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.
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.
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
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.
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.
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.