Генератор, превращенный в двигатель

Н. — Я вновь думаю о принципе обратимости физических явлений. Если вместо того, чтобы вращать катушку, мы будем пропускать через нее переменный электрический ток, то она сама превратится в магнит, полюсы которого каждый полупериод будут меняться. Находясь в постоянном магнитном поле, он, несомненно, начнет вращаться. И таким образом генератор превратится в электрический двигатель.

Не сказал ли я какую-нибудь глупость?

Л. — Совсем нет. Я счастлив констатировать, что ты великолепно понял мои объяснения и сделал из них очень верные выводы. Во время нашей ближайшей встречи мы сможем приступить к основам радио, так как уже завершили краткий обзор основных вопросов электричества.

Комментарий профессора Радиоля

ИНДУКЦИЯ И ИНДУКТИВНОСТЬ

Во всех областях радиоэлектроники катушки индуктивности играют важную роль и применяются в самых различных устройствах. Вот почему профессор Радиоль описывает свойства катушек и объясняет устройство и принцип работы трансформаторов и гальванометров.

Нет, мой милейший Любознайкин, я не согласен с тем, что ты сказал в конце своей последней беседы. Ты считаешь, что охарактеризовал все основные понятия электричества. Но почему же тогда ты оставил без объяснения явление индукции и его использование? Мне придется сделать это вместо тебя.

Дедукция об индукции

Незнайкин, ты легко уяснил принцип работы генератора переменного тока. Когда катушка вращается в магнитном поле, пересекая его силовые линии, возникает переменный электрический ток. Но для этой цели совершенно необязательно приводить катушку в движение. Переменный ток можно создать даже в неподвижной катушке, если изменять пронизывающее ее магнитное поле.

А как можно изменить его, т. е. менять на противоположное направление силовых линий?

Мне кажется, Незнайкин, что я слышу твой голос, произносящий правильный ответ. Да, для того, чтобы магнитное поле непрерывно меняло направление своих силовых линий, имеется очень простой способ: создать его с помощью катушки, по которой протекает переменный ток. В каждый полупериод тока направление магнитных силовых линий изменяется на противоположное. И в итоге переменный ток порождается во второй катушке, помещенной в магнитное поле первой катушки. Это явление называется индукцией.

Для облегчения возникновения индуцируемого тока катушку нужно разместить на продолжении оси индуктирующей катушки. Одну из этих катушек можно даже намотать поверх другой (рис. 17).

Рис. 17. Переменный ток, протекающий по катушке, наводит ток в другой катушке, расположенной в магнитном поле первой. Катушка, в которой наводится ток, может наматываться поверх индуктирующей катушки, или обе катушки могут размещаться рядом на одной оси.

Устройство, состоящее из двух таких катушек, называется трансформатором. Индуктирующую катушку называют первичной обмоткой, а ту, в которой возникает индуктируемый ток, называют вторичной обмоткой трансформатора.

Для работы в электрической цепи с относительно низкой частотой трансформаторы делают с сердечником из мягкой стали (рис. 18), что увеличивает интенсивность магнитного поля, так как его силовые линии намного легче проходят по стали, чем по воздуху.

Рис. 18. Условное обозначение трансформатора с магнитным сердечником.

Коэффициент трансформации

Напряжение, возникающее во вторичной обмотке трансформатора, зависит от напряжения первичной обмотки: оно прямо пропорционально напряжению первичной обмотки. Кроме того, оно определяется соотношением числа витков обеих обмоток. Если первичная и вторичная обмотки имеют одинаковое количество витков, то на выводах вторичной обмотки получают такое же напряжение, которое подается на выводы первичной. Но, если говорить в более общей форме, напряжение вторичной обмотки U₂ равно произведению напряжения первичной обмотки U₁, на отношение числа витков вторичной обмотки w₂ к числу витков первичной обмотки w₁:

Скажем проще: напряжения обеих обмоток пропорциональны числу витков:

Самоиндукция

Но я предвижу возникающий у тебя вопрос: чем вызывается напряжение первичной обмотки?

Так вот, здесь мы имеем падение напряжения, создаваемое не активным сопротивлением, которое обычно мало, а индуктивным сопротивлением обмотки. Это сопротивление порождается явлением самоиндукции, имеющим место в любой катушке, по которой протекает переменный ток. В чем заключается суть явления?

Я только что объяснил тебе, как, создавая изменяющееся магнитное поле, ток первичной обмотки наводит переменный ток во вторичной обмотке. Но кроме вторичной обмотки в этом изменяющемся магнитном поле находится еще одна катушка — сама первичная обмотка! Поэтому я надеюсь, что ты не удивишься, узнав, что первичная обмотка наводит ток не только в своей соседке — вторичной обмотке, но и в себе самой.

Явление самоиндукции вызывает увеличение сопротивления катушки; это происходит, потому что полупериоды наводимого переменного тока не совпадают с полупериодами индуктирующего тока: наведенный ток оказывается смещенным или, как говорят, сдвинутым по фазе. Именно это определяет сопротивление, которое называется индуктивным. Оно пропорционально частоте тока и индуктивности катушки. Эта последняя характеристика зависит исключительно от геометрических особенностей катушки: от количества и диаметра витков и от их взаимного расположения. Чем больше витков, чем больше их размеры и чем плотнее они расположены друг к другу, тем сильнее создающее ток магнитное поле воздействует на саму катушку и тем, следовательно, выше индуктивность.

Индуктивность пропорциональна квадрату числа витков. Удвой количество витков, и индуктивность увеличится в 4 раза.

Индуктивность измеряется в генри; принятое сокращенное название этой единицы Г. Следовательно, индуктивное сопротивление X_L (выражаемое, как и активное сопротивление, в омах) пропорционально произведению частоты f на индуктивность L. Эта зависимость выражается формулой

X_L= 2π·f·L,

где π = 3,14, как ты знаешь, численное выражение отношения окружности к диаметру.

Устройство гальванометра

Поскольку мы изучаем различные аспекты электричества, тесно связанные с магнетизмом, я позволю себе еще раз вернуться к использованию устройства, состоящего из магнита, между полюсами которого установлена катушка; последняя укреплена на оси и свободно вращается.