Вращение катушки с током в магнитном поле используют в электрических двигателях и электроизмерительных приборах.
Без электрических двигателей невозможно представить жизнь современного человека. Вот далеко не полный перечень известных вам устройств, механизмов и машин, в которых используются электрические двигатели: самолет, автомобиль, трактор, трамвай, троллейбус, лифт И Т. д.
Существует множество конструкций разных электродвигателей, но мы будем изучать устройство и принцип действия широко распространенного коллекторного электродвигателя (рис. 40). Он состоит из следующих основных узлов:
1. Статор 1 (англ, stator, лат. sto -«стою») является или постоянным магнитом с наконечниками S и N, или электромагнитом. Он составляет единое целое с корпусом электродвигателя. Статор коллекторного двигателя часто называют индуктором. Эта часть двигателя служит для возбуждения магнитного поля.
2. Ротор 2 (лат. roto - «вращаюсь»), или якорь двигателя, - сердечник определенной формы, собранный из листов специальной стали, на который наматывают изолированный провод - обмотку.
3. Концы обмотки припаяны к медным пластинам коллектора, закрепленным на хорошо изолированном барабане на оси ротора.
4. Две угольные щетки специальными пружинами плотно прижимаются к коллекторным пластинам. К щеткам от источника тока подается напряжение для питания электродвигателя.
Принцип работы двигателя рассмотрим на примере простого двигателя (рис. 41, а). К щеткам 1 и 2 подается необходимое для работы электродвигателя напряжение. При взаимодействии тока, проходящего по обмотке, с магнитным полем статора 6 ротор 5 поворачивается таким образом, что рамка оказывается в вертикальном положении, и тока в ней нет, так как щетки касаются не пластин коллектора 3 и 4, а изоляции между ними. Однако благодаря инерции ротор проходит это положение, и щетки снова касаются коллекторных пластин. Каждые пол-оборота коллектор автоматически переключает полярность напряжения источника на концах обмотки на противоположное, поэтому направление тока в обмотке всегда соответствует вращению ротора в одну сторону.
Электрические двигатели имеют ряд преимуществ. При одинаковой мощности их размеры меньше, чем у тепловых двигателей. Они не выделяют газов, дыма и пара. Электродвигатели можно установить в любом месте. Можно изготовить электрический двигатель любой мощности. Например, двигатель, изображенный на рисунке 41, б, имеет мощность 890 кВт, работает при напряжении 1400 Вив нем проходит ток 635 А.
Один из первых в мире электрических двигателей, пригодных для практического применения, изобрел знаменитый электротехник Борис Якоби.
Громкоговоритель — устройство для эффективного излучения звука в окружающее пространство, которое конструктивно имеет одну либо несколько излучающих головок и, по необходимости, акустическое оформление и дополнительные электрические устройства (фильтры, трансформаторы, регуляторы и др.).
Головка громкоговорителя — пассивный электроакустический преобразователь, предназначенный для преобразования электрических сигналов в акустические.
Акустическое оформление - конструктивный элемент, обеспечивающий эффективное излучение звука (акустический экран, ящик, рупор и др.).
Громкоговорители бывают следующих функциональных видов: акустическая система — громкоговоритель, предназначенный для использования в качестве функционального звена в бытовой радиоэлектронной аппаратуре, имеющий высокие характеристики звуковоспроизведения; абонентский громкоговоритель - громкоговоритель, предназначенный для воспроизведения передач низкочастотного канала сети проводного вещания (рис. 42, а); концертный громкоговоритель, имеющий большую громкость с высоким качеством звукопередачи; громкоговорители для систем оповещения и систем озвучивания помещений (громкоговорители этих систем похожи по предназначению, несколько отличаются громкостью и качеством звуковоспроизведения); уличный громкоговоритель имеет большую мощность, как правило, рупорное исполнение, в просторечии «колокол» (рис. 42, б); специальные громкоговорители для роботы в экстремальных условиях — противоударные, противовзрывные, подводные и др.
