Физика для "чайников" (СИ)

Ну что же, потихоньку подбираемся и к концу электромагнетизма! Теперь самое страшное и, не побоюсь ещё одного пугающего слова, одно из самых сложных понятий не то что в электромагнитной физике, а в физике вообще. Электромагнитные колебания и волны. Представить их глазами ещё труднее, чем обычный постоянный ток, но есть всегда одна зацепка: колебания механические. Практически всегда можно представить аналогию из механики, благо термины тому способствуют - хотя бы здесь они мало чем отличаются от "механических".

Вообще говоря, к электромагнитным колебаниям можно подойти с двух сторон. Первая, самая строгая и всегда верная - это колебания векторов напряжённости электрического поля и индукции магнитного поля. Но этим обычно морочит голову электродинамика - по моему скромному мнению, одна из самых мутных наук в плане соотношения "очевидность высказывания - математика, описывающая высказывание". (То есть, вещи говорятся почти очевидные, но они доказываются, и доказываются такой математикой, что хоть вешайся.) Но, к счастью, этим в школе голову не морочат и идут другим путём - колебания тока и напряжения. Колебания магнитного поля пойдут сразу же за электрическим, если включить катушку. Но обо всём по порядку.

Значится, переменный ток. Тот самый, который болтается у нас в розетке и бежит по проводам до приборов, где уже "выпрямляется" и превращается в постоянный. Это ток, меняющийся во времени. Для простоты (или аналогии с механикой, или и того, и другого вместе) он изменяется тоже по синусу: I = I0*sin(wt+ф), U = U0*sin(wt+ф). Обычно для удобства также принимают ф = 0, но довольно часто напряжение бывает "сдвинуто" на какую-то фазу относительно тока (или наоборот, что, по сути, одно и то же). И сразу же появляется жирный вопросительный знак: значит, мерить такое напряжение можно только по амплитуде (по максимальному значению)? А как его померишь, когда оно, в общем-то, становится равным таковому всего на миг? И как вообще считать тот или иной ток, то или иное напряжение? По части измерения решили договориться так: ввести так называемое "действующее" значение силы тока и напряжения. Действующее - это такое значение силы предполагаемого постоянного тока, действие которого совершает такую же работу (или производит тот же эффект), что и данный переменный ток за время одного своего периода. Считается это действующее значение в общем случае страшным способом - корень квадратный из произведения обратного периода (частоты) на интеграл квадрата тока! Но для закона синуса, по которому меняется у нас, вся эта страшная каша превращается "всего лишь" в амплитуду, делённую на корень квадратный из 2. Нет, надпись 380/220 В на щитке - это не значения амплитуды и действующего значения напряжения (можно проверить, если разделить одно на другое, корень из 2 никак не получится), эту надпись обычно объясняют только в технических вузах или в 11-м классе школ с углублённым изучением физики. Чтобы окончательно запугать, скажу ещё одну страшную фразу: это относится к системе трёхфазного тока, первая цифра означает линейное напряжение, вторая - фазное. Не напугал? Тогда добро пожаловать хотя бы в Википедию. А лучше - по старинке, в библиотеку (если хочется реально без дураков разобраться, что это за зверь) или поспрашивать хорошего препода по физике.

Дак вот, вернёмся к нашим баранам. Как перетащить на переменный ток самую важную для меркантильного человечества величину - мощность? Ток и напряжение же всё время меняются, как её считать? Чтобы учесть всё возможное, математика закопалась аж до уровня комплексных чисел, но реально измеряемой (а также потребляемой, выделяемой и так далее) мощностью по-прежнему остаётся активная мощность - та же самая, которая была в постоянном токе. Определяется она как среднее значение мощности за период. Для синусоидальных тока и напряжения получается, что она равна следующему: P = (I0*U0*cosф)/2. Или, если брать действующие значения, то P = Iд*Uд*cosф. Отсюда же можно увидеть ещё один принцип, на который обожают обращать внимание всякие теоретики: если ф = 0, а ток и напряжение постоянны, то формула превратится в P = I*U - то, что было раньше! ф - это сдвиг фаз между током и напряжением. Да, это понять достаточно сложно, но попробуем разобраться. Идеал - это когда ф = 0, тогда косинус равен 1 и всё в ажуре. Это означает, что и напряжение, и ток как бы "идут в ногу". Лучше всего это представить так: два человека, идут рядом друг с другом, то есть никто никого в буквальном смысле не опережает (в цепях переменного тока обычно так и происходит). Но шагают они по-разному, не всегда попадая в такт друг другу. Если оба идут "в ногу", как солдаты на параде, то сдвиг фаз между ними - 0. Если нога одного чуть-чуть запаздывает (первый уже ступил, а второй ещё опускает ногу на землю) - у второго небольшой сдвиг по фазе относительно первого в виде запаздывания (первый, естественно, при этом опережает на ту же фазу). Если же первый человек ступает ногой на землю, когда нога второго ещё только занесена в наивысшей точке, то это будет сдвиг по фазе на 90 градусов (или пи/2, как больше любят выражаться те же радиолюбители). Если же они идут "в ногу", но ноги при этом разные (одновременно ступает левая нога первого и правая нога второго, например) - это будет сдвиг по фазе уже 180 градусов, или пи. 270 градусов (или 3пи/2) - это так же, как 90, только вторая нога будет находиться в высшей точке; это же можно трактовать как отставание на 90 градусов. И 360 градусов (2пи) - такой же ход "в ногу", как и в нуле. Соответственно, в идеале всегда сохранять в формуле мощности косинус фи, равный 1. Но в реальности это сделать труднее - например, при проходе через катушку переменного тока его сила начинает опаздывать на пи/2 по отношению к напряжению, а при прохождении через конденсатор - наоборот, напряжение "тормозит" на пи/2 по отношению к току. (Кто за кем опаздывает, можно запомнить по правилу "улицу": если написать это слово английскими буквами - ULICU - и читать слева направо, то видно: в катушке (L) сначала идёт напряжение, потом ток, в конденсаторе - наоборот.)

Теперь - маленькое лирическое отступление и ещё одно, выражаясь умным языком, устройство. Никогда не задумывались, почему электричество от электростанции до дома идёт по линиям электропередач, на которых огромное напряжение? Всё достаточно просто: во-первых, на электростанции вырабатывается очень даже солидная мощность, которую нужно передать на расстояние. Если передавать её такую, какая она есть, с огромным током, то не избежать и огромных потерь - никто не отменял закон Джоуля-Ленца, от которого греются провода. Остаётся второй выход: повысить напряжение, под которым идёт ток, до такого значения, чтобы сила тока стала поменьше - а значит, и потери стали бы тоже меньше. Но тогда встаёт сразу два вопроса: как повысить это напряжение в начале пути и как понизить его в конце, чтобы превратить их в общепринятые 220 вольт в розетке? Для этого используют такую штуку, как трансформатор. Это, по сути, две катушки, соединённые "магнитопроводом". На это умное слово можно не обращать внимания, достаточно себе представить П-образную железяку, перевернуть её, а затем намотать на два торчащих конца по катушке - вот это и будет трансформатор. Работает он по тому же принципу электромагнитной индукции и всё, что с ним связано: ток подходит к первой катушке, появляется магнитное поле, оно действует на вторую катушку; если ток переменный, то магнитное поле тоже переменное - а значит, и во второй катушке тоже образуется ток, тоже переменный, причём меняться он будет точь-в-точь так же, как и ток в первой катушке (или, как выражаются, в первичной обмотке). Самое крутое здесь - это так называемый коэффициент трансформации. Он зависит всего лишь от количества намотанных витков на первичной и вторичной обмотках (первой и второй катушках). Обозначается разными буквами в разной литературе, но обычно пишут k или n. Это отношение числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной обмотки. При k > 1 трансформатор называется повышающим (повышает напряжение в k раз), при k < 1 - понижающим (снижает напряжение в 1/k раз). Тут запутаться несложно: больше витков - больше напряжение. Как в старом анекдоте: дайте таблеток от жадности, да побольше, побольше!