Лекция "Магнитное поле. Электромагнитная индукция
advertisement
Магнитное поле. Рассмотрим опыт, проделанный датским учёным Х. Эрстедом в 1820 г. Взгляните на рисунок. В штативе закреплён провод, концы которого можно подключать к источнику постоянного тока. Рядом с проводом находится стрелка от компаса, надетая на иглу. Пока в проводе тока нет, стрелка указывает на север (рис. «а»). Теперь подключим концы провода к источнику тока. Мы увидим, что стрелка сразу же отвернётся от провода (см. рис. «б»). Стрелку можно переместить и в другое место вблизи провода, однако результат будет тем же: при включении тока стрелка будет поворачиваться, располагаясь перепендикулярно проводу. Объясним эти наблюдения. Так как стрелка отклоняется, находясь в любом месте вблизи провода, значит, в пространстве вокруг провода существует силовое поле. Точнее говоря, в пространстве вокруг проводника с током существует магнитное поле. Метод силовых линий применяют как для описания электрических, так и для описания магнитных полей. При этом силовыми линиями магнитного поля называют воображаемые линии, вдоль которых располагалась бы магнитная стрелка, помещаемая в различные точки этого поля. Рассмотрим пример. На рисунке «в» изображена одна и та же магнитная стрелка, помещаемая в разных точках вокруг провода без тока на одинаковых расстояниях от него (см. опыт «а», вид сверху, зелёным кружком обозначен провод). Магнитная стрелка указывает в одну и ту же сторону (на север). На рисунке «г» – та же стрелка, помещаемая в тех же точках вокруг провода с током в нём (см. опыт «б»). Ток условно показан красным крестиком внутри зелёного круга. Каждое положение стрелки перпендикулярно проводу, а вместе эти положения образуют окружность. Продолжим изучение магнитного поля прямого проводника с током методом силовых линий. Пустим по проводу ток силой 5–10 А, вставив его в отверстие в листе картона, а сверху будем аккуратно сыпать мелкие железные опилки. Мы увидим, что они располагаются в виде окружностей, опоясывающих проводник (рис. «д»). Такие линии образуются потому, что опилки намагничиваются и ведут себя подобно маленьким магнитным стрелочкам: располагаясь вдоль силовых линий магнитного поля, они разворачиваются, образуя множество кольцеобразных цепочек. Итак, силовые линии магнитного поля прямого проводника с током являются концентрическими окружностями, опоясывающими проводник. Направлением силовой линии магнитного поля принято считать направление, куда указывает северный конец магнитной стрелки. Например, на рис. «г» расположение северных концов показывает, что силовые линии поля направлены по ходу часовой стрелки. Если же изменить полярность подключения концов провода к «+» и «–», то стрелки развернутся на 180°, и силовые линии поля будут направлены против хода часовой стрелки (см. рис. «е»). В этом случае ток идёт из-за страницы к нам, что условно обозначено точкой внутри зелёного круга, символизирующего провод. Поэтому концы стрелки развернулись на 180° по сравнению с предыдущим опытом со стрелками (см. рис. «г»). Для определения направления силовых линий магнитного поля прямого проводника с током есть специальные правила. Правило правой руки: если прямой проводник обхватить ладонью так, чтобы отогнутый большой палец указывал направление тока в проводнике, то оставшиеся пальцы укажут направление силовых линий магнитного поля. Это же правило известно и как «правило правого буравчика»: если буравчик с правой резьбой ввинчивать по направлению тока, то направление вращения рукоятки укажет направление силовых линий магнитного поля. Соленоид и электромагнит. В предыдущем параграфе мы изучали магнитные поля прямых проводников. Рассмотрим теперь проводник, свёрнутый в виде спирали, по которому идёт ток – соленоид (греч. «солен» – трубка). Расположим вдоль его оси лист картона и посыплем его железными опилками. На рисунке отчётливо видно, что опилки выстроились в виде замкнутых линий, наиболее часто расположенных внутри витков соленоида. Следовательно, магнитное поле внутри соленоида сильнее, чем вне его. Намотаем теперь проволочную спираль на каркасе, располагая витки вплотную друг к другу – мы получим катушку (см. рисунки ниже). Включим ток и поднесём к катушке мелкие гвоздики – часть из них примагнитится. Если в неё вставить железный или стальной стержень – сердечник, то примагнитится заметно больше гвоздиков. Другими словами, происходит усиление магнитного поля. Катушка из изолированной проволоки с железным сердечником внутри называется электромагнитом. При прочих равных условиях магнитное поле электромагнита всегда сильнее магнитного поля соленоида или катушки без сердечника. Объясним усиление магнитного поля. Сначала ток намагничивает сердечник. Намагнитившись, он создаёт собственное поле, которое, складываясь с полем соленоида, образует новое, более сильное поле. Об этом мы судим по количеству притянувшихся гвоздиков. Рассмотрим другие причины, влияющие на силу магнитного действия электромагнита. Вспомним, что для наблюдения силовых линий поля прямого проводника (см. § 10-а) мы использовали ток силой 5–10 А. При меньшей силе тока опилки будут плохо намагничиваться, и картинка получится нечёткой. Следовательно, магнитное поле электромагнита усиливается при увеличении силы тока в его проводнике. Кроме того, при одной и той же силе тока поле электромагнита можно усилить, увеличив число витков проводника в его обмотке. Это объясняется тем, что магнитные поля, создаваемые каждым из витков, накладываются друг на друга и тем самым образуют новое, более сильное магнитное поле. Познакомимся с ещё одним свойством электромагнита или соленоида – запасать электроэнергию. Проделаем опыт (см. схему). Две одинаковые лампы подключены параллельно к источнику тока. Верхняя лампа – через реостат, а нижняя – через электромагнит или соленоид. У них есть общее название – катушка индуктивности. При замыкании выключателя лампа, соединённая с катушкой индуктивности, загорается позже, чем лампа, соединённая с реостатом (левый рисунок). Теперь разомкнём выключатель. В этот момент обе лампы не погаснут, а вспыхнут ещё ярче, правда, на очень короткое время (правый рисунок). Более позднее загорание ближней к нам лампы объясняется так. При включении тока его энергия идёт не только на нагревание спирали лампы, но и на создание магнитного поля вокруг электромагнита. Однако по прошествии некоторого времени энергия тока будет целиком превращаться в теплоту, разогревая спираль лампочки настолько, что она начинает светиться. При размыкании цепи ток в нижнем её проводе прекращается, и с этого момента реостат, катушка индуктивности и обе лампочки оказываются соединёнными друг с другом последовательно (мы это показали красным цветом на схеме). Поскольку лампочки кратковременно ярко вспыхнули, значит, в красной части цепи ненадолго возник источник тока. В его роли выступила катушка индуктивности. Магнитное поле вокруг неё стало исчезать, передавая свою энергию электронам в проводе, поэтому они приходят в движение. Это значит, что катушка становится источником тока. Постоянные магниты. До сих пор мы изучали магнитные поля, создаваемые проводниками. Их магнитные поля существуют, пока в проводниках есть ток. Рассмотрим теперь магнитные поля так называемых постоянных магнитов. Проделаем опыт с дугообразным постоянным магнитом, изображённым слева. Положим его в коробочку с железными опилками, слегка встряхнём и достанем магнит. Мы увидим, что опилки прилипли не ко всей поверхности магнита, а лишь к некоторым его местам, где магнитное действие проявляется наиболее сильно. Они называются полюсами магнита. Полюсы магнитов бывают двух видов: северные (N) и южные (S). Чтобы выяснить происхождение этих названий, проделаем опыт. Подвесим полосовой магнит на нити, чтобы он мог свободно поворачиваться. Когда качания магнита прекратятся, он обязательно расположится так, что один из его полюсов укажет в сторону северной части горизонта, а другой – в сторону южной. Любые магниты обязательно взаимодействуют: их одноимённые полюсы отталкиваются, а разноимённые полюсы – притягиваются. Взгляните на рисунок. Две магнитные стрелки на остриях обязательно поворачиваются разноимёнными концами друг к другу. Можно изготовить постоянный магнит, у которого будет несколько южных и несколько северных полюсов. Например, так можно намагнитить длинную стальную проволоку или пластину. Однако нельзя изготовить магнит только с одним полюсом. Выясним теперь расположение силовых линий магнитных полей постоянных магнитов. Проделаем опыт. Положим на стол два полосовых магнита и накроем стеклом, которое посыпем железными опилками. Мы получим следующие картины: На рис. «г» и «е» показано расположение силовых линий поля двух одноимённых магнитных полюсов, а на рис. «д» – разноимённых