ПЕРВЫЕ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРЫ
ПЕРВЫЕ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРЫ
Фарадей продолжал методично изучать имевшиеся в его эпоху научные догадки и шаг за шагом подтверждал свои новые идеи.
После того как ему удалось доказать, что электричество может индуцироваться магнетизмом, следующим шагом была попытка создать электричество в продолжительных промежутках времени, а не мгновенно. Для этого Фарадей изменил опыт Франсуа Aparo (1786–1853), доказавшего, что при вращении медного колеса можно отклонить подвешенную над ним магнитную стрелку. При вращении колеса силовые магнитные линии пересекались, и таким образом создавались электрические токи. Из-за этих токов возникало магнитное поле, заставлявшее отклоняться магнитную стрелку. Но Фарадей не надеялся получить магнитное поле из электрического тока, он хотел, чтобы магнитное поле создавало электрический ток.
Линии поля, соответствующие электрическим полям, созданным противоположными зарядами (a), зарядами с одним знаком (b) и двумя разными зарядами с разной абсолютной величиной (c)
Таким образом, ученый создал униполярный генератор — электродвигатель, основанный на силе Лоренца (сила, с которой электромагнитное поле действует на точечный электрический заряд, при его прохождении по полю), — для превращения электрической энергии в движение. Устройство называется униполярным, так как не требует изменения полярности для вращения; оно обладает магнитным полем с единым направленным потоком. Для создания такого генератора Фарадей использовал медный диск, вращавшийся между полюсами магнита в форме подковы, — так был создан источник слабого постоянного тока. При вращении колеса его край проходил между полюсами магнита. Два токосъемника обеспечивали контакт при скольжении: один на краю диска, другой — на оси. Оба полюса были подсоединены к гальванометру для замыкания цепи. Пока колесо вращалось, согласно показаниям гальванометра, вырабатывался постоянный электрический ток. Этот ток мог использоваться для выполнения работы. Так Фарадей создал первый электрический генератор. Это произошло 28 октября 1831 года.
Направление электрического поля в каждой точке диска перпендикулярно плоскости вращения диска и магнитному полю, поэтому электрическое поле перемещается из центра диска к его наружному краю, радиальные движения электронов диска вызывают разницу потенциалов между центром и краем диска. Этот примитивный вид динамо-машины основывается на том же принципе, который используется и сейчас: например, в динамо-машинах на некоторых велосипедах благодаря ему зажигается фара, за исключением случаев, когда магнит вращается вокруг закрученного провода.
Изменение магнитного потока может быть вызвано механическими движениями магнита и изменениями тока в другом контуре. Было известно со времени эксперимента Эрстеда, что ток другого контура создает магнитное поле. Если ток меняется, то меняется и поле, и магнитный поток второго контура.
* * *
Понятие магнитного потока
Идея о том, как изображать воздействие магнита или электрического тока в окружающем их пространстве с помощью силовых линий, принадлежит Фарадею. С помощью таких изображений, по всей видимости связанных с религиозными представлениями ученого. Фарадей компенсировал свою слабую математическую подготовку. Если мы будем с помощью железных опилок рассматривать магнитное поле, созданное прямым магнитом, то увидим, что на полюсах силовые линии расположены ближе друг к другу, а при удалении от полюсов линии разделяются.
На рисунке 1 поток линий поля B, пересекающих поверхность S, заключенную в спираль, максимален. При этом на рисунке 2 мы видим, что поток линий поля B, пересекающих поверхность, нулевой.
Принимая во внимание, что интенсивность магнитного поля В уменьшается по мере удаленности от полюсов, можно установить соотношение между этими двумя фактами, подтвердив, что интенсивность поля В прямо пропорциональна количеству силовых линий, проходящих по поверхности. Чем ближе друг к другу расположены линии, тем более интенсивным будет поле в данной зоне. Количество силовых линий поля В, проходящих по поверхности, зависит от того, как ориентирована эта поверхность по отношению к направлению линий. Таким образом, для определенной совокупности силовых линий количество точек пересечения с поверхностью будет максимальным при перпендикулярной ориентации (рисунок I) и нулевым — при параллельной ориентации (рисунок 2). Количество силовых линий поля В, перпендикулярно пересекающих поверхность, выражает величину интенсивности данного поля. Так, величине, названной магнитный потоп и обозначаемой буквой Ф, мы можем дать следующее определение: если у нас есть некая плоская поверхность S и перпендикулярное ей магнитное поле В с одинаковой величиной во всех точках, потоком магнитного поля этой поверхности мы назовем выражение ? = B?S. Необходимо помнить, что магнитный поток связан с количеством силовых линий (или полем), которые пересекают поверхность. Изменение потока с помощью контура индуцирует электрический ток на данный контур. Когда это изменение происходите некоторой периодичностью, индуцируемый ток также периодически меняет направление.
