Badania fizyczne, przeprowadzane często tylko przez „interes naukowy", w wypadku udanego zakończenia często dają początek nowemu rozwojowi techniki. Tak stało się z badaniem zjawisk elektromagnetycznych. Jeden z działaczy państwowych zapytał M. Faradaya: „Jak Pan myśli, czy będzie elektryczność pożyteczna?" Na co Faraday z uśmiechem odpowiedział: „Przez kilka lat będziecie płacić za zużycie energii elektrycznej!" Minął czas, obecnie nasze życie jest nie możliwe bez, na przykład silników elektrycznych - ekologiczne czystych, wygodnych urządzeń. Jak pracują urządzenia elektryczne dowiesz się z tego paragrafu.
Badamy działanie pola magnetycznego na ramkę z prądem
Lekką prostokątną ramkę, wykonaną z kilku zwojów drutu izolowanego, umieszczamy między biegunami magnesu tak, aby mogła ona swobodnie obracać się wokół osi poziomej.
Obserwujemy jej położenie po włączeniu prądu elektrycznego (rys. 7.1, a). Ramka obróci się i ustawi się tak, jak pokazano na rys. 7.1, b. Jest to położenie zwane położeniem równowagi ramki.
Wyjaśnijmy, dlaczego ramka porusza się. Zrobimy to za pomocą reguły lewej dłoni, określimy kierunek siły Ampere’a, działającej na każdy bok ramki na początek doświadczenia. Z rys. 7.1, a widać, że siła Ampere’a F1, działająca na bok AB jest skierowana do góry, a siła Ampere’a F2, działająca na bok CD, skierowana jest w dół. Więc, obie siły obracają ramkę zgodnie z ruchem wskazówki zegara.
Wyjaśnijmy, dlaczego ramka przestała się poruszać. Jest tak dlatego, że po przechodzeniu przez ramkę położenia równowagi siły Ampere’a obracają ją w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówki zegara (rys. 7.1, b). Więc, ramka zacznie poruszać się w kierunku przeciwnym, przejdzie przez położenie równowagi i kierunek jej ruchu zmieni się. W końcu ramka się zatrzyma.
Stosując regułę lewej dłoni, przekonaj się w tym, że dla każdego położenia ramki, podanego na rys. 7.1, siła i'j, działająca na bok AB ramki, jest skierowana do góry, a siła F2 , działająca na bok CD ramki, - w dół.
Zapoznamy się, jak pracuje silnik prądu stałego
Obrót ramki z prądem w polu magnetycznym wykorzystano przy konstruowaniu silników elektrycznych.
Silnik elektryczny - jest to urządzenie, w którym energia elektryczna przemienia się na energię mechaniczną
Żeby zrozumieć, jak pracuje silnik elektryczny prądu stałego, wyjaśnijmy, w jaki sposób można zmusić ramkę obracać się bez przerwy w jednym kierunku. Łatwo jest domyślić się: dlatego trzeba, żeby w moment przechodzenia przez ramkę położenia równowagi, kierunek prądu w ramce zmieniał się na przeciwny.
Urządzenie, które automatycznie zmienia kierunek prądu w ramce, nazywamy komutatorem.
Na rys. 7.2 pokazany jest model, za pomocą którego można zapoznać się z zasadą działania komutatora. Komutator składa się z dwóch półpierścieni (1), do każdego z których jest przymocowana szczotka metalowa (2). Półpierścienie sporządza się z przewodnika, dwie połówki którego są odizolowane od siebie. Szczotki służą do doprowadzenia napięcia od źródła prądu (3) do ramki (4), która lekko obraca się wokół osi poziomej i znajduje się między biegunami potężnego magnesu (5). Jedna szczotka jest połączona z dodatnim biegunem źródła prądu, druga - z ujemnym.
Po zamykaniu obwodu ramka pod działaniem sił Ampere’a zaczyna obracać się zgodnie z ruchem wskazówki zegara (rys. 7.2, a). Półpierścienie komutatora obracają się razem z ramką, a szczotki pozostają nieruchome, dlatego po przejściu położenia równowagi do szczotek zostaną przeciśnięte inne półpierścienie (rys. 7.2, c). Kierunek prądu w ramce zmienia się na przeciwny, kierunek obrotu ramki pozostanie ten sam - w kierunku ruchu wskazówki zegara.
