Главный герой всего электрического королевства, главное действующее лицо всей окружающей нас многообразной электрической техники — это, конечно, электрический заряд, то есть особое качество материи, существующее как минимум с рождения Вселенной. Действует электрический заряд всегда через неизменно его окружающую невидимую физическую реальность по имени «поле» — у неподвижного электрического заряда всегда есть электрическое поле, у движущегося ещё и магнитное. Рассматривая многие процессы в электрических цепях, приборах или машинах, для упрощения картины довольно часто не думают об этих полях. Но есть случаи, когда без напоминания о поле ничего не объяснишь, и пусть в каком-то упрощённом виде, но оно обязательно присутствует в учебных моделях физических процессов и в описаниях технических устройств. О некоторых таких случаях уже шла речь, с другими ещё предстоит встретиться.

Т-109. Индуктивность ^L катушки говорит о том, насколько эффективно она создаёт магнитное поле с помощью протекающего по ней тока. Единица индуктивности — генри, Гн. Итак, катушка может работать в режиме самообслуживания. При изменениях тока, который проходит по катушке, она сама создаёт меняющееся магнитное поле, которое в этой же катушке наводит электродвижущую силу — э.д.с. самоиндукции. Ещё раз напомним, что э.д.с. самоиндукции, как и любая другая наведённая э.д.с., пропорциональна скорости изменения магнитного поля, а значит, скорости изменения тока в катушке.

Проиллюстрируем это наглядным примером. По двум совершенно одинаковым катушкам идёт ток — по первой не очень большой, 1 ампер, по второй — огромный, 1000 ампер. Токи в катушках постепенно меняются, и через секунду ток в первой катушке составляет 6 А, во второй — 1001 А. Несмотря на эту устрашающую абсолютную величину (1001 А — это очень много), э.д.с. самоиндукции во второй катушке будет меньше, чем в первой. Потому что при наведении э.д.с. важна не абсолютная величина, а скорость её изменения.

Скорость изменения тока в первой катушке больше — здесь ток изменился на 5 ампер за 1 секунду, а во второй катушке — всего на 1 ампер за 1 секунду.

Величина э.д.с. самоиндукции зависит также и от самой катушки, от её способности создавать магнитное поле. Предположим, что по двум разным катушкам идёт одинаковый ток 5 А. При этом в первой катушке много витков, и ток 5 А создаёт в ней значительную магнитную индукцию В. Во второй катушке витков намного меньше, и такой же ток 5 А создаёт в ней значительно меньшую индукцию В. Давайте в обеих катушках за 1 секунду увеличим ток в 2 раза — магнитная индукция в районе катушек тоже увеличится в 2 раза. При этом в первой катушке скорость нарастания магнитной индукции будет значительно больше, чем во второй. И вывод: величина э.д.с. самоиндукции зависит не только от скорости изменения тока, но и от того, насколько эффективно катушка использует эти изменения. То есть от того, насколько эффективно она преобразует энергию меняющегося тока в энергию меняющегося машитного поля.

Об этих способностях катушки говорит её коэффициент самоиндукции, или, иначе, индуктивность, которая обозначается так же, как и сами катушки на схемах, буквой L. Единица индуктивности — генри, сокращённо Гн, она названа именем американского физика и инженера Джозефа Генри (1797–1878). Индуктивностью 1 генри обладает катушка, если при изменении в ней тока на 1 ампер за 1 секунду в катушке наводится электродвижущая сила самоиндукции в 1 вольт.

Т-110. Катушка запасает энергию в своём магнитном поле. Имея достаточно точные измерительные приборы, можно обнаружить странное, на первый взгляд, явление: если, замкнув выключатель, мгновенно подать напряжение на катушку, ток в катушке установится не сразу, он будет нарастать, может быть, и быстро, но постепенно (Р-62). И это объясняется так: при увеличении тока в катушке наводится э.д.с. самоиндукции, она направлена против растущего тока и притормаживает его нарастание. Когда ток достигнет своей нормальной, постоянной величины, он, естественно, перестанет расти, и при этом, конечно, исчезнет э.д.с. самоиндукции, которая только что противодействовала нарастанию тока.

ВК-129. При последовательном соединении катушки с резистором и конденсатора с резистором ток в каждой из этих двух цепей общий и величина его известна. Каждую пару напряжений можно сложить в простейшей геометрической фигуре и, пользуясь в итоге теоремой Пифагора, определить общее напряжение двух сдвинутых по фазе на 90 градусов напряжений, как гипотенузу прямоугольного треугольника. Задача этого и следующего рисунков (ВК-130) показать, что такое в принципе возможно.

Похожая картина наблюдается и при выключении, при разрыве цепи — ток сразу, резко не прекращается, его какое-то мгновение поддерживает э.д.с. самоиндукции, в момент выключения она направлена в ту же сторону, что и э.д.с. батареи, и как может поддерживает убывающий ток. Электродвижущую силу самоиндукции из-за этих её действий часто называют противоэ.д.с., она всегда противодействует изменениям тока в цепи катушки — при нарастании тока препятствует этому нарастанию, при уменьшении тока препятствует уменьшению, замедляет, затягивает его, поддерживая ток.

