В ходе этой беседы двое наших друзей устанавливают связь между электричеством и магнетизмом.

Притяжение и отталкивание

Любознайкин. — Следуя советам моего дядюшки, я принес магнитную стрелку и два магнита: один подковообразный, а другой в виде прямого стержня.

Незнайкин. — Все это не только притягивает железо, но и вызывает у меня большой интерес…

Л. — Ну раз это тебя интересует, не можешь ли ты сказать, какое положение занимает магнитная стрелка, свободно вращающаяся на острие иглы?

Н. — Само собой разумеется, что окрашенный кончик стрелки направлен на северный полюс Земли.

Л. — Это почти верно. На самом деле магнитный полюс нашей планеты несколько смещен от ее географического полюса. Во всяком случае это острие стрелки само носит название северного полюса. А теперь я подношу к стрелке один из концов магнитного стержня.

Н. — Я вижу, что стрелка повернулась; ее южный полюс притянут магнитом. Уж не принимаешь ли ты меня, Любознайкин, за полного невежду? Я очень хорошо знаю, что разноименные полюсы притягиваются, а одноименные отталкиваются друг от друга. Следовательно, ты поднес к компасу северный полюс магнита.

Л. — Правильно. Магнитные поля действительно ведут себя аналогично электрическим полям или электрическим зарядам: одноименные отталкиваются, а разноименные (как, например, протоны и электроны) притягиваются (рис. 11).

Рис. 11. Северный полюс  N намагниченного стержня притягивает южный полюс S свободно вращающейся магнитной стрелки компаса.

Н. — Любопытно то, что человек не способен непосредственно воспринимать эти магнитные и электрические поля.

Л. — Не сожалей об этом, Незнайкин. Нам, скорее, повезло. Ведь, если бы наш организм был чувствителен к этим полям, мы одновременно ощущали бы все электромагнитные волны, излучаемые бурями, а также радио- и телевизионными передатчиками.

Прогулка по полям

Н. — Я признаю, что это было бы не очень приятно. Но как можно определить направление магнитного поля?

Л. — Очень просто: перемещая в поле магнитную стрелку и отмечая, какое положение она занимает. Так, можно вычертить то, что называют силовыми линиями поля. Ты видишь, что у каждого из наших магнитов они идут от северного полюса к южному.

Н. — Может быть, я говорю глупость, но мне кажется, что имеется определенная аналогия между магнитом и электрической цепью. На основании этой аналогии я предполагаю, что внутри магнита силовые линии идут от южного полюса к северному и что, таким образом, путь силовых линий замыкается (рис. 12).

Рис. 12. Силовые линии магнитных полей (показаны пунктиром) идут от северного полюса к южному.

Л. — Прими мои поздравления, Незнайкин! Твоя аналогия между магнетизмом и электричеством полностью соответствует природе этих физических явлений. Их родственные отношения еще более близки, ибо их силы притяжения и отталкивания подчиняются схожим математическим законам: в обоих случаях они пропорциональны количеству электричества или магнетизма и обратно пропорциональны квадрату расстояния.

Н. — Поскольку подобным образом ведут себя и гравитационные силы, я не могу не отметить, сколь велико единство законов природы!

Рождение магнетизма

Л. — А теперь я покажу тебе, что между электричеством и магнетизмом существует еще более тесная связь. Возьмем наш электрический элемент и соединим его полюсы проводом с достаточно высоким сопротивлением, чтобы не вызвать короткого замыкания, но тем не менее способного пропустить достаточно большой ток, необходимый для предстоящего нам опыта (рис. 13).

Рис. 13. Электрический ток, проходя по проводнику, создает вокруг него магнитное поле.

Как ты видишь, я подношу магнитную стрелку к вертикальной части проводника. Что происходит?

Н. — Я вижу, что магнитная стрелка повернулась; она больше не направлена на северный полюс. И по мере того как мы перемещаем ее вокруг проводника, она поворачивается. У меня складывается впечатление, что повсюду стрелка располагается по окружности, центром которой служит проводник.

Л. — Ты верно заметил. Это доказывает, что протекающий по проводнику электрический ток порождает вокруг него магнитное поле, силовые линии которого образуют окружности с проводником в центре.

Н. — А каково направление этих силовых линий?

Л. — Французский ученый Андре-Мари Ампер нашел очень простое средство для определения направления силовых линий в зависимости от направления тока. Если взять штопор и расположить его по направлению движения тока, то движение штопора для ввертывания покажет направление силовых линий магнитного поля.

Соленоид. Электромагнит

Н. — Я предполагаю, что сила магнитного поля зависит от величины порождающего его тока.

Л. — И ты не ошибаешься. Поэтому для увеличения силы магнитного поля без соответствующего повышения отдаваемого нашим элементом тока я расположу параллельно несколько проводников.

