§ 20. Электродвигатель

Определения и обозначения

Электродвигатель — устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическую. Благодаря ему электрический ток может приводить в движение детали машины или целого прибора. Принцип действия основан на взаимодействии магнитного поля и проводников с током.

Ротор, или якорь, — вращающаяся часть электродвигателя, на которой расположена рамка либо обмотка с током. На её проводники в магнитном поле действуют силы, поэтому ротор начинает поворачиваться. Это та часть двигателя, движение которой передаётся механизму или рабочей детали.

Статор — неподвижная часть двигателя, создающая магнитное поле. В простейшей модели эту роль выполняют постоянные магниты, закреплённые вокруг ротора. Статор нужен, чтобы поле действовало на ток в рамке и возникали силы, приводящие её в движение.

Коллектор — устройство, которое меняет направление тока в рамке при её повороте. Обычно это разделённое на части кольцо, соединённое с концами рамки. Переключение тока позволяет сохранять вращение ротора в одном направлении, а не останавливаться после каждого полуоборота.

Как это устроено

Когда по рамке проходит ток, её проводники оказываются в магнитном поле. На каждую сторону, расположенную поперёк поля, действует сила; на противоположных сторонах рамки силы направлены неодинаково. Поэтому они не просто сдвигают рамку целиком, а создают вращающий момент — действие, которое поворачивает тело вокруг оси. Так электрическое действие превращается в движение ротора.

Направление силы на проводник определяют правилом левой руки: расположите левую руку так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь, а вытянутые пальцы показывали направление тока; отставленный большой палец укажет направление силы. Правило нужно применять отдельно к каждой стороне рамки, потому что ток в противоположных сторонах направлен по-разному. Если поменять направление тока или магнитного поля, сила на каждом проводнике тоже изменит направление. В результате изменится и направление вращения рамки.

Обычная рамка без переключения тока не совершала бы непрерывных оборотов. По мере её поворота силы меняют своё действие относительно оси: в положении равновесия вращающий момент исчезает, а после прохождения этого положения может начать тормозить рамку. Коллектор меняет направление тока в рамке при каждом полуобороте. Тогда силы на её сторонах снова создают момент, который поддерживает вращение ротора в прежнюю сторону.

Щётки — неподвижные контакты, которые прижимаются к коллектору и передают ему ток от источника. Коллектор вращается вместе с ротором, а щётки остаются на месте, поэтому контакт должен сохраняться при движении. Магнитное поле создают постоянные магниты или электромагнит — катушка, в которой ток создаёт магнитное поле. Так ток поступает в обмотку ротора, а поле статора действует на её проводники.

В настоящих двигателях вместо одной рамки обычно используют обмотки и несколько рамок, расположенных так, чтобы их вращение дополняло друг друга. Это увеличивает вращающий момент, то есть действие, которое поворачивает ротор, и помогает уменьшить колебания скорости. Когда одна рамка проходит положение, в котором её момент мал, другие могут продолжать поворачивать вал. Поэтому двигатель работает ровнее, чем простейшая модель с одной рамкой.

Части простейшего электродвигателя и их функции

Чтобы понять работу двигателя, проследите путь тока: от источника через щётки и коллектор к обмотке. Затем определите, какая часть вращается, а какая создаёт магнитное поле. Так таблица помогает связать устройство каждой детали с её ролью.

Разбор задач

Задача 1. Магнитное поле направлено слева направо, а ток в прямом проводнике направлен вглубь страницы. Укажите, куда начнёт двигаться проводник. В условии важно различать направление тока и направление поля: только после этого можно применять правило левой руки.

1. Представьте направление поля: линии входят в ладонь слева направо.
2. Направьте вытянутые пальцы вглубь страницы, то есть по току. Большой палец покажет направление силы.
3. При таком расположении большой палец укажет вниз. Значит, сила Ампера направлена вниз и проводник начнёт двигаться вниз.

Ответ: проводник начнёт двигаться вниз. Если развернуть ток или магнитное поле, сила будет направлена в противоположную сторону. Это удобная проверка применения правила.

