Действие магнитного поля на проводник с током. Все о магнитах :: Класс!ная физика

Действие магнитного поля на проводник с током. Электродвигатель постоянного тока. Электроизмерительные приборы.

| Поурочные планы по физике 8 класс

Действие магнитного поля на проводник с током. Электродвигатель постоянного тока. Электроизмерительные приборы.

Цели: ознакомить учащихся с действием магнитного поля на проводник с током, с
проявлением действия силы Ампера; объяснить учащимся уст­ройство и принцип
действия электродвигателя постоянного тока. Побуждать учащихся к преодолению трудностей в процессе умственной
деятельности, воспитать интерес к физике.

Демонстрации: движение проводника и рамки с током в магнитном поле; устройство и принцип действия
электродвигателя постоянного тока.

Ход урока

I. Организационный момент

II. Проверка знаний

Первые 10 минут урока целесообразно посвятить проверке качества усвоения
материала по теме «Постоянные магниты». Для письменной проверочной Работы можно
предложить следующие варианты разноуровневых заданий:

Уровень 1

1.  Как взаимодействуют
разноименные и одноименные полюсы магнитов?

2.   Можно ли разрезать
магнит так, чтобы один из полученных магнитов имел только северный полюс, а
другой — только южный?

Уровень 2

1.  Почему корпус компаса
делают из меди, алюминия, пластмассы и дру­гих материалов, но не из железа?

2.  
Почему стальные полосы и рельсы, лежащие на складах, через некото­рое время
оказываются намагниченными?

Уровень 3    

1.  К южному полюсу магнита
притянулись две булавки . Почему их свободные концы отталкиваются?

2.  
Нарисуйте магнитное поле подковообразного магнита и укажите направление
силовых линий.

III. Изучение нового материала

План изложения нового материала:

1. Действие магнитного поля на проводник с
током.

2. Сила Ампера. Правило левой руки.

3. Рамка с током в магнитном поле.

4. Устройство электродвигателя постоянного
тока.

5. Применение электродвигателей.

1.  Важнейшее проявление
магнитного поля — это действие его на дви­жущиеся заряды. Для демонстрации
этого явления собираем установку из дугообразного постоянного магнита и
длинного гибкого провода, присое­диненного последовательно с реостатом к
аккумулятору.  Горизонтальный участок
провода располагают в магнит­ном поле магнита.

При замыкании цепи наблюдается отклонение провода, при размыкании
-возвращение его к положению равновесия. Делается вывод; магнитное поле действует
с некоторой силой на провод с током.

При изменении направления электрического тока в проводнике изменяется и
направление движения проводника, а значит и действующей на него силы.

2. Сила Ампера. Направление действующей на
проводник с током силы в магнитном поле (силы Ампера) можно определить,
пользуясь правилом левой руки: руку располагают так, чтобы ладонь была
обращена к се­верному полюсу магнита, а четыре пальца показывали направление
тока в проводнике, тогда отставленный на 90° большой палец укажет направление
действующей на проводник силы.

Сила Ампера тем больше, чем сильнее магнитное поле магнита, чем больше сила
тока в проводнике, а также зависит от длины проводника и его расположения в
магнитном поле.

3. В практике часто используют действие
магнитного поля на рамку с то­ком. Поворот рамки учитель объясняет, приме­няя
правило левой руки к каждому вертикальному участку рамки. При изме­нении
направления тока в рамке она будет поворачиваться в обратном на­правлении. То
же самое мы наблюдаем, поменяв местами полюсы магнита.

Пользуясь правилом левой руки, мы уже выяснили, что магнитное поле,
действуя на вертикальные стороны рамки, вынуждает ее поворачиваться так, что ее
плоскость располагается перпендикулярно силовым линиям по­ля. При этом по инерции
рамка каждый раз проходит несколько дальше положения равновесия. Если в момент
прохождения рамкой положения равновесия каждый раз изменять направление тока в
ней, то она будет не­прерывно вращаться.

Наблюдая опыт, учащиеся должны отчетливо представлять, что враще­ние рамки
происходит в результате действия магнитного поля на провод­ники с током, и что
в этом процессе происходит превращение электриче­ской энергии в механическую.
На рассмотренном явлении основано уст­ройство электродвигателей.

