Фізика. 9 клас. Сиротюк

§ 6. Електричні двигуни. Гучномовці. Електровимірювальні прилади

Обертання котушки зі струмом у магнітному полі використовують в електричних двигунах та електровимірювальних приладах.

Без електричних двигунів неможливо уявити життя сучасної людини.

Перелік пристроїв, механізмів і машин, у яких використовуються електричні двигуни, величезний: літак, автомобіль, трактор, трамвай, тролейбус, ліфт тощо.

Існує багато конструкцій різних електродвигунів, але ми вивчимо будову та принцип дії дуже поширеного колекторного електродвигуна (мал. 40). Він складається з таких основних вузлів:

1. Статор 1 (англ. stator, лат. sto - «стою») є або постійним магнітом з наконечниками S і N, або електромагнітом. Він становить єдине ціле з корпусом електродвигуна. Статор колекторного двигуна часто називають індуктором. Це така частина двигуна, яка слугує для збудження магнітного поля.

2. Ротор 2 (лат. roto - «обертаюсь»), або якір двигуна, - осердя певної форми, набирається з листів спеціальної сталі, на які намотують ізольований дріт - обмотку.

3. Кінці обмотки припаяно до мідних пластин колектора, які закріплено на добре ізольованому барабані, що розміщується на осі ротора.

4. Дві вугільні щітки спеціальними пружинами щільно притискаються до колекторних пластин. До щіток від джерела струму подається напруга, що живить електродвигун.

Мал. 40

Мал. 41

Принцип роботи двигуна розглянемо на прикладі простого двигуна (мал. 41, а). До щіток 1 і 2 подається потрібна для роботи електродвигуна напруга. Завдяки взаємодії струму, що проходить по обмотці, з магнітним полем статора 6 ротор 5 повертається так, що рамка виявляється у вертикальному положенні й струму в ній немає, тому що щітки торкаються не пластин колектора 3 і 4, а ізоляції між ними. Однак завдяки інерції ротор проминає це положення, і щітки знову торкаються колекторних пластин. Через кожен півоберт колектор автоматично перемикає полярність напруги джерела на кінцях обмотки на протилежну, тому напрямок струму в ній весь час відповідає обертанню ротора в один бік.

Електричні двигуни мають низку переваг. За однакової потужності їхні розміри менші, ніж теплових двигунів. Вони не виділяють газів, диму й пари. Електродвигуни можна встановити в будь-якому місці. Можна виготовити електричний двигун будь-якої потужності. Наприклад, двигун, зображений на малюнку 41, б, має потужність 890 кВт, працює при напрузі 1400 B і в ньому проходить струм 635 А.

Один з перших у світі електричних двигунів, придатних для практичного застосування, винайшов знаменитий електротехнік Борис Якобі.

Гучномовець — пристрій для ефективного випромінювання звуку в навколишній простір, що конструктивно містить одну або кілька випромінюючих голівок і, за потреби, акустичне оформлення й додаткові електричні пристрої (фільтри, трансформатори, регулятори тощо).

Голівка гучномовця - пасивний електроакустичний перетворювач, призначений для перетворення електричних сигналів в акустичні.

Акустичне оформлення - конструктивний елемент, що забезпечує ефективне випромінювання звуку (акустичний екран, ящик, рупор тощо).

Гучномовці бувають таких функціональних видів: акустична система - гучномовець, призначений для використання функціональною ланкою в побутовій радіоелектронній апаратурі, має високі характеристики звуковідтворення; абонентський гучномовець - гучномовець, призначений для відтворення передач низькочастотного каналу мережі дротового мовлення (мал. 42, а); концертний гучномовець, що має велику гучність у поєднанні з високою якістю звукопередачі; гучномовці для систем сповіщення і систем озвучування приміщень (гучномовці цих систем схожі за призначенням, дещо відрізняються гучністю і якістю звуковідтворення); вуличний гучномовець, що має велику потужність, зазвичай, рупорне виконання, у просторіччі «дзвін» (мал. 42, б); спеціальні гучномовці для роботи в екстремальних умовах - протиударні, противибухові, підводні тощо.

Електродинамічний гучномовець — гучномовець, у якому перетворення електричного сигналу в звук відбувається завдяки переміщенню котушки зі струмом у магнітному полі постійного магніту (рідше — електромагніту) з наступним перетворенням отриманих механічних коливань у коливання навколишнього повітря за допомогою дифузора.

