Электричество и магнетизм. Какая между ними связь?

Непосредственную связь между электричеством и магнетизмом открыл в 1819 г. датский профессор физики Ганс Эрстед. Проводя опыты, он об­наружил, что всякий раз, когда он включал ток, магнитная стрелка, находяща­яся поблизости от проводника с током, стремилась повернуться перпендику­лярно проводнику, а когда выключал, магнитная стрелка возвращалась в ис­ходное положение. Ученый сделал вывод: вокруг проводника с током возникает магнитное поле, которое воздействует на магнитную стрелку.

Ты можешь в этом убедиться, если сам проведешь аналогичный опыт. Для этого тебе потребуются: батарея и лампа для карманного электрического фонаря, медный провод в любой изоляции и компас.

Рис. 12. При изменении направления тока в проводнике меняется и направление силовых линий магнитного поля.

С помощью отрезков провода, удалив с их концов изоляцию, подключи к батарее лампу. Лампа горит, потому что образовалась электрическая цепь. Батарея является источником пита­ния этой цепи. Поднеси один из соединительных проводников поближе к компасу (рис. 12), и ты увидишь, как его магнитная стрелка сразу же станет по­перек проводника. Она укажет направление круговых магнитных силовых линий, рожденных током. Наиболее сильное магнитное поле тока будет возле самого проводника. По мере удаления от проводника магнитное доле, рассеиваясь, ослабевает.

А если изменить направление тока в проводнике, поменяв местами полюсы батареи? Изменится и направление магнитных силовых линий — магнитная стрелка повернется в другую сторону. Значит, направление силовых линий магнит­ного поля, создаваемого током, зависит от направления тока в проводнике.

Какова в этих опытах роль лампы? Она служит как бы индикато­ром— прибором, свидетельствующим о наличии тока в цепи. Она, кроме того, ограничивает ток в цепи. Если к батарее подключить только проводник, маг­нитное поле тока станет сильнее, но батарея быстро разрядится.

Если в проводнике течет постоянный ток неизменной величины, его маг­нитное поле также не будет изменяться. Но если ток уменьшится, то слабее станет и его магнитное поле. Увеличится ток — усилится его магнитное поле, исчезнет ток — пропадет его поле. Словом, ток и его магнитное поле нераз­рывно связаны и зависят друг от друга.

Магнитное поле тока легко усилить, если проводник с током свернуть в катушку. Силовые линии магнитного поля такой катушки можно сгустить, если внутрь нее поместить гвоздь или железный стержень. Такая катушка с сердеч­ником станет электромагнитом, способным притягивать сравнительно тяжелые железные предметы (рис. 13). Это свойство тока используется во мно­жестве электрических приборов.

А если компас поднести к проводу с переменным током? Стрелка оста­нется неподвижной, даже если провод свернуть в катушку. Значит ли это, что вокруг проводника с переменным током отсутствует магнитное поле? Нет, конечно. Магнитное поле есть, но оно тоже переменное. Магнитная же стрелка

компаса не будет отклоняться только вследствие своей «неповоротливости», она не будет успевать следовать за быстрыми изменениями магнитного поля.

Первый электромагнит, основные черты которого сохранились сейчас во многих электрических приборах, на­пример в электромагнитных реле, теле­фонных приборах, изобрел английский ученый Стерджен в 1821 г. А спустя два десятилетия после этого события французский физик Андре Ампер сде­лал новое, исключительно важное по тому времени открытие. Он опытным путем установил, что два параллельно расположенных проводника, по кото­рым течет ток, способны совершать механическую работу: если ток в обо­их проводниках течет в одном направ­лении, они притягиваются друг к другу, а если в противоположных, то отталкиваются друг от друга.

Догадываешься, почему так происходит? В первом случае, когда направление тока в обоих проводниках одинаково, их магнитные поля, также имеющие одинаковое направление, как бы стягиваются в единое поле, увлекая за собой проводники. Во втором случае магнитные поля вокруг проводников, имеющие теперь противоположные направления, отталкиваются друг от друга и тем самым раздвигают проводники.

В первой же половине прошлого, столетия ценнейший вклад в науку внес английский физик-самоучка Майкл Фарадей. Изучая связь между электрическим током и магнетизмом, он открыл явление электромагнитной индук­ции. Суть этого явления заключается в следующем. Если внутрь катушки из изолированной проволоки быстро ввести магнит, стрелка электроизмери­тельного прибора, подключенного к концам катушки, на мгновение откло­нится от нулевой отметки на шкале прибора (рис. 14). При таком же быстром дижении магнита внутри катушки, но уже в обратном направлении, стрелка прибора так же быстро отклонится в противоположную сторону и вернется в исходное положение. Вывод мог быть один: магнитное поле пересекает провод и возбуждает (индуцирует) в нем энергию движения свободных электронов — электрический ток.

Впрочем, можно поступить иначе: перемещать не магнит, а катушку вдоль неподвижного магнита. Результат будет тот же. Магнит можно заменить катуш­кой, по которой пропущен ток. Магнитное пол? этой катушки при пересе­чении витков второй катушки также будет возбуждать в ней электродвижу­щую силу, создающую в ее цепи электрический ток.

Явление электромагнитной индукции лежит в основе действия генератора переменного тока, представляющего собой катушку из провода, вращаю­щуюся между полюсами сильного магнита или электромагнита (на рис. 15 катушка показана в виде одного витка провода). Вращаясь, катушка пересекает силовые линии магнитного поля, и в ней индуцируется (выра­батывается) электрический ток.

Рис. 13. Проводник с током, свернутый в катушку, становится электромагни­том.

В 1837 г. русский академик Б. С. Якоби открыл явление, обратное по действию явлению электромагнитной индукции. Через катушку, помещенную в магнитном поле, ученый пропускал ток, и катушка начинала вращаться.

Рис. 15. Схема генератора пере­менного тока.

Это был первый в мире электромагнитный двигатель.

Фарадей, открывший закон электромагнитной индукции, опытным путем установил еще одно очень важное явление — возможность передавать ток из катушки в катушку на расстояние без какой-либо прямой электрической связи между ними. Дело в том, что переменный или прерывающийся ток, текущий в одной из катушек, преобразуется в переменное магнитное поле, которое возбуждает во второй катушке э. д. с. На этой основе создан замечательный прибор — трансформатор, играющий очень важную роль в электротехнике и радиотехнике.

В. Г. Борисов. Юный Радиолюбитель