* * *
Позднее на основе принципов Фарадея Ипполит Пикси (1808–1835), французский механик и производитель инструментов, создал первую динамо-машину в Париже в 1832 году. Эта было так называемое динамо Пикси, ставшее первым электрогенератором для промышленного использования. В аппарате был использован магнит, вращавшийся с помощью рукоятки. Северный и южный полюса магнита были соединены железным фрагментом, вокруг которого была навита проволока (см. рисунок). Пикси заметил, что магнит передает импульс электрического тока на кабель, когда один из полюсов проходит мимо катушки; каждый полюс индуцировал ток в обратном направлении, то есть возникал переменный ток.
При переменном токе электроны — отрицательные заряды — не перемещаются от одного полюса к другому, но колеблются в своей позиции, фиксированной на проводнике, с определенной частотой. Добавив электрический коммутатор (коллектор в виде металлического разделителя на оси магнита), Пикси превратил переменный ток в постоянный, то есть ток от постоянного потока электронов в одном направлении. Этот коммутатор, или механический переключатель, поддерживающий одно направление тока, выполняет то же действие, что и щетки, трущие брусок, на который наводится ток (часть аппарата, превращающая электрическую энергию в механическую и наоборот)генератора.
Первый генератор переменного тока для промышленного использования, созданный французским производителем инструментов Ипполитом Пикси.
В конечном итоге Фарадей открыл постоянно изменяющуюся силу, создающую электрический ток, и благодаря этому возникли различные устройства, гораздо более эффективные, чем батарейка Вольты. В них постоянно изменяющаяся магнитная сила возникала при простом вращении магнита. Таким образом, при поддержании вращения динамо-машины по закону Фарадея (который, как мы уже говорили, не уточнял этого) гарантировалось постоянное производство электроэнергии. Поэтому возникала новая задача, связанная с достижением максимальной эффективности динамо-машин; необходимо было разработать такую модель, в которой вращение магнита не вызывало бы затруднений. Инженеры в 1830-е годы начали использовать для этого электродвигатели: сам двигатель постоянно вращался, используя часть электричества, полученного от динамо-машины. То есть частично динамо-машина обеспечивала энергией сама себя.
Позднее были разработаны более совершенные модели, в некоторых за движение отвечали лопастные механизмы. Лопасти колес крутились при помощи падающей воды — так возникли первые гидроэлектростанции. Другой вариант предполагал использование для движения лопастей пара от кипящей воды, эта идея широко применялась и в XX веке. Источниками тепла для кипячения воды были ядерная энергия, нефть, уголь, дерево, экскременты животных.
* * *
Закон Ленца: направление индуцированного тока
Эксперименты Фарадея по электромагнитной индукции показывают, что в проводнике при перемещении и пересечении силовых линий магнитного поля будет возникать индуцированная электродвижущая сила, если речь идет о замкнутом контуре, то есть возникнет индуцированный ток. Закон Ленца гласит, что электродвижущая сила, или индукционный ток, всегда имеет направление, противоположное направлению магнитного потока, возбуждающего этот ток. Генрих Ленц (1804–1865), немецкий физик, занимавшийся исследованиями электромагнетизма в России одновременно с Фарадеем и Генри, предложил такое объяснение направлению движения индукционного тока: оно является физическим следствием принципа сохранения энергии, согласно которому энергия не исчезает, а превращается в другие виды энергии, например если автомобиль тормозит, кинетическая энергия переходит в тепло.
