Детская энциклопедия
Том 1. Земля. Том 4. Растения и животные. Том 7. Человек. Том 10. Зарубежные страны.
Том 2. Мир небесных тел. Числа и фигуры. Том 5. Техника и производство. Том 8. Из истории человеческого общества. Том 11. Язык. Художественная литература.
Том 3. Вещество и энергия. Том 6. Сельское хозяйство. Том 9. Наша советская Родина. Том 12. Искусство.

наибольшей, когда угол прямой. При этом sina=1.

Некоторые из ученых объяснили взаимо­действия магнитных полюсов, магнитного полю­са и тока, проводников с током действием на расстоянии, без участия окружающей среды (теория дальнодействия). Другие придержива­лись мнения Фарадея: полюса взаимодействуют благодаря особому состоянию среды, которое вызывается присутствие магнитного полюса или проводника с током (теория близкодействия). Дальнейшие исследования подтвердили пра­вильность второй точки зрения.

Магнитный полюс или проводник с током создают вокруг себя магнитное поле. В каждой точке этого поля его силовое действие на про­водник с током характеризуют определенной величиной — наибольшей силой, с которой дей­ствует поле на проводник длиной в 1 м при силе тока в 1 а. Силовая характеристика магнит­ного поля называется индукцией. Согласно за­кону Ампера индукция В определяется отно­шением силы F на произведение силы тока / и длины проводника l.

Индукция — это вектор, направление кото­рого в каждой точке магнитного поля совпа­дает с направлением магнитной стрелки:

В=F/Il.

Магнитное поле удобно изображать графи­чески при помощи силовых линий. Касательная к силовой линии указывает направление век­тора индукции магнитного поля (рис. 19). Если в данном месте магнитное поле по

какой-либо причине из­менится, это означает, что изменяются величи­на и направление векто­ра индукции.

В Международной системе единиц измере­ния для индукции по­ля установлена единица тесла. Эта единица названа в честь югослав­ского ученого Николы Тесла. Она определяется величиной силы, дейст­вующей на электрический ток в 1 а при длине проводника в 1 м.

В этом томе есть специальная статья о си­стемах измерения физических величин. И тем не менее здесь уместно рассказать о некоторых единицах Международной системы, имеющих отношение к электромагнитным явлениям.

В этой системе формулы, чаще всего употребляе­мые, записаны наиболее просто. Но это только внешняя сторона системы измерительных еди­ниц. Существенное же в ней то, что в запись основных законов введены постоянные m0 и e0. Физическое содержание этих постоянных рас­крыто в уравнениях Максвелла.

В Международной системе (СИ) 6 основных единиц и 2 дополнительных (см. ст. «Одна мера всему миру»).

Для описания механических явлений доста­точно первых трех единиц этой системы измере­ний: метра, килограмма и секунды. Описание явлений, электрических и магнитных, требует четвертой единицы — силы тока. Эти четыре единицы позволяют выразить единицы всех физических величин, характеризующих элект­ричество и магнетизм.

Основным законом магнитных явлений в си­стеме СИ считается закон Ампера, который опре­деляет силу взаимодействия прямых параллель­ных токов. Ампер рассматривал взаимодействие в воздухе, но величина силы не изменится, если влиянием воздуха пренебречь и предста­вить себе явление происходящим в вакууме:

F=k(I1I/r)l,

где коэффициент k зависит от единиц измере­ния силы токов I1 и I при расстоянии между ними r, длине проводников l и действующей на них силы F. Сила тока — основная единица. Она установлена на основании закона Ампера. Единица ее измерения — а (ампер).

Ампер — это сила неизменяющегося тока, ко­торый, проходя по двум параллельным прямоли­нейным проводникам бесконечной длины и нич­тожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызывает между этими проводниками на каждый метр их длины силу взаимодействия, равную 2•10-7 единиц силы, принятых в СИ (см. ст. «Все­му миру единую меру»).