Н. — Я совершенно не представляю, как это можно сделать.

Л. — Очень просто, намотав проводник в виде цилиндрической спирали. Полученная катушка называется соленоидом. А магнитные поля (рис. 14), создаваемые каждым из витков, складываются; возникающее суммарное поле имеет такую же форму…

Рис. 14. Магнитное поле, создаваемое током, протекающим по соленоиду.

Н. — …что и поле стержневого магнита. Вот теперь-то я понял, что такое электромагнит. Я видел такой электромагнит у одного приятеля, который забавлялся им, заставляя подпрыгивать в воздух небольшую стальную статуэтку. Для этой цели он намотал катушку на стальной стержень. Каждый раз, когда он пропускал электрический ток, его приспособление притягивало статуэтку.

Л. — Да, электромагниты применяются широко. В электрических звонках они используются для того, чтобы заставить вибрировать молоточек, ударяющий по колокольчику.

И в магнитофоне, который сейчас записывает нашу беседу, имеется электромагнит, по которому протекает ток, модулированный звуками наших голосов; его магнитное поле воздействует на тонкий слой порошка окиси железа магнитофонной ленты, который в результате такого воздействия неравномерно намагничивается (рис. 15). Позднее я объясню тебе принцип работы этого аппарата.

Рис. 15. В магнитофоне лента проходит перед полюсами электромагнита, по обмотке которого протекает ток, модулированный записываемыми звуками.

Рождение электрического тока

Н. — Одно меня беспокоит. Твой дядюшка сказал мне, что большинство физических явлений обратимы. Ты очень хорошо объяснил, как электрический ток порождает магнитное поле. Но нельзя ли произвести обратный процесс?

Л. — Ты прямо телепат… Я как раз собирался рассказать, как магниты, вернее сказать магнитные поля, порождают электрические токи.

Н. — Я предполагаю, что если проводник находится в магнитном поле, в нем появляется ток.

Л. — Нет, ведь само по себе магнитное поле не является источником энергии и, следовательно, не может порождать энергию. Но если проводник перемещается в магнитном поле, пересекая его силовые линии, то это перемещение, требующее затраты некоторого количества механической энергии, преобразуется в электрическую энергию, если проводник является частью замкнутой цепи. Это явление электромагнитной индукции. А величина наведенного тока зависит от силы магнитного поля и скорости перемещения проводника.

Н. — Следовательно, и в этом случае мы наблюдаем обратное явление. Я предполагаю, что индуктирующее магнитное поле может создаваться как постоянным магнитом, так и электромагнитом. Но используется ли эта индукция на практике для получения электрической энергии?

Л. — Еще как! Все вращающиеся генераторы электричества основаны на использовании явления индукции. Проще всего поместить между полюсами магнита катушку, которая, вращаясь, пересекает магнитные силовые линии (рис. 16). Катушка приводится во вращение с помощью паровой машины, двигателя внутреннего сгорания или с помощью воды, падающей в турбине.

Рис. 16. В витке из проводника, вращаемом в магнитном поле, протекает электрический ток.

Переменный ток или постоянный

Н. — Но это не дает ничего путного. Ведь на половине оборота витки будут пересекать магнитное поле в одном направлении, а на другой половине оборота — в обратном направлении.

Л. — В таком случае наводимый в катушке ток будет переменным. Во время половины оборота он будет идти в одном направлении, а во время другой половины оборота — в обратном направлении. Продолжительность каждого оборота составляет период (Т) тока. Каждый период состоит из двух полупериодов: положительного и отрицательного. А количество периодов в секунду называется частотой переменного тока.

Н. — Я догадываюсь, что ток в осветительной сети, имеющей частоту 50 периодов в секунду, создается подобной машиной.

Л. — Да, Незнайкин. Такая машина называется генератором переменного тока. Без особых усложнений с помощью похожей машины можно получать и постоянный ток. Для этой цели выходное напряжение нужно переключать так, чтобы при переходе от одного полупериода к другому внешняя цепь, питаемая от генератора, всегда получала ток, протекающий в одном и том же направлении.

Генератор, превращенный в двигатель

Н. — Я вновь думаю о принципе обратимости физических явлений. Если вместо того, чтобы вращать катушку, мы будем пропускать через нее переменный электрический ток, то она сама превратится в магнит, полюсы которого каждый полупериод будут меняться. Находясь в постоянном магнитном поле, он, несомненно, начнет вращаться. И таким образом генератор превратится в электрический двигатель.

Не сказал ли я какую-нибудь глупость?

Л. — Совсем нет. Я счастлив констатировать, что ты великолепно понял мои объяснения и сделал из них очень верные выводы. Во время нашей ближайшей встречи мы сможем приступить к основам радио, так как уже завершили краткий обзор основных вопросов электричества.