КАФЕДРА ВАННАХА: Относительность и электрические машины

Автор: Ваннах Михаил

В заметке «И вычисления относительны» («КТ» #682, с. 16) рассказано о влиянии выбора системы отсчета на эффективность вычислений. Но там речь шла о релятивистских системах, вроде пучков элементарных частиц, движения в которых заставляют учитывать эффекты специальной теории относительности (СТО). Но многие ли знают о существовании достаточно широко используемой электрической машины, функционирующей на основе релятивистских эффектов?

Воснове этого устройтва, называющегося униполярным генератором, лежит явление униполярной индукции, суть которого заключается в том, что при движении намагниченного тела под некоторым углом к оси намагничивания происходит его поляризация. В одном месте на поверхности тела собираются положительные заряды, а в другом отрицательные. Приложив к этим точкам проводник, мы получим ток.

Представим себе обычный круглый постоянный магнит, вроде используемого в динамиках. Верхний торец – северный полюс, нижний – южный. Пусть магнит вращается вокруг оси, и к нему присоединены два скользящих контакта – один на оси вращения, другой на боковой поверхности. Ввиду того, что магнит проводящий, преимущественно железный, по цепи потечет ток.

Очень просто! Куда проще, чем в самых первых динамо-машинах. Но за счет чего же образуется ток?

Дело в силе Лоренца. Она действует на свободные электроны внутри проводника, движущегося в магнитном поле, вызывая их перераспределение, то есть поляризацию. И если проводник замкнут, то электрические заряды будут двигаться непрерывно, порождая ток. Это в первом приближении.

Но последовательное описание явления униполярной индукции дается лишь теорией относительности. Рассмотрим, как это делается.

Поставим мысленный эксперимент: пусть мы имеем две системы отсчета. Одна лабораторная (сидим за столом и глядим на вращающийся магнит), другая – связанная с магнитом (собственная система отсчета). Вообразим себя сидящими на магните и вращающимися вместе с ним.

После того, как мы ввели две системы отсчета, и начинается самое интересное. В связанной с магнитом системе отсчета присутствует только постоянное магнитное поле. Магнит в этой системе неподвижен, и на его свободные электроны никакие силы не действуют. В магнитном поле движется только проводник, и Лоренцева сила действует только на его электроны. Именно она и создает электродвижущую силу (ЭДС), вызывающую электрический ток. Запомним это.

Теперь перейдем к лабораторной системе отсчета. Здесь внутри вращающегося магнита существует два поля – и магнитное, и электрическое. Электрическое компенсирует силу Лоренца, и полная сила, воздействующая на электроны, равна нулю. В неподвижном (в лабораторной системе отсчета) внешнем проводнике силы Лоренца нет, зато есть электрическое поле, создающее между полярной осью магнита и боковой поверхностью разность потенциалов, равную электродвижущей силе, о которой мы говорили, рассматривая собственную систему отсчета. Запомним и это!

А теперь зададим себе очень простой вопрос: как все обстоит на самом деле? Какие заряды создают электрическое поле, которое, как Афина из головы Зевса, вдруг является во всеоружии, но из ничего, из перехода от одной системы координат к другой.

Это ведь не квантовый мир с его эффектами Наблюдателя. Это самый что ни на есть макромир. Обыденный, повседневный. И в нем поле, порождающее токи весьма большой величины, берется ниоткуда. Из того, что присутствует в одной системе отсчета и отсутствует в другой.

Ответ на этот вопрос дает релятивистская теория. Дело в относительном характере деления единого электромагнитного поля на поле электрическое и магнитное. Которые зависят от той системы координат, в которой ведется наблюдение. И о чем, несмотря на сданные курсы электродинамики, обычно неосведомлено большинство обладателей инженерных дипломов постсоветских вузов.

Подробно и строго с явлением униполярной индукции можно познакомиться в [ Тамм И. Е., Основы теории электричества. М., 1966…]

Мало кто знает и о существовании самих униполярных генераторов, в промышленном исполнении использующих, конечно, не постоянные магниты, а тороидальные катушки возбуждения. Для съема тока с подвижных частей часто используются устройства на основе жидкого металла.

Униполярные генераторы дают рекордные токи, в экспериментальных образцах до миллионов ампер, как правило, при невысоких напряжениях. Отсутствие пульсаций тока делает их весьма эффективными для питания электролизных установок, дуговых печей…

Узнать о последних достижениях в области униполярных генераторов по открытым зарубежным источникам автору не удалось. Дело в том, что униполярные генераторы весьма хороши для питания перспективных электромагнитных орудий сверхвысокой кинетической энергии (в опытных образцах, традиционно запитываемых от конденсаторных батарей большой мощности). А о роли, которая отводится таким орудиям как в перспективной космической ПРО, так и в системах более обычных вооружений бронетанковых, авиационных, хорошо известно.

Но это частности. Куда интереснее сам факт существования сугубо инженерного устройства, для описания которого необходима СТО.