В повседневной жизни мы используем множество электротехнических устройств самого разнообразного назначения. Все они состоят из компонентов, тем или иным образом взаимодействующих с электрическим током. Рассмотрим их работу, но не так, как учили в школе, а с несколько иных позиций, используя инструментарий, хорошо зарекомендовавший себя ранее.
Что такое проводник, полупроводник и диэлектрик, знают все. Подробного рассмотрения этот вопрос не требует, достаточно лишь отметить, что в природе нет ничего идеального. То есть, даже самый лучший проводник всегда оказывает какое-то сопротивление движению тока, а любой диэлектрик не является абсолютной преградой для электрических зарядов. Полупроводники мы рассмотрим отдельно, когда речь зайдёт о диодах и транзисторах. На этом обзор материаловедения можно закончить и перейти к наиболее простым компонентам радиоэлектронных схем, но в то же время, наиболее часто применяемым в различном электротехническом оборудовании.
Резистор
Резистор по праву считается самым часто применяемым элементом в радиотехнике, независимо от того, в каком устройстве он стоит - миниатюрном или очень большом. Его основная задача - уменьшения тока и напряжения на различных участках схемы путём противодействия движению электрических зарядов в цепи. Главный параметр любого резистора - его сопротивление, все прочие назовём третьестепенными.
Взаимоотношения тока, напряжения и сопротивления в электрических схемах администрирует закон Ома. Его наиболее простая интерпретация I=U/R, что на словах выглядит так:
Ток на участке цепи прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению.
Собственно, это краткий пересказ информации из школьного учебника. Он нам потребовался лишь для того, чтобы обратить внимание на закон Ома, поскольку он по праву может носить звание "Самый Главный Закон Электротехники". Его ещё именуют эмпирическим, то есть - многократно подтверждённым на практике, но не имеющем академического объяснения. По каким причинам современная наука не уделила должного внимания этому вопросу, остаётся лишь догадываться, ведь очевидно, что закон Ома является частным случаем закона сохранения Энергии/Массы, который считается фундаментальным для физики.
Историки утверждают, что в трудах Аристотеля встречается упоминание "закона сохранения Материи", согласно которому Масса и Энергия - это "две половинки одного ореха - Материи", и её количество неизменно при преобразовании Массы в Энергию и обратно. Но, вернёмся в современность...
Следует отметить, что правило Бернулли в гидравлике и закон рычага в механике действуют аналогично с законом Ома, поскольку они также являются частными случаями закона сохранения Массы/Энергии. То есть, движение электрического тока в проводнике может рассматриваться по аналогии с действием жидкости в гидравлической системе, а также на различных механических моделях.
Для того чтобы сравнить между собой непохожие друг на друга, но действующие по общему Сценарию процессы, смотрим следующий блок картинок:
а)
б)
Рис. 79
На картинке выше два типа подключения резисторов - параллельное (рис. 79.а), при котором неизменной величиной является напряжение, и последовательное (рис. 79.б), здесь уже ток проявляет своё постоянство. Для сравнения процессов, происходящих в электрической цепи, с гидравликой и механикой, несколько изменим первое изображение и получим следующее:
а)
б)
Рис. 80
Согласно правилу Бернулли при сужении трубы возрастает скорость течения жидкости в ней и при этом падает давление. При увеличении сечения происходит обратный процесс. То есть, при неизменном количестве жидкости, проходящим через трубу определённого сечения, давление и скорость потока - взаимно обратные величины по отношению друг к другу. Обратим внимание, что ток и напряжение в цепи при неизменной мощности пребывают в той же обратно пропорциональной зависимости - растёт ток, уменьшается напряжение и наоборот.
