Глазами физика

Следует признать, что у этих ребят чрезвычайно богатое воображение. Почти во всех двигателях ось вращения катушки горизонтальна. Но один студент построил двигатель с вертикальной осью. А самый лучший из них умудрился получить результат 5200 оборотов в минуту – и это, напомню, с малюсенькой полуторавольтовой батарейкой! Помню я этого парня. Он был первокурсником и после лекции, стоя передо мной, заявил: «Ну что вы, профессор Левин, это же так легко. Я соберу двигатель, работающий на 4 тысячах оборотов, минут за десять». И действительно сделал это прямо у меня на глазах!

Но вам не нужно пытаться повторить его подвиг. Есть еще более простой двигатель, который вы можете смастерить за несколько минут из еще меньшего числа компонентов: батарейки, небольшого куска медной проволоки, самореза (или гвоздя) и маленького дискового магнита. Он называется гомеополярным. Вы найдете пошаговое описание по его изготовлению и видео работающей модели по следующему адресу (и непременно напишите мне, если ваш двигатель будет работать быстрее, чем на 5 тысячах оборотов в минуту): www.evilmadscientist.com/article.php/HomopolarMotor.

Не менее интересной, чем конкурс на самый быстрый двигатель, хоть и по совершенно иной причине, я считаю демонстрацию, которую провожу на своих лекциях, с электрической катушкой диаметром около 30 сантиметров и проводящей пластиной. Как вы уже знаете, электрический ток, проходя через катушку, создает магнитное поле. Переменный электрический ток в катушке генерирует переменное магнитное поле. (Напомним, что ток, созданный аккумулятором, является постоянным.) Поскольку частота переменного тока в моем лекционном зале составляет 60 герц, как везде в США, ток в моей катушке меняет направление на обратное каждые 1/120 секунды. Когда я помещаю такую катушку прямо над металлической пластиной, переменное магнитное поле (я называю его внешним магнитным полем) пронизывает проводящую пластину. По закону Фарадея, оно заставляет ток в металлической пластине двигаться; это явление известно как вихревые токи. Последние, в свою очередь, создают собственные переменные магнитные поля. В результате получается два магнитных поля: внешнее магнитное поле и поле, создаваемое вихревыми токами.

Примерно половину времени в 1/60-секундный цикл два магнитных поля будут иметь противоположную направленность и катушка станет отталкиваться пластиной; в течение другой половины магнитные поля будут направлены одинаково и пластина будет притягивать катушку. По причинам, которые слишком сложны, чтобы обсуждать их здесь, на катушку действует достаточно сильная результирующая отталкивающая сила, способная заставить катушку парить в воздухе. Вы можете увидеть это на видео курса 8.02, лекция № 19 по адресу: http://videolectures.net/МТИ802s02_lewin_lec19/. Ищите на сорок четвертой минуте и двадцатой секунде лекции.

Однажды мне пришло в голову, что нам следует использовать эту силу для левитации человека, и я решил поднять в воздух женщину – как это делают фокусники, – создав на лекции гигантскую катушку и положив даму сверху. Мы с моими друзьями Маркосом Хэнкином и Билом Сэнфордом (из группы физических демонстраций МТИ) бились изо всех сил, чтобы получить достаточное количество тока, но каждый раз все заканчивалось срабатыванием автоматических прерывателей цепи. В итоге мы позвонили в отдел материального обеспечения МТИ и заявили, что нам нужно получить несколько тысяч ампер тока. В ответ мы услышали смех. «Чтобы дать вам такой ток, нам придется перепроектировать весь университет!» – сказали они нам. Нас это сильно расстроило, тем более что к тому времени довольно много женщин предложили нам свои услуги в качестве объекта левитации. И мне пришлось сообщать им всем об отказе от этой замечательной затеи. Впрочем, нас это не остановило, в чем вы можете убедиться примерно на сорок седьмой с половиной минуте моей лекции. Я сделал все, чтобы выполнить свое обещание; просто женщина оказалась намного легче, чем я планировал первоначально.

Электромагнетизм спешит на помощь

Парящая в воздухе женщина – весьма убедительная и забавная демонстрация, но магнитная левитация имеет множество других, еще более удивительных и гораздо более полезных применений. В частности, это основа для ряда новых технологий, благодаря которым человечество получило несколько самых крутых, самых быстрых и наименее загрязняющих окружающую среду транспортных средств в мире.