Механизм перерезывания магнитных линий проводником

Основываясь на данном в § 11 общем анализе основных слу­чаев преобразования магнитного потока, мы обратимся теперь к вопросу о механизме электромагнитной индукции тока и покажем, как надлежит представлять себе „перерезывание", или „пересечечение", магнитных линий проводником, т. е. как надлежит представлять себе тот процесс, который по Фарадею, является основной причиной генерирования индуктированного тока.

Рассмотрим движение проводника поперек внешнего магнитного поля. На рис. 25 схематически представлен магнитный поток, ис­ходящий из северного полюса некоторой магнитной системы и входящий в южный.

Пусть А представляет собою сечение прямо­линейного проводника, перпендикулярного плоскости рисунка. Допустим, что этот проводник, двигаясь слева направо, как показано стрелкой, должен перерезать все магнитные линии поля. При этом могут быть два случая. Первый случай — проводник разомкнут, т. е. не входит в состав замкнутого проводящего кон­тура. В этом случае, оставляя в стороне начальный момент, мы можем сказать, что в проводнике не будет поддерживаться индук­тированный электрический ток, и мы имеем все основания пред­ставлять себе, что во время движения проводника поперек магнит­ного поля магнитное линии, нисколько не деформируясь, проходят

сквозь вещество проводника. Второй случай — проводник замкнут. Создаются условия для длительного прохождения по проводнику индуктированного электрического тока. В случае достаточной силы этого тока проводник может быть окружен непосредственно к немуприлегающими кольцевыми магнитными линиями тока (рис. 26), причем направление этого тока будет в данном случае от нас за плоскость рисунка.

В силу бокового распора между магнитными линиями, проводник с током оказывается как бы забронированным от проникновения внутрь него магнитных линий внешнего поля. Эти последние должны вследствие этого деформироваться при движении проводника, как показано на рис. 26, 27 и 28.

Последовательность явлений необходимо представлять себе в этом случае так: от схемы, изображенной на рис. 26, мы со „скачком" переходим к схеме рис. 27.

Стадия процесса, изображен­ная на этом рисунке, представляет момент отделения „отпочкова­ния" от второй (слева) магнитной линии одного магнитного звена, которое оказывается нанизанным на проводник подобно другим магнитным линиям тока. Таким образом, вторая магнитная линия, бывшая справа от проводника, оказывается теперь слева. Той же участи последовательного деформирования, отпочкования и перекидывания справа от проводника налево подвергаются по очереди (рис. 28) все „перерезываемые" линии внешнего магнитного поля.

Так надлежит представлять себе в общем случае, в полном соответствии с идеями Фарадея, процесс „перерезывания" магнит­ного потока движущимся проводником, по которому идет индукти­рованный ток. Что в дальнейшемпроисходит с магнитными звеньями, нанизывающимися на проводник в процессе электромагнитной индукции тока, об этом мы скажем в главе V: „Природа электриче­ского тока". Что же касается вопроса о самом возникновении индук­тированного тока, т. е. о том, как совершается переход от картины, изображенной на рис. 25, к сложной схеме деформированного магнит­ного потока (рис. 26), то об этом пока можно только сказать, что повидимому, деформирование внешнего потока начинается вследствие некоторой механической реакции со стороны замкнутого проводника.

Необходимо еще обратить внимание на то обстоятельство, что в случае, изображенном на рис. 28, процесс преобразования магнитных линий пойдет в обратном порядке, если внеш­няя сила прекратит движение проводника слева направо, но ток поддерживается за счет дру­гого источника, и предоставлено будет электро­магнитной силе двигать проводник в обрат­ном направлении, т. е. справа налево. Процесс „перерезывания" магнитных линий движущимся проводником с током в данном случае будет происходить следующим образом. Деформиро­ванные магнитные линии начнут выпрямляться, и самое это стремление их сократить свою длину, выпрямиться, именно и является, по Фарадею, причиной возникновения электро­магнитной силы. Ясно, конечно, что по мере выпрямления, скажем, линии 3 и продвижения проводника с током справа налево находящаяся слева от проводника линия 2 начнет сближаться с не­которым магнитным звеном, нанизанным на проводник (рис. 27). На основании предыдущего понятно, что это сближение закончится слиянием этого звена с магнитной линией 2, которая при этом получит вид линии 3 на рисунке 28 и т. д. Одним словом, электро­магнитный процесс, которым мы так широко пользуемся в электро­двигателях, сопровождается снятием с токоведущего проводника магнитных звеньев, обязанных своим происхождением тому, что внешний генератор энергии возбуждает в цепи рассматриваемого проводника электрический ток. Энергия этого тока, расходуемая в электродвигателе, притекает извне от генератора к тому месту, где она преобразуется в механическую работу в процессе вы­прямления деформированных магнитных линий, как это было выше указано.

