Секреты униполярной индукции
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
В физике есть класс экспериментов, все оборудование которых состоит из листа бумаги и карандаша, но которые, тем не менее, сыграли в развитии физики, пожалуй, не меньшую роль, чем все остальные эксперименты, вместе взятые. Это мысленные эксперименты. Постановка их максимально проста и зависит только от фантазии экспериментатора. Но именно мысленные эксперименты — первые рабочие проверки любой теории, именно их прежде всего придумывают оппоненты. Бывает, что результат оказывается неожиданно приятным для автора новой теории, так как иллюстрирует его выводы с иной, более наглядной точки зрения, но бывает и наоборот. В последнем случае мысленный эксперимент превращается в коварный «тихий вопрос», заставляющий автора усомниться в своей правоте. И надо сказать, что униполярная индукция предоставляет богатейшие возможности для постановки мысленных экспериментов и задания «тихих вопросов». Судите сами.
Явление униполярной индукции заключается в том, что при движении намагниченного тела происходит его поляризация: в одном месте на поверхности тела собираются положительные заряды, в другом — отрицательные. Если теперь к этим точкам приложить проводник, по нему потечет ток.
Возьмем, например, постоянный магнит в форме цилиндра и будем вращать его. Тогда между осью цилиндра и его боковой поверхностью появится разность потенциалов. Если пристроить к вращающемуся магниту скользящий контакт, то по внешней цепи потечет ток, сила которого прямо пропорциональна скорости вращения. (Магнит, конечно, должен быть проводящим, например, железным.) Вот и все. Согласитесь, что трудно указать более простой способ получения электрического тока. Униполярный генератор устроен даже проще, чем первые полуигрушечные динамо-машины, в которых были хоть какие-то обмотки.
Разберемся, как возникает электрический ток в униполярном генераторе. Известно, что, когда в магнитном поле движется проводник, на свободные электроны, находящиеся внутри проводника, действует так называемая сила Лоренца. Она вызывает перераспределение зарядов внутри проводника — его поляризацию. Если проводник замкнутый, по нему непрерывно будут двигаться электрические заряды, то есть потечет ток.
Чтобы понять, каким образом униполярный генератор вырабатывает электрический ток, представим себе, что мы вращаемся вместе с магнитом. (Этот нехитрый мысленный эксперимент называется переходом во вращающуюся систему координат.) Теперь магнит для нас неподвижен, а проводник АВ вращается вокруг магнита, пересекая магнитные силовые линии. Следовательно, в проводнике возбуждается электродвижущая сила (ЭДС). Ток течет по проводнику АВ, затем по радиусу магнита, потом по его оси и замыкается на полюсе.
Понятно также, почему контакт должен быть скользящим. Если он закреплен, внешний проводник АВ неподвижен относительно вращающегося магнита, и тока нет. Представьте теперь, что вы изложили все это перед доброжелательной научной аудиторией, а доброжелательность у физиков означает в таких случаях стремление задать как можно больше каверзных вопросов. На первый из них ответить легко. Кому-то не нравится представлять себя на вращающемся магните, и он требует объяснить все явление с точки зрения нормального наблюдателя, спокойно сидящего за столом (как говорят, находящегося в лабораторной системе координат). Пожалуйста. Вот одно из возможных объяснений. Внешний проводник АВ теперь для нас неподвижен, а участок цепи, проходящий по радиусу магнита, движется. Снова появляется сила Лоренца, которая гонит ток по замкнутому контуру. (Заметим, что этот контур фиктивный, поскольку в него при вращении магнита входят все новые и новые участки ОВ.) И вот в этот-то момент вас спрашивают: скажите, а где же на самом деле действует ЭДС — в магните или в проводнике? Это уже настоящий «тихий вопрос». Вначале он кажется совершенно неважным: ведь ток определяется суммарной ЭДС, действующей на всех участках замкнутой цепи. Но через некоторое время вы чувствуете, что за этим вопросом стоит грозная тень мысленного эксперимента.
Предположим, что цепь разомкнута в точках А и В. Если ЭДС действует в проводнике, как было блестяще доказано в самом начале, то при вращении магнита начнут двигаться электроны проводника, смещаясь к одному из его концов. Если же ЭДС сосредоточена в магните, как при втором объяснении, то перераспределяются электроны магнита. Таким образом, вполне реальное физическое явление оказывается зависящим от способа рассуждения.
В таких случаях для выяснения возникшего парадокса существует хороший прием, многократно проверенный на практике. Надо предложить упростить условие задачи. Давайте сначала рассмотрим прямой проводник, который равномерно движется в однородном поле магнита. Если проводник движется, то его электроны перераспределяются под действием силы Лоренца, это ясно. Давайте теперь переберемся в систему проводника и попытаемся быть логичными. Если электроны перераспределяются, на них действует какая-то сила. Силой Лорэнца она быть не может, так как проводник для нас теперь неподвижен, — значит, эта сила создается электрическим полем. Но ведь никакого электрического поля не было, когда мы рассматривали явление, считая неподвижным магнит!