Нарисованная картина не покажется странной, если вспомнить, что ток, проходя по катушке индуктивности, создаёт её магнитное поле. А в любом поле — гравитационном, электрическом, магнитном — всегда запасается энергия. На создание магнитного поля катушки, на создание в нём запасов энергии как раз и расходуется энергия батареи в момент включения. Именно поэтому ток резко не нарастает, он в первое мгновение тратит часть своей энергии на создание энергетических запасов в магнитном поле. А при выключении эти запасы возвращаются в электрическую цепь, поддерживая ток вместо уже отключённой батареи.

Катушка запасает тем больше энергии, чем больше её индуктивность L и чем больше сила постоянного тока I, который по этой катушке проходит. С практической, так сказать, с хозяйственной точки зрения хранить энергию в магнитном поле катушки не очень удобно — нужно всё время пропускать по катушке ток, чтобы поддерживать её магнитное поле. В этом отношении конденсатор более удобная энергетическая кладовая, хотя катушка, как это бывает в спорте, может ещё выйти вперёд, оставив конденсатор далеко позади, если достоянием практической энергетики станет высокотемпературная сверхпроводимость.

ВК-130. При параллельном соединении катушки с резистором и конденсатора с резистором на каждой из этих пар действует одинаковое для обоих элементов напряжение. Задача в этот раз сводится к тому, чтобы, измерив каждый из пары токов, сдвинутых по фазе на 90 градусов (токи в первом случае через катушку и резистор и во втором случае через конденсатор и резистор), найти общий ток, а затем и общее сопротивление. Общий ток находим в простейшем геометрическом построении, пользуясь идеей Пифагора.

Т-111. Конденсатор запасает энергию в своём электрическом поле. Натирая в первых электрических опытах пластмассовую палочку, мы фактически тратили силы на то, чтобы создать запас энергии в её электрическом поле. Потом поле малыми порциями возвращало свои небольшие запасы, поднимая клочки бумаги. Практически любой предмет можно наэлектризовать и тем самым создать у него электрическое поле с каким-то запасом энергии. Но есть и специально предназначенное для этого устройство, которое как бы концентрирует, сгущает поле, и называется оно поэтому «конденсатор», от латинского слова «конденс» — «сгущать».

Если расположить одну над другой две металлические пластины и на короткое время подключить их к батарейке, то на пластины с электродов батареи перейдёт какое-то количество избыточных зарядов, и они будут оставаться там довольно долго. Такой пластинчатый накопитель зарядов как раз и называют конденсатором, на схемах его обозначают буковой С, поскольку это первая буква английского слова «капэситор» (capacitor) — «накопитель». Металлические пластины конденсатора называют его обкладками.

То, что заряды не уходят с пластин заряженного конденсатора, можно упрощённо объяснить так. Электрическое поле между обкладками воздействует на атомы диэлектрика, и они несколько деформируются, поляризуются, как в наших давних опытах поляризовались атомы в кусочках бумаги под действием поля наэлектризованной палочки (Р-18). Своими зарядами поляризованный диэлектрик удерживает свободные заряды на пластинах, не даёт им уйти. В электрическом поле между пластинами, а также в поляризованных атомах диэлектрика, напоминающих сжатые пружины, запасается энергия, которая была затрачена батареей на то, чтобы зарядить конденсатор, втолкнуть избыточные заряды на его обкладки.

Конденсатор можно разрядить, для этого достаточно соединить его обкладки резистором. Через него, естественно, пойдёт разрядный ток, и электроны уйдут с обкладки, где они в избытке (-), на ту обкладку, где их не хватает (+). И при этом обнаружится чрезвычайно интересное явление, которому посвящён специальный раздел Т-113. Но прежде чем двинуться дальше, придётся сообщить некоторую не очень приятную подробность о хранении энергии в конденсаторе. Он, конечно, мог бы хранить её бесконечно долго, но практически этого не бывает. Даже если не соединять обкладки, не создавать умышленно разрядный ток, происходит медленный, а иногда и быстрый саморазряд конденсатора, заряды постепенно уходят с его пластин. Например, через воздух, где всегда есть какое-то количество свободных зарядов, или через собственный диэлектрик, который тоже не бывает идеальным.

ВК-131. Среди бессчётного множества процессов, которые происходят в мире, есть довольно большая группа, названная «свободные колебания». Их основа — физические, химические, биологические, социальные и иные колебательные системы. Каждая — это пара особым образом связанных накопителей какого-либо ресурса, например энергии. Они непрерывно обмениваются энергией, которую получила система, и в процессе этих свободных колебаний энергия собирается то в одном накопителе, то в другом.

ВК-132. Типичная колебательная система контур из L_к, С_к и условного R_к, отображающего неизбежные потери. Получив энергию при зарядке, конденсатор передаёт её катушке, она возвращает энергию обратно, и всё начинается сначала. Частота f₀ этого обмена зависит от L_к, С_к, и уменьшив их, можно увеличить f₀. А если удастся снизить потери (уменьшить R_к), то колебания будут затухать медленнее и продлятся дольше. В принципе то же самое происходит в других колебательных системах.

