Участие магнитного поля в процессе электрического тока.

Представление о механизме того процесса, который происходит в пространстве вокруг проводника с током и который органически связан с магнитным полем, можно получить из картины преобразо-

 

ваний основного магнитного потока в связи с „перерезыванием" его движущимся проводником, входящим в состав замкнутой электри­ческой цепи. Общая схема этих преобразований была нами рас­смотрена в § 11. Как было разъяснено в § 12, есть основание полагать, что в процессе электромагнитной индукции на контур замкнутой проводящей цепи нанизываются свободные магнитные звенья, отделяющиеся от основного магнитного потока в результате деформирования его движущимся проводником. Остановимся теперь на вопросе: что же собою представляют эти свободные магнитные звенья и что с ними в конце концов происходит? В случае, когда рассматриваемый контур обладает конечным электрическим сопро­тивлением, индуктированный ток после прекращения изменений внешнего магнитного потока вскоре, как известно, прекратится в соответствии с соотношением

Если r достаточно велико, убывание силы тока идет быстро. Но по мере уменьшения т убывание силы тока происходит все медленнее и медленнее, и в пределе при

r=0,

т. е. для сверхпроводника (в настоящее время на опыте осуществлен­ного) будем иметь

Другими словами, ток, однажды индуктированный в некотором ссерхпроводящем контуре, благодаря изменению внешнего магнит­ного потока, сохраняется неизменным при полном отсутствии ЭДС в контуре Простой подсчет для данного случая показывает (см. § 28 и продолжение настоящего параграфа), что поток самоиндукции, связанный с этим током, в точности равен изменению числа сцеплений внешнего магнитного потока с данным сверхпроводящим контуром, т. е. числу нанизанных магнитных звеньев. Так как далее энергия потока самоиндукции, связанного с рассматриваемым сверх­проводящим контуром, опять-таки в точности равна работе, произ­веденной при нанизывании звеньев, то совершенно естественно предположить, что совокупность этих нанизанных в процессе электромагнитной индукции звеньев и образует именно поток само­индукции. Но поток самоиндукция теснейшим образом связан с са­мим током, прямо ему пропорционален и, по существу, совершенно неотъемлем от тока, являясь лишь формой его восприятия в связи с тем, что мы имеем дело с пространством, окружающим проводник с током. Таким образом, мы имеем основание отождествлять воз­никновение электрического тока в некотором замкнутом контуре с нанизыванием магнитных звеньев на этот контур. Дальнейшая эволюция этой мысли связана с тем обстоятельством, что энергию тока, как некоторого кинетического процесса, т. е. электрокине-

 

тическую энергию тока ¹/₂Li² (см. § 28), мы можем определить

как энергию магнитного поля тока, при вычислении которой матема­тическую операцию интегрирования необходимо распространить на весь объем, где только имеет место магнитное поле тока (см. § 21). При таком способе определения величины электрокинетической энергии тока все происходит так, как будто бы движение электри­чества (электронов, ионов) внутри проводника само по себе ничего не приносит в отношении этой энергии. Даже в том случае, когда при вычислении электрокинетической энергии тока мы формально говорим о движении электричества внутри проводника, т. е. когда вычисляется полупроизведение квадрата силы тока на коэффициент

самоиндукции (¹/₂Li²), по существу мы и тут обращаемся к пространству вне проводника, ибо коэффициент самоиндукции характери­зует цепь тока в отношении условий, имеющих место именно вне проводника, а не внутри его. Мы никак не можем вычислить электрокинетическую энергию тока, оперируя только с тем, что происходит внутри проводника, т. е. имея дело с движущимся электричеством, как таковым, и с объемом самого проводника. Обратно же, как указано выше, не только возможно, но именно лишь оперируя с тем, что вне проводника, мы и получаем вели­чину электрокинетической энергии. Таким образом, приходится признать, что магнитные звенья, нанизанные на проводящий кон­тур, являются носителями всей электрокинетической энергии тока. Другими словами, основной энергетический процесс в цепи тока органически связан с существованием магнитных звеньев. Если теперь отрешиться от чисто формальных построений, которые можно было бы привести для объяснения вышеизложенного, и по­пытаться найти простейшую схему вероятного механизма самого тока, то мы неминуемо должны считаться со всем тем, что было сказано о магнитных звеньях, и признать за ними доминирующую роль в процессе электрического тока. С этой точки зрения, то течение электричества, которое несомненно происходит внутри проводника во время существования тока, мы должны рассматри­вать не как причину возникновения магнитного поля в окружающем проводник пространстве, а как одну из сторон единого, неделимого процесса, другой стороной которого и, повидимому, более суще­ственной в энергетическом отношении являются магнитные звенья, охватывающие проводник с током.

