40. Действие магнитного поля на проводники с током. Электрический двигатель

Введение

Здравствуйте. Мы уже говорили на предыдущем уроке о действии магнитного поля, когда обсуждали вопрос, связанный с электромагнитом. А сегодня нам предстоит поговорить ещё об очень важном применении магнитного поля.

Тема нашего сегодняшнего урока: «Взаимодействие магнитного поля с проводником с током. Электродвигатель». Мы выясним, как связаны действие магнитного поля с проводником, по которому протекает ток, и электродвигатель.

В первую очередь, конечно, хотелось бы напомнить о том, что в 1820 году, после знаменитого опыта, — открытия магнитного поля датским учёным Эрстедом — за исследование магнитного поля взялись многие ученые, и, конечно, первым из них мы можем считать Ампера. И Амперу удалось установить взаимодействие токов между собой. Именно это взаимодействие протекает за счёт магнитного поля, т. е. не только электрический ток, протекающий по проводнику, взаимодействует с магнитной стрелкой, но и сами электрические токи взаимодействуют друг с другом.

Мы говорили, что одно из свойств магнитного поля заключается в том, что магнитное поле действует на проводники тока, то есть на другой электрический ток.

Опыты Ампера

Давайте обратимся к опытам Ампера и рассмотрим, что установил Ампер. В своих опытах Андре Ампер рассматривал следующие ситуации.

Он брал два параллельных проводника и по этим двум проводникам пропускал электрический ток (рис. 2). В первом случае он пропустил эти токи в одном направлении и пронаблюдал, пунктиром показано, что эти токи притягиваются друг к другу, т. е. магнитное поле одного тока действует на магнитное поле другого электрического тока, в результате чего наблюдается их притяжение (рис. 3).

Если по двум параллельным проводникам пропускался ток в разных направлениях, как представлено на рис. 4, то в этом случае магнитные поля взаимодействовали таким образом, что проводники отталкивались.

На сегодняшний день мы можем сказать, что каждое поле характеризуется своими полюсами: южным и северным. Значит, в первом случае мы наблюдали взаимодействие разноимённых полюсов, которые создаются магнитными полями токов, а в другом — одноимённых полюсов, тоже создающимися электрическими токами.

Самое интересное, что из этого опыта был сделан следующий вывод: раз проводник, по которому протекает электрический ток, взаимодействует с магнитным полем другого проводника, по которому тоже протекает ток, может ли такой проводник взаимодействовать с магнитным полем постоянного магнита?

Взаимодействие проводников с магнитным полем

Был проведён следующий эксперимент. На двух лёгких подводящих проводниках был укреплён другой проводник, горизонтально располагающийся. Этот проводник поместили между полюсами дугообразного магнита. Сверху оказался северный полюс магнита, а внизу – южный полюс магнита. Когда цепь замкнули, обратите внимание, плюс с этой стороны, минус с этой стороны, ток пошёл по проводнику в определённом направлении.

Выяснилось, что этот проводник качнулся внутрь этого постоянного магнита. Вот по этой стрелке проводник как бы втягивался внутрь этого магнита.

Если же полярность изменяли, т. е. там, где был минус, подключали плюс, а там, где был плюс, подключали минус, то этот проводник, наоборот, выталкивался из магнитного поля в противоположном направлении. И, таким образом, можно было наблюдать движение проводника в магнитном поле.

О чём это говорит?

Этот опыт говорит о том, что взаимодействуют проводники тока, по которым протекает электрический ток, с магнитным полем постоянного магнита. Точно так же, как если бы это было два магнита, или точно так же, как это были бы два проводника с токами.

К чему это всё в итоге привело?

А привело это к следующим, достаточно любопытным исследованиям. Если мы возьмём катушку, каркас, на каркас намотаем большое количество изолированного провода и поместим эту катушку внутрь магнитного поля, то эта катушка будет там поворачиваться. То есть она будет определённым образом разворачиваться в магнитном поле. Давайте посмотрим на рисунок, чтобы чётче понять, как это происходит (рис. 8).

Здесь между двумя магнитами располагается рамка. По рамке протекает электрический ток в таком направлении, в котором мы здесь указали, т. е. подводящие провода, рамка представляет собой каркас, на который намотана проволока, и по проволоке пропускается электрический ток.

В результате взаимодействия проводников, по которым протекал ток с магнитным полем постоянных магнитов, располагающихся с двух сторон, мы наблюдаем поворот рамки на 90°.

