Книга Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Что же с проволокой R? Теперь большой палец нужно опустить вниз, в то время как указательный палец по-прежнему направлен влево. Средний палец обращен в противоположную от вас сторону, что соответствует направлению индуктированного тока в проволоке R. Индуктированный ток течет к вам по проволоке L и от вас по проволоке R, — именно это и происходит в прямоугольной петле.

Теперь представим, что проволоки L и R подсоединены каждая к отдельным токосъемникам (соответственно кольца А и В), каждое из которых отцентровано относительно стержня, служащего осью, вокруг которой вращается петля. Ток потечет от кольца В по проволоке R, затем по проволоке L к кольцу А. Если же один конец цепи соединен с одним из колец при помощи подвижного соединения, а второй конец цепи — таким же образом связан с другим кольцом, то ток, произведенный поворачивающимся якорем, будет проходить по всей цепи.

Однако рассмотрим прямоугольную петлю более подробно. Поскольку петля вращается, проволоки L и R не могут безгранично двигаться вверх и вниз. Они постоянно меняют направление. Когда проволока L движется вверх, она изгибается вправо и перемещается под небольшим углом к силовым линиям, поэтому сила индуктированного тока уменьшается. То же самое происходит и с проволокой R, которая при движении вниз изгибается влево и тоже перемещается под меньшим углом к силовым линиям.

Ток продолжает уменьшаться по мере поворота петли, пока петля не совершит поворот в 90°, так что проволока L оказывается наверху, а проволока R — внизу. Теперь проволока L движется вправо, параллельно силовым линиям, а проволока R — влево, так же параллельно линиям. Сила индуктированного тока падает до нуля. Петля продолжает вращение, и проволоки L и R пересекают силовые линии, соответственно вниз и вверх. Две проволоки поменялись местами, проволока L стала проволокой R, и наоборот.

Обе проволоки, несмотря на перемену мест, по-прежнему соединены с теми же токосъемниками. Это означает, что, когда якорь совершает одно полное вращение, ток половину этого времени течет от кольца В к кольцу А, а вторую половину — от кольца А к кольцу В. Это повторяется при следующем вращении и т. д.

Таким образом производится переменный ток, который бесконечно движется взад-вперед. Одно вращение петли производит одно движение тока назад и вперед, то есть один такт. Если петля поворачивается со скоростью 60 оборотов в секунду, то перед нами 60-тактовый переменный ток.

Сила тока не остается равномерной, даже пока ток течет в одном направлении. В течение одного вращения петли сила тока начинается с нуля, когда проволоки (верхняя и нижняя) движутся параллельно силовым линиям, и постепенно возрастает до максимума, когда проволоки (правая и левая) движутся перпендикулярно силовым линиям, а затем вновь плавно снижается к нулю, поскольку проволоки (нижняя и верхняя) вновь становятся параллельны силовым линиям.

Петля продолжает вращаться, ток меняет направление. Представим, что поток становится меньше нуля, — так и будет, если силу тока измерять положительными значениями, пока он течет в одном направлении, и отрицательными — в обратном. Следовательно, упав до нуля, интенсивность тока постепенно продолжает падать до минимума, на котором проволоки (левая и правая) движутся перпендикулярно силовым линиям, и снова плавно возрастает до нуля, когда проволоки (верхняя и нижняя) опять движутся параллельно силовым линиям. Так завершается одно вращение, и цикл начинается заново.

Вообразим для удобства, что максимальная сила тока — 1 ампер, тогда в первой четверти вращения интенсивность изменится с 0 на +1, во второй четверти — с +1 на 0, в третьей четверти — с 0 на –1, в четвертой — с –1 на 0. Если рассмотреть изменение силы тока со временем, то возникает плавно возрастающая и падающая, бесконечно повторяющаяся волна, которая в математике называется синусоида.

Генератор легко можно видоизменить для того, чтобы производить ток, движущийся по цепи только в одном направлении, это будет постоянный ток. Такой тип тока открыл Вольт, и именно этот ток всегда получается при использовании химических элементов питания.

Представим, что два конца прямоугольной петли присоединены к «полукольцам», которые примыкают друг к другу вокруг стержня-оси вращения, но не соприкасаются. Проволока L связана с одним полукольцом, а проволока R — с другим. Подвижный контакт одного конца цепи касается одного полукольца, подвижный контакт другого конца — второго полукольца.

В течение первой половины полного оборота якоря ток идет от полукольца А к полукольцу В. Вторая половина оборота сопровождается течением тока от полукольца В к полукольцу А. Однако каждый раз. когда якорь совершает полувращение, полукольца меняются местами. Если один подвижный контакт касается положительного полукольца, то отрицательное полукольцо становится на место, как только становится положительным, и покидает свое место, как только начинает получать отрицательное значение.

Другими словами, первый подвижный контакт в процессе вращения касается каждого полукольца, когда кольца находятся в положительной стадии своего цикла; второй контакт касается полуколец, только когда они отрицательны. Ток в якоре может менять направление, но по присоединенной цепи он течет постоянным.

Сила тока по-прежнему возрастает и падает от 0 до +1 и от 0 до –1 и обратно. Путем увеличения числа петель и разделения колец на маленькие части можно свести к минимуму эти вариации в силе тока и получить достаточно ровный постоянный ток.

Генератор переменного тока выглядит проще, чем генератор постоянного тока, но для того, чтобы переменный ток можно было применить, следовало преодолеть некоторые трудности. Эдисон, например, был ярым сторонником постоянного тока и в последние десятилетия XIX века усиленно боролся против использования переменного тока. Большим защитником использования переменного тока был американский изобретатель Джордж Вестингауз (1846–1914).

Рассматривая своеобразное соревнование между двумя типами тока, с первого взгляда можно решить, что постоянный ток «выигрывает». Следовательно, переменный ток кажется в свете этого бесполезным. В конце концов постоянный ток в результате «куда-то попадает» и, следовательно, полезен, а переменный «никуда не попадает» и, следовательно, полезным быть не может — по крайней мере, так кажется.

Однако это представление неверно.

Это заблуждение. Оно возникает при проведении ошибочной аналогии с водой, которая течет по трубе. Мы хотим, чтобы вода полилась для какой-то определенной цели — чтобы попить, помыться, охладить что-либо, полить растения, потушить пожар и т. д.

Но в стандартные бытовые приборы электричество никогда не «вытекает» из провода. Оно никуда не уходит ни при каких обстоятельствах. Постоянный ток может течь только в одном направлении, но он движется в рамках своей цепи и никуда не «приходит», так же как если бы он двигался взад-вперед.

Бывают случаи, когда постоянный ток, безусловно, необходим. При зарядке батарей, например, ток должен идти только водном направлении — противоположном тому, в котором он движется при разрядке батарей. С другой стороны, иногда не важно — постоянный ток или переменный.