Радио и телевидение?.. Это очень просто!

Комментарий профессора Радиоля ИНДУКЦИЯ И ИНДУКТИВНОСТЬ

Нет, мой милейший Любознайкин, я не согласен с тем, что ты сказал в конце своей последней беседы. Ты считаешь, что охарактеризовал все основные понятия электричества. Но почему же тогда ты оставил без объяснения явление индукции и его использование? Мне придется сделать это вместо тебя.

Незнайкин, ты легко уяснил принцип работы генератора переменного тока. Когда катушка вращается в магнитном поле, пересекая его силовые линии, возникает переменный электрический ток. Но для этой цели совершенно необязательно приводить катушку в движение. Переменный ток можно создать даже в неподвижной катушке, если изменять пронизывающее ее магнитное поле.

А как можно изменить его, т. е. менять на противоположное направление силовых линий?

Мне кажется, Незнайкин, что я слышу твой голос, произносящий правильный ответ. Да, для того, чтобы магнитное поле непрерывно меняло направление своих силовых линий, имеется очень простой способ: создать его с помощью катушки, по которой протекает переменный ток. В каждый полупериод тока направление магнитных силовых линий изменяется на противоположное. И в итоге переменный ток порождается во второй катушке, помещенной в магнитное поле первой катушки. Это явление называется индукцией.

Для облегчения возникновения индуцируемого тока катушку нужно разместить на продолжении оси индуктирующей катушки. Одну из этих катушек можно даже намотать поверх другой (рис. 17).

Рис. 17. Переменный ток, протекающий по катушке, наводит ток в другой катушке, расположенной в магнитном поле первой. Катушка, в которой наводится ток, может наматываться поверх индуктирующей катушки, или обе катушки могут размещаться рядом на одной оси.

Устройство, состоящее из двух таких катушек, называется трансформатором. Индуктирующую катушку называют первичной обмоткой, а ту, в которой возникает индуктируемый ток, называют вторичной обмоткой трансформатора.

Для работы в электрической цепи с относительно низкой частотой трансформаторы делают с сердечником из мягкой стали (рис. 18), что увеличивает интенсивность магнитного поля, так как его силовые линии намного легче проходят по стали, чем по воздуху.

Рис. 18. Условное обозначение трансформатора с магнитным сердечником.

Напряжение, возникающее во вторичной обмотке трансформатора, зависит от напряжения первичной обмотки: оно прямо пропорционально напряжению первичной обмотки. Кроме того, оно определяется соотношением числа витков обеих обмоток. Если первичная и вторичная обмотки имеют одинаковое количество витков, то на выводах вторичной обмотки получают такое же напряжение, которое подается на выводы первичной. Но, если говорить в более общей форме, напряжение вторичной обмотки U₂ равно произведению напряжения первичной обмотки U₁, на отношение числа витков вторичной обмотки w₂ к числу витков первичной обмотки w₁:

Скажем проще: напряжения обеих обмоток пропорциональны числу витков:

Но я предвижу возникающий у тебя вопрос: чем вызывается напряжение первичной обмотки?

Так вот, здесь мы имеем падение напряжения, создаваемое не активным сопротивлением, которое обычно мало, а индуктивным сопротивлением обмотки. Это сопротивление порождается явлением самоиндукции, имеющим место в любой катушке, по которой протекает переменный ток. В чем заключается суть явления?

Я только что объяснил тебе, как, создавая изменяющееся магнитное поле, ток первичной обмотки наводит переменный ток во вторичной обмотке. Но кроме вторичной обмотки в этом изменяющемся магнитном поле находится еще одна катушка — сама первичная обмотка! Поэтому я надеюсь, что ты не удивишься, узнав, что первичная обмотка наводит ток не только в своей соседке — вторичной обмотке, но и в себе самой.

Явление самоиндукции вызывает увеличение сопротивления катушки; это происходит, потому что полупериоды наводимого переменного тока не совпадают с полупериодами индуктирующего тока: наведенный ток оказывается смещенным или, как говорят, сдвинутым по фазе. Именно это определяет сопротивление, которое называется индуктивным. Оно пропорционально частоте тока и индуктивности катушки. Эта последняя характеристика зависит исключительно от геометрических особенностей катушки: от количества и диаметра витков и от их взаимного расположения. Чем больше витков, чем больше их размеры и чем плотнее они расположены друг к другу, тем сильнее создающее ток магнитное поле воздействует на саму катушку и тем, следовательно, выше индуктивность.

