Мощность и работа электрического тока

Электрический ток, проходя по тому или иному потребителю электрической энергии (электродвигателю, электрическому чайнику, паяльнику, электролампе), совершает определенную работу. В электродвигателе он вращает якорь, в чайнике нагревает воду, в паяльнике нагревает сердечник, в лампе накаливает нить. Каждое из этих устройств потребляет от источника электрическую энергию.

Источник же, питая такие устройства электрической энергией, сам совершает работу. Ясно, что потребляемое каким-либо прибором или, наоборот, даваемое каким-либо источником количество электроэнергии зависит в первую очередь от времени. За один час электродвигатель совершает одну работу и поглощает одно количество энергии, а за 100 ч - в сто раз больше.

Но совершаемая работа еще не полностью характеризует электроустройства. Один электродвигатель может, например, совершить определенную работу за,час, а другой -такую же работу за год. В первом случае это мощный электродвигатель, а во втором, очевидно, очень слабый. Поэтому электрические устройства характеризуются не общим количеством совершаемой ими работы, а мощностью, т. е. работой, совершаемой в одну секунду.

Мощность любого электрического устройства равна произведению напряжения на его зажимах на величину проходящего через него тока.

Измеряется мощность в особых единицах - ваттах (обозначается вт).

Мощность (в ваттах) = Величина тока (в амперах) X Напряжение (в вольтах)

Один ватт есть мощность тока величиной в один ампер при напряжении в один вольт.

Большие мощности измеряются в тысячах ватт - киловаттах (кет).

Пример 3. Найти мощность лампочки от карманного фонаря, если при напряжении в 3,5 в она потребляет ток величиной в 0,25 а.

Решение. Мощность (в ваттах) равна 3,5 0,25 = 0,875 вт.

Работа электрического тока равна произведению мощности на время. Так как мощность измеряется в ваттах, а время - в секундах или часах, то работа измеряется в ватт-секундах (эту единицу часто называют также джоулем) или в ватт-часах. Большие величины измеряют в сотнях ватт-часов (гектоватт-часах) и в тысячах ватт-часов (Киловатт-часах).

Глава 3

МАГНЕТИЗМ И ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

Магнетизм

Магнетизмом называется способность некоторых тел притягивать к себе стальные предметы.

Тела, обладающие этой способностью, называются магнитами. Магниты бывают естественные, встречающиеся в природе в виде особой руды - магнитного железняка, и искусственные, изготовляемые путем намагничивания стали (рис. 22).

Естественные магниты обдадают сравнительно слабой силой притяжения и практического . применения не получили. Искусственные магниты могут иметь очень большую силу притяжения и поэтому они широко применяются в технике.

Находясь вблизи сильного магнита, стальные предметы сами становятся магнитами- намагничиваются. Таким образом, уже простым прикосновением таких предметов к сильному магниту можно получить искусственные магниты. Правда, при этом нужно брать предметы только из твердой стали, так -как только они надолго сохраняют приобретенные магнитные свойства и становятся постоянными магнитами. Предметы же из мягкой стали приобретают магнитные свойства только на время намагничивания, т. е. пока они находятся в непосредственной близости от сильного постоянного магнита. При удалении -постоянного магнита предметы из мягкой стали быстро теряют свои магнитные свойства.

Магнитные свойства всякого магнита наиболее сильно выражены на его концах, которые называются полюсами, и вовсе не обнаруживаются в середине (рис. 23).

Рис. 22. Магнит притягивает различные стальные предметы

Если магнит разрезать пополам, то его части также будут иметь по концам полюсы (один из них был серединой целого магнита). На сколько бы частей ни был разделен магнит, каждая из них будет иметь два полюса по концам (рис. 24). Магниты с одним полюсом получить нельзя.

Рис. 23. Прямой и подковообразный магниты сильнее притягивают стальные опилки своими концами - полюсами

Если магнит подвесить на нитке за его середину, то он установится так, что одним своим концом будет указывать на юг, а другим на север. Поэтому полюс магнита, указывающий на север, называют северным, а указывающий на юг - южным.

На этом свойстве магнита основано устройство магнитного компаса.

Ш^шо рсм^ caof

Рис. 24. Деление магнита

Поднося магниты один к другому разными полюсами или, что еще нагляднее, магнит к магнитной стрелке компаса, легко установить, что магнитные полюсы взаимодействуют по тому же правилу,-что и электрические заряды, т. е. одноименные полюсы отталкиваются, разноименные - притягиваются.

Магнитное поле

Действующие вокруг магнита силы магнитного притяжения и отталкивания представляют собой проявление особого вида материи - магнитного поля. По мере удаления от магнита эти силы быстро ослабевают.

На простых опытах можно легко убедиться в том, что магнитные силы действуют не только через воздух, но и через стекло,

Рис. 25. Стальные опилки, рассыпанные на картоне, лежащем на магните, дают изображение магнитного поля в плоскости

бумагу, картон и многие другие тела и что только стальные тела сильно ослабляют действие магнитов.