Если измерять все эти величины в едини­цах Международной системы, т. е. токи в ам­перах, расстояние и длину в метрах и силу в ньютонах, то коэффициент k будет ра­вен 2•10-7.

Чтобы упростить остальные формулы элект­ромагнитных измерений, в числитель и знаме­натель этой формулы вводится коэффициент 4p (формула, так сказать, рационализируется):

F=4p•10-7•(2I1I/4pr)l.

207

Коэффициент 4p•10-7 обозначают как m0. Закон Ампера при этом запишется так:

где m0= 4p•10-7 в•сек/а•м. Это так называемая магнитная постоянная вакуума. Если токи поместить в магнетик, т. е. в сре­ду, которая влияет на силу взаимодействия, сила эта изменится; ее изменение учитывается относительной магнитной проницаемостью сре­ды. Эта величина (m) показывает, во сколько раз по сравнению с вакуумом увеличится или уменьшится сила:

Рассматривая взаимодействие прямых па­раллельных проводников с током, из которых один создает магнитное поле, а другой испыты­вает на себе силовое действие поля, находим, что индукция магнитного поля, создаваемая прямым током I1, равна:

Учитывая это, легко объяснить, почему сило­вые линии магнитного поля, которое вызвано прямым током, расположены по концентриче­ским окружностям вокруг проводника с током, как вокруг оси. Чтобы упростить вычисление индукции 5, которая создается токами раз­личной формы, вводят новую характеристику магнитного поля — напряженность Н:

B=m•m0H.

Напряженность магнитного поля Н спе­циального названия не имеет, в Международ­ной системе измеряется единицей а/м.

В явлении электромагнитной индукции, от­крытом Фарадеем, особое значение имеет поня­тие потока индукции. Поток опреде­ляется как произведение площади S, располо­женной перпендикулярно к направлению поля, на величину вектора индукции В, т. е.:

Ф=BS.

В Международной системе поток индукции измеряется единицей вебер.

По правилу Ленца легко можно найти на­правление индуктированного тока. Ток имеет такое направление, при котором его магнитное поле направлено противоположно изменению создавшего его магнитного потока.

Опираясь на закон сохранения энергии, немецкий ученый Герман Гельмгольц выразил закон Фарадея математически:

Eинд=-DФ/Dt..

Этот закон определяет величину ЭДС (электро­движущей силы), которая возбуждает электриче­ский ток, наводимый изменяющимся потоком индукции DФ за малый промежуток времени Dt. Знак «минус» указывает направление тока, определяемое правилом Ленца. Электродвижущая сила измеряется в системе СИ в вольтах.

Генератор переменного тока

После открытия и исследования электромагнит­ной индукции стала очевидной возможность соз­дать генератор, который сможет преобразо­вывать механическую энергию в энергию элек­трическую. Для получения тока в замкнутом витке проволоки нужно изменять пронизывающий его поток индукции. Сделать это можно двояким путем: либо перемещать магнит относительно витка проволоки, либо перемещать виток прово­локи относительно магнита.

Первый генератор электриче­ского тока, построенный в 1832 г., был весьма несовершенен. Посмотрите на его изобра­жение (рис. 20): вы видите, что ЭДС в обмотках его катушек возбуждалась вращением подковооб­разного магнита. Ток, создаваемый такой маши­ной, был не похож на ток от гальванического элемента — он как бы метался из стороны в сторону, то и дело меняя свое направление. Этот ток назвали переменным, в отличие от постоянного тока, производимого гальваническим элементом.

По-иному был сконструирован другой ге­нератор: рамка провод­ника вращалась между неподвижными полюса­ми магнита. Ее концы со­единялись с двумя коль­цами на оси вращения рамки, а к кольцам при помощи скользящих кон­тактов подключалась электрическая цепь. На контактах колец возни­кал то «плюс» ,то «минус», что и означало генериро­вание переменной ЭДС.

То, что ток получал­ся переменным, сочли

208