4. В электродвигателях
обмотка состоит из большого числа витков про­волоки. Магнитное поле, в котором
вращается якорь такого двигателя, соз­дается сильным электромагнитом.
Электромагнит питается током от того же источника, что и обмотка якоря.

Двигатели постоянного тока нашли особенно широкое применение в транспорте
(электровозы, трамваи, троллейбусы).

Полезно будет рассказать о первом электродвигателе и его изобретателе
-русском ученом Б. С. Якоби.

IV. Закрепление изученного

С целью закрепления материала в конце урока можно обсудить решения
следующих качественных задач:

В троллейбусах установлены электродвигатели постоянного тока. Притягиваются
или отталкиваются провода троллейбусной линии?

2. Два параллельных проводника, по которым
текут токи в одном направ­лении, притягиваются. Почему же два параллельных
электронных пучка от­талкиваются? Можно ли поставить опыт так, чтобы
параллельные проводни­ки, по которым текут токи в одном направлении, тоже
отталкивались?

Домашнее задание

§  56

Магнитное воздействие токов и силы на провод в двигателях постоянного тока

Электричество и магнетизм считались двумя разными темами до 19 ^-го -го века. Сегодня электромагнетизм — бурно развивающаяся область физики, изучающая электромагнитные силы, возникающие между электрически заряженными частицами.

Электромагниты состоят из катушек проволоки, по которым проходит электричество. Мы используем электромагниты во многих наших электрических устройствах, таких как генераторы, динамики и аппараты МРТ. Когда электричество течет по проволочным катушкам, оно создает магнетизм. Следовательно, они чрезвычайно полезны, поскольку мы можем контролировать поток электричества, чтобы включать и выключать магнит, замыкая или прерывая цепь. Здесь вы сможете больше узнать о теме электромагнетизма. Давайте начнем!

Магнитный эффект тока

Магнитный эффект электрического тока также известен как электромагнитный эффект. Проводник с током, например провод, создает вокруг себя магнитное поле. Силовые линии магнитного поля расположены по концентрическим окружностям.

Направление магнитного поля можно определить с помощью правила правой руки .

Когда большой палец указывает на направление тока, остальные пальцы сгибаются в направлении поля.

Сила, действующая на проводник с током

Когда вы поместите тот же проводник с током в другое магнитное поле, на провод будет действовать магнитная сила. Эта сила вызвана взаимодействием между двумя магнитными полями.

Направление этой силы можно найти с помощью правила левой руки Флеминга .

Вытяните большой, указательный и средний пальцы левой руки так, чтобы все 3 пальца были перпендикулярны друг другу. Указательный палец указывает вдоль силовых линий магнитного поля с севера на юг. Средний палец будет указывать направление тока, от положительного к отрицательному. Наконец, большой палец покажет вам направление силы.

Силу силы можно увеличить, увеличив силу тока или используя более сильный магнит. Точно так же направление силы можно контролировать, меняя направление тока или магнитного поля.

Картина магнитного поля соленоида

Соленоид представляет собой длинный провод, свернутый в спираль. Когда через него протекает электрический ток, магнитное поле, создаваемое соленоидом, напоминает поле стержневого магнита. Поле внутри соленоида сильное и однородное из-за тока, протекающего внутри каждой катушки. Здесь можно применить правило правой руки для определения полюсов.

Электродвигатель постоянного тока

Электродвигатели постоянного тока можно найти в объектах, питающих вашу повседневную жизнь. От электрических зубных щеток до устройств индивидуальной мобильности и лифтов двигатели постоянного тока — это мускулы машины. Далее давайте исследуем магнитные эффекты токов и применим их при рассмотрении силы, действующей на проводник с током, который приводит в движение двигатели постоянного тока.

Простой двигатель постоянного тока состоит из соленоида в однородном магнитном поле. Когда в катушке есть ток, магнит будет оказывать вращательное действие на катушку, заставляя ее вращаться. Двигатель постоянного тока использует эффект вращения проводника с током (катушки) для преобразования электрической энергии в механическую. Эта механическая энергия высвобождается в виде вращения для перемещения вашего груза.

Эффект вращения катушки можно увеличить, увеличив силу электрического тока или используя более сильные или большие магниты. Например, увеличение числа витков на катушке может увеличить эффект вращения сети. Это связано с тем, что на каждый отрезок проволоки действует направленная вверх сила; таким образом, удвоение проволоки может удвоить силу.