На первый взгляд может показаться, что сила воздействия магнита на какой-нибудь маленький магнитик должна быть направлена по кратчайшей прямой к разноименному полюсу магнита. Но в действительности это не так. Если бы нам все же удалось получить только какой-либо один полюс магнита, например северный, и поместить его в поле другого магнита, то он стал бы отталкиваться от северного полюса и двигаться к южному не по прямой, а по плавной кривой линии. Эти линии легко увидеть, если насыпать на лист картона, под которым лежит магнит, стальные опилки (рис. 25).

Линии, показывающие направление действия магнитных сил, называют магнитными силовыми линиями. На самом деле, конечно, никаких линий нет, они служат только вспомогательным элементом для изображения магнитного поля. При этом считают, что магнитные силовые линии идут снаружи магнита от его северного полюса к южному, или, другими словами, они начинаются у северного полюса и заканчиваются у южного.

Внутри магнита они проходят от южного полюса к северному. Магнитные силовые линии в отличие от электрических всегда замкнуты (рис. 26). S

Рис. 26. Условные изображения магнитных полей

Электричество и магнетизм

Опытами установлено, что электрический ток, проходя п.о про-воду, создает вокруг него магнитное поле. Это нетрудно проверить, если над магнитной стрелкой поместить горизонтальный провод, по которому течет ток (рис. 27). Стрелка в зависимости от направления тока отклонится в ту или иную сторону и станет под некоторым углом к проводнику.

Без тона

Ток

ч

Небольшой ток Большой ток

Ток

Рис. 27. Отклонение магнитной стрелки электрическим током

Чем больше величина тока, текущего в проводе, тем на больший угол отклонится стрелка. При достаточно большой величине тока она станет под прямым углом к проводнику. При этом в какое бы место около проводника ни помещать магнитную стрелку, она всегда будет стремиться стать под прямым углом к проводу.

Это наводит на мысль о том, что магнитное поле, создаваемое током, который проходит по проводу, можно изобразить магнитными силовыми линиями в виде колец. Вспомнив, что за направление магнитных силовых линий принято направление движения северного полюса (отклонение северного конца магнитной стрелки), можно установить зависимость направления магнитных силовых линий от направления тока в проводе.

Если смотреть по направлению движения тока, то магнитные силовые линии вокруг провода будут направлены по часовой стрелке. Часто эта зависимость выражается так называемым правилог/ буравчику: если ввинчивать буравчик в направлении движения тока, то вращение ручки буравчика покажет направление магнитных силовых линий (рис. 28).

Если провод, по которому течет ток, свернуть в спираль или намотать на катушку, то магнитные поля от каждого витка сложатся и внутри катушки образуется очень сильное магнитное поле (рис.29).

Рис. 28. Магнитное поле прямого тока и правило буравчика

Ю. в. Костыков, л. Н. Ермолаев

Магнитное поле катушки, ее магнитный поток тем больше, чеМ больше величина тока, протекающего по катушке, и чем больше витков имеет катушка.

Коротко это можно сказать так: магнитный поток катушки прямо пропорционален ее ампер-виткам, т. е. произведению величины тока в амперах, протекающего по катушке, на число ее витков.

Рис. 29. Магнитное поле катушки (соленоида)

Магнитное поле катушки напоминает поле рбычного прямого магнита. Определить полюсы катушки совсем нетрудно по одному из приведенных правил о направлении магнитных силовых линий в зависимости от направления тока.

Иногда для данного случая правило буравчика выражают так: если вращать рукоятку буравчика по направлению тока в витках катушки, то поступательное движение самого буравчика укажет направление магнитных силовых линий поля. Там, где силовые линии выходят из катушки, будет ее северный полюс, а где входят,- южный.

Если внутрь катушки вставить стальной сердечник, то ее магнитные свойства еще больше усилятся. Причина этого заключается в том, что магнитному потоку ораздо легче пройти по стали сердечника, чем по воздуху. Сталь обладает значительно меньшим магнитным сопротивлением, чем воздух, и поэтому при одних и тех же ампер-витках магнитная сила такой катушки со сталью резко возрастает.

Стальной сердечник с обмоткой, по которой проходит электрический ток, называется электромагнитом. Для усиления подъемной силы электромагнита его сердечник часто сгибают в виде подковы, заставляя оба полюса притягивать те или иные тела (рис. 30).

Рис. 30. Подковообразный электро- ри увеличении тока, прохо-

магнит и его схематическое изобра- ДЯщего через обмотку электро-жепие магнита, подъемная сила магнита

возрастает. Однако при некоторой величине тока наступает насыщение сердечника, после чего увеличение подъемной силы электромагнита почти прекращается. Намагнитив сердечник из твердой стали до насыщения и вынув его из катущки, получим постоянный магнит. Таким путем в настоящее время получают сильные постоянные магниты. Сердечники же электромагнитов делают из мягкой стали, чтобы при прекращении тока электромагнит быстро терял свои магнитные свойства.

