§ 15. Дія магнітного поля на рамку зі струмом

Зміст

Контрольні запитання

1. Чому рамка зі струмом повертається в магнітному полі? Чому зупиняється?

Рамка зі струмом повертається під дією пари сил Ампера, які діють на її протилежні сторони в протилежних напрямках, створюючи обертальний момент. Рамка зупиняється тому, що після проходження положення рівноваги напрямок обертального моменту сил Ампера змінюється на протилежний; виникають вільні коливання навколо положення рівноваги, які з часом згасають через дію сил тертя.

2. Назвіть основні частини електродвигуна. Яка з них «відповідає» за безперервне обертання ротора електродвигуна?

Основними частинами електродвигуна є ротор (рухома частина з обмотками та осердям), статор (нерухома частина — постійний магніт або електромагніт), колектор і струмопровідні щітки. За безперервне обертання ротора відповідає колектор, який періодично змінює напрямок струму в обмотці під час переходу положення рівноваги.

3. Що являє собою статор електродвигуна?

Статор — це нерухома частина двигуна, яка створює магнітне поле. Зазвичай це постійний магніт або електромагніт, закріплений у корпусі приладу.

4. Назвіть переваги електричних двигунів порівняно з тепловими.

• Значно вищий коефіцієнт корисної дії (ККД сягає понад $90%$);
• Екологічність (відсутність викидів шкідливих газів під час роботи);
• Компактність і менша маса за однакової потужності;
• Простота в експлуатації та зручність керування швидкістю й реверсом;
• Безшумність роботи.

5. Опишіть будову та принцип дії вимірювальних приладів магнітоелектричної системи.

Вимірювальний механізм складається з нерухомого магніту, циліндричного осердя, рухомої легкої рамки з дротом, спіральних пружин, стрілки та вимірювальної шкали. Принцип дії базується на повертанні рамки зі струмом у магнітному полі: сила Ампера повертає рамку, закручуючи спіральні пружини, доки обертальний момент сил Ампера не зрівноважиться пружним моментом закручених пружин.

Вправа № 15

1. Назвіть 5 пристроїв, до складу яких входить електродвигун.

Електродвигун використовується в таких пристроях: пилосос, пральна машина, електродриль, електричний самокат, вентилятор.

2. Установіть відповідність між складником електричного двигуна (1–4) та його призначенням (А–Д).

Відповідь: 1 — В, 2 — Д, 3 — А, 4 — Б.

3. На рисунку зображено рамку зі струмом, яка повертається в магнітному полі постійного магніту. Визначте напрямок струму в рамці.

Відповідь: Струм у рамці тече за ходом годинникової стрілки.

Обґрунтування: Магнітні лінії спрямовані від північного полюса до південного ($N \to S$, справа наліво). Обертання показує, що ліва вертикальна сторона рамки відхиляється від нас. За правилом лівої руки: долоню розвертаємо праворуч (назустріч лініям поля), відігнутий великий палець спрямовуємо від нас (у напрямку сили), тоді чотири витягнуті пальці покажуть напрямок струму в лівій стороні рамки — вгору. Отже, у правій стороні струм іде вниз, що відповідає напрямку струму за годинниковою стрілкою.

4. Чи зміниться напрямок руху рамки, зображеної на рис. 15.1, у разі зміни полюсів магніту? Якщо зміниться, то як? Відповідь обґрунтуйте.

Так, напрямок руху рамки зміниться на протилежний. Зміна розташування магнітних полюсів змінює вектор магнітної індукції $\vec{B}$ на протилежний, що за правилом лівої руки призводить до зміни напрямку сил Ампера, які повертають рамку в інший бік.

5. На затискачах вимірювальних приладів магнітоелектричної системи зазначено полярність («+» і «–»). Що буде, якщо, вмикаючи прилад, не дотриматися полярності?

Якщо змінити полярність, напрямок струму в рамці зміниться на протилежний. Відповідно, сила Ампера відхилить стрілку ліворуч від нульової позначки шкали, що може призвести до її вигинання або поломки приладу.

6. Електричний самокат живиться від акумуляторної батареї 36 В. Визначте силу струму, який протікає в обмотці його двигуна, якщо час розгону до швидкості 18 км/год становить 5 с. Маса людини разом із самокатом дорівнює 60 кг. Втратами енергії знехтуйте.

