Глава 4. Электричество и магнетизм

Ученые, исследовавшие электрические явления, заметили, что проводник с током окружает поле, природа и характер которого отличается от электростатического поля, ответственного за взаимодействие двух заряженных объектов. Это поле, возникающее при движении электрических зарядов, назвали магнитным. Всем с детства знакомы магнитики, которые так ловко прилипают к металлическим дверям холодильника. Если два магнита сближать друг с другом, то при одном их положении они будут притягиваться, при другом отталкиваться. Кто не играл с ними в детстве! А их свойство, если магнит выполнен в виде тонкого легкого стерженька, показывать направления на северный и южный полюса Земли использовали давным-давно для навигации – поиска правильного пути в путешествиях.

Свойство магнитного поля, появляющегося вокруг проводника с током, давно используется в электрических устройствах. Хотя у г-на Прибора их представительство не столь весомо, но один из них есть – микроамперметр. Я уже говорил, что этот стрелочный прибор представляет собой рамку с намотанным на нее проводом, которая помещена в поле постоянного магнита. Дело в том, что любой проводник с током, помещенный в поле постоянного магнита, будет двигаться в этом поле. Выключается ток, движение прекращается. Со стороны магнитного поля на проводник с током действует сила. Подобное проявление свойств электричества используется не только в измерительных приборах. Так же работает громкоговоритель. Он имеет диффузор, к которому приклеена катушка с проводом, помещенная в сильное магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом. Когда через катушку протекает переменный ток, катушка движется в магнитном поле, а характер ее движения определяется законом, по которому изменяется переменный ток. Свое движение катушка с проводом передает диффузору громкоговорителя, заставляя его двигаться в такт со своим движением. Диффузор громкоговорителя при своем движении создает разряжения и уплотнения воздуха, а это не что иное, как звук. Так громкоговоритель преобразует переменное напряжение в звук.

Интересен и такой момент: если на проводник с током в магнитном поле действует сила, заставляющая проводник двигаться, то на концах обесточенного проводника, если перемещать его в магнитном поле, появляется ЭДС. Если наш громкоговоритель отключить от выхода схемы усилителя, включить его на вход, то при достаточной чувствительности усилителя можно убедиться, что громкоговоритель работает, как микрофон – устройство, преобразующее звук в переменное напряжение. Действительно, если вам приходилось разбирать электродинамические микрофоны, то вы знаете, что легкая подвижная мембрана такого микрофона имеет катушку с проводом, помещенную в поле постоянного магнита. Почти как диффузор громкоговорителя. Звуковая волна – череда разряжений и уплотнений воздуха – доходя до мембраны микрофона, заставляет ее двигаться, а с ней и катушку с проводом, прикрепленную к мембране. Катушка в поле постоянного магнита движется по тому же закону, что и звуковая волна, отчего появляющееся на выводах катушки переменное напряжение повторяет закон изменения звука. Микрофон преобразует звук в переменное напряжение.

Громкоговорители и микрофоны – не единственные элементы, где используются магнитные поля. Катушка с проводом, по которому течет ток, снабженная металлическими сердечником, скобой и коромыслом, будет притягивать коромысло, которое вторым концом при движении может замыкать контакты. Так получится реле постоянного тока. Реле – элемент электрической схемы, который по сей день находит широкое применение, хотя появились и успешно с ним конкурируют бесконтактные коммутаторы.

Еще один интересный аспект: если вокруг проводника с током возникает магнитное поле,