Резюме

В следующий раз, когда вы услышите звонок в дверь, подниметесь на лифте или воспользуетесь индукционной плитой, возможно, вы подумаете о том, что узнали сегодня! Физика — это изучение того, как устроена Вселенная — вот что делает ее такой интересной!

Вам трудно укладывать в голове сложные понятия? Присоединяйтесь ко многим учащимся, которые посещают занятия по физике , чтобы лучше понять эти концепции, расширить свои знания и применить их в повседневной жизни. Если вы ищете обучение по физике уровня O, почему бы не дать нам шанс! У нас есть лучшие преподаватели, которые проведут вас по всем темам и концепциям, необходимым для успешной учебы в физике!

Правила поведения за столом: развитие навыков криминалистической диагностики

Много лет назад принципы действия электричества были неизвестны. Благодаря таланту многих ученых было получено понимание электричества, и теперь это знание стало обычным явлением. Одним из таких блестящих людей был Майкл Фарадей. В 1821 году Фарадей взял свободно висящий провод и окунул его в бассейн с ртутью, в который был погружен постоянный магнит. Затем он пропустил электрический ток через висящий провод, и, к его изумлению, провод вращался вокруг магнита. Хотя это был первый случай, когда электрическая энергия была преобразована в механическую энергию вращения, никакой значимой работы произведено не было. Много лет спустя принцип Фарадея был использован для разработки электродвигателя.

Электродвигатель может быть сконфигурирован как соленоид, шаговый двигатель или вращательная машина. В этой статье рассматривается вращательная машина постоянного тока. Во всех вращательных машинах постоянного тока электродвигатель состоит из шести компонентов: ось, ротор или якорь, статор, коллектор, магниты возбуждения и щетки.

Чтобы понять, как работает электродвигатель постоянного тока, необходимо понять несколько основных принципов. Как и в эксперименте Фарадея, двигатель постоянного тока работает с магнитными полями и электрическим током. Столетия назад было обнаружено, что найденный в Азии камень, называемый магнитным камнем, обладал необычным свойством: он передавал невидимую силу железному предмету, когда камень терся о него. Было обнаружено, что эти магниты выровнены с земной осью север-юг, когда они свободно висят на веревке или плавают на воде, и это свойство помогло ранним исследователям ориентироваться на Земле.

Позже выяснилось, что этот камень был постоянным магнитом с полем, которое имело два противоположных полюса, называемых северным и южным. Магнитные поля, как и электрические заряды, имеют силы, противоположные по своему действию. Электрические заряды бывают положительными или отрицательными, тогда как магнитные поля имеют ориентацию с севера на юг. Когда магнитные поля ориентированы на противоположные или разные полюса, они будут оказывать значительное притяжение друг к другу, а когда они ориентированы на одинаковые или подобные полюса, они будут сильно отталкиваться друг от друга.

Магнитное поле притягивает или воздействует на железный (магнитный) материал. Если частицы железа посыпать на бумажный лист над постоянным магнитом, выравнивание частиц железа отображает магнитное поле, которое показывает, что это поле выходит из одного полюса и входит в другой полюс, при этом силовое поле не прерывается. Как и в случае любого поля (электрического, магнитного или гравитационного), общая величина или эффект поля называется потоком, а толчок, вызывающий формирование потока в пространстве, называется силой. Это магнитное силовое поле состоит из множества силовых линий, каждая из которых начинается с одного полюса и возвращается к другому полюсу (см. рис. 1 на стр. 40).

Современная теория магнетизма утверждает, что магнитное поле создается движущимся электрическим зарядом. Когда электрический заряд находится в движении, электроны, вращающиеся вокруг атома, вынуждены выравниваться и равномерно вращаться в одном направлении. Чем больше атомов равномерно вращается в одном направлении, тем сильнее сила магнитного поля. Когда миллиарды атомов имеют орбиты, вращающиеся в одном направлении, и материал способен удерживать орбиты атомов, создается постоянный магнит.

