Электромагнитная индукция

Электрические машины

Производство электроэнергии является достаточно легким процессом, а электродвигатели могут служить для различных целей - от бурения скважин до обеспечения движения поездов.

Материя состоит из атомов, которые, в свою очередь, складываются из электрически заряженных частиц - протонов и электронов. Еще древние греки знали, что если потереть янтарь кусочком ткани, он будет притягивать легкие предметы, но не понимали причину происходящего. На самом деле в результате трения возникало электричество.

Обычно в любом веществе находится равное количество отрицательно и положительно заряженных частиц. Поэтому их электрические заряды уравновешены, а вещество нейтрально. Однако в результате трения некоторые электроны перемещаются с одного материала на другой. Как следствие, нарушается равновесие зарядов: материал, притянувший электроны, становится отрицательно заряженным, а материал, отдавший их - положительно заряженным.

Заряженные предметы

Термины "электрон" и "электричество" произошли от греческого слова elektron, означающего "янтарь". Хотя греки сделали важный шаг в направлении крупного открытия, первая машина, способная вырабатывать электричество, была изобретена лишь ок. 1650 г. в Германии. Отто фон Герике создал простую машину, включавшую большой шар из серы. При касании рукой шара, насаженного на вал и вращаемого с помощью ручки, тот заряжался в результате трения. К XIX в. были изобретены многие подобные фрикционные генераторы.

В основе работы другого типа генератора лежал принцип электростатической индукции - процесса, при котором предмет заряжается от находящегося поблизости другого заряженного предмета. Такие асинхронные генераторы накапливают индуцированные заряды для получения высокого напряжения. Подобная машина, изобретенная Джеймсом Уимсхерстом в 1883 г., по-прежнему используется в лабораторных опытах для получения напряжения до 50 000 вольт, а иногда и выше.

Мощные электромашины

В 1931 г. Ван-де-Грааф изобрел электростатический генератор широкого практического применения. Движущаяся лента из диэлектрика передает на металлический шар заряд, постепенно увеличивающийся до нескольких миллионов вольт. Генератор Ван-де-Граафа используется при испытаниях изоляторов и другого оборудования, рассчитанного на высокие напряжения, а также в ядерных исследованиях, при этом высокое напряжение служит для разгона заряженных субатомных частиц.

Хотя фрикционные и асинхронные машины могли создавать высокое напряжение, они не годились для выработки сильного постоянного тока. Данная проблема была решена в конце 1790-х гг., когда итальянский ученый Алессандро Вольта изобрел первую батарею. Впоследствии она была усовершенствована, что позволило, начиная с конца XIX в., использовать электричество для освещения. Хотя батареи являются удобным и многоцелевым источником электроэнергии, они постепенно разряжаются и нуждаются в замене или подзарядке. Эксперименты, проведенные в начале XIX в., привели к созданию современных генераторов.

Эрстед и Ампер

В 1819 г. датский профессор Ханс Эрстед сделал открытие: текущий по проводу электрический ток заставлял отклоняться стрелку магнитного компаса. Так Эрстед открыл явление электромагнетизма - магнетизма, создаваемого электричеством. В 1821 г. французский ученый Андре Ампер продемонстрировал связанное с этим механическое взаимодействие токов: при пропускании электрического тока через провод, находящийся рядом с мощным магнитом, наблюдалось перемещение провода, - и установил закон этого взаимодействия. Этот принцип лежит в основе электрического двигателя: преобразование электрической энергии в механическую.

Опыты Ампера были чрезвычайно интересны, но не имели практического применения. Провод просто немного сдвигался при появлении тока. Но в том же году английский ученый Майкл Фарадей создал машину, которая с помощью электричества обеспечивала длительное движение. Нижний конец подвешенного провода помещался в сосуд с ртутью, в центре которого находился стержневой магнит. При подключении батареи между верхним концом провода и ртутью провод начинал вращаться вокруг магнита.

Электромагнитная индукция

Открытое Фарадеем явление электромагнитной индукции, названное им "электрическим вращением", легло в основу принципа работы современных электродвигателей. Первый электродвигатель, нашедший практическое применение, был изобретен в 1837 г. американским инженером Томасом Давенпортом. Он использовал два таких двигателя: для работы сверлильного и деревообрабатывающего станков.

Изучив электричество как движущую силу, Фарадей начал искать пути преобразования механической энергии в электрическую. В 1831 г. он показал, что перемещение стержневого магнита возле проволочной катушки вызывало прохождение электротока через подключенный к ней измерительный прибор. При этом сила тока была намного выше, чем в случае одинарного провода.

Электроснабжение

Фарадей первым использовал электромагнитный эффект для производства электричества. К концу 1870-х гг. появились мощные генераторы, а в 1881 г. заработала первая электростанция в Годалминге (Англия). Она же стала и первой в мире гидроэлектростанцией, так как генератор приводился в движение водяной мельницей.

У электрических двигателей и генераторов много общего, и некоторые машины могут выполнять функции обоих. В простом электродвигателе проволочная катушка крепится на валу, что позволяет ей свободно вращаться между полюсами подковообразного постоянного магнита. Катушка играет роль электромагнита, намагничиваясь при прохождении через нее электрического тока. Находящийся внутри катушки железный сердечник усиливает создаваемый магнитный эффект.