Отримання змінного струму

Змінним називають струм, який періодично змінює свою величину і напрям. Змінний струм виникає, якщо до провідника прикласти змінну напругу. Напруга буде змінним, якщо різниця потенціалів на полюсах генератора буде змінюватися за величиною і за напрямком. Спробуємо змайструвати простенький генератор змінного струму.
Візьмемо товстий мідний дріт і зігнемо його в прямокутну рамку. Кінці дроту підключимо до мікроамперметра з нулем у середині шкали. Ще візьмемо великий підковоподібний магніт і покладемо на стіл, щоб північний полюс був зліва. Підвісимо рамку вертикально всередині магніту площиною перпендикулярно магнітним лініям. Назвемо вертикальну гілку рамки, ту, що в глибині магніту, першою, а гілка, що ближче до нас, другий. Тепер плавно повернемо рамку на 360 градусів за годинниковою стрілкою (якщо дивитися зверху). Прилад покаже, що в рамці був струм. Спочатку він був невеликим, потім збільшився, потім впав до нуля. Це було на першому півоберту рамки. На другому півоберту стрілка приладу відхилилася у зворотний бік. Зворотний струм теж спочатку був невеликим, потім збільшився, потім впав до нуля. За визначенням, при повороті рамки в магнітному полі в ній виник змінний струм. Що ж сталося?
Подумки розсічемо рамку горизонтальною площиною. Вийде два розтину. У кожному перетині є вільні електрони. Повертаючи рамку, ми змушуємо електрони переміщатися по горизонтальній окружності. Виходить круговий струм. Але круговий струм народжує потік поля, який спрямований вертикально, уздовж осі обертання рамки. Поле магніту, нагадаємо, направлено зліва направо, т. Е. Горизонтально. Всі знають, якщо два смугових магніту скласти хрестом, вони відразу розгорнуться так, щоб північний полюс одного магніту притянулся до південного полюса іншого. Якщо потік поля зобразити стрілкою компаса, то поле магніту просто повернуло б її на 90 градусів. Якщо замість рамки був би диск, то електрони закружляли б по колу диска. Але електрони перебувають в рамці, вони не можуть покинути провід. Значить, поле магніту буде зміщувати електрони вгору або вниз уздовж вертикальних сторін рамки. Назвемо їх гілками рамки.
Після Фарадея ряд дослідів поставив Лоренц. Він придумав просте правило, як дізнатися напрямок струму в гілках рамки, якщо відомо напрямок магнітного поля (правило лівої руки). Потрібно розташувати ліву долоню так, писав Лоренц, щоб лінії поля входили в неї, а чотири витягнутих пальці вказували напрямок струму. Тоді відставлений великий палець покаже відхилення заряду в магнітному полі. Слід зауважити, що Лоренц мав на увазі позитивні заряди. Але ми з вами знаємо, що струм в гілках рамки утворюють негативно заряджені електрони. Значить, для електронів треба взяти праву руку. Ми будемо застосовувати правило «руки» Лоренца, так як воно просте і наочне.
Нагадаємо, що в нашому досвіді магнітне поле направлено зліва направо. У першому півоберту рамки перша гілка рухалася до нас, а друга – від нас. Значить, сила Лоренца в першій гілці була спрямована вниз, у другій – вгору. Під дією пари сил Лоренца електрони перетікали з першої гілки в другу, а з другої – поверталися через мікроамперметр назад в першу. При цьому стрілка приладу відхилялася вправо – показувала прямий струм. У другому півоберту електрони поверталися з другої гілки назад в першу, потім, через мікроамперметр, потрапляли в другу гілку. При цьому стрілка приладу відхилялася вліво, показувала зворотний струм. Таким чином, при обертанні в магнітному полі дротяної рамки полюси на її кінцях міняються місцями. Це означає, що напруга змінює знак. Якщо таку рамку обертати безперервно, вийде генератор змінної напруги, який у зовнішній ланцюга створює змінний струм. Підкреслимо, що правило Лоренца випливає з принципу Фарадея про циркуляцію струму.

Посилання на основну публікацію