полюсов. Причём они могут быть как полюсами одного и того же магнита (например, дугообразного), так и полюсами двух разных магнитов. Наша планета тоже является постоянным магнитом. Южный магнитный полюс Земли расположен вблизи северных границ Канады, в точке с координатами 82° северной широты и 114° западной долготы. Северный магнитный полюс лежит вблизи Южного географического полюса, на краю Антарктиды, в точке с координатами 63° южной широты и 138° восточной долготы. Приведённые координаты свидетельствуют, что магнитные полюсы Земли не совпадают с её географическими полюсами. Поэтому стрелка любого компаса показывает на север не точно, а лишь приблизительно. Известно, что Солнце постоянно выбрасывает из себя потоки быстрых заряженных частиц: протонов, электронов и др. («солнечный ветер»). Они летят во всех направлениях, в том числе и к Земле. Магнитное поле Земли действует на эти потоки частиц, отклоняя их к магнитным полюсам планеты. Там они влетают в верхние слои атмосферы, вызывая их ионизацию и свечение. Так возникают красивейшие явления – полярные сияния. Действие магнитного поля на ток. Ранее мы рассмотрели опыт, где магнитное поле проводника с током действовало на магнит – стрелку компаса. Возникает вопрос: а будет ли существовать обратное явление – будет ли магнит воздействовать на проводник с током? Проделаем опыт. Посмотрите на рисунок. В начале опыта провод свисает свободно (рис. «а»). Если же концы провода присоединить к источнику тока, соблюдая расположение «+» и «–», то провод втягивается внутрь магнита (рис. «б»). Поменяв местами подключение «+» и «–», мы обнаружим, что провод выталкивается из промежутка между полюсами магнита (см. рис. ниже). Вместо дугообразного магнита в этом опыте можно взять два полосовых магнита или два электромагнита. Важно лишь, чтобы проводник с током находился в промежутке между их полюсами, где магнитное поле является наиболее сильным. Иначе говоря, магнитное поле всегда действует силой на проводник с током. Для определения направления силы есть правило. Если левую руку расположить в магнитном поле так, чтобы силовые линии входили в ладонь, а четыре пальца были направлены по току, то отогнутый большой палец укажет направление силы, действующей на проводник – гласит правило левой руки. Поясним использование этого правила и проиллюстрируем его рисунком. Силовые линии магнитного поля между полюсами магнита будут направлены от северного полюса к южному. Именно такое направление укажет магнитная стрелка, помещённая в пространство между полюсами. Значит, чтобы линии входили в ладонь, необходимо отвернуть её от себя, причём четырьмя пальцами вверх – по направлению тока. Тогда отогнутый большой палец укажет, что проводник будет смещаться вправо, что мы и наблюдаем в этом опыте. Немного усложним опыт. Вместо проводника в виде гибкого провода возьмём проволоку, согнутую в виде жёсткой рамки. Концы проволоки упрём в металлические «чашечки», подключенные к источнику тока так же, как и в случае с гибким проводом: «+» сверху (см. рис. «б»). Расположение магнита оставим прежним: северный полюс на дальнем плане справа. Если сначала рамка расположена так, как на рисунке «в», то после включения тока (рис. «г») рамка начнёт поворачиваться, пока не займёт положение, показанное на рисунке «д». Но если в момент подхода рамки к положению «д» ток выключить, то, продолжая двигаться, рамка самостоятельно довернётся в положение «в». Теперь, если снова включить ток, рамка опять, пройдя через положение «г», повернётся в положение «д». И если поступление тока регулировать так, чтобы он включался в момент «в» и выключался в момент «д», рамка будет вращаться непрерывно. Мы получим модель электрического двигателя. Выясним теперь, почему рамка вообще поворачивается. На рисунке «г» показано, что в левой части рамки ток идёт вниз (и эта часть перемещается «в глубь» магнита), а в правой части рамки ток идёт вверх (и эта часть перемещается наружу). В опыте с гибким проводом было так же: если ток шёл вниз, то провод втягивалтся внутрь магнита, как и двойная сторона рамки. Если же полярность подключения провода меняли, и ток шёл вверх, то провод выталкивалтся наружу, как и одинарная сторона рамки. Правило левой руки тоже показывает, что на противоположные стороны рамки с током, находящейся в магнитном поле, действуют противоположно направленные силы, вращающие рамку. Электродвигатель