Как поступить
в Онлайн-школу №1 и получить аттестат?

Подробно расскажем о том, как перевестись на дистанционный формат обучения, как устроены онлайн-уроки и учебный процесс, как улучшить успеваемость и повысить мотивацию!

Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных

Конспект урока: Действие магнитного поля на рамку с током. Электромотор постоянного тока. Гальванометр. Динамик

Магнитное поле

Действие магнитного поля на рамку с током. Электромотор постоянного тока. Гальванометр. Динамик

План урока

  • Действие магнитного поля на рамку с током
  • Электромотор постоянного тока
  • Устройство и принцип работы гальванометра
  • Устройство динамика

Цели урока

  • Уметь объяснять действие магнитного поля на рамку с током
  • Знать устройство и принцип работы электромотора постоянного тока, гальванометра и динамика

Разминка

  • 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 I в магнитное поле. Чтобы учесть влияние магнитного поля на контур с током, следует ввести такую величину, как вектор нормали.


Положительной нормалью n  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). 

Рис. 1. Вектор нормали n к плоскости рамки с током Рис. 1. Вектор нормали n к плоскости рамки с током


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).

Рис. 2. Рамка с током в магнитном поле Рис. 2. Рамка с током в магнитном поле

Сила ампера, согласно формуле FA=B·I·l·sinα, не действует на сторону a рамки и ей параллельную (синус угла между направлением тока в проводнике и вектором B равен нулю). Напротив, на сторону рамки b и ей параллельную сила Ампера действует. Направления сил показаны на рис. 2, причем модули этих сил равны:  

 

F1=F2=B·I·l 

 

Геометрическая сумма сил F1 и F2 равна нулю, но алгебраическая сумма моментов этих сил, относительно оси OO1 будет отлична от нуля.

 

Суммарный момент сил равен:

 

M=F1·a2+F2·a2=2·F·a2=B·I·b·a=B·I·S, где S - площадь рамки.

 

Рамка будет поворачиваться вокруг оси  OO1 по часовой стрелке. В процессе поворота угол между векторами n и  B будет уменьшаться от 90° до 0°, плечи сил Ампера также будут уменьшаться и суммарный момент станет равен нулю. Т. е., рамка повернется на угол 90°. 


Положение рамки, при котором направления положительной нормали n и вектора B индукции внешнего поля совпадают, является  положением устойчивого равновесия  (Рис. 3). 

Рис. 3. Положение устойчивого положения рамки Рис. 3. Положение устойчивого положения рамки


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 n и B равен 180°, 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: B=MmaxI·S. Mmax будет когда угол между вектором нормали и вектором магнитной индукции равен 90°.

 

Рассмотрим еще несколько примеров действия магнитного поля на рамку с током (Рис. 4).

Рис. 4. Действия магнитного поля на рамку с током <br>a) – положение устойчивого равновесия; б) – положение неустойчивого положения Рис. 4. Действия магнитного поля на рамку с током 
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.    

Рис. 5. Устройство электродвигателя: 1 – коллектор (изолированные друг от друга медные пластины), 2 – графитовые щетки, 3 – якорь, обмотки которого представляют многовитковые рамки, 4 – индуктор, создающий магнитное поле, 5 – катушка (обмотка возбуждения) , 6 – корпус (станина), 7 – подшипниковый щит, 8 – вентилятор , 9 – обмотка якоря Рис. 5. Устройство электродвигателя: 1 – коллектор (изолированные друг от друга медные пластины), 2 – графитовые щетки, 3 – якорь, обмотки которого представляют многовитковые рамки, 4 – индуктор, создающий магнитное поле, 5 – катушка (обмотка возбуждения) , 6 – корпус (станина), 7 – подшипниковый щит, 8 – вентилятор , 9 – обмотка якоря

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.

Рис. 6. Устройство гальванометра Рис. 6. Устройство гальванометра

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. 

Рис. 7. Устройство динамика Рис. 7. Устройство динамика

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. 


 

Магнитное поле. Магнитное взаимодействие

Магнитное поле
  • В поисках путей модернизации. Европа меняющаяся

    История

  • Повседневная жизнь и мировосприятие человека XIX века

    История

  • Век демократизации. «Великие идеологии»

    История