Мал. 42

Гучномовці перетворюють електричний сигнал на звукові хвилі, що поширюються в повітряному середовищі, за допомогою механічної рухливої системи - дифузора 3 (мал. 42, в). Основним робочим вузлом електродинамічного гучномовця є дифузор, що виконує перетворення механічних коливань на акустичні. Дифузор гучномовця приводиться в рух силою, що діє на жорстко скріплену з ним котушку 2, яка розміщена в магнітному полі. У котушці проходить змінний струм, який відповідає аудіосигналу, що має відтворити гучномовець. Магнітне поле в гучномовці створюється кільцевим постійним магнітом 1. Котушка під дією сили Ампера вільно рухається в межах кільцевого зазору, а її коливання передаються дифузору, що, у свою чергу, створює акустичні коливання, які поширюються в повітряному середовищі. Зі збільшенням сили струму котушка сильніше притягнеться до постійного магніту, в разі зменшення сили струму притягання послабшає і котушка зміститься в протилежному напрямку. Якщо силу струму в котушці змінювати періодично, вона буде відхилятися (рухатися) то в одному, то в іншому напрямку, тобто коливатиметься в такт зміні сили струму. Що частіше змінюватиметься сила струму, то більшою буде частота коливань котушки. Тіло, яке коливається з частотою від 20 до 20 000 Гц, випромінює звукові хвилі. Отже, якщо частота коливань котушки змінюватиметься в означених межах, то котушка буде джерелом звуку. Гучність та висота тону випромінюваного звуку визначатимуться амплітудою і частотою коливань відповідно. Саме на коливаннях котушки зі змінним струмом у магнітному полі постійного магніту базується дія електродинамічного гучномовця (динаміка) - електроакустичного пристрою для відтворення звуку.

До створення цифрових електровимірювальних приладів у техніці користувалися переважно стрілковими вимірювачами електричних величин, в основу будови яких було покладено дії електричного струму, наприклад теплова або механічна, яка у свою чергу ґрунтується на магнітній дії струму. Існують кілька систем електровимірювачів магнітної дії: у приладах електромагнітної системи стрілка-вказівник зв’язана з феромагнітним осердям, що втягується в котушку, у якій проходить вимірюваний струм; у приладах магнітоелектричної системи вказівник зв’язаний з легкою рамкою зі струмом, що повертається в полі магніту на кут, пропорційний значенню цього струму; у приладах електродинамічної системи алюмінієвий диск обертається в магнітному полі змінного струму.

Розглянемо детальніше будову та дію приладів магнітоелектричної системи, яка є найпоширенішою у практиці.

Прилади магнітоелектричної системи (мал. 43) складаються з підковоподібного магніту 1, біля полюсів якого розміщуються наконечники 6, між якими на двох півосях обертається легка алюмінієва рамка 3. На рамку намотують тонкий ізольований провідник. Для підсилення магнітного поля у просторі між полюсами розміщують нерухомий залізний циліндр 2. До передньої півосі рамки прикріплюють легку алюмінієву стрілку 4. Кінці провідника, намотаного на рамку, припаюють до двох пружин 5, по яких подається струм до обмотки рамки.

Мал. 43

Під час проходження струму по обмотці рамки вона повертається. Що більша сила струму проходить крізь рамку, то на більший кут повертається стрілка. Коли електричне коло розмикають, пружини під дією сил пружності, які виникли під час повороту рамки, повертають стрілку в нульове положення шкали 7.

За допомогою приладів магнітоелектричної системи можна виміряти такі електричні величини: силу струму, напругу.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

  • 1. Яке фізичне явище використовують у конструкції електричних двигунів?
  • 2. Назвіть основні частини, з яких складається електродвигун.
  • 3. Які переваги мають електричні двигуни перед тепловими двигунами такої самої потужності?
  • 4. Назвіть три побутові машини, у яких використовують електричні двигуни.
  • 5. Що таке гучномовець і які бувають його види?
  • 6. Яка будова і дія електродинамічного гучномовця?
  • 7. Яка будова електровимірювального приладу магнітоелектричної системи? Які фізичні величини ним можна виміряти?