"Физика", Грачёв А.В.,Погожев В.А., Вишнякова Е.А.
Электродвигатель превращает электрическую энергию в механическую: рамка с током вращается в магнитном поле. Чтобы вращение не прекращалось, коллектор после каждого полуоборота меняет направление тока в рамке. Гальванометр служит для обнаружения малых токов: его стрелка отклоняется, а направление и величина отклонения помогают определить направление и силу тока.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электродвигатель — устройство, в котором электрическая энергия превращается в механическую благодаря действию магнитного поля на проводник с током. Проще говоря, ток заставляет часть прибора двигаться. Это определение нужно, чтобы отличать электродвигатель от источников тока и понимать его назначение.
Рамка с током — проводник в виде рамки, по которому проходит ток; в магнитном поле на её стороны действуют силы. Эти силы могут повернуть рамку вокруг оси. Понятие рамки помогает объяснить, из-за чего в электродвигателе появляется движение.
Коллектор — устройство, которое периодически изменяет направление тока в рамке электродвигателя, поддерживая её вращение в одном направлении. Он работает как автоматический переключатель, связанный с положением рамки. Без коллектора устойчивое непрерывное вращение было бы невозможно.
Гальванометр — прибор для обнаружения и измерения малых токов; направление отклонения его стрелки показывает направление тока. Внутри прибора есть рамка, которая поворачивается в магнитном поле. Поэтому по стрелке можно узнать не только о наличии тока, но и о его направлении.
На каждую сторону рамки, по которой течёт ток, в магнитном поле действует сила. На двух противоположных сторонах направления тока противоположны, поэтому и силы направлены в разные стороны. Они не просто сдвигают рамку, а создают вращающий момент, из-за которого рамка поворачивается вокруг оси.
В простейшем электродвигателе есть постоянный магнит, рамка с током, ось вращения и коллектор. Магнит создаёт поле, рамка воспринимает действие сил, а ось позволяет ей свободно вращаться. Коллектор соединяет рамку с источником тока так, чтобы электрическая энергия могла постоянно поддерживать движение.
После полуоборота рамка оказывается в положении, где её стороны поменялись местами относительно полюсов магнита. Если оставить ток прежним, направление сил относительно рамки изменится и вращающий момент начнёт тормозить движение. Поэтому ток переключают: тогда силы снова поворачивают рамку в прежнюю сторону.
Коллектор состоит из изолированных друг от друга частей, соединённых с концами рамки, и скользящих контактов. При вращении рамки контакты по очереди соединяются с полюсами источника. В момент каждого полуоборота соединение меняется, и ток в рамке меняет направление автоматически.
В гальванометре небольшая рамка находится между полюсами магнита и соединена со стрелкой. Когда через рамку проходит ток, силы магнитного поля поворачивают её вместе со стрелкой, а пружина создаёт противодействие. Чем сильнее ток, тем больше поворот до положения равновесия, а перемена направления тока заставляет стрелку отклониться в другую сторону.
| Характеристика | Электродвигатель | Гальванометр |
|---|---|---|
| Назначение | Превращать электрическую энергию в механическую | Обнаруживать и измерять малые токи |
| Основные части | Магнит, рамка с током, ось, коллектор, источник тока | Магнит, рамка, стрелка, шкала, пружина |
| Что происходит с рамкой с током | Она непрерывно вращается благодаря переключению тока | Она поворачивается на небольшой угол и устанавливается в равновесие |
| Что показывает или выполняет прибор | Создаёт механическое движение | Показывает наличие, направление и величину малого тока |
Сначала найдите в таблице нужную характеристику, а затем сравните два прибора. Главное различие состоит в результате действия: электродвигатель поддерживает вращение, а гальванометр превращает действие тока в измеримое отклонение стрелки.
Условие. Определите, в какую сторону действует сила на проводник с током, помещённый между полюсами магнита; направление тока и магнитного поля заданы рисунком.
Ответ. Сила направлена в сторону, которую показывает большой палец левой руки при правильном учёте направления поля и тока. Если поменять местами направление тока или поля, сила также изменит направление.
Условие. Объясните, почему рамка простейшего электродвигателя продолжает вращаться после того, как совершила половину оборота.
Ответ. Рамка вращается дальше благодаря коллектору, который меняет направление тока после каждого полуоборота.
Условие. Стрелка гальванометра отклонилась в противоположную сторону после переключения полюсов источника. Объясните наблюдение и укажите, что изменилось в цепи.
Ответ. В цепи изменилось направление тока, поэтому стрелка отклонилась на противоположную часть шкалы.
Некоторые считают, что на рамку действует одна сила. На самом деле силы действуют на разные стороны рамки, а их пара направлена так, что создаёт вращение. Проверка: рассмотрите отдельно обе противоположные стороны и сравните направления сил.
Другая ошибка — полагать, что рамка будет вращаться без переключения тока. После полуоборота прежний ток стал бы создавать торможение, поэтому коллектор меняет его направление. Проверка: мысленно поверните рамку на 180° и снова примените правило левой руки.
Нельзя путать назначение приборов: электродвигатель создаёт вращение, а гальванометр обнаруживает ток и измеряет его действие. Ошибка возникает, если судить о приборе только по наличию магнита и рамки. Проверка: спросите себя, получает ли прибор механическое движение или показывает электрический ток.
Отклонение стрелки гальванометра показывает не только наличие тока. Направление отклонения связано с направлением тока, а величина отклонения — с его силой. Проверка: при смене полюсов источника ожидайте смену стороны отклонения стрелки.
До изучения электродвигателя нужно знать, что вокруг проводника с током существует магнитное поле. Также важно уметь определять направление этого поля, чтобы понимать взаимодействие тока и магнита.
Правило левой руки связывает направления магнитного поля, тока и силы. С его помощью можно предсказать движение проводника и объяснить вращение рамки.
Эта тема пригодится при изучении электрических приборов и машин. Она показывает практическое превращение электрической энергии в механическую и объясняет работу многих устройств.
Почему рамка с током начинает вращаться в магнитном поле?
На проводники рамки с током, находящиеся в магнитном поле, действуют силы. На противоположных сторонах рамки эти силы направлены в разные стороны и образуют вращающий момент.
Для чего в электродвигателе нужен коллектор?
Коллектор переключает направление тока в рамке после каждого полуоборота. Благодаря этому силы снова действуют так, чтобы рамка продолжала вращаться в том же направлении.
Почему ток в рамке электродвигателя меняет направление?
После полуоборота стороны рамки меняются местами относительно полюсов магнита. Если ток не переключить, силы начали бы вращать рамку в обратную сторону, поэтому коллектор меняет его направление.
Что показывает гальванометр?
Гальванометр обнаруживает малые токи и позволяет судить об их величине. По направлению отклонения стрелки можно также определить направление тока.
Как понять по стрелке гальванометра, в какую сторону течёт ток?
Сначала устанавливают, какому направлению тока соответствует отклонение стрелки вправо и влево. Затем сравнивают наблюдаемое отклонение с этим правилом: противоположное направление тока вызывает противоположное отклонение.
§ 60. Электродвигатели. Гальванометр
