§ 175. Обратимость электрических генераторов постоянного тока. В § 172

мы видели, что всякий генератор постоянного тока может быть, как гово­рят, обращен: если его якорь вращать внешней силой, то машина ра­ботает как генератор, т. е. посылает ток во внешнюю сеть; напротив, если через нее посылать ток от внешней сети, то машина работает как двига­тель. Это свойство обратимости является характерной особенностью не только индукционных генераторов, которые мы рассматриваем в этой главе, а присуще и другим типам генераторов, которые мы рассматри­вали раньше.

На рис. 365 мы видим две электростатические машины, полюсы которых попарно соединены проводами. С левой машины снят приводной ремень для уменьшения трения и облегчения ее вращения. Если пра­вую машину вращать, например, от руки, то она будет работать как генератор, превращая механическую работу наших мускулов в энергию электрического тока. Этот ток, проходя через левую машину, заставит ее вращаться, т. е. работать как двигатель. Здесь будет происходить обратное превращение электрической энергии в механическую работу.

Обратимостью обладают и химические источники тока — гальва­нические элементы. Это ясно обнаруживается в явлениях поляриза­ции элементов (§ 77) и особенно в аккумуляторах (§ 79). В § 79 мы уже отмечали, что при зарядке аккумулятора электрическая энергия в нем превращается в химическую, а при разрядке — химическая в элек­трическую.

Обратимо также и явление возникновения термо-э. д, с. Когда за счет внешнего источника тепла мы поддерживаем разность темпера­тур между двумя спаями термоэлемента, то он работает как тепловая машина, преобразующая часть теплового потока в электрическую энер­гию. Напротив, если мы будем пропускать через термоэлемент ток от внешнего источника, то один спай его будет охлаждаться, а другой — нагреваться, т. е. за счет электрической энергии будет возникать по ток тепла от холодного спая к горячему, Это явление называется эффектом

Пельтье по имени открывшего его ученого. При этом, если мы будем пропускать ток в направлении, которое для термотока соответствовало бы случаю, когда, скажем, спай а горячее, чем спай Ь, то в силу эффекта Пельтье спай а будет охлаждаться, а спай Ь нагреваться.

Рис. 365. Обратимость электростатических машин. Правая машина работает как генератор, левая — как двигатель

Явление Пельтье в полупроводниковых термоэлементах дало возможность построить холодильные машины, которые по экономич­ности не уступают некоторым типам применяющихся на практике ком­натных холодильников.

§ 176. Электромагниты. Хорошие постоянные магниты находят себе важные научные и технические применения, например в электроизмерительных приборах. Но созда­ваемые ими поля не очень сильны, хотя в последнее время и изготовляют специальные сплавы, которые позволяют полу­чать сильные постоянные магниты, хорошо сохраняющие свои магнитные свойства. К числу таких сплавов отно­сится, например, кобальтовая сталь, содержащая около 50 % железа, около 30 % кобальта, а также некоторое коли­чество вольфрама, хрома и углерода. Кроме того, большим неудобством постоянны х магнитов является невозможность быстро изменять магнитную индукцию их поля. В этом отношении гораздо удобнее применение соленоидов с током (электромагнитов), поле которых можно легко изменять, изменяя силу тока в обмотке соленоида. Поле соленоида можно увеличить в сотни и тысячи раз, помещая внутрь него железный сердечник. Именно так и устроено большинство электромагнитов, применяемых в технике.

Простейший электромагнит каждый легко может приго­товить себе сам. Достаточно намотать на какой-нибудь железный стержень — болт или кусок железного прута — несколько десятков витков изолированной проволоки и

Рис. 366. Простейший самодельный элект- Рис. 367. Самодельный

ромагнит в виде стержня

подковообразный маг­нит

присоединить концы этой обмотки к источнику постоянного тока: аккумулятору или гальванической батарее (рис. 366)*). Нередко электромагниту придают подковообразную форму (рис. 367), более выгодную для удержания груза.

Поле катушки с железным сердечником значительно сильнее, чем поле катушки без сердечника, потому что желе­зо внутри катушки сильно намагничивается и поле его складывается с полем катушки. Однако применение желез­ных сердечников в электромагнитах для усиления поля мо­жет оказаться полезным только до известного предела. Действительно, поле электромагнита складывается из поля, создаваемого обмоткой с током, и поля намагниченного сердечника, причем при небольших токах это последнее значительно сильнее, чем первое. При увеличении тока в обмотке оба эти поля возрастают сначала в одинаковой степени, а именно пропорционально току, так что роль сердечника продолжает оставаться решающей. Однако

*)' Железо рекомендуется предварительно отжечь, т. е. накалить его докрасна, например в печке, и затем дать ему медленно остыть. При. соединять обмотку к батарее следует через реостат сопротивлением

1. 2 Ом, чтобы не брать от батареи слишком больших токов.

при дальнейшем увеличении тока в обмотке намагничива­ние железа начинает замедляться н железо приближается к состоянию магнитного насыщения. Когда практически все молекулярные токи ориентированы параллельно, дальней­шее увеличение тока обмотки уже ничего не может добавить к намагничиванию железа, тогда как поле обмотки продол­жает расти пропорционально току. При большом токе в обмотке (точнее, когда число ампер-витков на метр дости­гает значений порядка 10^е) поле, создаваемое самой обмот­кой, оказывается гораздо сильнее поля насыщенного же­лезного сердечника, так что сердечник становится практи­чески бесполезным и лишь усложняет конструкцию электро­магнита. Поэтому самые мощные электромагниты делают без железного сердечника.

Нетрудно видеть, что создание весьма мощных электромагнитов представляет собой очень сложную техническую задачу. Действитель­но, чтобы иметь возможность применить большие токи, надо иметь об­мотку из толстой проволоки, иначе она сильно разогреется и может даже расплавиться. Иногда вместо проволоки применяют медные трубки, в которых циркулирует сильная струя воды для интенсивного охлажде­ния стенок трубок, по которым течет электрический ток. Но при об­мотке из толстой проволоки или трубки нельзя уложить много витков на единице длины. Применение же сравнительно тонкой проволоки, обе­спечивающей значительное число витков на метр( не дает возможности применять большие токи ¹).

Очень остроумный выход из этого положения нашел советский фи­зик Петр Леонидович Капица (1894—1984). Он пропускал через соле­ноид токи огромной силы — десятки тысяч ампер,— но только в тече­ние короткого времени, примерно 0,01 с. За это время обмотка соленоида ие успевала чрезмерно нагреться и получались сильные, хотя и кратко­временные магнитные поля. Однако специальные приборы успевали ре­гистрировать результаты опытов, в которых изучалось влияние созда­ваемых в соленоиде мощных магнитных полей на различные вещества.

В большинстве технических электромагнитов применя­ются обмотки, у которых число ампер-витков на метр не превышает нескольких десятков тысяч, так что для их пи­тания можно ограничиться током в несколько ампер и проволокой умеренной толщины. При наличии железного сердечника в таких электромагнитах могут быть получены довольно сильные магнитные поля (с индукцией несколько тесла).