Читать онлайн «Радио?.. Это очень просто!». Страница 41

Магнитное поле проводника можно усилить, намотав проводник в виде катушки. В этом случае магнитные поля всех витков складываются и катушка, через которую проходит ток, действует как настоящий линейный магнит.

Действие такого магнита можно усилить, введя внутрь катушки стальной стержень. Мягкая сталь имеет для магнитных сил значительно большую магнитную проницаемость, чем воздух. Магнитное поле сосредоточивается в магнитном сердечнике, и мы получаем электромагнит. Если сердечник сделан из мягкой стали, то при выключении тока он теряет свою намагниченность (или сохраняет ее лишь в небольшой степени). Если же сердечник сделан из твердой стали, он остается намагниченным и после включения тока Именно таким способом в настоящее время изготавливают искусственные постоянные магниты.

Изменения электрического тока влекут за собой соответствующие изменения создаваемого им магнитного поля и, наоборот, изменяющиеся магнитные поля наводят в проводниках переменные токи. Поднося магнит к катушке или удаляя его от нее, мы наводим в катушке ток, который существует только во время движения магнита, т. е. во время изменения магнитного поля Следует хорошо усвоить, что именно изменение, а не простое присутствие магнитного поля сопровождается появлением тока в проводнике.

Вместо магнита к катушке можно подносить электромагнит — катушку, по которой идет постоянный ток. Результат будет таким же. Можно поместить катушку рядом с другой и пропускать через нее переменный ток. Переменный ток, проходящий по одной из катушек, вызовет во второй катушке переменный ток. Это явление носит название индукции. При этом нет необходимости в материальном контакте, так как между двумя катушками имеется магнитная связь. Обе катушки представляют гобой в целом электрический трансформатор. Из дальнейшего станет ясным основание для такого наименования.

Продолжая изучение магнитной индукции, наши молодые друзья открыли закон Ленца, хотя и не назвали его. Они констатировали, что наведенный ток в каждый момент как бы противодействует изменениям наводящего тока. Когда наводящий ток возрастает, наведенный ток течет в противоположном направлении. А когда наводящий ток спадает, наведенный ток течет в том же направлении.

Как мы видим, явления индукции подчиняются общему закону природы — закону действия и противодействия.

Наведенный ток зависит от скорости изменения наводящего тока и его величины.

Если ток, протекающий по катушке, наводит (индуктирует) токи в находящихся рядом катушках, то он, очевидно, должен наводить ток и в витках катушки, через которую протекает. Это явление, носящее название самоиндукции, подчиняется тем же законам, что и явление индукции. Поэтому когда ток, протекающий через катушку, увеличивается, появляется ток самоиндукции, направленный в противоположную сторону и замедляющий увеличение наводящего тока. По этой причине при подключении катушки к цепи постоянного тока устанавливающийся в катушке ток не может мгновенно достичь нормального значения. Для этого необходимо некоторое время, которое тем больше, чем больше коэффициент самоиндукции, или индуктивность. Точно так же при постепенном повышении напряжения на катушке величина протекающего тока будет следовать за повышением напряжения с некоторым отставанием, так как ток самоиндукции действует в противоположном направлении.

Если же мы начнем уменьшать напряжение на катушке, то снижение тока произойдет также с некоторым опозданием. В этом случае ток самоиндукции направлен в ту же сторону, что и наводящий ток, и как бы поддерживает его.

В предельном случае очень быстрое изменение наводящего тока (например, при размыкании выключателя) вызывает наведенное напряжение, которое может достичь большой величины и создать искру, проскакивающую между контактами выключателя.

Когда переменное напряжение приложено к катушке, создаваемый им переменный ток поддерживает переменное магнитное поле, которое в свою очередь поддерживает ток самоиндукции, постоянно противодействующий изменениям наводящего тока и поэтому препятствующий наводящему току достичь максимума, который он имел бы при отсутствии самоиндукции (следует помнить, что при увеличении наводящего тока наведенный ток имеет противоположное направление и поэтому вычитается из него). Все происходит так, как если бы к активному сопротивлению проводника катушки добавлялось другое сопротивление, вызываемое самоиндукцией. Это индуктивное сопротивление тем больше, чем выше частота тока (потому что более быстрые изменения наводящего тока создают большие токи самоиндукции) и чем больше коэффициент самоиндукции.