От формулы Бернулли с множеством несущественных для нашего случая величин оставим лишь наиболее важные параметры системы - давление Pи скорость потокаV. Через них выразим массовую долю воды, проходящую по разным участкам трубопровода за определённый период времени M/t в виде произведения давления на скорость потока PV, поскольку эти величины отражают один и тот же процесс, но через разные величины. Очевидно, что на входе и выходе системы массовая доля жидкости будет неизменной, независимо от сложности строения трубопровода и существования участков, на которых скорость потока и давление могут сильно отличаться друг от друга. Собственно, в этом и состоит смысл закона сохранения Массы/Энергии.
Следующая картинка также иллюстрирует параллельное соединение, но теперь на механической модели (рис. 2б). Сила, необходимая для приведения в движение трёх тележек какой угодно массы, будет суммой сил, требующихся для перемещения каждой из тележек. Конечно, на этой схеме нет ничего похожего на рычаг, но нам требовалась модель, которая была бы наиболее близка к процессам, изображённым на картинках рис. 79. а и рис. 80. а. Что касается самого закона рычага, то там тоже присутствует обратно пропорциональная зависимость силы от длины плеча. Древние греки его формулировали так:
Выигрываем в силе, проигрываем в расстоянии.
Картинка из учебника может быть такая:
Рис. 81
Подведём следующий итог размышления:
Независимо от того, в цепи переменного или постоянного тока используется резистор, он служит для ограничения количества электрических зарядов, движущихся по участку схемы. В различных вариантах построения схемы, он является регулятором тока или напряжения, но только в сторону уменьшения.
Поскольку механическим аналогом электрическому сопротивлению является трение, то в процессе своей работы резистор нагревается, и чем больше тока проходит через него, тем горячее будет резистор. Это свойство довольно часто используется в бытовой технике, когда требуется небольшой по размеру и мощности нагреватель. Существуют и более специфические варианты использования резисторов, но их мы оставим за рамками данного размышления, и перейдём к следующему по частоте использования компоненту.
Конденсатор
Если принцип работы резистора в учебнике физики описан адекватно, в полной мере отвечая реалиям, то с конденсатором ситуация обстоит диаметрально противоположным образом. То есть, современная наука описывает работу конденсатора совсем не так, как это происходит в действительности. Для этого используются вымышленные сущности, ничуть не проясняющие ситуацию, а наоборот, запутывающие суть происходящих процессов.
В рамках данного размышления постараемся исправить ошибки, допущенные традиционной наукой в отношении второго по частоте применения в электротехнике элемента - конденсатора.
Согласно информации из учебника заряды в конденсаторе хранятся на металлических пластинах, а расположенный между ними диэлектрик нужен лишь для изоляции. При этом хорошо известно, что количество запасаемого конденсатором электричества зависит не только от площади обкладок, но и от материала диэлектрика. Если мы вместо диэлектрика используем электролит, то ёмкость конденсатора при неизменной площади обкладок возрастёт во много раз. Электролитический конденсатор мы обсудим чуть позже, а сейчас продолжим рассмотрение обычных конденсаторов, "диэлектрическое тело" которых состоит из веществ, для электрического тока являющихся изолятором.
Заметим также, что все попытки зарядить металлическую пластину, независимо от её размера и формы обречены на неудачу - металлы почему-то наотрез отказываются удерживать на своей поверхности заряды любой полярности. Тем не менее, наличие диэлектрика между двумя пластинами позволяет свершиться чуду - металл обретает нетипичное для него свойство. Даже в случае, когда между двумя пластинами нет никакого диэлектрика, это всё равно будет полноценный конденсатор, поскольку воздух также обладает диэлектрическими свойствами.
Для объяснения такого странного эффекта, когда на двух близко расположенных пластинах металла возникает электрическое напряжение, традиционной науке пришлось пойти на хитрость - ввести понятие электрическое поле. Просто потому, что другого объяснения на тот момент никто не догадался предложить. Примерно так же появились термины - магнитное и гравитационное поле.Здесь сработало традиционное академическое правило - если существующих знаний не хватает, то используется "волшебный термин" - Поле. Если он так удачно сработал в случае с электромагнитными явлениями, почему бы его не использовать и для всего остального. Но, довольно лирики...