ВК-133. В колебательной системе возможен резонанс, когда внешний генератор подпитывает систему в такт с ее свободными колебаниями. В частности, за счёт резонанса могут в десятки и сотни раз вырасти напряжения на элементах L_к, С_к колебательного контура. В то же время в литературе описаны случаи, когда по мосту проходили большие подразделения солдат и из-за резонанса колебательной системы «мост» и ритма строевого шага происходили серьёзные разрушения. Иногда даже пишут, что мост рухнул.

ВК-134. Подключив последовательный контур L_кC_к к измерительному генератору и постепенно меняя его частоту, мы придём к частоте собственных колебаний контура f₀, которую также называют резонансной f_рез. На ней индуктивное и ёмкостное сопротивления равны, а так как они действуют друг против друга (одно напряжение отстаёт от тока, другое опережает его), то сопротивление контура резко падает до одного лишь сопротивления потерь R_к. В итоге резко растёт ток в цепи и с ним напряжения на L_к и С_к, поэтому весь процесс называют «резонанс напряжений».

Т-112. Электрическая ёмкость характеризует способность конденсатора, и вообще любого физического тела, накапливать электрические заряды. Единица ёмкости — фарад, Ф. Конденсаторы различаются формой пластин (обкладок), их площадью и диэлектриком, который находится между ними. Обкладки конденсатора сравнительно небольшой ёмкости выполняют в виде дисков, прямоугольников или вставленных друг в друга трубок. При большей и значительно большей ёмкости конденсатор часто выполнен в виде свёрнутых в спираль металлических лент. Способность конденсатора накапливать заряды, как уже говорилось, называется его электрической ёмкостью, она измеряется в фарадах, сокращённо Ф, и напоминает нам имя великого исследователя электричества: Майкл Фарадей. Это имя мы ещё не раз встретим в последующих разделах книги. В формулах и текстах конденсатор обозначается буквой С, так же, как и сам конденсатор на чертежах и схемах. Ёмкость 1 фарад имеет такой конденсатор, который под действием постоянного напряжения 1 вольт накопит на своих обкладках заряд 1 кулон. Коротко это можно записать так: 1 Ф = 1 К/1 В. Попутно отметим, что единица ёмкости фарад на протяжении многих лет была словом женского рода фарада, и в такой форме его можно встретить в книгах ещё не столь далёкого прошлого.

ВК-135. В параллельном контуре на низких частотах малоиндуктивное сопротивление, и оно шунтирует контур. На высоких частотах контур шунтирует ёмкостное сопротивление, которое здесь очень мало. Лишь на резонансной частоте f_рез (она же f₀) никто никого не шунтирует, общее сопротивление контура Z оказывается достаточно большим и общий ток L_LCR через контур уменьшается. Но внутри параллельного контура общее сопротивление падает, а ток L_к, растёт, оправдывая название «резонанс токов».

Р-47. ПОПУЛЯРНЫЕ ПРОФЕССИИ ФЕРРОМАГНИТНОГО СЕРДЕЧНИКА. Для того чтобы увеличить реальную силу магнитного поля (магнитную индукцию В), в котором находятся обмотки электрических машин и аппаратов, эти обмотки размещают на ферромагнитных сердечниках — ш-образных, п-образных и круглых (1). Электромагнит на ферромагнитном сердечнике с тонким парамагнитным или диамагнитным зазором можно использовать для записи изменений электрического тока, например тока в цепи микрофона, то есть практически для записи звука. Мимо зазора в электромагните (его в этом случае называют записывающей головкой) протягивают прижатую к сердечнику тонкую пластиковую ленту с ферромагнитным покрытием (2). Магнитное поле сердечника, естественно, замыкается по пути наименьшего сопротивления, то есть не через сам зазор, а через ферромагнитное покрытие плёнки. При изменении тока в обмотке электромагнита меняется его магнитное поле, то есть меняется поле, намагничивающее ферромагнитную плёнку. В итоге все изменения тока отражены в остаточной намагниченности ферромагнитной плёнки и в таком виде могут храниться вечно. Подобным же способом в видеомагнитофоне на плёнке записывают картинку, которую электрический сигнал создаёт на экране телевизора

Ёмкость С тем больше, чем больше площадь обкладок и чем меньше расстояние между ними. Кроме того, ёмкость определяется свойствами вещества между пластинами, о них говорит диэлектрическая постоянная ε этого вещества — чем она больше, тем больше ёмкость С. Так, если воздушный конденсатор (между пластинами воздух, у него ε = 1) поместить в масло (у него ε = 2), то ёмкость конденсатора увеличится в два раза. Ёмкость 1 фарад (1 Ф) — чрезвычайно большая величина, чтобы получить её, диаметр круглых обкладок воздушного конденсатора должен быть более 30 километров при расстоянии между пластинами 1 миллиметр. Ёмкость шара таких размеров, как Земля, меньше тысячной доли фарада. Даже у применяемых в электрической и электронной аппаратуре конденсаторов большой ёмкости она пока в основном измеряется миллионными долями фарада — микрофарадами.

