Электродвигатель в физике - формулы и определение с примерами

Содержание:

Электродвигатель:

Сила Ампера используется в электрических двигателях постоянного тока для преобразования энергии электрического тока в механическую энергию вращения вала. Принцип действия такого двигателя основан на явлении вращения контура с током под действием магнитного поля (рис. 191).

Рассмотрим силы, действующие на рамку с током силой I, помещенную в однородное магнитное поле индукцией

Силы, действующие на противоположные стороны AD и ВС рамки, лежат в плоскости рамки и стремятся ее растянуть (при изменении направления тока эти силы будут сжимать рамку).

Силы, действующие на стороны АВ и CD (рис. 192. б), равны по модулю и
противоположны по направлению. Поэтому на рамку действует момент сил

где а, b — длины сторон рамки, S — ее площадь, — угол между направлением нормали к рамке и направлением индукции магнитного поля

Из полученного выражения видно, что момент сил, вращающих рамку, равен нулю только в случае, когда = 0. Следовательно, рамка с током, помещенная в однородное магнитное поле, повернется (сориентируется) так, чтобы момент сил, действующих на нее, был равен нулю. При этом вектор нормали к рамке совпадет по направлению с вектором индукции магнитного поля, т. е. рамку с током, которую называют элементарным контуром, можно использовать для определения направления вектора индукции магнитного поля в исследуемой области. Подчеркнем, что равновесие рамки будет устойчивым, поскольку при ее повороте из положения равновесия возникнет момент М сил Ампера, стремящийся вернуть рамку в исходное положение. Таким образом, можно сделать вывод, что направление нормали к элементарному контуру, расположенному в магнитном поле, указывает направление вектора индукции магнитного поля ( = 0) в исследуемой области.

Заметим, что направление нормали к плоскости рамки определяется по правилу буравчика:

• направление нормали совпадает с направлением движения буравчика, если его вращать по направлению тока в рамке.

Максимальный момент сил достигается при угле = 90°. Таким образом, в данной точке поля отношение  характеризует модуль вектора индукции магнитного поля:  
где I — сила тока в рамке, S — площадь рамки.

Произведение силы тока в контуре и площади контура называют магнитным моментом контура: Эта величина характеризует механический вращающий момент, появляющийся при помещении контура в область магнитного поля:

Вращающий момент сил, действующих на рамку, зависит от ее ориентации. Причем существуют положения, в которых он равен нулю. При повороте рамки на угол 180° механический момент меняет свой знак на противоположный.

Чтобы избежать такой «пульсации» механического вращающего момента, в электродвигателях используют сложную обмотку, представляющую собой большое количество рамок, плоскости которых повернуты на небольшой угол друг относительно друга. Поэтому при любой ориентации обмотки на нее действует некоторый постоянный механический момент.

Момент сил, действующий на обмотку, можно вычислить по формуле

где r — радиус обмотки, N — число витков в обмотке, I — сила тока в обмотке, В — индукция магнитного поля, l — длина проводника.

Основными частями электрического двигателя постоянного тока являются: индуктор — постоянный магнит или электромагнит со стальным сердечником и якорь — катушка с проводом, в обмотке которой вырабатывается ЭДС индукции. Индуктор является неподвижной частью двигателя — статором, а якорь — его вращающейся частью — ротором (рис. 193).

Для того чтобы ротор непрерывно вращался в одном и том же направлении, необходимо изменять направление электрического тока в его обмотках.

В двигателях постоянного тока это переключение осуществляется с помощью коллектора и щеток (неподвижных контактов, которые скользят по пластинам).

Через каждые пол-оборота коллектор переключается на другую щетку, и в результате направление тока в катушке изменяется на противоположное. При этом вращающий момент двигателя сохраняет свой знак. Таким образом, ротор все время вращается в одну и ту же сторону. Переключение с одной щетки на другую происходит в тот момент времени, когда вектор индукции магнитного поля лежит в плоскости обмотки, т. е. сила Ампера, действующая на провода обмотки, максимальна.

Отметим, что одна и та же машина постоянного тока может использоваться в качестве генератора, так и в качестве электродвигателя. Если по обмотке индуктора пропустить постоянный ток и при этом вращать якорь, то в обмотке якоря будет создаваться переменная ЭДС индукции — машина будет работать в режиме генератора электрического тока.

Электродвигатели постоянного тока применяются:

1. на транспорте (троллейбус, трамвай, электровоз);
2. в бытовой электро- и радиоаппаратуре (электробритва, магнитофон);
3. в стартерах двигателей автомобилей.

Первый электродвигатель, пригодный для практического применения, построил русский ученый Борис Семенович Якоби в 1834 г.

