Действие магнитного поля на ток. Электродвигатель

Магнитное поле действует на ток

Вокруг любого проводника с током существует магнитное поле — это вы уже знаете. Но верно и обратное: если поместить проводник с током во внешнее магнитное поле, на него начинает действовать сила. Это важнейшее явление лежит в основе работы электродвигателей — устройств, которые превращают электрическую энергию в механическую работу. Электродвигатели окружают нас повсюду: в транспорте, бытовой технике, на заводах.

Сила, действующая на проводник

Проводник с током, помещённый между полюсами магнита, выталкивается из магнитного поля — он приходит в движение. Это можно увидеть на простом опыте: лёгкий проводник, подвешенный между полюсами подковообразного магнита, при включении тока отклоняется в сторону. Направление этой силы зависит от направления тока в проводнике и от направления магнитных линий поля. Если поменять направление тока на противоположное, изменится и направление движения проводника.

Устройство электродвигателя

В простейшем электродвигателе есть рамка с током, помещённая в магнитное поле постоянного магнита. На две противоположные стороны рамки силы действуют в разные стороны: одну сторону выталкивает вверх, другую — вниз. Возникает пара сил, и рамка поворачивается. Чтобы вращение не остановилось на полуобороте, ток в рамке вовремя переключают с помощью коллектора — полуколец со скользящими щётками. Благодаря этому рамка вращается непрерывно.

электрическая энергия -> вращение рамки -> механическая работа

В настоящем двигателе вместо одной рамки — много витков провода, а вместо постоянного магнита часто используют электромагнит, дающий более сильное поле. Главные части двигателя: неподвижная часть со магнитом (её называют статор) и вращающаяся часть — якорь с обмотками.

Преимущества и применение

Электродвигатели удобны: у них высокий КПД, они не дают дыма и копоти, легко включаются и могут быть очень маленькими или очень мощными. Поэтому их применяют почти везде:

• в электротранспорте: трамваи, троллейбусы, электропоезда, электромобили;
• в бытовой технике: вентиляторы, миксеры, стиральные машины, пылесосы;
• в промышленности: станки, насосы, подъёмные краны, конвейеры.

Частые ошибки. Электродвигатель не «создаёт» и не «производит» энергию, а только превращает электрическую энергию в механическую. Не путайте его с электрогенератором, в котором происходит обратное превращение — механической энергии в электрическую.

Рамка в поле: момент силы и магнитный поток

В однородном поле на прямой участок проводника действует сила Ампера F = BIl sinβ, где β — угол между направлением тока и B. Для замкнутой рамки результирующая сила в однородном поле может быть нулевой, но силы создают вращающий момент. Для N витков M = NBIS sinα, где α — угол между нормалью к плоскости рамки и B. Не перепутайте угол с углом между самой плоскостью и полем.

У рамки S = 0,020 м², N = 10, I = 0,50 А, B = 0,20 Тл. Максимальный момент NBIS = 0,020 Н·м. При нормали вдоль поля α = 0 и момент нулевой; при нормали поперёк поля момент максимален. Это редакционный пример идеальной рамки.

Вращение может также создавать ЭДС

В двигателе ток и поле создают момент. В генераторе внешний привод поворачивает рамку, меняя поток. Для однородного поля поток через виток Φ = BS cosα. При равномерном вращении α = ωt + α₀: ЭДС определяется законом ε = −N dΦ/dt, а амплитуда ε₀ = NBSω. ω измеряется в рад/с; частота f = ω/(2π) — в герцах.

Если B = 0,20 Тл, S = 0,010 м², N = 50, ω = 100 рад/с, амплитуда ЭДС равна 10 В. При максимальном потоке мгновенная ЭДС равна нулю, а при нулевом потоке её модуль максимален: важен темп изменения потока, не только его значение.

Перемычка и переменное поле

Для стержня длиной l, движущегося перпендикулярно B так, что v×B направлено вдоль стержня, модуль ЭДС ε = Blv. При B = 0,40 Тл, l = 0,25 м, v = 2 м/с получим 0,20 В. В замкнутой цепи с полным сопротивлением 2 Ом и без существенной самоиндукции ток 0,10 А.

У неподвижного контура ЭДС тоже возможна, если B меняется во времени. Изменение B(t) не означает автоматически пространственную неоднородность: однородность описывает разные точки пространства в один момент. Для линейного изменения поля ε = NS|ΔB/Δt| при фиксированной ориентации нормали вдоль B.

Справочные материалы: Магнитное поле действует на ток — исходная тема. Связанные уроки: Что такое колебательный контур, Электростатика.

Кратко о главном

• На проводник с током в магнитном поле действует сила.
• Направление силы зависит от направления тока и магнитного поля.
• В электродвигателе рамка с током непрерывно вращается в магнитном поле.
• Непрерывность вращения обеспечивает коллектор со щётками.
• Электродвигатель превращает электрическую энергию в механическую.