Чарльз Платт - Электроника для начинающих (2-е издание)

Если вы измерите магнитное поле, которое создается катушкой с положительным полюсом источника питания на одном конце и отрицательным — на другом, а затем поменяете полярность источника питания, то магнитное поле станет обратным.

Возможно, самое распространенное применение катушек индуктивности — в трансформаторах, где переменный ток в одной катушке индуцирует переменный ток в другой, при этом железный сердечник для двух обмоток обычно общий. Если число витков первичной (входной) обмотки вдвое меньше, чем вторичной (выходной), то напряжение удвоится, а сила тока уменьшится вдвое (при гипотетическом условии, что КПД трансформатора составляет 100%).

Джозеф Генри, родившийся в 1797 году, стал первым, кто разработал и продемонстрировал мощные электромагниты. Он также придумал понятие «самоиндукция», обозначающее «электрическую инерцию», которая свойственна проволочной обмотке.

Генри был сыном поденного рабочего в Олбани, штат Нью-Йорк. Прежде чем пойти учиться на часовщика, он работал в универсальном магазине и собирался стать актером. Друзья уговорили его поступить в Академию в Олбани, где он проявил склонность к наукам. В 1826 году его назначили профессором математики и естествознания, несмотря на то, что он не окончил колледж и считал себя «принципиальным самоучкой». Майкл Фарадей занимался аналогичными исследованиями в Англии, но Генри об этом не знал.

В 1832 году Генри был переведен в Принстон, где получал 1000 долларов в год и пользовался бесплатным жильем. Когда Морзе пытался запатентовать телеграф, Генри заявил, что он уже знаком с таким устройством, — действительно, он уже построил систему с аналогичным принципом работы, чтобы передавать сообщения своей жене домой, когда он работает в лаборатории Холла Философии (Philosophical Hall).

Помимо физики, Д. Генри преподавал химию, астрономию и архитектуру, а поскольку наука не была четко разграничена на области знания, как сейчас, он исследовал такие феномены, как фосфоресценция, звук, капиллярные явления и баллистика. В 1846 году он возглавил новый Смитсоновский институт в качестве научного руководителя. Портрет Д. Генри приведен на рис. 5.15.

В эксперименте 5 вы увидели, что химические реакции могут производить электричество. Теперь пришло время познакомиться с электрическим током, созданным с помощью магнита.

• Кусачки, инструмент для зачистки проводов, тестовые провода, мультиметр

• Цилиндрический неодимовый магнит диаметром 5 мм и длиной 4 см, намагниченный вдоль оси (1 шт.)

• Монтажный провод калибра 26 (диаметр 0,4 мм), 24 (0,5 мм) или 22 (0,64 мм), всего 60 метров

• Слаботочный светодиод (1 шт.)

• Конденсатор емкостью 1000 мкФ (1 шт.)

• Переключательный диод, серии 1N40001 или аналогичный (1 шт.)

Необязательные принадлежности:

• Цилиндрический неодимовый магнит диаметром 2 см и длиной 2,5 см, намагниченный вдоль оси (1 шт.)

• Деревянная шпонка диаметром 12,5 мм и длиной не менее 150 мм

• Стальной винт, типоразмер 6, с плоской головкой

• Полихлорвиниловая водопроводная труба, внешний диаметр 19 мм, длина не менее 15 см

• Два куска фанеры толщиной 6 мм и размером 10x10 см каждый (вам понадобится кольцевая пила или сверло Форстнера диаметром 25 мм, чтобы просверлить отверстие в фанере)

• Катушка обмоточного провода, около 100 граммов, 26-го калибра (диаметр 0,4 мм), примерно 9 метров (1 шт.)

Сначала вам понадобится магнит. Неодимовые магниты самые сильные из доступных, и они достаточно дешевые, если вы выберете маленький цилиндрический образец. Будет достаточно магнита диаметром 5 мм и длиной 4 см. Плотно намотайте на него десять витков провода 22-го калибра (диаметр 0,64 мм), как показано на рис. 5.16. После этого немного ослабьте провод, чтобы магнит мог перемещаться внутри обмотки.

Настройте мультиметр на измерение переменного напряжения в милливольтах (не постоянного, потому что мы будем иметь дело с переменными импульсами электричества). Снимите немного изоляции с каждого конца обмотки и подключите щупы мультиметра с помощью тестовых проводов с зажимами «крокодил». Зажмите магнит между большим и указательным пальцами и быстро переместите его взад и вперед внутри обмотки. Полагаю, ваш мультиметр должен показать значение от 3 до 5 мВ. Да, такой маленький магнит и десять витков провода могут сгенерировать лишь несколько милливольт.

Попробуйте сделать обмотку побольше, в два слоя, как показано на рис. 5.17. Снова быстро переместите магнит. Вы должны обнаружить, что напряжение возросло.

Вспомните формулу из предыдущего эксперимента, в котором я показывал, как электрический ток, проходящий через большее количество витков провода, индуцирует более сильное магнитное поле. Эта формула работает и в обратной ситуации. Когда магнит движется внутри обмотки, большее число витков будет индуцировать более высокое напряжение.

Это заставило меня задуматься — если у нас будет более крупный и сильный магнит и много витков провода, сможем ли выработать достаточное количество электроэнергии, чтобы обеспечить питание, скажем, светодиода?

Я собираюсь использовать провод 22-го калибра (диаметр 0,64 мм), поскольку вы уже покупали его для других экспериментов. Сложность в том, что его диаметр довольно большой, а слой изоляции толстый. Двести витков этого провода займут много места. Вот почему нам предпочтительнее обмоточный провод из чистой меди с очень тонким изолирующим покрытием из шеллака или из полимерной пленки, который предназначен для очень плотной намотки.