то любой движущийся проводник без тока, находящийся на любом расстоянии от первого, будет чувствовать это магнитное поле, и в проводнике возникнет электрическое поле, создающее в нем ЭДС. Значит электрическое и магнитное поля связаны, и мы можем говорит об электромагнитном поле. При движении проводника в магнитном поле в нем образуется ЭДС, а что произойдет, если мы будем не двигать проводник, а станем менять магнитное поле? Мы получим в обесточенном проводнике ЭДС. На любом расстоянии от проводника, создающего это меняющееся магнитное поле. То есть, мы можем рассматривать проводник с переменным током, как генератор электромагнитного поля уходящего далеко в пространство, о чем говорят так: переменный ток создает электромагнитную волну в пространстве. Поместив на ее пути проводник, мы обнаруживаем эту электромагнитную волну. Конечно, чем дальше от источника размещен наш приемник, тем меньше возникающая ЭДС. Но это не помешает нам так устроить приемник и передатчик электромагнитной волны, чтобы иметь возможность передавать полезную информацию без проводов. Примерно так работает радио. Чем мощней передатчик, чем чувствительней приемник, чем правильнее выбрана частота переменного тока передатчика, тем дальше от передатчика можно принять радиосигнал. Мы относительно недавно стали пользоваться электромагнитными полями для передачи информации, но сегодня трудно себе представить, как мы могли без этого обходиться раньше.

Но вернемся к реле. Чем реле нам интересно? Когда мы говорили о транзисторном усилителе, то польза от него была несомненной. Транзисторный усилитель позволял усиливать сигнал, несущий полезную информацию, по току, по напряжению, а, значит, и по мощности. А что реле? Реле тоже способно усиливать. Магнитное поле, создаваемое обмоткой реле, требует, в зависимости от конструкции реле, подачи на обмотку напряжения в несколько вольт, а ток, протекающий по обмотке, может составлять несколько десятков миллиампер. Но при этом контакты реле могут коммутировать напряжение в несколько десятков (а то и сотен) вольт, пропуская ток в несколько ампер (а то и десятков ампер). Чем не усилитель? Есть одно неудобство, переменное напряжение сигнала, усиливаемого транзистором, может меняться по любому нужному нам закону. А сигнал, усиливаемый с помощью реле, всегда импульсный. Проведем эксперимент с реле. Для реального эксперимента потребуется реле постоянного тока с рабочим напряжением 5-10 В, источник такого напряжения (батарейка или блок питания), выключатель и мультиметр. Но эксперимент настолько прост, что проводить его на макетной плате, пожалуй, нет смысла. Не всегда у начинающего любителя найдется подходящее реле, а если покупать реле, то не бесспорно, что удастся использовать его в последствии. Для любой полезной схемы реле выбирается с конкретными параметрами: рабочее напряжение, потребляемый ток, рабочее напряжение и ток, коммутируемый контактами реле, количество групп контактов. В некоторых случаях определяющими параметрами могут быть габариты или вес реле, или тип реле, хотя бы с точки зрения срока службы схемы. Последнее может зависеть от характера работы реле. Любое реле имеет срок службы, определяемый количеством срабатываний. Например, реле имеет допустимое количество срабатываний 1000. Много это или мало? Если вы с помощью реле включаете свет в комнате, и делаете это 5 раз в день, то реле обязательно прослужит вам не менее года. Может прослужить и много дольше, но это уж как повезет. Но, если вы хотите использовать реле в качестве преобразователя постоянного напряжения в переменное (реле можно использовать и в таком качестве), то при частоте переключения 200 Гц данное реле безусловно прослужит не менее 5 секунд. Конечно, многие реле имеют большее на порядок или несколько порядков гарантированное количество срабатываний, но то, какое выбрать реле, определяется конкретной схемой, поэтому закупать реле впрок, смысла нет. Будем считать, что эксперимент у нас «мысленный»!

Рис. 4.1. Эксперимент с реле постоянного тока

Здесь в качестве сигнала используется генератор прямоугольных импульсов, а осциллограмма показывает сигнал в точке out. Реле повторяет форму сигнала генератора, но ток, напряжение и мощность сигнала в точке out могут быть много больше исходного.

Может возникнуть вопрос, а что полезного может нести такой сигнал? Может нести информацию, которую мы можем передать, например, по проводам, подключенным к контакту S1. Если вместо генератора прямоугольных импульсов мы используем батарейку с выключателем, выключатель, включенный кратковременно будет передавать точку, а включенный подольше, тире, то, как сами понимаете, мы можем использовать азбуку Морзе для передачи полезной информации на расстояние по проводам. А если вместо резистора R1 и батарейки V2 к контактам реле подключим мощный генератор радиочастоты, то сможем передавать полезную информацию и без проводов. Все в наших руках.

Конечно, реле сегодня не используется для подобных целей, но возможность «усиливать» сигнал, то есть, коммутировать большие токи и напряжения используется и по сегодняшний день. У реле перед другими коммутаторами есть ряд преимуществ. Любой коммутатор, транзисторный ли, тиристорный ли, рассеивает достаточно большую мощность. Вспомним закон Ома и то что рассеиваемая мощность равна произведению падения напряжения на коммутаторе на протекающий через него ток. Если на транзисторе при токе в 1 А падает напряжение в 1 В, то рассеивается мощность в 1 Вт. А при токе в 10 А! Транзистор придется охлаждать, иначе он расплавится. Сопротивление контактов, даже не самых удачных, порядка 0.01 Ом. При токе в 10 А падение напряжения 0.1 В. Рассеиваемая мощность 1 Вт. И нагрев

металлических контактов при такой рассеиваемой мощности их никоим образом не расплавит.

Очень часто реле постоянного тока включают в цепь коллектора транзистора. Входной ток транзистора может быть порядка сотен микроампер, а контакты реле могут коммутировать ток в десятки ампер. Десять ампер, деленные на сто микроампер дадут коэффициент усиления по току в сто тысяч раз. Всего два компонента электрической схемы, а такой впечатляющий результат!

Рис. 4.2. Включение реле в цепь коллектора транзистора

Измерители тока Pr1 и Pr2 позволяют оценить возможности реле в усилении тока. Очень советую повторить подобный эксперимент без участия реле (лучше в программе Qucs), включив резистор R1 с сопротивлением равным сопротивлению обмотки реле в коллекторную цепь транзистора и сравнить токи на входе и выходе схемы.

На схеме рисунка 4.2 я добавил параллельно реле диод D1. Зачем я это сделал? Чтобы вы не забывали включать диод (встречно) параллельно обмотке реле, даже если и без него все работает хорошо. Обмотка реле, как любая индуктивность, имеет реактивных характер сопротивления, и как для конденсатора, о чем я говорил раньше, для индуктивности существует реакция при включении источника ЭДС. Это время реакции очень мало, а процесс, протекающий при этом называют переходным процессом, так вот переходной процесс для индуктивности выглядит обратно тому, что происходит с конденсатором. В начальное мгновение после подключения индуктивности к источнику постоянного напряжения ток через индуктивность очень мал, но начинает быстро нарастать, пока не

достигнет величины, определяемой активным сопротивлением провода катушки. Такая есть реакция у индуктивности. Но самое интересное, что происходит, когда мы отключаем источник напряжения. Магнитное поле, созданное катушкой, не исчезает сразу, а быстро убывает. Но в проводнике, помещенном в меняющееся магнитное поле, появляется ЭДС. В катушке эта ЭДС будет направлена так, что она будет противоположна по знаку падению напряжения при включенной катушке. Поскольку в схеме на рисунке 4.2 выключение реле будет производится не отключением источника питания, а обрывом базовой цепи транзистора (точнее подсоединением ее к земле), то между эмиттером и коллектором транзистора оказываются включены два источника напряжения: батарейка V1 и противоэдс (так называют реактивную ЭДС катушки) обмотки реле. Суммарное напряжение может оказаться больше предельно допустимого напряжения (есть такой параметр у транзистора) на коллекторе транзистора, что может вывести его из строя. Чтобы этого не происходило параллельно обмотке реле включают диод. Возникающая при выключении реле противоэдс подключена к диоду и напряжение ее не превышает напряжения включенного в прямом направлении диода, а это 0.5-0.7 В. Ток через диод ограничивается активным сопротивлением обмотки реле и не будет слишком большим.

До появления полупроводниковых приборов реле применяли очень широко. Даже вычислительные устройства, ранние цифровые компьютеры, использовали реле. От тех времен в современном компьютерном лексиконе даже сохранилось такое понятие, как «баг», ошибка (bug – жук, насекомое). Когда в контакты реле забиралось насекомое, мешая работе компьютера, приходилось долго отыскивать этого любителя вычислительной техники, осуществляя «дебагинг» при отладке программы. Сегодня любая среда программирования в память о событиях тех лет имеет средства «дебагинга» программ.

