Шесть опытов с катушкой Томсона
Катушка Томсона — несложный прибор, с которым раньше демонстрировали на уроках физики различные эффекты, возникающие при взаимодействии проводников с переменным магнитным полем. На школьных концертах с его помощью показывали забавные электрофокусы, устраивали веселые вечера занимательной науки.
Представьте себе сцену, на ней — стол, покрытый скатертью. Вы кладете на стол алюминиевое кольцо, и оно вдруг неожиданно взлетает вверх. Сковорода, поставленная на стол, сама по себе нагревается, и вода, налитая в нее, закипает: Вспыхивает поднесенная к столу электрическая лампа, хотя к ней и не тянутся провода... Вот такие забавные опыты демонстрировали школьники... спрятав катушку Томсона под стол (рис.1). Надеемся, они украсят и ваш школьный вечер. Правда, катушка Томсона сохранилась, вероятно, не во всех физических кабинетах, поэтому придется вам изготовить ее самим.
Хотелось бы сразу предупредить: этот прибор рассчитан на большой ток, примерно 10-13 ампер, поэтому пользоваться катушкой Томсона можно только в помещении, где имеется соответствующая силовая проводка. И конечно, в присутствии учителя. Работать будем с напряжением 127В, поэтому вам потребуется понижающий трансформатор.
 Сначала расскажем, как сделать катушку Томсона. Она собирается из деревянного каркаса, железного сердечника и обмотки (рис. 1). Сердечник набран из пластин трансформаторной стали шириною 50 мм и длиной 380 мм. (Если в вашем распоряжении окажутся пластины другой ширины, количество их должно быть таким, чтобы площадь сердечника была не менее 25 см2.) Пластины покройте лаком с каждой стороны. Заизолированные таким образом пластины соберите в пакет, вставьте его в каркас.
Неплотно подогнанные пластины будут «гудеть», и зритель сразу обнаружит это. Поэтому перед укладкой пластин в каркас покройте их эпоксидным клеем. Сердечник можно сделать и из кусков стальной отожженной проволоки диаметром 2—3 мм. Выбирайте только мягкую проволоку, упругая, сталистая не годится. Куски проволоки покрасьте краской. Если вы будете собирать сердечник из проволоки, отверстие в каркасе катушки нужно, увеличить до площади 36 см2. Перед укладкой проволоку тоже смажьте эпоксидным клеем, чтобы получился монолитный пучок-сердечник.
По собранному сердечнику склейте из фанеры каркас катушки. Обмотка выполняется виток к витку проводом диаметром в 2,4 мм с двойной( бумажной изоляцией. В одном слое должно уместиться около 90 витков. А всего их 9. Каждый слой промажьте быстросохнущим лаком, а потом оберните обмотку калькой. И так каждый слой.
Испытывать готовую катушку можно только после того, как лак затвердеет. При демонстрации опытов следите, чтобы обмотка не перегревалась.
А теперь расскажем о самих опытах-фокусах.
Опыт I
Итак, катушка спрятана подстолом. Вы берете массивную алюминиевую сковороду, наливаете в нее немного воды и ставите на стол предварительно положив на него кусок асбеста. По вашему (конечно, незаметному для зрителя) сигналу находящийся за кулисами помощник включает ток, и через  некоторое время вода в сковороде закипает (рис. 2). Происходит это потому, что под действием переменного магнитного поля катушки в сковороде возникают вихревые токи. Их ЭДС (электродвижущая сила) — доли вольта, зато величина токов большая. В результате, несмотря на незначительное сопротивление самой сковороды, на поверхности ее происходит интенсивное выделение тепла. Если вода выкипит, сковорода может сильно нагреться. Поэтому опыт нужно проводить с осторожностью и не забывать про асбестовую прокладку.
А теперь зададим себе вопрос: почему нагревается сковорода, а не крышка стола, почему к столу можно свободно поднести руку, если, конечно, на ней нет металлических предметов, например, часов или колечка! Ведь и в крышке стола, и в руке тоже возникают вихревые токи, но из-за высокого сопротивления величина их незначительная, и тепла выделяется немного.
Если же частоту тока переменного магнитного поля увеличить, что вполне возможно в промышленных условиях, то соответственно возрастет и получаемое тепло. И тогда можно, например, сушить сырые доски. Дерево прогревается при этом равномерно - изнутри и снаружи - и быстро высыхает. Этим же способом врачи в кабинетах физиотерапии лечат насморк {УВЧ).
Переменное электромагнитное поле используется и в металлургии, например, при выплавке качественных сортов стали.
Опыт II
 На столе лежит алюминиевое кольцо. Вдруг оно высоко подпрыгивает и падает. Причина такого необычного поведения кольца — тоже вихревые токи. Протекая по кольцу, они превращают его в электромагнит (рис. 3). Направление тока в кольце и в катушке Томсона меняется 50 раз в секунду. Причем, если на верхнем конце сердечника катушки возникает северный магнитный полюс, то на нижней поверхности кольца тоже устанавливается такой же полюс. И наоборот.
Одноименные магнитные полюса, как известно, отталкиваются. Вот поэтому кольцо и подпрыгивает над столом.
