Действие магнитного поля на рамку с током. Электродвигатель

Определения и обозначения

Рамка с током — проводящий контур, по которому течёт электрический ток и который находится в магнитном поле. На её стороны поле действует через ток, поэтому рамка может поворачиваться. Это основная модель для объяснения работы электродвигателя.

Сила Ампера — сила, действующая магнитным полем на проводник с током. Для прямого проводника её находят по формуле F = BIl sin α, где B — магнитная индукция, I — сила тока, l — длина проводника, α — угол между проводником и полем. Формула показывает, от каких величин зависит действие поля.

Правило левой руки помогает определить направление силы Ампера. Если линии магнитной индукции входят в ладонь, четыре вытянутых пальца направлены по току, а отогнутый большой палец показывает направление силы. С его помощью можно понять, куда начнёт двигаться сторона рамки.

Электродвигатель — устройство, преобразующее энергию электрического тока в механическую энергию вращения. Его подвижная часть называется ротором, а неподвижная — статором. Такое устройство приводит в движение механизмы и машины.

Как это устроено

На каждую сторону рамки, по которой течёт ток, действует сила Ампера, если проводник не расположен вдоль линий поля. На противоположных сторонах токи направлены навстречу друг другу, поэтому силы Ампера имеют противоположные направления. В однородном поле их модули одинаковы, но силы приложены к разным сторонам рамки.

Разнесённые равные силы, направленные в разные стороны, образуют пару сил. Такая пара не сдвигает рамку целиком, а стремится повернуть её вокруг оси. Поэтому рамка начинает вращаться, если её положение не делает плечо сил равным нулю.

Вращающий момент зависит от силы каждой силы Ампера и расстояния между линиями их действия. Поэтому при увеличении B, I или площади рамки момент возрастает: M = BIS sin α. Здесь α — угол между нормалью к плоскости рамки и направлением магнитного поля, а не угол между самой плоскостью и полем.

В электродвигателе рамка закреплена на оси и образует ротор — вращающуюся часть устройства. Неподвижный магнит или электромагнит создаёт поле статора, а щётки подводят ток к коллектору. Коллектор соединён с рамкой и передаёт ей ток во время вращения.

После поворота на пол-оборота стороны рамки меняются местами относительно поля, поэтому прежнее направление тока уже создало бы противоположный момент. Коллектор в этот момент меняет соединение рамки с источником и переворачивает направление тока. Силы Ампера снова действуют так, чтобы продолжать вращение в ту же сторону.

Действие магнитного поля на рамку с током и устройство электродвигателя

Таблица сопоставляет обычную рамку в магнитном поле с реальным электродвигателем. По строкам удобно проследить путь от причины действия сил до преобразования энергии. В третьем столбце показано, какие детали обеспечивают непрерывность процесса.

Разбор задач

Задача 1

Проводник длиной 0,2 м находится в поле с индукцией 0,5 Тл. Сила тока равна 4 А, проводник перпендикулярен линиям магнитной индукции. Требуется найти силу Ампера.

1. Записываем формулу: F = BIl sin α.
2. Так как проводник перпендикулярен полю, α = 90°, поэтому sin 90° = 1.
3. Подставляем значения: F = 0,5 · 4 · 0,2 · 1 = 0,4 Н.

Ответ: сила Ампера равна 0,4 Н.

Задача 2

Нужно определить направление силы Ампера, действующей на левую сторону рамки. На схеме заданы направление магнитного поля и направление тока. Для ответа важно рассматривать именно левую сторону, а не всю рамку сразу.

1. Располагаем левую ладонь так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь.
2. Четыре пальца направляем по току в рассматриваемой стороне рамки.
3. Отогнутый большой палец показывает направление силы Ампера и движения этой стороны.

Ответ: направление силы находят по отогнутому большому пальцу левой руки; без направлений поля и тока на схеме сторону движения численно указать нельзя.

Задача 3

Площадь прямоугольной рамки 0,03 м², ток равен 2 А, индукция поля — 0,4 Тл. Плоскость рамки образует с линиями поля угол 30°. Нужно найти вращающий момент.

1. В формуле M = BIS sin α угол α отсчитывается от нормали к рамке. Нормаль перпендикулярна её плоскости, поэтому α = 90° − 30° = 60°.
2. Подставляем данные: M = 0,4 · 2 · 0,03 · sin 60°.
3. Так как sin 60° ≈ 0,866, получаем M ≈ 0,0208 Н·м.

Ответ: вращающий момент примерно равен 0,021 Н·м.

Типичные ошибки

Силу Ампера иногда направляют вдоль проводника, потому что путают направление тока с направлением действия силы. На самом деле сила перпендикулярна и току, и магнитному полю. Проверьте себя правилом левой руки: большой палец не должен совпадать с проводником.

Вместо правила левой руки используют правило правой руки, так как оба правила встречаются в темах о магнетизме. Для силы Ампера применяют именно левую руку, а правую часто связывают с направлением магнитного поля вокруг тока. Перед решением подпишите, какую величину нужно определить.

Некоторые считают, что рамка будет бесконечно вращаться без изменения тока. После полуоборота направление момента может стать тормозящим, поэтому одной рамки недостаточно. Проверьте, сохраняется ли направление момента после смены положения рамки.

В формулу момента подставляют угол между плоскостью рамки и полем вместо угла между нормалью и полем. Эти углы дополняют друг друга до 90°, поэтому результат меняется. Сначала проведите мысленно нормаль к рамке, затем определите нужный угол α.

Связь с другими темами

Для изучения темы нужны знания о магнитном поле, магнитной индукции и действии поля на проводник с током. Правило левой руки связывает направление тока и поля с направлением силы.

Расчёты опираются на понятия силы и момента силы. Также нужно понимать работу и преобразование энергии: электрическая энергия не исчезает, а переходит в механическую.

Эти знания пригодятся при изучении электромагнитных приборов, генератора и других электрических машин. В двигателе энергия тока вызывает движение, а в генераторе механическое движение помогает получить электрический ток.

Что запомнить

• Магнитное поле действует на проводник, по которому течёт ток.
• Направление силы Ампера определяют по правилу левой руки.
• Силы Ампера на противоположных сторонах рамки создают вращающий момент.
• Вращающий момент зависит от магнитной индукции, силы тока и площади рамки.
• Электродвигатель превращает электрическую энергию в механическую.
• Коллектор периодически изменяет направление тока в рамке.
• Непрерывное вращение двигателя обеспечивается сохранением одного направления вращающего момента.