Существуют так называемые "вакуумные конденсаторы", у которых пластины находятся внутри запаянной стеклянной колбы. Но даже в этом случае мы имеем внутри газовую среду, пускай и очень разряжённую, поскольку для создания "настоящего вакуума" потребовалось бы нарушить один из основных законов природы, который гласит:
Природа не терпит пустоты.
Отсюда делаем вывод, что конденсатор - это не только его металлические обкладки, но и диэлектрик, находящийся между ними.
Движемся далее...
Считается, что конденсатор проводит переменный ток, и даже постоянный, но только в тот краткий момент, когда он заряжается. Получается, что диэлектрик, который находится между обкладками, вовсе не изолятор. Такого рода утверждения - момент для науки явно неловкий, ведь очевидно, что проводник - проводит ток, а изолятор - изолирует. Если существуют какие-то исключения из правил, то названия Проводник и Изолятор нужно срочно менять на что-то более адекватное реалиям.
Но, не будем торопиться, и попытаемся разобраться, что имел в виду автор, допускающий подобные утверждения.
Для начала ответим на вопрос:
Зачем вообще нужен диэлектрик в конденсаторе?
Ответ такой:
Конденсатор хранит электрические заряды в диэлектрике, а металлические обкладки исполняют роль транспорта для них.
Конечно, подобное утверждение противоречит тому, что мы изучали в школе, но оно легко доказуемо на практике.
Проведём несколько простых "экспериментов выходного дня", для которых понадобятся листы любого металла - меди, алюминия или даже оцинкованного железа, а в качестве диэлектрика можно использовать бумагу, картон, пластик или какую-нибудь плотную ткань. Главное условие, чтобы они были сухими и чистыми. Ещё нужен вольтметр и блок питания с широким диапазоном напряжений. Сила тока у него может быть любой, на ход эксперимента эта величина практически не влияет.
Для того чтобы опыт давал более наглядные результаты листы материала для обкладок нашего импровизированного конденсатора и самого "диэлектрического тела" должны иметь достаточную площадь, поскольку плотного прилегания добиться вряд ли получится, а значит и результаты не будут слишком впечатляющими. Тем не менее, при удачном ходе эксперимента даже в таком "конденсаторе" можно запасти энергию для заметной глазу электрической искры.
Начинаем:
Опыт N1 "Определение места хранения электрических зарядов в конденсаторе"
1. На большом столе собираем два "конденсатора" - пару листов металла, а между ними лист пластика или картона.
2. Заряжаем один из "конденсаторов" от источника питания, после чего отсоединяем провода.
3. Отмечаем возникновение постоянного напряжения на одном "конденсаторе" отсутствие на другом, к которому мы не подключали блок питания.
4. Аккуратно снимаем верхний лист металла с обоих "конденсаторов", после чего меняем местами листы диэлектрика - с заряженного "конденсатора" на тот, где зарядка не производилась.
5. Кладём верхние листы металла обратно туда, откуда их ранее сняли.
6. Измеряем напряжение на первом "конденсаторе", который был заряжен и на втором "пустом".
В результате этого опыта мы обнаружим, что электричество переместилось из заряженного "конденсатора" вместе с листом диэлектрика в тот "конденсатор", которого мы не заряжали.
Опыт N2 "Смена полярности конденсатора"
1. Собираем на столе "конденсатор" - сверху и снизу листы металла, внутри лист диэлектрика.
2. Заряжаем этот "конденсатор" от источника постоянного тока, после чего отсоединяем провода.
3. Измеряем напряжение на обкладках и определяем расположение "плюса" и "минуса" вольтметром.
4. Снимаем верхний лист металла, после чего переворачиваем лист диэлектрика так, чтобы у него поменялись верх с низом.
5. Возвращаем лист металла обратно и меряем напряжение.
Результатом будет смена полярности - "плюс" и "минус" поменяются местами.
Опыт N3 "Изменение ёмкости конденсатора"
1. Один из "конденсаторов" заряжаем от источника постоянного тока.
