Звідки ми отримуємо всю ту електрику, якою сьогодні користуємося? Загалом — від електростанцій, де вона виробляється за допомогою генераторів, які переміщують мідні котушки в магнітному полі. Ми вже не переміщуємо магніти. Перший генератор Фарадея — це мідний диск, який за допомогою ручки обертався між двома кінцями підковоподібного магніту. Щітка на зовнішньому краю диска з’єднувалася з одним провідником, а щітка на центральному валу обертального диска — із другим провідником. Якщо під’єднати ці два провідники до амперметра, він виміряє згенерований струм. Фарадей прикладав до системи енергію (м’язову силу), яку пристрій перетворював на електрику. Але через низку причин, зокрема, що мідний диск доводилося крутити вручну, генератор Фарадея був не надто ефективним. У певному сенсі генератори слід було б називати перетворювачами енергії. Адже вони тільки перетворюють енергію певного виду, в цьому випадку кінетичну, на енергію електричну. Інакше кажучи, безкоштовної енергії не існує. (Перетворення енергії ми розглянемо детальніше в наступному розділі).
Електрика надає руху
Ми дізналися, як перетворити рух на електрику, а тепер подумаймо, як зробити навпаки й перетворити електрику на рух. Урешті-решт, саме для цього автовиробники витрачають мільярди доларів на розробку електромобілів. Усі вони намагаються винайти ефективні й потужні електродвигуни для цих автівок. А що таке двигун? Двигун — це пристрій, що перетворює електричну енергію в рух. В основі їхньої роботи лежить на перший погляд простий, але насправді досить складний принцип: якщо в магнітне поле помістити дротяну котушку, крізь яку проходить струм, вона обертатиметься. Швидкість її обертання залежить від багатьох чинників: сили струму, сили магнітного поля, форми котушки тощо. Фізики кажуть, що магнітне поле надає котушці крутний момент. «Крутний момент» — це термін на позначення сили, що змушує речі обертатися.
Якщо вам хоч раз доводилося змінювати покришку, то ви, звісно, чудово уявляєте, що таке крутний момент. Ви знаєте, що один з найскладніших етапів цієї процедури — послабити гайки, які утримують колесо на осі. Зазвичай їх дуже туго закручують, а часом здається, що вони зрослися, і ви змушені докладати титанічних зусиль до гайкового ключа. Що довший держак ключа, то більший крутний момент. З дуже довгим держаком ви, можливо, відбудетеся зовсім незначними зусиллями, і відкрутите гайки. Замінивши покришку, щоб підтягнути гайки, ви прикладаєте крутний момент у протилежному напрямку.
Звісно, іноді буває так, що хоч ви й натискаєте чи тягнете щосили, гайка все одно не рухається. У такому разі або нанесіть на неї трохи аерозолю WD-40 (я раджу завжди тримати в багажнику WD-40, для цього й багато чого іншого) і почекавши трохи, відкрутіть її, або спробуйте вдарити по держаку ключа молотком (ще одна річ, яку завжди треба возити із собою!).
Нам не обов’язково заглиблюватися у складні тонкощі, пов’язані з крутним моментом. Достатньо знати лише те, що якщо пропустити через котушку струм (наприклад, за допомогою батарейки) і помістити її в магнітне поле, на неї діятиме крутний момент, що змусить її обертатися. Що сильніший струм, то сильніше магнітне поле і то більший крутний момент. Цей принцип лежить в основі роботи двигуна постійного струму, просту версію якого досить легко зробити.
Яка різниця між постійним і змінним струмом? Полюси батарейки не змінюються (плюс залишається плюсом, а мінус — мінусом). Тому якщо під’єднати батарейку до провідника, струм завжди проходитиме в одному напрямку, і такий струм називають постійним. Проте у Сполучених Штатах різниця потенціалів між двома отворами електричної розетки змінюється із частотою 60 герців, а в Нідерландах і в більшості країн Європи — із частотою 50 герців. Якщо ви в себе вдома під’єднаєте до розетки провідник, наприклад лампу розжарювання або обігрівач, струм коливатиметься (заряди рухатимуться то в один бік, то в другий) із частотою 60 герців (тобто змінюючи напрямок 120 разів за секунду). Такий струм називають змінним.
