А.Г.НОВАК,
школа № 54, г. Тольятти, Самарская обл.

Автоколебательная система

С описанием очень простого и в то же время удивительного прибора для демонстрации механических колебаний, возникающих вследствие взаимного притяжения витков спирали с током, я впервые встретился в 1962 г. в «Физике» К.А.Путилова (т. 2). Однако из-за необходимости использовать ртуть и робости перед авторитетным автором я не решился изготовить модель прибора.

Второй раз об этом я прочитал в 1966 г. в «Элементарном учебнике физики» под ред. академика Г.С.Ландсберга (т. 2): «Объясните опыт с "танцующей пружиной", изображённой на рис. 255. Ток подводится к пружине через верхний неподвижный конец её и через чашечку с ртутью, в которую погружён нижний конец пружины. При включении тока пружина начинает периодически сжиматься и растягиваться, причём конец её то выскакивает из ртути, то снова погружается в неё. Для какой цели можно было бы использовать этот прибор?» И на этот раз психологический барьер не был преодолён.

Постепенно, благодаря обилию ошибок в научно-популярной литературе, у меня сформировался критический подход к текстам. Возникла идея заменить ртуть на раствор поваренной соли или медного купороса. Оказалось также, что и не всякая пружина подходит. Дело в том, что сила магнитного притяжения витков невелика. При умеренных токах очень жёсткая пружина укорачивается мало и цепь не размыкается, при больших токах спираль под действием силы тяжести и перегрева «расползается». Спираль должна быть лёгкой, легко сжиматься и выдерживать большой ток. Пришлось также бороться с «привариваемостью» размыкаемых контактов, преодолевать «нежелание» пружины танцевать на одном месте. Чтобы снизить рабочие токи до нескольких ампер, я ввёл железный сердечник, а потом заменил его на дугообразный магнит (индукция около 0,1 Тл).

Опытным путём было найдено оптимальное сочетание противоречивых свойств. Теперь модель устойчиво работает от батарейки 4,5 В при токе 0,2 А.

Портативная автоколебательная система

Полезно изготовить несколько вариантов автоколебательной системы. Система с мощным блоком питания (например, ВС-24 М) позволяет провести ряд опытов при значительных токах, выявляя возможности многочисленных применений прибора. Мощный источник постоянного тока позволяет включать последовательно со спиралью дроссели, реостаты для регулирования силы тока, бытовые лампы накаливания, пробовать различные электролиты. Другими словами, проводить разнообразную исследовательскую работу.

В упрощённом варианте в качестве источника питания используется сухая батарейка КБС-4,5 В. Её номинальный ток – десятые доли ампера, под действием которого тонкая алюминиевая пружина сжимается, если поставить сердечник в виде сильного магнита (например, от прибора для демонстрации вихревых токов).

Пружину делаем из алюминиевой проволоки диаметром 1,5 мм и длиной 5 м: наматываем витки вплотную на цилиндр диаметром 45 мм (30 витков, диаметр получившейся пружины около 50 мм). Закрепляем пружину в вертикальном положении, примотав её верхний виток тонким неизолированным проводом к кольцу из толстой медной (латунной, алюминиевой) проволоки диаметром 6 мм с хвостовиком. Хвостовик закрепляем в муфте штатива и нарезаем в нём резьбу для подсоединения провода от источника питания с помощью гайки.

В другой муфте зажимаем лапку с дуговым магнитом, который одним полюсом входит, не касаясь, в свисающую вниз пружину на 2/3 её длины.

Наливаем в алюминиевый стакан от калориметра насыщенный раствор поваренной соли и опускаем в него нижний конец пружины на глубину 3–4 мм. Стакан с раствором ставим на металлическую пластину, припаяв к ней соединительный провод.

Возможен другой вариант. Берём металлический стаканчик (например, корпус электролитического конденсатора), в его верхней части просверливаем отверстие и закрепляем клемму. Предпоследний нижний виток пружины прижимаем вплотную к последнему полувитку мягкой неизолированной проволокой, а конец полувитка длиной 5–7 см отгибаем вниз. Для уменьшения контактного сопротивления и защиты от эрозии погружаемую часть полувитка (около 10 мм) обматываем тонкой проволокой. Ещё меньшее контактное сопротивление получается, если сделать на конец полувитка насадку – цилиндрик (или мягкую кисточку). Модель начинает работать, как только нижний торец цилиндрика касается раствора.

Подключив верхнюю часть пружины через кольцо к «плюсу» батарейки, а нижнюю (через электролит, стаканчик и ключ) – к «минусу», получаем замкнутую цепь, в которой через несколько секунд начинаются незатухающие колебания амплитудой около 1–2 см. Включив последовательно с пружиной амперметр, а параллельно ей – вольтметр, видим, что сила тока в цепи равна 0,2 А, если электролит в стаканчике горячий (соль залита кипятком), и снижается до 0,1 А при его остывании (контактное сопротивление увеличивается до 35–40 Ом). Включаем последовательно с пружиной лампочку для карманного фонаря – она мигает с частотой колебаний пружины.

Включаем последовательно с пружиной проволочный моток на подставке (от прибора «Виток в магнитном поле»). На пластмассовые пластины помещаем два компаса, а посередине – магнитную стрелку на подставке. Плоскость мотка располагаем в плоскости магнитного меридиана. Замыкаем электрическую цепь – стрелки начинают колебаться, а при резонансе – и вращаться подобно ротору электродвигателя. Если угловая скорость стрелок окажется недостаточной для их резонансного вращения, то частоту увеличиваем, погружая конец пружины глубже в электролит.

Если использовать две последовательно соединённые батарейки, то можно составить цепь из «танцующей» спирали, проволочного мотка с вращающимися стрелками и мигающей лампочки.

Подводя итоги, можно сказать, что представленная портативная автоколебательная система – это источник импульсных токов низкой частоты. Она позволяет иллюстрировать превращение колебательного движения во вращательное, цепочку превращений различных видов энергии, использование эвристического принципа обратимости и принципа разветвляющихся возможностей.

Применения автоколебательной системы

– Демонстрация использования пружины из алюминиевой проволоки и условности деления материалов на материалы упругие и пластичные.

– Использование электролитов – водных растворов поваренной соли и медного купороса – в качестве проводников.

– Демонстрация искрообразования при размыкании электрической цепи и способов её увеличения и уменьшения.

– Демонстрация важного частного случая взаимодействия параллельных токов и его практического использования.

– Демонстрация незатухающих колебаний пружинного маятника.

– Демонстрация самовозбуждающейся автоколебательной системы.

– Демонстрация резонансных явлений и условий, при которых резонанс усиливается, ослабевает, исчезает.

– Демонстрация явлений электроэрозии, электрополировки, контактной сварки.

– Демонстрация прибора, в котором одновременно проявляются тепловые, световые, механические, электрические, магнитные, звуковые явления (на первом уроке физики).

– Демонстрация прибора, в котором проявляются многочисленные силы: сила тяжести, сила упругости, сила трения, сила поверхностного натяжения, сила Архимеда, сила Ампера между витками спирали, сила взаимодействия между спиралью и магнитом.

– Демонстрация принципа работы электродвигателя.

– Использование импульсных токов низкой частоты.

– Использование прибора для эвристического тренинга.