Итак, магнитные звенья, нанизавшиеся на контур проводника благодаря, скажем, электромагнитной индукции и вследствие бо­кового распора стремящиеся равномерно распределиться по всему протяжению контура, эти магнитные звенья и представляют собою „электрический ток" не в меньшей степени, чем движение электри­чества внутри проводника. В случае сверхпроводящего контура, т. е. при r=0, иными словами, когда проводник лишен способ­ности преобразовать электромагнитную энергию в тепло, раз нанизавшиеся на этот контур магнитные звенья сохраняются без

 

всякой ЭДС, и мы говорим, что ток в этом случае не осла­бевает. Это практически с большою степенью точности и осу­ществляется.

Представим себе теперь, что температура рассматриваемого сверхпроводника повышается и перейдет, наконец, предел за ко­торым сопротивление его становится конечным. Это Сопротивление начнет теперь поглощать электрокинетическую энергию, запасенную в цепи и равную ¹/₂Li². Мало-по-малу эта энергия будет превра­щаться в джоулево тепло в проводнике, пока весь запас ее не исчерпается, причем магнитное поле исчезнет, и сила тока станет равной нулю. Мы будем иметь то же явление, которое практически очень отчетливо наблюдается, когда цепь, обладающая значитель­ным коэффициентом самоиндукции и несущая ток от какого-либо внешнего генератора, внезапно оказывается короткозамкнутою. Как известно, ток в рассматриваемой цепи при этом не прекра­щается внезапно, но ослабевает лишь мало-по-малу, ассимптотически приближаясь к нулю.

Представляет большой интерес вопрос о том, каким именно путем энергия ¹/₂Li², которая была распределена в пространстве, окружающем проводник, переходит теперь в вещество проводника. Носителями энергии ¹/₂Li² являются магнитные линии потока самоиндукции (см. § 21). Совершенно неприемлема мысль, что энергия магнитных линий может переходить внутрь вещества про­водника сама по себе, как-то отделяясь от этих магнитных линий. В полном соответствии с представлением Фарадея о свойстве магнитных линий стягиваться, следует предположить, что в рас­сматриваемом случае магнитные линии потока самоиндукции, т. е. магнитные звенья, нанизанные на проводящий контур, начинают сокращаться, последовательно проникая внутрь вещества провод­ника и отдавая ему свою энергию.

Продолжая рассуждать в намеченном выше направлении, мы естественно должны будем признать, что механизм, путем которого входит в проводник энергия, появляющаяся в форме джоулева тепла, должен быть тождественным во всех случаях электрического тока.

Следовательно, в случае, например, постоянного тока, протекаю­щего по обычной проводящей цепи с конечным сопротивлением, присоединенной к зажимам динамомашины, относительно всех частей цепи, где выделяется джоулево тепло, мы должны пред­ставлять себе, что замкнутые магнитные звенья, сокращаясь, входят внутрь проводника и вносят при этом энергию, им присущую. Процесс этот продолжается при постоянном токе неопределенно долго. Следовательно, непрерывная убыль магнитных звеньев из состава потока самоиндукции должна непрерывно же восполняться за счет какого-то процесса. Так как с этим связано и движение энергии от генератора, в данном случае динамомашины, то есте­ственно именно в генераторе видеть и источник для пополнения за­паса магнитных звеньев. В этом отношении остается в силе картина возникновения свободных магнитных звеньев, которая была раз-

 

вита в § 12. Мы должны представить себе, что в динамомашине, при движении проводников поперек основного магнитного поля, от него непрерывно отделяются замкнутые магнитные звенья, нанизывающиеся на проводники и затем через посредство кол­лектора и щеток переходящие на внешнюю часть нашей замкнутой цепи. Каждое магнитное звено несет с собою некоторое количество энергии, и именно столько, сколько израсходовано было механи­ческим двигателем, приводящим в движение динамомашину, на деформирование соответствующей магнитной линии основного потока. По мере расходования магнитных звеньев в различных частях цепи, туда продвигаются, вследствие бокового распора, вновь образовавшиеся звенья, неся с собою запас энергии, восполняющий ту убыль, которая имеет место вследствие выделения джоулева тепла.

Мы знаем, что энергия электрического тока может расходоваться не только на нагревание проводника. Из числа других случаев расходования этой анергии остановим наше внимание на превра­щении ее в механическую работу. Это имеет место в электро­двигателях. Как было показано в § 12, мы здесь имеем дело с про­цессом, обратным тому, который происходит в генераторе. Именно, в генераторе от основного магнитного потока отрываются магнит­ные звенья, убегающие вдоль проводов во внешнюю цепь. В электро­двигателе же эти магнитные звенья, притекающие непрерывно со стороны генератора, вновь воссоединяются с главным магнитным потоком. В генераторе на деформирование магнитных линии основ­ного потока и на образование отрываемых магнитных звеньев расходуется энергия механического двигателя, разносимая этими звеньями по всей цепи. В электродвигателе энергия сливающихся с основным потоком магнитных звеньев обратно превращается в механическую работу при выпрямлении искривленных магнитных линий. Проводники, соединяющие генератор с электродвигателем, играют роль направляющих, вдоль которых бегут магнитные звенья, некоторые из них, не успев дойти до электродвигателя, сокращаются и входят в проводник, выделяя джоулево тепло. Прочие звенья достигают электродвигателя и исчезают в нем, расходуясь на со­вершение механической работы и, отчасти, на нагревание провод­ников электродвигателя.

