§ 15. Дія магнітного поля на рамку зі струмом

• Назад до змісту

ПИТАННЯ ДЛЯ ОБГОВОРЕННЯ

Як, на вашу думку, поводитиметься рамка?

Після замикання електричного кола рамка почне обертатися навколо горизонтальної осі. Це відбувається тому, що під час проходження електричного струму через рамку, розміщену в магнітному полі неодимових магнітів, на її протилежні сторони діють сили Ампера протилежного напрямку, які створюють обертальний момент.

Визначте напрямок сили, що діє з боку магнітного поля на провідник зі струмом (а–г).

За правилом лівої руки напрямок сили Ампера для кожного випадку є таким:
а) сила Ампера напрямлена вертикально вгору;
б) сила Ампера напрямлена вертикально вниз;
в) сила Ампера дорівнює нулю ($F_{\text{А}} = 0$), оскільки провідник розташований паралельно лініям магнітної індукції;
г) сила Ампера дорівнює нулю ($F_{\text{А}} = 0$), оскільки провідник розташований паралельно лініям магнітної індукції.

Переконайтеся, що для кожного з положень рамки напрямки сил зазначені правильно.

За застосуванням правила лівої руки для рисунка 15.1 напрямки сил зазначені правильно:

1. Лінії магнітної індукції напрямлені від північного полюса $N$ (ліворуч) до південного $S$ (праворуч). Долоню лівої руки розміщують так, щоб магнітні лінії входили в неї (долонею ліворуч).
2. У положенні а: у стороні $AB$ струм тече від спостерігача, тому сила Ампера $\vec{F}_1$ напрямлена вгору; у стороні $CD$ струм тече до спостерігача, тому сила Ампера $\vec{F}_2$ напрямлена вниз.
3. У положенні б (положення рівноваги): сила $\vec{F}_1$ напрямлена вгору, сила $\vec{F}_2$ напрямлена вниз; вони діють уздовж однієї прямої та розтягують рамку, не створюючи обертального моменту.
4. У положенні в: після проходження положення рівноваги сила $\vec{F}_1$ напрямлена вгору, а сила $\vec{F}_2$ — вниз, що створює обертальний момент у напрямку проти ходу годинникової стрілки.

Доведіть, що в положеннях а і в рамки (див. рис. 15.2) сили Ампера обертатимуть рамку за ходом годинникової стрілки.

У положенні а струм від позитивного полюса джерела проходить через ліву щітку та півкільце колектора в ліву сторону рамки в напрямку від спостерігача, а через праву сторону — до спостерігача. За правилом лівої руки на ліву сторону діє сила Ампера, напрямлена вгору, а на праву сторону — напрямлена вниз, що повертає рамку за ходом годинникової стрілки.
Під час проходження рамкою положення рівноваги (положення б) півкільця колектора повертаються разом із рамкою та змінюють щітки, до яких вони притиснуті.
У положенні в напрямок струму в сторонах рамки змінюється на протилежний: у лівій стороні рамки струм знову тече від спостерігача, а в правій — до спостерігача. Унаслідок цього на ліву сторону рамки продовжує діяти сила Ампера, напрямлена вгору, а на праву — напрямлена вниз. Таким чином, сили Ампера продовжують обертати рамку в тому самому напрямку — за ходом годинникової стрілки.

Чи налічує об’єднаний перелік тридцять пристроїв?

Так, об’єднаний перелік налічує тридцять і більше пристроїв. Електродвигуни широко використовуються в побутовій техніці (пральна машина, холодильник, пилосос, міксер, блендер, кухонний комбайн, фен, електробритва, електрична зубна щітка, вентилятор, кондиціонер, витяжка, швейна машина, кавомолка, м’ясорубка), у транспортних засобах (електросамокат, електровелосипед, електромобіль, трамвай, тролейбус, електровоз, ліфт, ескалатор), в електроінструментах (дриль, шурупокрут, болгарка, циркулярна пила, газонокосарка) та в комп’ютерній чи офісній техніці (кулер охолодження, принтер, жорсткий диск, дисковод, квадрокоптер, керована іграшка).

