Глазами физика. От края радуги к границе времени - Уолтер Левин

Если вам когда-либо приходилось менять шину, вы, конечно же, отлично представляете себе, что такое крутящий момент. Вам, например, известно, что одна из самых сложных частей этой операции состоит в том, чтобы ослабить болты, которыми колесо крепится к оси. Поскольку эти болты, как правило, прикручены очень сильно, а иногда кажутся просто приваренными, вам приходится прилагать огромное усилие, чтобы открутить их монтировкой. И чем длиннее ее ручка, тем больше крутящий момент. Если ручка очень длинная, вы можете приложить совсем незначительное усилие и ослабить болты. А чтобы затянуть их после замены колеса, вы прикладываете крутящий момент в противоположном направлении.

Конечно, иногда, как ни стараешься, сдвинуть болт с места не получается. В этом случае вы либо применяете WD-40[19] (всегда имейте WD-40 в багажнике – для этой и многих других целей) и, немного подождав, откручиваете болт, либо лупите по монтировке молотком (этот инструмент тоже всегда должен быть в багажнике!).

Мы не станем вникать в сложности крутящего момента. Вам достаточно знать, что если пропустить ток через катушку (можно использовать аккумулятор) и поместить ее в магнитное поле, к ней начнет прилагаться крутящий момент и катушка станет вращаться. Чем сильнее ток, тем сильнее магнитное поле и тем больше крутящий момент. Этот принцип лежит в основе электродвигателя постоянного тока, смастерить простую версию которого не составит труда.

Чем конкретно отличается постоянный ток от переменного? Полярность сторон «плюс» и «минус» аккумулятора не меняется (плюс остается плюсом, а минус – минусом). Таким образом, если подключить батарею к электропроводу, ток всегда будет течь в одном направлении, и его мы называем постоянным. Однако в США разность потенциалов между двумя дырочками электрической розетки чередуется с частотой 60 герц. В Нидерландах и большинстве стран Европы она составляет 50 герц. Если воткнуть провод, скажем, лампочки накаливания или обогревателя, в розетку у вас дома, ток будет колебаться (менять направление на противоположное и обратно) с частотой 60 герц (то есть 120 раз в секунду). Это называется переменным током.

Ежегодно на моих лекциях по электричеству и магнетизму проходит любопытный конкурс двигателей. (Впервые за несколько лет до меня его провели мои коллеги и друзья профессора Вит Бурза и Виктор Вайскопф.) Каждый студент получает конверт с простыми исходными материалами: два метра медного провода с изоляцией, две канцелярские скрепки, две чертежные кнопки, два магнита и небольшой брусок дерева. От студентов требуется принести батарейку типа AA с электрическим потенциалом в 1,5 вольта. Они могут использовать любой инструмент, пилить дерево и сверлить отверстия, но двигатель должен быть собран только из материалов, находящихся в конверте (клейкая лента и клей запрещены). Из этих простых ингредиентов студентам нужно построить двигатель, который будет работать быстрее других (то есть совершать наибольшее число оборотов в минуту). Скрепки предназначены для того, чтобы стать опорами для вращающейся катушки; провод необходим, чтобы сделать саму катушку; а магниты надо расположить так, чтобы обеспечить в катушке крутящий момент при прохождении по ней тока от аккумулятора.

Теперь предположим, что вы решили принять участие в конкурсе. Вы подключаете аккумулятор к своей катушке, и та начинает вращаться по часовой стрелке. Все идет нормально. Но, к вашему большому удивлению, катушка вскоре останавливается. Причина в том, что после каждого полуоборота крутящий момент, прилагаемый к ней, меняет направление на обратное. Реверсирование крутящего момента будет препятствовать вращению по часовой стрелке; катушка может даже какое-то короткое время вращаться против часовой стрелки. Очевидно, это не то, чего мы хотим добиться от своего двигателя. Нам нужно получить непрерывное вращение только в одном направлении (будь то по часовой стрелке или против нее). Эту проблему можно решить путем изменения направления тока, проходящего через катушку, на обратное после каждого полуоборота. Тогда крутящий момент будет прилагаться к катушке всегда в одном и том же направлении и, следовательно, она будет вращаться только в одном направлении.

Мастеря двигатели, студентам нужно решить неизбежную проблему реверсии крутящего момента, и мало кому из них удается собрать так называемый коммутатор – устройство, разворачивающее ток в обратную сторону после каждого полуоборота. Впрочем, это действительно довольно сложно. К счастью, есть одно очень умное и простое решение задачи, не требующее изменения направления тока. Если сделать так, чтобы ток (и, следовательно, крутящий момент) после каждого полуоборота стремился к нулю, крутящий момент в катушке в течение половины каждого оборота вообще отсутствует, а в течение другой половины каждого оборота всегда направлен в одну и ту же сторону. В результате катушка продолжает вращаться.

Я набавляю по очку за каждые сто оборотов в минуту, которые делает собранный конкурсантом двигатель, – и так максимум до двадцати очков. Студенты обожают этот проект, а поскольку речь идет о студентах Массачусетского технологического института, за много лет, которые я преподаю, они придумали несколько поистине удивительных конструкций.

Должен сказать, почти всем студентам без особого труда удается собрать двигатель, делающий около 400 оборотов в минуту. Как же они заставляют катушку вращаться в одном и том же направлении? Прежде всего, так как проволока полностью изолирована, надо соскрести изоляцию с одного конца катушки так, чтобы она всегда контактировала с одной из сторон аккумулятора – какой конец выбирает студент, не имеет значения. Со вторым концом провода дело обстоит значительно сложнее. Необходимо сделать так, чтобы ток через катушку шел только половину оборота – иными словами, найти способ разорвать цепь на полпути. Поэтому конкурсанты соскребают со второго конца провода половину изоляции. Это означает, что лишь половина окружности проволоки не изолирована. В те периоды, когда ток прекращается (каждую половину оборота), катушка продолжает вращаться даже без крутящего момента, прилагаемого к ней (трения недостаточно, чтобы остановить ее на половине оборота). Конечно, чтобы определить, как именно надо соскоблить изоляцию и какая именно половина провода должна быть голой, требуется немного поэкспериментировать – но как я уже сказал, почти всем ребятам удается получить результат в 400 оборотов в минуту. Это удавалось и мне – но у меня никак не получалось достичь значительно лучшего показателя.

А потом мои же студенты объяснили мне, в чем проблема. Как только катушка начинает делать более нескольких сотен оборотов в минуту, она начинает вибрировать на своих опорах (скрепках), часто разрывая цепь и, следовательно, прерывая крутящий момент. В итоге самые проницательные студенты выяснили, как заставить два куска проволоки удерживать концы катушки на скрепках на обоих концах, одновременно позволяя ей вращаться с небольшим трением. И это в общем-то пустяковое усовершенствование позволило им – хотите верьте, хотите нет – достичь 4 тысяч оборотов в минуту!

Следует признать, что у этих ребят чрезвычайно богатое воображение. Почти во всех двигателях ось вращения катушки горизонтальна. Но один студент построил двигатель с вертикальной осью. А самый лучший из них умудрился получить результат 5200 оборотов в минуту – и это, напомню, с малюсенькой полуторавольтовой батарейкой! Помню я этого парня. Он был первокурсником и после лекции, стоя передо мной, заявил: «Ну что вы, профессор Левин, это же так легко. Я соберу двигатель, работающий на 4 тысячах оборотов, минут за десять». И действительно сделал это прямо у меня на глазах!

Но вам не нужно пытаться повторить его подвиг. Есть еще более простой двигатель, который вы можете смастерить за несколько минут из еще меньшего числа компонентов: батарейки, небольшого куска медной проволоки, самореза (или гвоздя) и маленького дискового магнита. Он называется гомеополярным. Вы найдете пошаговое описание по его изготовлению и видео работающей модели по следующему адресу (и непременно напишите мне, если ваш двигатель будет работать быстрее, чем на 5 тысячах оборотов в минуту): www.evilmadscientist.com/article.php/HomopolarMotor.

Не менее интересной, чем конкурс на самый быстрый двигатель, хоть и по совершенно иной причине, я считаю демонстрацию, которую провожу на своих лекциях, с электрической катушкой диаметром около 30 сантиметров и проводящей пластиной. Как вы уже знаете, электрический ток, проходя через катушку, создает магнитное поле. Переменный электрический ток в катушке генерирует переменное магнитное поле. (Напомним, что ток, созданный аккумулятором, является постоянным.) Поскольку частота переменного тока в моем лекционном зале составляет 60 герц, как везде в США, ток в моей катушке меняет направление на обратное каждые 1/120 секунды. Когда я помещаю такую катушку прямо над металлической пластиной, переменное магнитное поле (я называю его внешним магнитным полем) пронизывает проводящую пластину. По закону Фарадея, оно заставляет ток в металлической пластине двигаться; это явление известно как вихревые токи. Последние, в свою очередь, создают собственные переменные магнитные поля. В результате получается два магнитных поля: внешнее магнитное поле и поле, создаваемое вихревыми токами.