Здесь нужно заметить, что уже несколько лет в технической и рекламной литературе, посвящённой гибридным автомобилям (разумно переключаемые сравнительно маломощный бензиновый двигатель и электрические двигатели, получающие питание от подзаряжаемых аккумуляторов), появилось слово «суперконденсатор». Это сравнительно новое электрическое устройство, в гибридном автомобиле оно накапливает электрическую энергию от зарядного аппарата, который «кормится» бензиновым двигателем. Иногда суперконденсатор можно заряжать от выпрямителя, включаемого в обычную электросеть (система «плагин»), например, во время ночной стоянки. В нужный момент суперконденсатор отдаёт полученную энергию, например, в момент, когда водителю нужно «газануть», трогаясь с места. Среди важных характеристик суперконденсатора иногда указывают и его ёмкость, она составляет тысячи и даже десятки тысяч фарад — цифры, немыслимые для создателей привычных нам конденсаторов, работающих в электрической и электронной аппаратуре. У них суперконденсатор (его, кстати, часто называют «ионистор») в основном взял только часть своего имени, по устройству и назначению у него мало общего с тем, что мы привыкли называть конденсатором. По используемым процессам и некоторым особо важным характеристикам ионистор (суперконденсатор) ближе к аккумулятору, который тоже является хранителем запасов электрической энергии. Ёмкость аккумулятора принято указывать в ампер-часах, но их легко пересчитать в привычные фарады, и получится, что ёмкость типичного автомобильного аккумулятора несколько тысяч фарад.

ВК-136. Острота резонансной кривой сильно зависит от потерь энергии в контуре — чем они меньше, тем острее кривая. Потери, бывает, оценивают двумя сопротивлениями — одно R_к включено последовательно с катушкой и в основном отображает сопротивление её проводов. Второе сопротивление R*_к включено параллельно контуру и отображает влияние связанных с ним других элементов схемы. Потери в контуре тем меньше, чем меньше R_к и чем больше R*_к, хотя иногда считают возможным его вообще не учитывать.

Р-48. ВНЕШНЕЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ИСЧЕЗЛО, НО В СТАЛЬНОМ СЕРДЕЧНИКЕ СОХРАНИЛАСЬ НАМАГНИЧЕННОСТЬ. Если увеличивать ток в катушке с ферромагнитным сердечником, то магнитная индукция В в нём будет нарастать, в основном за счёт собственной намагниченности сердечника (2, пунктирная линия). Но при каком-то значении тока рост индукции В начнёт замедляться и в итоге почти совсем прекратится. Это значит, что внешнее поле уже повернуло все магнитные домены сердечника и его магнитная индукция увеличиваться уже не может. Если теперь уменьшать ток в обмотке, то индукция В тоже будет уменьшаться в соответствии с верхней (синей) линией сложного графика, который принято называть «петля магнитного гистерезиса». График показывает, что при нулевом намагничивающем токе будет действовать остаточная магнитная индукция B_ост. Это часть магнитных доменов так и осталась в повёрнутом состоянии, обеспечивающем остаточную намагниченность. Дальнейшее изменение намагничивающего тока приводит нас в область его отрицательных значений и к новому загибу гистерезисной петли, теперь уже с противоположной магнитной полярностью по сравнению с первым (верхним) загибом. Сменив направление тока, мы начнём двигаться вверх по нижней линии гистерезисной петли и вновь придём к уже знакомому верхнему загибу.

В числе практических задач — размагничивание сердечника. Просто прекратить ток в цепи для этого недостаточно — в сердечнике останется магнитная индукция B_ост.Для размагничивания сердечника нужно постепенно уменьшать ток в катушке (3), так как при малых намагничивающих токах гистерезисная петля исчезает и характеристика становится такой же примерно, как и для катушки без ферромагнитного сердечника (1). В этом случае постепенное прекращение намагничивающего тока оставит сердечник полностью размагниченным.

Читателю необходимо было сообщить о существовании суперконденсаторов с огромной ёмкостью и о большом интересе, который проявляют к ним создатели гибридных автомобилей. Возможности суперконденсаторов (ионисторов) ещё, видимо, не исчерпаны, но они уже позволили получить ряд очень интересных результатов. В качестве примера можно назвать недавно показанный на международной выставке опытный образец такого примерно автомобиля, как «Жигули», потребляющего 1,5 литра бензина на 100 километров пробега (это в 5–8 раз меньше, чем потребляет обычный автомобиль) плюс сравнительно небольшое количество энергии из электросети.

Чем больше ёмкость С конденсатора, тем больше зарядов при прочих равных условиях он может удержать на своих обкладках, тем больше энергии он запасает в своём электрическом поле. Разумеется, количество накопившихся зарядов зависит и от того, каким напряжением заряжают конденсатор: чем больше это напряжение, тем больший заряд оно втолкнёт на пластины (Т-8). Здесь, правда, существует серьёзное ограничение — на корпусе конденсатора пишут его рабочее напряжение, которое никак нельзя превышать. Иначе произойдёт пробой, диэлектрик разрушится, обкладки оплавятся и, возможно, замкнутся накоротко — конденсатор превратится в простой проводник.

Особое место занимают электролитические конденсаторы, у которых много общего с химическими источниками тока. Включают их так, чтобы к конденсатору было приложено постоянное напряжение и обязательно той полярности, какая указана на корпусе. Только в этом случае у электролитического конденсатора будет его номинальная ёмкость.

