакомство полезное. Можно даже сказать, необходимое. Потому что любой электрический аппарат, любая электрическая система — это прежде всего не что иное, как электрическая цепь. И, как уже не раз отмечалось, чувствовать себя свободно и легко в электрическом мире может только тот, кто глубоко понимает законы электрических цепей.

Во многих электрических приборах и установках работает не только электричество, но и магнетизм, однако, как правило, нечасто приходится разбираться в магнитных устройствах и процессах столь же детально, как в электрических. И всё же очень полезно иметь хотя бы самое общее представление не только о физической сущности важнейших магнитных процессов, но и о некоторых магнитных характеристиках и единицах их измерения.

ВК-108. Теперь вместо переключателя с двумя полукольцами поставим два контактных кольца — одно соединим с началом рамки, другое с её концом. В результате после первой половины оборота наведённая э.д.с. сменит полярность — «плюс» и «минус» поменяются местами. После окончания второй половины оборота всё начнётся сначала. И вывод: мы получили генератор переменной э.д.с. Одну из её полярностей (условно положительную) откладываем вверх от горизонтальной оси, другую (отрицательную) — вниз.

Р-38. ПОПРОБУЕМ ЗАГЛЯНУТЬ В НЕВИДИМЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МИРЫ. Главная особенность всех электрических систем в том, что мы не видим и очень часто даже не представляем себе, что в них происходит, как они работают. В попытках понять, что именно происходит в конкретных электрических машинах, неоценима помощь специальных измерительных приборов: вольтметра, амперметра и омметра. Как обещают сами названия, эти приборы позволят измерить напряжение и ток в каком-либо участке цепи и реально действующее сопротивление этого участка. Внимательный читатель уже, видимо, заметил, что амперметр включается последовательно в цепь, где нужно измерить ток (3), а вольтметр подключается параллельно участку, на котором измеряют напряжение (2). Что же касается сопротивления, то его лучше всего измерять при полном отключении от цепи, в которой протекает ток (4). Попутно отметим, что сопротивление амперметра должно быть как можно меньше, чтобы он при включении в минимальной степени влиял на измеряемый ток. Сопротивление вольтметра, напротив, должно быть как можно больше, чтобы прибор не снижал сопротивление участка, на котором измеряется напряжение. Омметр оценивает измеряемое сопротивление R_x по величине тока, который создаёт в цепи небольшой собственный гальванический элемент Б, расположенный внутри омметра.

Первым на рисунке показан хорошо всем известный прибор для измерения времени — часы (1). В данном случае мы видим три стрелки и три шкалы для отсчёта часов, минут и секунд. Это огромное удобство, оно позволяет замечать и крупные интервалы времени (часы), и мелкие (секунды, каждая длится в 3600 раз меньше часа). На рисунках вверху показаны электроизмерительные приборы, которые, судя по шкале, используют тактику часов и тоже могут измерять как большие, так и малые величины напряжений, токов и сопротивлений. Как это делается, пояснит следующий рисунок.

Когда нам понадобились единицы измерения электрических характеристик — напряжения, тока, сопротивления, мощности, — то мы начали с минимальной порции электрического заряда, с электрона. Из него была сформирована реальная единица заряда (кулон), и дальше уже всё пошло легко и просто, мы легко ввели единицы измерения и оценки величины тока, напряжения, сопротивления, энергии и мощности: ампер, вольт, ом, джоуль, ватт.

С единицей магнетизма дело обстоит сложней. Во всяком случае, сделать эталоном магнитные свойства единичного электрона или какой-либо атомный кольцевой ток было бы слишком сложно. Одна из основных магнитных единиц — напряжённость магнитного поля Н, она говорит о том, с какой силой магнитное поле в данной точке действовало бы на определённый пробный магнит, а конкретно на проводник с током 1 А. При этом предполагается — и это очень важно, — что дело происходит в вакууме и свойства среды на действие поля не влияют. Поэтому можно считать, что напряжённость поля Н — это абсолютно личная характеристика магнита или электромагнита (Т-8), она говорит только о его собственных возможностях, о том, какие силы могли бы действовать в его магнитном поле. Единица напряжённости — ампер/метр (произносится «ампер-на-метр), сокращённо А/м. Магнитное поле с такой напряжённостью появляется на расстоянии 16 сантиметров от проводника, по которому идёт ток 1 ампер.