Когда два мощных постоянных магнита перемещаются в непосредственной близости друг от друга, очевидно, что возникает очень реальная сила, которая может обеспечить возможность совершения работы. Для выполнения работы необходимо правильно контролировать соотношение между магнитными полями. Хитрость здесь заключается в том, чтобы управлять магнитными полями не только с помощью постоянного магнита, но и другими средствами. Этого можно добиться, создав магнитное поле с помощью электрического проводника, по которому течет ток.

Почти все электродвигатели используют проводник с током для создания механической работы. Когда ток течет по проводнику и электрический заряд находится в движении, электроны, вращающиеся вокруг атомов, вынуждены выравниваться и равномерно вращаться в одном и том же направлении. Это создает магнитное поле, которое формируется вокруг проводника. Чем больше ток, протекающий через проводник, тем больше атомов вынуждены выстраиваться и вращаться в одном направлении. Это вращательное выравнивание атомов увеличивает силу магнитного поля. Однако, если бы кто-то поместил проводник с током, протекающим по нему, рядом с постоянным магнитом, он был бы разочарован тем, насколько слаба эта сила.

Нужен способ усилить магнитное силовое поле. Это достигается путем взятия проводника и выполнения множества витков или витков для получения обмотки. Преобразование проводника из одиночного изолированного прямого провода в проводник, содержащий множество витков, образующих обмотку, многократно усиливает магнитную силу. Величина усиления магнитного поля зависит от количества витков в обмотке и величины тока, протекающего через проводник.

В этой конфигурации магнитный поток движется через воздух, который является плохим проводником магнитной энергии, что позволяет магнитному потоку распространяться на очень большую площадь. Поэтому сопротивление магнитного поля при движении по воздуху довольно велико. Сопротивление — это мера того, насколько трудно магнитному потоку завершить свою цепь, то есть покинуть один полюс и войти в противоположный полюс. Если магнитный поток поддерживается близко к магниту, он оказывает меньшее сопротивление или противодействие потоку.

Сопротивление подобно тому, как сопротивление показывает, насколько велико сопротивление тока в электрической цепи. В электрической цепи с низким сопротивлением большой ток может проходить по проводнику с минимальным приложенным напряжением. Чтобы уменьшить сопротивление для дальнейшего усиления магнитного поля, в центр обмотки помещают сердечник из мягкого железа. Поскольку железо является ферромагнитным материалом и более плотным, чем воздух, магнитная энергия свободно проходит через железо, таким образом закрывая линии потока, увеличивая плотность потока и уменьшая сопротивление. Это очень важные аспекты двигателя постоянного тока.

Для того чтобы магнитные поля взаимодействовали друг с другом и производили работу в виде вращения, они должны иметь правильную конфигурацию (см. рис. 2 ниже). В этом базовом примере магнит относится к постоянному типу, а проводник, несущий цепь, сформирован в виде единственного контура, который называется якорем. Ток подается к щеткам от внешнего источника, например, от батареи; одна кисть имеет положительный потенциал, а другая — отрицательный. Ток проходит через отрицательную щетку, которая неподвижна, на одну из шин коммутатора. Коллекторные стержни удерживают двигатель от реверсирования, когда якорь меняет свою полярность с положительной на отрицательную, когда он вращается в магнитном потоке.

Эти металлические стержни в виде разъемных колец обычно изготавливаются из меди и превращают переменный ток в якоре в постоянный ток в цепи, пропуская только ток, когда якорь находится в определенном положении (рис. 3, стр. 41). Коллектор напрямую соединен с якорем, поэтому ток течет через обмотку якоря обратно к положительному коммутатору, а затем к стационарной положительной щетке, которая подключена к аккумулятору. Когда ток проходит через якорь, электрический заряд приходит в движение, что создает электромагнитное поле вокруг проводника якоря.

Это магнитное поле якоря взаимодействует со стационарным постоянным магнитным полем, точно так же, как возникает очень реальная сила, когда два мощных постоянных магнита перемещаются рядом друг с другом. Эта же сила возникает, когда электромагнитное поле взаимодействует либо с постоянным магнитным полем, либо с другим электромагнитным полем. Эта магнитная сила может производить работу за счет притяжения противоположных полюсов и отталкивания подобных полюсов. Постоянные магнитные поля, создаваемые северным и южным полюсами, пересекают магнитное поле якоря, создавая таким образом силу, направленную под прямым углом к ​​постоянному магнитному полю. Так как проводник якоря согнут в петлю, то в каждой из ветвей ток движется в противоположных направлениях. Ток в одном плече петли движется от коммутатора, а ток в другом плече петли движется к коммутатору.

