Физика

 

 

Здравствуйте.

Мы уже говорили на предыдущем уроке о действие магнитного поля, когда обсуждали вопрос, связанный с электромагнитом.

А сегодня нам предстоит поговорить еще об очень важном применении магнитного поля, и эта тема связана с взаимодействием магнитного поля и проводника, по которому протекает ток.

Тема нашего сегодняшнего урока так и звучит: «Взаимодействие магнитного поля с проводником с током».

И вторая часть нашего разговора называется «Электродвигатель».

Вот мы сейчас выясним, как связаны действие магнитного поля с проводником, по которому протекает ток, и электродвигатель.

 

В первую очередь, конечно, хотелось бы напомнить о том, что в 1820 году после знаменитого опыта, открытия магнитного поля датским ученым Эрстедом за исследование магнитного поля взялись многие ученые, и, конечно, первым из них мы можем считать Ампера. И Амперу удалось установить, прежде всего, взаимодействие токов между собой. Именно это взаимодействие протекает за счет магнитного поля, т.е. не только электрический ток, протекающий по проводнику, взаимодействует с магнитной стрелкой, но и сами электрические токи взаимодействуют друг с другом.

 

Мы говорили, что одно из свойств магнитного поля заключается в том, что магнитное поле действует на проводники тока, то есть на другой электрический ток.

 

Давайте обратимся к опытам Ампера и рассмотрим, что такого там установил Ампер.

В своих опытах Андре Ампер рассматривал следующие ситуации.

Рисунок

Он брал два параллельных проводника и по этим двум проводникам пропускал электрический ток. В первом случае он пропустил эти токи в одном направлении и пронаблюдал, вот здесь пунктиром показано, что эти токи притягиваются друг к другу, т.е. магнитное поле одного тока действует на магнитное поле другого электрического тока, в результате чего наблюдается их притяжение. Если по двум параллельным проводникам пропускался электрический ток в разных направлениях, как на этом рисунке представлено, т.е. в одном направлении и в другом, то в этом случае магнитные поля взаимодействовали таким образом, что проводники отталкивались.

 

На сегодняшний день мы можем сказать, что каждое поле характеризуется своими полюсами: южным и северным. Значит, в первом случае мы наблюдали взаимодействие разноименных полюсов, которые создаются магнитными полями токов, а в другом – одноименными полюсами, тоже создающимися электрическими токами.

 

Самое интересное, что из этого опыта был сделан следующий вывод: раз проводник, по которому протекает электрический ток, взаимодействует с магнитным полем другого проводника, по которому тоже протекает ток, не может ли такой проводник взаимодействовать с магнитным полем постоянного магнита?

 

Был проведен следующий эксперимент, посмотрите, пожалуйста.

Вот здесь на двух легких подводящих проводниках, вот один проводник и второй проводник, был укреплен другой проводник, горизонтально располагающийся. И поместили этот проводник между полюсами дугообразного магнита. Сверху оказался северный полюс магнита, а внизу оказался южный полюс магнита. Когда цепь замкнули, обратите внимание, плюс с этой стороны, минус с этой стороны, ток пошел по проводнику в определенном направлении, то выяснилось, что этот проводник качнулся внутрь этого постоянного магнита. Вот по этой стрелке проводник как бы втягивался внутрь этого магнита. Если же полярность изменяли, т.е. там, где был минус, подключали плюс, а там, где был плюс, подключали минус, то этот проводник наоборот выталкивался из магнитного поля в противоположном направлении. И таким образом, можно было наблюдать движение проводника в магнитном поле.

 

О чем это говорит?

Этот опыт говорит о том, что взаимодействуют проводники тока, по которым протекает электрический ток, с магнитным полем постоянного магнита. Точно так же, как если бы это были два магнита, или точно так же, как это были бы два проводника с токами.

 

К чему это все в итоге привело?

А привело это к следующим, достаточно любопытным исследованиям. Если мы теперь, как мы уже говорили однажды, возьмем катушку, каркас и на каркас намотаем большое количество изолированного провода и поместим эту катушку внутрь магнитного поля, то эта катушка будет там поворачиваться. То есть она будет определенным образом разворачиваться в магнитном поле. Давайте посмотрим на рисунок, чтобы четче понять, как это происходит.

 

Рисунок

Итак, посмотрите, пожалуйста, на следующий рисунок. Здесь между двумя магнитами (посмотрите, пожалуйста: вот это южный магнит, а с другой стороны располагается северный) располагается рамка. По рамке протекает электрический ток вот в таком направлении, в котором мы здесь указали, т.е. подводящие провода, рамка представляет собой каркас, на который намотана проволока, и по проволоке пропускается электрический ток. В результате взаимодействия проводников, по которым протекал ток с магнитным полем постоянных магнитов, которые вот здесь с двух сторон располагаются, мы наблюдаем поворот этой рамки. Рамка развернется на 90°.