Dla położeń a i b ramki (patrz rys. 7.2), określ kierunki sił Ampere’a, działających na boki ramki. Udowodnij, że w obu wypadkach siły Amperea będą obracać ramkę zgodnie z ruchem wskazówki zegara.
Więc, do sporządzania silnika elektrycznego będą potrzebne: 1) magnes trwały lub elektromagnes;
2) ramka przewodząca; 3) źródło prądu; 4) komutator.
Zwiększamy moc silnika elektrycznego
Siły Ampere’a, które wywołują obrót ramki, są wprost proporcjonalne do długości przewodnika. Dlatego, dla zwiększenia mocy silnika elektrycznego, jego uzwojenie sporządza się z dużej ilości zwojów drutu. Zwoje umieszcza się w specjalnych miejscach bocznej powierzchni rdzenia — walca stalowego. Rdzeń z uzwojeniem jest wirnikiem (z łac. rotare - obracać się) silnika (rys. 7.3).
Dla zabezpieczenia równomiernego obrotu wirnika stosują wiele uzwojeń, osadzonych na wspólnym rdzeniu. Komutator takiego silnika ma nie dwa półpierścieni, a dużo płyt miedzianych, umocowanych na odizolowanym bębnie (rys. 7.4).
Współczesne silniki elektryczne (rys. 7.5) zamiast magnesów trwałych posiadają elektromagnes, który jest nieruchomą częścią silnika elektrycznego, jego stojanem (z łac. stator - ten, kto nie porusza się). Uzwojenie sto-jana jest podłączone do tego samego źródła, co uzwojenie wirnika. Gdy w uzwojeniach wirnika i stojana płynie prąd, wirnik obraca się w polu magnetycznym stojana i silnik pracuje.
Silniki elektryczne prądu stałego są wykorzystywane w transporcie elektrycznym: tramwajach, trolejbusach, elektrowozach, samochodach elektrycznych, dla wprowadzania w ruch silników spalinowych. W przemyśle i życiu codziennym wykorzystywane są silniki prądu zmiennego.
Silniki elektryczne mają zalety w porównaniu z cieplnymi silnikami. Są mniejsze, bardziej oszczędne (sprawność około 98 %), niezawodne w wykorzystaniu (ich moc można regulować), ekologicznie czyste.
Zapoznamy się z zasadą działania mierników elektrycznych
Podstawą działania mierników układu magneto-elektrycznego - galwanometrów, amperomierzy, woltomierzy prądu stałego jest obrót ramki z prądem w polu magnetycznym magnesu trwałego.
Mechanizm pomiarowy takich przyrządów jest pokazany na rys. 7.6.
Gdy prądu w ramce (4) nie ma, sprężyny (2) utrzymują półosie (3), a więc i wskazówkę tak, że koniec wskazówki zatrzymuje się na zerze.
Jeżeli przyrząd jest podłączany do obwodu, to w ramce płynie prąd i na skutek działania sił Ampere’a ramka obraca się w polu magnetycznym magnesu trwałego (1). Razem z ramką obracają się półosie, a więc i wskazówka.
Podczas obrotu ramki sprężyny zakręcają się i powstają dodatkowe siły sprężystości. Gdy moment sił sprężystości równoważy moment sił Ampere’a, obrót zatrzymuje się, wskazówka pozostaje odchylona. Im większe jest natężenie prądu w ramce, tym o większy kąt odchyli się wskazówka, tym większe będą wskazania przyrządu.
Przyrządy układu magnetoelektrycznego są bardzo precyzyjne i czułe.
Porównujemy amperomierz i woltomierz
Wewnętrzna budowa woltomierza i amperomierza jest jednakowa; mają różne opory elektryczne i skale. Amperomierz włącza się w obwód szeregowo, dlatego jego opór musi być najmniejszy, inaczej natężenie prądu w obwodzie zmniejszy się. Woltomierz włącza się w obwód równolegle do urządzenia, na którym mierzy się napięcie więc, żeby natężenie w obwodzie nie zmieniało się, opór woltomierza musi być największy.
Zapoznamy się z zasadą działania głośnika elektrodynamicznego
Głośnik elektrodynamiczny jest urządzeniem, które przetwarza sygnał elektryczny na dźwięk.
Dźwięk jest promieniowany przez ciała drgające z częstotliwością od 20 do 20 000 Hz (czyli wykonują od 20 do 20 000 drgań na sekundę)*. Ciałem drgającym w głośniku jest dyfuzor. Aby lepiej zrozumieć, jak pracuje dyfuzor, zbadamy budowę głośnika (rys. 7.7).