Т-113. Конденсатор, объединившись с резистором, может стать элементом отсчёта времени. Коротко повторим пройденное. В момент, когда мы подключаем конденсатор к батарейке, в цепи появляется некоторый зарядный ток — это свободные электроны уходят с одной обкладки и накапливаются на другой, на обкладках появляются свои собственные + и В первый момент зарядный ток довольно большой, но постепенно он уменьшается — батарейке становится всё труднее вталкивать заряды в конденсатор (Т-8). Когда же он наберёт весь заряд, какой может набрать, то зарядный ток прекратится. Напряжение на конденсаторе при этом будет равно напряжению заряжавшей его батареи.

ВК-137. Такие примерно картинки сто лет назад печатали радиожурналы, объясняя частотное разделение каналов. В антенне каждого приёмника радиоволны многих станций мира создают свои переменные токи. Как из этой смеси выбрать одну станцию? Как перейти с неё на другую? Эти задачи и решал колебательный контур приёмника, резонансную частоту которого можно было менять. Каждая станция работала на своей частоте, и контур, настроившись на неё, за счёт резонанса делал её слышимой и доступной.

Р-49. РЕЛЕ — ОЧЕНЬ ПРОСТЫЕ И ВАЖНЫЕ СОВМЕСТНЫЕ ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА И МАГНЕТИЗМА. Самое, пожалуй, простое взаимодействие электричества и магнетизма можно увидеть в электротехническом устройстве по имени реле (от французского глагола «релейр» — «сменять, заменять»). Когда к реле подводится управляющий входной сигнал U_вх, по катушке электромагнита идёт ток и его сердечник притягивает стальной якорь. Он перемещает пластинку изолятора, на которой закреплены подвижные контакты, каждый из них замыкает свою пару неподвижных контактов, и реле включает две мощные электрические цепи. Существует огромное многообразие реле, в том числе такие, которые позволяют с помощью маломощного управляющего сигнала переключать очень большие мощности, и такие, которые позволяют одним управляющим сигналом замыкать и размыкать большое количество контактов. В момент, когда на реле не подаётся управляющий сигнал, пружина оттягивает якорь от сердечника и подвижные контакты бездействуют.

Чем больше ёмкость С, чем больше зарядов должен накопить конденсатор, тем дольше будет продолжаться процесс заряда, тем дольше будет существовать в цепи зарядный ток. А если последовательно с конденсатором С в зарядную цепь включить резистор R, то он уменьшит ток в цепи, и процесс заряда конденсатора будет длиться дольше.

Нетрудно догадаться, что произойдёт, если отключить заряженный конденсатор от батареи и соединить его обкладки резистором: начнётся процесс разряда, по внешней цепи избыточные электроны будут переходить со своей обкладки на другую, и в цепи какое-то время будет идти разрядный ток. Вначале он тоже сравнительно большой, но постепенно уменьшается — лишних зарядов на обкладках конденсатора становится всё меньше и меньше, напряжение на нём снижается. Разряд конденсатора, подобно заряду, длится тем дольше, чем больше ёмкость конденсатора С (то есть чем больше зарядов должно уйти с обкладок) и чем больше сопротивление R разрядной цепи. Быстрее всего разряд произойдёт, если R = 0, то есть если соединить обкладки накоротко.

Наблюдая за зарядом и разрядом конденсатора, мы видим, что элементы электрической цепи определяют продолжительность тех или иных процессов, в данном случае время заряда и время разряда. Электрическая цепь, состоящая из С и R, или, как её часто называют, RС-цепочки, в данном случае чем-то напоминает песочные часы, «время разряда» которых зависит от количества песка и диаметра пропускного отверстия.

Чрезвычайно важная особенность RC-цепочки: её электрическое состояние может достаточно быстро меняться. И более того, мы можем управлять этим процессом, изменяя ёмкость конденсатора С или (и) сопротивление резистора R. Знакомясь с разными видами электромагнитной индукции, мы уже видели, как электрическое или магнитное состояние изменяется во времени, но здесь, в RС-цепочке, эти изменения особенно наглядны, и не случайно произведение RC называют постоянной времени.

Во всём, что рассказывалось до сих пор, во всех примерах электрических цепей, на всех наших учебных рисунках фигурировал один тип электрического генератора — химический источник тока, а конкретно, гальванический элемент или несколько последовательно соединённых элементов, их батарея. Непременная особенность этого источника тока состоит в том, что он создаёт постоянную, не меняющуюся э.д.с., за что вместе с некоторыми другими генераторами получил почётное звание «источник постоянного тока», или, иначе, «генератор постоянной э.д.с. (постоянного напряжения)». Кстати, как уже говорилось, батарейкой часто называют и один гальванический элемент, что конечно, неправильно. В переводе «батарея» означает некоторый комплекс, в частности, соединённые последовательно гальванические элементы, но что поделаешь, почему-то так принято.

Появившаяся в этом разделе КС-цепочка даёт повод подумать об иных генераторах, они, в отличие от химических, создают не постоянную, а меняющуюся э.д.с. (напряжение). В их числе главный кормилец всей электроэнергетики — генератор переменной электродвижущей силы, с которой мы начнём знакомиться в следующей главе.