2. Снимаем с него лист металла, после чего сдвигаем лист пластика в сторону примерно на треть или половину площади.
3. На освободившееся место кладём другой лист диэлектрика, который должен быть незаряженным. Он нам требуется для того, чтобы предотвратить замыкание металлических пластин.
4. Возвращаем лист металла, снятый ранее, точно на то место, где он лежал прежде, то есть, напротив нижнего листа. Между ними у нас теперь два листа диэлектрика - "заряженный" и "пустой".
5. Измеряем напряжение на "конденсаторе" и отмечаем, что прежние значения напряжения заметно уменьшились.
6. Сдвигаем "заряженный" лист диэлектрика обратно и снова измеряем напряжение. Отмечаем, что напряжение вернулось к первоначальным значениям.
Опыт N4.
1. Заряжаем "конденсатор" от блока питания или даже от бытовой электрической розетки, после чего отключаем провода.
2. Замыкаем обкладки конденсатора проводом.
Если площадь конденсатора достаточно большая, мы увидим искру.
Подведём итог по результатам проведённых экспериментов:
Конденсатор хранит электрические заряды в диэлектрике, а вовсе не на металлических обкладках.
Это значит, что о существовании в конденсаторе электрического поля, диффузных токов, векторов индукции и других "высоконаучных сущностей" можно далее не упоминать, ведь очевидно, что внутри него происходят обычные механические процессы - металлические обкладки в конденсаторе исполняют функцию транспортировки зарядов по двум направлениям - в "тело диэлектрика" и обратно в электрическую цепь. Соответственно, чем выше площадь контакта проводника и диэлектрика, тем больше электрических зарядов можно упаковать в диэлектрик, который непременно будет противодействовать такому принуждению. Этот параметр именуется диэлектрическим сопротивлением. Ему можно противодействовать только повышением напряжения питания - увеличением "давления электрических зарядов", но и здесь имеется ограничение, так называемое - Напряжение Пробоя, когда изолятор превращается в проводник.
Теперь, когда мы уже достаточно знаем о функции металлических обкладок и диэлектрика, расположенного между ними, обсудим основные свойства этого радиоэлектронного компонента.
Утверждение в учебнике физики о том, что исправный конденсатор может проводить постоянный или переменный ток - не соответствует действительности, поскольку любой диэлектрик для электрического тока всегда является изолятором. Естественно, речь идёт об использовании конденсатора в рабочем диапазоне напряжений, не способных вызвать его электрический пробой.
Сейчас чуть подробнее о наблюдаемом эффекте.
В момент зарядки конденсатора постоянным напряжением мы регистрируем возникновение тока в электрической цепи, но не в самом конденсаторе. Когда электрические заряды насыщают "пустой" диэлектрик, они действительно устремляются по соединительным проводам внутрь конденсатора, и стрелка амперметра при этом отклоняется, но только до того момента, пока диэлектрик не заполнится зарядами. Момент окончания зарядки произойдёт тогда, когда напряжения источника питания и самого конденсатора сравняются. Амперметр при этом покажет нулевое значение - отсутствие тока в цепи.
Следует заметить, что любой аккумулятор ведёт себя так же - когда он пустой, зарядный ток максимальный, а когда полный, показания амперметра находятся вблизи нуля. Дальнейший заряд конденсатора и аккумулятора возможен только при увеличении напряжения на источнике питания, но это с высокой вероятностью испортит аккумулятор, а в конденсаторе возможен электрический пробой диэлектрика и даже термический, после которого конденсатор можно смело выбрасывать.
Для того чтобы поставить жирную точку в вопросе проводимости конденсатором постоянного тока в момент его зарядки, достаточно установить в электрическую цепь два амперметра, которые бы находились по разные стороны от выводов конденсатора. Сравнив их показания, мы будем точно знать, проводит конденсатор электрический ток или нет. Опыт совсем простой и не требует применения дорогостоящих приборов.
Механическим аналогом конденсатору будет пружина, которая запасает энергию в момент сжатия и высвобождает, когда распрямляется. Сжатие пружины требует приложения определённой силы, а конденсатору для зарядки нужны электрические заряды, "давление" которых в электрических цепях мы называем напряжением. Движение зарядов по проводнику - это уже электрический ток. Когда конденсатор зарядится, ток исчезнет, останется только напряжение. Процесс чем-то напоминает накачку насосом велосипедного колеса. Мы затрачиваем силы, сжатый воздух движется по шлангу внутрь колеса и там накапливается. Если камера изготовлена из качественной резины и в ней нет дырок, давление внутри неё может сохраняться очень долго, даже если велосипед не используется. Та же картина и с конденсатором - изготовление его из химически чистых материалов и соблюдение рекомендуемых производителем режимов использования - залог долгой службы без потери ёмкости.
Переменный ток состоит из тех же электрических зарядов, что и постоянный, и конденсатор для него тоже изолятор. При этом амперметр обязательно покажет движение тока в цепи, разделённой конденсатором на два независимых друг от друга участка. Возникает парадоксальная ситуация - приборы регистрируют движение тока сквозь конденсатор, который его проводить не может, поскольку по своей сути является изолятором.
В чём подвох?
На самом деле, амперметр в режиме измерения переменного тока его предварительно выпрямляет, иначе прибор покажет лишь "вибрацию тока" без каких-то понятных значений. Соответственно, в режиме измерения переменного тока мы видим не само значение тока, а так называемую реактивную мощность, либо реактивную составляющую тока, проходящую через прибор. То есть, речь идёт о передаче Мощности через конденсатор, а не о потоке электрических зарядов.
Рассмотрим на механических моделях, как такое возможно:
а)
б)
Рис.82
На первой картинке (рис. 82. а) камера с перегородкой, способной передвигаться в ограниченном пространстве. Также она должна обеспечивать хорошую изоляцию между двумя частями единого объёма. Если такой цилиндр с поршнем поместить в разрыв гидравлической системы, то вибрация жидкости с одной стороны будет передаваться на другую сторону. При использовании такого рода устройств можно передавать Мощность из одной части системы в другую без необходимости физического перемещения массы.
Следующее изображение (рис. 82. б) - это уже полноценна система передачи мощности с поршнями, тягами и шатунами, которая может быть как гидравлической, так и пневматической. Очевидно, что при работе такой установки энергия может передаваться в любом направлении даже при отсутствии какого-либо механического соединения между левой и правой частью.
В электротехнике такой тип подключения конденсатора называют гальванической развязкой, а затрачиваемая и потребляемая мощность будет называться реактивной, поскольку физического расходования электрических зарядов при такой схеме подключения не происходит.
Для большинства случаев использования конденсатора будет актуальна такая механическая модель:
а)
б)
в)
Рис. 83
На верхней картинке (рис. 83. а) мы имеем неполярный конденсатор, который можно заряжать с любой стороны, соответственно и отдавать заряды он будет в том направлении, откуда они поступили изначально. Следующая (рис. 83. б) иллюстрирует зарядку, нижняя (рис. 83. в) разрядку.
Как и прежде, электрические заряды не проходят сквозь конденсатор, а лишь накапливаются в "теле диэлектрика" настолько плотно, насколько позволяет молекулярная структура применяемого диэлектрика. Если напряжение в цепи будет слишком высокое, произойдёт термический пробой диэлектрика и тогда конденсатор придётся выбросить. Пружина тоже может сломаться, если нагрузка на неё будет критическая. То есть, независимо от выбранной модели, действующие по одному Сценарию процессы, даже при неблагоприятном развитии событий сохраняют схожесть в поведении.
Как и резисторы, конденсаторы тоже можно соединять между собой параллельно и последовательно. Смотрим картинку:
Рис. 84
При параллельном соединении конденсаторов их ёмкость суммируется, поскольку площадь обкладок у них увеличивается, а рабочее напряжение остаётся неизменным. Такое свойство очень удобно для диагностики неисправностей в электрооборудовании при отсутствии специальных измерительных приборов. На работающем аппарате нужно подсоединить заведомо исправный конденсатор к "сомнительному" и будет ясно, причина в нём или где-то в другом месте. Естественно, соблюдая меры безопасности.
