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 й розташуємо її всередині підковоподібного магніту (мал. 61). Сторони AB 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.
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 кожен півоберт рамки змінювати напрямок струму в ній на протилежний.
Розглянемо прилад, який складається з рамки ABCD, закріпленої вертикально (мал. 62).
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.
На малюнку 63 зображено будову електродвигуна. Електродвигун складається з обмотки, виготовленої з великої кількості витків ізольованого дроту, яка намотана вздовж бічної поверхні сталевого циліндра (для підсилення магнітного поля). Циліндр з обмоткою називають якорем електродвигуна, або ротором (1). Назва ротор походить від латинського rotare — обертатися. Ротор обертається в магнітному полі статора (2), яким є обмотка (3), намотана на осердя й підключена до того самого джерела струму, що й обмотка ротора. Назва статор походить від латинського stator — нерухомий.
Пристрій, який автоматично змінює напрямок струму в обмотці ротора, називається колектором 4. Власне колектором є два півкільця, до кожного з яких притиснута щітка.
Коли по обмотках ротора і статора проходить електричний струм, то внаслідок взаємодії магнітних полів ротора і статора ротор обертається й двигун працює. Оскільки ротор закріплюють на валу електродвигуна, який з’єднують із приводами різноманітних механізмів, то його обертання зумовлює функціонування цих механізмів.
Ротор малопотужних двигунів (наприклад, в електроіграшках) обертається в магнітному полі постійного магніту. У промислових електродвигунах великої потужності магнітне поле статора створюється електромагнітом.
Широкого використання електричні двигуни набули завдяки важливим перевагам у порівняні з іншими двигунами. Зокрема, електродвигуни є компактними, не забруднюють навколишнє середовище, втрачають порівняно мало енергії. Електричні двигуни мають найвищий ККД — близько 98 %.
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. Прилади магнітоелектричної системи (мал. 64, а) працюють за принципом взаємодії магнітного поля постійного магніту на котушку зі струмом і рівну відповідну дію магнітного поля котушки зі струмом на постійний магніт.
У приладах електромагнітної системи (мал. 64, б) використовується принцип взаємодії магнітного поля нерухомої котушки, через яку пропускають досліджуваний електричний струм, і рухомої металевої пластинки (осердя), що намагнічена цим самим полем.
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 можу застосовувати знання й розв'язувати задачі
Вправа 5
1.
У якому напрямку повертатиметься металева рамка зі струмом у магнітному полі постійного магніту (мал. 65, с.42)? Як спрямована сила Ампера, що діє на нижню частину рамки між точками 3 і 4?
2.
Укажіть полюси постійного магніту, в магнітному полі якого металева рамка зі струмом повертається у напрямку, який вказано на малюнку 66.
3.
Металева рамка зі струмом повернулася під дією зовнішнього магнітного поля в певне положення й зупинилася. Поясніть, чому припинилося обертання рамки.
4.
Електричне коло із чотирьох прямолінійних провідників, під’єднаних до джерела струму, перебуває в магнітному полі (мал. 67), вектор індукції якого спрямований горизонтально вправо. Як направлена сила Ампера, що діє на провідник 1-2?
5.
Прямокутна рамка зі струмом знаходиться в однорідному магнітному полі. Доведіть, що рівнодійна сил Ампера, прикладених до всіх сторін рамки, дорівнює нулю.
6.
Прямокутна рамка зі струмом знаходиться в неоднорідному магнітному полі. Доведіть, що сили Ампера, які діють на сторони рамки, втягують її в область більш сильного поля.
Я вмію досліджувати й експериментувати
1. Розгляньте будову двигуна електроіграшки. Яким чином можна змінити напрямок обертання ротора? Перевірте практично.
2. На гладенькій горизонтальній поверхні лежить петля з гнучкого проводу. Яку форму прийме ця петля, якщо створити в ній сильний електричний струм?
Це матеріал з підручника Фізика 9 клас Засєкіна (поглиблений рівень)