Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

В современных генераторах вращающийся между двумя полюсами диск Фарадея заменен на катушки с медной проволокой, намотанной на железный цилиндр, который вращается между полюсами электромагнита. Вращающиеся катушки составляют якорь. Чтобы увидеть, что происходит, рассмотрим упрощенный случай: простую прямоугольную петлю из проволоки, которая поворачивается между северным (справа) и южным (слева) полюсами.

Представим, что такой прямоугольник расположен параллельно силовым линиям (движущимся справа налево) и начинает поворачиваться так, что проволока слева от него (проволока L) движется наверх, пересекая силовые линии, а проволока справа (проволока R) — вниз, тоже пересекая линии.

Начнем с проволоки L и вспомним правило правой руки. Направьте вверх большой палец так, чтобы он соответствовал движению проволоки L. Вытяните указательный палец налево, он будет соответствовать направлению южного полюса магнита. Средний палец обращен в вашу сторону, это и есть направление индуктированного тока в проволоке L.

Что же с проволокой R? Теперь большой палец нужно опустить вниз, в то время как указательный палец по-прежнему направлен влево. Средний палец обращен в противоположную от вас сторону, что соответствует направлению индуктированного тока в проволоке R. Индуктированный ток течет к вам по проволоке L и от вас по проволоке R, — именно это и происходит в прямоугольной петле.

Теперь представим, что проволоки L и R подсоединены каждая к отдельным токосъемникам (соответственно кольца А и В), каждое из которых отцентровано относительно стержня, служащего осью, вокруг которой вращается петля. Ток потечет от кольца В по проволоке R, затем по проволоке L к кольцу А. Если же один конец цепи соединен с одним из колец при помощи подвижного соединения, а второй конец цепи — таким же образом связан с другим кольцом, то ток, произведенный поворачивающимся якорем, будет проходить по всей цепи.

Однако рассмотрим прямоугольную петлю более подробно. Поскольку петля вращается, проволоки L и R не могут безгранично двигаться вверх и вниз. Они постоянно меняют направление. Когда проволока L движется вверх, она изгибается вправо и перемещается под небольшим углом к силовым линиям, поэтому сила индуктированного тока уменьшается. То же самое происходит и с проволокой R, которая при движении вниз изгибается влево и тоже перемещается под меньшим углом к силовым линиям.

Ток продолжает уменьшаться по мере поворота петли, пока петля не совершит поворот в 90°, так что проволока L оказывается наверху, а проволока R — внизу. Теперь проволока L движется вправо, параллельно силовым линиям, а проволока R — влево, так же параллельно линиям. Сила индуктированного тока падает до нуля. Петля продолжает вращение, и проволоки L и R пересекают силовые линии, соответственно вниз и вверх. Две проволоки поменялись местами, проволока L стала проволокой R, и наоборот.

Обе проволоки, несмотря на перемену мест, по-прежнему соединены с теми же токосъемниками. Это означает, что, когда якорь совершает одно полное вращение, ток половину этого времени течет от кольца В к кольцу А, а вторую половину — от кольца А к кольцу В. Это повторяется при следующем вращении и т. д.

Таким образом производится переменный ток, который бесконечно движется взад-вперед. Одно вращение петли производит одно движение тока назад и вперед, то есть один такт. Если петля поворачивается со скоростью 60 оборотов в секунду, то перед нами 60-тактовый переменный ток.

Сила тока не остается равномерной, даже пока ток течет в одном направлении. В течение одного вращения петли сила тока начинается с нуля, когда проволоки (верхняя и нижняя) движутся параллельно силовым линиям, и постепенно возрастает до максимума, когда проволоки (правая и левая) движутся перпендикулярно силовым линиям, а затем вновь плавно снижается к нулю, поскольку проволоки (нижняя и верхняя) вновь становятся параллельны силовым линиям.

Петля продолжает вращаться, ток меняет направление. Представим, что поток становится меньше нуля, — так и будет, если силу тока измерять положительными значениями, пока он течет в одном направлении, и отрицательными — в обратном. Следовательно, упав до нуля, интенсивность тока постепенно продолжает падать до минимума, на котором проволоки (левая и правая) движутся перпендикулярно силовым линиям, и снова плавно возрастает до нуля, когда проволоки (верхняя и нижняя) опять движутся параллельно силовым линиям. Так завершается одно вращение, и цикл начинается заново.

Вообразим для удобства, что максимальная сила тока — 1 ампер, тогда в первой четверти вращения интенсивность изменится с 0 на +1, во второй четверти — с +1 на 0, в третьей четверти — с 0 на –1, в четвертой — с –1 на 0. Если рассмотреть изменение силы тока со временем, то возникает плавно возрастающая и падающая, бесконечно повторяющаяся волна, которая в математике называется синусоида.

Генератор легко можно видоизменить для того, чтобы производить ток, движущийся по цепи только в одном направлении, это будет постоянный ток. Такой тип тока открыл Вольт, и именно этот ток всегда получается при использовании химических элементов питания.

Представим, что два конца прямоугольной петли присоединены к «полукольцам», которые примыкают друг к другу вокруг стержня-оси вращения, но не соприкасаются. Проволока L связана с одним полукольцом, а проволока R — с другим. Подвижный контакт одного конца цепи касается одного полукольца, подвижный контакт другого конца — второго полукольца.

В течение первой половины полного оборота якоря ток идет от полукольца А к полукольцу В. Вторая половина оборота сопровождается течением тока от полукольца В к полукольцу А. Однако каждый раз. когда якорь совершает полувращение, полукольца меняются местами. Если один подвижный контакт касается положительного полукольца, то отрицательное полукольцо становится на место, как только становится положительным, и покидает свое место, как только начинает получать отрицательное значение.

Другими словами, первый подвижный контакт в процессе вращения касается каждого полукольца, когда кольца находятся в положительной стадии своего цикла; второй контакт касается полуколец, только когда они отрицательны. Ток в якоре может менять направление, но по присоединенной цепи он течет постоянным.

Сила тока по-прежнему возрастает и падает от 0 до +1 и от 0 до –1 и обратно. Путем увеличения числа петель и разделения колец на маленькие части можно свести к минимуму эти вариации в силе тока и получить достаточно ровный постоянный ток.