При последовательном соединении конденсатор ведёт себя иначе - его рабочее напряжение увеличивается, а ёмкость уменьшается.
Почему так происходит?
При последовательном соединении нескольких конденсаторов их рабочее напряжение вырастет, так как увеличится суммарная толщина диэлектрика, а общая ёмкость наоборот понизится вследствие увеличения их суммарного диэлектрического сопротивления. Объяснение такого эффекта довольно простое:
Главный параметр, обеспечивающий "накачку диэлектрика" электрическими зарядами - это напряжение, ведь ток через изолятор не течёт по определению. Поскольку мы имеем уже два (и более) элементов, подключенных последовательно, на противоположных выводах каждого из конденсаторов напряжение тоже упадёт. Следовательно, сила противодействия, то самое - диэлектрическое сопротивление - не позволит зарядам проникнуть в диэлектрик в нужном количестве. А раз ёмкость конденсатора характеризуется исключительно количеством зарядов, оказавшихся внутри диэлектрика, то меньшее их количество укажет на неполное заполнение ими конденсатора в сравнении с обычным подключением.
Для наглядности предлагается механическая аналогия с обычной стальной пружиной. Дело в том, что последовательное и параллельное соединение для пружин и конденсаторов описываются аналогичными формулами, с той лишь разницей, что главный параметр конденсатора - ёмкость, а для пружины - упругость. Работу пружины описывает закон Гука, согласно которому возникающая в теле деформация пропорциональна приложенной к нему силе. Воспользуемся лишь следствием этого закона, а именно, коэффициентом упругости kдля различных способов соединения пружин.
Для параллельного соединения формула такая:
k (общ)=k1+k2
Для последовательного:
1/k (общ) =1/k1+1/k2
На примере пружины такое поведение поясняет следующая картинка:
Рис. 85
При внешнем воздействии F пружина длиной L сжимается и становится короче на величинуS, которая отражает степень деформации данного тела вследствие приложенной к нему силы. Если мы подсоединим последовательно ещё одну пружину той же жёсткости и длины, то суммарная длина двух пружин станет 2L. Но мы должны учитывать, что силаF осталась прежней, поэтому независимо от количества подсоединённых последовательно пружин 2L, 3L, 4L и более, система станет короче лишь на величину S. Получается, что общая упругость пружины в соотношении с её длиной будет уменьшаться. Тем не менее, свойства каждой отдельной пружины останутся неизменными.
Мы рассматривали соединение двух пружин, имеющих одинаковые длину и упругость. Если взять разные по механическим свойствам пружины, то первой сжиматься будет менее жёсткая из них. Нечто подобное происходит и с конденсаторами - общая ёмкость такого "составного конденсатора" будет определяться тем из них, ёмкость которого наименьшая. Причина такого поведения кроется в площади обкладок, поскольку именно благодаря им электрические заряды проникают внутрь диэлектрика и выходят обратно в электрическую цепь.
Представим, что нам нужно перетащить громоздкий шкаф из одной комнаты в другую, минуя коридор с несколькими дверьми. Первое, что нужно сделать, это определить, какого размера двери на всей дистанции. Если хотя бы одна из них окажется меньше шкафа, то придётся ломать дверь, либо разбирать шкаф. Вот и получается - можно взять конденсаторы с очень большой ёмкостью и соединить их последовательно, но если среди них попадётся не очень качественный, то вся "гирлянда" потеряет ёмкость. Последовательное соединение аккумуляторов "страдает той же болезнью" - ёмкость всей батареи измеряется по "самому слабому" из них.
