Действие магнитного поля на проводники с током. Электрический двигатель

Дей­ствие маг­нит­но­го поля на про­вод­ник с током, элек­три­че­ский дви­га­тель 

Мы уже го­во­ри­ли о дей­ствии маг­нит­но­го поля, когда об­суж­да­ли во­прос, свя­зан­ный с элек­тро­маг­ни­том.

А се­год­ня нам пред­сто­ит по­го­во­рить еще об очень важ­ном при­ме­не­нии маг­нит­но­го поля, и эта тема свя­за­на с вза­и­мо­дей­стви­ем маг­нит­но­го поля и про­вод­ни­ка, по ко­то­ро­му про­те­ка­ет ток.

Тема так и зву­чит: «Вза­и­мо­дей­ствие маг­нит­но­го поля с про­вод­ни­ком с током».

И вто­рая часть на­ше­го раз­го­во­ра на­зы­ва­ет­ся «Элек­тро­дви­га­тель».

Вот мы сей­час 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 уче­ным Эр­сте­дом за ис­сле­до­ва­ние маг­нит­но­го поля взя­лись мно­гие уче­ные, и, ко­неч­но, пер­вым из них мы можем счи­тать Ам­пе­ра. И Ам­пе­ру уда­лось уста­но­вить, пре­жде всего, вза­и­мо­дей­ствие токов между собой. Имен­но это вза­и­мо­дей­ствие про­те­ка­ет за счет 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.

Да­вай­те об­ра­тим­ся к опы­там Ам­пе­ра и рас­смот­рим, что та­ко­го там уста­но­вил Ампер.

В своих опы­тах Андре Ампер рас­смат­ри­вал сле­ду­ю­щие си­ту­а­ции.

Ри­су­нок

Он брал два па­рал­лель­ных про­вод­ни­ка и по этим двум про­вод­ни­кам про­пус­кал элек­три­че­ский ток. В пер­вом слу­чае он про­пу­стил эти токи в одном на­прав­ле­нии и про­на­блю­дал, вот здесь 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. Если по двум па­рал­лель­ным про­вод­ни­кам про­пус­кал­ся элек­три­че­ский ток в раз­ных на­прав­ле­ни­ях, как на этом ри­сун­ке пред­став­ле­но, т.е. в одном на­прав­ле­нии и в дру­гом, 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 раз­но­имен­ных по­лю­сов, ко­то­рые со­зда­ют­ся маг­нит­ны­ми по­ля­ми токов, а в дру­гом – од­но­имен­ны­ми по­лю­са­ми, 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, не может ли такой про­вод­ник вза­и­мо­дей­ство­вать с маг­нит­ным полем по­сто­ян­но­го маг­ни­та?

Был про­ве­ден сле­ду­ю­щий экс­пе­ри­мент, по­смот­ри­те, по­жа­луй­ста.

Вот здесь на двух лег­ких под­во­дя­щих про­вод­ни­ках, вот один про­вод­ник и вто­рой про­вод­ник, был укреп­лен дру­гой про­вод­ник, го­ри­зон­таль­но рас­по­ла­га­ю­щий­ся. И по­ме­сти­ли этот про­вод­ник между по­лю­са­ми ду­го­об­раз­но­го маг­ни­та. Свер­ху ока­зал­ся се­вер­ный полюс маг­ни­та, а внизу ока­зал­ся южный полюс маг­ни­та. Когда цепь за­мкну­ли, об­ра­ти­те вни­ма­ние, плюс с этой сто­ро­ны, минус с этой сто­ро­ны, ток пошел по про­вод­ни­ку в опре­де­лен­ном на­прав­ле­нии, то 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 чем 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 были два маг­ни­та, или точно так же, как это были бы два про­вод­ни­ка с то­ка­ми.

К чему это все в итоге при­ве­ло?

А при­ве­ло это к сле­ду­ю­щим, до­ста­точ­но лю­бо­пыт­ным ис­сле­до­ва­ни­ям. Если мы те­перь, как мы уже го­во­ри­ли од­на­ж­ды, возь­мем ка­туш­ку, кар­кас и на кар­кас на­мо­та­ем боль­шое ко­ли­че­ство изо­ли­ро­ван­но­го про­во­да и по­ме­стим эту ка­туш­ку внутрь маг­нит­но­го поля, то эта ка­туш­ка будет там по­во­ра­чи­вать­ся. То есть она будет опре­де­лен­ным об­ра­зом раз­во­ра­чи­вать­ся в маг­нит­ном поле. Да­вай­те по­смот­рим на ри­су­нок, чтобы четче по­нять, как это про­ис­хо­дит.

Ри­су­нок

Итак, по­смот­ри­те, по­жа­луй­ста, на сле­ду­ю­щий ри­су­нок. Здесь между двумя маг­ни­та­ми (по­смот­ри­те, по­жа­луй­ста: вот это южный маг­нит, а с дру­гой сто­ро­ны рас­по­ла­га­ет­ся се­вер­ный) рас­по­ла­га­ет­ся рамка. По рамке про­те­ка­ет элек­три­че­ский ток вот 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, ко­то­рые вот здесь с двух сто­рон рас­по­ла­га­ют­ся, мы на­блю­да­ем по­во­рот этой рамки. Рамка раз­вер­нет­ся на 90°.

