Секрети уніполярної індукції
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
У фізиці є клас експериментів, все обладнання яких складається з аркуша паперу і олівця, але які, тим не менш, зіграли в розвитку фізики, мабуть, не меншу роль, ніж всі інші експерименти, разом взяті. Це уявні експерименти. Постановка їх максимально проста і залежить тільки від фантазії експериментатора. Але саме уявні експерименти – перші робочі перевірки будь-якої теорії, саме їх перш за все придумують опоненти. Буває, що результат виявляється несподівано приємним для автора нової теорії, так як ілюструє його висновки з іншої, більш наочної точки зору, але буває і навпаки. В останньому випадку уявний експеримент перетворюється в підступне «тихе питання», що змушує автора засумніватися в своїй правоті. І треба сказати, що уніполярна індукція надає багатющі можливості для постановки уявних експериментів і постановки «тихих питань». Судіть самі.
Явище уніполярної індукції полягає в тому, що при русі намагніченого тіла відбувається його поляризація: в одному місці на поверхні тіла збираються позитивні заряди, в іншому – негативні. Якщо тепер до цих крапок докласти провідник, по ньому потече струм.
Візьмемо, наприклад, постійний магніт у формі циліндра і будемо обертати його. Тоді між віссю циліндра і його бічною поверхнею з’явиться різниця потенціалів. Якщо прилаштувати до магніту, що обертається ковзний контакт, то по зовнішньому ланцюгу потече струм, сила якого прямо пропорційна швидкості обертання. (Магніт, звичайно, повинен бути провідним, наприклад, залізним.) Ось і все. Погодьтеся, що важко вказати більш простий спосіб отримання електричного струму. Уніполярний генератор влаштований навіть простіше, ніж першінапів іграшкові динамо-машини, в яких були хоч якісь обмотки.
Розберемося, як виникає електричний струм в уніполярному генераторі. Відомо, що, коли в магнітному полі рухається провідник, на вільні електрони, що знаходяться всередині провідника, діє так звана сила Лоренца. Вона викликає перерозподіл зарядів всередині провідника – його поляризацію. Якщо провідник замкнутий, по ньому безперервно будуть рухатися електричні заряди, тобто потече струм.
Щоб зрозуміти, яким чином уніполярний генератор виробляє електричний струм, уявімо собі, що ми обертаємося разом з магнітом. (Цей нехитрий уявний експеримент називається переходом у обертову систему координат.) Тепер магніт для нас нерухомий, а провідник АВ обертається навколо магніту, перетинаючи магнітні силові лінії. Отже, в провіднику збуджується електрорушійна сила (ЕРС). Струм тече по провіднику АВ, потім по радіусу магніту, потім по його осі і замикається на полюсі.
Зрозуміло також, чому контакт повинен бути ковзним. Якщо він закріплений, зовнішній провідник АВ нерухомий щодо обертового магніту, і струму немає. Уявіть тепер, що ви виклали все це перед доброзичливій науковій аудиторії, а доброзичливість у фізиків означає в таких випадках прагнення поставити якнайбільше каверзних питань. На перший з них відповісти легко. Комусь не подобається представляти себе на обертовому магніті, і він вимагає пояснити всі явища з точки зору нормального спостерігача, який спокійно сидить за столом (як кажуть, що знаходиться в лабораторній системі координат). Будь ласка. Ось одне з можливих пояснень. Зовнішній провідник АВ тепер для нас нерухомий, а ділянка ланцюга, що проходить по радіусу магніту, рухається. Знову з’являється сила Лоренца, яка жене струм по замкнутому контуру. (Зауважимо, що цей контур фіктивний, оскільки в нього при обертанні магніту входять все нові і нові ділянки ОВ.) І ось в цей момент вас запитують: скажіть, а де ж насправді діє ЕРС – в магніті або в провіднику? Це вже справжнє «тихе питання». Спочатку воно здається зовсім неважливим: адже струм визначається сумарною ЕРС, що діє на всіх ділянках замкненого кола. Але через деякий час ви відчуваєте, що за цим питанням стоїть грізна тінь уявного експерименту.
Припустимо, що ланцюг розімкнути в точках А і В. Якщо ЕРС діє в провіднику, як було блискуче доведено в самому початку, то при обертанні магніту почнуть рухатися електрони провідника, зміщуючись до одного з його кінців. Якщо ж ЕРС зосереджена в магніті, як при другому поясненні, то перерозподіляються електрони магніту. Таким чином, цілком реальне фізичне явище виявляється залежним від способу міркування.
У таких випадках для з’ясування парадоксу існує хороший прийом, багаторазово перевірений на практиці. Треба запропонувати спростити умову задачі. Давайте спочатку розглянемо прямий провідник, який рівномірно рухається в однорідному полі магніту. Якщо провідник рухається, то його електрони перерозподіляються під дією сили Лоренца, це ясно. Давайте тепер переберемося в систему провідника і спробуємо бути логічними. Якщо електрони перерозподіляються, на них діє якась сила. Силою Лоренца вона бути не може, так як провідник для нас тепер нерухомий, – значить, ця сила створюється електричним полем. Але ж ніякого електричного поля не було, коли ми розглядали явище, вважаючи нерухомим магніт!
