Лабораторная работа №16 Изучение работы электродвигателя постоянного тока

Определения и обозначения

Электродвигатель постоянного тока — устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую за счёт действия магнитного поля на проводник с током. В модели электрическая цепь питает рамку, а её движение показывает, как электричество может приводить в действие механизм. Такие двигатели используют там, где нужно получить вращение от электрического тока.

Якорь — подвижная часть двигателя; в школьной модели это рамка с током, способная вращаться в магнитном поле. Ток в рамке взаимодействует с полем магнита и вызывает её поворот. Якорь нужен, чтобы преобразование энергии проявлялось в движении.

Коллектор — разрезанное на две части кольцо, которое меняет направление тока в рамке при её вращении. Его части соединены с концами рамки, поэтому при повороте контакт с щётками переключается. Это позволяет поддерживать вращение якоря в одну сторону.

Щётки — неподвижные контакты, через которые ток от источника поступает на коллектор и в обмотку якоря. Они прижимаются к вращающимся частям коллектора и сохраняют электрическое соединение во время движения. Без щёток ток не мог бы непрерывно поступать в якорь.

Как это устроено

Цель работы — собрать модель двигателя постоянного тока и проследить, как электрический ток вызывает вращение якоря. Для этого недостаточно просто замкнуть цепь: нужно увидеть, как электрическая энергия передаётся рамке и превращается в движение. Наблюдение помогает связать устройство двигателя с действием магнитного поля на ток.

В установке есть источник тока, магнит, рамка-якорь, коллектор и щётки. Источник, магнит и щётки остаются неподвижными, а якорь вместе с закреплёнными на нём частями коллектора может вращаться. Такое разделение необходимо: щётки должны сохранять контакт с коллектором, пока рамка движется между полюсами магнита.

Когда цепь замкнута, по сторонам рамки проходит ток, и на проводники действует магнитное поле. На противоположные участки рамки силы направлены в разные стороны, поэтому они не просто сдвигают её, а создают вращающий момент. Именно эта пара сил заставляет якорь поворачиваться; направление сил можно определить правилом левой руки.

Во время поворота якоря коллектор меняет направление тока в рамке после каждого пол-оборота. Если бы ток не переключался, после поворота силы изменили бы направление и вращающий момент стал бы тормозить рамку. Переключение сохраняет вращение в одну сторону, а щётки обеспечивают контакт с источником при движении коллектора.

Соберите цепь по предложенной схеме и перед включением проверьте, что детали расположены правильно, а якорь свободно вращается. Кратковременно замкните цепь, наблюдайте за рамкой и отметьте, начинает ли она вращаться; затем разомкните цепь. Измените подключение или положение элементов только так, как позволяет установка, и сравните результат: это помогает выяснить, от чего зависит направление вращения и устойчивость работы.

Части модели электродвигателя и их функции

Сопоставляйте каждую часть с её функцией, а затем проследите, как элементы работают вместе. Если якорь не вращается, таблица поможет проверить источник тока, контакты и свободу движения рамки. Наблюдение за коллектором и щётками особенно важно, когда рамка останавливается после поворота.

Разбор задач

Задача 1. Соберите двигатель по схеме и объясните, почему после замыкания цепи рамка начинает поворачиваться. Нужно проследить путь от появления тока до движения якоря, а не объяснять поворот притяжением рамки к магниту.

1. После замыкания цепи в рамке появляется ток, и проводники оказываются в магнитном поле.
2. На противоположные стороны рамки действуют силы в разных направлениях. Они создают вращающий момент и поворачивают якорь.
3. При дальнейшем вращении коллектор переключает ток, поэтому движение может продолжаться в одну сторону.

Ответ: рамка поворачивается из-за вращающего момента, который создают силы магнитного поля, действующие на проводники с током.

Задача 2. Якорь поворачивается примерно на пол-оборота и останавливается. Объясните возможную причину и предложите проверку. Здесь нужно проверить и переключение тока, и механическую свободу якоря: одного замыкания цепи для непрерывного вращения недостаточно.

1. Если коллектор не переключает ток или щётки плохо соприкасаются с ним, вращающий момент может исчезнуть либо изменить направление.
2. Проверьте, совпадает ли положение щёток с контактами коллектора и надёжны ли соединения проводов.
3. Отключив источник, осторожно проверьте, свободно ли вращается якорь и не задевает ли он детали установки.

Ответ: возможны неисправность контактов коллектора и щёток или затруднённое вращение якоря. Проверьте эти причины по очереди, не оставляя цепь надолго замкнутой.

Задача 3. Измените направление тока в цепи, не меняя расположения магнита. Предскажите, как изменится направление вращения, и проверьте прогноз опытом. Чтобы сделать вывод, сравните направление сил до и после изменения подключения, пользуясь правилом левой руки.

1. До изменения подключения отметьте направление условного тока и направление магнитного поля.
2. Поменяйте местами провода у источника: направление тока изменится, а поле магнита останется прежним.
3. По правилу левой руки определите новые направления сил на сторонах рамки. Затем кратковременно замкните цепь и сравните вращение с прогнозом.

Ответ: направление вращения должно измениться на противоположное, поскольку при неизменном магнитном поле смена направления тока меняет направления сил.

Типичные ошибки

Считать, что рамка вращается только из-за притяжения к магниту. Так думают, потому что магнит часто представляют как источник притяжения, но здесь движение создаёт пара сил, действующих на участки рамки с током. Проверьте себя: объясните, почему силы на противоположных сторонах направлены по-разному и образуют вращающий момент.

Не учитывать роль коллектора и считать, что направление тока в рамке должно оставаться неизменным. Ошибка возникает, если рассматривать рамку только в начальном положении: после пол-оборота силы могут начать тормозить её. Проверьте объяснение по работе коллектора — он переключает ток, чтобы вращающий момент сохранял направление.

Путать направление условного тока с движением электронов. В металлическом проводнике электроны движутся противоположно условному направлению тока, поэтому при определении сил легко ошибиться. Проверяйте себя: в схемах направление тока указывают от положительного полюса источника к отрицательному.

Оставлять цепь надолго замкнутой или проводить опыт при плохих контактах. При длительном включении элементы могут нагреться, а ненадёжное соединение мешает правильно наблюдать работу двигателя. Замыкайте цепь кратковременно и перед опытом проверяйте контакты, затем сразу размыкайте её после наблюдения.

Связь с другими темами

Для выполнения работы нужно знать, что магнитное поле действует на проводник с током, и уметь определять направление силы по правилу левой руки. Эти знания помогают объяснить вращение рамки, а не просто зафиксировать его. Лабораторная работа продолжает изучение магнитного действия тока и показывает один из способов превращения энергии.

Понимание модели пригодится при изучении электродвигателей и электрических машин. В них также используют взаимодействие тока и магнитного поля, хотя устройство может быть сложнее школьной установки. Принцип преобразования электрической энергии в механическую помогает понять, как работают многие бытовые приборы и механизмы.

Что запомнить

• Электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую.
• На проводник с током в магнитном поле действует сила.
• Силы на противоположных сторонах рамки создают вращающий момент.
• Коллектор меняет направление тока в рамке через каждый пол-оборот.
• Щётки обеспечивают контакт неподвижной цепи с вращающимся коллектором.
• Изменение направления тока или магнитного поля меняет направление вращения.