Физика. 9 класс. Барьяхтар

§ 7. Электродвигатели. Электроизмерительные приборы. Громкоговоритель

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.

1. Изучаем 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.

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.

2. Выясняем, 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.

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

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.

• Для положений а и в (см. рис. 7.2) определите направления сил Ампера, действующих на стороны рамки. Докажите, что силы Ампера вращают рамку по ходу часовой стрелки.

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

3. 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.

4. Знакомимся с принципом 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.

5. Сравниваем 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.

6. Знакомимся с принципом действия электродинамического громкоговорителя

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

Звук излучают тела, колеблющиеся с частотой 20-20 000 Гц (то есть совершающие от 20 до 20 000 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.

* Подробнее о звуке вы узнаете из раздела III учебника.

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 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.

Контрольные вопросы

1. Почему рамка с током поворачивается в магнитном поле? почему останавливается? 2. Назовите основные части электродвигателя. Какая из них «отвечает» за непрерывное вращение ротора электродвигателя? 3. Что представляет собой статор электродвигателя? 4. Перечислите преимущества электрических двигателей в сравнении с тепловыми. 5. Опишите строение и принцип действия измерительных приборов магнитоэлектрической системы. 6. Отличаются ли устройство и принцип действия амперметров и вольтметров? Если да, то чем? 7. Опишите устройство и принцип действия громкоговорителя.

Упражнение № 7

1. На рис. 1 изображена рамка с током, которая поворачивается в магнитном поле постоянного магнита. Определите направление тока в рамке.

Рис. 1

2. В случае последовательного включения вольтметра в электрическую цепь сила тока в этой цепи значительно уменьшается. Почему?

3. На зажимах измерительных приборов магнитоэлектрической системы указана полярность («+» и «-»). Что произойдет, если не соблюсти полярность при включении прибора?

4. Электрические двигатели имеют ряд преимуществ по сравнению с тепловыми. Почему же люди не отказываются от применения тепловых двигателей?

5. Кроме электроизмерительных приборов магнитоэлектрической системы существуют измерительные приборы электродинамической и электромагнитной систем. В измерительных приборах электродинамической системы (рис. 2) вместо постоянного магнита используется электромагнит. Действие измерительных приборов электромагнитной системы (рис. 3) основано на втягивании ферромагнитного диска в зазор неподвижной катушки с током. Рассмотрите рис. 2 и 3 и попробуйте объяснить, как работают данные приборы. При необходимости обратитесь к дополнительным источникам информации.

Рис. 2

Рис. 3

6. Вспомните, что такое электрический ток. Дайте его определение. При каких условиях возникает ток?

Экспериментальное задание

«Мастер-ломастер». Рассмотрите устройство электрического двигателя из игрушки. Присоедините двигатель к батарее гальванических элементов и обратите внимание на направление вращения ротора. Как можно изменить направление вращения ротора на противоположное? Проверьте свое предположение.