Фейнмановские лекции по физике. 6. Электродинамика

Любой большой электромагнит обладает большой самоин­дукцией. Пусть, например, к катушке большого электромаг­нита присоединена батарея (фиг. 16.6) и пусть установилось большое магнитное поле. (Ток достигает постоянной величины, определяемой напряжением батареи и сопротивлением провода катушки.)

Фиг. 16.6. Включение электромагнита в цепь.

Лампочка открывает проход току в момент отключения, препятствуя возникновению слишком большой э.д.с. на кон­тактом выключателя.

Но теперь предположим, что мы пытаемся отсоеди­нить батарею, разомкнув выключатель. Если бы мы на самом деле разорвали цепь, ток быстро уменьшился бы до нуля и в процессе уменьшения создал бы огромную э. д. с. В большин­стве случаев такой э. д. с. оказывается вполне достаточно, чтобы образовалась вольтова дуга между разомкнутыми контактами выключателя. Возникающее большое напряжение могло бы нанести вред катушке, да и вам, если бы именно вы раз­мыкали выключатель! По этим причинам электромагниты обыч­но включают в цепь примерно так, как показано на фиг. 16.6. Когда переключатель разомкнут, ток не меняется быстро, а продолжает течь через лампу, оставаясь постоянным за счет э. д. с. от самоиндукции катушки.

§ 3. Силы, действующие на индуцируемые токи

Вы, вероятно, наблюдали великолепную демонстрацию пра­вила Ленца с помощью приспособления, изображенного на фиг. 16.7. Это электромагнит точно такой же, как катушка а на фиг. 16.5. На одном конце электромагнита помещается алю­миниевое кольцо. Если с помощью переключателя подсоеди­нить катушку к генератору переменного тока, то кольцо взле­тает в воздух. Силу, конечно, порождают токи, индуцируемые в кольце. Тот факт, что кольцо отлетает прочь, показывает, что токи в нем препятствуют изменению поля, проходящего через кольцо. Когда у магнита северный полюс находится сверху, индуцированный ток в кольце создает внизу северный полюс. Кольцо и катушка отталкиваются точно так же, как два магнита, приложенные одинаковыми полюсами. Если в кольце сделать тонкий разрез по радиусу, сила исчезает — убедительное доказательство того, что она действительно обусловлена токами в кольце.

Фиг. 16.7. Проводящее кольцо сильно отталкивает­ся электромагнитом, когда в нем меняется ток.

Фиг. 16.8. Электромагнит вблизи идеально проводящей плоскости.

Если вместо кольца у края электромагнита поместить алю­миниевый или медный диск, то и он отталкивается; индуциро­ванные токи циркулируют в материале диска и снова вызывают отталкивание.

Интересный эффект, в основе похожий на предыдущий, воз­никает с листом идеального проводника. В «идеальном провод­нике» ток совсем не встречает сопротивления. Поэтому возник­шие в нем токи могут течь не переставая. Фактически малейшая э. д. с. создала бы сколь угодно большой ток, а это на самом деле означает, что в нем вообще не может быть э. д. с. Любая попыт­ка создать магнитный поток, проходящий сквозь такой лист, вызовет токи, образующие противоположно направленные поля В — все со сколь угодно малыми э. д. с., так что никакого потока не будет.

Если к листу идеального проводника мы поднесем электромагнит, то при включении тока в магните в листе возникают токи (называемые вихревыми токами), и никакой магнитный поток не пройдет. Линии поля будут иметь вид, показанный на фиг. 16.8. То же самое произойдет, если к идеальному про­воднику поднести постоянный магнит. Поскольку вихревые токи создают противоположные поля, магниты от проводника отталкиваются. Поэтому оказывается возможным подвесить постоянный магнит в воздухе над листом идеального провод­ника, изготовленного в форме тарелки (фиг. 16.9). Магнит будет поддерживаться в воздухе за счет отталкивания индуцирован­ных вихревых токов в идеальном проводнике. При обычных температурах идеальных проводников не существует, но некоторые материалы при достаточно низких температурах стано­вятся идеальными проводниками.

Фиг. 16.9. Магнитная палочка отталкивается вихревыми токами и повисает над чашей из сверх­проводника.

Так, при температуре ниже 3,8° К олово становится идеальным проводником; тогда оно называется сверхпроводником.

Если проводник, показанный на фиг. 16.8, не вполне иде­альный, то возникнет некоторое сопротивление течению вихре­вых токов. Токи будут постепенно замирать, и магнит медленно опустится. В неидеальном проводнике, чтобы течь дальше, вихревым токам необходима некоторая э. д. с., а для возник­новения э. д. с. поток должен непрерывно меняться. Поток магнитного поля постепенно проникает в проводник.

В обычном проводнике имеются не только силы отталкива­ния за счет вихревых токов, но могут быть и боковые силы. Например, если мы передвигаем магнит над проводящей поверхностью, вихревые токи создают тормозящую силу, по­тому что индуцированные токи препятствуют изменению по­тока. Такие силы пропорциональны скорости и похожи на силы вязкости.

Эти эффекты хорошо наблюдаются на приборе, изображен­ном на фиг. 16.10. Квадратная медная пластинка укреплена на конце стержня, образуя маятник. Пластинка качается взад и вперед между полюсами электромагнита. Когда магнит вклю­чается, движение маятника неожиданно прекращается. Как только металлическая пластинка попадает в зазор магнита, в ней индуцируется ток, который стремится помешать измене­нию потока через пластинку. Если бы пластинка была идеаль­ным проводником, токи были бы столь велики, что они снова вытолкнули бы пластинку и она отскочила бы назад. В медной же пластинке имеется некоторое сопротивление, поэтому токи' сначала заставляют пластинку почти намертво застыть, когда она начинает входить в поле. Затем, по мере того как токи зами­рают, пластинка продолжает медленно двигаться в магнитном; поле и останавливается совсем.

Схема вихревых токов в медном маятнике поясняется фиг. 16.11. Сила и расположение токов весьма чувствительны к форме пластинки. Если, скажем, вместо медной пластинки взять другую, в которой имеется ряд узких щелей (фиг. 16.12), то эффекты вихревых токов сильно уменьшатся. Маятник проходит сквозь магнитное по­ле лишь с небольшой тор­мозящей силой

Фиг. 16.10. Торможение маят­ника указывает на силы, возни­кающие благодаря вихревым то­кам.

Причина в том, что токи в каждой ча­сти пластинки возбуждают­ся меньшими по величине потоками и, следовательно, эффекты сопротивления каж­дой петли оказываются боль­шими. Чем меньше токи, тем меньше и торможение. Вяз­кий характер силы проявит­ся еще более наглядно, если медную пластинку поместить между полюсами магнита и за­тем отпустить ее. Пластинка не падает, она просто медленно опускается. Вихревые токи оказывают сильное сопротивление движению, точь-в-точь как вязкое сопротивление меда.

Если мы не будем протаскивать проводник мимо магнита, а попробуем вращать его в магнитном поле, то в нем в резуль­тате тех же эффектов возникнет тормозящий момент. И наоборот, если вращать магнит, меняя местами его полюса, вблизи проводящей плоско­сти или кольца, то кольцо повернется за магнитом, токи в кольце создадут мо­мент, стремящийся повернуть кольцо вместе с магнитом.

Фиг. 16.11. Вихревые токи в медном маятнике.