Правило правой руки
Когда вы ночами ездите на велосипеде, то, наверное, используете динамо-машину, чтобы питать электричеством велосипедные фары. Колеса вращают рифленый стерженек, создавая напряжение, которого оказывается достаточно для питания двух лампочек. А горят они потому, что динамо-машина создает ток, направление которого определяется легко запоминающимся, сформулированным Флемингом правилом правой руки.
Электромагнитная индукция может использоваться для перехода от одних видов электрических и магнитных полей к другим. Она работает в трансформаторах, которые управляют электрическими сетями, в зарядных устройствах и даже велосипедных динамо-машинах. Когда изменяющееся магнитное поле проходит через проволочную катушку, оно создает силу, которая действует на имеющиеся в ее металле свободные электроны, приводя их в движение и создавая электрический ток.
«Сам Фарадей назвал свое открытие намагничиванием света и освещением силовых линий магнитного поля» Питер Зееман, 1903
В маленьком металлическом кожухе динамо-машины находится проволочная катушка со вставленным в нее магнитом. Входящий в катушку стержень вращается колесом велосипеда и сам вращает магнит. Вращающийся магнит создает переменное магнитное поле, которое приводит в движение заряды (электроны) проволоки, и они создают электрический ток. О последнем говорят, что он индуцируется в катушке благодаря явлению электромагнитной индукции.
Хорошее правило
Направление индуцированного тока задается сформулированным шотландским инженером Джоном Амброзом Флемингом правилом правой руки. Раскройте правую ладонь так, чтобы большой палец указывал вверх, указательный вперед, а средний влево, под прямым углом к большому. Если проводник движется вверх вдоль большого пальца, а магнитное поле направлено вдоль указательного, то индуцируемый ток потечет вдоль среднего — и каждое направление будет составлять с двумя другими прямой угол. Удобное правило — и легко запоминающееся.
Индуцируемый ток можно увеличить, повысив число витков проволоки — тогда магнитное поле будет чаще менять направление вдоль ее длины — или убыстрив движение магнита. Именно по последней причине велосипедные фары горят ярче, когда вы быстрее крутите педали. Что, собственно говоря, движется — магнит или катушка, неважно, главное, чтобы они перемещались один относительно другой.
Взаимоотношения между изменяющимся магнитным полем и силой, которую он индуцирует, выражаются законом Фарадея. Индуцируемая сила, именуемая «электродвижущей силой» (сокращенно эдс), определяется числом витков катушки, умноженным на скорость изменения магнитного потока (которая пропорциональна напряженности магнитного поля и площади катушки). Направление индуцируемого электрического тока всегда противоположно причине, его возбуждающей (это называется «правилом Ленца»). Будь это не так, в системе возникало бы самоусиление, нарушающее закон сохранения энергии.
Фарадей
Электромагнитная индукция была открыта в 1830 году Майклом Фарадеем. Фарадей, британский физик, прославился экспериментами с электричеством. Он не только установил, что погруженный в ртуть магнит начинает вращаться, а это был принцип создания электродвигателя, но и показал, что магнитное поле воздействует на свет. Вращая с помощью магнита плоскость поляризации света, он понял, что и сам свет имеет электромагнитную природу.
До Фарадея ученые полагали, что существует много типов электричества, которые проявляются в различных ситуациях. Именно Фарадей показал, что все эти типы можно описать в рамках единой системы, основанной на движении заряда. Он не был математиком, его называли даже «математически безграмотным», и тем не менее его идеи, касавшиеся электрического и магнитного полей, были приняты еще одним британским физиком, Джеймсом Клерком Максвеллом, который свел их в четыре знаменитых уравнения, и по сей день остающихся краеугольным камнем современной физики.