Индукционный ток
В электромагнитной индукции индукционный ток представляет собой работу, направленную в противоположном направлении по отношению к магнитным силам, возникающим между спиралью и магнитом, дающим необходимую энергию для поддержания индукционного тока. Таким образом, мы видим, что когда мы приближаем к индукционной катушке, скажем, северный полюс магнита, то на ближайшем к нему конце катушки возникает также северный полюс. Силы взаимодействия отталкивают магнит от катушки, это взаимодействие необходимо преодолеть для того, чтобы поддержать явление индукции. Напротив, когда мы удаляем от катушки северный полюс магнита, то на ближайшем ее конце возникает южный полюс. Таким образом, индукционный ток будет возникать только при поддержании относительного движения катушки и магнита.
Темный магнит представляет собой магнит-индуктор (реальный), белый магнит — магнит, на который индуцируется ток (воображаемый). Схема позволяет нам убедиться в том, что закон Ленца основан на принципе сохранения энергии. Что случилось бы в первом случае, например если направление индукционного тока было бы противоположным? Катушка начала бы действовать как магнит, ее южный полюс был бы направлен на северный полюс магнита-индуктора. Это вызвало бы ускорение магнита-индуктора в сторону катушки и увеличение изменения потока на единицу времени, а следовательно, рост индукционного тока, который увеличил бы силу, действующую на магнит. Таким образом, кинетическая энергия магнита и тепло, полученное вследствие эффекта Джоуля, на катушке увеличились бы без присутствия источника энергии.
* * *
Динамо-машины стали настолько мощными, что в 1865 году возникли гигантские дуговые лампы, которые использовались на большинстве маяков. Пыхтящие паровые машины, характерные для промышленной революции, постепенно заменили гораздо более тихими и эффективными электродвигателями. Эти двигатели использовались в телефоне Александра Грэхема Белла, лампочках Томаса Алвы Эдисона, радио Гульельмо Маркезе Маркони. В конце концов электричество стало достоверным показателем роста или падения внутреннего валового продукта стран мира: чем больше было производство электричества, тем более процветающей была страна, в ней становилось больше рабочих мест, продукции и потребителей.
Майкл Фарадей был свидетелем больших успехов в развитии общества, хотя самые передовые идеи ученого не были до конца признаны научным сообществом. Он видел, как Лондон постепенно становится все более освещенным, как начала исчезать постоянно висящая в воздухе дымка смога — возможно, романтическая, но при этом весьма вредная для здоровья.
Электричество и магнетизм неразрывно связаны, одно не существует без другого, поэтому возник единый термин — электромагнетизм.
Первые предпосылки для такого слияния возникли в 1785 году, когда Шарль-Огюстен Кулон подвесил намагниченные бруски и описал, как они взаимодействовали, когда он раздвигал их на разные расстояния. Сила притяжения между брусками уменьшалась пропорционально квадрату расстояния между ними. Если расстояние между магнитами удваивалось, сила притяжения уменьшалась в четыре раза. Если расстояние увеличивалось в три раза, сила притяжения уменьшалась в девять раз, и так далее. Особенно интересным в экспериментах Кулона было то, что если на нитях подвешивались электрически заряженные предметы, электричество подчинялось тем же законам, что и магнетизм. Иными словами, в этот момент наука изучала возможность сходства между этими двумя силами природы. Свои догадки Фарадей подкрепил новыми эмпирическими доказательствами.
Сын скромного кузнеца, уделом которого, казалось бы, мог быть только изнурительный труд в эпоху промышленной революции, открыл Эру электричества. Фарадей стал искрой во мраке, которая вызвала еще одну революцию, не такую очевидную в социальном плане, но имеющую то же значение: наука перестала быть занятием богатых людей и превратилась в профессию для развитых умов.
* * *
Однажды, сэр, вы обложите его налогом
Широкомасштабное использование и производство электричества на основании открытий Фарадея, повлекшие за собой социальные преобразования, не были быстрыми. Известна следующая история о министре финансов Гладстоне, который спросил Фарадея, для чего может быть нужно электричество. Ученый ответил: «Однажды, сэр, вы обложите его налогом». И действительно, в 1880 году был введен первый налог на производство электричества в Англии. Существует еще одна аналогичная история. Во время публичной лекции Фарадея одна женщина спросила, какая польза может быть от того, что он только что объяснял. Фарадей ответил: «А какая польза может быть от новорожденного?» Открытия Фарадея в области магнетизма и электричества стали двигателем социальных изменений и великих преобразований, как сказал Альберт Эйнштейн о возникновении понятия поле для развития физики.