О преобразованиях магнитного потока

Во всех без исключения электромагнитных механизмах (динамомашинах, электродвигателях и т. п.) всегда вообще, когда мы имеем дело с преобразованием механической энергии в энергию электрического тока или обратно, а также с перераспределением или изменением запаса энергии, связанной с наличием магнитного потока, — во всех этих случаях мы встречаемся с какими-либо изменениями конфигурации магнитного потока в целом ила в от­дельных частях системы. В справедливости этого утверждения мы с несомненностью убеждаемся при тщательном обследовании элек­тромагнитных процессов. Всякое изменение конфигурации магнит­ного потока мы будем называть преобразованием магнитного потока.

Из всего комплекса фарадеевских представлений о магнитных. линиях особо существенное значение имеет представление об их непрерывности. Как было выше разъяснено (§ § 4, 5 и 6), магнит­ные линии всегда образуют обязательно замкнутые контуры. Каж­дый элемент магнитного потока, т.-е. каждую магнитную линию, мы должны мыслить, как замкнутый контур, ни в коем случае не могущий быть прерванным. Эту замкнутую магнитную линию мы должны сверх того мыслить, как весьма эластичную нить, могу­щую претерпевать какие угодно деформации и изменения, но только не разрыв. Концов магнитной линии мы не можем себе представить, и, насколько нам известно, в природе их не существует.

Итак, строго придерживаясь воззрений Фарадея, мы должны принять, что, какие бы превращения магнитная линия ни претер­певала, она всегда непрерывна и контур ее неизменно сохраняется замкнутым.

Отметим между прочим, что магнитные линии в отношении непрерывности ведут себя подобно замкнутым вихревым нитям. Гельмгольца, представляющим собой контуры, которые никаким способом не могут быть, разорваны. Как известно, вихревою нитью в какой-либо жидкости называется совокупность частиц жидкости, заключающаяся в некотором объеме трубчатой формы с чрезвы­чайно малым сечением и вращающаяся вокруг оси этого трубчатого элемента объема. Гельмгольц подверг математическому обсле­дованию свойства вихревых нитей и показал, что в идеальной жидкости, т.-е. в жидкости без внутреннего трения, вихревая нить может существовать только или в виде замкнутого кольца, или же заканчиваясь на границах данной идеальной жидкости. В безгра­ничной идеальной жидкости возможны только замкнутые вихревые кольца, которые, следовательно, никоим образом не могут быть разрезаны. Вместе с тем, по Гельмгольцу, такие вихревые кольца, раз возникшие в идеальной жидкости, абсолютно неуничтожаемы. Вдоль оси всякой вихревой нити существует стремление к сокра­щению, или тяжение, а в поперечном направлении — стремление к расширению, или давление на окружающие участки среды. Все это в значительной степени соответствует известным нам свойствам

магнитных линий. Сверх того, серьезным доводом в пользу при­знания за этим соответствием чего-то большего, чем простая ана­логия, служит, по мнению Максвелла, открытое Фарадеем явление магнитного вращения плоскости поляризации, свидетель­ствующее о существовании в магнитном поле какого-то вращения вокруг осей, совпадающих с силовыми линиями этого поля, В виду изложенного Максвелл в ряде своих работ, посвященных вопросу о природе магнитного поля и явлений, в нем наблюдаемых, рас­сматривал магнитные линии, как вихревые нити в некоторой идеаль­ной среде. Представление о ней мы можем связать с идеей „миро­вого эфира". Хотя в последнее время в науке и проявлялась тен­денция отрешиться от понятия „мировой эфир", тем не менее идея эта продолжает оставаться весьма полезной и даже совершенно необходимой в целом ряде случаев и, в частности, когда мы строим предположения о вероятном механизме электромагнитных явлений.

При преобразованиях магнитного потока в целом ряде случаев мы имеем дело с процессом такого непрерывного преобразования отдельных магнитных линий, во время которого путем слияния некоторых частей этих линий может происходить либо деление одной замкнутой магнитной линии на два обособленных замкнутых же маг­нитных звена, либо, обратно, соединение двух обособленных магнит­ных звеньев в один общий замкнутый контур. Подобного рода пре­образования магнитных линий были рассмотрены в свое время Фа­радеем, и он описывает их в III томе „Опытных Исследований по Электричеству". В следующих параграфах, данных здесь в переводе, довольно определенно выражено мнение Фарадея по этому поводу, явившееся результатом длительного и тщательного изучения физических свойств магнитного поля.

3226. „Силовые линии различных магнитов, в случае благо­приятного расположения их друг относительно друга, соединяются (сращиваются)".

С 3227. „При этом соединении не имеет места какое бы то ни было возрастание активности линий; поток между двумя сближае­мыми полюсами обладает тою же активностью (в отношении индук­тивных действий), как и совокупность линий, исходящих из полюса постоянного магнита, когда мы имеем дело лишь с ним одним (3217)...".