«Ничто истинное и отвечающее законам природы не может считаться слишком чудесным» Майкл Фарадей, 1849
Хранение заряда
Имя Фарадея носит единица электрической емкости, фарад, количество таких единиц указывается на каждом конденсаторе. Конденсаторы, присутствующие едва ли не в каждой электрической цепи, обеспечивают временное накопление и сохранение электрического заряда. Например, вспышка фотоаппарата хранит заряд с помощью конденсатора — и вам приходится ждать, пока он накопится и вы сможете сделать снимок. Даже если вы используете обычные батарейки, возникающее при накоплении заряда напряжение оказывается очень большим — несколько сотен вольт, поэтому, прикоснувшись к конденсатору, вы можете получить серьезный электрический удар. Простейший конденсатор состоит из двух параллельных металлических пластинок, между которыми находится воздух. Однако конденсаторы можно изготавливать и из «сэндвичей» практически любых проводящих электричество или способных удерживать заряды материалов. Первыми устройствами, которые использовались в XVIII столетии для хранения заряда, были стеклянные банки (их называли «лейденскими») с покрытыми металлом внутренними поверхностями.
Ныне такие «сэндвичи» изготавливают из алюминиевой фольги, ниобия, бумаги, полиэфирного волокна и тефлона. Если подсоединить конденсатор к батарее, то при ее включении на каждой из его пластин скапливаются противоположные заряды. При отключении батареи заряды высвобождаются в виде тока. Ток этот слабеет, поскольку его «давление» уменьшается по мере уменьшения зарядов. Поскольку зарядка и разряд конденсатора требуют времени, они могут в значительной мере задерживать прохождение тока по электрическим цепям. Конденсаторы часто используют совместно с индукторами (например, катушками проволоки, добавляющими в цепь индуцированные токи) — это позволяет создавать цепи, в которых заряд осциллирует, возрастая и уменьшаясь.
Трансформаторы
Электромагнитная индукция используется не только в динамо-машинах и электродвигателях, но и в электрических трансформаторах. Трансформатор генерирует переменное магнитное поле, которое индуцирует ток в катушке провода. Простой трансформатор представляет собой кольцевой магнит с двумя проволочными обмотками. Изменение электрического поля в первой обмотке создает в магните осциллирующее магнитное поле, а оно индуцирует новый электрический ток во второй обмотке.
Согласно закону Фарадея, сила индуцируемого тока зависит от числа витков катушки, и это позволяет создавать трансформаторы с настраиваемым выходным током. При передаче электричества по общегосударственной сети электроснабжения эффективнее и надежнее использовать малую величину тока и большую — напряжения. Трансформаторы используются на обоих концах сети, повышая напряжение и снижая ток перед распределением электрической энергии и проделывая обратное перед ее применением. Если вы когда-нибудь притрагивались к блоку питания компьютера или зарядному устройству, то вам известно, что стопроцентной эффективностью трансформаторы не обладают, поскольку они нагреваются и нередко гудят, расходуя энергию на звуки, вибрацию и нагрев.
Майкл Фарадей, 1791-1867
Британский физик Майкл Фарадей был самоучкой — работая подмастерьем переплетчика, он читал книги, которые попадались ему в руки. Совсем молодым человеком Фарадей посетил четыре лекции химика Гэмфри Дэви в Лондонском королевском институте, и они произвели на него настолько сильное впечатление, что он написал Дэви письмо, попросив дать ему какую-нибудь работу. Просьба была отклонена, однако Фарадей все же начал работать в Королевском институте, большую часть времени проводя на подхвате у сотрудников института, но между делом пытаясь также создать электродвигатель.
В 1826 году он начал проводить в Королевском институте пятничные беседы и рождественские лекции — и те и другие продолжаются и поныне. Занимаясь исследованием электричества, Фарадей открыл в 1831 году явление электромагнитной индукции. Он получил признание как чрезвычайно искусный экспериментатор и занимал несколько официальных постов, в частности — советника Тринити-Хаус (организации, которая отвечает за обслуживание навигации в территориальных водах Англии), помогавшего в создании электрических маяков. Удивительно, быть может, но Фарадей отверг попытку возвести его в рыцарское достоинство и предложение президентства в Королевском обществе (и не одно, а два предложения). Последние свои дни Фарадей, здоровье которого ухудшилось, провел в королевском дворце Хэмптон-Корт, в доме, который принц Альберт подарил ему в знак признания его огромных заслуг перед наукой.