При изменении направления тока в магнитном поле движение силы также изменяется в противоположном направлении. Направление силы находится под прямым углом как к току, так и к плотности магнитного потока. Это означает, что силы на две ножки якоря в постоянном магнитном поле действуют под прямым углом в противоположных направлениях. Одна ножка якоря выталкивается вверх, а другая — вниз. Эти силы, приложенные к якорю, вызывают вращательное действие на якорь. Это вращательное действие, или крутящий момент, вращает якорь в двигателе постоянного тока. В практических применениях двигателя постоянного тока используется не один контур якоря, а несколько контуров. Это позволяет якорю создавать равномерный выходной крутящий момент и обеспечивает самозапуск в любом положении якоря.

Электродвигатели постоянного тока широко используются в автомобильной промышленности для запуска двигателя, перемещения топлива из системы локализации, управления окнами и перемещения сидений, и это лишь несколько примеров. Широкое использование двигателей постоянного тока в транспортных средствах вызывает необходимость проверки их исправности. Осциллограф используется вместе с зажимом усилителя. Поскольку двигатель постоянного тока работает с током, ток покажет рабочее состояние цепи электродвигателя.

Давайте соберем данные с помощью осциллографа, чтобы мы могли проанализировать работу двигателя постоянного тока (рис. 4, стр. 42). В этом примере показана форма сигнала силы тока топливного насоса, в котором для генерации поля используются постоянные магниты. В точке А реле топливного насоса только что получило команду на включение, и ток начинает течь через контур якоря двигателя постоянного тока. Точка B указывает пиковый ток или пусковой ток, достигаемый в цепи, который составляет 14,6 ампер.

Пусковой ток является очень важным моментом, поскольку это единственное место на кривой тока, которое показывает истинный ток в цепи. Это связано с особенностями двигателя постоянного тока. Как только ток проходит через обмотку якоря, магнитное поле приводит якорь в состояние крутящего момента, которое запускает вращение якоря. Индукция в якоре создается, когда вращающаяся обмотка якоря пересекает силовое поле постоянного магнита. Индукция возникает, когда магнитное поле движется по проводнику.

Когда магнитное поле перемещается по обмотке якоря, напряжение, индуцируемое в обмотке якоря, освобождает электроны. Однако, поскольку ток протекает через обмотку якоря, эти свободные электроны препятствуют протеканию тока. Этот индуцированный ток противодействует току, протекающему через обмотку якоря. Например, представьте школьный коридор, битком набитый плечом к плечу, и дети, бегущие по коридору так быстро, как только могут. Теперь представьте, что дети входят в коридор из классных комнат, расположенных сбоку. Дети, покидающие классы, не могут изменить поток детей, уже бегущих по коридору, не увеличивая давление (сопротивление). Так же, как дети, входящие в подъезд, наведенное напряжение (давление) в обмотке якоря создает сопротивление изменению тока, протекающего по цепи якоря. Это сопротивление называется противоэлектродвижущей силой (КЭДС). Когда это происходит в двигателе или генераторе, это называется реактивным сопротивлением.

Чем быстрее магнитное поле перемещается по якорю, тем выше индуктивный ток, возникающий внутри якоря. Это можно увидеть на форме кривой тока в точке C на рис. 4. Пусковой ток значительно падает по мере увеличения скорости вращения якоря или оборотов в минуту. По мере увеличения оборотов якоря ток в якоре уменьшается до тех пор, пока в точке D не будет достигнута рабочая скорость двигателя, равная в среднем 6 ампер.

Очень важно проверить скорость вращения якоря, отрегулировав временную развёртку осциллографа так, чтобы на экране было видно около 20 пиков токовой петли якоря. Теперь просматривайте выступы петли арматуры, пока не найдете характерный выступ — тот, который отличается от других. Эта выпуклость будет повторяться каждые семь-девять неровностей, поскольку большинство автомобильных топливных насосов имеют шесть или восемь контуров якоря, поэтому, чтобы вернуться к выпуклости, с которой вы начали, будет добавлена ​​еще одна выпуклость. Возьмите курсоры осциллографа и отметьте два горба подписи; курсоры теперь будут отображать частоту в герцах (Гц). Герц относится к числу полных оборотов, которые якорь делает за одну секунду. Чтобы преобразовать герц в обороты в минуту, умножьте на 60.

