Підручник Фізика 9 клас - Т.М. Засєкіна - Оріон 2017 рік

Розділ 1 МАГНІТНІ ЯВИЩА

§ 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.

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

Мал. 60. Обертання рамки в магнітному полі

Мал. 61. Принцип дії електродвигуна

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).

На рамку АВСD 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 62 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).

Мал. 62. Схема будови електродвигуна

Циліндр із обмоткою називають якорем електродвигуна, або ротором (1) (від лат. rotare — обертатися). Ротор обертається в магнітному полі статора (2) (від лат. stator — нерухомий), яким є обмотка (3), намотана на осердя й підключена до того самого джерела струму, що й обмотка ротора.

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. 63, 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. 63, б) використовується принцип взаємодії магнітного поля нерухомої котушки, через яку пропускають досліджуваний електричний струм, і рухомої металевої пластинки (осердя), що намагнічена цим самим полем.

Мал. 63. Схема будови електровимірювального приладу: а — магнітоелектричної системи; б — електромагнітної 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 поліпотужного 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.





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити