§ 102. Превращение механической энергии в электрическую

Демонстрационные опыты — см. т. II, §§ 2 и 50.
Упрощенные приборы — см. т. III, § 49.
Рисунки и чертежи на уроках — см. т. IV, § 68.

1. Содержание: а) Явление электромагнитной индукции. Связь между направлениями поля, движения проводника и тока. Правило правой руки. б) Получение переменного тока при вращении рамки в магнитном поле. Различие между переменным и постоянным токами, в) Коллектор, как прибор для выпрямления переменного тока. г) Понятие об устройстве динамомашины. Обратимость динамомашины. д) Значение открытия электромагнитной индукции и изобретения динамомашины.

2. Методические замечания. для связи с предыдущим отделом в начале изучения темы следует поставить вопрос, примерно, в том виде, в каком он возник у М. Фарадея^[1]. Если проводник с током в магнитном поле приходит в движение, то, в свою очередь, не может ли движение проводника в поле повести к возникновению тока? Другими словами, ставится вопрос о возможности превращения механической энергии в электрическую.

Методические затруднения при изучении, явления электромагнитной индукции и принципа устройства и действия динамомашины вызываются теми же причинами, которые были указаны в § 101, 2. Однако, их легче преодолеть, поскольку подобные вопросы уже рассматривались в предыдущем при изучении электромотора. В целях упрощения изложения и обеспечения доступности материала для учащихся приходится прибегать, кроме демонстрации опытов, к широкому использованию учебных пособий в виде рамок или контуров с кольцами и коллектором (см. т. II, § 50, 7, рис. 377, 389 и 390), а также к применению объяснительных картин. При рисовании на доске необходимо отказаться от чертежей в косоугольной проекции и давать условные изображения в виде разрезов, подобных показанному на рисунке 242. Поскольку учащиеся не имеют представления об электродвижущей силе, постольку, в целях упрощения изложения при рассмотрении явления электромагнитной индукции и последующих вопросов, приходится говорить об индуцированном в проводниках электрическом токе, а не об индуцированной электродвижущей силе, что является с научной точки зрения не совсем правильным.

Затруднения при изучении явления индукции возникают также по той причине, что демонстрационный гальванометр, применяемый в школе, оказывается недостаточно чувствительным. Поэтому явление приходится показывать в сильно осложнённом виде, возбуждая ток в катушке, а не в прямом проводнике.

Далеко не простым делом является создание у учащихся сколько-нибудь правильного представления о переменном электрическом токе не только как о токе, периодически изменяющем своё направление, но и о непрерывном изменении его величин в течение каждого полупериода. Желательно, чтобы учащиеся получили представление о графике переменного тока и могли дать соответствующие объяснения. Это оказывается возможным только в том случае, когда на построение всевозможных графиков преподаватель в течение всего курса обращал достаточное внимание.

3. Электромагнитная индукция. Изложение этого вопроса не только в школе, но и в учебниках является неудовлетворительным. Вследствие методического несовершенства аппаратуры на опытах удаётся обнаружить только возникновение индукционного тока, но не обосновать существующую связь между направлениями поля, механического движения и направлением тока. Подробное изложение методики эксперимента, ведущей к упрощению изложения вопроса и позволяющей ввести правило правой руки, а также описание соответствующих приборов даны в т. II, § 50, 2 и 5. Здесь же по отношению к эксперименту ограничимся следующими указаниями:

1) Индукционная катушка, имеющаяся обычно в школе, должна быть признана негодной с методической точки зрения. Следует применять специально изготовленную катушку, на которой ясно видны учащимся направление обмотки и у которой провода окрашены в различные цвета (см. т. II, рис. 40).

2) Внутри демонстрационного гальванометра надо, в случае надобности, сделать пересоединение проводов, ведущих к его клеммам, чтобы отклонение стрелки происходило по току (см. т. II, § 45, рис. 323).

3) При демонстрации пользоваться не прямым, а U-образным магнитом, так как картина поля у последнего проще, чем у первого (см. т. II, рис. 399 и 401).

4) Следует перемещать катушку, надвигая её на магнит, но не наоборот. В противном случае возникнут затруднения при введении правила правой руки^[2].

