§ 64. Электродвигатель

Определения и обозначения

Электродвигатель — устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую за счёт действия магнитного поля на проводник с током. Иными словами, ток в двигателе приводит в движение его детали, например вращает вал. Это позволяет использовать электричество для работы механизмов и приборов.

Ротор — вращающаяся часть электродвигателя; в простейшей модели это рамка с током, помещённая в магнитное поле. Обмоткой называют провод, намотанный витками: по нему проходит ток и возникает действие магнитного поля. Ротор нужен, чтобы передавать полученное вращение другим частям механизма.

Статор — неподвижная часть двигателя, создающая магнитное поле постоянными магнитами или электромагнитами. Электромагнит — катушка, магнитное поле которой появляется при прохождении тока. Статор задаёт условия, при которых поле действует на обмотку ротора, но сам не вращается.

Коллектор и щётки — детали, через которые ток поступает в обмотку ротора; коллектор меняет направление тока в рамке при её повороте. Щётки соприкасаются с коллектором и проводят ток от неподвижной цепи, а коллектор вращается вместе с ротором. Без этих деталей подвижную обмотку было бы трудно постоянно соединять с источником так, чтобы вращение продолжалось.

Как это устроено

Рассмотрим рамку с током между полюсами магнита. На каждый её проводник с током в магнитном поле действует сила Ампера. На противоположных сторонах рамки ток направлен по-разному, поэтому силы на них тоже направлены по-разному. Эти силы приложены к разным сторонам рамки и создают вращающий момент: одна сторона поднимается, другая опускается. Так магнитное поле приводит рамку в движение.

Для определения направления силы Ампера используют правило левой руки. Левую руку располагают так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь, а вытянутые пальцы указывали направление тока. Тогда отставленный большой палец показывает, куда действует сила. Нужно учитывать оба направления: если перепутать ток и поле, направление силы получится неверным. Если изменить направление тока или магнитного поля, сила также изменит направление.

Когда рамка поворачивается, меняется расположение её сторон относительно поля. Если ток не переключать, после определённого поворота силы могут начать создавать момент, направленный против прежнего вращения. Поэтому в двигателе ток в обмотке периодически меняют на противоположный. Это делает коллектор: при повороте рамки он переключает соединение её концов с источником. В результате силы снова подталкивают рамку в прежнюю сторону.

Коллектор вращается вместе с ротором, а щётки остаются неподвижными и скользят по его поверхности. Благодаря контакту между щётками и коллектором электрическая цепь сохраняется, хотя обмотка движется. Источник тока поддерживает ток в обмотке, без которого силы Ампера не создавали бы вращающий момент. Таким образом, для работы двигателя необходимы и магнитное поле, и ток, и надёжное электрическое соединение подвижной части с цепью.

В реальных двигателях обычно используют не одну рамку, а много витков провода и несколько обмоток. Сила действует на каждый участок обмотки, поэтому их совместное действие может увеличить вращающий момент. Несколько обмоток расположены так, чтобы вращение не ослабевало слишком сильно в отдельных положениях ротора. Благодаря этому вращение получается более равномерным, а двигатель может выполнять полезную механическую работу.

Устройство простейшего электродвигателя и назначение его частей

Чтобы разобраться в устройстве, проследи путь тока: от неподвижной цепи через щётки и коллектор он поступает в обмотку ротора. Затем сопоставь назначение частей с их движением: статор и щётки неподвижны, а ротор и коллектор вращаются. Так легче понять, почему одни детали создают поле, а другие обеспечивают вращение и передачу тока.

Разбор задач

Направление силы Ампера

На рисунке показаны направления магнитного поля и тока в проводнике рамки. Требуется определить направление силы, действующей на проводник. Конкретные направления на схеме задают исходные данные, поэтому без них нельзя назвать, например, направление вверх или вниз. В любом случае силу можно найти по правилу левой руки.

1. Определи, куда направлены линии магнитного поля, и проследи направление тока в проводнике. Не подменяй одно направление другим: поле показывает направление от северного полюса к южному, а ток — движение положительных зарядов.
2. Расположи левую руку так, чтобы магнитное поле входило в ладонь, а пальцы указывали направление тока. Проверь, что оба условия выполнены одновременно.
3. Отставленный большой палец покажет направление силы Ампера. Если в условии дан рисунок, сравни ответ с направлениями на нём.