ВК-138. Всё, что до сих пор было рассказано о переменном токе, относится только к одной его разновидности — к синусоидальному току. Только его эффективное значение составляет примерно 70 % амплитуды, для других токов здесь может быть иная цифра от нуля до 100 %. Точно так же нужны будут совсем другие формулы для подсчёта реактивных сопротивлений конденсатора и катушки, резонансной частоты, коэффициента трансформации, добротности контура и других характеристик.

Р-50. ОСНОВА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ — МАГНИТНОЕ ПОЛЕ — ДВИГАЕТ ПРОВОДНИК С ТОКОМ. Как мы уже давно понимаем, проводник, по которому идёт электрический ток, — это самый настоящий магнит. И если поместить этот магнит (проводник с током) во внешнее магнитное поле, то произойдёт взаимодействие двух магнитов. Правда, направление магнитных полей проводника с током такое, что мы не увидим привычного притягивания к какому-либо полюсу внешнего магнита или отталкивания от него (Р-43.4). В данном случае поля взаимодействуют так, что проводник с током выталкивается из внешнего магнитного поля. Направление выталкивания можно достаточно просто определить по правилу левой руки: если её ладонь обращена к северному полюсу внешнего магнита, а вытянутые четыре пальца показывают направление тока в проводнике (не забывайте — от «плюса» к «минусу»!), то отогнутый большой палец покажет, куда будет выталкиваться проводник. Это выталкивание можно использовать в двигателе, где электрическая энергия, затраченная на создание тока в проводнике, в итоге будет выполнять определённую механическую работу.

Т-114. Свободные электрические заряды, создавая ток, двигаются очень медленно, а вот электрическое и магнитное поля несутся со скоростью света. Размышляя об электрических и магнитных полях, хочется вспомнить об одном любопытном факте. На него не пришлось обратить внимание в предыдущих разделах, поскольку нашим главным подопытным объектом была электрическая цепь очень малой протяженности — карманный фонарик. А теперь представьте себе, что мы растянули электрическую цепь фонарика километров на сто, и на одном конце цепи осталась батарейка с выключателем, а на другом — лампочка.

Будем считать, что напряжение батареи и сопротивление проводов выбраны правильно, и лампочке достаются необходимые ей 3 вольта. Вопрос в другом: с каким опозданием зажжётся лампочка после того, как мы нажмём на выключатель? Оказывается, она зажжётся без опоздания, точнее, с практически нулевым опозданием на небольшое количество миллионных долей секунды. Неужели электроны пробегут 100 километров за такое ничтожное время, двигаясь по проводнику с огромным количеством препятствий — неподвижных атомов?

Нет, в твёрдом теле электроны так быстро двигаться не могут, их скорость обычно составляет несколько сантиметров или даже несколько миллиметров в минуту, и до лампочки они добирались бы несколько месяцев. А лампочка зажигается без опоздания потому, что при включении нашего растянутого фонарика электроны практически сразу, одновременно начинают двигаться во всей цепи, в том числе и в лампочке. Происходит это из-за того, что между выводами батареи, между её «плюсом» и «минусом», всегда действует электрическое поле. При замыкании контактов выключателя поле мгновенно продвигается по продолжению этих выводов — по всей двухпроводной соединительной линии. При этом поле повсюду, где оно появляется, сразу же заставляет двигаться электроны в проводнике — ток начинается практически одновременно во всей цепи. Чтобы было ясно, с какой ничтожной погрешностью здесь использовано слово «одновременно», сообщим, что электрические и магнитные поля продвигаются в пространстве со скоростью света, то есть со скоростью 300 000 километров в секунду. Это вполне понятно — сам свет не что иное, как электромагнитная волна, то есть взаимосвязанные и непрерывно меняющиеся электрические и магнитные поля.

Завершая свою очередную экскурсию в мир электрических и магнитных полей, мы возвращаемся к тому, о чём уже частично говорили, с чего эта экскурсия начиналась. Мы возвращаемся к магнитному полю и взаимодействию меняющегося внешнего магнитного поля с проводником.

Т-115. Проводник, пересекая магнитное поле, указывает прямой путь к созданию электрических генераторов. Так сложилось, что при сотворении человека, как, впрочем, всех других живых существ, совершенно не была использована такая удобная и популярная в природе и технике разновидность движения, как вращение. Всё, что мы делаем — достаём ли мы чашку с кухонной полки, прогуливаемся ли по лесной опушке или играем на мандолине, — мы в основном совершаем возвратно-поступательные движения, чаще всего двигая что-либо по несколько искривлённой траектории.

Зато человек взял реванш при создании машин, в них вращение используется везде, где это возможно. Вращается автомобильное колесо, с огромной скоростью перемещая машину по автостраде, вращается деталь в токарном станке, магнитный диск в компьютере, гребной винт катера, сверло в бормашине дантиста. Пытаясь использовать силу, выталкивающую проводник с током из магнитного поля, то есть пытаясь создать электрический двигатель, мы в итоге тоже пришли к вращательному движению — именно оно конечная продукция практически всех электромоторов.

ВК-139. Многие расчётные формулы пригодны, оказывается, только для синусоидального тока. Он встречается чаще всего, но в электрических цепях работают и токи, которые меняются иначе, и для них неприменима знакомая нам электротехника. И вывод: сложный ток представляют в виде равноценной ему суммы синусоидальных составляющих, её называют спектром тока. Эта операция напоминает представление сложной фигуры, например поверхности моря, в виде суммы простых фигур, например квадратов.