И вот тут, в железных тисках мысленного эксперимента, нам придется сделать вывод: электрическое (и, кстати, магнитное) поле не абсолютно, его величина да и само существование зависят от той системы координат, в которой ведется рассмотрение. Если в какой-то системе есть поле только магнитное, то в системе, движущейся относительно первой, есть поле и магнитное и электрическое. (Утрируя ситуацию, можно сказать, что, быстро вращаясь на пятке в магнитном поле Земли, наблюдатель должен фиксировать объективно существующее вокруг него электрическое поле.) Между прочим, это одна из основных заповедей электродинамики, и очень жаль, что о ней абсолютно не упоминается в школьных курсах физики.
Здесь мы вплотную подходим к выводам теории относительности, но и в этой теории, заменяющей все наши довольно длинные рассуждения двумя строчками безупречно логичных выкладок, есть величины и понятия абсолютные. Прежде всего, абсолютно электромагнитное поле, двумя проявлениями которого являются поле электрическое и поле магнитное. И тут уже не помогут никакие фокусы с системами координат: одно из этих полей обязательно останется.
Вот теперь можно возвращаться к униполярному индуктору, где все, кажется, встало на свои места. Чтобы еще раз не запутаться, сформулируем выводы. 1. В системе, вращающейся с магнитом, существует только магнитное поле. Магнит в этой системе неподвижен, и на его свободные электроны не действуют никакие силы. Проводник движется в магнитном поле, и на его электроны действует сила Лоренца. Она и создает ЭДС, вызывающую электрический ток. 2. В лабораторной системе координат, кроме магнитного поля, существует и электрическое. Внутри вращающегося магнита оно компенсирует силу Лоренца, и полная сила, действующая на электроны магнита, равна нулю. Внешний проводник неподвижен, силы Лоренца нет, но ее с успехом заменяет электрическое поле, создающее между осью магнита и его поверхностью разность потенциалов, точно равную ЭДС, которая получается в первом способе рассуждения.
Вы вытираете лоб, и сразу же раздается очередной «тихий вопрос»: а какие же заряды реально создают это самое электрическое поле, которое возникло, так сказать, движный заряд. Движущийся наблюдатель увидит этот заряд перемещающимся, то есть он зафиксирует наличие тока . В нашем случае ситуация обратная. Но давайте кончим на этом, так как подобный разговор можно продолжать до бесконечности.
Как бы ни была сложна физика явления, исходная схема, с которой мы начали, действительно проста, и заманчиво посмотреть, как и где ее можно использовать. Ведь возникающие в униполярном индукторе напряжения совсем не малы: если магнитное поле равно 10 000 гаусс, а скорость вращения — 3 000 оборотов в минуту, то разность потенциалов между экватором и полюсом вращающегося цилиндра радиусом 1 м достигает приличного значения — около 150 вольт. (Между прочим, космический путешественник, приближаясь к Земле, которая представляет собой вращающийся шарообразный магнит, зафиксирует разность потенциалов между полюсом и экватором в несколько сотен киловольт. Нам, обитателям земной поверхности, в этом смысле не повезло: в нашей системе координат эта разность потенциалов просто отсутствует.)
Для технических применений постоянные магниты не очень удобны: они тяжелы, боятся нагревания и ударов, дают сравнительно слабое поле. Гораздо удобнее электромагнит, причем обмотку его в униполярном генераторе можно оставить в покое, а вращать только проводящий, например, медный сердечник. А еще лучше, модифицировав эту схему, расположить между полюсами электромагнита плоский проводящий диск: он и легче и конструктивно удобнее для съема тока.
Униполярный генератор обладает очень малым внутренним сопротивлением, определяемым фактически лишь сопротивлением скользящего контакта. Поэтому он способен давать колоссальные токи, достигающие миллионов ампер. Так, например, недавно построенный униполярный генератор Австралийского Национального университета при напряжении в 800 вольт дает ток до двух миллионов ампер. В современной экспериментальной физике спрос на такие токи очень велик, а достигаются они обычно с помощью импульсного разряда огромных конденсаторных батарей. Во многих задачах физики плазмы, где «банки (конденсаторные) решают все», униполярный генератор может оказаться очень полезным. Какая из его разновидностей окажется наиболее удобной, покажет будущее. Пока униполярная индукция — иллюстрация интересного физического явления, предоставляющего богатые возможности для споров и вопросов, выясняющих понимание электродинамики. Вопросы эти, конечно, гораздо сложнее, чем те, о которых шла речь, и рассмотрение их в научно-популярной статье просто невозможно.
Автор: А. Лебедев.