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

Поскольку над проволокой магнитный поток имеет большую плотность, а под проволокой — малую, то проволоку толкает вниз естественное стремление силовых линий «сравняться». Если ток в проволоке движется по направлению от нас так, что его силовые линии направлены по часовой стрелке, то плотность магнитного потока будет больше внизу и проволоку будет толкать вверх.

Подводя итоги, представим магнит, силовые линии которого направлены справа налево:

если проволока без тока движется вверх, порождается ток, движущийся по направлению к нам;

если проволока без тока движется вниз, порождается ток, движущийся по направлению от нас;

если по проволоке идет ток, движущийся по направлению к нам, порождается движение вниз;

если по проволоке идет ток, движущийся по направлению от нас, порождается движение вверх.

В первых двух случаях ток порождается движением, и устройство является генератором. В последних двух движение создается из тока, и устройство называется мотором. (Оба устройства воплощают один и тот же принцип, но в одном случае он работает «в одну сторону», а в другом — «в другую».)

Отметим, что в генераторе ток, движущийся по направлению к нам, связан с движением вверх, а ток, движущийся от нас, — с движением вниз.

В моторе же ток, движущийся к нам, связан с движением вниз, а ток от нас — с движением вверх. Следовательно, в определении направлений силовых линий, тока и движения по отношению к мотору следует руководствоваться принципами, прямо противоположными тем, которыми мы руководствуемся по отношению к генератору.

Для генератора мы использовали правило правой руки, а поскольку наша левая рука зеркально отражает правую, то для определения различных направлений в случае с мотором мы пользуемся правилом левой руки (большой, указательный и средний пальцы которой растопырены под прямыми углами друг к другу)Как и в случае применения правила правой руки, мы принимаем направление указательного пальца как направление силовых линий, то есть к южному полюсу. Средний палец в этом случае будет показывать направление тока, а большой — направление движения.

Теперь давайте перейдем к проволочной петле, находящейся между полюсами магнита. Если ей придать механическое вращение, то в петле порождается электрический ток. Следовательно, естественно ожидать, что если через петлю пропустить электрический ток из внешнего источника, то мы получим самопроизвольное механическое вращение. (Не вдаваясь в детали, скажу лишь, что такое механическое вращение достижимо при использовании как переменного, так и постоянного тока. Некоторые моторы могут работать и на том, и на другом.)

Следовательно, эти два устройства не могут быть полностью одинаковыми. Первое, используемое как генератор, будет преобразовывать тепловую энергию горящего угля в механическую энергию вращающегося якоря и из него уже получать электроэнергию. Полученная таким образом электроэнергия попадает во второе устройство — в мотор — и там преобразуется в механическую энергию вращающегося якоря. Конечно же можно сделать и большой генератор, который будет создавать достаточно энергии, чтобы от него могло работать множество небольших моторов.

Когда большие генераторы сделали возможным производство больших объемов электроэнергии, а трансформаторы сделали возможной ее транспортировку на большие расстояния, возникла необходимость в том, чтобы эта электроэнергия была подведена к миллионам моторов в домах и на фабриках[108].

Напрашивалось появление моторов, которые можно было бы использовать; однако этого ждали почти полвека, потому что первый мотор был сконструирован Генри в 1931 году.

Вращающиеся колеса с древнейших времен использовались человеком в качестве источника механической энергии, поскольку вращательное движение не только может приносить пользу само по себе, но и с легкостью может быть переведено в возвратно-поступательное, если использовать правильные механические соединения. На протяжении всей истории человечества колеса вращались мышечной силой человека и животных, падающей водой и ветром. Однако мышцы слабы и быстро утомляются, вода падает не везде, а на ветер никогда нельзя полагаться.

После изобретения паровой машины колеса стала вращать струя пара. Однако механизмы, требующиеся для вращения больших колес, были громоздкими, и их можно было размещать только на фабриках или на больших машинах, таких как локомотив или корабль. Поэтому их использование было рациональным только для масштабных работ. О создании маленьких паровых машин для домашнего использования речи не шло. Кроме того, процесс первоначального запуска паровой машины занимал много времени, поскольку для этого требовалось вскипятить большое количество воды.

С созданием мотора появилась возможность отделить колесо. Генератор как источник энергии уже не надо было размещать в доме или рядом с ним. Кроме того, электрический мотор включается и выключается одним щелчком выключателя.

Моторы оказались крайне универсальными, они могли вращать колеса любого размера и силы. Были разработаны большие моторы для автомобилей или промышленных станков и крошечные для пишущих машинок, бритв и зубных щеток.

Благодаря Фарадею и Генри (и помощи Теслы и Штейнмеца) жизнь населения промышленной части Земли наполнилась электрической техникой.

Глава 14.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Уравнения Максвелла

К середине XIX пека связь между электричеством и магнетизмом была уже четко установлена и вовсю использовалась. Были изобретены генератор и мотор, и действие того и другого основывалось на взаимосвязи электричества и магнетизма.

Однако теория за практикой не успевала. Например, Фарадей, наверное самый великий изобретатель в области электричества, имел минимальные представления о математике, и поэтому его учение о силовых линиях было преподнесено в столь незамысловатой форме, где они описывались прямо-таки как резиновые жгуты[109].

В 60-х годах XIX века Максвелл, большой почитатель Фарадея, принялся за разработку математического анализа взаимосвязей электричества и магнетизма с целью придать более строгий вид нематематическим выкладкам Фарадея.

Чтобы описать, каким образом электрический ток незыблемо порождает магнитное поле, как магнит может порождать электрический ток, а оба эти явления — и электрический заряд, и магнитные полюса — порождают поля, состоящие из силовых линий, в 1864 году Максвелл разработал четыре сравнительно простых уравнения, известные с тех пор как уравнения Максвелла[110]. С их использованием стало возможно просчитать природу взаимоотношений электричества и магнетизма в разных условиях.