Конспект урока: Действие магнитного поля на рамку с током. Электромотор постоянного тока. Гальванометр. Динамик

Действие магнитного поля на рамку с током

Чтобы разобраться, как работает электродвигатель — один из главных результатов технического прогресса, без которого невозможно представить существование современного мира, следует сначала исследовать поведение рамки с током в магнитном поле. Поместим проволочную прямоугольную рамку с током $I$ в магнитное поле. Чтобы учесть влияние магнитного поля на контур с током, следует ввести такую величину, как вектор нормали.

Положительной нормалью $\overrightarrow{n}$ к плоскости рамки с током называют вектор, направление которого совпадает с направлением движения острия ввинчивающегося в плоскость рамки буравчика при вращении его ручки по направлению тока в этой рамке (рис. 1). 

Рис. 1. Вектор нормали n к плоскости рамки с током

Поместим рассматриваемую рамку с током в магнитное поле так, чтобы две стороны рамки были параллельны вектору магнитной индукции поля, а две другие — перпендикулярны. Будем считать, что магнитное поле тока в рамке пренебрежимо мало по сравнению с внешним полем (рис. 2).

Рис. 2. Рамка с током в магнитном поле

Сила ампера, согласно формуле $F_A=B·I·l·\sin \alpha ,$ не действует на сторону $a$ рамки и ей параллельную (синус угла между направлением тока в проводнике и вектором $\overrightarrow{B}$равен нулю). Напротив, на сторону рамки $b$ и ей параллельную сила Ампера действует. Направления сил показаны на рис. 2, причём модули этих сил равны:  

$F_1=F_2=B·I·l$. 

Геометрическая сумма сил $F_1$ и $F_2$ равна нулю, но алгебраическая сумма моментов этих сил относительно оси $O{O}_1$ будет отлична от нуля.

Суммарный момент сил равен

$M=F_1·\frac{a}{2}+F_2·\frac{a}{2}=2·F·\frac{a}{2}=B·I·b·a=B·I·S,$ где $S$ — площадь рамки.

Рамка будет поворачиваться вокруг оси $O{O}_1$ по часовой стрелке. В процессе поворота угол между векторами $\overrightarrow{n}$ и  $\overrightarrow{B}$ будет уменьшаться от $90°$ до $0°$, плечи сил Ампера также будут уменьшаться и суммарный момент станет равен нулю. 

Т. е. рамка повернётся на угол $90°.$ 

Положение рамки, при котором направления положительной нормали $\overrightarrow{n}$ и вектора $\overrightarrow{B}$индукции внешнего поля совпадают, является положением устойчивого равновесия (рис. 3). 

Рис. 3. Положение устойчивого положения рамки

Свойство рамки с током поворачиваться в магнитном поле позволяет использовать её вместо магнитной стрелки для определения направления вектора индукции магнитного поля в определённом месте. 

Если угол между векторами $\overrightarrow{n}$ и $\overrightarrow{B}$ равен $180°,$ то такое положение рамки считают неустойчивым равновесием и при малейшем её повороте возникает вращающий момент, который далее разворачивает рамку, пока она не окажется в положении устойчивого равновесия.

Из формулы момента, поворачивающего рамку в магнитном поле, следует, что величина вращающегося момента прямо пропорциональна модулю индукции магнитного поля, следовательно, это свойство рамки можно использовать для экспериментального определения индукции магнитного поля: $B=\frac{M_{max}}{I·S}.$ $M_{max}$ будет, когда угол между вектором нормали и вектором магнитной индукции равен $90°.$

Рассмотрим ещё несколько примеров действия магнитного поля на рамку с током (рис. 4).

a) — положение устойчивого равновесия; б) — положение неустойчивого равновесия" loading="lazy" /> Рис. 4. Действия магнитного поля на рамку с током: 
a) — положение устойчивого равновесия; б) — положение неустойчивого равновесия

По рис. 4 видно, что в положении устойчивого равновесия силы магнитного поля стремятся растянуть рамку, а в положении неустойчивого равновесия — сжать. Но это в однородном магнитном поле. Если рассматривать неоднородное поле, например, полосового магнита, то рамка, на которую действуют только магнитные силы (как и в однородном поле), займёт положение устойчивого равновесия. При этом магнитные силы будут стремиться растянуть рамку, но силы, действующие на стороны рамки, не будут равны по модулю. Результирующая сила Ампера будет направлена в область более сильного магнитного поля, и рамка будет втягиваться в область более сильного магнитного поля.

