Электроника?.. Нет ничего проще! - Жан-Поль Эймишен

Н. — Эти устройства отличаются большой сложностью, и я имею о них довольно смутное представление.

Л. — Я несколько сомневаюсь в справедливости твоих слов, и поэтому мы немного займемся электротехникой. Начнем с двигателя постоянного тока. Посмотри, что я нарисовал на рис. 96.

Рис. 96. Схематическое изображение принципа действия электродвигателя. Виток помещен в магнитное поле NS, создаваемое постоянным магнитом; протекающий по витку ток создает магнитное поле N'S', которое, взаимодействуя с полем магнита, поворачивает виток.

Большой подковообразный магнит создает горизонтальное магнитное поле; в этом поле я поместил горизонтально расположенный виток провода и пропустил по нему ток. Забудем на минуту о магните; скажи, пожалуйста, что произойдет с нашим витком под воздействием протекающего по нему тока?

Н. — О, это я знаю. Виток превратился в нечто аналогичное совершенно плоскому магниту; северный полюс этого магнита расположится сверху, а южный — снизу.

Л. — Абсолютно верно. Но скажи, Незнайкин, как, по твоему мнению, постоянный и неподвижный магните горизонтальным магнитным полем будет воздействовать на виток, обладающий вертикальным магнитным полем?

Н. — Я полагаю, что оба магнита будут воздействовать друг на друга и в результате такого взаимодействия магнит или виток повернулся.

Л. — Так как магнит прочно укреплен, повернется виток, он будет стремиться подвести свой северный полюс к южному полюсу магнита. Если виток укрепить на оси, то повернется и эта ось.

Н. — Мне не хотелось бы тебя огорчать. Любознайкин, но, если я правильно понимаю, «двигатель Любознайкина» может повернуться только на четверть оборота, иначе говоря, он очень мало меня интересует.

Л. — Не торопись с подобной критикой. Если бы у меня был только один подобный виток, то он (я в этом с тобой полностью согласен) смог бы повернуться только на четверть оборота. Но я хитрей, чем ты думаешь. Я укреплю на оси несколько витков, несколько сместив один относительно другого, чтобы они могли работать поочередно.

Н. — Но тогда нужно приставить специального человека, который посылал бы ток в различные витки. Он должен поворачиваться очень быстро и посылать ток именно в нужный виток.

Л. — Начнем с того, что предложенному тобой человеку вообще нечего делать, потому что по мере вращения оси витки сами будут проходить поочередно перед ними. Посмотри на рис. 97, где я нарисовал два витка и обозначил их цифрами 1 и 2.

Рис. 97. Чтобы изображенный на предыдущем рисунке двигатель мог повернуться более чем на 1/4 оборота, пришедший в движение виток 1 заменяют витком 2.

Как ты видишь, витки заканчиваются небольшими пластинками, при соединении которых со щетками В и В' по виткам протекает ток. Когда виток 1 расположен горизонтально (или немного наклонно) щетки В и В' подают ток в него. Когда (под воздействием магнита на создаваемое этим витком магнитное поле) ось начнет вращаться, ток перестанет поступать в виток 1, но в это время его место займет виток 2, в котором и начнет протекать ток через щетки В и В'.

Н. — Очень хитрая система. Значит ты расположишь перпендикулярно два витка, которые будут работать поочередно.

Л. — Я поставлю не два, а значительно большее количество витков, следовательно, больше придется поставить и пластинок. Реальная конструкция витков намного сложнее, но и описанная мной система вполне пригодна для практического использования. Таким образом, мы создали двигатель постоянного тока. Барабан из пластинок, вращающийся между щетками и поочередно подключающий к ним различные витки, называется коллектором. Иногда для создания магнитного поля, воздействующего на витки, используют постоянный магнит, как это показано на рис. 96, но часто предпочтение отдают электромагниту. Его катушку называют обмоткой возбуждения, а вращающуюся катушку — обмоткой якоря.

Н. — По сути дела электрический двигатель не так сложен, как я думал.