* Szczególniej o dźwięku dowiesz się z rozdziału III podręcznika.
Podstawową częścią głośnika jest zwojnica z prądem (zwojnica dźwiękowa) (1), do której jest przymocowany dyfuzor (2), układ magnetyczny, który składa się z trwałego magnesu (3), walca stalowego (4) i dwóch dysków (5), przyległych do magnesu. Układ magnetyczny wytwarza pole magnetyczne, skierowane prostopadle do zwojów zwojnicy.
Jeżeli przez zwojnicę płynie prąd, wtedy na uzwojenia zwojnicy działają siły Ampere’a, które wprowadzają zwojnicę w ruch wzdłuż walca, -zwojnica jest wciągana do przecięcia pierścieniowego magnesu. Gdy natężenie prądu w zwojnicy zmienia się z częstotliwością dźwiękową, również zmieniają się siły Ampere’a — zwojnica raz silniej, raz słabiej jest wciągana do przecięcia (drga odpowiednio do zmiany natężenia prądu). Razem ze zwojnicą drga dyfuzor, który „pcha” powietrze, wytwarzając falę dźwiękową, — głośnik promieniuje dźwięk.
Podsumowanie
Na skutek działania sił Ampere’a ramka z prądem obraca się w polu magnetycznym. Zjawisko obrotu ramki z prądem w polu magnetycznym wykorzystuje się w pracy silników elektrycznych. Ruchoma część silnika elektrycznego — wirnik — składa się z rdzenia metalowego i ramki, prąd do której podaje się za pomocą komutatora. Wirnik obraca się w polu magnetycznym potężnego elektromagnesu - stojana.
Galwanometry, amperomierze i woltomierze — są to przyrządy układu mag-netoelektrycznego. Podstawą ich działania jest obrót ramki z prądem w polu magnetycznym magnesu trwałego.
Pytania kontrolne
1. Dlaczego ramka z prądem obraca się w polu magnetycznym? Dlaczego zatrzymuje się? 2. Wymień podstawowe części silnika elektrycznego. Która z nich „odpowiada” za bezpieczny obrót wirnika silnika elektrycznego? 3. Czym jest stojan silnika elektrycznego? 4. Podaj zalety silników elektrycznych w porównaniu z cieplnymi. 5. Opisz budowę i zasadę działania mierników układu mag-netoelektrycznego. 6. W czym tkwi różnica w budowie i pracy amperomierza i woltomierza? 7. Opisz budowę i zasady działania głośnika.
Ćwiczenie nr 7
1. Na rys. 1 jest pokazana ramka z prądem, obracająca się w polu magnetycznym magnesu trwałego.
Określ kierunek prądu w ramce.
2 Dlaczego przy szeregowym włączeniu woltomierza do obwodu natężenie prądu zmniejsza się?
3. Na zaciskach mierników układu magnetoelektrycz-nego zaznacza się biegunowość („+” i „ — „). Co będzie, jeżeli przy włączeniu przyrządu nie dotrzymywać się reguł włączenia?
4. Silniki elektryczne mają zalety w porównaniu do silników cieplnych. Dlaczego ludzkość nie odmówi się od wykorzystania silników cieplnych?
5. Oprócz mierników układu magnetoelektrycznego istnieją mierniki układu elektrodynamicznego i elektromagnetycznego. W miernikach układu elektrodynamicznego (rys. 2) zamiast magnesu trwałego jest wykorzystywany elektromagnes. Podstawą działania mierników układu elektromagnetycznego (rys.
3) jest zjawisko wciągania tarczy ferromagnetycznej do przecięcia nieruchomej zwojnicy z prądem. Za pomocą rys. 2 i 3 spróbuj wyjaśnić, jak pracują przyrządy. Jeżeli wyniknie potrzeba, zwróć się do dodatkowych źródeł informacji.
6. Przypomnij, czym jest prąd elektryczny. Podaj definicję. W jakich warunkach powstaje?
Doświadczenie
„Łamimajster”. Wyciągnij z zabawki silnik elektryczny i zbadaj jego budowę. Podłącz silnik do baterii ogniw galwanicznych i zwróć uwagę na kierunek obrotu wirnika. W jaki sposób można zmieniać kierunek obrotu wirnika na przeciwny? Sprawdź siebie.
Źródło: Fizyka podręcznik dla klasy 9 Barjachtar