Дано:
$U = 36\text{ В}$
$v = 18\text{ км/год} = 18 \cdot \dfrac{1000\text{ м}}{3600\text{ с}} = 5\text{ м/с}$
$t = 5\text{ с}$
$m = 60\text{ кг}$

Знайти:
$I – ?$

Розв’язання:

За законом збереження енергії, робота електричного струму $W$ повністю витрачається на надання системі кінетичної енергії $E_{\text{к}}$:
$$W = E_{\text{к}}$$

Робота електричного струму визначається формулою:
$$W = U \cdot I \cdot t$$

Кінетична енергія рухомого тіла:
$$E_{\text{к}} = \dfrac{m \cdot v^2}{2}$$

Прирівняємо обидві формули:
$$U \cdot I \cdot t = \dfrac{m \cdot v^2}{2}$$

Виразимо силу струму $I$:
$$I = \dfrac{m \cdot v^2}{2 \cdot U \cdot t}$$

Підставимо числові значення:
$$I = \dfrac{60 \cdot 5^2}{2 \cdot 36 \cdot 5} = \dfrac{60 \cdot 25}{360} = \dfrac{1500}{360} \approx 4{,}17\text{ А} \approx 4{,}2\text{ А}$$

Відповідь: $I \approx 4{,}2\text{ А}$.

7. У саморобному електродвигуні, який пропонувалося виготовити на початку параграфа, колектор відсутній. Чому рамка не зупиняється кожні чверть оберту, а продовжує обертання в одному напрямку?

Завдяки несиметричному зачищенню ізоляції (ізоляцію знімають лише з однієї половини виводу) струм проходить через обмотку лише протягом пів оберту, розганяючи її силою Ампера. Другу половину оберту рамка проходить за інерцією у вимкненому стані, що запобігає виникненню гальмівного моменту.

8. Електричні двигуни мають низку переваг перед тепловими. Чому тоді людство не відмовляється від застосування теплових двигунів?

Основні причини — висока питома енергоємність рідкого палива, простота й швидкість дозаправлення, відносна автономність у віддалених регіонах і недостатній розвиток зарядної інфраструктури для масового акумуляторного транспорту.

Експериментальне завдання

Як можна змінити напрямок обертання ротора на протилежний?

Змінити напрямок обертання ротора можна одним із двох способів:

1. Поміняти місцями контакти джерела струму (змінити напрямок струму в обмотці);
2. Змінити просторову орієнтацію полюсів магніту (змінити напрямок ліній магнітної індукції).

Top skills: Робота з інформацією

1. За рисунком і текстом визначте, яка частина гучномовця коливається, створюючи звук.

Відповідь: В Дифузор.

2. Поясніть, як зміна сили струму в котушці впливає на рух дифузора. У відповіді використайте поняття «сили Ампера», «коливання».

Змінний електричний струм, протікаючи крізь витки звукової котушки, зумовлює дію змінної сили Ампера з боку магнітного поля постійного магніту. Зміна модуля й напрямку сили Ампера викликає механічні коливання котушки разом із закріпленим на ній дифузором, унаслідок чого виникають звукові хвилі в повітрі.

3. Обґрунтуйте, чому коливання дифузора відбуваються саме в напрямку вперед-назад, а не вбік.

Магнітне поле в робочому зазорі має радіальну форму, тому лінії магнітної індукції перпендикулярні до струму в кільцевих витках котушки. За правилом лівої руки сила Ампера спрямована строго вздовж осі керна магніту, що й спричиняє поздовжній рух дифузора вперед-назад.

4. Які зміни в роботі гучномовця спостерігатимуться, якщо: а) прибрати постійний магніт; б) шматочок заліза випадково потрапить між котушкою та магнітом?

• а) За відсутності магнітного поля сила Ампера дорівнюватиме нулю ($F_{\text{А}} = 0$), дифузор перестане коливатися і пристрій не генеруватиме звук.
• б) Залізне тіло притягнеться до деталей магнітної системи та механічно заклинить котушку в зазорі, унеможливлюючи її коливання й призводячи до сильного спотворення звуку або повної тиші.