И вот, наконец, то, что нам нужно для создания электродвигателя: проводник при пропускании через него тока приходит в движение! И это можно использовать, осталось решить, как именно.

При пропускании тока сначала в одном, а затем в другом направлении проводник будет отклоняться в одну и другую сторону. В принципе, можно так и делать: с некоторой периодичностью переключать ток и получить движение из стороны в сторону. Но это не практично.

Придумали другой способ: прямой проводник можно заменить рамкой. По ее противоположным сторонам будет протекать ток в противоположных направлениях. Поэтому на эти стороны рамки магнитное поле будет действовать в противоположных направлениях и поворачивать рамку. В таком положении рамка пришла бы в состояние равновесия, и здесь нужно поменять направление тока в рамке на противоположное (см. рис. 18).

Рис. 18. Модель простейшего электродвигателя

Когда мы имеем дело с вращением, сделать это легко с помощью скользящего контакта. Каждый контакт рамки заканчивается полукольцом, и к полукольцу прижата металлическая пластинка. Это обеспечивает подключение рамки к источнику тока: одним контактом к плюсу, вторым – к минусу, и от плюса к минусу течет ток, ничего нового. А в положении, где кольца размыкаются, подключение изменится, пластинки подключатся к противоположным полукольцам, направление тока в рамке изменится, как и направление сил, а под их действием рамка продолжит вращаться. И когда она достигнет положения, в котором должна бы остановиться, контакты снова переключатся и вращение продолжится. Фактически у нас готов простейший электродвигатель, остается его усовершенствовать: сделать больше витков (то есть использовать небольшую катушку), поставить несколько таких катушек под углом друг к другу, чтобы сила действовала более постоянно во времени, ведь в разных положениях действие на рамку отличается, у сил разные вращающие моменты. Есть разные устройства для переключения контактов: самое простое, которое мы рассмотрели, может при переключении создавать искры. Но сам принцип, как с помощью магнита преобразовать электрическую энергию в механическую, нам стал понятен.

Почему тратится энергия?

Есть проводник, по которому течет ток. Внутри него электрическое поле совершает работу по перемещению электронов. Эта работа идет на увеличение кинетической энергии электронов, они сталкиваются с атомами вещества, энергия преобразуется в тепловую – это все мы знаем. При этом магнитное поле вне проводника возникает без затрат энергии и не влияет на скорость движения электронов внутри него.

Может возникнуть вопрос: откуда в электродвигателе возникает механическая энергия, если работа электрического поля на поддержание магнитного поля не расходуется?

На самом деле, есть еще внешний магнит, который через свое магнитное поле взаимодействует с электронами в проводнике. Подробности этого взаимодействия мы пока не будем рассматривать, но возникают силы, которые замедляют движение электронов в проводнике – вот и потеря энергии, которая преобразуется в кинетическую энергию магнита.

То есть энергия электронов расходуется не на поддержание собственного магнитного поля, а на взаимодействие с внешним.

Кстати, в таком случае нужно быть осторожным с применением закона Ома: кроме столкновений с атомами вещества, электрон замедляется еще и этой силой взаимодействия с магнитом. Поэтому к привычному нам сопротивлению R как характеристике материала проводника добавляется еще одна составляющая. Именно из-за нее мы поставили ограничение на применение закона Джоуля – Ленца для расчета работы по нагреванию проводника: .

Список литературы

Генденштейн Л.Э., Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. Физика 8. – М.: Мнемозина.
Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

Интернет-портал «class-fizika.ru» (Источник)
Интернет-портал «class-fizika.ru» (Источник)
Интернет-портал «class-fizika.ru» (Источник)
Интернет-портал «class-fizika.ru» (Источник)
Интернет-портал «class-fizika.ru» (Источник)

Домашнее задание

Возьмите иголку и поднесите ее к скрепкам. Прилипают ли скрепки к иголке? Потрите иголку о магнит в одном направлении, а затем поднесите к скрепкам. Прилипают ли скрепки? Сделайте вывод.
В Исландии и Франции морской компас начали использовать в XII–XIII веках. Магнитный брусок закрепляли в центре деревянного креста, затем эту конструкцию помещали в воду, и крест, повернувшись, устанавливался в направлении север – юг. Каким полюсом магнитный брусок повернется к северному магнитному полюсу Земли?
В каком измерительном приборе используется рамка с током?