Разберем еще один простейший случай преобразований магнит­ного потока в процессе электромагнитной индукции. Имеем (рис. 29) два параллельных проводника А₁В₁ и A₂B₂, составляющие части

двух замкнутых проводящих контуров.

Как известно, при всяком изменении силы тока в первом из них, во втором возникает ЭДС. Эта ЭДС имеет такое направление, что ток, вызываемый ею, со­здает магнитный поток, стремящийся воспрепятствовать изменению силы тока в первом проводнике.

Рассмотрим случаи замыкания и размыкания первичной цепи. Стоя на точке зрения Фарадея и Максвелла, мы должны пред­ставлять себе, что основной энергетический процесс, характеризую­щий явление, которое мы называем электрическим током, имеет место не в самом проводнике, а в диэлектрике, его окружающем. Несомненно, далее, что когда мы имеем в какой-либо цепи электриче­ский ток, то все, что происходит в самых отдаленных частях этой цепи, есть результат первичного процесса, имеющего место в генераторе. Мы имеем, вообще говоря, передачу энергии от генератора к приемнику и можем сказать, что энергия течет в этом направлении. Как именно течет, это — вопрос особый. Прежде уделялось преимущественное внимание тому, что происходит вну­три проводника, и в связи с этим предполагалось, что электриче­ская энергия течет по проводникам подобно тому, как вода течет по трубам. В настоящее время мы признаем, что проводник играет лишь роль своего рода направляющей и что энергия передается по диэлектрику (известно, что мы имеем случаи передачи энергии и без проводов). Таким образом, появление магнитного поля в про­странстве, окружающем проводник с током, можно рассматривать как результат притока Энергии от генератора к данному месту через диэлектрик, окружающий проводник. Во время установления электрического тока в проводнике мы имеем усиление магнитного поля вокруг него. Естественно предположить, как это и сделал Фарадей, что магнитные линии сначала появляются в непо­средственной близости к проводнику и затем распространяются дальше: магнитные линии как бы раздуваются в радиальном на­правлении, заполняя пространство вокруг проводника. Это измене­ние диаметра контуров магнитных линий является одной из стадий преобразования магнитного потока в рассматриваемом случае. При замыкании первичной цепи и возникновении в ней тока, мы получим во втором проводнике (A₂B₂) ЭДС как результат пере­сечения его круговыми магнитными линиями, удаляющимися от первого проводника. При направлении тока в проводнике А₁В₁, указанном на чертеже стрелкой, мы найдем направление кольцевых магнитных линий по правилу штопора. Направление ЭДС в про­воднике A₂B₂ найдем, применяя правило трех пальцев правой руки и имея в виду движение проводника А₂В₂ относительно магнитных линий. Эта ЭДС и создаваемый ею ток будут иметь направление, указанное на чертеже стрелкой, т. е. обратное на­правлению тока, возникающего в проводнике.A₁B₁.

При размыкании тока в проводнике A₁B₁ процесс исчезновения магнитного поля происходит, по Фарадею, так, как будто упругие

магнитные линии в процессе -.преобразования магнитного потока стягиваются к проводнику со слабеющим током. В этом случае проводник А₂В₂ пересекается магнитными линиями в противопо­ложном направлении, и по тому же правилу трех пальцев мы найдем, что индуктированная в нем ЭДС создает ток того же на­правления, что и в проводнике A₁B₁.

Говоря здесь о „пересечении" проводника магнитными линиями, мы под этим процессом должны понимать рассмотренный выше «процесс почкования магнитных линий, являющийся другой стадией

преобразования магнитного потока в данном случае. А именно, возникающая (рис. 30) или исчезающая (рис. 31) магнитная линия, соответственно раздуваясь или стягиваясь, встречает на своем пути проводник А₂В₂, В результате встречи с проводником она может деформироваться и, вообще говоря, образовывать охватывающую проводник петлю, обращенную внутрь, т. е. к оси магнитных ли­ний, в случае возникнове­ния первичного тока, и наружу—в случае его ис­чезновения (рис. 30 и 31).

В дальнейшем, в резуль­тате слияния петель в перехвате, основные маг­нитные линии восстана­вливаются в первоначаль­ной кольцеобразной форме, на проводнике же А₂В₂ остается отпочковавшееся магнитное звено. Напра­вление магнитной линии, составляющей это звено, очевидно, определяется на­правлением магнитной линии, откоторой это звено отпочковалось, и, в свою очередь, дает нам непосредственно направление индуктированного тока (правило штопора). Таким образом мы видим, что можно найти направление ЭДС и тока, возникающих в проводнике в результате электромаг­нитной индукции, и не применяя различных мнемонических правил (напр., правила трех пальцев). Вообще, в тех случаях, когда приме­нение этих правил почему-либо затруднительно (напр., в случае слож­ности схемы), следует представить себе картину движения и поч­кования магнитных линий; направление магнитной линии, соста­вляющей отпочковавшееся звено, дает нам в связи с основным правилом штопора непосредственно направление возникающего в проводнике индуктированного тока.