Итак, напряжённость Н говорит о том, что могло бы делать магнитное поле в вакууме, без учёта влияния среды, в которой реально действуют магнитные силы. А между тем влияние среды, как мы уже отметили, может быть очень сильным, она, в частности, может в сотни и тысячи раз усиливать действие магнитного поля. Поэтому вводится ещё одна характеристика — магнитная индукция В, она говорит о том, с какой силой магнитное поле действует в данной точке реально, с учётом среды. Естественно, что магнитная индукция В зависит от исходной, от первичной характеристики поля, от его напряжённости Н: чем больше Н, тем во всех случаях больше индукция В. При этом влияние среды учитывается с помощью особого коэффициента магнитной проницаемости μ (Р-46). Сделав все необходимые упрощения и приняв во внимание нужные числовые коэффициенты, можно записать В = μ∙Н и, заглянув в таблицу, определить, что один и тот же источник магнитного поля при неизменной его напряжённости Н будет создавать в стальном сердечнике (μ = 7500) в несколько тысяч раз большую магнитную индукцию В, чем в воздухе, где практически μ = 1. Или иными словами, магнитное поле будет действовать в стали в 7500 раз сильнее, чем в воздухе.

ВК-109. Первые две особо важные характеристики переменной э.д.с. и тока — их период и частота. Период Т — это время в секундах, за которое происходит один полный цикл изменений переменной э.д.с. или тока. Частота f — это число периодов за одну секунду. Единица частоты — 1 герц (Гц), он соответствует одному периоду в секунду. На рисунке приведено два примера: в одном период составляет 0,1 секунды и частота соответственно 10 герц; во втором примере период равен 1 секунде и частота 1 герц.

Р-39. КАК ОДИН ПРИБОР ПРЕВРАТИТЬ В ДВА, ТРИ, ЧЕТЫРЕ ИЛИ ДАЖЕ В ПЯТЬ ПРИБОРОВ. Стационарные измерительные приборы, контролирующие работу больших установок, как правило, не делают пригодными для измерения очень больших и очень малых напряжений или токов. Даёт генератор напряжение 220 В, и вольтметр рассчитан на 250 В, большего напряжения (да и такого тоже) просто автоматика не допустит. Другое дело — прибор для мастера-ремонтника или для любителя электрических схем. Им приходится измерять самые разные напряжения, токи и сопротивления, а носить с собой много разных приборов неудобно, да и просто тяжело. Для них, для этих людей, и выпускаются многопредельные приборы. Представьте себе, что у вас есть вольтметр, у которого стрелка отклоняется до конца при напряжении 1 В. У такого прибора уже при напряжении 1,1 В стрелка «зашкалит», то есть перейдёт допустимую границу. Но этим же прибором можно измерять и в десять раз большие напряжения, если включить последовательно с ним гасящее сопротивление, на котором будет оставаться 9 В из десяти, а сам прибор получит не более чем свой вольт. Точно так же можно увеличить предел измерений до 100 В, если подобрать гасящее сопротивление, на котором будет оставаться 99 В при измерении сотни. Используя систему переключаемых гасящих сопротивлений, можно получить многопредельный вольтметр и омметр (1,3), то есть вместо одного стрелочного прибора как бы получить несколько.

