Фізика. 9 клас. Бар’яхтар

§ 7. Електродвигуни. Електровимірювальні прилади. Гучномовець

Фізичні дослідження, які часто проводять заради «наукової цікавості», в разі вдалого завершення можуть започаткувати новий етап у розвитку техніки. Саме так сталося з вивченням електромагнітних явищ. Якось, розмовляючи з Майклом Фарадеєм, один державний діяч запитав у нього: «Як ви гадаєте, чи дасть якусь користь електрика?» Фарадей посміхнувся: «Через кілька років ви обкладатимете електрику податком!» Минув час, і зараз наше життя неможливо уявити, наприклад, без електричних двигунів — екологічно чистих, зручних, компактних пристроїв. Про те, як працюють деякі електричні пристрої, ви дізнаєтеся з цього параграфа.

1. Вивчаємо дію магнітного поля на рамку зі струмом

Візьмемо легку прямокутну рамку, що складається з кількох витків ізольованого дроту, і помістимо її між полюсами магніту так, щоб вона могла легко обертатися навколо горизонтальної осі.

Пропустимо в рамці електричний струм (рис. 7.1, а). Рамка повернеться і, гойднувшись кілька разів, розташується так, як показано на рис. 7.1, б. Це положення є положенням рівноваги рамки.

А тепер з’ясуємо, чому рамка припинила рух. Річ у тім, що після проходження рамкою положення рівноваги сили Ампера повертатимуть її вже проти ходу годинникової стрілки (рис. 7.1, в). У результаті рамка почне повертатись у зворотному напрямку, пройде положення рівноваги та знову змінить напрямок руху. Урешті-решт через дію сил тертя рамка зупиниться.

2. Дізнаємось, як працює двигун постійного струму

Обертання рамки зі струмом у магнітному полі було використано у створенні електричних двигунів.

Електричний двигун — це пристрій, у якому електрична енергія перетворюється на механічну.

Щоб зрозуміти, як працює електродвигун постійного струму, з’ясуємо, як змусити рамку безперервно обертатися в одному напрямку. Неважко здогадатися: треба, щоб у момент проходження рамкою положення рівноваги напрямок струму в рамці змінювався на протилежний.

Пристрій, який автоматично змінює напрямок струму в рамці, називають колектором.

На рис. 7.2 зображено модель, за допомогою якої можна ознайомитися з принципом дії колектора. Власне колектор являє собою два півкільця (1), до кожного з яких притиснута металева щітка (2). Півкільця виготовлені з провідника й розділені проміжком. Щітки слугують для підведення напруги від джерела струму (3) до рамки (4), яка легко обертається навколо горизонтальної осі й розташована між полюсами потужного магніту (5). Одну щітку з’єднують з позитивним полюсом джерела струму, другу — з негативним.

Після замикання кола рамка внаслідок дії сил Ампера починає повертатися за ходом годинникової стрілки (рис. 7.2, а). Півкільця колектора повертаються разом із рамкою, а щітки залишаються нерухомими, тому після проходження положення рівноваги (рис. 7.2, б) до щіток будуть притиснуті вже інші півкільця (рис. 7.2, б). Напрямок струму в рамці зміниться на протилежний, а напрямок її обертання не зміниться — рамка продовжить рух за ходом годинникової стрілки.

Рис. 7.2. Модель, яка демонструє принцип дії колектора (а). Після проходження положення рівноваги (б) щітки колектора притиснуті вже до інших півкілець (в), тому напрямок струму в рамці змінюється на протилежний

• Визначте для положень а і в рамки (див. рис. 7.2) напрямки сил Ампера, що діють на сторони рамки. Доведіть, що в обох випадках сили Ампера обертатимуть рамку за ходом годинникової стрілки.

Таким чином, щоб виготовити електричний двигун, потрібно мати: 1) постійний магніт або електромагніт; 2) провідну рамку; 3) джерело струму; 4) колектор.

3. Збільшуємо потужність електричного двигуна

Сили Ампера, які забезпечують обертання рамки, прямо пропорційні довжині провідника. Тому для збільшення потужності електродвигуна його обмотку виготовляють із великої кількості витків дроту. Витки вкладають у спеціальні пази на бічній поверхні осердя — циліндра, виготовленого з листів магнітом’якої сталі. Осердя з обмоткою разом із півкільцями колектора утворюють ротор (від латин. rotare — обертатися) двигуна (рис. 7.3).