Электродвигатели

Физические исследования, которые часто проводят ради «научного любопытства», при удачном завершении могут открыть новый этап в развитии техники. Именно так произошло с изучением электромагнитных явлений. Один государственный деятель спросил у Майкла Фарадея: «Как вы думаете, будет ли какая-то польза от электричества?» Фарадей улыбнулся: «Скоро вы будете облагать электричество налогом!» Прошло время, и сейчас нашу жизнь невозможно представить, например, без электрических двигателей — удобных, компактных, экологически чистых устройств. О том, как работают некоторые электрические устройства, вы узнаете из этого параграфа.

Действие магнитного поля на рамку с током

Возьмем легкую прямоугольную рамку, состоящую из нескольких витков изолированного провода, и поместим ее между полюсами магнита так, чтобы она могла легко вращаться вокруг горизонтальной оси.

Пропустим в рамке электрический ток (рис. 7.1, а). Рамка повернется и, качнувшись несколько раз, установится так, как показано на рис. 7.1, б. Это — положение равновесия рамки.

Выясним, почему рамка начинает движение. Воспользовавшись правилом левой руки, определим направление силы Ампера, действующей на каждую сторону рамки в начале наблюдения. На рис. 7.1, а видим, что сила Ампера действующая на сторону AB, направлена вверх, а сила Ампера действующая на сторону CD, направлена вниз. Итак, обе силы поворачивают рамку по ходу часовой стрелки.

А теперь выясним, почему рамка прекратила движение. Дело в том, что после прохождения рамкой положения равновесия силы Ампера будут поворачивать ее уже против хода часовой стрелки (рис. 7.1, в). В результате рамка начнет поворачиваться в обратном направлении, пройдет положение равновесия и снова изменит направление движения. В конце концов из-за действия сил трения рамка остановится.

Рис. 7.1. Исследование действия магнитного поля на рамку с током (направление тока показано красными стрелками):

• а — силы Ампера и поворачивают рамку ABCD по ходу часовой стрелки;
• б — в положении равновесия силы Ампера не поворачивают рамку, а растягивают;
• в — силы Ампера поворачивают рамку против хода часовой стрелки

Как работает двигатель постоянного тока

Вращение рамки с током в магнитном поле было использовано при создании электрических двигателей.

Электрический двигатель — это устройство, в котором электрическая энергия преобразуется в механическую.

Чтобы понять, как работает электродвигатель постоянного тока, выясним, как заставить рамку непрерывно вращаться в одном направлении. Нетрудно догадаться: нужно, чтобы в момент прохождения рамкой положения равновесия направление тока в рамке изменялось на противоположное.

Устройство, автоматически изменяющее направление тока в рамке, называют коллектором.

На рис. 7.2 изображена модель, с помощью которой можно понять принцип действия коллектора. Коллектор представляет собой два полукольца (1), к каждому из которых прижата металлическая щетка (2). Полукольца изготовлены из проводника и разделены зазором. Щетки служат для подведения напряжения от источника тока (3) к рамке (4), которая легко вращается вокруг горизонтальной оси и расположена между полюсами мощного магнита (5). Одна щетка соединена с положительным полюсом источника тока, другая — с отрицательным.

После замыкания цепи рамка в результате действия сил Ампера начинает поворачиваться по ходу часовой стрелки (рис. 7.2, а). Полукольца коллектора поворачиваются вместе с рамкой, а щетки остаются неподвижными, поэтому после прохождения рамкой положения равновесия (рис. 7.2, б) к щеткам будут прижаты уже другие полукольца (рис. 7.2, в). Направление тока в рамке изменится на противоположное, поэтому она продолжит движение по ходу часовой стрелки, то есть направление вращения рамки не изменится.

Рис. 7.2. Модель, демонстрирующая принцип действия коллектора (а). После прохождения рамкой положения равновесия (б) щетки коллектора прижаты уже к другим полукольцам (в), поэтому направление тока в рамке изменяется на противоположное

• Заказать решение задач по физике

Таким образом, чтобы изготовить электрический двигатель, нужно иметь: 1) постоянный магнит или электромагнит; 2) проводящую рамку; 3) источник тока; 4) коллектор.

Увеличиваем мощность электрического двигателя:

Силы Ампера, обеспечивающие вращение рамки, прямо пропорциональны длине проводника. Поэтому для увеличения мощности электродвигателя его обмотку изготовляют из большого количества витков провода. Витки вкладывают в специальные пазы на боковой поверхности сердечника — цилиндра, изготовленного из листов магнитомягкой стали. Сердечник с обмоткой вместе с полукольцами коллектора образуют ротор (от лат. rotare — вращаться) двигателя (рис. 7.3).

Рис. 7.3. Ротор двигателя с одной обмоткой: 1 — обмотка; 2 — сердечник; 3 — полукольца

Для равномерного вращения ротора используют несколько обмоток, которые наматывают на один сердечник. Коллектор такого двигателя имеет не два полукольца, а ряд медных дугообразных пластин, закрепленных на изолированном барабане (рис. 7.4).

Рис. 7.4. Ротор двигателя с двенадцатью обмотками:

1 — пластины коллектора; 2 — сердечник с обмоткой

В большинстве современных электродвигателей вместо постоянного магнита используют электромагнит, который составляет единое целое с корпусом электродвигателя и служит статором (неподвижной частью устройства; от лат. stator — стоящий неподвижно). Обмотки статора и ротора подключены к одному источнику тока. Когда в обмотках идет ток, ротор вращается в магнитном поле статора и двигатель работает (рис. 7.5).

Рис. 7.5. Модель электродвигателя постоянного тока:

1 — ротор; 2 — статор; 3 — обмотка статора; 4 — коллектор

Электродвигатели постоянного тока широко применяют в электротранспорте (трамваях, троллейбусах, электровозах, электромобилях), их используют как стартеры для запуска двигателей внутреннего сгорания. В промышленности и быту чаще используют электродвигатели переменного тока.

Электрические двигатели имеют существенные преимущества перед тепловыми: они более компактны, экономичны (их КПД достигает 98 %), удобны в применении (их мощность легко регулировать), не загрязняют окружающую среду.

Принцип действия электроизмерительных приборов

На поворачивании рамки с током в магнитном поле постоянного магнита основано действие электроизмерительных приборов магнитоэлектрической системы — гальванометров, амперметров и вольтметров постоянного тока.

Схема измерительного механизма таких приборов представлена на рис. 7.6.

Рис. 7.6. Схема измерительного механизма приборов магнитоэлектрической системы: 1 — постоянный неподвижный магнит; 2 — спиральные пружины; 3 — полуоси; 4 — рамка, жестко закрепленная на полуосях; 5 — неподвижный сердечник; 6 — стрелка; 7 — шкала

Когда ток в рамке (4) отсутствует, спиральные пружины (2) удерживают полуоси (3), а значит, и стрелку (6) так, что конец стрелки устанавливается на нулевой отметке шкалы прибора (7). Когда прибор включают в цепь, в рамке идет ток и в результате действия сил Ампера рамка поворачивается в магнитном поле постоянного магнита (1). Вместе с рамкой поворачиваются полуоси, а значит, и стрелка.

Во время движения рамки пружины закручиваются и возникают дополнительные силы упругости. Когда момент сил упругости уравновешивает момент сил Ампера, движение рамки прекращается, а стрелка остается отклоненной. Чем больше сила тока в рамке, тем на больший угол отклонится стрелка и тем большим будет показание прибора.

Приборы магнитоэлектрической системы имеют большую точность и чувствительность.

Амперметр и вольтметр

Амперметр и вольтметр имеют одинаковое устройство, отличаются только их шкалы и электрические сопротивления. Амперметр включают в цепь последовательно, поэтому его сопротивление должно быть как можно меньшим, иначе сила тока в цепи значительно уменьшится. А вот вольтметр присоединяют к цепи параллельно с устройством, на котором измеряют напряжение, поэтому, чтобы сила тока в цепи практически не изменялась, сопротивление вольтметра должно быть как можно большим.

Принцип действия электродинамического громкоговорителя

Электродинамический громкоговоритель (динамик) — это устройство, преобразующее электрический сигнал в слышимый звук.

Звук излучают тела, колеблющиеся с частотой 20-20 ООО Гц (то есть совершающие от 20 до 20 ООО колебаний в секунду)*.

Основные части динамика — катушка с током (звуковая катушка) (1), к которой прикреплен диффузор (2), и магнитная система, состоящая из постоянного кольцевого магнита (3), стального цилиндра (керна) (4) и двух стальных дисков (фланцев) (5), плотно прилегающих к магниту. Магнитная система создает магнитное поле, направленное перпендикулярно виткам катушки.

Рис. 7.7. Устройство электродинамического громкоговорителя: 1 — звуковая катушка; 2 — диффузор; 3 — постоянный кольцевой магнит; 4 — керн; 5 — фланцы

Когда в катушке течет ток, на ее витки действуют силы Ампера, заставляющие катушку двигаться вдоль керна и втягиваться в зазор кольцевого магнита. Когда сила тока в катушке изменяется со звуковой частотой, так же изменяются и силы Ампера, и катушка то сильнее, то слабее втягивается в зазор (колеблется в такт изменению силы тока). Вместе с катушкой колеблется и прикрепленный к ней диффузор, который «толкает» воздух, создавая звуковую волну, — громкоговоритель излучает звук.

Подводим итоги:

В результате действия сил Ампера рамка с током может поворачиваться 1 ^ в магнитном поле. Это явление используют в работе электродвигателей. Чтобы обеспечить вращение рамки, применяют коллектор — устройство, автоматически изменяющее направление тока в рамке.

Гальванометры, амперметры и вольтметры — это измерительные приборы магнитоэлектрической системы. Их действие основано на поворачивании рамки с током в магнитном поле постоянного магнита.

Еще один пример применения сил Ампера — электродинамический громкоговоритель, действие которого основано на втягивании катушки с током в магнитное поле кольцевого магнита.