Щороку під час курсу з електрики й магнетизму ми влаштовуємо конкурс двигунів. (Уперше його провели за кілька років до мене мої колеги та друзі професори Віт Буса та Віктор Вайскопф). Кожен студент отримує конверт із простими матеріалами: два метри ізольованого мідного дроту, дві скріпки, дві канцелярські кнопки, два магніти й маленький дерев’яний брусок. Студенти ще мають узяти батарейку типу АА на 1,5 вольта. Вони можуть користуватися будь-якими інструментами, пиляти дерево й свердлити отвори, але двигун дозволено збирати лише з матеріалів, що у конверті (клей чи клейка стрічка заборонені). Завдання студентів — побудувати із цих простих складників якомога швидший двигун (з якомога більшою кількістю обертів за хвилину). Скріпки мають бути опорами для котушки, що обертається; дріт потрібен для виготовлення котушки; а магніти слід розташувати так, щоб забезпечити в котушці крутний момент, коли крізь неї проходитиме струм від батарейки.
Припустімо, ви хочете взяти участь у змаганні. Ви під’єднуєте акумулятор до котушки, і вона починає обертатися за годинниковою стрілкою. Поки що все добре. Але, на ваш великий подив, котушка згодом зупиняється. Річ у тому, що після кожного півоберта крутний момент змінює напрямок. Ця зміна напрямку перешкоджатиме обертанню за годинниковою стрілкою; котушка може крутнутися навіть проти годинникової стрілки. Безперечно, це не те, чого ми очікуємо від двигуна. Нам потрібно, щоб він постійно обертався тільки в одному напрямку (за годинниковою стрілкою чи проти — не має значення). Цього можна досягти, якщо після кожного півоберта змінювати напрямок струму, що проходить крізь котушку. Тоді крутний момент постійно діятиме на котушку в тому самому напрямку, і вона обертатиметься.
Щоб побудувати двигун, студентам слід вирішити неминучу проблему зі зміною напрямку крутного моменту, і деяким вдається сконструювати так званий комутатор — пристрій, що після кожного півоберта змінює напрямок струму. Але це складно. На щастя, існує простий і дуже розумний спосіб розв’язати цю проблему, не змінюючи напрямку струму. Якщо зробити так, щоб струм (а отже, й крутний момент) прямував до нуля після кожного півоберта, тоді крутний момент узагалі не впливатиме на котушку протягом одного півоберта, а протягом другого буде спрямований в один і той самий бік. У підсумку котушка обертатиметься.
Я даю очко за кожні 100 обертів за хвилину, які здійснює двигун, максимум — це 20 очок. Студентам дуже подобається це завдання, і оскільки це студенти МТІ, вони часом створюють дивовижні пристрої. Можливо, ви теж захочете спробувати. Щоб отримати інструкції, перейдіть за посиланням на додаткові матеріали до 11-ї лекції: ocw.mit.edu/courses/physics/8-02-electricity-and-magnetism-spring-2002/lecture-notes/.
Майже всім студентам вдається без зайвих клопотів зібрати двигун, що обертається із частотою приблизно 400 обертів за хвилину. Як вони змушують котушку крутитися в одному напрямку? По-перше, їм потрібно зішкрябати ізоляцію з одного кінця дротяної обмотки, щоб контакт між обмоткою і одним з полюсів батарейки був постійно замкненим, — звісно, неважливо, який кінець вони оберуть. Із другим кінцем обмотки все значно складніше. Студенти хочуть, щоб струм проходив крізь котушку тільки протягом половини її оберту — інакше кажучи, їм треба розірвати коло на півшляху. Тому із другого кінця обмотки вони знімають ізоляцію наполовину. Це означає, що дріт оголений лише на половині окружності. Щоразу, коли струм припиняється (кожні півоберта), котушка й далі обертається навіть без крутного моменту (немає достатнього тертя, щоб зупинити її на половині оберту). Щоб визначити, скільки саме ізоляції треба зчищати і яку саме половину дроту оголити, доведеться трохи поекспериментувати. Але, як я казав, майже всім конкурсантам удається отримати 400 обертів за хвилину. Це і мій результат — але я ніяк не міг змусити двигун обертатися швидше.
Потім кілька студентів пояснили мені, у чому проблема. Тільки-но котушка робить більше кількох сотень обертів за хвилину, вона починає вібрувати на підставках (скріпках), часто розриваючи коло й тим самим припиняючи крутний момент. Тому кмітливіші студенти здогадалися, як за допомогою двох шматків дроту втримати обидва кінці котушки на скріпках так, щоб вона водночас могла вільно обертатися. І з цим незначним удосконаленням вони змогли, хоч як неймовірно це звучить, досягти 4000 обертів за хвилину!
