§ 9. Електродвигуни

Ви дізнаєтесь

Як поводить себе в магнітному полі рамка зі струмом

Пригадайте

Як діє на провідник зі струмом зовнішнє магнітне поле

Дія магнітного поля на рамку зі струмом. Як ви дізналися з попереднього параграфа, провідник зі струмом у полі підковоподібного магніту або виштовхується назовні, або втягується всередину під дією сили Ампера. Виготовимо з провідника прямокутну рамку ABCD та розташуємо її всередині підковоподібного магніту (мал. 60). Сторони АВ та CD рамки є провідниками, на які діє сила Ампера. Ці провідники мають однакову довжину, і по них проходить струм однакової величини у протилежних напрямках. Тому на сторони рамки діють сили, однакові за величиною та протилежні за напрямком. Під дією цих сил рамка зі струмом повертається в магнітному полі, прагнучи розташуватися перпендикулярно до його силових ліній. Якщо змінити полярність джерела струму, до якого під’єднано рамку, або поміняти місцями полюси магніту, рамка повертатиметься у протилежному напрямку.

Мал. 60. Обертання рамки в магнітному полі

Особливості дії магнітного поля на рамку зі струмом використовують при виготовленні електровимірювальних приладів та електродвигунів.

Електродвигун постійного струму. Як досягти постійного обертання в одному напрямку рамки зі струмом у зовнішньому магнітному полі? При пропусканні через рамку струму вона повертається, намагаючись розташуватися перпендикулярно до силових ліній зовнішнього магнітного поля. Щоб рамка продовжила обертання в тому самому напрямку, потрібно поміняти місцями полюси зовнішнього магнітного поля або напрямок струму в провіднику. Отже, щоб від повертання рамки зі струмом у магнітному полі перейти до постійного обертання, потрібно через кожних півоберта рамки змінювати напрямок струму в ній на протилежний.

Розглянемо прилад, який складається з рамки ABCD, закріпленої вертикально (мал. 61).

Мал. 61. Принцип дії електродвигуна

На рамку ABCD намотано невелику кількість витків ізольованого дроту. Кінці обмотки приєднані до двох півкілець (1, 2), які притискаються до металевих щіток (3, 4). Щітки з’єднані з клемами для підведення струму від джерела (5). Рамка розміщена в магнітному полі постійного магніту.

Після вмикання струму рамка повертається в магнітному полі постійного магніту. Разом з рамкою повертаються півкільця. При цьому після повороту рамки на 180° кожне півкільце сполучається з іншою щіткою. Оскільки щітки під’єднані до джерела струму, то зміна щітки, що притискає півкільце, зумовлює зміну напрямку струму в рамці на протилежний. Саме завдяки цьому рамка продовжує обертатися в тому самому напрямку. Після наступного повороту на 180° півкільця знову поміняються місцями, зміниться напрямок струму в рамці — рамка продовжить обертатися, не змінюючи напрямок.

Швидкість обертання рамки зі струмом у магнітному полі залежить від сили струму в ній та індукції магнітного поля постійного магніту. Якщо змінити полярність ввімкнення рамки, то вона буде обертатися у протилежному напрямку. Рамка зі струмом, що обертається в магнітному полі, є моделлю найпростішого електродвигуна.

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

Електродвигуни широко використовуються в промисловості та на транспорті. Вони забезпечують функціонування різноманітних верстатів, підйомників, ескалаторів метро, тролейбусів і трамваїв, електрокарів тощо. Багато побутових приладів працюють завдяки електродвигунам: електричний млинок для кави, міксер, фен та ін.

Електровимірювальні прилади. Виштовхування або притягання провідника зі струмом, що вміщений у зовнішнє магнітне поле, широко використовується в техніці. У 8 класі ми користувалися амперметрами, вольтметрами та іншими електровимірювальними приладами. Сьогодні ми зможемо пояснити принцип дії цих приладів.

Вимірювальний механізм приладу магнітоелектричної системи (мал. 62, а) складається з нерухомого підковоподібного магніту М, нерухомого сталевого циліндра 1, рухомої котушки 2, спіральної пружини 3 і стрілки 4.

Мал. 62. Схема будови електровимірювального приладу: а — магнітоелектричної системи; б — електромагнітної системи

Такі прилади працюють за принципом взаємодії магнітного поля нерухомого постійного магніту з магнітним полем провідника зі струмом, що проходить по рухомій котушці. Застосовується лише в амперметрах та вольтметрах постійного струму. Шкала магнітоелектричних приладів є рівномірною.

Вимірювальний механізм приладу електромагнітної системи (мал. 62, б) складається з котушки 1 з вузькою щілиною усередині, сталевого осердя 2, що, повертаючись навколо осі, може входити в щілину котушки. З віссю 4 пов’язані стрілка, поршень повітряного заспокоювача 5 і спіральна пружина 3. При протіканні струму по котушці осердя втягується усередину котушки із силою, прямо пропорційною квадрату сили струму. Прилади електромагнітної системи мають нерівномірну шкалу, їх показання є не точними й залежать від впливу зовнішніх магнітних полів. Перевагою є можливість їх використання для вимірювань як у колах постійного струму, так і в колах змінного струму.

Вимірювальний механізм приладу електродинамічної системи (мал. 63) складається з нерухомо закріпленої котушки 1 усередині якої може обертатись на осі рухома котушка 2, до якої жорстко прикріплена стрілка 3, що переміщається над шкалою 4. Момент протидії, як і в приладах магнітоелектричної системи, створюється двома спіральними пружинами 5. Прилади можуть використовуватись для вимірювань як у колах постійного струму, так і в колах змінного струму.

Мал. 63. Схема приладу електродинамічної системи

Підбиваємо підсумки

• У результаті дії сили Ампера рамка зі струмом може обертатися в зовнішньому магнітному полі, прагнучи розташуватися перпендикулярно до його силових ліній.

• Особливості дії магнітного поля на рамку зі струмом використовують при виготовленні електродвигунів, електровимірювальних приладів та інших пристроїв.

• Рухома частина електродвигуна — ротор — складається з металевого осердя й обмотки, струм до якої підводять через колектор. Ротор обертається в магнітному полі потужного електромагніту або постійного магніту — статора.

ФОРМУЄМО КОМПЕТЕНТНІСТЬ

Я поміркую й зможу пояснити

1. Чому рамка зі струмом повертається в зовнішньому магнітному полі? У якому випадку вона зупиняється?
2. У якому випадку рамка в магнітному полі не просто повертається, а обертається постійно?
3. Опишіть будову електродвигуна й поясніть принцип його дії.
4. Назвіть переваги електродвигунів над тепловими двигунами такої самої потужності.
5. Для чого в конструкції електродвигуна передбачено колектор?

Я вмію досліджувати й експериментувати

Розгляньте будову двигуна електроіграшки. Яким чином можна змінити напрямок обертання ротора? Перевірте практично.