Фрэнсис Ролт-Уилер - Как мальчик Хюг сам построил радиостанцию
Другой вид электрических машин делает как раз обратное. Он превращает электрическую энергию в механическую; такие машины называются моторами. Есть различные моторы, но принцип у всех один и тот же. Самый простой случай; в электрическом автомобиле мотор берет ток от батареи и превращает его в двигательную энергию, которая вращает колеса. Может быть позже ты узнаешь об индукционных катушках и трансформаторах, но их нельзя считать машинами. Это электрические приборы, и их действие легко понять, если познакомиться с электромагнитными машинами или динамо; мотор это обратная динамо. Понял?
— Да, м-р Блэден.
— Тогда идем дальше. Ты заметил, вероятно, что электричество может передавать энергию на расстояние. Ты видел, что когда ты подносил наэлектризованный стеклянный стержень к пробковому шарику, шарик притягивался раньше, чем стекло касалось его. Это показывает, что от стеклянного стержня исходит некоторое влияние. Назовем сферу притяжения или отталкивания «электрическим полем». С проволокой или другим проводником, по которому идет ток, будет то же самое: вокруг него образуется «электрическое поле», или от него будет исходить известное электрическое напряжение. Это запомни хорошенько.
Магнетизм тоже передается на расстоянии. Одинаковые полюсы отталкиваются, но им для этого нет необходимости соприкасаться. Эрстед не коснулся магнитной стрелкой проволоки батареи, а только близко поднес их друг к другу.
Кроме «электрического поля», которое лучше назовем линиями электрической энергии, проводник с идущим по нем током создает «магнитное поле», в котором проходят линии магнитной силы (под прямым углом к электрическим линиям). Комбинация тех и других делает возможной передавать и получать радиоволны.
Но мы уклонились от того, что я хотел тебе рассказать — от электромагнитных машин. Слушай внимательно.
Генератор или мотор можно сделать двумя способами: вращая магнитное поле в электрической цепи или же вращая электрическую цепь в магнитном поле. Принцип вот какой: если проводник движется в магнитном поле, в нем возникает или индуктируется электродвижущая сила.
— Я не совсем понимаю, как это вращается в магнитном поле, — сказал Хюг.
— Подумай-ка, это не трудно. Я тебе говорил, что когда магнит качается на проволочном колечке, в проволочке получается ток.
— Это я понимаю.
— Тогда в чем же дело? Тут только движение взад и вперед заменено вращательным движением.
— Теперь я понимаю, — сказал мальчик.
Он вспомнил свои первоначальные опыты, когда он получил поступательное движение поршня из вращательного движения водяного колеса.
— Я постараюсь дать тебе хорошо понять, потому что, если ты этого не поймешь, то не сможешь никогда разобраться в электрических машинах. Возьми маленький обруч — железный, так как железо проводник. Сделай в нем два отверстия одно против другого. Повесь обруч на веревку, но только то место, к которому ты привяжешь веревку, раньше оберни для изоляции резиной от старой галоши (резина не проводник). Срежь тонкую круглую палочку, проткни ее в оба отверстия так, чтобы она могла в них свободно поворачиваться. Потом в центре обруча прикрепи к тросточке под прямым углом к ней легкий стальной брусок, намагниченный так, как я тебе говорил; концы бруска должны почти достигать обода, но не касаться его. Сам брусок не будет касаться обруча, но невидимые лучи магнитного поля, продолжающиеся за концами бруска, будут. Понятно?
— Как будто бы, — сказал Хюг. — Его смущали невидимые лучи.
— Постарайся понять. Если ты начнешь вращать палочку, магнит будет вращаться вместе с ней. Линии магнитной силы пересекут обруч или проводник и в своем движении создадут в нем электрический ток; —он повторил: линии магнитной силы, вращающиеся внутри проводника, пересекают неподвижный проводник.
— Пожалуйста, еще раз, — попросил Хюг.
Блэден повторил весь пример и продолжал:
— Ты должен понять, что то же самое было бы, если бы ты установил магнит неподвижно, — прибил бы ось одним концом к столу, и заставил бы обруч вращаться вокруг нее. Обруч все равно пересек бы магнитные линии, и в нем получился бы ток.
Хюг кивнул, хотя он понимал слова, но еще не схватил сущности вопроса. Телеграфист старался найти еще более простой пример. Наконец, его лицо прояснилось.