Аналогично можно создать и многопредельный амперметр, если параллельно стрелочному прибору (иногда его называют измерительной головкой) подключать шунты — сопротивления, по которым определённая часть измеряемого тока пройдёт мимо прибора (2). Так, если стрелочный прибор может измерить ток до одного миллиампера, то им можно будет измерить ток 100 мА, если параллельно измерительной головке включить шунт, по которому мимо прибора пройдёт 99 мА из этой сотни. Тем, кому кажется странной показанная на рисунке система переключения шунтов, сообщаем, что она появилась в результате трагических ошибок, о которых напоминает фольклор профессионалов: «Не оставляй прибор без шунта». Когда-то применяли простую систему переключения шунтов, в которой сама головка на какие-то доли секунды, необходимые для срабатывания переключателя, оказывалась включённой в цепь без шунтов и мгновенно выходила из строя из-за большого тока. В показанной на рисунке (2) одной из безопасных схем, шунты всегда включены в цепь, а переключатель лишь подключает стрелочный прибор к нужной части шунта.

Т-97. Путь, по которому замыкается магнитное поле, часто называют магнитной цепью. Можно провести полезную аналогию между электрической цепью, по которой идёт ток, и тем путём, тем «бубликом», по которому замыкается магнитное поле. Роль генератора в такой магнитной цепи играет сам магнит или электромагнит — катушка (или катушка с сердечником), по которой идёт ток и которая создаёт изначальное магнитное поле. А само размазанное в пространстве и всё же в основном сконцентрированное между полюсами магнитное поле, сам магнитный поток S, который как бы выходит из северного полюса магнита и входит в южный, чем-то напоминает электрический ток во внешней электрической цепи, например в цепи хорошо знакомого нам карманного фонарика (Р-25). Если ещё ввести характеристику с условным названием «магнитное сопротивление» R_магн, то она будет отображать влияние среды на величину магнитного потока — примерно так электрическое сопротивление проводника отображает его влияние на величину тока. Участки, где магнитный поток S проходит через сталь, имеют малое магнитное сопротивление, в сравнении с ним будет очень большим магнитное сопротивление участков, где магнитный поток проходит по воздуху.

Существует даже закон Ома для магнитной цепи, он имеет внешнее сходство с законом Ома для электрической цепи. Так, например, отмечается, что магнитный поток пропорционален так называемой магнитодвижущей силе, м.д.с. В случае если магнитный поток создаётся электромагнитом, то магнитодвижущая сила будет тем больше, чем больше его ампер-витки (Т-94), то есть чем больше витков в обмотке (катушке) электромагнита и чем более сильный ток идёт по этой обмотке. И дальше: чем больше м.д.с., тем более сильное магнитное поле она создаёт — тем больше напряжённость магнитного поля Н, тем, естественно, больше магнитная индукция В, и вместе с ней больше становится магнитный поток Ф. Последнее напоминает то, что происходит в электрической цепи, когда с увеличением э.д.с. и согласно закону Ома возрастает ток в цепи. Кроме того, магнитный поток обратно пропорционален магнитному сопротивлению — если полюсы магнита, который находился в воздухе, замкнуть магнитопроводом из стали, то резко (в 7500 раз) уменьшится магнитное сопротивление цепи и практически во столько же раз увеличится магнитный поток Ф.

ВК-110. Эти две характеристики — частота и период переменного тока — лучше других понятны и близки человеку, особенно если он хоть немного занимался музыкой. Мы просто чувствуем частоту, слышим и различаем звук разных частот, понимаем оценки типа «частота выше». Конечно, общаясь с электричеством, мы будем встречаться с частотами, более высокими и более низкими, чем слышимые (от 20 до 20 000 герц), но поведение электрических схем на разных частотах приучит нас и к их частотным особенностям.

Р-40. ПО СУММЕ ДОСТОИНСТВ НА ПЕРВОМ МЕСТЕ МЕДЬ. Все используемые в электротехнике материалы можно грубо разделить на две группы — проводники (2) и изоляторы (3). Изоляторы, естественно, имеют очень большое сопротивление, свободных зарядов в них настолько мало, что для пропускания тока порядка ампера понадобится резиновый или пластиковый «провод» скорее всего километрового диаметра.