Рис. 7.3. Ротор двигуна, який містить одну обмотку: 1 — обмотка; 2 — осердя; 3 — півкільця

Для забезпечення рівномірного обертання ротора використовують кілька обмоток, які намотують на одне осердя. Колектор такого двигуна має не два півкільця, а низку мідних дугоподібних пластин, закріплених на ізольованому барабані (рис. 7.4).

Рис. 7.4. Ротор двигуна, який містить дванадцять обмоток: 1 — пластини колектора, 2 — осердя з обмоткою

У більшості сучасних електродвигунів замість постійного магніту використовують електромагніт, який становить одне ціле з корпусом електродвигуна та слугує статором (нерухомою частиною пристрою; від латин. stator — той, що стоїть нерухомо). Обмотка статора підключена до того самого джерела струму, що й обмотка ротора. Коли в обмотках ротора й статора йде струм, ротор обертається в магнітному полі статора і двигун працює (рис. 7.5).

Рис. 7.5. Модель електродвигуна постійного струму: 1 — ротор; 2 — статор; 3 — обмотка статора; 4 — колектор

Електродвигуни постійного струму застосовують в електротранспорті — трамваях, тролейбусах, електровозах, електромобілях, використовують як стартери для запуску двигунів внутрішнього згоряння. У промисловості та побуті частіше застосовують електродвигуни змінного струму.

Електричні двигуни мають істотні переваги перед тепловими. Електродвигуни більш компактні, економічні (їхній ККД сягає 98 %), зручні в застосуванні (їхню потужність легко регулювати), не забруднюють довкілля.

4. Знайомимося з принципом дії електровимірювальних приладів

На повертанні рамки зі струмом у магнітному полі постійного магніту ґрунтується дія електровимірювальних приладів магнітоелектричної системи — гальванометрів, амперметрів і вольтметрів постійного струму.

Вимірювальний механізм таких приладів зображено на рис. 7.6.

Рис. 7.6. Схема вимірювального механізму приладів магнітоелектричної системи: 1 — постійний нерухомий магніт; 2 — спіральні пружини; 3 — півосі; 4 — рамка, жорстко закріплена на півосях; 5 — нерухоме осердя; 6 — стрілка; 7 — шкала

Коли струм у рамці (4) відсутній, спіральні пружини (2) утримують півосі (3), а отже, й стрілку (6) таким чином, що кінець стрілки встановлюється на нульовій позначці шкали приладу (7). Коли прилад вмикають у коло, в рамці починає йти струм і внаслідок дії сил Ампера рамка повертається в магнітному полі постійного магніту (1). Разом із рамкою повертаються півосі, а отже, і стрілка.

Під час повертання рамки закручуються пружини й виникають додаткові сили пружності. Коли момент сил пружності зрівноважує момент сил Ампера, повертання припиняється, а стрілка залишається відхиленою. Чим більша сила струму в рамці, тим на більший кут відхилиться стрілка і тим більшими будуть покази приладу.

Прилади магнітоелектричної системи мають велику точність і високу чутливість.

5. Зіставляємо амперметр і вольтметр

За внутрішньою будовою амперметр і вольтметр є однаковими; відрізняються лише їхні шкали й електричні опори. Амперметр вмикають у коло послідовно, тому його опір має бути якнайменшим, інакше сила струму в колі значно зменшиться. А от вольтметр приєднують до кола паралельно з пристроєм, на якому вимірюють напругу, отже, щоб сила струму в колі майже не змінювалась, опір вольтметра має бути якнайбільшим.

6. Знайомимося з принципом дії електродинамічного гучномовця

Електродинамічний гучномовець (динамік) — це пристрій, який перетворює електричний сигнал на чутний звук.

Звук випромінюють тіла, які коливаються із частотою від 20 до 20 000 Гц (тобто здійснюють від 20 до 20 000 коливань за секунду)*. Коливне тіло в динаміку — дифузор. Щоб зрозуміти, як змусити дифузор коливатися за допомогою струму, розглянемо будову динаміка (рис. 7.7).