Электромотор постоянного тока

На основе поведения рамки с током в магнитном поле основана работа электромотора постоянного тока (электродвигателя). Он состоит из индуктора 4, создающего магнитное поле, и якоря 3, обмотки которого представляют собой многовитковые рамки. Источниками магнитного поля в индукторе являются катушки 5 (в маломощных двигателях часто используют постоянные магниты). Индуктор прикреплён к корпусу мотора и обычно неподвижен, его называют статором. Якорь 9 состоит из вала, на котором закреплены стальной сердечник, и диэлектрического цилиндра коллектора 1. В пазы сердечника вложены многовитковые катушки (рамки). На диэлектрический цилиндр коллектора наклеены изолированные друг от друга медные пластины. Выводы от каждой рамки припаяны соответственно к двум диаметрально противоположным медным пластинам. К пластинам коллектора с двух противоположных сторон прижимается прикреплённая к корпусу пара щёток 2. Через эти щётки пара пластин коллектора и припаянная к ним катушка якоря подключаются к источнику тока. Обычно вал якоря закреплён на двух подшипниках, в этом случае он может вращаться вокруг своей оси, его называют ротором.

После подключения двигателя к источнику тока по его катушкам протекает ток. Силы Ампера вызывают вращение ротора. При вращении на коллекторе происходит смена подключаемых к щёткам пар медных пластин. В результате в процессе работы ток пропускается через ту катушку ротора, в плоскости которой лежит вектор магнитной индукции поля индуктора. Поэтому вращающий момент сил Ампера, действующих на ротор, всё время получается максимальным.    

Рис. 5. Устройство электродвигателя: 1 — коллектор (изолированные друг от друга медные пластины), 2 — графитовые щётки, 3 — якорь, обмотки которого представляют многовитковые рамки, 4 — индуктор, создающий магнитное поле, 5 — катушка (обмотка возбуждения) , 6 — корпус (станина), 7 — подшипниковый щит, 8 — вентилятор , 9 — обмотка якоря

Применяются такие двигатели во многих бытовых приборах, например, пылесосах, электродрелях. Современные электродвигатели могут иметь мощность от долей ватта до тысяч киловатт. КПД мощных электродвигателей достигает 90 %. Также к преимуществам этих двигателей по сравнению с ДВС относятся малые габариты, высокая надёжность, простота управления, экологичность.

Устройство и принцип работы гальванометра

Гальванометр (рис. 6) состоит из подковообразного постоянного магнита 1, между полюсами 2 которого расположена лёгкая рамка 4 с прикреплённой к ней стрелкой 9. Рамка может поворачиваться вокруг горизонтальной оси 5, 6. На рамку намотано несколько витков изолированной проволоки. Концы этой проволоки через спиральные пружины 7, 8 соединяются с клеммами гальванометра. При отсутствии тока спиральные пружины удерживают рамку в горизонтальном положении. При этом стрелка указывает на нулевое положение шкалы.

Рис. 6. Устройство гальванометра

Чтобы повысить чувствительность гальванометра и сделать его шкалу равномерной, внутрь рамки помещают неподвижный железный цилиндр. А полюсным наконечникам магнита придают особую форму. При этом модуль вектора магнитной индукции в этом зазоре постоянен в пределах рабочих углов поворота рамки. 

Современные гальванометры рассмотренного типа позволяют измерять силу тока от десятых долей микроампера до десятков миллиампер.  

Устройство динамика 

На явлении возникновения сил, стремящихся втянуть рамку с током в область более сильного магнитного поля (или вытолкнуть её при изменении направления тока), основано действие электродинамических громкоговорителей 
(динамиков) — устройств, преобразующих переменный электрический ток в звуковые колебания. 

Рис. 7. Устройство динамика

Динамик состоит из кольцевого магнита 1, в зазор между полюсами которого помещена на лёгкий каркас катушка 2. Эта катушка жёстко скреплена с бумажным диффузором 4. В свою очередь, диффузор крепится к магниту и корпусу 3 динамика на упругих шайбах, позволяющих диффузору с катушкой совершать колебания вдоль оси катушки.

 

Современные динамики воспроизводят звук в диапазоне частот от 10 Гц до 20 Гц без заметных искажений. Общий недостаток динамиков — низкий КПД (2–3 % подводимой электрической мощности).