Глава 3. Электромагнитные явления. § 57. Электрический двигатель — с. 209
§ 57. Вопрос 1. На каком физическом явлении основана работа электрического двигателя?
Работа электрического двигателя основана на действии магнитного поля на проводник с током. На любой проводник с током, помещённый в магнитное поле (если он не параллелен линиям индукции), действует сила Ампера, направление которой определяют по правилу левой руки. В двигателе эта сила приложена к противоположным сторонам рамки (обмотки) с током и создаёт вращающий момент, поэтому рамка (якорь) поворачивается. Таким образом электрическая энергия источника преобразуется в механическую энергию вращения.
§ 57. Вопрос 2. Используя рисунок 159, опишите принцип действия электродвигателя.
Прибор состоит из лёгкой прямоугольной рамки ABCD на вертикальной оси между полюсами магнита. К концам рамки прикреплены два металлических полукольца, к каждому из которых прижата металлическая пластинка — щётка; щётки соединены с источником тока (одна с плюсом, другая с минусом).
1) Когда цепь замкнута, в рамке идёт ток, причём в сторонах AB и DC он течёт в противоположных направлениях.
2) Линии магнитной индукции направлены от N к S (на рисунке справа налево). По правилу левой руки на сторону AB действует сила, направленная от нас, а на сторону DC — к нам. Эти силы создают вращающий момент, и рамка поворачивается по часовой стрелке, если смотреть сверху.
3) Вместе с рамкой поворачиваются полукольца, и каждое оказывается прижатым к другой щётке. Ток в рамке меняет направление на противоположное, поэтому силы на каждую сторону тоже меняют направление, и рамка продолжает вращаться в ту же сторону.
4) В настоящих двигателях рамку заменяют обмоткой из многих витков на железном якоре, а магнитное поле создаёт мощный электромагнит.
1) Когда цепь замкнута, в рамке идёт ток, причём в сторонах AB и DC он течёт в противоположных направлениях.
2) Линии магнитной индукции направлены от N к S (на рисунке справа налево). По правилу левой руки на сторону AB действует сила, направленная от нас, а на сторону DC — к нам. Эти силы создают вращающий момент, и рамка поворачивается по часовой стрелке, если смотреть сверху.
3) Вместе с рамкой поворачиваются полукольца, и каждое оказывается прижатым к другой щётке. Ток в рамке меняет направление на противоположное, поэтому силы на каждую сторону тоже меняют направление, и рамка продолжает вращаться в ту же сторону.
4) В настоящих двигателях рамку заменяют обмоткой из многих витков на железном якоре, а магнитное поле создаёт мощный электромагнит.
§ 57. Вопрос 3. Приведите примеры использования электрических двигателей. Каковы их преимущества по сравнению с тепловыми двигателями?
Электродвигатели используют в электробритвах, электроточилках, вентиляторах, стиральных машинах, пылесосах, дрелях, лифтах, трамваях, троллейбусах, электровозах и электромобилях, а также на кораблях, в экскаваторах и прокатных станах.
Преимущества перед тепловыми двигателями: 1) при той же мощности электродвигатель имеет меньшие размеры и массу; 2) он не загрязняет окружающую среду, так как не выделяет газов, дыма и пара; 3) ему не нужен запас топлива и воды; 4) мощность может быть любой: от нескольких ватт до сотен и тысяч киловатт; 5) коэффициент полезного действия мощных двигателей может достигать 98 %, что значительно выше КПД тепловых двигателей.
Преимущества перед тепловыми двигателями: 1) при той же мощности электродвигатель имеет меньшие размеры и массу; 2) он не загрязняет окружающую среду, так как не выделяет газов, дыма и пара; 3) ему не нужен запас топлива и воды; 4) мощность может быть любой: от нескольких ватт до сотен и тысяч киловатт; 5) коэффициент полезного действия мощных двигателей может достигать 98 %, что значительно выше КПД тепловых двигателей.
§ 57. Вопрос 4. Кто и когда изобрёл первый электродвигатель, пригодный для практического применения?
Один из первых в мире электродвигателей, пригодных для практического применения, изобрёл русский учёный Борис Семёнович Якоби (1801—1874) в 1834 г. Он же построил телеграфный аппарат, печатающий буквы, и открыл гальванопластику.
§ 57. Дополнительный вопрос. Пусть рамка с током (см. рис. 159) повернулась на угол 90° и приняла положение, показанное пунктиром. Укажите направления сил, действующих в этот момент на стороны рамки. Почему рамка не останавливается в этом положении, а продолжает вращение?
В положении, повёрнутом на 90°, плоскость рамки перпендикулярна линиям магнитной индукции, а стороны AB и DC оказались по разные стороны от оси: AB — дальняя от нас, DC — ближняя. Токи в них остались прежними (AB — вниз, DC — вверх), линии B идут справа налево. По правилу левой руки сила на AB направлена от нас, на DC — к нам, то есть на каждую сторону сила направлена вдоль плоскости рамки от оси наружу: силы стремятся растянуть рамку и лежат на одной прямой, проходящей через ось.
Плечо этих сил относительно оси равно нулю, поэтому вращающий момент в этом положении равен нулю, и силы рамку уже не поворачивают.
Рамка не останавливается, потому что она по инерции проходит это положение. В этот момент полукольца переходят от одной щётки к другой, и направление тока в рамке меняется на противоположное. После прохода положения силы на стороны оказываются направленными так, что их момент вновь поворачивает рамку в ту же сторону (по часовой стрелке). В реальных двигателях для надёжного прохождения этого положения используют обмотку из нескольких рамок на якоре, расположенных под разными углами.
Плечо этих сил относительно оси равно нулю, поэтому вращающий момент в этом положении равен нулю, и силы рамку уже не поворачивают.
Рамка не останавливается, потому что она по инерции проходит это положение. В этот момент полукольца переходят от одной щётки к другой, и направление тока в рамке меняется на противоположное. После прохода положения силы на стороны оказываются направленными так, что их момент вновь поворачивает рамку в ту же сторону (по часовой стрелке). В реальных двигателях для надёжного прохождения этого положения используют обмотку из нескольких рамок на якоре, расположенных под разными углами.