Если мы изменим направление электрического тока в такой рамке, то она развернётся ещё на 90°.

Такие исследования привели к тому, что мы можем создать устройство, которое будет обеспечивать непрерывное вращение рамки в магнитном поле. То есть создаётся магнитное поле постоянным магнитом, внутрь этого магнита мы помещаем рамку, по которой протекает электрический ток, и, изменяя всякий раз направление тока, мы каждый раз будем заставлять рамку поворачиваться.

Обращаю ваше внимание на то, что в этом случае мы получаем не что иное, как первый электродвигатель. То есть, если теперь к валу этой рамки присоединить, например, колесо, то оно будет вращаться, и мы получаем уже устройство, которое можно устанавливать в транспортных средствах: трамваях, троллейбусах, электровозах и т. д.

Электрический двигатель

Обращаю ваше внимание, что здесь на столе представлен школьный разборный коллекторный электродвигатель постоянного тока. Давайте посмотрим, как он устроен и из каких частей состоит.

Он состоит из трёх частей.

Во-первых, это статор. Stator в переводе с латинского означает «стоящий на месте». Это означает, что есть в этом двигателе часть, которая остаётся неподвижной. Роль статора в данном случае играют магниты с двух сторон. Замкнуты они на железный сердечник, поэтому магнитное поле в данном случае, как вы уже знаете, достаточно большое.

Вторая часть электромагнита называется ротором. Rotor (rotator) в переводе с латинского означает «вращающийся по кругу». Ещё иногда эту часть называют якорем. Это видоизменённая рамка. Намотана проволока на эту рамку, в определённом порядке она располагается внутри магнитного поля, которое этим магнитом создаётся. Естественно, ротор может вращаться.

И третья часть, это самое, пожалуй, важное. Как всё-таки электрический ток в этой рамке переключать? Переключается он при помощи коллекторных пластинок. Они медные, красноватого оттенка. Вот одна пластина и полукольцо, если мы повёрнем, обратите внимание — вторая пластинка. И далее к этим пластинам прижаты скользящие контакты. Иногда их называют графитовыми щётками. У нас это просто контакты, выполненные из меди.

Такой электрический двигатель может совершенно спокойно работать, если к этим клеммам подвести электрический ток.

Как работает электрический двигатель?

Работа его происходит следующим образом. Когда мы подключаем электрический ток к контактам, естественно, в рамке протекает электрический ток. Этот электрический ток, взаимодействуя с магнитным полем статора, заставляет рамку повернуться. Рамка поворачивается, и вместе с рамкой поворачиваются пластины коллектора. Как только они повернулись на 90°, существует между ними разрез, они разделены, эти коллекторные пластины, они тут же по инерции, проскакивая дальше, соединяются со следующими контактами, тем самым происходит автоматическое переключение контактов и вновь протекает электрический ток в том направлении, в котором нам необходимо. Это приводит к тому, что при вращении такого ротора каждый раз при повороте происходит переключение электрического тока в рамке, и он протекает то в одну сторону, то в другую. При этом ротор этого самого двигателя вращается всё время в одну сторону. Если мы поменяем полюса подключения, то и, соответственно, ротор, или якорь, этого двигателя начнёт вращаться в другую сторону.

Такие двигатели, конечно, гораздо больше, мощнее; располагаются в трамваях, в троллейбусах, в метро, очень широко используются. Они достаточно удобны и просты, поэтому получили такое широкое распространение. И самое важное заключается в том, что они работают без тесного контакта между пластинами, т. е. трущихся, взаимодействующих частей здесь достаточно немного.

В заключение сегодняшнего урока мне бы хотелось сказать, что электродвигатели — это только часть использования действия магнитного поля на проводник с током. В науке очень часто используются ещё взаимодействия магнитного поля с движущимися электрическими зарядами, именно таким образом исследуются и открываются новые частицы. Но об этом мы с вами поговорим в старших классах. А на сегодня до свидания.

Проверь себя

1. В чём заключалась суть опыта Ампера?

2. Сколько раз изменяется направление тока в рамке при её полном обороте?

3. Подумайте, выгоднее ли использовать электродвигатель, чем двигатель, который работает на бензине? Почему?

Список использованных источников:

Рис. 1, 10, 11. Изображения используются согласно лицензии Shutterstock / FOTODOM

Рис. 2–9, 12. Моушн-дизайнер Саблина С. О.