Проводники выполняют в электротехнике много разных работ, но чаще всего они используются для транспортировки электричества, так как сравнительно легко пропускают ток, то есть отбирают у него малую часть энергии. При малых расстояниях этими потерями вообще пренебрегают, например, в переносном фонаре (Р-25) или даже в квартире. Но часто сопротивление соединительных проводов нужно знать — оно не должно оказаться слишком большим и оставить истинную нагрузку с недостаточным напряжением. Подсчитать сопротивление провода несложно (1). В расчётной формуле коэффициент ρ — это удельное сопротивление, его можно найти в справочной таблице (2), и говорит оно о свойствах металла, из которого сделан провод. Просмотрев таблицу, сразу хочется выбрать серебро — у него коэффициент ρ меньше, чем у всех, и, значит, сопротивление провода будет минимальным. Однако серебро используют при создании проводов лишь в исключительных случаях — дороговато. На первом месте второй претендент — медь. И не только из-за своего малого ρ, у меди много других ценных качеств, в частности пластичность. Там, где возможно, медь заменяют алюминием, у него удельное сопротивление ρ в 1,5 больше, но зато стоимость в три с лишним раза меньше. В поисках замены свою роль играет и предупреждение геологов о том, что сырьевые запасы алюминия практически неограниченны, а при нынешнем потреблении меди её разведанных запасов хватит всего лишь на 60 лет.

Сравнение магнитной цепи с электрической приводит к некоторым очень важным практическим выводам. Бот один из них: если в замкнутой магнитной цепи из стали сделать небольшой воздушный зазор, то он резко увеличит общее магнитное сопротивление цепи и заметно ослабит общий магнитный поток — так участок с большим сопротивлением, последовательно включённый в электрическую цепь, резко увеличивает её общее сопротивление и, следовательно, резко уменьшает ток в цепи.

Очень важно, что при появлении воздушного зазора в стальной магнитной цепи уменьшится и магнитная индукция в самой стали — это результат ослабления общего магнитного потока. А если параллельно воздушному зазору создать дополнительный путь с меньшим магнитным сопротивлением (Р-35.7), например, приложить к зазору тонкую стальную пластинку, то магнитное сопротивление участка уменьшится — так уменьшалось сопротивление участка электрической цепи при его шунтировании. При введении магнитного шунта основной магнитной поток пойдёт по пути наименьшего магнитного сопротивления, то есть пойдёт через магнитный шунт. Вспомните, при шунтировании участка электрической цепи малым сопротивлением основной ток тоже идёт через шунт.

Т-98. В электрических приборах и аппаратах часто встречаются магнитные элементы. Читатель довольно долго пробирается через трудные разделы книги, посвященные основным явлениям и общим законам электрического мира. Сейчас уже, пожалуй, можно порадоваться: мы заметно приблизились к для многих более лёгким и более приятным описаниям конкретных машин и приборов. До сих пор у нас была лишь одна конкретная электрическая машина — любимый наш карманный фонарик. Сейчас, завершая общее знакомство с магнитными цепями, уместно вспомнить о нескольких других конкретностях, предвещая этим многие приятные встречи уже недалекого будущего.

ВК-111. В начале 1900-х годов, когда активно начали строить электростанции, возникли споры о том, на какой основе развивать электроэнергетику — на основе постоянного (главный сторонник Эдисон) или переменного тока. И только когда великий изобретатель Эдисон признался, что он был неправ, заслуженную победу переменного тока признали все. О его достоинствах мы ещё поговорим, а пока отметим вот что: в какую бы сторону ни двигались электроны, они создают тепло и магнитное поле, — переменный ток отлично работает в бытовых приборах.

Р-41. С ЧЕГО НАЧИНАЕТСЯ МИЛЛИОН ПРОВОДОВ. Даже человеку, далёкому от электротехники, неплохо знать, что сегодня создание, транспортировка и использование электрической энергии — это гигантская индустрия. И в ней много своих самостоятельных областей со своей промышленностью, своими научными поисками, со своим огромным разнообразием изделий. Среди таких областей — провода и кабели, которых выпускаются тысячи разновидностей, каждая со своим названием. Достаточно пробежаться по нужному разделу Интернета, чтобы увидеть, как много в этой области самостоятельных направлений: провода и кабели сильноточные и для передачи слабых сигналов, провода круглого и прямоугольного сечения, специально для морских судов, для самолётов, для дачных построек и для высотных домов, для подземной и воздушной проводки, для стерильных медицинских помещений, для прокладки в химически агрессивных средах и многие десятки других. И совсем уже ошеломляющее впечатление производит бессчётное количество непонятных человеку со стороны названий проводов и кабелей, всех этих КГХЛ, АВБ6ШГ, НГП-30, СБПЕГ, ПЭШО, КУПЭЗ, КММ, РХ-50, КВВГ, PKTM, ПЭПТ-В-100, БПВЛ, XLPE, ПУНП, ПТВВГ и много сотен, а скорее всего, тысяч других.

Первые сведения о медных проводах с шёлковой изоляцией относятся к 1810–1830 годам. С тех пор разного диаметра медный провод, покрытый тонким слоем изолирующей эмали, несмотря на множество появившихся помощников и конкурентов, остался самым распространённым путём для передачи электричества. Медный провод можно встретить в многочисленных современных кабелях, в обмотках генераторов, двигателей, трансформаторов и других электрических машин.

В электрических системах и аппаратах довольно часто встречаются чисто магнитные элементы, в частности магнитопроводы и разного рода электромагниты. Мы нечасто обращаем внимание на этих скромных тружеников электрического мира, ибо они как-то не очень заметно вплетены в сложные электрические цепи и, главное, редко отвлекают нас своими неисправностями.

На рисунке Р-47 показаны распространённые типы магнитопроводов — один из них (п-образный) напоминает две состыкованные буквы «п», второй (ш-образный) — две состыкованные буквы «ш», третий (кольцевой) — обычное кольцо. Во всех случаях магнитное поле создаётся катушкой L, внутри которой каким-то образом проходит магнитопровод, его принято называть сердечником катушки. Как правило, сердечники изготовлены из ферромагнитного материала, будем считать, что из стали. Магнитное поле везде замыкается по пути наименьшего магнитного сопротивления, то есть по магнитопроводу, при этом в самом магнитопроводе получается очень высокая магнитная индукция В и сильный магнитный поток Ф. В ш-образном сердечнике магнитный поток разветвляется, а затем вновь сходится в центральной части. А в одном из кольцевых сердечников имеется зазор, он, возможно, понадобился для того, чтобы подбором магнитного шунта установить в сердечнике необходимый магнитный поток.

Ещё один пример работающих магнитных зазоров — электромагнитное реле, упрощённо показанное на рисунке Р-49. Здесь стальная пластинка, именуемая якорем, находится на небольшом расстоянии от сердечника электромагнита и оттягивается от него пружиной. Как только в катушке L появляется ток, якорь намагничивается, притягивается к сердечнику, и контакты, закреплённые на якоре, замыкают или размыкают какую-либо электрическую цепь. С помощью реле можно слабым сигналом произвести переключения в мощных электрических цепях или одним сигналом производить большое число переключений.

И последний пример — электромагнит, позволяющий измерять силу тока в цепи. Небольшой стальной сердечник закреплён на двух пружинках и частично вставлен в катушку электромагнита. Когда в катушке появляется ток, сердечник намагничивается и постепенно втягивается в катушку, преодолевая сопротивление пружин. Чем больше ток, тем в большей мере сердечник преодолевает это сопротивление и втягивается в катушку всё глубже и глубже. К сердечнику прикреплена стрелка прибора, по её смещению можно определить, насколько сильный ток проходит по катушке, создавая магнитное поле. На этом принципе работают очень распространённые измерительные приборы электромагнитного типа — амперметры и вольтметры.