постоянного тока. В предыдущем параграфе мы вплотную подступили к пониманию работы электродвигателя постоянного тока. Вспомним, что для непрерывного вращения рамки в магнитном поле необходимо устройство, регулирующее поступление тока каждые полоборота рамки. Такое устройство называется коллектором, и в простейшем случае представляет собой два металлических полукольца, закреплённых на общей оси (см. рисунок – для наглядности мы их покрасили изнутри красным и синим цветами). Концы проволочной рамки 7 припаяны изнутри к металлическим полукольцам 1 и 5, между которыми вставлен диск из пластмассы 4, препятсвующий соприкосновению полуколец. Ток подводится по проводам к упругим скользящим контактам 2 и 6. Рамка удерживается на оси 3 двумя планками из пластмассы 8 и 9. Поскольку рамка находится в магнитном поле, при включении тока она начнёт поворачиваться. Рамка, описанная в предыдущем параграфе, останавливалась, пройдя пол-оборота. Однако рамка с коллектором будет вращаться безостановочно. Выясним, почему это происходит. Сначала красная сторона рамки находилась около южного (S) полюса магнита, и красное полукольцо касалось контакта «+». Соответственно, ток был направлен от красного полукольца к синему. Теперь рамка повернулась и оказалась красной стороной у северного (N) полюса магнита. Повернувшись в магнитном поле, рамка повернула и полукольца коллектора. Поскольку они жёстко прикреплены к рамке, то красное полукольцо теперь находится справа, около контакта со знаком «–». Следовательно, теперь ток направлен от синего полукольца к красному. Ещё через пол-оборота рамка вернётся в прежнее положение, и цикл повторится. Пока в рамке существует ток, благодаря коллектору она будет вращаться непрерывно. Итак, роль коллектора – каждые пол-оборота переключать направление тока в рамке на противоположное. Мы рассмотрели действующую модель электродвигателя, которую можно изготовить своими руками. Настоящие электродвигатели имеют не одну проволочную рамку, а множество проволочных витков, укреплённых на цилиндре (см. рисунок). Поэтому количество контактов на коллекторе будет не два, а больше (на рисунке – четыре, так как есть две взаимно перпендикулярных «обмотки»). Коллектор и проволочные обмотки, закреплённые на цилиндрическом сердечнике, образуют подвижную часть электродвигателя – ротор (от лат. «ротаре» – вращаться). Неподвижная часть электродвигателя называется статором (от лат. «статор» – стоящий). На нём закреплены магниты или электромагниты, упругие контакты (их техническое название «щётки»), клеммы, а также подшипники для облегчения вращения ротора. Важные достоинства двигателя постоянного тока – лёгкость пуска под нагрузкой и регулировки скорости вращения. Это даёт возможность широко применять такие двигатели на транспорте (трамваи, троллейбусы), в подъёмниках и т.п. КПД большинства электродвигателей более 90%, что гораздо выше, чем КПД двигателей внутреннего сгорания. Недостатки двигателей постоянного тока обусловлены наличием коллектора. Это искрение, сопровождаемое возникновением радиопомех, истирание (износ) коллектора и щёток, загрязнение подшипников образующейся при этом пылью. Поэтому приходится время от времени останавливать работу и ремонтировать двигатель. Электромагнитные приборы. Электромагнитные приборы широко используются в автоматике и электротехнике. Рассмотрим одно из таких применений – электромагнитное реле. Оно предназначено для управления током большой мощности с помощью тока малой мощности. Взгляните на рисунок бассейна. Для накачивания воды используется насос 1, двигатель 2 которого питается напряжением 220 В. Бассейн – это место с повышенной влажностью и, следовательно, с повышенной опасностью поражения током. Поэтому, согласно правилам техники безопасности, в таких местах не должно находиться электрооборудование с напряжением более 36 В. Рассмотрим, как электромагнитное реле помогает решить эту проблему. Выключатель 3, которым запускается двигатель насоса, расположен рядом с бассейном 4. Сам насос и электродвигатель находятся за стеной в отдельной комнате 5. Реле 6 расположено над электродвигателем. Источник тока 7 подаёт на обмотку реле напряжение 36 В. При замыкании этой цепи электромагнит 8 притягивает стальную пластину 9. Замыкая контакты 10, реле включает электродвигатель. Если же выключатель разомкнуть, то сердечник электромагнита размагнитится, и пружина 11 оттянет стальную пластину от контактов. Цепь разомкнётся, и двигатель насоса выключится. Немного сложнее, чем электромагнитное реле, устроен электромагнитный звонок, который можно встретить в шумных помещениях, например на станциях метро или железной дороги. Ток, начиная свой путь, например, от верхнего провода 1, проходит по верхней металлической пластине 2 через контакт 3 по нижней металлической пластине 4 с молоточком на конце. Проходя через обмотку электромагнита 5, ток вызывает притяжение нижней металлической пластины к сердечнику 6, и происходит удар молоточка 7 по чаше звонка 8. Притянувшись, пластина 4 размыкает контакт 3, ток прекращается. и молоточек вновь поднимается. Это повторяется много раз. Как видите, электромагнитный звонок автоматически регулирует поступление тока, делая его прерывистым. Частота прерывания зависит от мощности электромагнита, упругости притягивающейся к нему пластины и массы молоточка на ней. В зависимости от этих причин звонок будет издавать высокий (например, как летящая пчела) или низкий (например, как летящий шмель) звук, даже если звонок подключён к источнику постоянного тока. Рассмотрим теперь динамический громкоговоритель (динамик), который издаёт высокий или низкий звук в зависимости от меняющегося тока. Динамик для этого и предназначен: превращать меняющийся ток в звук. Внешний вид динамика вы видите на правой части рисунка, а устройство – на левой. Основные детали динамика – проволочная катушка 1, постоянный магнит в виде опоясывающего сердечника 2, соединённый с катушкой тонкостенный рупор-диффузор 3, корпус динамика 4. Изменяющийся ток, протекая по проволоке на катушке, создаёт в ней изменяющееся магнитное поле. В результате катушка то слабее, то сильнее втягивается внутрь опоясывающего сердечника или, наоборот, выталкивается из него. Другими словами, катушка колеблется внутри сердечника, вызывает колебания прикреплённого к ней рупорадиффузора, и он издаёт звук. Динамик можно использовать и «наоборот» – для превращения звука в меняющийся электрический ток. В таком случае динамик выступает в роли динамического микрофона. Произнося перед ним звуки, мы заставляем колебаться его мембрану, соединённую с проволочной катушкой внутри опоясывающего сердечника-магнита. По причине электромагнитной индукции (см. § 10-ж) в катушке возникает меняющийся ток, который передают по проводам в нужное место. Электромагнитная индукция. Вспомним опыт с проводником в магнитном поле. При включении тока проводник двигался. Но оказывается, что существует и обратное явление: если двигать проводник, находящийся в магнитном поле, то будет возникать электрический ток. Для опыта воспользуемся уже знакомой нам проволочной рамкой. Подключим к рамке осциллограф – электронный прибор для визуального изучения быстро меняющихся электрических токов. Взявшись за рамку, повернём её в магнитном поле (см. рисунок). В это время осциллограф покажет волнообразную линию. Значит, в рамке возник изменяющийся (переменный) электрический ток. Возникновение тока в проводнике, движущемся в магнитном поле (или в неподвижном проводнике, вокруг которого движется магнитное поле), называется электромагнитной индукцией. Ток, возникающий при этом, называется индукционным, а устройства для его получения – индукционными электрогенераторами. В таких генераторах происходит превращение механической энергии движущегося проводника (или магнита) в энергию электрического тока. Более 100 лет этот способ является главным для получения электроэнергии в промышленных масштабах. Основные части индукционного генератора следующие. Статор – неподвижная часть генератора. В опыте с рамкой статором являлись полюсы магнита и чашечки-контакты, между которыми находится рамка. Вращающаяся часть генератора – ротор. Как правило, он содержит не одну проволочную рамку, а множество проволочных обмоток. В наиболее мощных генераторах проволочные обмотки неподвижны и закреплены на статоре, а движется магнитное поле – вместе с расположенными на роторе электромагнитами. Именно так устроены мощные генераторы крупных электростанций. Как мы уже отметили, для возникновения индукционного тока необязательно, чтобы двигался именно проводник. Ток будет возникать и в том случае, если будет двигаться магнитное поле по отношению к проводнику (см. рисунок). Вдвигая в катушку магнит, мы «вдвигаем» внутрь неё и магнитное поле. И наоборот. Когда магнит движется, осциллограф отмечает наличие тока. На графике показано, как с течением времени (ось t) меняется сила (ось I) индукционного тока. В точке А началось наблюдение. Сначала график шёл вверх (точки A, B, C), то есть сила тока увеличивалась. Затем, достигнув максимума (точка C), сила тока начала уменьшаться (точки C, D, E), и в точке E ток на мгновение стал равен нулю. В этот момент «+» и «–» на концах катушки (правый рисунок) или рамки (левый рисунок) поменялись местами, то есть электроны в проводнике двинулись обратно. При движении по графику через точки C, D, E мы наблюдали уменьшение силы тока, а при движении через точки E, F, G сила тока возрастала и вновь достигла максимума в точке G. Продвигаясь через точки G, H, K, мы наблюдаем постепенное уменьшение силы тока до нуля (точка K). В этот момент «+» и «–» на концах рамки вновь меняются местами. После этого сила тока вновь будет расти, достигнет максимума, начнёт уменьшаться и снова обратится в ноль: ток опять сменит направление. В промышленности стран Европы наибольшее распространение получил переменный ток, изменяющий своё направление 100 раз в секунду. Это значит, что за каждую секунду во всех проводах и электроприборах вашей квартиры ток идёт 50 раз в одну сторону и 50 раз в обратную сторону (говорят: частота тока 50 герц). Электромагнитные волны. До этого момента мы изучали механические колебания и волны, теперь переходим к изучению электромагнитных волн. Несмотря на различную природу этих волн, они подчиняются схожим закономерностям, поэтому мы их изучаем вместе, в одной теме. В XX веке для людей стало обычным использовать радиоприёмники, телевизоры, радиотелефоны, музыкальные центры, микроволновые печи, спутниковые телевизионные антенны, а также пульты управления ими. Все эти приборы излучают или принимают электромагнитные волны. Что же такое электромагнитная волна? Существует ли она сама по себе или же только вокруг передатчика? Имеет ли электромагнитная волна некоторую скорость распространения или же мгновенно добегает из одной точки земного шара в другую? Развитие физики в XIX-XX веках показало: электромагнитные волны представляют собой взаимосвязанные колебания электрического и магнитного полей, и могут существовать как самостоятельный объект (то есть независимо от породившего их источника). Например, космический корабль, отслуживший свой срок, постепенно снижается, и, входя в плотные слои атмосферы, сгорает. Однако волны, испущенные его передатчиками, ещё долгое время будут распространяться в космосе, и могут быть уловлены радиоприёмниками на Земле и вблизи других планет. Полёты космических аппаратов к далёким планетам продемонстрировали, что скорость распространения электромагнитных волн велика, но не бесконечна: приблизительно 300 000 км/с. Поэтому, например, команды, передаваемые в виде радиоволн космическим аппаратам, находящимся на Луне, приходят туда с запаздыванием по времени приблизительно на 1 с. Этот рисунок-шкала показывает разнообразие электромагнитных волн (спектр). Радужной полоской отмечена часть спектра, которую человек может воспринимать зрением (видимое излучение). Первую половину электромагнитного спектра, область сравнительно малых частот, занимают электромагнитные волны, называемые радиоволнами. Забегая вперёд, отметим, что радиоволны создаются колебательными контурами. Инфракрасное и видимое излучения создаются молекулами и атомами при их тепловых и электрических взаимодействиях. Ультрафиолетовое и рентгеновское создаются атомами под действием ускоренных частиц. Гамма-лучи возникают при ядерных реакциях. Излучение электромагнитных волн различных видов мы изучим в 9 классе. Электромагнитные волны оказывают различное влияние на человека – благоприятное (например, тепло, загар) и неблагоприятное (возможно ухудшение внимания, памяти, сна). Для защиты от воздействия излучений применяют принципы времени и расстояния. Вопервых, ограничивают время, проводимое вблизи источников опасного излучения. Вовторых, перемещаются возможно дальше от опасных источников. Электромагнитные колебания. Как вы уже знаете, переменные токи, создаваемые индукционными генераторами, имеют частоту 50 Гц. Однако для работы многих электронных устройств необходимы токи более высоких частот, измеряемых килогерцами (кГц) и мегагерцами (МГц). Для их генерирования служат специальные электрические цепи – колебательные контуры. Любой колебательный контур всегда состоит из конденсатора и катушки индуктивности. Рассмотрим явления в колебательном контуре на опыте. Для этого соберём цепь по левой схеме (рис. «а»). Сначала конденсатор получает энергию от источника постоянного тока. При этом верхняя пластина заряжается положительно, а нижняя отрицательно – на ней скапливается избыток электронов. Переключим конденсатор на катушку индуктивности (рис. «б»). Избыток электронов с нижней пластины конденсатора устремится через катушку к верхней пластине, и в цепи возникнет ток. Поэтому катушка индуктивности создаст вокруг себя магнитное поле. Можно предположить, что когда конденсатор разрядится, ток в контуре прекратится. Проверим эту гипотезу. Для этого присоединим к катушке осциллограф и повторим наблюдение. Осциллограмма показывает, что сила тока в контуре колеблется, периодически бывая равной нулю, и существует намного дольше, чем длится одно колебание. Осциллограмма показывает также, что колебания являются затухающими. Так происходит потому, что катушка индуктивности и соединительные провода обладают электрическим сопротивлением. И, по закону Джоуля-Ленца, электрическая энергия будет постепенно превращаться в теплоту. Поэтому свободные колебания в контуре всегда являются затухающими. Рассмотрим колебания в контуре, содержащем конденсатор и катушку индуктивности с точки зрения превращений энергии. Возникающий при разрядке конденсатора ток непостоянен, значит, непостоянно и магнитное поле катушки. Оно усиливается и достигает максимума, когда конденсатор полностью отдаст свой заряд (рис. «в»). Следовательно, энергия электрического поля конденсатора полностью превратится в энергию магнитного поля. Однако после разряда конденсатора ток не прекратится. Магнитное поле катушки, оставшись «без подпитки», начнёт ослабевать (рис. «г»). Запасённая им энергия будет постепенно передаваться электронам катушки. Они придут в движение, создав индукционный ток такого направления, что электроны из нижней пластины, проходя через катушку к верхней пластине, придадут ей отрицательный заряд (рис.«д»). Поскольку ранее эта пластина была положительно заряженной, говорят, что произошла перезарядка конденсатора: плюс и минус на нём поменялись местами. Теперь, когда конденсатор вновь заряжен, он может снова создавать ток, правда, уже противоположного направления (рис. «е»). Так будет повторяться до тех пор, пока вся энергия, полученная конденсатором от источника тока, не превратится в теплоту. Одной из характеристик электромагнитных колебаний является период – наименьшее время, за которое происходит двойная перезарядка конденсатора (или полный цикл изменения магнитного поля катушки). Единица периода колебаний – 1 секунда. Величину, обратную периоду, называют частотой колебаний. Единица частоты – 1 герц (1 Гц = 1/с). Частота колебаний зависит от размеров и формы конденсатора и катушки, а также от свойств среды внутри и вокруг них. Излучение и приём электромагнитных волн. Устройств, которые излучают и принимают электромагнитные волны, вокруг нас множество. Это сотовые телефоны, «рации» у таксистов, пожарных и охранников. Каков же принцип действия передатчиков и приёмников электромагнитных волн? В колебательном контуре заряд конденсатора периодически то увеличивается, то уменьшается. Значит, существующее между его пластинами электрическое поле периодически изменяется: то усиливается, то ослабевает. С такой же частотой меняется сила тока в катушке индуктивности, следовательно, и магнитное поле периодически изменяется: то усиливается, то ослабевает. Но не следует думать, что конденсатор создаёт только электрическое поле, а катушка индуктивности – только магнитное поле. В 1864 г. английский учёный Дж.Максвелл создал теорию, утверждающую, что электрическое и магнитное поля наблюдаются «по одиночке», только если каждое из них не изменяется с течением времени. Поскольку электрическое и магнитное поля непостоянны, то вокруг колебательного контура существует меняющееся электромагнитное поле. Чтобы электромагнитное поле распространялось на большое расстояние, колебательный контур нужно сделать открытым. Вообразим, что пластины конденсатора постепенно отодвигают друг от друга (см. рисунок). При этом переменное электромагнитное поле, существующее между пластинами, оказывается снаружи колебательного контура и распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн. Опыты подтверждают теорию Максвелла и показывают, что пластины конденсатора можно убрать. Тогда прямые отрезки проводов превратятся в простейшую антенну – устройство для излучения или приёма электромагнитных волн. Только что мы рассмотрели так называемый открытый колебательный контур. В нём свободные колебания будут затухать очень быстро, так как энергия будет быстро уноситься волнами в окружающее пространство. Поэтому для создания в антенне незатухающих электрических колебаний используют специальный прибор – генератор тока высокой частоты. Взгляните на рисунки. У генератора есть антенна из двух отрезков проволоки, которая создаёт переменное электромагнитное поле. Оно распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн. Ко второй такой же антенне подключена лампочка. Если антенны расположены параллельно вблизи друг друга, лампочка светится (см. левый рисунок). Объяснение опыта. Электромагнитное поле, созданное передающей антенной, воздействует на электроны внутри принимающей антенны. Они приходят в движение под действием меняющегося поля, смещаясь то к одному, то к другому концу антенны, создавая переменный индукционный ток, который вызывает нагревание и свечение спирали лампочки. Отодвинем приёмную антенну с лампочкой дальше от передающей антенны. Лампочка будет светить тусклее. Значит, энергия, излучаемая передающей антенной, рассеивается в пространстве. Повернув антенны перпендикулярно друг к другу, мы не увидим света лампочки (см. правый рисунок). Это объясняется тем, что силовые линии электрического и магнитного полей имеют определённое направление. Поэтому воздействие поля на электроны приёмной антенны зависит от её расположения. Свойства электромагнитных волн. В предыдущем параграфе мы рассмотрели опыты с генератором электромагнитных волн высокой частоты. Он был удобен тем, что вы могли видеть как источник волн, так и приёмник – антенну из двух проволок. Для следующих опытов возьмём генератор и приёмник электромагнитных волн сверхвысокой частоты. Чем больше частота, тем короче может быть антенна. Ниже показаны передатчик и приёмник, антенны которых настолько малы, что поместились внутри рупоров, удобных для опытов. Отражение волн. Расположим рупоры передатчика и приёмника вблизи друг друга, наклонив их вниз. Электромагнитная волна не будет попадать в приёмный рупор, поэтому стрелка вольтметра будет на нуле. Изменим условия опыта – расположим между рупорами металлическую пластину. Теперь излучённая передатчиком электромагнитная волна отразится от электропроводящей поверхности и попадёт в рупор приёмника, поэтому вольтметр покажет наличие сигнала (см. рисунок). Преломление волн. Расположим рупоры передатчика и приёмника напротив, немного опустив передатчик. При включении генератора вольтметр отметит отсутствие сигнала. Теперь поместим между рупорами куб из пластмассы, и вольтметр отметит наличие сигнала (см. рисунок). Так может произойти только в том случае, если испущенная передатчиком электромагнитная волна преломляется внутри диэлектрика. Дифракция волн.Дифракцией называется отклонение волн от прямолинейного распространения в одной и той же среде, приводящее к огибанию ими препятствий. Для наблюдения дифракции электромагнитных волн продолжим опыты с теми же приборами. Расположим рупоры напротив друг друга. При включении генератора вольтметр отметит наличие сигнала. Теперь закроем приёмный рупор электропроводящим металлическим диском. Вольтметр отметит отсутствие сигнала. Передвинем теперь диск на середину между рупорами. Вольтметр снова отметит наличие сигнала, хотя, и более слабого, чем прежде. Сделаем вывод: электромагнитная волна, частично огибая диск, попадает в рупор приёмника (см. рисунок). Интерференция волн. Интерференция – это наложение нескольких волн, при котором возникает перераспределение их энергии, приводящее к возникновению областей с чередующимися усилениями и ослаблениями колебаний (то есть областей, куда энергия, переносимая волнами, попадает в меньшей или большей степени). Для подготовки к наблюдению интерференции направим излучающий рупор на два металлических листа, расположенные под углом, чуть меньшим 180° (см. рисунок). Будем передвигать приёмный рупор в зоне между крайними красными стрелками. Ими мы показали области, где приёмник обнаружит максимумы притока энергии волн. В промежутке между стрелками приёмник отметит минимумы поступления энергии.
