Личный кабинет Выйти Войти Регистрация
Уроки
Математика Алгебра Геометрия Физика Всеобщая история Русский язык Английский язык География Биология Обществознание История России ОГЭ
Тренажёры
Математика ЕГЭ Тренажёры для мозга

Действие магнитного поля на проводник с током. Электрический двигатель

Содержание

    Когда мы изучали магнитное действие электрического тока, то увидели, что проводник с током может прийти в движение. Например, так происходило, когда мы помещали рамку с током в поле дугообразного магнита (рисунок 1).

    Рисунок 1. Магнитное действие тока

    Два проводника, по которым течет ток, тоже будут взаимодействовать друг с другом (рисунок 2). Только теперь мы можем в полной мере объяснить это явление. Проводники притягивались друг к другу или отталкивались друг от друга, потому что на каждый из них действовало магнитное поле другого.

    Рисунок 2. Взаимодействие проводников с током

    Магнитное поле действует с некоторой силой на любой проводник с током, находящийся в этом поле.

    На данном уроке мы рассмотрим еще несколько примеров воздействия магнитного поля на проводники с током. Вы узнаете, что именно эти явления лежат в основе действия любого электродвигателя, устройство которого мы тоже подробно рассмотрим.

    Поступательное движение проводника в магнитном поле

    Как показать, что магнитное поле действует на проводник с током, находящийся в этом поле?

    Проведем опыт, чтобы отследить движение проводника с током в магнитном поле в зависимости от нескольких параметров. Этими параметрами будут направление тока в проводнике и расположение полюсов магнита.

    Возьмем проводник AB. Подвесим его на гибких проводах так, чтобы он оказался между полюсами дугообразного магнита (рисунок 3).

    Рисунок 3. Проводник, помещенный в поле дугообразного магнита

    А теперь включим ток. Что произойдет? Наш подопытный проводник AB пришел в движение и отклонился (рисунок 4).

    Сейчас ток протекает по цепи и направлен от A к B. Проводник отклонился влево.
    Если мы перевернем магнит — поменяем его полюса местами — проводник отклонится вправо.

    Вернем магнит в первоначальное положение, но поменяем направление тока в цепи. И снова проводник отклонится вправо, а не влево, как в первом опыте.

    Рисунок 4. Отклонение проводника с током в поле дугообразного магнита

    Обратите внимание на симметрию: изменение направления тока на противоположное дает тот же эффект, что и перемена местами полюсов магнита. 

    Вращение проводника с током в магнитном поле

    Проводник с током может не только двигаться из стороны в сторону в магнитном поле, но и вращаться.

    Понаблюдаем на опыте. Для этого нам понадобиться конструкция, изображенная на рисунке 5. Рамка ABCD обвита проводником. Получается обмотка, состоящая из большого количества витков проволоки, покрытой изоляцией. Концы этой проволоки подсоединены к металлическим полукольцам 2.

    Каждое из этих полуколец прижато к металлическим пластинам — щеткам 1. По этим щеткам проходит ток от источника к рамке с обмоткой. Эти щетки через несколько контактов и подключаются к источнику тока.

    Рисунок 5. Вращение рамки с током в магнитном поле

    А теперь проследим направление тока в рамке. Ток идет от положительного полюса источника тока к отрицательному. Значит, в части рамки AB ток будет идти вниз (от B к A). В части рамки CD ток будет идти вверх (от D к C).

    А теперь вспомним, что рамка у нас находится в магнитном поле. Под его действием одна часть рамки будет отклоняться в одну сторону, а другая часть — в другую. Причина этому — разное направление тока в этих частях. Получается, что рамка повернется.

    Вместе с рамкой, повернутся и полукольца. Теперь они прижмутся к другим щеткам. Ток потечет по рамке в другую сторону. И снова магнитное поле будет воздействовать на части рамки с противоположными по направлению токами и заставит ее повернутся. Так и будет продолжаться вращение.

    Именно это явление вращения такой своеобразной катушки с током в магнитном поле и используется в устройстве электрических двигателей. 

    Электрический двигатель

    Первый в мире электродвигатель, который можно было применить на практике, был изобретен в 1834 году. Создал его русский ученый Борис Семенович Якоби (рисунок 6).