ВК-112. О работоспособности переменного тока (э.д.с., напряжения) нельзя судить по его амплитуде — основную часть периода ток меньше амплитудного. О реальных возможностях переменного напряжения (тока) говорит его эффективное значение — условное постоянное напряжение с такой же работоспособностью. Эффективное напряжение (ток) в электросети составляет примерно 0,7, или иначе 70 %, от амплитуды. На электроприборах всегда указывают необходимое им эффективное напряжение и ток.

Т-99. Странное поведение ферромагнитного сердечника становится причиной некоторых неприятностей и в то же время основой для замечательных изобретений. Попробуем провести мысленный эксперимент. Подключив катушку к источнику постоянной э.д.с. (Р-48), будем с помощью переменного сопротивления менять ток I в катушке, а вместе с ним и напряжённость магнитного поля Н. При этом будем следить за тем, как меняется созданное катушкой магнитное поле, а конкретно магнитная индукция В, в какой-то определённой точке. Существуют специальные приборы для измерения магнитной индукции, но в мысленном эксперименте можно воспользоваться и простейшим приспособлением — подвешенным на нитке небольшим магнитиком, который тем сильнее притягивается к катушке, чем более усиливается её магнитное поле. Результат эксперимента нетрудно предсказать: по мере того как растёт ток, магнитное поле становится всё более сильным, магнитная индукция В растёт, и не видно никаких ограничений этому росту. Если сменить направление тока, то направление поля изменится на противоположное и индукция В в выбранной точке всё так же будет возрастать с увеличением тока в катушке.

Теперь вставим в катушку стальной сердечник, в надежде увидеть всё то же самое, но в значительно усиленном варианте. И действительно, с увеличением тока магнитная индукция В резко возрастает, график зависимости В от тока идёт значительно круче, чем у катушки без сердечника. Но в какой-то момент этот быстрый рост замедляется и затем почти совсем прекращается — магнитная индукция с увеличением тока растёт так же медленно, как в первом опыте, то есть без сердечника. Объяснение достаточно простое: все магнитные домены («элементарные магнитики»), которые могли сориентироваться вдоль магнитного поля и усилить его, уже сделали это, процесс намагничивания сердечника вошёл в область насыщения.

ВК-113. Пора привлечь особое внимание читателя к тому, чем мы уже давно пользуемся, — к рисунку по имени «график». Он показывает, как одна какая-нибудь величина зависит от другой, например магнитная индукция от тока в катушке или температура воздуха от времени суток. Величину, от которой зависит процесс (аргумент), например время t, откладывают по горизонтальной оси, а ту, что зависит от неё (функция), — по вертикальной. График может о многом рассказать, если в него всмотреться и вдуматься.

Другая интересная особенность: если, уменьшая ток, довести его до нуля, то магнитное поле не исчезнет — какие-то магнитные домены как бы застрянут (Т-8) в новом своём положении, останутся поляризованными. Из-за этого у сердечника и после отключения тока будет собственная, остаточная намагниченность, остаточная магнитная индукция В_ост — сердечник превратится в постоянный магнит. Чтобы размагнитить его, нужно приложить силу, которая «повернёт» домены, ликвидирует их поляризацию и вместе с ней остаточную намагниченность — уменьшит В до нуля. Такой силой может быть поле противоположного направления, созданное, соответственно, током противоположного направления.

Если, размагнитив сердечник (В = 0), увеличивать этот обратный ток, то можно вновь прийти к насыщению, а затем, уменьшая ток, получить остаточную индукцию В_ост, но уже при противоположной полярности магнитного поля. График полного перемагничивания стального сердечника называют гистерезисной петлёй, от греческого слова «гистерезис» — «отставание». Понимание процесса позволило сделать ряд важных выводов, в том числе исключительно ценных для техники. Один из практических выводов: размагничивание стальных деталей, например, в дорогих пружинных часах, которые вышли из строя из-за случайного попадания в сильное магнитное поле. Если стальной предмет медленно удалять от катушки, по которой идёт переменный ток, то сталь будет непрерывно перемагничиваться, переходя на всё более «мелкую» гистерезисную петлю, и на некотором расстоянии от катушки намагниченный стальной предмет размагнитится полностью.