Реле настолько простое и настолько неприхотливое электромеханическое устройство, что и сегодня, создавая свои схемы, не следует о нем забывать. Во многих случаях самым простым и надежным решением будет применение реле. Помимо выгоды от использования свойств контактов реле для коммутации высоковольтных потребителей, есть то, что особенно удобно для начинающих — схему можно полностью отладить без использования опасного для жизни напряжения. Работа даже с бытовым силовым напряжением, даже для профессионалов, требует неукоснительного соблюдения правил безопасности и существенного опыта работы, а с учетом обычной увлеченности любителя при налаживании схемы, трудно ожидать от него выполнения всех правил работы под напряжением. Использование реле позволяет избежать проблем — достаточно проверить, замкнуты или разомкнуты контакты реле, что можно сделать мультиметром, включенным в режим измерения сопротивления.

Что же касается упрощения схемы, то посмотрим так ли это?

Положим, мы хотим, нажав одну кнопку включить некоторое устройство, а, нажав другую, выключить его. Как выглядит схема с применением реле:

Рис. 4.3. Коммутатор с применением реле

Здесь контакты S2 принадлежат кнопке включения. Когда мы нажимаем эту кнопку, реле подключается к батарейке V1, включается и своими контактами S1 замыкает цепь питания реле. Реле остается включенным, пока мы не нажмем кнопку выключения S3, разрывающую цепь питания реле и выключающую реле. Попробуйте, используя любые другие элементы: транзисторы, резисторы, микросхемы, – получить такой же эффект, учитывая, что реле может иметь несколько пар контактов (на схеме изображена только одна), и оставшиеся могут коммутировать остальную часть схемы, и потребляющую достаточно большую мощность. Думаю, другие решения не будут столь лаконичны.

Эксперименты по замене, скажем, релейной схемы на транзисторную полезны тем, что есть все исходные данные. Мы знаем заранее, что мы должны получить. А то, как мы это сделаем, зависит от наших предпочтений, от наших знаний, и их, наши знания, пополняет.

Электромагнитные явления используются не только в измерительных приборах, микрофонах, громкоговорителях и реле: есть магнитные усилители, преобразователи, стабилизаторы и генераторы, наконец, не будем забывать о трансформаторах! Достаточно давно появились такие компоненты, как магнитодиоды и магнитотранзисторы. И еще не исчезли из обращения магнитофоны, аудио и видео. И есть целый класс устройств, которые называются электродвигатели.

Электродвигатели постоянного тока похожи по принципу работы на измерительный прибор – рамка с обмоткой (катушкой провода) поворачивается в магнитном поле под действием протекающего тока. Если рамка не одна, а несколько на металлическом

сердечнике, и если мы снимаем ток с той, что уже повернулась и подаем на ту, что еще только вошла в поле магнитов, то, продолжая этот процесс, мы заставим наше «многорамочное» устройство вращаться. А, вспоминая работу громкоговорителя и микрофона (взаимообратное преобразование), если мы начнем крутить наш двигатель постоянного тока, то можем ожидать, что на его выводах появится ЭДС, то есть, мы используем двигатель, как генератор. Кроме двигателей постоянного тока есть электродвигатели переменного тока. Есть и генераторы переменного тока...

Я еще раз просмотрел эту главу. Она получилась совсем короткой. Даже обидно. А взглянув на книжный шкаф, даже в его видимой части я обнаружил с десяток толстых книг, от «Электродинамики» до «Электрических машин». Можно было бы выписать много интересного, пополнив, благо текстовый процессор позволяет, рассказ красивыми формулами с поверхностными интегралами и ссылками на оригинальные труды Максвелла и Фарадея, что придало бы мне вес в собственных глазах, но... оставлю все как есть. Мне нравится математика своей строгостью и хотя бы тем, что она просто захватывающе интересна. Мне нравится физика своей непредсказуемой силой. Однако вернемся лучше к сигналам.