- Действие магнитного поля на рамку с током
- Электромотор постоянного тока
- Устройство и принцип работы гальванометра
- Устройство динамика
- Уметь объяснять действие магнитного поля на рамку с током
- Знать устройство и принцип работы электромотора постоянного тока, гальванометра и динамика
- Что происходит с заряженной частицей, которая влетает в магнитное поле?
- Где можно использовать влияние магнитного поля на заряженную частицу?
- Как магнитное поле влияет на помещенный в него проводник с током?
- Почему взаимодействуют два параллельных проводника с токами?
- Что будет наблюдаться, если в магнитное поле поместить рамку с током?
Действие магнитного поля на рамку с током
Чтобы разобраться, как работает электродвигатель - один из главных результатов технического прогресса, без которого невозможно представить существование современного мира, следует сначала исследовать поведение рамки с током в магнитном поле. Поместим проволочную прямоугольную рамку с током в магнитное поле. Чтобы учесть влияние магнитного поля на контур с током, следует ввести такую величину, как вектор нормали.
Положительной нормалью к плоскости рамки с током называют вектор, направление которого совпадает с направлением движения острия ввинчивающегося в плоскость рамки буравчика при вращении его ручки по направлению тока в этой рамке (Рис. 1).

Поместим рассматриваемую рамку с током в магнитное поле так, чтобы две стороны рамки были параллельны вектору магнитной индукции поля, а две другие – перпендикулярны. Будем считать, что магнитное поле тока в рамке пренебрежимо мало по сравнению с внешним полем (Рис. 2).

Сила ампера, согласно формуле не действует на сторону рамки и ей параллельную (синус угла между направлением тока в проводнике и вектором равен нулю). Напротив, на сторону рамки и ей параллельную сила Ампера действует. Направления сил показаны на рис. 2, причем модули этих сил равны:
Геометрическая сумма сил и равна нулю, но алгебраическая сумма моментов этих сил, относительно оси будет отлична от нуля.
Суммарный момент сил равен:
где - площадь рамки.
Рамка будет поворачиваться вокруг оси по часовой стрелке. В процессе поворота угол между векторами и будет уменьшаться от до , плечи сил Ампера также будут уменьшаться и суммарный момент станет равен нулю. Т. е., рамка повернется на угол
Положение рамки, при котором направления положительной нормали и вектора индукции внешнего поля совпадают, является положением устойчивого равновесия (Рис. 3).

Свойство рамки с током поворачиваться в магнитном поле позволяет использовать ее вместо магнитной стрелки для определения направления вектора индукции магнитного поля в определенном месте.
Если угол между векторами и равен то такое положение рамки считают неустойчивым равновесием и при малейшем повороте рамки возникает вращающий момент, который далее разворачивает рамку, пока она не окажется в положении устойчивого равновесия.
Из формулы момента, поворачивающего рамку в магнитном поле, следует, что величина вращающегося момент прямо пропорциональна модулю индукции магнитного поля, следовательно, это свойство рамки можно использовать для экспериментального определения индукции магнитного поля: будет когда угол между вектором нормали и вектором магнитной индукции равен
Рассмотрим еще несколько примеров действия магнитного поля на рамку с током (Рис. 4).