ВК-114. Изменения переменного тока повторяются, график какого-либо периода в точности похож на предыдущий и на последующий, а чтобы разместить график за длительное время, нужна очень длинная лента. Поэтому принято пользоваться графиком одного периода, считая его пригодным для всех остальных. На нём время отсчитывают не в секундах, а в градусах, приняв, что один период длится 360 градусов (360°). Другие приметные моменты: 1/4 периода — 90°, 1/2 периода — 180° и 3/4 периода — 270°.

Внешнее магнитное поле, а значит, и создающий его ток, затрачивают определённую энергию на каждый цикл перемагничивания стального сердечника. Из-за этого стальные детали, работающие в устройствах переменного тока (трансформаторы, электродвигатели, генераторы), создают определённые потери энергии, уменьшить их помогает глубокое понимание процессов перемагничивания.

И ещё одна встреча с процессами намагничивания ферромагнитных материалов — магнитная запись электрических сигналов. В наше время она используется исключительно широко: в магнитофонах и видеомагнитофонах, в нескольких разновидностях магнитной памяти компьютера, в разнообразных системах с кодами, записанными на ферромагнитной полоске пластиковых карточек. Например, на магнитной полоске электронного ключа к какому-либо электронному замку или на магнитной полоске вашей банковской карточки, где записан номер вашего счёта и коды, позволяющие вам положить деньги на этот счёт или, наоборот, снять часть денег и получить их или перевести на другой счёт.

В принципе магнитная запись и считывание электрических сигналов осуществляются очень просто. К диамагнитному или парамагнитному зазору в магнитопроводе записывающей головки прилегает полимерная плёнка с тонким слоем ферромагнитного покрытия, и магнитный поток, естественно, в основном замыкается через это покрытие — через этот своего рода магнитный шунт. Плёнка равномерно движется мимо щели, и если в катушке электромагнита (записывающей головки) появится импульс тока, то кусочек плёнки, проходивший в этот момент над зазором, намагнитится, на плёнке останется магнитный след. Его можно обнаружить с помощью считывающей головки, в которой меняющееся магнитное поле (магнитная запись) наводит электрический сигнал. Так, на движущейся ферромагнитной плёнке можно записывать, хранить, а затем считывать самые разные электрические сигналы, например, электрическую копию звука или сложные цифровые коды.

ВК-115. Для всей цепи переменного тока и для её участков действует такой же закон Ома, как и для постоянного тока. Но чтобы расчёты по его формулам давали правильный результат, нужно брать значения тока и напряжения для одного определённого момента времени, проще всего для их положительной амплитуды. Результат расчётов вы тоже получите в виде амплитудных значений. Они, бесспорно, будут правильными, но придумано более удобное представление переменных э.д.с., напряжений и токов.

Завершая первое знакомство с магнитными явлениями и магнитными цепями, напомним о главном. Электричество и магнетизм неразрывно связаны, и чрезвычайно важную, можно даже сказать, жизненно важную роль в их союзе играет движение. Вспомните, сами магнитные свойства появляются в результате движения электрических зарядов. Но это ещё далеко не всё. В следующей главе мы встретимся с новыми профессиями привычного слова «движение». В одном случае оно с помощью магнитов создаст электродвижущую силу, создаст мощные источники электричества, щедро питая всю планету электроэнергией. В другом случае электрическая энергия с помощью магнитов создаст мощное вращательное движение, заставит электричество работать в двигателях, выполнять механическую работу, столь нужную самым разным машинам — главным в наше время помощникам человека.