Этот же опыт можно показать и по-другому. Пропустите через кольцо тонкую незаметную нить, и кольцо будет висеть над столом, слегка вибрируя. А можно заставить его свободно парить.
В книге Тринга и Лейтуэйта «Как изобретать?», выпущенной в русском переводе издательством «Мир» в 1980 году, описаны устройства, "благодаря которым это можно сделать. Две индукционные катушки, набранные на Ш-образных сердечниках и соединенные параллельна, создают  электромагнитное поле, в котором может устойчиво парить (левитировать) прямоугольная металлическая пластина (рис. 4).
На одной из международных выставок в начале пятидесятых годов с помощью подобного устройства демонстрировалась парящая в воздухе сковорода, на которой жарили яичницу.
Красивый фокус, и только — скажете вы. Но фокус этот, как показало время, пригодился в технике, в частности в металлургии, при плавке сверхчистых металлов. Металлурги знают, как трудно сохранить выплавляемый металл чистым: любое прикосновение к тиглю (емкости для металла) приводит к загрязнению. И они нашли выход — плавку без тигля. Используя левитацию, кусок металла подвешивают в вакууме, и он плавится, нагреваемый вихревыми токами.
Опыт III
 Сделайте из фанеры или картона катушку, назовем ее приемной (рис. 5). Наберитесь терпения — намотайте на катушку 1500 витков лакированной проволоки диаметром 0,25 мм и соедините концы с электропатроном. Затем привинтите к верхней щеке катушки патрон и вставьте в него 15-ваттную лампу на 127 В. Катушку и патрон обклейте цветной бумагой, чтобы получилась конусообразная коробочка. Медленно приближайте лампу к столу — по мере приближения к спрятанной под столом катушке она будет загораться все ярче и ярче. Объяснение все просто: индукционные токи в переменном магнитном поле образовали в витках катушки ток, от него и загорается лампа. Все это устройство напоминает трансформатор, первичная обмотка которого спрятана под столом, а вторичная — в руках экспериментатора. Можно взять лампу меньшей мощности, например, от карманного фонаря или неоновую. Свечение их будет заметно на еще большем расстоянии от стола. Особенно интересный результат, получается, от применения светодиода, ведь для его свечения достаточно совсем немного энергии. Приемную катушку в этом случае можно сделать размером с перстень.
Опыт IV
 Приклейте приемную катушку к дну бумажной модели автомобиля. Через любой диод, способный выдержать ток 0,5А, присоедините ее к микроэлектродвигателю (рис. 6). Автомобиль в этом случае будет ездить по столу без батарей, получая энергию от электромагнитного поля. При этом учтите, что электродвигатель и другие металлические детали игрушки могут перегреться и выйти из строя, поэтому показывайте опыт не более 30—40 секунд.
Этот опыт демонстрирует старую идею передачи энергии без проводов. Помните, еще герои романа «Аэлита» А. Толстого летели над Марсом на корабле, питаемом энергией электромагнитного поля. Над этой идеей работали и работают многие изобретатели разных стран.
В середине 60-х годов во Франции проводились опыты по питанию двигателя небольшого вертолета пучком сантиметровых радиоволн. (Напомним: всякое переменное электромагнитное поле можно рассматривать как радиоволны). Хотя вертолет и летал, но питающее его устройство получилось слишком громоздким, дорогим и малоэффективным. И от него отказались. Стало ясно, что необходимо уменьшить длину радиоволн. Тогда размеры передающих и приемных антенн станут приемлемыми, а потери при передаче уменьшатся. Сейчас мы умеем получать электромагнитные волны длиною в несколько микрон и даже меньше. Это излучение создается лазерами. Во многих странах разрабатываются проекты космических ракет, получающих энергию по лучу лазера. Предполагают, что такой способ передачи энергии будет полезен даже при межзвездных перелетах.
Опыт V
 На стол ставят стеклянную чашу с водой. 8 нее пускают полый металлический шар (рис. 7). При включении катушки Томсона шар начинает вращаться вокруг горизонтальной оси. Опыт демонстрирует принцип действия простейших двигателей переменного тока. Возникающие на поверхности шара индукционные токи как бы стремятся поднять одну из его половинок. Так возникает вращение. На этом принципе работает электросчетчик, у которого ротором служит обычный алюминиевый диск.
Кстати, в высокочастотном электромагнитном поле ротор двигателя можно раскрутить до миллионов оборотов в минуту. Этот принцип вращения заложен, например, в установках, применяющихся для изучения прочности конструкций и материалов.
Опыт VI
Налейте в тарелку соленую воду и поставьте ее на стол. Включите катушку Томсона, и на поверхности воды появятся волны. Чтобы их хорошо было видно зрителям, направьте на тарелку свет от фонаря так, чтобы отражение от поверхности воды спроецировалось на стене (рис. 8).
 Объяснение этому опыту вы, вероятно, легко дадите сами. Скажем лишь, что вихревые токи электромагнитного поля, возникающие в жидкости, оказывают на нее такое же действие, как на обычные проводники.
В промышленности это явление используют при перемешивании расплавленной стали. Вот, пожалуй, и все, что нам удалось вспомнить об опытах с катушкой Томсона. Может быть, кто-то из вас, ребята, дополнит их?
А. ИЛЬИН, инженер. Из журнала «Юный техник» №10 1983г. | 