Л. — Правильно, в принципе это очень просто. Видишь ли, Незнайкин, вся хитрость конструкции двигателя заключается в использовании силы воздействия поперечных силовых линий магнитного поля на электрический ток. На заре электротехники думали использовать силу электромагнита, притягивающего железо. Эта сила в большей степени зависит от расстояния между электромагнитом и куском железа и поэтому требует создания сложной системы переключения катушек. Это обстоятельство побудило ряд очень серьезных авторов заявить, что электрический двигатель осужден окончательно и бесповоротно и что его никогда и нигде, кроме как в игрушках, использовать не удастся. К счастью, после этого подумали об использовании боковых сил. Попутно скажу тебе, что якорь обычно делают не из одного куска металла, а набирают из пластин, как трансформаторы, чтобы избежать возникновения вихревых токов. В якоре прорезают канавки, куда укладывают витки провода, о которых я тебе уже говорил. Стальные детали в форме полумесяца, именуемые полюсными наконечниками (потому что они соединены с полюсами магнита или электромагнита), расположены почти вплотную к якорю, чтобы облегчить замыкание в нем магнитных силовых линий. А теперь, Незнайкин, я задам тебе каверзный вопрос. Что случится, если я возьму двигатель постоянного тока с постоянным магнитом и начну вращать его якорь?

Н. — О, своим вопросом ты ставишь меня в довольно затруднительное положение. Я полагаю, что раз витки провода пересекают магнитное поле, в этих витках должно наводиться напряжение.

Л. — Совершенно верно; благодаря щеткам и коллектору проводник, в котором магнитный поток изменяется наиболее быстро, всегда окажется соединенным через щетки с внешней цепью, и наш двигатель превратится в источник электрического тока.

Н. — Согласен, я внимательно следил за твоими объяснениями, но хотел бы знать, какова будет частота этого тока?

Л. — Тебе, Незнайкин, придется немало потрудиться, чтобы ее найти, потому что она равна нулю… На практике наша машина не даст строго постоянного тока: когда щетки будут покинуты парой пластин коллектора, сменяемой другой парой, в цепи возникнут небольшие колебания. Но так как очередной подключаемый к щеткам виток вращающегося якоря всегда занимает одно и то же положение относительно магнита, то ток во внешней цепи, подключенной к щеткам, будет всегда протекать в одном направлении. Таким образом, мы создали прибор, который называется динамомашиной.

Н. — Одно обстоятельство меня серьезно беспокоит, я не вижу никакой разницы между двигателем и динамомашиной!

Л. — Ты прав, Незнайкин, потому что конструктивно это абсолютно одно и то же. Все сводится только к вопросу об использовании. Если я вращаю якорь, затрачивая механическую энергию, и собираю произведенную электроэнергию, то я использую наш прибор как динамомашину; если я подаю ток в якорь, затрачивая электрическую энергию, и применяю полученную механическую энергию, то я использую его как электродвигатель.

Н. — Согласен, но и здесь один вопрос меня беспокоит. Когда мы заставим наш прибор работать как электродвигатель, а он на это время не забудет, что может быть динамомашиной… Тогда он в свою очередь начнет производить электрический ток, который наложится на тот, что мы ему подаем… Что же будет делать этот ток, помогать или мешать?

Л. — Превосходно рассудил, Незнайкин, но ты мог бы сам найти ответ на свой вопрос, вспомнив о противоречивом характере индукции, ты можешь быть заранее уверен, что создаваемая нашим прибором э. д. с. (так как он всегда остается динамомашиной) будет противостоять тому току, который мы создаем внешним источником, чтобы заставить работать прибор как двигатель. Эту препятствующую э. д. с. называют противоэлектродвижущей силой двигателя.

Н. — Но это уже ужасно! В двигателе не будет никакого тока, и он перестанет вращаться… Но если он перестанет вращаться, исчезнет противо-э. д. с. и он опять начнет вращаться… Я чувствую, что схожу с ума!

Л. — Не нервничай, Незнайкин, все это намного проще. Представь себе, что я подаю на двигатель некоторое напряжение, в результате по виткам якоря потечет ток, частота вращения будет нарастать. По мере увеличения частоты вращения повышается и противо-э. д. с. Через некоторое время наступает момент, когда она станет достаточно близкой к приложенному напряжению, в результате чего разность между этими двумя напряжениями пропустит в двигатель относительно небольшой ток. Этого тока будет достаточно только для поддержания вращения: полученная механическая энергия целиком уйдет на преодоление силы трения. Теперь заставим двигатель выполнять работу и для этого подключим к нему какую-нибудь нагрузку. Движение двигателя несколько замедлится, что вызовет уменьшение противо-э. д. с., которая перестанет (в такой мере, как раньше) уравновешивать приложенное к двигателю напряжение, благодаря чему ток в двигателе возрастет и даст ему достаточную механическую энергию, чтобы справиться с увеличившейся нагрузкой.