    Рисунок 6. Борис Семенович Якоби (1801–1874)

    В применяемых электродвигателях роль рамки с током играет специальный железный цилиндр. Вдоль его боковой поверхности сделаны специальные прорези. В них укладывают витки проволоки (огромное их количество). Эта часть двигателя называется ротором или якорем двигателя (рисунок 7).

    Зачем нужен этот цилиндр? Он служит для усиления магнитного поля, которое возникает при протекании тока по виткам проволоки.

    Рисунок 7. Упрощенная схема механизма электродвигателя в перпендикулярном разрезе

    Ротор вращается в магнитном поле, которое создается сильным магнитом или электромагнитом. Неподвижный электромагнит называют статором. Он и обмотка подключаются к одному и тому же источнику тока.

    Через ротор проходил вал. Можно сказать, что он и является осью вращения. Вал соединяется с другим механизмом, который и приводится ротор во вращение.

    Применение электродвигателей

    Электрические двигатели постоянного тока широко применяются на транспорте. Например, в электровозах, трамваях, троллейбусах.

    Специальные безыскровые двигатели применяются в насосах для выкачивания нефти из скважин.

    В технике чаще применяются электродвигатели переменного тока — о них вы узнаете позже. Тем не менее микроэлектродвигатели постоянного тока используются в системах автоматического регулирования и в бытовых приборах. Более мощные электродвигатели используются главным образом для приведения в действие прокатных станов, подъемных кранов и прочего.

    Преимущества электродвигателей

    Если сравнивать электрические двигатели с тепловыми, то первые обладают рядом серьезных преимуществ:

    1. Размеры
      При одинаковой мощности электрические двигатели гораздо меньше тепловых.
    2. Экологичность
      Тепловые двигатели при работе выделяют газы, дым, пар — загрязняют воздух. При работе электродвигателя таких побочных продуктов не возникает.
    3. Источник питания
      Для электродвигателя необходимо подключение к сети, тогда как тепловой двигатель требует запаса топлива и воды.
    4. Мощность
      Электрический двигатель можно изготовить практически любой мощности. Например, в электробритве двигатель имеет мощность в несколько ватт, а на экскаваторе несколько тысяч киловатт.
    5. КПД
      Некоторые электродвигатели имеют КПД, равный $98 \%$. КПД тепловых двигателей намного ниже.

    Задания

    Задание №1

    Вращение рамки с током в магнитном поле используется в устройстве электрических измерительных приборов. На рисунке 8 показана схема устройства одного из таких приборов. Между полюсами постоянного магнита (или электромагнита) располагается легкая катушка К, внутри которой находится неподвижный железный сердечник С. Катушка расположена горизонтально. Ток в нее поступает по металлическим пружинкам П. При отсутствии тока пружины удерживают катушку в горизонтальном положении, а прикрепленную к ней стрелку — на нулевом делении шкалы. Объясните, как действует прибор.

    Рисунок 8. Устройство электрических измерительных приборов

    Включим такой прибор в цепь. Теперь по катушке начинает идти ток. Она же находится в магнитном поля постоянного магнита. Под его действием она начинает поворачиваться (наклоняться). Пружины растягиваются, и стрелка отклоняется от нулевого положения.

    Задание №2

    На рисунке 9 изображен автомат, с помощью которого включается звонок, когда температура в помещении поднимается выше нормы. Назовите все части автомата. Объясните его действие. В каких случаях целесообразно применять такие автоматы? Приведите примеры.

    Рисунок 9. Автомат для контроля температуры

    В таком автомате стоит два источника тока: один для питания катушки с током, а второй — для электрического звонка (рисунок 10).

    Когда температура поднимается, поднимается и столбик ртути в термометре. Когда температура достигает критического значения, контакты замыкаются. Теперь через катушку течет ток. Вокруг нее возникает магнитное поле. Она притягивает к себе якорь. Замыкается вторая часть цепи — с электрическим звонком. Звонок подает звуковой сигнал.

    Рисунок 10. Устройство автомата для контроля температуры

    Такие автоматы удобно применять, когда температура имеет большое значение. Например, в теплицах или инкубаторах.

    5
    5
    5Количество опыта, полученного за урок

    Оценить урок

    Спасибо, что помогаете нам стать лучше!

    Комментарии

    Получить ещё подсказку

    Трудности? Воспользуйтесь подсказкой

    Верно! Посмотрите пошаговое решение