a) – положение устойчивого равновесия; б) – положение неустойчивого положения
По рис. 4 видно, что в положении устойчивого положения силы магнитного поля стремятся растянуть рамку, а в положении неустойчивого равновесия – сжать. Но это в однородном магнитном поле. Если рассматривать неоднородное поле, например, полосового магнита, то рамка, на которую действуют только магнитные силы (как и в однородном поле), займет положение устойчивого равновесия. При этом магнитные силы будут стремиться растянуть рамку, но силы, действующие на стороны рамки, не будут равны по модулю. Результирующая сила Ампера будет направлена в область более сильного магнитного поля, и рамка будет втягиваться в область более сильного магнитного поля.
Электромотор постоянного тока
На основе поведения рамки с током в магнитном поле основана работа электромотора постоянного тока (электродвигателя). Он состоит из индуктора 4, создающего магнитное поле и якоря 3, обмотки которого представляют собой многовитковые рамки. Источниками магнитного поля в индукторе являются катушки 5 (в маломощных двигателях часто используют постоянные магниты). Индуктор прикреплен к корпусу мотора и обычно неподвижен, его называют статором. Якорь 9 состоит из вала, на котором закреплены стальной сердечник, и диэлектрического цилиндра коллектора 1. В пазы сердечника вложены многовитковые катушки (рамки). На диэлектрический цилиндр коллектора наклеены изолированные друг от друга медные пластины. Выводы от каждой рамки припаяны соответственно к двум диаметрально противоположным медным пластинам. К пластинам коллектора с двух противоположных сторон прижимается прикрепленная к корпусу пара щеток 2. Через эти щетки пара пластин коллектора и припаянная к ним катушка якоря подключаются к источнику тока. Обычно вал якоря закреплен на двух подшипниках, в этом случае он может вращаться вокруг своей оси, его называют ротором.
После подключения двигателя к источнику тока по его катушкам протекает ток. Силы Ампера вызывают вращение ротора. При вращении на коллекторе происходит смена подключаемых к щеткам пар медных пластин. В результате в процессе работы ток пропускается через ту катушку ротора, в плоскости которой лежит вектор магнитной индукции поля индуктора. Поэтому вращающий момент сил Ампера, действующих на ротор, все время получается максимальным.

Применяются такие двигатели во многих бытовых приборах, например, пылесосах, электродрелях. Современные электродвигатели могут иметь мощность от долей ватта до тысяч киловатт. КПД мощных электродвигателей достигает 90%. Также к преимуществам этих двигателей по сравнению с ДВС относятся малые габариты, высокая надежность, простота управления, экологичность.
Устройство и принцип работы гальванометра
Гальванометр – высокочувствительный прибор для измерения силы малых постоянных электрических токов.
В отличие от обычных миллиамперметров шкала гальванометра может быть проградуирована не только в единицах силы тока, но и в единицах напряжения, единицах других физических величин. Шкала может иметь условную, безразмерную градуировку, например, при использовании в качестве нуль – индикаторов.
Гальванометр (Рис. 6) состоит из подковообразного постоянного магнита 1, между полюсами которого 2 расположена легкая рамка 4 с прикрепленной к ней стрелкой 9. Рамка может поворачиваться вокруг горизонтальной оси 5.6. На рамку намотано несколько витков изолированной проволоки. Концы этой проволоки через спиральные пружины 7, 8 соединяются с клеммами гальванометра. При отсутствии тока спиральные пружины удерживают рамку в горизонтальном положении. При этом стрелка указывает на нулевое положение шкалы.

Чтобы повысить чувствительность гальванометра и сделать его шкалу равномерной внутрь рамки помещают неподвижный железный цилиндр. А полюсным наконечникам магнита придают особую форму. При этом модуль вектора магнитной индукции в этом зазоре постоянен в пределах рабочих углов поворота рамки.
Современные гальванометры рассмотренного типа позволяют измерять силу тока от десятых долей микроампера до десятков миллиампер.
Устройство динамика
На явлении возникновения сил, стремящихся втянуть рамку с током в область более сильного магнитного поля (или вытолкнуть ее при изменении направления тока), основано действие электродинамических громкоговорителей (динамиков) – устройств, преобразующих переменный электрический ток в звуковые колебания.

Динамик состоит из кольцевого магнита 1, в зазор между полюсами которого помещена на легкий каркас катушка 2. Эта катушка жестко скреплена с бумажным диффузором 4. В свою очередь, диффузор крепится к магниту и корпусу 3 динамика на упругих шайбах, позволяющих диффузору с катушкой совершать колебания вдоль оси катушки.
Современные динамики воспроизводят звук в диапазоне частот от 10 Гц до 20 Гц без заметных искажений. Общий недостаток динамиков – низкий КПД (2–3% подводимой электрической мощности).
Контрольные вопросы
1. Что называют положительной нормалью к плоскости рамки с током?
2. Чему равен вращающий момент, действующий на рамку с током в однородном магнитном поле?
3. Как следует расположить рамку с током, чтобы она находилась в положении: а) устойчивого положения; б) неустойчивого положения?
4. На чем основан принцип действия электромотора?
5. Как устроен гальванометр и на чем основан принцип его действия?
6. Объясните принцип работы громкоговорителя.