Если параллельное соединение конденсаторов в реальных электронных схемах используется довольно часто, так как позволяет более рационально использовать существующий объём корпуса прибора, то последовательное применяется только в случаях крайней необходимости. Во-первых, за выигрыш в рабочем напряжении приходится платить ёмкостью всей "гирлянды". Следующий недостаток - повышенные требования к качественным характеристикам конденсаторов. При пробое одного из них резко ухудшается режим работы для всех остальных в цепочке. То есть, даже незначительная авария при такой "архитектуре" может стать причиной нарастающего лавинообразного процесса, выводящего из строя один элемент за другим. Если "тяжёлые условия" работы резистора определяются обычным термометром, то у конденсатора они внешне никак не проявляются, поэтому приходится полагаться на честность производителя. В случае с электролитическими конденсаторами ситуация усугубляется их конструктивными особенностями, поскольку "тело диэлектрика" у них состоит из жидкого электролита, который может вскипеть, а образующиеся при этом газы разорвут алюминиевый корпус.
Поскольку речь зашла об электролитических конденсаторах, то стоит отметить, что они - промежуточное звено между "классическими конденсаторами" и аккумуляторами. Дело в том, что по своей сути они конденсаторами не являются, поскольку их работа состоит не в накоплении электрических зарядов в межмолекулярном пространстве неметалла, а на обратимой химической реакции с участием кислоты или щёлочи. Под действием внешнего напряжения происходит преобразование одного вещества в другое, сопровождающееся увеличением плотности электролита, а в момент разряда происходит обратный процесс, в результате которого заряды возвращаются обратно в электрическую цепь. То есть, в полной мере работает тождество М=Е, подтверждая взаимозависимость Массы и Энергии - главных характеристик Материи.
Переходим к следующему участнику электрических схем.
Современная физика различные катушки и трансформаторы также причисляет к пассивным элементам, и это притом, что они способны генерировать и преобразовывать токи такой мощности, которые полупроводниковым компонентам и не снились. Поскольку работа обычной катушки достаточно подробно рассмотрена в размышлении, посвящённом электромагнетизму, перейдём сразу к трансформатору. Далее рассмотрим его работу исходя из механических принципов взаимодействия материальных объектов. Итак...
Трансформатор
Формулировка из учебника в наиболее упрощённом виде будет такая:
Трансформатор - устройство, состоящее из нескольких катушек, намотанных на магнитопроводе, предназначенное для преобразования переменного тока посредством электромагнитной индукции.
Далее следуют два базовых принципа:
1. Изменяющийся во времени электрический ток создаёт изменяющееся во времени магнитное поле.
2. Изменение магнитного потока, проходящего через обмотку, создаёт ЭДС в этой обмотке.
Предлагается такая картинка:
Рис. 86
Если к самой формулировке вопросов нет, поскольку она лишь описывает работу реального трансформатора, то базовые принципы, согласно которым это происходит, изложены неудачно.
Во-первых, переменный ток отличается от постоянного только циклическим изменением напряжения. Во-вторых, электрический ток может быть причиной возникновения магнитного потока, но не поля.
И последнее замечание:
Циклическое изменение напряжённости магнитного потока в магнитопроводе создаёт во вторичной цепи самый обычный электрический ток, а вовсе не ЭДС.
Теперь, когда представления современной науки о трансформаторе и принципе его работы в общих чертах ясны, можно перейти к конкретике. А именно, каковы природные механизмы, приводящие к возникновению во вторичной обмотке электрического тока.
Для начала вспомним, как работает самый простой электрический генератор. Смотрим картинки ниже:
а)
б)
в)
Рис. 87
На первой картинке (рис.87. а) рамка из проводника вращается между двумя неподвижными магнитами, вследствие чего в цепи возникает переменный ток. Второе изображение (рис. 87. б) иллюстрирует тот же процесс, но здесь вращается магнит, а катушки прочно зафиксированы на статоре. Собственно, что относительно чего двигать, значения особого не имеет, поскольку для возникновения электрического тока необходимо соблюсти всего два главных условия:
1. Расположение магнита и витков катушки должно быть взаимно перпендикулярным.
