Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

На другом конце цепи, который может находиться за тысячи миль, благодаря реле и прочим усовершенствованиям электрический ток приводит в действие электромагнит в приемном устройстве телефона. Сила магнитного поля изменяется в зависимости от силы тока, поэтому сила этого поля представляет собой точную модель звуковой волны, которую посылает удаленный микрофон. Около электромагнита расположена тонкая железная мембрана, которая прогибается внутрь под воздействием магнитной силы. Мембрана в приемнике шевелится по образцу звуковой волны, принятой от передатчика, который расположен за много миль и, в свою очередь, создает точно такие же колебания звуковой волны в воздухе. В результате человек, находящийся у приемника, слышит именно то, что говорит собеседник в микрофон.

Новейшие применения электромагнитов требуют сверхпроводимости (см. гл. 9). Сверхпроводящую пластину располагают над магнитом, производящим сверхпроводимость. Магнитные силовые линии не могут проникнуть внутрь диамагнитной пластины, по этой причине невозможен физический контакт пластины и магнита. Между двумя сверхпроводниками должно быть некоторое пространство, которое и заполнят магнитные линии. Следовательно, пластина отталкивается магнитом и «плавает» над ним. Даже если на пластину положить некоторый вес, он не будет (до определенного предела) придавливать пластину к магниту. В лабораторных условиях пластина удерживала до 300 г веса на квадратный сантиметр. Не имея физического контакта с магнитом, пластина способна вращаться, практически не создавая трения, и, таким образом, может служить свободной опорой.

Примером практического применения свойств электромагнитов в условиях сверхпроводимости можно назвать создание переключателей очень маленького размера. Первое подобное устройство (сделано в 1935 году) состояло из тонкой проволоки из ниобия, которая находилась возле более толстой проволоки из тантала. Обе проволоки являются сверхпроводниками, но им можно придать различные критические силы магнитных полей. По танталу может быть пущен небольшой по силе ток, и при низкой температуре он будет идти по этой проволоке в течение неограниченного времени. Однако если при этом пустить ток по виткам из ниобия, пусть даже меньший по силе, то получившееся магнитное поле будет достаточным, чтобы разрушить сверхпроводимость тантала (на ниобии это не отразится). По танталу ток течь перестанет. Так один ток способен «выключать» другой.

Подобное устройство носит название криотрон (от греческого слова, означающего «замораживать», в связи с чрезвычайно низкими температурами, которые необходимы для сверхпроводимости). Совокупность комбинаций криотронов используется в многофункциональных переключающих устройствах в компьютерах. Преимущество криотроновых выключателей в том, что они очень маленькие, работают очень быстро и потребляют совсем немного энергии. Главный их недостаток, конечно, заключается в том, что действуют они только при температурах жидкого гелия.

Электромагнит вывел изучение электричества в целом на новый уровень. Благодаря электромагниту стало возможно обнаруживать электрические токи по наличию магнитных полей, которые они создают, и измерять силу тока по силе его магнитного поля.

В 1820 году, после того как Эрстед объявил о том, что поток электрического тока сопровождается магнитным полем, немецкий физик Иоганн Кристоф Швейгер (1779–1857) предложил использовать магнитное поле в качестве средства измерения. Он поместил намагниченную иглу между двумя проволочными рамками. Когда электрический ток шел в одном направлении, игла отклонялась вправо, когда ток шел в обратном направлении, игла отклонялась влево. Поместив перед иглой шкалу, он смог определить величину отклонения и соответственно измерить силу тока. Это был первый гальванометр («прибор для измерения гальванического электричества» — такое название было предложено Ампером).

Первоначально гальванометр Швейгера состоял из зафиксированной проволочной рамки и подвижного магнита, но со временем выяснилось, что удобнее использовать зафиксированный магнит и подвижную рамку. Работа прибора, как и прежде, основана на принципе отклонения иглы, но игла прикреплена к проволочной рамке, а не к магниту. Устройство такого типа, удобное для практического применения, создал французский физик Жак Арсен Д'Арсонваль (1851–1940) в 1880 году. Оно стало известно как гальванометр Д'Арсонваля.

Гальванометры могут быть достаточно чувствительными, чтобы зафиксировать ток даже очень слабой силы. В 1903 году голландский физиолог Виллем Эйнтковен (1860–1927) изобрел струнный гальванометр. Он состоял из очень тонкого токопроводящего волокна, подвешенного (свободно плавающего) в магнитном поле. Даже самые ничтожные электрические токи, проходя через волокно, вызывали его отклонение. При помощи такого чрезвычайно чувствительного гальванометра мельчайшие изменения силы тока, порождаемые, например, сокращением мышц, можно зафиксировать и измерить. Таким образом можно исследовать изменения электрической диаграммы, вызванные сердцебиением, и как диагностическое средство струнный гальванометр пополнил арсенал современной медицины.

Гальванометры оказались настолько чувствительными, что в изначальном виде их можно было без риска использовать только при сравнительно слабой силе тока. Чтобы измерить, к примеру, полную силу обычного тока, применяемого в домах, гальванометр следует специально закоротить. Чтобы не позволить току течь по подвижной катушке в гальванометре поперек проволоки, которая ведет к катушке и от нее, разместили проводник с низкой сопротивляемостью. Такая короткая цепь с малым сопротивлением называется шунт. Это устройство впервые использовал в 1843 году английский физик Чарлз Уитстон (1802–1875).

Шунт и катушка подсоединены параллельно, и сила тока, который проходит через каждое из этих устройств, обратно пропорциональна их сопротивлениям. Если сопротивления известны, можно вычислить, какая доля силы тока пройдет через катушку, и только эта доля и повлияет на отклонение магнитной стрелки. Чувствительность отклонения может быть изменена, если увеличить или уменьшить сопротивление шунта таким образом, чтобы доля всей силы тока, проходящая через катушку, соответственно увеличилась или уменьшилась.

Регулируя ту долю силы тока, которая достигает катушки, так, чтобы отклоняющаяся магнитная стрелка оставалась на шкале, можно измерить силу тока в домашней сети или вообще ток любой силы. Шкала калибруется для измерения в амперах, а гальванометр при наличии такой шкалы называется амперметр.

Представим, что гальванометр поперечно соединен с какой-то частью цепи, — это создает короткое замыкание. Если гальванометр имеет очень высокое сопротивление, то по его короткой цепи будет течь совсем слабый ток — достаточно слабый, чтобы практически никак не влиять на оставшуюся часть цепи.

Этот слабый ток будет порождаться той же разностью потенциалов, что и гораздо более сильный ток, текущий в главной цепи, между концами которой находится гальванометр. Ток, пропущенный через гальванометр высокой сопротивляемости, будет меняться в зависимости от разности потенциалов. Шкала с подвижной магнитной стрелкой может быть калибрована в вольтах, при этом гальванометр становится вольтметром.