Рис. 7.7. Будова електродинамічного гучномовця: 1 — звукова котушка; 2 — дифузор; 3 — постійний кільцевий магніт; 4 — керн; 5 — фланці

Основні частини динаміка — котушка зі струмом (звукова котушка) (1), до якої прикріплений дифузор (2), і магнітна система, що складається із постійного кільцевого магніту (3), сталевого циліндра (керна) (4) і двох сталевих дисків (фланців) (5), які щільно прилягають до магніту. Магнітна система створює магнітне поле, напрямлене перпендикулярно до витків котушки.

Якщо котушкою тече струм, на витки котушки діють сили Ампера, що змушують котушку рухатися вздовж керна, — котушка втягується в зазор кільцевого магніту. Коли сила струму в котушці змінюється зі звуковою частотою, так само змінюються й сили Ампера, й котушка то сильніше, то слабше втягується в зазор (коливається в такт зміни сили струму). Разом із котушкою коливається і прикріплений до неї дифузор, який «штовхає» повітря, створюючи звукову хвилю, — гучномовець випромінює звук.

* Детальніше про звук ви дізнаєтесь із розділу III підручника.

Підбиваємо підсумки

Унаслідок дії сил Ампера рамка зі струмом може обертатися в магнітному полі. Це явище використовують у роботі електродвигунів. Щоб забезпечити обертання рамки в одному напрямку, застосовують колектор — пристрій, який автоматично змінює напрямок струму в рамці.

Гальванометри, амперметри і вольтметри — це вимірювальні прилади магнітоелектричної системи. Їхня дія ґрунтується на повертанні рамки зі струмом у магнітному полі постійного магніту.

Ще одним прикладом застосування сил Ампера є електродинамічний гучномовець, дія якого ґрунтується на втягуванні котушки зі струмом у магнітне поле кільцевого магніту.

Контрольні запитання

1. Чому рамка зі струмом повертається в магнітному полі? чому зупиняється? 2. Назвіть основні частини електродвигуна. Яка з них «відповідає» за безперервне обертання ротора електродвигуна? 3. Що являє собою статор електродвигуна? 4. Назвіть переваги електричних двигунів порівняно з тепловими. 5. Опишіть будову та принцип дії вимірювальних приладів магнітоелектричної системи. 6. Чи відрізняються будова та принцип дії амперметрів і вольтметрів? Якщо так, то чим? 7. Опишіть будову та принцип дії гучномовця.

Вправа № 7

1. На рис. 1 зображено рамку зі струмом, яка повертається в магнітному полі постійного магніту. Визначте напрямок струму в рамці.

Рис. 1

2. Чому в разі послідовного приєднання вольтметра до кола сила струму в колі значно зменшується?

3. На затискачах вимірювальних приладів магнітоелектричної системи зазначено полярність («+» і «-»). Що буде, якщо, вмикаючи прилад, не дотриматися полярності?

4. Електричні двигуни мають низку переваг перед тепловими. Чому ж людство не відмовляється від застосування теплових двигунів?

5. Окрім електровимірювальних приладів магнітоелектричної системи існують вимірювальні прилади електродинамічної та електромагнітної систем. У вимірювальних приладах електродинамічної системи (рис. 2) замість постійного магніту використовують електромагніт. Дія вимірювальних приладів електромагнітної системи (рис. 3) базується на явищі втягування феромагнітного диска в проміжок нерухомої котушки зі струмом. Розгляньте рис. 2 і 3 та спробуйте пояснити, як працюють подані прилади. Якщо треба, зверніться до додаткових джерел інформації.

Рис. 2

Рис. 3

6. Згадайте, що таке електричний струм. Дайте його означення. За яких умов він виникає?

Експериментальне завдання

«Ламайстер». Розгляньте будову електричного двигуна, вийнятого з іграшки. Приєднайте двигун до батареї гальванічних елементів і зверніть увагу на напрямок обертання ротора. Яким чином можна змінити напрямок обертання ротора на протилежний? Перевірте своє припущення.

ГДЗ до підручника можна знайти тут.