— Смотри, Хюг. — Он взял спичку и воткнул в нее близко от конца обыкновенную булавку.
— Вот, скажем, магнит.
Потом он привязал к большому и указательному пальцу своей левой руки шнурок и оставил его свободно висеть между пальцами. Затем поднял левую руку и сделал из большого и указательного пальца кружок, но так, что пальцы не соприкасались. Правой рукой он взял спичку и просунул между кончиками большого и указательного пальцев левой руки так, что булавка пришлась на середине круга, и стал медленно вращать спичку. Хюг сразу сообразил.
— Теперь я понял. Два пальца это обруч или проводник, нитка — проволока, ведущая к какому-нибудь прибору, который надо пустить в ход; булавка — магнит, а спичка — ось, чтобы вращать его. Так?
— Совершенно верно.
Теперь телеграфист стал держать спичку неподвижно, а кисть левой руки поворачивать насколько возможно кругом.
— Понимаю теперь и эго, — сказал мальчик. — Это то же самое, только наоборот: вращается проводник. Я сделаю такой, когда вернусь домой.
— Сделай несколько разных, — посоветовал Блэден. — Пусть в одном будет так: магнит снаружи, а проводник вращается внутри. Самый лучший способ чему-нибудь научиться, это самому проделать его, а если доктор Камерон пришлет тебе батарею, так тока у тебя хватит. Но это еще не все. У тока есть направление. У магнетизма тоже. Я тебе дам легкое правило, чтобы запомнить эти направления. Если возьмешь проволоку или проводник в правую руку — заметь, в правую, — повернув большой палец по направлению тока, остальные пальцы будут согнуты в сторону магнитного поля.
Он взял перо в правую руку, кончиком наружу. Затем повернул кисть руки, направив к носу кончик пера, держа на нем большой палец.
— Ты замечаешь, что направление пальцев от кончиков к ладони такое же, как то, по которому движется часовая стрелка. Существует правило для определения направления индуктивного тока и движения проводника, когда магнитное поле неподвижно. Но пока не надо загромождать этим твою голову.
Запомни правила, которые я тебе объяснил, и посмотрим, что же случилось с обручем и с бруском. — Он опять взял спичку с булавкой и стал двигать их в маленьком кружке между двумя пальцами левой руки.
— Пусть северный полюс бруска будет вверху обруча. Он вращается влево, т. е. против часовой стрелки. Следовательно, северный полюс бруска направляет вправо по обручу электрический ток. Южный полюс — внизу обруча — дает ток влево. Так как обруч круглый, то то, что внизу влево, будет наверху вправо; иными словами, ток будет направлен по часовой стрелке. Брусок продолжает вращаться всегда под прямым углом к обручу. Когда он делает полоборота, северный полюс оказывается внизу, а южный вверху. Линии магнетической силы переменили свое направление, хотя движение бруска осталось тем же, и обруч продолжает оставаться неподвижным. Это изменяет направление электродвижущей силы, и теперь ток идет по обручу влево наверху и вправо внизу, т.-е. против часовой стрелки. — Он передал Хюгу спички и булавку и велел ему самому проделать опыт.
— Ток, который меняет направление, — продолжал он, — называется переменным током, тогда как ток от Вольтова элемента, идущий всегда в одном и том же направлении, называется постоянным. Ты сам видишь, что в переменном токе можно различить четыре части: момент покоя, когда брусок подходит вверх, прежде чем начинается ток, идущий по направлению часовой стрелки, толчок по направлению стрелки, еще один момент покоя, когда брусок идет вниз, и, наконец, толчок в направлении против часовой стрелки. Каждый момент покоя и толчок называются «переменой», а все четыре части вместе, до момента, когда вращающийся брусок приходит вновь к своему первоначальному положению, называются «периодом».
Это простейший вид генератора переменного тока или альтернатора (тип с вращающимся полем). Твои пальцы дали механическую энергию, а пересечения линий магнитного поля, как результат этой энергии, дали индуктивный переменный электрический ток. Ты мог бы это сделать, вращая проволочную петлю между полюсами подковообразного постоянного магнита или электромагнита. Если включить коммутатор (прибор, состоящий из двух полуцилиндров, соединенных с вращающейся проволочной петлей и касающихся при каждом полуобороте неподвижных металлических щеток), генератор с переменным током превращается в генератор с постоянным током. Когда-нибудь я тебе покажу, как это делается.
