Действие магнитного поля на проводники с током. Электрический двигатель
Введение
Одним из важнейших открытий XIX века стало открытие связи между электричеством и магнетизмом. Учёные установили, что электрический ток может создавать магнитное поле, а магнитное поле, в свою очередь, может действовать на проводники, по которым протекает ток.
Это открытие стало основой для работы всех электрических машин, начиная от простых электродвигателей и заканчивая мощными генераторами, применяемыми на электростанциях.
Понимание действия магнитного поля на проводник с током позволило человечеству совершить настоящий технологический прорыв. Сегодня электродвигатели окружают нас повсюду — в бытовой технике, автомобилях, компьютерах, вентиляторах и даже игрушках. Они превращают электрическую энергию в механическую, обеспечивая движение и работу множества устройств.
Чтобы понять принцип действия электродвигателя, необходимо сначала рассмотреть, как магнитное поле воздействует на проводник с током и почему при этом возникает сила.
1. Действие магнитного поля на проводник с током
Когда по проводнику протекает электрический ток, вокруг него создаётся магнитное поле. Если этот проводник поместить в внешнее магнитное поле, то на него начинает действовать сила, называемая силой Ампера.
Опыт Ампера показал, что сила, действующая на проводник с током в магнитном поле, зависит от:
-
силы тока в проводнике (I);
-
магнитной индукции поля (B);
-
длины проводника (L);
-
угла между направлением тока и линиями магнитного поля.
Величина этой силы определяется выражением:
F = B · I · L · sin(α)
где α — угол между направлением тока и линиями магнитного поля.
Если проводник расположен параллельно линиям поля, то сила равна нулю; если перпендикулярно — сила максимальна.
Направление действия силы можно определить по правилу левой руки:
если левую руку расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь, а четыре пальца указывали направление тока, то отогнутый большой палец покажет направление действия силы Ампера.
Таким образом, магнитное поле может превращать электрическую энергию в механическую работу, вызывая движение проводников с током. Это и есть основной принцип работы электродвигателя.
2. Электрический двигатель
Электрический двигатель (электродвигатель) — это устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую.
Основу электродвигателя составляет рамка (катушка) с током, помещённая в магнитное поле.
Принцип действия
Рассмотрим простейший пример: рамка из проволоки установлена между полюсами магнита. Когда по ней протекает ток, на каждую из сторон рамки действует сила Ампера — но в противоположных направлениях.
В результате на рамку действует вращающий момент, и она начинает вращаться.
Чтобы рамка вращалась непрерывно в одном направлении, используется коллектор — специальное устройство, которое меняет направление тока в рамке каждый раз, когда она проходит через вертикальное положение.
Таким образом, в электродвигателе происходит:
-
преобразование электрической энергии (ток)
-
в механическую (вращение ротора).
3. Как работает электрический двигатель?
В современных электродвигателях основные части называются:
-
Статор — неподвижная часть двигателя, создающая магнитное поле.
-
Ротор — вращающаяся часть (обычно это катушка или сердечник с током).
-
Коммутатор (коллектор) — устройство, обеспечивающее правильное направление тока.
Когда по обмотке ротора проходит ток, на неё действует сила Ампера. Под действием этой силы ротор начинает вращаться. После поворота на 180° коммутатор меняет направление тока, и силы вновь продолжают вращать ротор в том же направлении.
В результате электродвигатель может вращаться непрерывно, пока к нему подаётся электрический ток.
Принцип работы электродвигателя можно наблюдать в школьной лаборатории, используя постоянный магнит, катушку и источник тока. Такой опыт позволяет наглядно убедиться, что электричество может вызывать движение.
4. Применение электрических двигателей
Электродвигатели применяются практически во всех областях человеческой деятельности:
-
в бытовых приборах (стиральные машины, пылесосы, вентиляторы);
-
в транспорте (электромобили, поезда, лифты);
-
в промышленности (станки, насосы, конвейеры);
-
в робототехнике и автоматике.
Они бывают разных типов: постоянного тока и переменного тока, маломощные и высокомощные, коллекторные и бесщёточные. Несмотря на конструктивные различия, все они работают по одному физическому принципу — действию магнитного поля на проводники с током.
Заключение
Изучение действия магнитного поля на проводник с током позволило человечеству создать электродвигатель — одно из самых значимых изобретений в истории техники.
Благодаря закону Ампера и принципам электромагнетизма стало возможным преобразование электричества в движение, что положило начало эпохе машин и электротранспорта.
Современные электродвигатели — это воплощение идеи, родившейся из простого физического опыта, проведённого в лаборатории два столетия назад.
Вопросы для самопроверки
-
Какое явление называется действием магнитного поля на проводник с током?
-
От каких факторов зависит сила, действующая на проводник с током в магнитном поле?
-
Сформулируйте правило левой руки. Для чего оно используется?
-
Что представляет собой сила Ампера и как она вычисляется?
-
Почему на разные стороны рамки с током действуют силы в противоположных направлениях?
-
Какую роль выполняет коллектор в электрическом двигателе?
-
Что происходит с рамкой при прохождении через вертикальное положение?
-
Назовите основные части электродвигателя и их функции.
-
Как электрическая энергия преобразуется в механическую в электродвигателе?
-
Приведите примеры применения электродвигателей в технике и быту.