Действие магнитного поля на проводник с током. Электрический двигатель

На прошлых уроках мы с вами узнали, что магнитные поля, созданные постоянными магнитами или токами, действуют на помещённые в них магнитные стрелки.

Поскольку магнитное поле проводника с током действует с определённой силой на магнит, то естественно предположить, что со стороны магнитного поля магнита на проводник с током также должна действовать какая-то сила. Рассмотрим более подробно действие магнитного поля на проводник с током и попытаемся подтвердить или опровергнуть высказанное предположение.

Для этого соберём цепь, состоящую из источника тока, ключа, проводника и подковообразного магнита, закреплённого в штативе. Проводник подвесим на тонких проводах и поместим в магнитное поле, созданное подковообразным магнитом. При разомкнутой цепи действия со стороны магнитного поля дугообразного магнита на проводник не наблюдается.

При замыкании цепи проводник приходит в движение — он втягивается в пространство между полюсами дугообразного магнита.

Поменяв направление тока в цепи, увидим, что проводник отклонится в противоположную сторону.

Следовательно, магнитное поле действует на проводник с током с некоторой силой. Эту силу, то есть силу, с которой магнитное поле действует на помещённый в него проводник с током, называют силой Ампера. Названа она в честь французского учёного А. Ампера, который впервые обнаружил действие магнитного поля на проводник с током.

Как мы видели из опыта, направление силы Ампера зависит от направления тока в проводнике и от направления линий магнитного поля. Направление силы Ампера можно определить с помощью правила левой руки: если левую руку расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь, а четыре пальца были направлены по направлению тока в проводнике, то отогнутый на девяносто градусов большой палец покажет направление действующей на проводник силы.

Механическое движение проводника с током в магнитном поле имеет огромное практическое значение. Более полутора столетий назад, а точнее в 1834 г., русский учёный Б. С. Якоби впервые сконструировал электрический двигатель постоянного тока, пригодный для практических целей.

Конечно же, он был очень слабым (его мощность составляла всего 15 Вт), но Император Николай I выделил некоторые средства на улучшение двигателя.  И уже четыре года спустя Якоби сконструировал электродвигатель мощностью 600 Вт. Он и ещё одиннадцать пассажиров прокатились на катере, оснащённым новым двигателем по Неве против течения, вызвав бурю удивления: ведь никто не грёб вёслами.

Очень скоро новость о практическом применении электродвигателя разлетелась по всему миру. А к семидесятым годам XIX в. электродвигатель был уже настолько усовершенствован, что в таком виде сохранился до наших дней.

Чтобы понять принцип работы электродвигателя, проделаем такой опыт. Между полюсами магнита поместим прямоугольную рамку, состоящую из нескольких витков проволоки, которая может свободно вращаться вокруг вертикальной оси. При отсутствии электрического тока в рамке она располагается произвольным образом.

Если плоскость рамки будет располагаться параллельно линиям магнитного поля, то при пропускании по ней тока рамка начнёт поворачиваться. Это происходит потому, что на каждую из сторон рамки, перпендикулярную магнитным линиям, действует сила Ампера. Как мы уже выяснили, направление этой силы зависит от направления тока. Поэтому в нашем случае, обе силы поворачивают рамку в одну сторону, в данном случае против хода часовой стрелки.

Когда плоскость рамки станет перпендикулярно линиям магнитного поля, рамка остановится. Чтобы этого не произошло, и она продолжала вращаться в том же направлении, необходимо изменить направление тока в цепи. Для этого используют специальные металлические полукольца, прикреплённые к рамке, по которым скользят контактные пластины, соединённые с источником тока.

При повороте рамки на 180^о меняется контактная пластина, которой касается полукольцо, и, следовательно, меняется направление тока в рамке. Таким образом, направление тока в цепи изменяется, и рамка всё время вращается в одном направлении.

Существуют различные конструкции электродвигателей. Однако наиболее распространённым является коллекторный электродвигатель, который содержит в себе три основных узла: статор, ротор и коллектор.

Статор (что в переводе с латинского означает «стоящий неподвижно») представляет собой либо постоянный магнит, либо электромагнит, который служит для создания магнитного поля.

Ротор (в переводе с латинского — «вращающийся») представляет собой сердечник, на который наматывается обмотка. Очень часто ротор ещё называют якорем двигателя.

На оси ротора закреплены медные коллекторные пластины, которые изменяют направление тока в витках якоря.

При протекании электрического тока по обмотке ротора, он, под действием силы Ампера, начинает вращаться. Это вращательное движение передаётся валу, а от него — различным механизмам.

Электродвигатели обладают целым рядом преимуществ по сравнению с тепловыми двигателями, которые работают за счёт энергии сжигаемого топлива.

Надо сказать, что автомобиль с электродвигателем (то есть электромобиль) был изобретён раньше, чем автомобиль с двигателем внутреннего сгорания. Самый первый электромобиль был построен ещё в далёком 1841 г., правда, выглядел он как электромотор с тележкой.

Нечто отдалённо напоминающее автомобиль построили уже ближе к концу XIX в.

А в т1899 г. Камиль Женатци на электромобиле впервые превысил скорость 100 км/ч.

В качестве источника тока в электромобиле использовался аккумулятор Бари, который включал в себя тридцать шесть вольтовых столбов.

Электродвигатели, используемые сегодня в промышленности, работают в основном на переменном токе. Но и двигатели постоянного тока достаточно широко используются, особенно на транспорте. Например, на постоянном токе, работают электропоезда, трамваи и троллейбусы. Микроэлектродвигатели постоянного тока широко применяют в системах автоматического регулирования и в бытовых приборах. Мощные электродвигатели используются главным образом для приведения в действие прокатных станов, подъёмных кранов и прочего.

Помимо этого, современные электродвигатели можно изготовить любой мощности: от нескольких ватт, как, например, в бытовых домашних приборах, до нескольких сотен и тысяч киловатт для промышленного производства. При одинаковой мощности электрические двигатели имеют намного меньшие размеры, чем тепловые. При этом их коэффициент полезного действия гораздо выше, чем у тепловых двигателей. Так, например, КаПэДэ современных электродвигателей достигает 98%, в то время как в современном тепловом двигателе он едва дотягивает до 60%.

В завершении отметим, что свойство рамки с током вращаться в магнитном поле используется и в электроизмерительных приборах, таких как вольтметр, амперметр и гальванометр. Рассмотрим принцип действия таких приборов. Между полюсами дугообразного магнита находится рамка, удерживаемая в положении равновесия пружиной. К рамке прикреплена стрелка, движущаяся по шкале.

Если по рамке пропускать электрический ток, то на стороны рамки будет действовать вращательный момент амперовых сил, что приведёт к повороту рамки на определённый угол, и, соответственно, отклонению стрелки. При выключении тока пружина возвращает стрелку к нулевой отметке шкалы.