Фізика. 9 клас. Головко

§ 8. Застосування сили Ампера. Електродвигун постійного струму

• Застосування сили Ампера. Електровимірювальні прилади

• Електричний двигун постійного струму

ЗАСТОСУВАННЯ СИЛИ АМПЕРА. ВИМІРЮВАЛЬНІ ПРИЛАДИ. Під дією сили Ампера прямолінійний провідник зі струмом у магнітному полі рухається, а рамка повертається. Принцип дії багатьох промислових та побутових приладів ґрунтується на використанні повертання провідника зі струмом у магнітному полі.

Так, явище повертання рамки зі струмом у магнітному полі, з яким ви ознайомилися у попередньому параграфі, покладене в основу конструкції так званих аналогових електровимірювальних приладів. Вони й сьогодні використовуються поруч із цифровими приладами для вимірювання таких електричних величин, як сила струму, напруга, опір, потужність та ін. (рис. 8.1).

Рис. 8.1. Електровимірювальні прилади, виготовлені на вітчизняному підприємстві «Електровимірювач», м. Житомир: а) багатофункціональні аналогові прилади для вимірювання сили струму, напруги, опору, електричної ємності; б) шкільні лабораторні вимірювальні прилади; в) електровимірювальні прилади, що використовуються в промисловості, на залізничному транспорті та в енергетиці

Розглянемо принцип дії електровимірювальних приладів двох найчастіше застосовуваних систем: магнітоелектричної та електромагнітної. В основу дії приладів магнітоелектричної системи покладено принцип взаємодії магнітних полів: магнітного поля котушки, через яку пропускають електричний струм, та магнітного поля, створеного постійним магнітом (рис. 8.2, а).

Рамка зі струмом 3 обертається між полюсами 4 постійного магніту 1. На її осьовому стрижні розміщено спіральні пружини, виготовлені з латуні. Вони утримують рамку та стрілку в певному положенні та, крім того, з їх допомогою підводять електричний струм до рамки. Коректор 5 використовується для встановлення на нульову позначку стрілки приладу.

У процесі електричних вимірювань крізь витки рамки проходить електричний струм і на неї з боку магнітного поля постійного магніту діє сила Ампера. Рамка повертається доти, доки сила Ампера не зрівноважиться силою пружності спіральних пружин. Сила Ампера прямо пропорційна силі струму в рамці. Чим більша сила струму, що протікає по котушці рамки, тим на більший кут повертається стрілка приладу.

У приладах електромагнітної системи використовується принцип взаємодії магнітного поля нерухомої котушки зі струмом і рухомої металевої пластинки, намагніченої цим полем (рис. 8.2, б).

Витками нерухомої котушки 1 пропускають електричний струм. Магнітне поле, що виникає навколо неї, втягує металеве осердя 2. Осердя втягується всередину котушки 1, повертаючись навколо осі, на якій воно закріплене. На тій самій осі розміщено стрілку та спіральну пружину, зовнішній кінець якої прикріплено до коромисла коректора. Повертання осердя відбувається доти, доки дія магнітних сил не зрівноважиться силою пружності спіральної пружини. Для сповільнення коливань стрілки вимірювального приладу на загальній осі обертання прикріплюють так званий демпфер 4 (заспокоювач). Коливання стрілки приладу загашуються завдяки лопатці демпфера.

На електричних схемах електровимірювальні прилади розглянутих систем зображають за допомогою умовних позначень (рис. 8.2).

Рис. 8.2. Будова та умовні позначення електровимірювальних приладів: а) магнітоелектричної системи; б) електромагнітної системи

ЕЛЕКТРИЧНИЙ ДВИГУН ПОСТІЙНОГО СТРУМУ. Ви вже знаєте, що рамка зі струмом повертається в магнітному полі постійного магніту так, щоб розташуватися перпендикулярно до його силових ліній. Після цього вона зупиняється. Як можна досягти того, щоб рамка зі струмом оберталася у полі постійного магніту?

Для того щоб рамка продовжила обертання в тому самому напрямку, потрібно поміняти полюси магніту або напрямок струму в провіднику. Оскільки змінювати полюси постійного магніту конструктивно складно, тому через кожних півоберта рамки потрібно змінювати напрямок струму в ній на протилежний.

Розглянемо прилад, який складається з провідної рамки, закріпленої вертикально (рис. 8.3, а). Кінці обмотки приєднані до двох півкілець 1, 2, які притискаються до металевих щіток 3. Щітки з’єднані з клемами для підведення струму від джерела. Рамка розміщена в магнітному полі постійного магніту.

Рис. 8.3. Модель електродвигуна постійного струму: а) обертання рамки зі струмом у магнітному полі; б) модель електродвигуна, в якому магнітне поле створюється постійним магнітом; в) модель електродвигуна, в якому магнітне поле створюється електромагнітом

Після ввімкнення електричного струму рамка під дією сили Ампера повертається в магнітному полі постійного магніту та зупиняється, розташувавшись перпендикулярно до його силових ліній. Під час руху рамки разом із нею повертаються на півкільця. При цьому кожне півкільце сполучається з іншою щіткою, приєднаною до протилежного полюса джерела струму. Зміна щітки, що притискає півкільце, зумовлює зміну напрямку струму в рамці на протилежний. Рамка продовжить повертатися в тому самому напрямку. Півкільця знову поміняються місцями, зміниться напрямок струму в рамці — рамка обертатиметься.

Швидкість обертання рамки зі струмом у магнітному полі залежить від сили струму в ній та магнітного поля постійного магніту. Якщо змінити полярність увімкнення рамки, то вона буде обертатися у протилежному напрямку. Ця рамка зі струмом, що обертається в магнітному полі, є моделлю найпростішого електродвигуна. Рамка зі струмом може обертатися як у полі постійного магніту (рис. 8.3, б), так і в магнітному полі, що створюється котушками зі струмом (електромагнітами) (рис. 8.3, в).

Електродвигун — пристрій, у якому енергія електричного струму перетворюється в механічну.

Електродвигун постійного струму (рис. 8.4, а) складається з корпуса 1, у якому закріплено постійний магніт 2 та вал 4. На вал електродвигуна закріплюється якір 3. Якір являє собою обмотку, виготовлену з великої кількості витків ізольованого дроту, намотану вздовж бічної поверхні сталевого циліндра (для підсилення магнітного поля). Вал електродвигуна з’єднують із приводами різноманітних машин та механізмів. Якір малопотужних двигунів (наприклад, для електроіграшок) (рис. 8.4, б) обертається в магнітному полі постійного магніту. У промислових електродвигунах великої потужності магнітне поле створюється електромагнітом.

Рис. 8.4. Електродвигуни постійного струму: а) будова електродвигуна постійного струму; б) малопотужні двигуни постійного струму використовуються в електроіграшках

Електродвигуни постійного струму широко використовуються в обробній та видобувній промисловості, на транспорті. Двигуни вітчизняного виробництва приводять у рух різноманітні верстати, підйомники, екскаватори, прокатні стани, бурові установки (рис. 8.5).

Рис. 8.5. Потужні промислові електродвигуни постійного струму виробництва підприємства «Електроважмаш», м. Харків

У побуті широко використовуються прилади, що працюють завдяки електродвигунам змінного струму: електрична кавомолка, міксер, фен та ін. (рис. 8.6).

Широкого використання електричні двигуни набули завдяки важливим перевагам порівняно з іншими двигунами. Зокрема, електродвигуни компактні, не забруднюють навколишнє середовище, витрачають порівняно мало енергії. Електричні двигуни мають найвищий ККД серед двигунів — близько 95 %. Розвиток транспорту пов’язують, зокрема, з поширенням електромобілів (рис. 8.6).

Рис. 8.6. Використання електродвигунів: а) електродвигуни встановлюють у багатьох сучасних побутових пристроях; б) електромобілі — екологічно чистий вид транспорту

! Головне в цьому параграфі

В основу конструкції аналогових електровимірювальних приладів покладено явище повертання рамки зі струмом у магнітному полі.

Дія приладів магнітоелектричної системи ґрунтується на принципі взаємодії магнітних полів: магнітного поля котушки, крізь яку пропускають електричний струм, та магнітного поля, створеного постійним магнітом.

У приладах електромагнітної системи використовується принцип взаємодії магнітного поля нерухомої котушки зі струмом і рухомої металевої пластинки, намагніченої цим полем.

Електродвигун — пристрій, у якому енергія електричного струму перетворюється в механічну.

Електродвигуни набули поширення, оскільки вони компактні, не забруднюють навколишнє середовище, витрачають порівняно мало енергії, їх ККД найвищий серед двигунів і становить близько 98 %.

? Запитання для самоперевірки

• 1. Яке фізичне явище лежить в основі принципу дії електровимірювальних приладів магнітоелектричної та електромагнітної системи?
• 2. Що таке електродвигун постійного струму? Які його основні складові?
• 3. Чому обмотку якоря електродвигуна виготовляють із великої кількості витків дроту?
• 4. Наведіть приклади використання електродвигунів у побуті та техніці.
• 5. Чому електродвигуни набувають дедалі більшого поширення? Які переваги вони мають порівняно з іншими двигунами?

Вправа до § 8

1 (с). Яка конструктивна особливість забезпечує обертання рамки в магнітному полі?

2 (с). Як можна змінити напрямок обертання вала електродвигуна?

3 (д). Визначте напрямок обертання рамки в магнітному полі (рис. 8.7).

Рис. 8.7. До завдання 3

4 (д). Чому в статорах потужних електродвигунів використовують не постійні магніти, а котушки з багатьох витків ізольованого дроту? Поясніть відповідь.

5 (в). Як можна збільшити потужність електродвигуна постійного струму. Відповідь обґрунтуйте.