Оставаясь на рис. 4, курсор в герцах, равный 96, умножается на 60 секунд, чтобы получить число оборотов в минуту, равное 5760 (96 3 60 5 5760). Большинство автомобильных топливных насосов должны иметь скорость вращения от 5000 до 6000 об/мин. Если топливный насос работает правильно, на кривой тока будет показано потребление тока от 4 до 10 ампер, в зависимости от конструкции двигателя, при частоте вращения насоса от 5000 до 6000 об/мин. Если топливный насос имеет кавитацию, например, при пустом топливном баке, средний ток будет низким, около 2 ампер, а обороты будут высокими, около 8500 об/мин. Если топливный насос заедает, ток будет высоким, а обороты будут низкими.

Важно следить за оборотами якоря, как показано на рис. 5 (тот же топливный насос, что и на рис. 4). На рис. 5 пусковой ток меньше и составляет 9,5 ампер по сравнению с током на рис. 4 (14,6 ампер). Пусковой ток зависит от общего сопротивления цепи и зависит от конструкции двигателя. Обычно, чем выше давление топлива, тем большую работу должен выполнять двигатель постоянного тока. Таким образом, контуры якоря изготовлены из проволоки большего диаметра, что снижает общее сопротивление цепи, что позволяет получить более высокий пусковой ток. Двигатели с более низким давлением топлива обычно имеют пусковой ток около 10 ампер, тогда как двигатели с более высоким давлением топлива обычно имеют пусковой ток около 16 ампер.

Поскольку двигатель постоянного тока на рис. 4 такой же, как на рис. 5, в цепи присутствует сопротивление. Нам нужно проверить скорость вращения двигателя на рис. 5. Показание в герцах равно 73, поэтому частота вращения равна 4380 (73 Гц 3 60 сек = 4380 об/мин). Это ясно показывает, что топливный насос вращается намного медленнее; однако средняя сила тока двигателя при рабочих оборотах отличается всего на 0,4 ампера. Это указывает на то, что проверка среднего тока цепи может не выявить проблему. Также необходимо будет проверить разницу между вершиной токоотвода от контура якоря и низом токоотвода, где щетка переместилась на следующий коллекторный стержень. Это должно быть в пределах около 1 ампера. Нижняя часть кривой тока должна быть резкой и чистой, что указывает на четкую передачу тока по мере того, как щетка перемещается от одного сегмента коммутатора к другому.

Когда двигатель постоянного тока используется в качестве стартера, форму волны тока также можно просмотреть на осциллографе. Для диагностики этой цепи можно использовать многие из тех же принципов, что и для топливного насоса. На рис. 6 на стр. 42 показаны данные стартера на осциллографе. В этом примере пусковой ток составляет 539 ампер, что немного мало; обычно это от 700 до 1500 ампер, в зависимости от конструкции двигателя. Провод большего диаметра обеспечит большую работоспособность, но также будет иметь большие пусковые токи.

Когда на якорь стартера действует крутящий момент, якорь начинает вращаться, что, в свою очередь, приводит во вращение коленчатый вал. Поршни, прикрепленные к коленчатому валу, также начинают движение вверх и вниз. Коленчатый вал нагружается сжатием цилиндра и замедляется на каждом такте сжатия двигателя. По мере замедления якоря стартера индукция также уменьшается, что приводит к увеличению тока. Когда коленчатый вал ускоряется после такта сжатия, якорь также ускоряется, вызывая увеличение индукции, что, в свою очередь, вызывает уменьшение тока.

Каждый из токовых выступов на рис. 6 представляет собой отдельный цилиндр при сжатии. Когда двигатель находится в хорошем состоянии, эти выпуклости, от пика до впадины, не должны отличаться от одного цилиндра к другому более чем на 30-50 ампер. Подозревайте проблему, если изменение силы тока от вершины текущего выступа до нижней точки, где щетка меняет коллекторные стержни, не находится в пределах этого диапазона от 30 до 50 ампер.