Как заметил автор, наибольший интерес читателей вызывает достаточно серьезная электроника. Так что мы к ней вернемся в самое ближайшее время. Не забывайте - нашими финальными целями, своего рода выпускным экзаменом в этих разделах физики являются дальнобойный КВ-радиоприемник, а также аппаратура беспроводной оптической связи, способная перекрыть расстояние между соседними многоэтажками. Конечно, по пути к этим целям будет еще немало интересных и полезных приборов. Все предыдущие работы призваны оснастить вас необходимыми для этого знаниями, навыками, деталями, инструментами, приборами. Так что пока на время вернемся к более простым темам...
Для этой простой школьной лабораторной работы у нас уже есть описанные в предыдущей публикации штатив и подковообразный магнит. Осталось сделать саму катушку. Вот чертежи ее деталей.
В сущности, она представляет собой одну секцию катушки, использовавшейся нами в ВЧ генераторе. Так же изготавливается из картона или ватмана и проклеивается эпоксидкой или ПВА. Только мотать нужно больше - почти до заполнения. Не менее 200 витков провода диаметром 0,18 - 0,25 мм. Выводы катушки должны представлять собой куски тонкого гибкого провода не менее полметра длиной, обязательно разного цвета. Одним из проводов может быть продолжение того же провода, каким делалась обмотка. Важно, чтобы было хорошо видно, в каком направлении какой провод наматывается на катушку, чтобы учащиеся могли определить направление тока в ней. Поскольку использованные нами для создания подковообразного магнита неодимовые цилиндрики не имеют маркировки полярности, то целью этой лабораторной работы будет определение полярности магнита по движению катушки и правилу левой руки.
Еще несколько советов. Катушка должна быть подвешена ПЕРЕД магнитом, так, чтобы в исходном состоянии его полюс не заходил внутрь. Чтобы притяжение магнита к стальному основанию штатива вам не мешало, установите магнит на кусочек фанеры или дощечку. Закрепить его можно даже на скорую руку пластилином. Сопротивление медного провода довольно невелико, так что, чтобы избежать перегрева катушки и излишнего расхода батарей, собирайте цепь с использованием выключателя и не держите ее долго под током.
Предвижу вопрос: "А можно ли на этой установке показать электромагнитную индукцию?" Что ж, попробуйте. Не гарантирую, но может получиться. Тестер включите на самый низкий предел измерения не переменного, а постоянного напряжения. Колебания с такой низкой частотой можно наблюдать и так, а при включении режима переменного тока индуктированного напряжения не хватит, чтобы преодолеть порог нечувствительности диодов в выпрямителе прибора. Результат зависит от числа витков катушки, силы использованных вами магнитов, расстояния между полюсами (лучше, если они ближе) и чувствительности прибора. У автора колебания стрелки при резком покачивании катушки были невелики, но наблюдались совершенно отчетливо.
Впрочем, возможно увидеть переход явлений электромагнетизма и электромагнитной индукции друг в друга еще более эффектно.
Всякий, увидевший картинки устройства электрических моторов и генераторов в учебнике, заметит, что на них изображено практически одно и то же. Недаром в электротехнической науке их даже не особо разделяют, а называют общим термином "электрические машины". И действительно, обычные коллекторные моторчики постоянного тока с постоянными магнитами могут работать генераторами. Вы, конечно, можете показать это напрямую. Вырезать из обычной резинки-стерки маленький шкив, насадить его на вал моторчика и проточить надфилем желобок на нем. Затем перебросить замкнутый пассик или нитку через этот шкив и большой шкив чего-нибудь другого быстро вращающегося, например швейной машинки. Если подключить к выводам мотора низковольтную лампочку или светодиод, то можно будет видеть, как они светятся от вырабатываемой моторчиком электроэнергии.
Но можно проделать другой эффектный опыт по мгновенному превращению мотора в генератор. Соберите схему, показанную на рисунке 1. Электромоторчик положите на твердую поверхность, чтобы по его жужжанию определять время его вращения. Переведем переключатель на несколько секунд в левое положение. Моторчик, как ему и положено будет вращаться от батарейки. А теперь быстро перебросим переключатель в правое положение. Моторчик будет отключен от батарейки, но какое-то время будет крутиться по инерции и при этом вырабатывать ток. Так что этого хватит, чтобы на какую-то секунду лампочка засветилась.
Запомните на слух, какое время вращается мотор. А теперь проведем 2 эксперимента. Сначала отключим лампочку. Вы заметите, что моторчик вращается по инерции немножко дольше. Но еще более поразителен результат следующего эксперимента. Включим в схему в место лампочки перемычку, накоротко замыкающую выводы мотора в правом положении переключателя. (Ввиду ограниченного запаса кинетической энергии во вращающемся роторе маленького моторчика это не опасно) Мотор остановится практически мгновенно!
Почему такая разница в легкости вращения мотора (точнее, уже генератора), ведь трение в его подшипниках не изменялось? Здесь мы имеем дело с одним из следствий закона сохранения энергии. Генератор, выработанная которым энергия потребляется, труднее вращать, чем работающий вхолостую! Если мы за счет выработанной им электроэнергии производим какую-то работу, то, значит, нам эту самую дополнительную работу надо приложить к вращению вала генератора.
Кстати, этот эффект используется в реостатных системах торможения самых разных транспортных средств с тяговыми электродвигателями: тепловозов, тяжелых карьерных самосвалов и т.д. Электродвигатели переводятся в генераторный режим, а вырабатываемая ими энергия подается на реостаты. Благодаря этому меньше истираются тормозные колодки, которые используются только уже для окончательной остановки. Вы также можете поэкспериментировать с этой схемой и имеющимся у вас реостатом.