І ось тут, в залізних лещатах уявного експерименту, нам доведеться зробити висновок: електричне (і, до речі, магнітне) поле не абсолютно, його величина та й саме існування залежать від тієї системи координат, в якій ведеться розгляд. Якщо в якійсь системі є поле тільки магнітне, то в системі, що рухається відносно першої, є поле і магнітне і електричне. (Утрируючи ситуацію, можна сказати, що, швидко обертаючись на п’яті в магнітному полі Землі, спостерігач повинен фіксувати об’єктивно існуюче навколо нього електричне поле.) Між іншим, це одна з основних заповідей електродинаміки, і дуже шкода, що про неї абсолютно не згадується в шкільних курсах фізики.
Тут ми впритул підходимо до висновків теорії відносності, але і в цій теорії, що замінює всі наші досить довгі міркування двома рядками бездоганно логічних викладок, є величини і поняття абсолютні. Перш за все, абсолютно електромагнітне поле, двома проявами якого є поле електричне та поле магнітне. І тут вже не допоможуть ніякі фокуси з системами координат: одне з цих полів обов’язково залишиться.
Ось тепер можна повертатися до уніполярного індуктора, де все, здається, встало на свої місця. Щоб ще раз не заплутатися, сформулюємо висновки. 1.У системі, що обертається з магнітом, існує тільки магнітне поле. Магніт в цій системі нерухомий, і на його вільні електрони не діють ніякі сили. Провідник рухається в магнітному полі, і на його електрони діє сила Лоренца. Вона і створює ЕРС, що викликає електричний струм. 2.У лабораторній системі координат, крім магнітного поля, існує і електричне. Всередині обертового магніту воно компенсує силу Лоренца, і повна сила, що діє на електрони магніту, дорівнює нулю. Зовнішній провідник нерухомий, сили Лоренца немає, але її з успіхом замінює електричне поле, що створює між віссю магніту і його поверхнею різницю потенціалів, точно рівну ЕРС, яка виходить в першому способі міркування.
Ви витираєте лоб, і відразу ж лунає чергове «тихе питання»: а які ж заряди реально створюють це саме електричне поле, яке виникло, так би мовити, ресувний заряд. Рухомий спостерігач побачить цей заряд переміщеним, тобто він зафіксує наявність струму. У нашому випадку ситуація зворотна. Але давайте закінчимо на цьому, тому що подібну розмову можна продовжувати до нескінченності.
Як би не була складна фізика явища, вихідна схема, з якою ми почали, дійсно проста, і заманливо подивитися, як і де її можна використовувати. Адже виниклі в уніполярному індукторі напруги зовсім малі: якщо магнітне поле дорівнює 10 000 гаус, а швидкість обертання – 3 000 оборотів в хвилину, то різниця потенціалів між екватором і полюсом обертового циліндра радіусом 1 м досягає пристойного значення – близько 150 вольт. (Між іншим, космічний мандрівник, наближаючись до Землі, яка представляє собою обертовий кулястий магніт, зафіксує різницю потенціалів між полюсом і екватором в кілька сотень кіловольт. Нам, мешканцям земної поверхні, в цьому сенсі не пощастило: в нашій системі координат ця різниця потенціалів просто відсутня.)
Для технічних застосувань постійні магніти не дуже зручні: вони важкі, бояться нагрівання і ударів, дають порівняно слабке поле. Набагато зручніше електромагніт, причому обмотку його в уніполярному генераторі можна залишити в спокої, а обертати тільки провіднику, наприклад, мідному сердечнику. А ще краще, модифікувавши цю схему, розташувати між полюсами електромагнітний плоский провідний диск: він і легше і конструктивно зручніше для знімання струму.
Уніполярний генератор володіє дуже малим внутрішнім опором, що визначається фактично лише опором ковзаючого контакту. Тому він здатний давати колосальні струми, що досягають мільйонів ампер. Так, наприклад, нещодавно побудований уніполярний генератор Австралійського Національного університету при напрузі у 800 вольт дає струм до двох мільйонів ампер. В сучасній експериментальній фізиці попит на такі струми дуже великий, а досягаються вони зазвичай за допомогою імпульсного розряду величезних конденсаторних батарей. У багатьох задачах фізики плазми, де «банки (конденсаторні) вирішують все», уніполярний генератор може виявитися дуже корисним. Який з його різновидів виявиться найбільш зручним, покаже майбутнє. Поки уніполярна індукція – ілюстрація цікавого фізичного явища, яке надає широкі можливості для суперечок і питань, що з’ясовують розуміння електродинаміки. Питання ці, звичайно, набагато складніше, ніж ті, про які йшла мова, і розгляд їх у науково-популярній статті просто неможливий.
Автор: А. Лебедєв.