Электродинамический громкоговоритель — громкоговоритель, в котором преобразование электрического сигнала в звук происходит благодаря перемещению катушки с током в магнитном поле постоянного магнита (изредка — электромагнита) с последующим преобразованием полученных механических колебаний в колебания окружающего воздуха при помощи диффузора.
Громкоговорители преобразуют электрический сигнал в звуковые волны, распространяющиеся в воздушной среде, при помощи движущейся механической системы - диффузора 3 (рис. 42, в). Основным рабочим узлом электродинамического громкоговорителя является диффузор, выполняющий преобразование механических колебаний в акустические. Диффузор громкоговорителя приводится в движение силой, действующей на жестко скрепленную с ним катушку 2, расположенную в магнитном поле. В катушке проходит переменный ток, соответствующий аудиосигналу, который должен воспроизвести громкоговоритель. Магнитное поле в громкоговорителе образуется кольцевым постоянным магнитом 1. Катушка под воздействием силы Ампера свободно движется в рамках кольцевого зазора, а ее колебания передаются диффузору, что, в свою очередь, создает акустические колебания, распространяющиеся в воздушной среде. Если увеличивается сила тока, катушка сильнее притягивается к постоянному магниту, если уменьшается - притяжение слабеет, и катушка смещается в противоположном направлении. Если силу тока в катушке менять периодически, она будет отклоняться (двигаться) то в одном, то в другом направлении — колебаться в такт с изменением силы тока. Чем чаще меняется сила тока, тем большей будет частота колебаний катушки. Тело, колеблющееся с частотой от 20 до 20 000 Гц, излучает звуковые волны. Следовательно, если частота колебаний катушки будет изменяться в указанных пределах, то катушка будет источником звука. Громкость и высота тона излучаемого звука будут определяться соответственно амплитудой и частотой колебаний. Именно на колебаниях катушки с переменным током в магнитном поле постоянного
магнита базируется действие электродинамического громкоговорителя (динамика) - электроакустического устройства для воспроизведения звука.
Существует несколько систем электроизмерителей магнитного действия: в приборах электромагнитной системы стрелка-указатель
связана с ферромагнитным сердечником, который втягивается в катушку, где проходит измеряемый ток; в приборах магнитоэлектрической системы указатель связан с легкой рамкой с током, который вращается в поле магнита на угол, пропорциональный значению этого тока; в приборах электродинамической системы алюминиевый диск вращается в магнитном поле переменного тока.
Рассмотрим подробнее устройство и действие наиболее распространенных приборов магнитоэлектрической системы.
Они состоят из подковообразного магнита 1 (рис. 43), возле полюсов которого размещаются наконечники 6, между которыми на двух полуосях вращается легкая алюминиевая рамка 3. На рамку наматывают тонкий изолированный проводник. Для усиления магнитного поля в пространстве между полюсами размещают неподвижный железный цилиндр 2.
К передней полуоси рамки прикрепляют легкую алюминиевую стрелку 4. Концы проводника, намотанного на рамку, припаивают к двум пружинам 5, по которым подается ток к обмотке рамки.
При прохождении тока по обмотке рамки она поворачивается. Чем больше сила тока проходит через рамку, тем на больший угол поворачивается стрелка. Если электрическую цепь разомкнуть, то пружины под действием сил упругости, возникающих при повороте рамки, возвращают стрелку в нулевое положение шкалы 7.
С помощью приборов магнитоэлектрической системы можно измерять такие электрические величины, как сила тока, напряжение.
ВОПРОСЫ К ИЗУЧЕННОМУ
1. Какое физическое явление используется в конструкции электродвигателей?
2. Назовите основные части электродвигателя.
3. Каковы преимущества электрических двигателей по сравнению с тепловыми двигателями такой же мощности?
4. Назовите три бытовые машины, в которых используются электрические двигатели.
5. Что такое громкоговоритель и какие бывают его виды?
6. Каковы строение и принцип действия электродинамического громкоговорителя?
7. Как устроен электроизмерительный прибор магнитоэлектрической системы? Какие физические величины им можно измерять?
ЗАДАЧИ И УПРАЖНЕНИЯ
Решаем вместе
1. В произведении французского физика Франсуа Араго «Гром и молния» приводится много случаев перемагничивания компасной стрелки, намагничивания стальных предметов под действием молнии. Как можно объяснить эти явления?
Ответ: молния - искровой разряд. Вокруг нее возникает сильное магнитное поле, которое действует на стальные предметы, намагничивая и пере-магничивая их.
2. Объясните результаты опыта (рис. 44).
Ответ', если электрическая цепь не замкнута, все магнитные стрелки размещаются в направлении север-юг. Если цепь замкнуть, вокруг проводника с током возникает магнитное поле, катушка становится магнитом, и поэтому магнитные стрелки взаимодействуют с ней.
3. Рамка с током размещена между полюсами подковообразного магнита так, что ее плоскость перпендикулярна линиям магнитного поля. Будет ли поворачиваться рамка?
Ответ', нет, поскольку в этом случае у рамки отсутствует вращательный момент.
Уровень А
16. Почему отталкиваются магниты (рис. 45)?
17. Как быстро и просто разделить лом черных и цветных металлов?
18. Притягивает ли электромагнитный кран закрытую цинковую коробку со стальными гвоздями, шпильками или шурупами?
19. Поток зерна, поступающего на мельничные жернова, пропускают сначала между полюсами сильного электромагнита. С какой целью?
20. Как просто и быстро рассортировать и сложить латунные гвозди, медные шурупы, стальные шпильки в заводских условиях?
21. Что происходит с рамкой, если по ней пропускать электрический ток (рис. 46)?
22. На рисунке 47 приведена схема устройства гальванометра. Как устроен прибор и как он действует? Почему нулевое деление размещено посредине шкалы? В какую сторону отклоняется стрелка при указанном направлении тока?
23. Концы проволочной рамки (рис. 48), размещенной между полюсами магнита, соединены с полукольцами Л и В, к которым подводится ток от источника тока через щетки k и пг. Каким будет направление тока в витке в момент замыкания цепи? В каком направлении будет поворачиваться рамка?
24. На рисунке 49 изображен разрез электродвигателя постоянного тока. Какими цифрами обозначены коллектор; электромагниты; щетки?
25. На рисунке 50 изображен разрез электродвигателя, по обмотке которого проходит ток. В каком направлении вращается ротор (якорь): по часовой стрелке или против нее?
26. Какова конструкция электродвигателя (рис. 51)? Определите полюса электромагнита и направление вращения ротора (якоря).
Уровень Б
27. Почему к одной катушке притягивается больше гвоздей, чем к другой (рис. 52)?
28. Почему лучше использовать подковообразные, а не прямые электромагниты?
29. На рисунке 53 изображены первые электромагниты, изготовленные английским механиком Стердженом. Какое направление тока в обмотках этих электромагнитов? Можно ли получить на концах подковообразного магнита одинаковые полюса? Почему?
30. На рисунке 54 изображен современный мощный электромагнитный кран. Перечислите его основные конструктивные элементы. Каково его назначение?
31. Во время работы электромагнитного подъемного крана часть груза при выключении тока осталась на полюсах электромагнита. Крановщик пропустил через обмотку слабый ток противоположного направления, и груз отпал. Объясните почему.
32. Можно ли с помощью электромагнитного крана поднимать и переносить раскаленные куски стали?
33. На рисунке 55 приведено измерительное устройство амперметра магнитоэлектрической системы. Назовите основные части амперметра и объясните, как он работает.
34. На рисунке 56 изображен разрез ротора (якоря) электродвигателя, размещенного между полюсами магнита. Ротор (якорь) поворачивается в направлении, указанном стрелками. Какое направление тока в обмотке в правой и левой половинах ротора (якоря)?
35. Объясните устройство электродвигателя (рис. 57). Как соединены между собой обмотки статора (индуктора) и ротора (якоря)?
Это материал учебника Физика 9 класс Сиротюк