Только при соблюдении указанных условий может быть сравнительно просто установлена на опыте связь, выражаемая правилом правой руки.

Явление индукции изучается в следующем виде:

1) Индукционный ток возникает при движении проводника поперёк силовых линий поля, но отнюдь не вдоль их (рис. 244).

2) Явление индукции наблюдается не только при движении перемещении катушки около полюсов проводника по отношению к полю, но и поля по отношению к проводнику, т. е. при относительном движении поля и проводника.

3) Четыре возможных случая движения проводника около магнитных полюсов сводятся к двум основным случаям относительного перемещения проводника поперёк силовых линий поля (рис. 245).

4) Направление индукционного тока в зависимости от направлений поля и перемещения определяется правилом правой руки.

Желательно рассмотреть правило Ленца, что рациональнее выполнить позднее — при постановке опыта, обнаруживающего сопротивление якоря динамомашины при её нагрузке.

Получение индукций электромагнитом можно не демонстрировать, так как это не вносит чего-либо принципиально нового. Демонстрация возникновения тока во вторичной катушке при перерывах тока в первичной служит введением к рассмотрению вопроса о трансформаторе и поэтому должна быть проведена в начале следующей темы.

При изучении правила правой руки следует, руководствуясь положениями, приведёнными в § 101, 3, провести тренировочные занятия со всем классом.

Зарисовки преподавателя на доске и учащихся в тетрадях должны соответствовать всем возможным случаям движения катушки относительно полюсов (рис. 244 и 245).

Вопрос об этих рисунках подробно рассмотрен в т. IV, § 68, 1 (рис. 303—308).

4. Получение переменного тока вращением рамки. Для основного опыта, служащего для обнаружения возникновения переменного тока при поворотах рамки в магнитном поле, служит катушка, описанная в т. II, § 50, 6 (рис. 393). Суждение об изменении направления тока при прохождении рамки через нейтральное положение производится на основании отклонения стрелки демонстрационного гальванометра. Объяснение наблюдаемому явлению даётся на основании правила правой руки при помощи демонстрационного контура с кольцами (рис. 246 и см. т. II, рис. 389) и заранее изготовленных картинок, подобных рисунку 242. У этого контура, как и при изучении движения проводника, для упрощения объяснений необходима окраска его отдельных частей в различные цвета.

Учащихся следует ознакомить с основными отличиями переменного тока от постоянного:

1) Переменный ток через одинаковые промежутки времени меняет своё. направление на обратное.

2) Сила переменного тока в течение такого промежутка времени непрерывно возрастает до некоторой наибольшей величины и затем так же уменьшается до нуля.

3) Время, в течение которого переменный ток течёт как в том, так и обратном направлении, называется периодом переменного тока. Желательно дать график переменного тока (см. т. IV, рис. 306).

В заключение надо рассмотреть устройство магнитоэлектрической машины с кольцами и показать её действие, накаливая электрическую лампочку (см. т. II, § 50, 8 и рис. 394). При этом даются объяснения, с какой целью тело якоря делается из железа, а обмотка — из значительного числа витков.

Упомянув о замене магнитов электромагнитами, такую машину можно рассматривать как прообраз современных машин переменного тока (альтернаторов), употребляемых в технике. Название машин переменного тока динамомашинами неправильно^[3].

5. Выпрямляющее действие коллектора. Динамомашина. Выпрямляющее действие коллектора выясняют, пользуясь контуром с коллектором и прибегая к заранее изготовленным рисункам вроде изображённых на рисунке 247^[4]. Затем демонстрируют действие магнито-электрической машины с коллектором (см. т. II, рис. 394), накаливая лампочку и показывая при помощи демонстрационного гальванометра, что машина даёт прямой ток. Полезно рассказать также об устройстве карманного фонарика с магнито-электрической машиной (см. т. II, рис. 395, II). Указав, что в технических машинах вместо магнитов применяют для усиления действия электромагниты, учащихся знакомят с динамоэлектрическим принципом, состоящим в том, что ток для питания индуктора берётся от якоря динамомашины, что составляет её характерное свойство.