Намагничивание

Согласно электронной теории строения вещества в каждом атоме вокруг ядра вращаются электроны. Каждый такой атом представляет собой как бы элементарный кольцевой формы проводни-чок с током, или, как говорят, кольцевой ток.

Каждый элементарный кольцевой ток создает свое собственное магнитное поле, имеющее и магнитные полюсы.

а

-О--о--о--0-0--о--о--о--о--0-

-О--О-О-О--0.-о-

Рис. 31. Расположение элементарных кольцевых токов в ненамагниченном (а) и намагниченном {б) телах

В ненамагниченном теле элементарные кольцевые токи не создают результирующего магнитного поля, так как электроны в атомах вращаются вокруг ядер в самых различных направлениях и возникающие при этом магнитные поля взаимно уничтожаются (рис. 31, а).

Если же на тело, допустим мягкую сталь, воздействовать каким-либо внешним магнитным полем (например, поднести к куску стали сильный магнит), то элементарные кольцевые токи под действием этого поля будут поворачиваться и располагаться своими торцами перпендикулярна к его силовым линиям (рис. 31,6). При этом образуется общее результирующее поле и мягкая сталь станет магнитом.

3* 35

при прекращении намагничивания (действия внешнего поля) элементарные кольцевые токи в мягкой стали опять быстро придут в беспорядочное расположение и мягкая сталь потеряет свои магнитные свойства, т. е. размагнитится.

В твердой же закаленной стали таким элементарным кольцевым токам гораздо труднее возвратиться к беспорядку . Правильное расположение их сохраняется, и поэтому намагниченные предметы из твердой стали надолго'сохраняют свои магнитные свойства. Но и такие предметы можно быстро размагнитить, если нарушить правильное расположение элементарных кольцевых токов. Это можно сделать, например, ударяя по магниту или нагревая его до высокой температуры (при температуре 300° С магнитные свойства постоянных магнитов полностью теряются). Поэтому, желая сохранить силу магнита, его не следует ронять, ударять, а также нагревать до высокой температуры.

г л а в а 4 ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК

Электромагнитная индукция

Мы уже знаем, что при прохождении электрического тока по проводу вокруг этого провода образуется магнитное поле. Существует и обратное явление: магнитное поле может создавать в проводе электрический ток. Чтобы наглядно в этом убедиться, проделывают такой опыт. К проволочной катущке присоединяют чув-ствцтельный электроизмерительный прибор - гальванометр, стрелка которого может отклоняться в обе стороны от начального поло-л<:ения (гальванометр с нулем посредине щкалы). Бели быстро вдвинуть в катущку прямой постоянный магнит, например, северным концом, то стрелка гальванометра отклонится в сторону

Рис. 32. При вдвигании магнита в катушку и Выдвигании его из катушки в ней появляются ЭДС и гальванометр указывает наличие тока

(рис. 32, а), указывая на появление в катущке электрического тока. Когда магнит, дойдя до конца катущки, остановится, стрелка гальванометра возвратится в начальное, нулевое положение.

Когда магнит вынимают из катушки, стрелка опять отклоняется, но только теперь уже в другую сторону (рис. 32, б), указывая обратное направление тока. Если вдвигать не северный, а южный конец магнита, то стрелка гальванометра будет отклоняться в

сторону, противоположную той, в которую она отклонялась при вдвигании северного полюса магнита.

Подобные же результаты можно получить, если магнит укрепить неподвижно и на него надвигать или сдвигать с него проволочную катушку, присоединенную к гальванометру.

Из всех этих опытов можно сделать вывод: при движении магнита возле проводов (а следовательно, при пересечении витков катушки магнитным полем) в последних возникает ЭДС, а если провода замкнуты, то в них появляется электрический ток.

Очевидно, что вместо постоянного магнита в рассмотренных опытах можно взять электромагнит, по обмотке которого течет электрический ток; результаты будут те же (рис. 33). Больше того,

Рис. 33. Гальванометр показывает наличие тока при вдвигании электромагнита в катушку и выдвигании его из катушки

Рис. 34. Замыкание и размыкание цепи электромагнита вызывают появление во второй катушке электрического тока

вместо вдвигания и выдвигания электромагнита можно замыкать и размыкать его обмотку (рис. 34). Замыкание и, следовательно, пропускание тока через обмотку электромагнита будут соответствовать вдвиганию его в катушку, и стрелка гальванометра отклонится в определенную сторону. Размыкание обмотки электромагнита будет соответствовать выдвиганию его из катушки, и стрелка отклонится в обратную сторону.

Наконец, если в магнитном поле просто передвигать проводник так, чтобы направление его перемещения не совпадало с направле-