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Чому рамка зі струмом повертається в магнітному полі? чому зупиняється?

Рамка зі струмом повертається в магнітному полі під дією сил Ампера, які діють на її протилежні сторони в протилежних напрямках. Рамка зупиняється через те, що після проходження положення рівноваги сили Ампера починають повертати її у зворотному напрямку, зумовлюючи коливання, які згодом припиняються внаслідок дії сил тертя.

2. Назвіть основні частини електродвигуна. Яка з них «відповідає» за безперервне обертання ротора електродвигуна?

Основними частинами електродвигуна є рухома частина — ротор (що складається з осердя з обмотками, колектора та осі), нерухома частина — статор, а також щітки. За безперервне обертання ротора в одному напрямку відповідає колектор, який автоматично змінює напрямок струму в обмотці під час проходження положення рівноваги.

3. Що являє собою статор електродвигуна?

Статор являє собою нерухому частину електродвигуна, яку утворює електромагніт, закріплений усередині корпусу пристрою.

4. Назвіть переваги електричних двигунів порівняно з тепловими.

Перевагами електричних двигунів порівняно з тепловими є вищий ККД, компактність, економічність, відсутність шкідливих викидів у довкілля та легке керування потужністю.

5. Опишіть будову та принцип дії вимірювальних приладів магнітоелектричної системи.

Вимірювальний механізм приладів магнітоелектричної системи складається з постійного нерухомого магніту, нерухомого осердя, рамки, закріпленої на півосях, спіральних пружин, стрілки та шкали. Принцип дії ґрунтується на повертанні рамки зі струмом у магнітному полі під дією сил Ампера: під час проходження струму рамка разом зі стрілкою повертається, закручуючи спіральні пружини, поки момент сил пружності не зрівноважить момент сил Ампера.

ВПРАВА № 15

1. Назвіть 5 пристроїв, до складу яких входить електродвигун.

До пристроїв, до складу яких входить електродвигун, належать пральна машина, кухонний комбайн, електричний самокат, вентилятор та електродриль.

2. Установіть відповідність між складником електричного двигуна (1–4) та його призначенням (А–Д).

Правильна відповідність: 1 — В, 2 — Д, 3 — А, 4 — Б.

3. На рисунку зображено рамку зі струмом, яка повертається в магнітному полі постійного магніту. Визначте напрямок струму в рамці.

За ходом годинникової стрілки.

Лінії магнітного поля спрямовані від полюса N до S (справа наліво). Стрілка обертання показує, що ліва частина рамки рухається від нас (вглиб сторінки). За правилом лівої руки: якщо розташувати ліву руку так, щоб лінії магнітного поля входили в долоню (долоня дивиться вправо), а відігнутий на 90° великий палець вказував напрямок сили (від нас), то чотири витягнуті пальці покажуть напрямок струму вгору. Відповідно, у лівій частині рамки струм тече вгору, а в правій — вниз, що створює рух струму за годинниковою стрілкою.

4. Чи зміниться напрямок руху рамки, зображеної на рис. 15.1, у разі зміни полюсів магніту? Якщо зміниться, то як? Відповідь обґрунтуйте.

Так, напрямок руху рамки зміниться на протилежний. У разі зміни полюсів магніту напрямок ліній магнітної індукції змінюється на протилежний, тому за правилом лівої руки напрямок сил Ампера також змінюється на протилежний, і рамка починає повертатися в протилежний бік.

5. На затискачах вимірювальних приладів магнітоелектричної системи зазначено полярність («+» і «–»). Що буде, якщо, вмикаючи прилад, не дотриматися полярності?

Якщо не дотриматися полярності, напрямок струму в рамці зміниться на протилежний, через що сили Ампера повернуться в протилежний бік і стрілка приладу відхилиться за нульову позначку шкали праворуч або ліворуч, що може спричинити її деформацію або вихід приладу з ладу.

6. Електричний самокат живиться від акумуляторної батареї 36 В. Визначте силу струму, який протікає в обмотці його двигуна, якщо час розгону до швидкості 18 км/год становить 5 с. Маса людини разом із самокатом дорівнює 60 кг. Втратами енергії знехтуйте.

Дано:
$U = 36\text{ В}$
$v = 18\text{ км/год} = 5\text{ м/с}$
$t = 5\text{ с}$
$m = 60\text{ кг}$
$I - ?$

Розв’язання:
Згідно із законом збереження енергії, робота електричного струму $W$ повністю перетворюється на кінетичну енергію $E_{\text{к}}$ руху самоката:
$W = E_{\text{к}}$

Робота електричного струму:
$W = U \cdot I \cdot t$

Кінетична енергія:
$E_{\text{к}} = \dfrac{m \cdot v^2}{2}$

Прирівняємо вирази для роботи та кінетичної енергії:
$U \cdot I \cdot t = \dfrac{m \cdot v^2}{2}$

Виразимо силу струму $I$:
$I = \dfrac{m \cdot v^2}{2 \cdot U \cdot t}$

Підставимо числові значення:
$I = \dfrac{60 \cdot 5^2}{2 \cdot 36 \cdot 5} = \dfrac{60 \cdot 25}{360} = \dfrac{1500}{360} \approx 4{,}2\text{ А}$

Відповідь: сила струму в обмотці двигуна становить приблизно $4{,}2\text{ А}$.

7. У саморобному електродвигуні, який пропонувалося виготовити на початку параграфа, колектор відсутній. Чому рамка не зупиняється кожні чверть оберту, а продовжує обертання в одному напрямку?

Рамка продовжує обертання в одному напрямку завдяки явищу інерції під час проходження положення рівноваги та специфіці зняття ізоляції з виводів дроту, завдяки чому струм подається лише протягом половини оберту і сили Ампера не гальмують її рух у другій половині оберту.

8. Електричні двигуни мають низку переваг перед тепловими. Чому тоді людство не відмовляється від застосування теплових двигунів?

Людство продовжує використовувати теплові двигуни через їхню високу автономність, незалежність від наявності електромереж та зарядок, а також високу густину енергії рідкого та газоподібного палива, що забезпечує значний запас ходу і високу мобільність.

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ЗАВДАННЯ

Як можна змінити напрямок обертання ротора на протилежний?

Напрямок обертання ротора можна змінити на протилежний двома способами: змінивши напрямок струму в обмотці (помінявши місцями полюси джерела живлення) або змінивши напрямок ліній магнітної індукції (змінивши розташування полюсів магніту).

TOP SKILLS: РОБОТА З ІНФОРМАЦІЄЮ

1. За рисунком і текстом визначте, яка частина гучномовця коливається, створюючи звук.

Правильна відповідь: В Дифузор.

2. Поясніть, як зміна сили струму в котушці впливає на рух дифузора. У відповіді використайте поняття «сили Ампера», «коливання».

Зміна сили струму в котушці спричиняє відповідну зміну сили Ампера, яка діє на її витки в магнітному полі. Унаслідок цього котушка разом із закріпленим на ній дифузором здійснює механічні коливання в такт змінам сили струму, що створює звукову хвилю.

3. Обґрунтуйте, чому коливання дифузора відбуваються саме в напрямку вперед-назад, а не вбік.

Лінії магнітної індукції постійного магніту спрямовані перпендикулярно до витків котушки. Згідно з правилом лівої руки, сила Ампера, яка діє на провідники зі струмом у такому магнітному полі, напрямлена уздовж осі керна, що й змушує котушку з дифузором рухатися саме в напрямку вперед-назад.

4. Які зміни в роботі гучномовця спостерігатимуться, якщо: а) прибрати постійний магніт; б) шматочок заліза випадково потрапить між котушкою та магнітом?

а) За відсутності постійного магніту зникне магнітне поле, тому сила Ампера не виникатиме, дифузор перестане коливатися, і гучномовець припинить відтворювати звук.
б) Якщо шматочок заліза потрапить між котушкою та магнітом, він притягнеться магнітом і заклинить котушку, перешкоджаючи її вільному руху, що призведе до спотворення звуку або повного зупинення коливань.