Индуктивность пропорциональна квадрату числа витков. Удвой количество витков, и индуктивность увеличится в 4 раза.

Индуктивность измеряется в генри; принятое сокращенное название этой единицы Г. Следовательно, индуктивное сопротивление X_L (выражаемое, как и активное сопротивление, в омах) пропорционально произведению частоты f на индуктивность L. Эта зависимость выражается формулой

X_L = 2π·f·L,

где π = 3,14, как ты знаешь, численное выражение отношения окружности к диаметру.

Поскольку мы изучаем различные аспекты электричества, тесно связанные с магнетизмом, я позволю себе еще раз вернуться к использованию устройства, состоящего из магнита, между полюсами которого установлена катушка; последняя укреплена на оси и свободно вращается.

Мы уже видели, что при вращении катушки в ней возникает переменный ток; в этом случае наше устройство выступает в роли генератора переменного тока. Если мы, наоборот, пропустим через катушку переменный ток, то она начнет вращаться. Так работает электрический двигатель.

А теперь предположим, что эта катушка подвешена на эластичной проволочке и укреплена на оси с двумя точками опоры: одна сзади, а другая спереди. В этих условиях катушка уже не может совершить, несколько оборотов, так как это привело бы к чрезмерному скручиванию проволочки-подвески. Следовательно, это уже не двигатель. Но предположим, что мы пропускаем через катушку постоянный ток. Намагниченная таким образом катушка стремится повернуться. В зависимости от эластичности проволочки-подвески и, что самое главное, в зависимости от силы тока угол поворота катушки будет больше или меньше.

Теперь ты, несомненно, догадываешься, что это превосходное средство для измерения силы тока. Для этой цели на оси катушки укрепляют стрелку, а позади стрелки устанавливают шкалу с соответствующими делениями. Таким образом, мы построили гальванометр (рис. 19). Если его шкала отградуирована в амперах, то это амперметр. Прибор для измерения малых токов называется миллиамперметром или микроамперметром.

Рис. 19. В гальванометре катушка, по которой протекает измеряемый ток, расположена в поле электромагнита; она может вращаться вокруг горизонтальной оси.

Таким образом можно сделать и прибор для измерения напряжения. Для этой цели последовательно с катушкой включают резистор R. При подключении такого прибора к двум точкам цепи, между которыми надлежит измерить напряжение, через наш гальванометр протекает ток, величина которого по закону Ома равна частному от деления напряжения на сумму омических сопротивлении резистора R и катушки. Шкала в этом случае отградуирована непосредственно в вольтах, милливольтах или микровольтах; в зависимости от единицы измерения мы получим вольтметр, милливольтметр или микровольтметр.

Гальванометр позволяет также измерять величину переменного тока и переменного напряжения (рис. 20).

Рис. 20. Схемы вольтметров, измеряющих постоянное (а) и переменное (б) напряжения.

Для этой цели прибор должен оснащаться выпрямителем, преобразующим переменный ток в постоянный. В другой раз я объясню тебе принцип работы такого выпрямителя.

Я не могу позволить себе остановиться на этом. Ведь я объяснил тебе, как измеряют величину тока и напряжения. И у тебя, дорогой Незнайкин, должен возникнуть вопрос, каким образом измерить третью величину, входящую в формулу закона Ома: сопротивление. Нет ничего проще. Для этой цели гальванометр нужно дополнительно оснастить батареей с известным и очень стабильным напряжением и включить ее последовательно с подвижной катушкой гальванометра (рис. 21).

Рис. 21. Омметр, измеряющий сопротивление резистора R.

При подключении этого прибора к измеряемому сопротивлению по подвижной катушке протекает ток, величина которого обратно пропорциональна измеряемому сопротивлению. Поэтому шкалу такого омметра можно отградуировать непосредственно в омах.

Однако теперь, мой дорогой Незнайкин, я чувствую, что ты устал. Поэтому я заканчиваю свой рассказ. Тем не менее я хочу добавить, что существует множество комбинированных измерительных приборов, в которых гальванометр можно включать с резисторами разных номиналов не только последовательно, но и параллельно (чтобы отвести от подвижной катушки большую или меньшую часть тока), с выпрямителем, а также с батареей. Такими приборами можно измерить токи, напряжения и сопротивления.