Р-51. БЛЕСТЯЩАЯ ИДЕЯ СКОЛЬЗЯЩИХ КОНТАКТОВ В НАЧАЛЕ ПРИНОСИТ РАЗОЧАРОВАНИЕ. Без долгих рассуждений и дискуссий примем решение: электрический двигатель должен создавать вращательное движение, наиболее удобное для многих областей техники. В простейшем случае неподвижная часть двигателя (статор) — это постоянный магнит или электромагнит, между его полюсами находится вращающаяся часть двигателя (ротор), по обмотке которого мы пропускаем ток. Этот ток нужно пропускать так, чтобы провода ротора всегда поддерживали его вращательное движение, выталкиваясь из внешнего магнитного поля. Чтобы упростить картину, будем считать, что в двигателе используется простейший ротор, выполненный в виде рамки, По её проводам а и б идёт ток, полученный от какого-либо генератора, например от батареи. Рамка непрерывно вращается, и поэтому самый простой способ подвести к ней ток — это использовать контакты батареи, скользящие по вращающимся контактным кольцам на оси двигателя, к которым подключены провода рамки (1). Однако простая и гениальная идея скользящих контактов и вращающихся вместе с осью двигателя двух контактных колец, соединённых с проводами рамки, в данном случае не работает. Когда рамка окажется в горизонтальном положении, движение прекратится, к этому приведёт определённое по правилу левой руки выталкивание проводов а и б из внешнего магнитного поля (2).

Познакомившись с физической основой электродвигателя, с воздействием магнитного поля на проводник с током, мы тут же, используя великое открытие Фарадея, освоили и обратный процесс: если перемещать проводник в магнитном поле, то в этом проводнике наведётся электродвижущая сила, и он, по сути дела, превратится в источник электрической энергии, в генератор. Правда, от первых фарадеевских опытов до реального генератора ещё далековато — чтобы непрерывно получать от проводника электродвижущую силу, проводник этот нужно двигать тоже непрерывно.

Пытаясь найти решение, пойдём по проторенной дорожке — будем непрерывно вращать проводник в магнитном поле. Для удобства вращать будем сразу два проводника, такую же, как в двигателе, рамку. Наведённую э.д.с. (ток) можно снимать с вращающейся рамки через два знакомых нам полукольца простейшего коллектора с двумя скользящими контактами (Р-55). Мы пытаемся воспроизвести генератор постоянного тока, других генераторов мы пока просто не знаем. Коротко говоря, нам нужно, чтобы в проводах рамки наведённый ток всегда двигался в одну и ту же сторону.

Вспомнив правило правой руки (Р-55.1), обнаружим, что э.д.с., наведённая в обоих проводниках рамки, всегда будет складываться, напоминая последовательное включение двух гальванических элементов. При переходе из верхней полуокружности в нижнюю или из нижней в верхнюю каждый из проводников начнёт пересекать магнитное поле в противоположном направлении, и необходимая нам полярность э.д.с., наведённой в проводниках рамки, изменится на обратную. Именно в этот момент коллектор произведёт необходимые переключения, и полярность напряжения на выходе генератора не изменится, «плюс» и «минус» останутся на тех же скользящих контактах (выводы генератора), на каких и были.

ВК-140. Нахождение спектра — давно отработанная математическая операция. Но можно и «живьём» извлечь из спектра его синусоидальные составляющие, те самые, что вместе создают исходный сложный ток. Извлекают эти составляющие с помощью настроенных на их частоту колебательных контуров, они выделяют синусоидальный ток своей резонансной частоты. Спектр изображают на особом графике в виде вертикальных линий, каждая показывает частоту и амплитуду одной из составляющих спектра.

Наш простейший генератор с вращающейся рамкой выдаёт э.д.с., постоянную по направлению, но изменяющуюся по величине. Это вполне объяснимо — проводники рамки бегут по окружности с одной и той же угловой скоростью, но магнитное поле в разные моменты времени они пересекают с разной скоростью — иногда очень быстро, а иногда вообще не пересекают, как бы скользят вдоль него. Электродвижущая сила, которая при этом наводится в рамке, называется пульсирующая э.д.с. (при включении нагрузки она создаёт пульсирующий ток), и лучшего названия не придумаешь — при каждом обороте рамки генератор выдаёт два всплеска, два импульса э.д.с. (тока) одной и той же полярности. Об этой ситуации мы ещё поговорим подробно, а пока подумаем, какие можно принять меры, чтобы сгладить пульсации э.д.с. и получать от генератора примерно то, что мы всегда получали от батареи, — постоянное напряжение.

Во-первых, во вращающейся части генератора, в его роторе, можно увеличить число рамок и, соответственно, число коллекторных пластин. Уже при двух рамках за каждый оборот ротора произойдёт не два всплеска э.д.с., а четыре, то есть пульсации э.д.с. станут чаще, неприятные перерывы между импульсами станут короче. Во-вторых, для сглаживания пульсаций на выходе генератора можно включить конденсатор. При больших значениях э.д.с. конденсатор будет заряжаться, а когда э.д.с. сильно упадёт, он, разряжаясь, будет подпитывать внешнюю цепь вместо генератора, будет поддерживать на его выходе более высокий уровень напряжения — конденсатор будет сглаживать пульсации. Этот последний пример, несколько забегая вперед, намекает на то, что у схемотехники есть много разных инструментов влияния на электрические процессы.

