Действие магнитного поля на проводник с током. Электрический двигатель

Когда мы только начинали знакомиться с силой тока, мы упоминали, что проводники с током действуют друг на друга. Опираясь именно на силу такого взаимодействия, и была определена сила тока в один ампер. Тогда мы не сказали, чем вызвано притяжение или отталкивание двух проводников. Теперь, пользуясь нашими новыми знаниями, мы с уверенностью можем сказать: проводники взаимодействовали с помощью магнитных полей. Как мы помним, магнитное поле возникает вокруг любого проводника, по которому течет ток. И мы также выясняли, что магнитное поле действует на проводник с током.

Если подвесить проводник на гибких проводах в магнитном поле, а потом пропустить по нему ток, то он отклонится в ту или иную сторону в зависимости от направления тока.

Или же, можно оставить направление тока неизменным, но изменить положение полюсов магнита. Мы знаем, что ток двигается от плюса к минусу. На рисунке показан дуговой магнит, между полюсами которого, конечно же, существует магнитное поле.

Как только мы пустим по проводнику ток, он сместится влево. То есть, магнитное поле проводника будет притягиваться с полем магнита. Если же мы поменяем направление тока, то проводник, наоборот отклонится вправо. Если теперь поменять полюса магнита, то проводник снова отклонится влево. И, наконец, если сейчас снова поменять направление тока, то проводник снова отклонится вправо. Опять же, обратите внимание на симметрию: изменение направления тока на противоположное даёт тот же эффект, что и поменять местами полюса магнита. Но простое отклонение проводника в магнитном поле используется значительно меньше, чем вращение. Итак, давайте рассмотрим, как можно заставить проводник с током вращаться в магнитном поле. На рисунке вы видите рамку, закреплённую между полюсами магнита.

К металлическим пластинам подсоединены положительный и отрицательный полюса источника тока. На рамку намотана проволока с изоляцией. Концами проволока присоединена к полукольцам. Обратите внимание, что по противолежащим сторонам рамки ток идет в противоположных направлениях. Поэтому, обе стороны рамки будут перемещаться в противоположном направлении. Это приведёт к вращению всей рамки. И тут возникает проблема: как только рамка повернётся на 90^о, обе её стороны окажутся ближе к противоположным полюсам, и рамка начнёт поворачиваться обратно. Как раз, чтобы этого не произошло, нам и нужны полукольца. Дело в том, полукольца поворачиваются вместе с рамкой. Как только рамка повернётся на 90^о, каждое полукольцо прижмется к противоположному контакту. Тогда направления токов в обеих частях рамки поменяются на противоположные, и рамка снова повернётся в ту же сторону. Так будет происходить снова и снова, в результате чего, рамка будет вращаться в одном направлении.

Возможность такого вращения невольно наталкивает на мысль о создании двигателя. Ведь, если к такой рамке прикрепить, скажем, стержень, и насадить на него колесо, то колесо будет вращаться. Двигатель подобного типа действительно существует и называется электродвигателем. Рассмотрим устройство электродвигателя. Совсем недавно мы познакомились с электромагнитом: это катушка с током с железным сердечником внутри. С помощью электромагнита создается магнитное поле, в котором вращается другая катушка с током.

Эта катушка состоит из железного цилиндра и проволоки, уложенной в прорези в этом цилиндре. Железный цилиндр нужен для ещё большего усиления магнитного поля. Эта часть называется якорем двигателя или ротором. У любого двигателя есть ротор (вращающаяся часть) и статор (неподвижная часть). Так вот, в нашем случае, статор — это полюса магнита, а ротор — это железный цилиндр. К пластинам, с помощью которых меняется направление тока, подключают скользящие контакты. Таким образом, двигатель может вращать присоединённый к нему стержень (который называется валом).

Первый электродвигатель был изобретён Борисом Якоби в 1837 году.

Конечно же, он был очень слабым (его мощность составляла всего 15 Вт), но Император Николай I выделил некоторые средства на улучшение двигателя. Уже в 1838 году Якоби сделал электродвигатель мощностью 600 Вт. Он и ещё одиннадцать пассажиров прокатились на катере по Неве, вызвав бурю удивления: ведь никто не греб веслами. Кстати, среди пассажиров был известный нам физик Эмилий Ленц. Очень скоро новость о практическом применении электродвигателя разлетелась по всему миру.

В наше время электродвигатели очень широко используются. Например, катера, экскаваторы, электропоезда и трамваи ездят на электродвигателях.

У электродвигателей есть существенные преимущества перед тепловыми. Электродвигатели не такие громоздкие, им не нужно топливо и они экологически чистые, поскольку не имеют отходов. Но самое главное, что коэффициент полезного действия электродвигателей достигает 98%. Никакие другие двигатели не способны достичь такого высокого КПД.

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

Нечто отдалённо напоминающее автомобиль построили уже ближе к концу девятнадцатого века. А в 1899 году Камиль Женатци впервые превысил скорость 100 км/ч, разогнавшись почти до 106 км/ч.

В качестве источника тока использовался аккумулятор Бари, который включал в себя 36 вольтовых столбов. Напомним, что вольтов столб — это источник химического тока. Мощность этого электромобиля составила 4 л. с., что, конечно, смешно по нынешним меркам.

После изобретения двигателя внутреннего сгорания, интерес к электромобилям надолго пропал, но вернулся в 60 годы 20 века, из-за проблем с экологией. В самом конце двадцатого столетия, компания Дженерал Моторс, выпустила автомобиль EV1.

Этот автомобиль был абсолютно экологически чистым, поскольку полностью ездил на электродвигателях. EV1 разгонялся до 96 км/ч за 9 секунд и имел принудительное ограничение скорости 129 км/ч. Единственным недостатком электромобиля было то, что без подзарядки он мог проехать от девяноста до двух сот сорока километров. Несмотря на это, в 2003 году все электромобили были изъяты и уничтожены. Это произошло только из-за того, что владельцы нефтяных вышек испугались за свой бизнес и попросту заставили закрыть программу.

Несмотря на это, в 2009 году была выпущена новая модель электромобиля «Tesla Model S», которая может проехать без подзарядки более 400 км, а по скорости ничем не уступает обычному автомобилю.

Если программу снова не закроют, то, скорее всего, такие электромобили станут заменой обычным автомобилям.

И в завершении мы познакомимся с тем, как изготовить простейший электродвигатель. Это не сложно: достаточно к полюсам батарейки подсоединить две обычных скрепки. Потом скрутить тонкую проволоку, и подсоединить к скрепкам так, как показано на рисунке.

На батарейку поставьте магнит. Если вы дадите начальный толчок проволоке, то она начнёт вращаться. Конечно, этот двигатель имеет очень маленькую мощность, но по принципу действия мало отличается от настоящих электродвигателей.