Ричард Фейнман - 6. Электродинамика

Другой пример устройства, которое может работать либо для создания э. д. с., либо воспринимать действие э. д. с., представляет собой приемная часть обычного телефона, т. е. «слухофон». Первоначальный телефон Белла состоял из двух таких «слухофонов», соединенных двумя длинными проводами.

Фиг. 16.4. Приемное или передающее устрой­ство телефона.

Основной принцип этого устройства показан на фиг. 16.4. По­стоянный магнит создает магнитное поле в двух сердечниках из мягкого железа и в тонком железном диске — мембране, которая приводится в движение звуковым давлением. При дви­жении мембрана изменяет величину магнитного поля в сердеч­никах. Следовательно, поток через катушку проволоки, намо­танной вокруг одного из сердечников, изменяется, когда зву­ковая волна попадает на мембрану. Тогда в катушке возникает э. д. с. Если концы катушки присоединены к цепи, в ней устанавливается ток, который представляет собой электри­ческое изображение звука.

Если концы катушки на фиг. 16.4 присоединить двумя про­водами к другому такому же устройству, то по второй катушке потечет меняющийся ток. Этот ток создаст меняющееся магнит­ное поле и заставит меняться и силу притяжения железной мембраны. Она начнет дрожать и породит звуковые волны, подобные тем, которые колебали первую мембрану. С помощью маленьких кусочков железа и меди человеческий голос пере­дается по проводам!

(Приемники в современных домашних телефонах похожи на только что описанный, а вот передатчики используются уже улучшенные, чтобы получить большую мощность. Это «микро­фоны с угольной мембраной», в которых звуковое давление изменяет электрический ток от батарей.)

§ 2. Трансформаторы и индуктивности

Одна из наиболее интересных сторон открытий Фарадея заключается совсем не в том, что э. д. с. возникает в движущейся катушке, это мы можем понять с помощью магнитной силы qXВ. Главное — в том, что изменение тока в одной катушке создает э. д. с. во второй катушке. И уж совсем удивительно, что величина э. д. с., наведенной во второй катушке, дается тем же самым «правилом потока»: э. д. с. равна скорости изме­нения магнитного потока сквозь катушку. Возьмем, например, две катушки (фиг. 16.5), каждая из которых намотана на отдель­ную стопку железных пластинок (с их помощью можно создать более сильные магнитные поля).

Фиг. 16.5. Две катушки, намо­танные на стопки железных пла­стинок, позволяют зажечь лам­почку, не соединяя ее прямо с гене­ратором.

Присоединим теперь одну из катушек — катушку а — к генератору переменного тока. Не­прерывно меняющийся ток создает непрерывно меняющееся магнитное поле. Такое изменяющееся магнитное поле генери­рует переменную э. д. с. во второй катушке — катушке b. Эта э. д. с., например, способна заставить гореть электриче­скую лампочку.

В катушке bэ. д. с. меняется с частотой, конечно, равной частоте первого генератора. Но ток в катушке b может быть больше или меньше тока в катушке а. Ток в катушке b зависит от индуцированной в ней э. д. с. и от сопротивления и индук­тивности остальной части ее цепи. Эта э. д. с. может быть меньше э. д. с. генератора, если, скажем, изменение потока мало. Или же э. д. с. в катушке b может оказаться много больше э. д. с. генератора, если на катушку 6 навить много витков, ибо в этом случае в данном магнитном поле поток через катушку будет больше. (Можно, если хотите, сказать об этом иначе — в каждом витке э. д. с. одна и та же, и поскольку пол­ная э. д. с. равна сумме э. д. с. отдельных витков, то большое число витков в совокупности создает большую э. д. с.)

Такая комбинация двух катушек (обычно с набором желез­ных пластинок, повышающих магнитное поле) называется трансформатором. Он может «трансформировать» одну э. д. с. (называемую еще «напряжением») в другую.

Эффекты индукции возникают и в одной отдельной катушке. Например, в установке, изображенной на фиг. 16.5, меняющийся поток проходит не только через катушку b, которая зажигает лампочку, но и через катушку а. Меняющийся ток в катушке а создает меняющееся магнитное поле внутри нее самой, и поток этого поля непрерывно изменяется, так что в катушке а получается самоиндуцированная э. д. с.

Э. д. с., действующая на ток, возникает тогда, когда его собственное магнитное поле растет, или в общем случае, если его собственное поле изменяется каким угодно образом. Этот эффект называется самоиндукцией.

Когда мы ввели «правило потока», утверждающее, что э. д. с. равна скорости изменения потока, мы не определяли направле­ние э. д. с. Существует простое правило (называемое правилом Ленца) для определения направления э.д. с.: э. д. с. стремится препятствовать всякому изменению потока. Иначе говоря, направление наведенной э. д. с. всегда такое, что, если бы ток пошел в направлении э. д. с., он создал бы поток поля В, препятствующий изменению поля В, создающего эту э. д. с. Правилом Ленца можно пользоваться, чтобы найти направление э. д. с. в генераторе, показанном на фиг. 16.1, или в обмотке трансформатора (фиг. 16.3).

В частности, если ток в отдельной катушке (или в любом проводе) меняется, возникает «обратная» э. д. с. в цепи. Эта э. д. с. действует на заряды, текущие в катушке а на фиг. 16.5, препятствуя изменению магнитного поля, и поэтому направлена так, чтобы препятствовать изменению тока. Она стремится сохранить ток постоянным; э. д. с. противоположна току, когда ток увеличивается, и направлена по току, когда он умень­шается. При самоиндукции ток обладает «инерцией», потому что эффекты индукции стремятся сохранить поток постоянным точно так же, как механическая инерция стремится сохранить скорость тела неизменной.

Любой большой электромагнит обладает большой самоин­дукцией. Пусть, например, к катушке большого электромаг­нита присоединена батарея (фиг. 16.6) и пусть установилось большое магнитное поле. (Ток достигает постоянной величины, определяемой напряжением батареи и сопротивлением провода катушки.)

Фиг. 16.6. Включение электромагнита в цепь.

Лампочка открывает проход току в момент отключения, препятствуя возникновению слишком большой э.д.с. на кон­тактом выключателя.

Но теперь предположим, что мы пытаемся отсоеди­нить батарею, разомкнув выключатель. Если бы мы на самом деле разорвали цепь, ток быстро уменьшился бы до нуля и в процессе уменьшения создал бы огромную э. д. с. В большин­стве случаев такой э. д. с. оказывается вполне достаточно, чтобы образовалась вольтова дуга между разомкнутыми контактами выключателя. Возникающее большое напряжение могло бы нанести вред катушке, да и вам, если бы именно вы раз­мыкали выключатель! По этим причинам электромагниты обыч­но включают в цепь примерно так, как показано на фиг. 16.6. Когда переключатель разомкнут, ток не меняется быстро, а продолжает течь через лампу, оставаясь постоянным за счет э. д. с. от самоиндукции катушки.

§ 3. Силы, действующие на индуцируемые токи

Вы, вероятно, наблюдали великолепную демонстрацию пра­вила Ленца с помощью приспособления, изображенного на фиг. 16.7. Это электромагнит точно такой же, как катушка а на фиг. 16.5. На одном конце электромагнита помещается алю­миниевое кольцо. Если с помощью переключателя подсоеди­нить катушку к генератору переменного тока, то кольцо взле­тает в воздух. Силу, конечно, порождают токи, индуцируемые в кольце. Тот факт, что кольцо отлетает прочь, показывает, что токи в нем препятствуют изменению поля, проходящего через кольцо. Когда у магнита северный полюс находится сверху, индуцированный ток в кольце создает внизу северный полюс. Кольцо и катушка отталкиваются точно так же, как два магнита, приложенные одинаковыми полюсами. Если в кольце сделать тонкий разрез по радиусу, сила исчезает — убедительное доказательство того, что она действительно обусловлена токами в кольце.

Фиг. 16.7. Проводящее кольцо сильно отталкивает­ся электромагнитом, когда в нем меняется ток.

Фиг. 16.8. Электромагнит вблизи идеально проводящей плоскости.

Если вместо кольца у края электромагнита поместить алю­миниевый или медный диск, то и он отталкивается; индуциро­ванные токи циркулируют в материале диска и снова вызывают отталкивание.

Интересный эффект, в основе похожий на предыдущий, воз­никает с листом идеального проводника. В «идеальном провод­нике» ток совсем не встречает сопротивления. Поэтому возник­шие в нем токи могут течь не переставая. Фактически малейшая э. д. с. создала бы сколь угодно большой ток, а это на самом деле означает, что в нем вообще не может быть э. д. с. Любая попыт­ка создать магнитный поток, проходящий сквозь такой лист, вызовет токи, образующие противоположно направленные поля В — все со сколь угодно малыми э. д. с., так что никакого потока не будет.