ВК-141. Настало время поговорить о трансформаторе, об одной из самых распространённых электрических машин. Трансформатор для основных наших электрических цепей (напоминаем: частота 50 герц, напряжение 220 вольт) это замкнутый стальной сердечник, на котором две катушки: первичная обмотка 1 и вторичная 2. По обмотке 1 от генератора идёт переменный ток, и его меняющееся магнитное поле наводит э.д.с. в обмотке 2. С источником постоянного напряжения трансформатор работать не будет.

Т-116. Любой энергетический агрегат, в том числе электрогенератор, сам ничего не создаёт, он лишь преобразует один вид энергии в другой. Чтобы в рамке простейшего генератора наводилась электродвижущая сила, чтобы он оправдывал само это звание «генератор», рамку нужно вращать в магнитном поле. И при этом надо затрачивать заметные усилия, ибо рамка оказывает сопротивление, препятствует её вращению.

Такое сопротивление вполне объяснимо. Электрогенератор, если к нему подключена нагрузка, создаёт определённую электрическую мощность, выполняет определённую работу, например, заставляет светиться лампочки. Мощность Р генератора подсчитывается как обычно: она есть произведение выходного напряжения на ток в цепи (Р-37). Эта мощность не может взяться ниоткуда, электрогенератор — не вечный двигатель. Значит, на создание электрической мощности генератора, то есть в итоге на вращение рамки, надо затратить какие-то усилия, нужно выполнить какую-то работу, которая, по крайней мере, не меньше, чем электрическая энергия, которую выдаёт сам генератор.

Более детально ситуация выглядит так. Потребляемый от генератора ток, естественно, проходит по рамке, а проводники с током, как известно, выталкиваются из магнитного поля. Воспользовавшись правилом левой руки, можно увидеть, что сила выталкивания действует против вращения рамки, которое производится с целью получения э.д.с. Внешнюю силу приходится применять именно для того, чтобы преодолевать такое выталкивание проводника с током из магнитного поля. При этом чем больше потребляемый от генератора ток, тем больше усилий надо, чтобы преодолевать противодействие выталкивающих сил, тем большая посторонняя помощь требуется генератору.

ВК-142. Цифры, полученные в инженерных расчётах, беспощадны. В данном случае они показывают, что при частоте 50 Гц ток меняется медленно. Чтобы при таких изменениях тока получить в трансформаторе сильное меняющееся магнитное поле, проще всего использовать ферромагнитный (например, стальной) сердечник — без него понадобились бы обмотки из многих тысяч витков. При более быстром изменении тока, то есть на высоких частотах, часто используют трансформаторы вообще без сердечников.

В реальных электрогенераторах «рамку» вращают разными способами. Заметим, что слово «рамка» взято в кавычки потому, что здесь это всего лишь образ, в настоящих генераторах вместо рамки имеются сложные системы обмоток, уложенные в стальной сердечник. Такая вращающаяся часть генератора (или двигателя), независимо от её устройства и назначения, так же как у мотора, называется «ротор», от латинского «ротаре» — «вращаться».

Итак, ротор реального генератора вращают разными способами. В автомобиле, например, с помощью приводного ремня вращение передаётся на генератор от основного бензинового двигателя, он очень небольшую часть своей мощности отдаёт для подзарядки аккумулятора и питания бортовых электроприборов. На больших электростанциях ротор электрогенератора жёстко соединяют с валом, как его называют, первичного двигателя — чаще всего это мощная паровая турбина, газовая турбина или гидротурбина. И во всех случаях электрогенератор снабжает нас электрической энергией, превратив в неё механическую работу своего первичного двигателя. Мы ещё поговорим об этом подробнее, а пока предварительный итог: чтобы получить электрическую энергию, нужно много работать. И в широком смысле, и в узком, конкретном — нужно с помощью мощного первичного двигателя вращать ротор электрогенератора, затрачивая другие виды энергии для получения энергии электрической.

Каждый, кто думал об этом, возможно, задавался вопросом: для чего вообще в таком случае нужно электричество? Не проще ли сразу, без посредников использовать энергию сжигаемого на тепловых электростанциях топлива? Или огромную энергию падающей воды, которая крутит турбины гидроэлектростанций? Ответ на эти вопросы за пределами общих размышлений — неумолимые цифры инженерных и экономических расчётов давно доказали огромные достоинства электроэнергетики. Многие из этих достоинств связаны с применением переменного тока, к знакомству с которым мы переходим.

ВК-143. Одна из характеристик трансформатора — коэффициент трансформации k (иногда буква n), показывающий отношение числа витков w₂ обмотки 2 к числу витков w₁ обмотки 1. Если коэффициент k больше единицы, то трансформатор повышает напряжение, если к меньше единицы, то понижает. Попутно отметим, что во сколько раз повышается напряжение, во столько же раз понижается ток — трансформатор мощности не меняет.