Если мы из­ме­ним на­прав­ле­ние элек­три­че­ско­го тока в такой рамке, то рамка раз­вер­нет­ся еще на 90°.

Такие ис­сле­до­ва­ния при­ве­ли к тому, что мы можем со­здать устрой­ство, ко­то­рое будет обес­пе­чи­вать непре­рыв­ное вра­ще­ние рамки в маг­нит­ном поле. То есть со­зда­ет­ся 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 на вал к этой рамке при­со­еди­нить, на­при­мер, ко­ле­со, то оно будет вра­щать­ся, и мы по­лу­ча­ем уже устрой­ство, ко­то­рое можно ста­вить на транс­порт: трам­ваи, трол­лей­бу­сы, элек­тро­во­зы и т.д.

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

Итак, по­смот­ри­те, по­жа­луй­ста, вот здесь пред­став­лен один из таких элек­тро­дви­га­те­лей. По­смот­ри­те, по­жа­луй­ста, он, в об­щем-то, со­сто­ит из трех ча­стей.

Что это за части?

Во-пер­вых, это ста­тор. Ста­тор в пе­ре­во­де с ла­тин­ско­го озна­ча­ет “непо­движ­ный”. Это озна­ча­ет, что есть в этом дви­га­те­ле часть, ко­то­рая оста­ет­ся непо­движ­ной. Роль ста­то­ра в дан­ном слу­чае иг­ра­ет маг­нит, по­смот­ри­те, по­жа­луй­ста, вот здесь с двух сто­рон, по­смот­ри­те, с одной сто­ро­ны, с дру­гой сто­ро­ны рас­по­ла­га­ют­ся маг­ни­ты. За­мкну­ты они на же­лез­ный сер­деч­ник, по­это­му маг­нит­ное поле в дан­ном слу­чае, как вы уже зна­е­те, до­ста­точ­но боль­шое.

Вто­рая часть элек­тро­маг­ни­та на­зы­ва­ет­ся ро­то­ром.

Ротор в пе­ре­во­де с ла­тин­ско­го озна­ча­ет “по­движ­ный”. Еще ино­гда эту часть на­зы­ва­ют яко­рем.

Что она собой пред­став­ля­ет?

По­смот­ри­те, по­жа­луй­ста, это ви­до­из­ме­нен­ная рамка, вот она. На­мо­тан­ная про­во­ло­ка на эту рамку, в опре­де­лен­ном по­ряд­ке она рас­по­ла­га­ет­ся внут­ри маг­нит­но­го поля, ко­то­рое этим маг­ни­том со­зда­ет­ся. Есте­ствен­но, ротор может вра­щать­ся.

И тре­тья часть, это самое, по­жа­луй, важ­ное.

Как все-та­ки элек­три­че­ский ток в этой рамке пе­ре­клю­чать?

Пе­ре­клю­ча­ет­ся он при по­мо­щи кол­лек­тор­ных пла­сти­нок. Об­ра­ти­те вни­ма­ние, вот с этой сто­ро­ны эти кол­лек­тор­ные пла­сти­ны на­хо­дят­ся.

Вот они, по­смот­ри­те, по­жа­луй­ста, вот они, мед­ные. Они здесь видны, та­ко­го крас­но­ва­то­го от­тен­ка. Вот одна пла­сти­на и по­лу­коль­цо, если мы по­вер­нем, об­ра­ти­те вни­ма­ние – вто­рая пла­стин­ка.

И далее к этим пла­сти­нам при­жа­ты сколь­зя­щие кон­так­ты. Ино­гда их на­зы­ва­ют гра­фи­то­вы­ми щет­ка­ми, за­ме­ня­ют гра­фи­то­вы­ми щет­ка­ми. 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 все время в одну сто­ро­ну. Если мы по­ме­ня­ем по­лю­са под­клю­че­ния, то и, со­от­вет­ствен­но, ротор, или якорь этого дви­га­те­ля нач­нет вра­щать­ся в дру­гую сто­ро­ну.

Такие дви­га­те­ли, ко­неч­но, го­раз­до боль­ше, мощ­нее, рас­по­ла­га­ют­ся, как я уже ска­зал, и в трам­ва­ях, и в трол­лей­бу­сах, и в метро, очень ши­ро­ко ис­поль­зу­ют­ся. Они до­ста­точ­но удоб­ны и про­сты, по­это­му по­лу­чи­ли такое ши­ро­кое рас­про­стра­не­ние. И самое важ­ное за­клю­ча­ет­ся в том, что ра­бо­та­ют они, как вы ви­де­ли, без тес­но­го кон­так­та между ча­стя­ми, 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 еще вза­и­мо­дей­ствия маг­нит­но­го поля с дви­жу­щи­ми­ся элек­три­че­ски­ми за­ря­да­ми, имен­но таким об­ра­зом ис­сле­ду­ют­ся и от­кры­ва­ют­ся новые ча­сти­цы.