Если мы изменим направление электрического тока в такой рамке, то рамка развернется еще на 90°.

Такие исследования привели к тому, что мы можем создать устройство, которое будет обеспечивать непрерывное вращение рамки в магнитном поле. То есть создается магнитное поле постоянным магнитом, внутрь этого магнита мы помещаем рамку, по которой протекает электрический ток, и, изменяя всякий раз направление тока, мы каждый раз будем заставлять рамку поворачиваться.

 

Обращаю ваше внимание на то, что в этом случае мы получаем не что иное, как первый электродвигатель.

То есть, если теперь на вал к этой рамке присоединить, например, колесо, то оно будет вращаться, и мы получаем уже устройство, которое можно ставить на транспорт: трамваи, троллейбусы, электровозы и т.д.

 

Обращаю ваше внимание, что здесь на столе представлен школьный разборный, коллекторный, он так называется, коллекторный электродвигатель постоянного тока. Давайте посмотрим, как он устроен и из каких частей состоит.

 

Итак, посмотрите, пожалуйста, вот здесь представлен один из таких электродвигателей. Посмотрите, пожалуйста, он, в общем-то, состоит из трех частей.

 

Что это за части?

Во-первых, это статор. Статор в переводе с латинского означает “неподвижный”. Это означает, что есть в этом двигателе часть, которая остается неподвижной. Роль статора в данном случае играет магнит, посмотрите, пожалуйста, вот здесь с двух сторон, посмотрите, с одной стороны, с другой стороны располагаются магниты. Замкнуты они на железный сердечник, поэтому магнитное поле в данном случае, как вы уже знаете, достаточно большое.

 

Вторая часть электромагнита называется ротором.

Ротор в переводе с латинского означает “подвижный”. Еще иногда эту часть называют якорем.

 

Что она собой представляет?

Посмотрите, пожалуйста, это видоизмененная рамка, вот она. Намотанная проволока на эту рамку, в определенном порядке она располагается внутри магнитного поля, которое этим магнитом создается. Естественно, ротор может вращаться.

 

И третья часть, это самое, пожалуй, важное.

Как все-таки электрический ток в этой рамке переключать?

Переключается он при помощи коллекторных пластинок. Обратите внимание, вот с этой стороны эти коллекторные пластины находятся.

Вот они, посмотрите, пожалуйста, вот они, медные. Они здесь видны, такого красноватого оттенка. Вот одна пластина и полукольцо, если мы повернем, обратите внимание – вторая пластинка.

И далее к этим пластинам прижаты скользящие контакты. Иногда их называют графитовыми щетками, заменяют графитовыми щетками. У нас это просто контакты, выполненные из меди.

 

Такой электрический двигатель может совершенно спокойно работать, если к этим клеммам подвести электрический ток.

 

Как работает электрический двигатель?

Работа его происходит следующим образом. Когда мы подключаем электрический ток к контактам, естественно, в рамке протекает электрический ток. Этот электрический ток, взаимодействуя с магнитным полем статора, заставляет рамку повернуться. Рамка поворачивается, и вместе с рамкой поворачиваются пластины коллектора. Как только они повернулись на 90°, существует между ними разрез, они разделены, эти коллекторные пластины, они тут же по инерции, проскакивая дальше, соединяются со следующими контактами, тем самым происходит автоматическое переключение контактов и вновь протекает электрический ток в том направлении, в котором нам необходимо. Это приводит к тому, что при вращении такого ротора каждый раз при повороте происходит переключение электрического тока в рамке, и он протекает то в одну сторону, то в другую. При этом ротор этого самого двигателя вращается все время в одну сторону. Если мы поменяем полюса подключения, то и, соответственно, ротор, или якорь этого двигателя начнет вращаться в другую сторону.

 

Такие двигатели, конечно, гораздо больше, мощнее, располагаются, как я уже сказал, и в трамваях, и в троллейбусах, и в метро, очень широко используются. Они достаточно удобны и просты, поэтому получили такое широкое распространение. И самое важное заключается в том, что работают они, как вы видели, без тесного контакта между частями, т.е. трущихся, взаимодействующих частей здесь достаточно немного.

 

В заключение сегодняшнего урока мне бы хотелось сказать, что электродвигатели – это только часть использования действия магнитного поля на проводник с током. В науке очень часто используются еще взаимодействия магнитного поля с движущимися электрическими зарядами, именно таким образом исследуются и открываются новые частицы.

 

Но об этом мы с вами поговорим в старших классах.

А на сегодня до свидания.