3230. „Линия магнитной силы, рассматриваемая как замкнутая цепь (3117), проходит в своем протяжении через оба магнита, когда они располагаются так, что действуют друг на друга в благоприят­ном смысле, т.-е. когда их линии сближаются и соединяются. Сое­динение это не есть прибавление одной силовой линии к другой в отношении активности, но оно представляет собою их объеди­нение в общую цепь".

3294. Сближение магнита с магнитом и все, что этим обусловли­вается (3218), происходит в полной гармонии, насколько я мог обнаружить, с идеей о физической линии магнитной силы...". Итак, при анализе ряда конкретных случаев таких преобразо­ваний мы будем руководствоваться взглядами Фарадея на ха­рактер этих процессов. Основным моментом в непрерывном пре-

образовании одной замкнутой магнитной линии в два обособленных магнитных звена или в обратном преобразовании двух магнитных звеньев в один общий контур является момент контакта двух участ­ков магнитных линий противоположного направления. В месте контакта происходит как бы нейтрализация двух противоположных магнитных состояний среды, сопровождающаяся исчезновением маг­нитного состояния в точке контакта и преобразованием первоначальной конфигурации магнитных линий в новую. Момент контакта соот­ветствует неустойчивому состоянию системы, подобно тому как в слу­чае слияния или разделения двух капель жидкости мы встречаемся также с неустойчивым состоянием и именно в момент контакта. Отэтого неустойчивого состояния система стремится перейти к устойчивому в ту или другую сторону от состояния контакта, в зави­симости от общего направления процесса преобразования.

Проследим теперь отдельные стадии интересующего нас про­цесса преобразования магнитных линий. Рассмотрим два постоянных подковообразных магнита (рис. 17), расположенных сначала вдали один от другого, т. е. допустим при этом, что расстояние между линиями A₁B₁ и А₂В₂ очень велико.

В таком случае мы имеем два обособленных магнитных потока, каждый из которых связан с соответствующим магнитом. Магнитные линии, исходящие из северного полюса одного из магнитов, направляются к южному полюсу того же магнита. Расположение полюсов на рис. 17 наме­ренно взято таким, что в одном магните между полюсами магнит­ные линии идут сверху вниз, а в другом — снизувверх. Будем те­перь сближать магниты. Противоположно направленные магнитные линии двух потоков в процессе сближения будут, по Фарадею, находиться в условиях „благоприятных" для слияния и в своем стремлении слиться они будут взаимно притягиваться, приходя попарно в контакт одна с другой. В месте контакта происходит слия­ние двух магнитных линий, образующих до этого каждая свой осо­бый замкнутый контур, в один общий контур, проходящий через

оба магнита. На рис. 18 схематически представлена картина рас­положения магнитных линий в случае, когда магниты несколько сближены.

Часть магнитных линий двух обособленных потоков уже претерпела преобразование и слилась, образовав общие контуры, часть же сохранила еще свою самостоятельность и попрежнему соединяет полюсы одного и того же магнита. При дальнейшем сбли­жении магнитов мы должны притти к пределу такого рода преобразований (рис. 19).

Почти все магнитные линии со­льются: исходя из север­ного полюса одного маг­нита, они направляются главным образом в близ расположенный южный по­люс другого.

Обратные преобразо­вания будут происходить при раздвигании магни­тов: от расположения, изо­браженного на рис. 19, мы дойдем до наибольшего удаления, представленного на рис. 17. При этом пучок магнитных линий, соединяющих разноименные полюсы разных магнитов, будет расширяться в силу бокового распора в системе магнитных линий, его образующих. В связи с этим начнут сближаться противоположно направленные ли­нии верхнего и нижнего пучков, между этими ли­ниями будут последова­тельно происходить кон­такты и слияния в новые комбинации из отдельных частей замкнутых магнит­ных линий, образовывав­ших до того общие для двух магнитов контуры.

В результате мы будем иметь восстановление двух первоначаль­ных обособленных магнитных потоков. Рис. 18 мы можем рассма­тривать теперь как промежуточную стадию этого обратного пре­образования, а рис. 17 иллюстрирует окончательный результат. Итак, контур магнитной линии может претерпевать всякого рода деформирования и преобразования вплоть до отделения новых за­мкнутых магнитных линий или, обратно, контур данной магнитной линии может сливаться с контуром другой магнитной линии и в ре­зультате образовывать единый контур, и все это происходит без каких бы то ни было нарушений непрерывности магнитных линий, т. е. без их разрывов, без обнажения их концов.

Аналогию этому можно привести и из области электрических цепей. Действительно, всякий замкнутый контур постоянного тока

можно без перерыва тока и даже без всякого изменения тока преобразовать в два отдельных и электрически совершенно не связанных проводящих контура, если только в основном контуре есть хотя бы две точки, между которыми разность потенциалов равна нулю. Это практически может иметь место, если в основном контуре тока существуют хотя бы два независимых источника элек­тродвижущей силы, действующие в контуре в одну и ту же сто­рону. Подобрав надлежащим образом сопротивление отдельных частей цепи, всегда можно получить искомые две точки. Коротко соединяя эти две точки между собою, мы ни в малейшей степени не изменим силы тока в какой бы то ни было части рассматривае­мой системы. Но при этом мы по существу будем уже иметь два независимых контура, лишь соприкасающиеся в одной общей точке и могущие совершенно разделиться при соответствующем разрезании проводов в этой точке. В то же время электрические токи, проте­кающие по этим двум контурам, остаются неизменными и ни на момент не прекращающимися. Подобным образом можно осуще­ствить непрерывное преобразование некоторого контура тока в два независимых и не связан­ных друг с другом контура с токами. В случае сверхпроводящего контура такое преобразование может по­вторяться сколь угодно большое число раз, так как все точки сверхпроводящей цепи, некоторой про­текает постоянный элек­трический ток, всегда имеют один и тот же потенциал. И обратно: путем непрерывного преобразования без изменения сил токов можно слить сколь угодно большое число электрических цепей, по которым протекают токи одной и той же силы, в один общий контур.

Повидимому, в рассматриваемых случаях преобразования маг­нитных линий и электрических токов происходит нечто подобное разделению и слиянию струй в материальной жидкости, где из замкнутого контура основной струи может выделиться новый за­мкнутый контур самостоятельной замкнутой струи, а также может произойти обратное воссоединение этих струй при полном сохране­нии непрерывности движения жидкости: всякая частица жидкости, участвующая в движении, может во все время преобразования струй продолжать свое движение, ни на момент не останавливаясь. В ка­честве иллюстрации к сказанному можно предложить такого рода эксперимент. Представим себе вместо подковообразных магнитов две трубки такой же формы с помещенными внутри них пропелле­рами. Вся система располагается в сосуде с водой. Надлежащим образом согласованное вращение двух пропеллеров создает поток воды общий для двух трубок: струи этого потока будут замыкаться между концами обеих сближенных трубок, как показано на рис.20.

Начнем затем удалять подковообразные трубки одну от другой, пе­реходя в конце концов к расположению, представленному схемати­чески на рис. 21. Во все время этого раздвигания, без какого бы то ни было нарушения непрерывности движения любой частицы жидкости, мы будем иметь такое преобразование струй, которое приведет нас к двум обособленным замкнутым потокам воды, каждый из которых связан с одной только трубкой. Описываемый эксперимент можно произвести и в обратном порядке, идя от рас­положения, изображенного на рис. 21, к состоянию полного сбли­жения трубок (рис. 20).

В этом случае произойдет обратное преобразование струй: из двух обособлен­ных потоков воды мы получим один общий.

Рассмотрим еще общую схему преобразования магнитных линий, связанных с двумя сближенными вит­ками, по которым текут токи одина­кового направления. Как показано на рисунке 22, большая часть маг­нитных линий является общей для обоих витков.

Будем раздвигать эти витки. Для большей наглядности со­средоточим внимание на какой-либо общей для обоих витков линии. На рис. 23 вверху схематически представлены следы двух раздвигаемых проводов, разрезанных плоскостью рисунка, и одна охватывающая их магнитная линия.

Ниже представлено деформирование магнитной линии в несколько продвинувшейся стадии. Противоположно направленные части одной и той жезамкнутой магнитной линии в промежутке между прово­дами стремятся сблизиться. Еще ниже это сближение изображено в стадии, непосредственно предшествующей неустойчивому состояниюконтакта и слияния в перехвате, за которым следует разделе-

ние исходной магнитной линии на два обособленных магнитных звена, сцепляющихся каждое со своим витком (рис. 23, внизу).

В конце концов, при достаточном раздвижении витков подоб­ному преобразованию последовательно подвергнутся все магнитные линии, общие для обоих витков, и получатся два совершенно, обособленных магнитных потока, каждый из которых сцепляется только с одним витком.

При сближении проводников, несущих электрические токи оди­накового направления, происходит обратное явление (рис. 24).

А именно, путем слияния двух замкнутых магнитных линий, изобра­женных вверху, образуется одна, сначала в виде восьмерки, затем она немедленно приобретает более устойчивую форму, бисквитообразную. При этом мы получаем магнитную линию, охватывающую оба проводника. Здесь опять мы не имеем дела с разрывом магнитных линий, а лишь с преобразованием их, осно­ванном на слиянии.

Все рассмотренные выше схемы распределения магнитных линий в различных стадиях их преобразования (рисунки 17 — 24) в общем вполне соответствуют тому, что может быть получено либо путем магнитных спектров, либо путем аналитического решения вопроса о силовых линиях магнитного поля в каждом частном случае. Отметим при этом, что стадия контакта магнитных линий может быть без всяких затруднений обследована только аналитическим методом. Магнитные же спектры в этом случае не могут дать от­четливой картины, ибо как раз в месте контакта магнитная сила

в точности равна нулю, а вблизи этого места почти равна нулю, и, следовательно, в этой области отсутствует или почти отсутствует та ориентирующая сила, которая должна надлежащим обра­зом располагать железные опилки.