Задача 2. Объясните, почему рамка с током поворачивается в магнитном поле, но без коллектора не совершает непрерывных оборотов. Нужно сравнить действия сил на двух противоположных сторонах и проследить изменение вращающего момента. Не следует считать, что рамку толкает одна сила.

1. На противоположные стороны рамки с током действуют силы, направленные по-разному. Они образуют пару сил и поворачивают рамку вокруг оси.
2. При повороте меняется положение сторон относительно магнитного поля. В положении равновесия вращающий момент становится равным нулю, а затем без переключения тока начинает мешать дальнейшему вращению.
3. Поэтому рамка остановится или начнёт поворачиваться обратно. Коллектор меняет направление тока вовремя, и силы снова поддерживают вращение в прежнюю сторону.

Ответ: рамку вращает пара сил, действующих на её противоположные стороны. Без коллектора момент после положения равновесия изменил бы направление, поэтому непрерывного вращения не было бы.

Задача 3. Проследите работу двигателя за полный оборот рамки и укажите, когда и зачем коллектор меняет ток. Удобно разделить оборот на два полуоборота и каждый раз проверять направление сил относительно оси. Считайте, что в начале силы поворачивают рамку в выбранную сторону.

1. В первой половине оборота ток направлен так, что силы на двух сторонах создают вращающий момент. Рамка поворачивается, а вместе с ней движутся части коллектора под щётками.
2. После первого полуоборота коллектор меняет подключение рамки к источнику, поэтому направление тока в ней меняется. Это происходит, чтобы силы не стали тормозить ротор после прохождения положения равновесия.
3. Во второй половине оборота ток в рамке направлен противоположно, но стороны рамки тоже поменялись местами относительно поля. В результате момент снова поддерживает вращение в начальном направлении; при следующем полуобороте переключение повторяется.

Ответ: коллектор меняет направление тока при каждом полуобороте. Благодаря этому вращающий момент сохраняет нужное направление на протяжении полного оборота и следующих оборотов.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что рамку поворачивает одна сила. Так думают, если представляют рамку как единый проводник и не рассматривают её стороны отдельно. На деле силы действуют на разные стороны и образуют пару; проверьте себя, указав их направления правилом левой руки.

Можно перепутать направление магнитного поля с направлением тока. Это происходит, когда при работе с правилом левой руки учитывают только одно из направлений. Перед применением правила отдельно назовите, куда направлено поле и куда течёт ток, а затем проверьте, что ладонь и пальцы ориентированы верно.

Неверно считать, что коллектор нужен только для замыкания цепи. Такое объяснение упускает его главную задачу: менять направление тока в рамке в нужный момент. Проверьте себя вопросом: что произойдёт с вращающим моментом после полуоборота, если ток не переключить?

Электродвигатель не создаёт энергию, а преобразует электрическую энергию в механическую. Ошибка появляется, если принять движение за возникновение энергии из ничего. Часть полученной энергии рассеивается в виде тепла; значит, при проверке объяснения нужно учитывать и полезное движение, и нагрев двигателя.

Связь с другими темами

Для понимания двигателя нужно знать, что электрический ток создаёт магнитное поле, и уметь пользоваться правилом левой руки. Эти знания объясняют, почему на проводники с током действуют силы и как определить их направление. Сначала установите направление тока и поля, а уже затем делайте вывод о движении.

Тема связывает устройство электрической цепи с магнитным действием тока. Позже эти знания помогут изучать электромагнитную индукцию — возникновение электрического тока при изменении магнитного поля, — а также генераторы и другие электрические машины. Двигатель использует действие магнитного поля на ток, а в генераторе рассматривают получение электрического тока при движении проводника в магнитном поле.

Что запомнить

• Электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую.
• На проводник с током в магнитном поле действует сила.
• Силы на противоположных сторонах рамки создают вращение.
• Направление силы определяют по правилу левой руки.
• Коллектор меняет направление тока в рамке при её повороте.
• Щётки соединяют источник тока с коллектором.