Ответ: сила направлена туда, куда указывает большой палец левой руки при правильно расположенных ладони и пальцах. Для указания конкретной стороны нужно видеть заданные на рисунке направления поля и тока.

Почему рамка вращается, а коллектор поддерживает вращение

Рамка с током находится в магнитном поле. Нужно объяснить, почему она начинает поворачиваться и почему без коллектора вращение не продолжалось бы в прежнем направлении. Здесь важно проследить не только начальное действие сил, но и то, что меняется при повороте рамки на пол-оборота.

1. На противоположные стороны рамки с током действуют силы Ампера. Их направления противоположны, а линии действия расположены так, что силы создают вращающий момент.
2. После поворота на пол-оборота расположение сторон относительно поля меняется. Если ток оставить прежним, силы начнут создавать момент, направленный против прежнего вращения.
3. Коллектор меняет направление тока в обмотке в нужный момент. Поэтому направление сил меняется так, чтобы вращающий момент продолжал поворачивать рамку в прежнюю сторону.

Ответ: рамка вращается из-за вращающего момента сил Ампера, а коллектор переключает ток, чтобы момент не стал тормозить её. Без коллектора прежнее направление вращения не поддерживалось бы.

Как изменится сила Ампера

Сила тока в обмотке электродвигателя увеличилась в 2 раза. Длина проводника и магнитное поле не изменились. Требуется определить, как изменится сила Ампера на участок обмотки. Важно сравнивать только те величины, которые указаны в условии, и не приписывать изменение остальным.

1. Вспомни зависимость силы Ампера от силы тока: при неизменных длине проводника и магнитном поле она прямо пропорциональна току.
2. Обозначь первоначальный ток как I, а новый — как 2I. Поскольку остальные условия те же, сила изменится в такое же число раз.
3. Сравни новую силу с первоначальной: её отношение равно отношению токов, то есть 2I к I. Значит, новая сила вдвое больше.

Ответ: сила Ампера увеличится в 2 раза. Такой вывод верен, потому что длина проводника и магнитное поле по условию постоянны.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что рамка вращается просто из-за присутствия магнитного поля. Поле само по себе не объясняет вращение: оно действует на проводники с током, создавая силы Ампера. Такую ошибку допускают, смешивая наличие поля с причиной движения. Проверь себя: назови, на какие именно стороны рамки действуют силы и почему они образуют вращающий момент.

Ошибка: путать направление магнитного поля с направлением тока. Это разные величины, и для нахождения силы нужно учесть обе. Путаница возникает, когда правило левой руки применяют, не сверяясь с условными стрелками. Перед ответом отдельно укажи направление поля и направление тока, а затем используй правило.

Ошибка: думать, что коллектор только подводит ток. Ток к вращающейся обмотке действительно поступает через коллектор и щётки, но коллектор также меняет направление тока. Первая функция заметнее, поэтому о второй иногда забывают. Проверь объяснение: в нём должно быть сказано, как сохраняется прежнее направление вращающего момента.

Ошибка: считать, что коллектор меняет направление вращения ротора. Коллектор переключает ток, а его задача — поддерживать вращение в прежнюю сторону. Ошибку можно связать с тем, что при переключении меняются направления сил. Проверь себя: проследи действие сил до и после переключения — они должны продолжать поворачивать ротор одинаково.

Связь с другими темами

Для понимания электродвигателя нужно знать, что такое электрический ток и магнитное поле, а также уметь находить направление силы Ампера по правилу левой руки. Эти знания помогают объяснить, откуда берётся вращение рамки и как на него влияет переключение тока. Позже принцип работы двигателя пригодится при изучении электромагнитной индукции и электрических машин. Он также помогает понять устройство бытовых приборов, в которых электричество вызывает движение.

Что запомнить

• Электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую.
• На проводник с током в магнитном поле действует сила Ампера.
• Силы на противоположные стороны рамки создают вращающий момент.
• Статор создаёт магнитное поле, а ротор вращается.
• Коллектор меняет направление тока в обмотке при повороте ротора.
• Щётки передают ток от неподвижной цепи к вращающемуся коллектору.