Учащиеся легко усматривают тождество в устройствах динамомашины и мотора постоянного тока. Поэтому вопрос об обратимости динамомашины, что показывается на опыте, не представляет затруднений.

6. Динамомашина как преобразователь механической энергии в электрическую. Важнейшее принципиальное значение имеет опыт, показывающий, что потребляемая динамомашиной механическая мощность зависит от электрической, даваемой динамомашиной. Такое явление обнаруживается по изменению скорости падающего груза, который приводит в действие динамомашину (см. т. II, § 50, 3) при её электрической нагрузке, по сравнению с работой вхолостую. В связи с этим опытом и явлением обратимости динамомашины, как было указано в разделе 3, должно быть выяснено правило Ленца. На основании сопоставления правил правой и левой руки и рисунков вполне возможно подвести учащихся к выводу, что индуктивный ток всегда имеет такое направление, что создаёт силу, противодействующую производимому движению. Далее вводится понятие о к.п.д. динамомашины и указывается его высокая величина для наиболее совершенных машин. Введение к.п.д. производят, отправляясь от закона сохранения энергии и тем самым подчёркивая всеобщность последнего.

В заключение рассматривается значение изобретения механического генератора электрической энергии, которое сделало возможным получение сильных токов и позволило ввести широкое использование электрической энергии в технике и быту.

7. Исторические сведения. Рассмотрение значения изобретения механического генератора электрической энергии должно сопровождаться сообщением соответствующих исторических сведений. К числу их принадлежат: 1) история открытия электромагнитной индукции М. Фарадеем; 2) биография М. Фарадея (§§ 9 и 10); 3) краткие сведения об изобретении динамомашины и 4) история открытия обратимости динамомашины. Изучение биографии М. Фарадея имеет весьма большое воспитательное значение.

Кроме рассказа о Фарадее, учащихся надо ознакомить с жизнью и важнейшими открытиями русского учёного Эмилия Христиановича Ленца, посвятившего всю свою жизнь в основном изучению мгнито-электрических явлений. Наиболее важным следует считать открытие им закона, устанавливающего направление индуцированного тока (правило Ленца) и тем самым связывающего в одно целое явления движения проводника в магнитном поле и явления электромагнитной индукции (см. раздел 6). Это открытие имело огромное принципиальное значение и, дополненное ещё рядом других работ Ленца по электромагнетизму, являясь первой определяющей для мировой науки работой по теории электромагнитных машин. Поэтому осведомление учащихся об академикё Ленце только как об учёном, открывшем закон Джоуля-Ленца, является недостаточным.

8. Задачи. Задачи применяются с той же целью и такого же типа, как и в теме «движение проводника». Особые интерес и пользу представляют задачи-вопросы о переменном токе, предлагающие предсказать, как будут происходить: тепловые действия, электролиз сернокислой меди и подкислённой воды и притяжение электромагнитом железа (см. т. II, § 51, 2 и рис. 406).

9. Учебные пособия. Кроме казанных выше контуров с кольцами и коллектором, следует применить объяснительную картину: «Устройство генератора постоянного тока. Полезна демонстрация диапозитивов с изображением употребляющихся в технике машин (генераторов) постоянного и переменного токов. Ещё лучше показать соответствующие фрагменты из кинофильма: «Превращение механической энергии в электрическую».

Исключительно сильное впечатление на учащихся производит демонстрация действующей модели паросиловой электростанции.

10. Внеклассные занятия. Как было указано в § 49, 3, желательна организация вечера, посвящённого М. Фарадею, или выпуск соответствующей стенгазеты. Для кружковых занятий тема открывает широкиё возможности для изучения переменного тока на ряде опытов (см. т. II, § 51, 2 и т III, § 2,7).

---

1. ↑Фарадей ставил вопрос о "превращении магнетизма в электричество".
2. ↑В правиле говорится о движении провода, а не магнитного поля.
3. ↑Динамо-электрический принцип заключается в питании индуктора (электромагнитов) током от якоря машины. Благодаря остаточному магнетизму в полюсах динамомашина способна к самовозбуждению при пуске.
4. ↑Значительное упрощение при объяснениях достигается при выполнении рисунков учителем с помощью цветных мелков (рис. 230, II) и учащимися посредством цветных карандашей.