Коэффициент самоиндукции катушки, или индуктивность, зависит только от ее геометрических свойств: количества и диаметра витков и их расположения. Она возрастает при увеличении количества витков. Введение стального сердечника, увеличивая концентрацию магнитного поля, также значительно повышает индуктивность. Индуктивность катушки измеряется в генри (гн) или в меньших долях этой единицы: миллигенри (мгн) — одной тысячной доле генри и микрогенри (мкгн) — одной миллионной доле генри.

Если обозначить буквой L индуктивность катушки, выраженную в генри, то для тока частотой f (в герцах) индуктивное сопротивление ХL = 2π·f·L = 6,28·f·L (здесь 6,28 — приближенное значение 2π).

Рассмотрев основные свойства явлений индукции и самоиндукции, Любознайкин и Незнайкин переключились на изучение конденсаторов, способных благодаря емкости накапливать электрические заряды. Конденсатор состоит из двух проводников (образующих его обкладки), разделенных изолятором или, говоря «инженерным стилем», диэлектриком. При подключении обеих обкладок к источнику электрического тока электроны накапливаются на обкладке, соединенной с отрицательным полюсом, и покидают обкладку, соединенную с положительным полюсом. Накоплению зарядов способствует также явление отталкивания между электронами двух близко расположенных одна и другой обкладок. Если эти обкладки раздвинуть, они уже не смогут удержать па себе такие же электрические заряды.

При подключении конденсатора к источнику электрического тока устанавливается зарядный ток, сначала большой, а затем уменьшающийся по мере приближения потенциала обкладок к потенциалу источника тока. Когда эти потенциалы сравняются, ток прекратится. Общая продолжительность тока в цепи очень мала.

В зависимости от способности конденсатора накапливать большее или меньшее количество электричества говорят, что конденсатор имеет большую или меньшую емкость. Емкость измеряется в фарадах (ф), однако более употребительны доли этой единицы: микрофарада (мкф) — миллионная доля фарады, нанофарада (нф) — 0,000000001 ф и даже микромикрофарада или пикофарада (мкмкф или пф), равная 0,000000000001 или 10-12 ф!

Емкость, естественно, зависит от размеров обкладок и повышается при увеличении их площади. Она тем больше, чем меньше расстояние между обкладками; однако по этому пути нельзя идти слишком далеко, так как при очень тонком слое диэлектрика произойдет разряд (искра). Это называется пробоем конденсатора. Емкость зависит также от материала диэлектрика. Наилучшим (а также самым дешевым) из диэлектриков является сухой воздух Однако если заменить его любым другим диэлектриком, то емкость конденсатора увеличится.

Отметим, что емкость конденсатора не зависит от рода и толщины обкладок.

В предыдущей беседе мы оставили конденсатор заряженным. Отключив источник электрического тока и замкнув обкладки конденсатора с помощью сопротивления, мы вызовем разряд конденсатора. Электроны, находящиеся в избытке на отрицательной обкладке, пройдя через сопротивление, восполнят недостаток электронов на противоположной обкладке. Ток разряда, большой вначале, уменьшается по мере снижения разности потенциалов между обкладками и совсем прекращается, когда потенциалы обеих обкладок выравниваются.

Можно получить непрерывную последовательность зарядов и разрядов конденсатора, подключив его к источнику переменного тока. Обкладки заряжаются, разряжаются и вновь заряжаются в соответствии с частотой переменного напряжения, и в цепи (так называют совокупность элементов, через которые проходит электрический ток) устанавливается переменный ток. Это позволяет нам говорить, что переменный ток проходит через конденсатор, хотя электроны при этом не переходят сквозь диэлектрик с одной обкладки на другую.