Фейнмановские лекции по физике. 6. Электродинамика

Прибор, изображенный на фиг. 16.1, может быть либо мо­тором, либо генератором. Связь между моторами и генерато­рами хорошо демонстрируется с помощью двух одинаковых «моторов» постоянного тока с постоянными магнитами, катушки которых соединены двумя медными проводами. Если ручку од­ного из «моторов» поворачивать механически, он становится генератором и приводит в движение второй как мотор. Если же поворачивать ручку второго, то генератором уже становится он, а первый работает как мотор. Итак, здесь мы встречаемся с интересным примером нового рода эквивалентности в природе: мотор и генератор эквивалентны. Количественная эквивалент­ность на самом деле не совсем случайна. Она связана с законом сохранения энергии.

Другой пример устройства, которое может работать либо для создания э. д. с., либо воспринимать действие э. д. с., представляет собой приемная часть обычного телефона, т. е. «слухофон». Первоначальный телефон Белла состоял из двух таких «слухофонов», соединенных двумя длинными проводами.

Фиг. 16.4. Приемное или передающее устрой­ство телефона.

Основной принцип этого устройства показан на фиг. 16.4. По­стоянный магнит создает магнитное поле в двух сердечниках из мягкого железа и в тонком железном диске — мембране, которая приводится в движение звуковым давлением. При дви­жении мембрана изменяет величину магнитного поля в сердеч­никах. Следовательно, поток через катушку проволоки, намо­танной вокруг одного из сердечников, изменяется, когда зву­ковая волна попадает на мембрану. Тогда в катушке возникает э. д. с. Если концы катушки присоединены к цепи, в ней устанавливается ток, который представляет собой электри­ческое изображение звука.

Если концы катушки на фиг. 16.4 присоединить двумя про­водами к другому такому же устройству, то по второй катушке потечет меняющийся ток. Этот ток создаст меняющееся магнит­ное поле и заставит меняться и силу притяжения железной мембраны. Она начнет дрожать и породит звуковые волны, подобные тем, которые колебали первую мембрану. С помощью маленьких кусочков железа и меди человеческий голос пере­дается по проводам!

(Приемники в современных домашних телефонах похожи на только что описанный, а вот передатчики используются уже улучшенные, чтобы получить большую мощность. Это «микро­фоны с угольной мембраной», в которых звуковое давление изменяет электрический ток от батарей.)

§ 2. Трансформаторы и индуктивности

Одна из наиболее интересных сторон открытий Фарадея заключается совсем не в том, что э. д. с. возникает в движущейся катушке, это мы можем понять с помощью магнитной силы qXВ. Главное — в том, что изменение тока в одной катушке создает э. д. с. во второй катушке. И уж совсем удивительно, что величина э. д. с., наведенной во второй катушке, дается тем же самым «правилом потока»: э. д. с. равна скорости изме­нения магнитного потока сквозь катушку. Возьмем, например, две катушки (фиг. 16.5), каждая из которых намотана на отдель­ную стопку железных пластинок (с их помощью можно создать более сильные магнитные поля).

Фиг. 16.5. Две катушки, намо­танные на стопки железных пла­стинок, позволяют зажечь лам­почку, не соединяя ее прямо с гене­ратором.

Присоединим теперь одну из катушек — катушку а — к генератору переменного тока. Не­прерывно меняющийся ток создает непрерывно меняющееся магнитное поле. Такое изменяющееся магнитное поле генери­рует переменную э. д. с. во второй катушке — катушке b. Эта э. д. с., например, способна заставить гореть электриче­скую лампочку.

В катушке bэ. д. с. меняется с частотой, конечно, равной частоте первого генератора. Но ток в катушке bможет быть больше или меньше тока в катушке а. Ток в катушке bзависит от индуцированной в ней э. д. с. и от сопротивления и индук­тивности остальной части ее цепи. Эта э. д. с. может быть меньше э. д. с. генератора, если, скажем, изменение потока мало. Или же э. д. с. в катушке bможет оказаться много больше э. д. с. генератора, если на катушку 6 навить много витков, ибо в этом случае в данном магнитном поле поток через катушку будет больше. (Можно, если хотите, сказать об этом иначе — в каждом витке э. д. с. одна и та же, и поскольку пол­ная э. д. с. равна сумме э. д. с. отдельных витков, то большое число витков в совокупности создает большую э. д. с.)

Такая комбинация двух катушек (обычно с набором желез­ных пластинок, повышающих магнитное поле) называется трансформатором. Он может «трансформировать» одну э. д. с. (называемую еще «напряжением») в другую.