Такова в общих чертах картина процессов, происходящих с рас­сматриваемой точки зрения в пространстве, окружающем проводник с током и дополняемых тем движением электричества, которое про­исходит внутри проводника. Как именно эти два явления связаны, сказать что-либо вполне определенное пока довольно затруднительно, но нельзя все же не вспомнить, что Максвелл представлял себе реально существующие магнитные линии как замкнутые вихревые нити. В таком случае при нанизывании этих вихревых колец на некоторый проводящий контур, с вращательным движением в вихрях, мы невольно ассоциируем представление о каком-то поступатель­ном движении вдоль контура.

Остановимся теперь на некоторых соотношениях.

 

 

С рассматриваемой точки зрения величина электродвижущей силы индукции измеряется скоростью образования магнитных звеньев, нанизывающихся на контур цепи. Можно сказать:

1 вольт=10⁸ магнитных звеньев в секунду.

При установившемся токе разность потенциалов, расходуемая на некотором участке цепи, измеряется числом магнитных звеньев, поглощаемых на этом участке в течение одной секунды. Часть этих магнитных звеньев ri•10⁸ исчезает в проводнике, внутрь которого они проникают, сокращаясь. Другая часть может исчезать в связи с какими-либо иными процессами, сопровождающимися расходованием электрической энергии на данном участке цепи. Так, р. случае электродвигателя, обратная электродвижущая сила ко­торого равна e, в каждую секунду воссоединяется с основным магнитным потоком е10⁸ магнитных звеньев, снимающихся при этом с контура цепи.

При переменном токе, сверх того, в каждый данный момент к рассмотренному участку цепи притекают от генератора магнитные звенья со скоростью d(Li/dt). Эти магнитные звенья, так сказать,

поглощаются данным участком, расходуясь на создание потока

самоиндукции Li. Ясно, конечно, что знак производной d(Li)/dt может

быть положительным и отрицательным.

Весь поток самоиндукции, сцепляющийся с данным проводящий контуром, состоит из магнитных звеньев, образовавшихся в генера­торе путем отпочковывания от главного магнитного потока. Дей­ствительно, уравнение электродвижущихся сил для данного простей­шего случая можно написать так:

где q есть число магнитных звеньев, нанизывающихся в генераторе на проводник. Отсюда путем интегрирования получаем:

где q есть количество электричества, Dq — число магнитных звеньев, нанизанных на проводник во время установления потока само­индукции Li. Ясно, следовательно, что:

т. е. поток самоиндукции не больше числа образовавшихся в ге­нераторе свободных магнитных звеньев. В предельном случае, при r=0, мы имеем

Li=Dq,

соотношение, упомянутое уже выше.

 

 

Энергия, выделяемая в проводнике в виде тепла, должна быть равна запасу энергии в магнитных звеньях, вошедших за соот­ветствующий промежуток времени внутрь проводника. Выражая все величины в абсолютных единицах, мы можем сказать, что в те­чение одной секунды выделяется в виде тепла ei эргов. В то же время проводником поглощается е магнитных звеньев. Следо­вательно, каждое входящее в проводник магнитное звено вносит количество энергии:

A=i эргов.

В § 21 было выведено, что на долю каждого магнитного звена приходится количество энергии:

А'=¹/₂i.

Сопоставляя это с полученым выше, получаем

А'=¹/₂А.

Этот результат находится в полном соответствии с выше­упомянутой теорией Пойнтинга о движении электромагнитной энергии в поле тока. Согласно этой теории электромагнитная энергия, вхо­дящая внутрь проводника через боковую поверхность его, слагается •из двух равных частей: энергии электрического поля и энергии магнитного поля. В рассматриваемом случае мы приписываем маг­нитным звеньям, сокращающимся и входящим внутрь проводника, свойства основных носителей электромагнитной энергии. Половина полной энергии, вносимой звеном внутрь проводника, есть энергия

магнитного поля, как такового, и равна ¹/₂i эргов. Вторую половину, тоже равную ¹/₂i эргов, можно представить себе как энергию

того вынужденного состояния диэлектрика, которое порождается движением магнитных звеньев. Полное количество энергии, чер­паемой звеном от генератора и отдаваемой приемным частям цепи, есть i эргов. Все происходит так, как будто бы образующиеся в генераторе магнитные звенья представляют собою кванты энергии, посылаемой от генератора к тем частям цепи, которые поглощают электромагнитную энергию, преобразовывая ее в другие формы.

 

 

¹) Интересующихся углублением в вопрос о природе Электрического тока отсылаем к стенограммам трех диспутов на тему, происходивших в 1930 году в стенах Ленинградского политехнического института. Стенограммы эти помещены в журнале „Электричество" за 1930 г., №№ 3, 8 и 10. См. также: Миткевич. К вопросу о природе электрического тока, журнал Сорена, 1932, № 3, стр. 41: