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

С тех пор переменный ток приобрел всеобщее распространение, и именно с тех пор электричество стало гибкой и легко приспосабливаемой формой полезной энергии.

Благодаря изобретению генераторов механическая энергия может быть преобразована в электрическую, и стало возможным получение из горящего угля или падающей воды большого количества электроэнергии. Благодаря изобретению переменного тока и трансформаторов появилась возможность передавать эту электроэнергию на дальние расстояния и подводить к каждому дому или фабрике.

Однако, попав в дом или на фабрику, что должно делать там наше электричество? К счастью, к тому времени, как электричество научились в достаточном количестве производить и передавать, вопрос о его применении был уже решен.

Это решение основывалось на эффекте, обратном общеизвестному. Так в науке бывает часто. Если деформация кристалла приводит к появлению разности потенциалов, то применение разности потенциалов к противоположным сторонам кристалла должно будет его деформировать. Если электрический ток создает магнитное поле, то и магнитное поле можно заставить создавать электрический ток.

Следовательно, не стоит удивляться, что если механическая энергия может быть переведена в электрическую при движении проводника и пересечении им магнитных силовых линий, то и электрическая энергия может быть переведена в механическую при движении проводника поперек магнитных силовых линий.

Представим медную проволоку между полюсами магнита, северный полюс которого находится справа, а южный — слева. Если медную проволоку двигать вверх, то из открытого Флемингом правила правой руки мы знаем, что в ней будет индуцироваться ток, идущий по направлению к нам.

Теперь представим, что проволока остается посреди поля неподвижной, так что ток в ней не индуцируется. Представим, что мы пропускаем по ней ток из батареи и этот ток движется по направлению к нам. Проволока, по которой идет ток, теперь сама создает магнитное поле. Поскольку ток движется по направлению к нам, то силовые линии движутся по кругу против часовой стрелки.

Над проволокой эти круговые силовые линии движутся в том же направлении, что и прямые силовые линии, идущие от северного к южному полюсу магнита. Действие тех и других складывается так, что магнитный поток усиливается. Под проволокой же круговые силовые линии идут в направлении, противоположном силовым линиям магнита, так что здесь они частично нейтрализуют друг друга и плотность потока уменьшается.

Поскольку над проволокой магнитный поток имеет большую плотность, а под проволокой — малую, то проволоку толкает вниз естественное стремление силовых линий «сравняться». Если ток в проволоке движется по направлению от нас так, что его силовые линии направлены по часовой стрелке, то плотность магнитного потока будет больше внизу и проволоку будет толкать вверх.

Подводя итоги, представим магнит, силовые линии которого направлены справа налево:

если проволока без тока движется вверх, порождается ток, движущийся по направлению к нам;

если проволока без тока движется вниз, порождается ток, движущийся по направлению от нас;

если по проволоке идет ток, движущийся по направлению к нам, порождается движение вниз;

если по проволоке идет ток, движущийся по направлению от нас, порождается движение вверх.

В первых двух случаях ток порождается движением, и устройство является генератором. В последних двух движение создается из тока, и устройство называется мотором. (Оба устройства воплощают один и тот же принцип, но в одном случае он работает «в одну сторону», а в другом — «в другую».)

Отметим, что в генераторе ток, движущийся по направлению к нам, связан с движением вверх, а ток, движущийся от нас, — с движением вниз.

В моторе же ток, движущийся к нам, связан с движением вниз, а ток от нас — с движением вверх. Следовательно, в определении направлений силовых линий, тока и движения по отношению к мотору следует руководствоваться принципами, прямо противоположными тем, которыми мы руководствуемся по отношению к генератору.

Для генератора мы использовали правило правой руки, а поскольку наша левая рука зеркально отражает правую, то для определения различных направлений в случае с мотором мы пользуемся правилом левой руки (большой, указательный и средний пальцы которой растопырены под прямыми углами друг к другу)Как и в случае применения правила правой руки, мы принимаем направление указательного пальца как направление силовых линий, то есть к южному полюсу. Средний палец в этом случае будет показывать направление тока, а большой — направление движения.

Теперь давайте перейдем к проволочной петле, находящейся между полюсами магнита. Если ей придать механическое вращение, то в петле порождается электрический ток. Следовательно, естественно ожидать, что если через петлю пропустить электрический ток из внешнего источника, то мы получим самопроизвольное механическое вращение. (Не вдаваясь в детали, скажу лишь, что такое механическое вращение достижимо при использовании как переменного, так и постоянного тока. Некоторые моторы могут работать и на том, и на другом.)

Следовательно, эти два устройства не могут быть полностью одинаковыми. Первое, используемое как генератор, будет преобразовывать тепловую энергию горящего угля в механическую энергию вращающегося якоря и из него уже получать электроэнергию. Полученная таким образом электроэнергия попадает во второе устройство — в мотор — и там преобразуется в механическую энергию вращающегося якоря. Конечно же можно сделать и большой генератор, который будет создавать достаточно энергии, чтобы от него могло работать множество небольших моторов.

Когда большие генераторы сделали возможным производство больших объемов электроэнергии, а трансформаторы сделали возможной ее транспортировку на большие расстояния, возникла необходимость в том, чтобы эта электроэнергия была подведена к миллионам моторов в домах и на фабриках [108] Конечно, применение электричеству можно найти и в отсутствие моторов, как это происходит, например, в тостерах и электрических лампах, где требуется только один нагрев и никакого механического движения. .

Напрашивалось появление моторов, которые можно было бы использовать; однако этого ждали почти полвека, потому что первый мотор был сконструирован Генри в 1931 году.

Вращающиеся колеса с древнейших времен использовались человеком в качестве источника механической энергии, поскольку вращательное движение не только может приносить пользу само по себе, но и с легкостью может быть переведено в возвратно-поступательное, если использовать правильные механические соединения. На протяжении всей истории человечества колеса вращались мышечной силой человека и животных, падающей водой и ветром. Однако мышцы слабы и быстро утомляются, вода падает не везде, а на ветер никогда нельзя полагаться.