Гіпермаркет Знань>>Фізика і астрономія>>Фізика 9 клас>> Дія магнітного поля на провідник зі струмом. Електричні двигуни. Гучномовець. Електровимірювальні прилади
 

ДІЯ МАГНІТНОГО ПОЛЯ НА ПРОВІДНИК ЗІ СТРУМОМ. ПРАВИЛО ЛІВОЇ РУКИ. ЕЛЕКТРИЧНІ ДВИГУНИ
Фізичні дослідження, які часто проводять заради «наукової цікавості», у разі вдалого  завершення зазвичай започатковують новий етап у розвитку техніки. Саме так сталося з вивченням електромагнітних явищ. Минув час, і наше життя неможливо уявити без електричних двигунів — екологічно чистих, зручних, компактних пристроїв, у яких енергія електричного струму перетворюється на механічну енергію. Про те, як електрична енергія може бути перетворена на механічну, ви дізнаєтеся з цього параграфа.

Ознайомимося із силою, що діє на провідник зі струмом

Із § 26 ви дізналися, що магнітне поле діє на провідник зі струмом з деякою силою. У цьому легко переконатися за допомогою досліду. Візьмемо прямий провідник, виготовлений з немагнітного матеріалу, і підвісимо його на тонких і гнучких проводах таким чином, щоб він перебував між полюсами підковоподібного постійного магніту (рис. 28.1, а). Якщо пропустити по провіднику струм, провідник відхилиться від положення рівноваги (рис. 28.1, б).

Рис. 28.1. Прямий провідник між полюсами постійного магніту.

Причиною такого відхилення є сила, що діє на провідник зі струмом з боку магнітного поля. Довів наявність цієї сили та з'ясував, від чого залежать її значення і напрямок, А. Ампер (див. рис. 9.2). Саме тому цю силу назинають силою Ампера.
Сила Ампера — це сила, з якою магнітне поле діє на провідник зі струмом.
Експериментально встановлено, що сила Ампера пропорційна силі струму в провіднику та довжині тій частини провідника, що перебуває в магнітному полі  Сила Ампера збільшується з посиленням магнітного поля і залежить від розташування провідника відносно ліній магнітного поля. Сила Ампера є максимальною, якщо провідник розташований перпендикулярно до магнітних ліній, і дорівнює нулю, якщо провідник розташований паралельно магнітним лініям.
Напрямок сили Ампера зручно визначати за допомогою правила лівої руки (рис. 28.2):

Рис. 28.2. Правило лівої руки.
Якщо ліву руку розташувати так, щоб лінії магнітного поля входили в долоню, а чотири витягнуті пальці вказували напрямок струму в провіднику, то відігнутий на 90° великий палець укаже напрямок сили Ампера.

Знайомимося з принципом дії колектора.
Обертання рамки зі струмом у магнітному полі було використано при створенні електричних двигунів — пристроїв, в яких електрична енергія перетворюється на механічну. Щоб зрозуміти принцип дії електродвигуна, спочатку з'ясуємо, як змусити рамку безперервно обертатися в одному напрямку, наприклад за ходом годинникової стрілки.
Неважко здогадатися: для цього треба, щоб сила Ампера, яка діє на ліву частину рамки (і^), завжди була спрямована вгору, а сила Ампера, що діє на праву частину рамки (Р2),— вниз (див. рис. 28.3). Тобто, зважаючи на правило лівої руки, слід зробити так, щоб струм у лівій частині рамки завжди був спрямований до нас а в правій частині — від нас. Іншими словами, у момент проходжен і ня рамкою положення рівноваги, коли ліва і права частини рамки міняються місцями, напрямок струму її рим ці мас змінюватися на протилежний.
Пристрій, якиіі автоматично змінює напрямок струму в рамці, називають колектором.
На рис. 28.4 зображено модель, за допомогою якої можна ознайомитися з принципом дії колектора. Власне колектор являє собою два півкільця (і), до кожного з яких притиснута металева щітка (2). Півкільця виготовлені з провідника й розділені зазором. Щітки слугують для підведення напруги від джерела струму (5) до рамки (4), яка може легко обертатися навколо горизонтальної осі і розташована між полюсами потужного магніту (3). Одну з щіток з'єднують з позитивним полюсом джерела струму, другу — з негативним.

Рис. 28.4. Модель дії колектора.

Після замикання кола рамка під дією сил Ампера починає повертатися за ходом годинникової стрілки. Півкільця колектора повертаються разом із рамкою, а щітки залишаються нерухомими, тому після проходження положення рівноваги до щіток будуть притиснуті вже інші півкільця. Напрямок струму в рамці зміниться на протилежний, а напрямок обертання рамки залишиться тим самим.

Збільшуємо потужність електричного двигуна та забезпечуємо рівномірність його роботи
Для збільшення потужності електродвигуна потрібно збільшити сили Ампера, дія яких забезпечує обертання рамки.
Оскільки сила Ампера пропорційна довжині провідника, то обмотку електродвигуна виготовляють із великої кількості витків дроту. Витки вкладають у спеціальні пази на бічній поверхні циліндра, який виготовлено зі сталевих листів. Циліндр слугує осердям, що значно посилює магнітне поле обмотки. Осердя з обмоткою слугує ротором (від латин, гоіаге — обертатися), або якорем, двигуна (рис. 28.5).

Рис. 28.5. Ротор двигуна.
Для забезпечення рівномірного обертання ротора використовують кілька обмоток, які намотують на одне осердя. Колектор такого двигуна являє собою не півкільця, а низку мідних дугоподібних пластин, закріплених на ізольованому барабані (рис. 28.6).

Рис. 28.6. Колектор у вигляді низки мідних дугоподібних пластин, закріплених на ізольованому барабані.
Ротор (1) обертається в магнітному полі потужного електромагніту (рис. 28.7).

Рис. 28.7. Ротор, який обертається в магнітному полі потужного електромагніту.

Такий електромагніт становить одне ціле з корпусом електродвигуна і слугує його статором (від латин, віаіог — той, що стоїть нерухомо), або індуктором (2). Обмотку (3) статора підключено до того самого джерела струму, що й обмотку ротора. Коли по обмотках ротора й статора йде струм, ротор обертається в магнітному полі статора і двигун працює.
Н Застосовуємо електродвигуни Електродвигуни постійного струму знайшли своє застосування в електротранспорті: їх установлюють у трамваях, тролейбусах, електровозах і електромобілях, використовують як стартери для запуску двигунів внутрішнього згоряння. У промисловості й побуті застосовують електродвигуни змінного струму (з їхньою будовою ви ознайомитесь у старших класах).
Електричні двигуни мають істотні переваги перед тепловими. Вони більш компактні, економічні (ККД досягає 98%), зручні в застосуванні (їхню потужність легко регулювати). Крім того, електричні двигуни не забруднюють навколишнє середовище.

 ЕЛЕКТРОВИМІРЮВАЛЬНІ ПРИЛАДИ. ГУЧНОМОВЕЦЬ
Вивчаючи електричний струм, ви дізналися, що силу струму вимірюють амперметром, напругу — вольтметром. Але жодного разу ми не зверталися до будови зазначених приладів, адже, щоб зрозуміти принцип їхньої дії, вам бракувало знань. Сьогодні ми вже можемо розглянути будову цих вимірювальних приладів.
 Знайомимося з принципом дії вимірювальних приладів магнітоелектричної системи Існуючі, електричні вимірювальні прилади рівних систем: прилади магнітоелектричної системи, електромагнітної системи, електродинамічної системи. Роботи исіх цих приладі» ґрунту сться на магнітній дії струму. З'ясуємо, як побудовані деякі з них та чим відрізняються.
Уже відомі вам гальванометри, амперметри і вольтметри — це вимірювальні прилади магнітоелектричної системи. Вимірювальний механізм приладів цієї системи зображено на рис. 29.1.

Рис. 29.1. Вимірювальний механізм приладів магнітоелектричної системи.
Коли струм у рамці відсутній, спіральні пружини утримують півосі, а отже, і стрілку таким чином, що кінець стрілки встановлюється на нульовій позначці. Коли прилад вмикають у коло, у рамці починає йти струм, і під дією сил Ампера вона повертається. Разом із рамкою повертаються півосі, а отже, і стрілка. Під час обертання рамки пружини закручуються й виникають додаткові сили пружності. Коли момент сил пружності зрівноважить момент сил Ампера, обертання півосей припиниться, а стрілка залишиться відхиленою на певний кут.
Чим більша сила струму в рамці, тим на більший кут відхилиться стрілка, тим більшими будуть покази приладу.
Прилади магнітоелектричної системи відзначаються великою точністю й високою чутливістю.
Порівнюємо амперметр і вольтметр За внутрішньою будовою амперметр і вольтметр є майже однаковими, відрізняються тільки їхні електричні опори. Оскільки амперметр вмикають у коло послідовно, то його опір має бути якнайменшим, інакше сила струму в колі значно зменшиться. А от вольтметр приєднують до кола паралельно з пристроєм, на якому вимірюють напругу, отже, щоб сила струму в колі майже не змінювалася, опір вольтметра має бути якнайбільшим.
В Вивчаємо будову вимірювальних приладів електромагнітної системи
На рис. 29.2 зображено схему вимірювального механізму приладу електромагнітної системи. Сталеве рухоме осердя жорстко закріплене на осі (2). Після вмикання приладу в коло по обмотці котушки (3) йде електричний струм, унаслідок чого навколо котушки виникає магнітне поле, у якому осердя намагнічується і починає втягуватися в котушку, повертаючи вісь. Разом з віссю повертається стрілка (4), вільний кінець якої переміщується по шкалі (5) приладу. Як і в приладах магнітоелектричної системи (див. п. 1), повертанню осі протидіє спіральна пружина (6), що закручується доти, доки момент сили пружності не зрівноважить момент сили, що діє з боку магнітного поля на рухоме осердя. Після цього повертання осі, а отже, й рух стрілки припиняються. Чим більший струм проходить по котушці, тим сильніше втягується осердя й тим більше відхиляється стрілка.