2. Катушка и магнит по отношению друг к другу должны перемещаться.
Добавим к этому ещё один пункт, который несколько расширяет рамки рассматриваемого явления, выводя их за границы отдельно взятой планеты:
3. Наличие планетарного электромагнитного поля, которое и является главным источником электрического тока, поскольку магниты сами по себе источниками электричества и магнетизма не являются.
Для жителей Земли этот фактор значения не имеет, и на данном этапе размышления о нём следует лишь упомянуть. Также можно пропустить несколько полезных уточнений, которые лишь повысят эффективность работы такой конструкции, но главный принцип останется неизменным - электричество и магнетизм можно получить из планетарного электромагнитного поля, называемого также Магнитным полем Земли, путём использования подходящей геометрической схемы взаимодействия. Для этого используем эмпирическое правило, в существующей терминологической среде называемое - Правило трёх перпендикуляров.
Последняя картинка из блока (рис. 87. в) как раз показывает, что электричество в катушке возникнет в момент движения магнита вдоль оси, перпендикулярной плоскости расположения витков катушки, а если мы вместо измерительного прибора подключим источник тока, то при одной полярности катушка будет притягивать магнит, при другой отталкивать. Также можно перемещать катушку относительно неподвижного магнита, качество результатов от этого не изменится.
Тем не менее, нам нужно знать, как работает трансформатор, а вовсе не катушки с магнитами, поэтому возьмём последнюю картинку в качестве образца и используем её для следующего построения:
Рис. 88
Катушку Т2 оставим как и прежде подключенной к какому-то измерительному прибору - вольтметру или амперметру, а вместо магнита используем точно такую же катушку Т1, соединённую с источником питания G через кнопку К. Поскольку магнитный поток мы можем получать разными способами, то замена обычного магнита электромагнитом принципиально на ход эксперимента не повлияет.
Замкнём кнопкуК и таким образом соединим катушку Т1с источником питанияG. Теперь у нас есть электромагнит, потоком которого мы будем воздействовать на катушкуТ2. Результат близкий к тому, что на предыдущей картинке (рис. 87. в) - стрелка прибора отклоняется то в одну, то в другую сторону синхронно с движением катушек относительно друг друга.
Теперь соединим катушки железным стержнем так, чтобы они прочно на нём сидели и не могли двигаться. Такая механическая конструкция (рис. 88) это уже полноценный трансформатор. Катушка Т1будет первичной обмоткой, а Т2 вторичной. Поскольку у нас есть кнопкаК, позволяющая включать и выключать источник питанияG, то нет необходимости механического перемещения катушек относительно друг друга.
Работа трансформатора будет выглядеть таким образом:
1. Пока кнопка К не замкнута, в сердечнике нет магнитного потока и во вторичной цепи тока не будет.
2. Соединение катушки Т1с источником тока G приведёт к возникновению в сердечнике магнитного потока и к появлению в катушке Т2 электрического тока. Стрелка прибора Vкачнётся и вернётся к нулевому значению.
3. Отсоединим источник питания от катушки Т1путём размыкания кнопки. Магнитный поток в сердечнике прекратится и в этот момент в катушке Т2 снова возникнет электрический ток. Стрелка прибора Vкачнётся, но уже в обратную сторону после чего опять вернётся к нулевому значению.
В результате мы видим довольно странную закономерность:
Ток во вторичной цепи возникает лишь в моменты замыкания и размыкания кнопки, в остальное время тока нет.
Почему так происходит?
Вспомним, что в предыдущем варианте, когда у нас была катушка и магнит, требовалось их двигать относительно друг друга. Катушку, по которой пропущен электрический ток мы тоже приближали и отдаляли от второй катушки и ток опять появлялся. Теперь у нас обе катушки прочно закреплены на металлическом сердечнике и нет никакой возможности их двигать, а ток всё равно возникает, но лишь в момент включения и выключения кнопки. Это значит, что какое-то движение существует, но мы его не видим.