Электрический ток и магнитный поток. Электромагнитная индукция

Электромагнетизм-это совокупность явлений, обусловленных связью электрических токов и магнитных полей. Иногда эта связь приводит к нежелательным эффектам: например, ток, протекающий по электрическим кабелям на корабле, вызывает «ненужное» отклонение судового компаса. Однако нередко электричество намеренно используется для создания магнитных полей большой интенсивности, например в электромагнитах.

Электрический генератор, построенный в 1883 г. французом И. Пикси, состоял из подковообразного магнита, соединяющего концы двух катушек. Магнит вращался вручную. При вращении магнита в катушках индуцировалось переменное напряжение. Коммутатор, добавленный позднее, обеспечивал, с одной стороны, положительное, а с другой - отрицательное напряжение, создавая постоянный ток.

Электрический ток и магнитный поток. Интенсивность магнитного поля можно определить числом линий магнитного потока, приходящихся на единицу площади. Магнитное поле возникает всюду, где протекает электрический ток, причем магнитный поток в воздухе пропорционален току. Прямой провод, несущий ток, можно согнуть в виток. При достаточно малом радиусе витка это приводит к возрастанию магнитного потока без увеличения тока.

Эффект концентрации магнитного потока можно еще усилить, увеличивая количество витков, т. е. скручивая провод в катушку. В точке максимальной плотности магнитного потока (там на единицу площади приходится больше всего линий потока) соотношение между электрическим током I, числом витков провода п и магнитным потоком В выражается так: In пропорционально В. Ток в 12 А, текущий по катушке из 3 витков, создает точно такое же магнитное поле, как и ток в 3 А, текущий по катушке из 12 витков.

Катушка из намотанного провода, создающая магнитное поле, называется соленоидом. Провода можно наматывать на железо (железный сердечник) или на немагнитную основу (например, воздушный сердечник). С точки зрения величины магнитного потока любой немагнитный сердечник эквивалентен воздуху, т. е. приведенное выше соотношение, связывающее ток, число витков и магнитный поток, в этом случае выполняется достаточно точно.

Наличие железа влияет на магнитное поле в двух отношениях. Оно увеличивает магнитное действие тока, часто в тысячи раз и более, однако при этом нарушается пропорциональная зависимость между током и магнитным потоком, имеющая место в катушках с воздушным сердечником.

Микроскопические области в железе, домены (точнее, их магнитные моменты), при действии магнитного поля, созданного током, выстраиваются в одном направлении. В результате при наличии железного сердечника данный ток создает больший магнитный поток на единицу сечения провода, т. е. плотность потока существенно возрастает. Когда все домены выстраиваются в одном направлении, дальнейшее увеличение тока (или числа витков в катушке) лишь незначительно повышает плотность магнитного потока.

Проводник, по которому течет постоянный ток, создает магнитное поле, силовые линии которого представляют собой систему концентрических окружностей, расположенных в плоскостях, перпендикулярных проводнику. Плотность силовых линий (пунктирные линии на рис. Б, В и Г) характеризует интенсивность магнитного поля. Направление поля находят, применяя «правило правой руки» (Б). Если провод держать в правой руке так, что указательный палец показывает направление протекания тока (его принято считать противоположным направлению движения электронов), то остальные пальцы покажут направление поля. Если провод изогнуть, то изменится и форма линий поля. Когда провод намотан в виде катушки или соленоида (В), силовые линии поля проходят в одном направлении вдоль оси катушки. Такое поле в общем напоминает поле плоского магнита (северный полюс которого находится справа). Если внутрь соленоида поместить железный брусок, то силовые линии будут в основном концентрироваться внутри его; соответственно увеличится концентрация линий на концах бруска. Это устройство, называемое электромагнитом, может создавать очень сильные магнитные поля, изменяющиеся при изменении тока в проводе, числа витков в соленоиде и площади поперечного сечения витка.

Электромагнитная индукция. Хотя магнитное поле соленоида с железным сердечником гораздо сильнее магнитного поля соленоида с воздушным сердечником, величина этого поля ограничена свойствами железа. Величина магнитного поля, создаваемого соленоидом с воздушным сердечником, теоретически не имеет предела. Однако, как правило, получать огромные токи, необходимые для создания поля, сравнимого по величине с полем соленоида с железным сердечником, очень трудно и дорого.

Изменение магнитного поля может порождать электрический ток точно так же, как ток создает магнитное поле. При приближении магнита к проводнику магнитные силовые линии, пересекающие проводник, индуцируют в нем напряжение. Полярность индуцированного напряжения зависит от полярности и направления изменения магнитного потока. Этот эффект значительно сильнее проявляется в катушке, чем в отдельном витке: он пропорционален числу витков в обмотке. При наличии железного сердечника индуцированное напряжение в соленоиде увеличивается.

При таком способе индуцирования напряжения необходимо движение проводника относительно магнитного потока. Если проводник не будет пересекать линии магнитного потока, напряжение не возникнет.

В электроизмерительных приборах используется катушка (1), вращающаяся в магнитном поле (2). Стрелка (3) показывает силу тока на шкале (4). Волосковая пружина (5) возвращает стрелку в исходное состояние.

Реле позволяет с помощью маломощного источника тока включить цепь высокого напряжения. Когда через катушку (1) проходит небольшой ток, магнитный поток, возникающий между полюсами сердечника (2), притягивает якорь (3). Затем подвижный контакт (4) соединяет фиксированные контакты (5), замыкая высоковольтную цепь. При отключении балансный противовес (6) преодолевает слабеющее магнитное поле и размыкает цепь.

Как получают энергию. Электрические генераторы вырабатывают ток на основе тех же принципов. Обычно магнит вращается между катушками. Величина индуцированного напряжения зависит от величины поля магнита и скорости его вращения (они определяют скорость изменения магнитного потока). Напряжение в проводнике прямо пропорционально скорости магнитного потока в нем.

Во многих генераторах магнит заменен соленоидом. Для создания магнитного поля соленоид подключают к источнику тока. Электрическая мощность, вырабатываемая генератором, равна произведению напряжения на силу тока.

С другой стороны, взаимосвязь тока в проводнике и магнитного потока позволяет использовать поток, создаваемый электрическим током в магнитном поле, для получения механического движения. По этому принципу работают электродвигатели и некоторые электроизмерительные приборы, однако для создания движения в них необходимо затрачивать дополнительную электрическую мощность.

В настоящее время, используя явление сверхпроводимости, удается получать магнитные поля невиданной интенсивности. При этом ток протекает без потерь, т. е. не вызывает нагрева материала. Это позволяет применять большие токи в соленоидах с воздушным сердечником и избежать ограничений, обусловленных эффектом насыщения.

Такие сильные магнитные поля открывают перспективы движения на магнитной «подушке» и создания новых видов электродвигателей и генераторов, обеспечивающих высокую мощность при малой стоимости.

В электрическом звонке поле электромагнита быстро включается и выключается, заставляя молоточек стучать по колоколу. При нажатии выключателя (А) ток от батарейки протекает по магниту, сдвигая удерживаемый пружиной якорь, а вместе с ним и молоточек (Б); это приводит к размыканию цепи в точке контакта и отключению электромагнита. Пружина оттягивает якорь назад, восстанавливает цепь (В), и все повторяется.