Рис. 29.2. Схема вимірювального механізму приладу електромагнітної системи.

Прилади електромагнітної системи менш чутливі, ніж магнітоелектричної, однак можуть витримати більше перевантаження.

Ознайомимося з принципом дії електродинамічного гучномовця
Якщо котушку розташувати в магнітному полі постійного магніту, то залежно від напрямку струму в котушці вона буде або притягуватися до магніту, або відштовхуватися від нього.
А що відбуватиметься в разі зміни сили струму в котушці? Зрозуміло, що зі збільшенням сили струму котушка сильніше притягнеться до постійного магніту, в разі зменшення сили струму притягання послабшає і котушка зміститься в протилежному напрямку. Якщо силу струму в котушці змінювати періодично, вона буде відхилятися (рухатися) то в одному, то в іншому напрямку, тобто коливатиметься в такт зміні сили струму. Чим частіше змінюватиметься сила струму, тим більшою буде частота коливань котушки.
Ви вже знаєте, що тіло, яке коливається з частотою від 20 до 20000 Гц, випромінює звукові хвилі. Отже, якщо частота коливань котушки змінюватиметься в означених межах, то котушка буде джерелом звуку. Гучність та висота тону випромінюваного звуку визначатимуться амплітудою і частотою коливань відповідно.
Саме на коливаннях котушки зі змінним струмом у магнітному полі постійного магніту базується дія електродинамічного гучномовця (динаміка) — електроакустичного пристрою для відтворення звуку (рис. 29.3).

Рис. 29.3. Електродинамічний гучномовець (динамік).

Коли струм, сила якого змінюється зі звуковою частотою, тече по котушці, то вона в такт зміні сили струму то втягується II знзор постійного магніту, то виштовхується з нього. Унаслідок цього прикріплений до котушки дифузор коливається зі звуковою частотою гучномовець нипромінюс знуконі хвилі. Отже, у гучномовці завдяки електричному струму, сила якого змінюється зі звуковою частотою, створюються механічні коливання, що спричиняють появу звуку.

Підбиваємо підсумки
Гальванометри, амперметри і вольтметри, якими користуються на уроках фізики,— це вимірювальні прилади магнітоелектричної системи. їхня дія ґрунтується на повертанні рамки зі струмом у магнітному полі постійного магніту.
На явищі втягування металевого осердя в зазор нерухомої котушки зі струмом базується дія вимірювальних приладів електромагнітної системи.
В електродинамічному гучномовці (динаміку) котушка, по якій тече змінний струм звукової частоти, коливається в магнітному полі нерухомого постійного магніту. Разом із котушкою коливається дифузор, який випромінює звукові хвилі.
 

Фізика 9 клас. Ф.Я.Божинова, М.М.Кірюхін О.О.Кірюхіна

Зміст уроку
 конспект уроку і опорний каркас                      
 презентація уроку 
 акселеративні методи та інтерактивні технології
 закриті вправи (тільки для використання вчителями)
 оцінювання 

Практика
 задачі та вправи,самоперевірка 
 практикуми, лабораторні, кейси
 рівень складності задач: звичайний, високий, олімпійський
 домашнє завдання 

Ілюстрації
 ілюстрації: відеокліпи, аудіо, фотографії, графіки, таблиці, комікси, мультимедіа
 реферати
 фішки для допитливих
 шпаргалки
 гумор, притчі, приколи, приказки, кросворди, цитати

Доповнення
 зовнішнє незалежне тестування (ЗНТ)
 підручники основні і допоміжні 
 тематичні свята, девізи 
 статті 
 національні особливості
 словник термінів                          
 інше 

Тільки для вчителів
 ідеальні уроки 
 календарний план на рік 
 методичні рекомендації 
 програми
 обговорення

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку, напишите нам.

Если вы хотите увидеть другие корректировки и пожелания к урокам, смотрите здесь - Образовательный форум.