§ 16. ДОСЛІДЖУЄМО ДІЮ МАГНІТНОГО ПОЛЯ НА РАМКУ ЗІ СТРУМОМ

• Назад до змісту довідника

ПОМІРКУЙТЕ

Якщо прямий провід втягується або виштовхується з підковоподібного магніту, то як поведе себе цей провід, зігнутий у вигляді прямокутної рамки?

Провід, зігнутий у прямокутну рамку, у магнітному полі почне повертатися навколо своєї осі. По протилежних сторонах такої рамки струм протікає в протилежних напрямках. Через це сили Ампера штовхають сторони рамки у протилежні боки і створюють обертальний момент.

ДОСЛІДЖУЙ

Розглянь малюнок 16.1. Застосуй свої знання та вкажи, у якому напрямі рухатимуться сторони АБ і ВГ рамки, якою проходить електричний струм. За можливості перевір свою відповідь практично.

На сторони рамки діють сили Ампера, напрямок яких визначаємо за правилом лівої руки:

1. Магнітні лінії виходять із північного полюса $N$ (синій колір) і входять у південний полюс $S$ (червоний колір), тобто напрямлені справа наліво.
2. Розташуємо ліву руку так, щоб лінії поля входили в долоню (долоня повернута праворуч до полюса $N$).
3. Для сторони АБ струм тече вниз, чотири пальці спрямовані вниз, а відігнутий великий палець вказує від спостерігача (вглиб магніту). Сторона АБ втягується всередину магніту.
4. Для сторони ВГ струм тече вгору, чотири пальці спрямовані вгору, а відігнутий великий палець вказує до спостерігача (назовні з магніту). Сторона ВГ виштовхується назовні.

Внаслідок дії цих двох протилежних сил рамка повертатиметься за годинниковою стрілкою (якщо дивитися на неї зверху).

ДУМАЙ

1. Чому рамка зі струмом повертається у зовнішньому магнітному полі? У якому випадку вона зупиняється?

Рамка повертається під дією сил Ампера, які прикладаються до її протилежних сторін. Оскільки струми в цих сторонах течуть у протилежних напрямках, сили Ампера також мають протилежні напрямки й утворюють обертальний момент.

Рамка зупиняється тоді, коли досягає положення рівноваги і її площина стає перпендикулярною до ліній магнітної індукції. У цьому стані сили Ампера діють уздовж однієї прямої в протилежні боки і лише розтягують рамку, тому обертальний момент дорівнює нулю.

2. У якому випадку рамка в магнітному полі не просто повертається, а обертається?

Рамка буде неперервно обертатися, якщо в момент проходження нею положення рівноваги (через кожні пів оберта) автоматично змінювати напрямок струму в ній на протилежний. Тоді сили Ампера змінюють свій напрямок і продовжують повертати рамку в тому самому напрямку.

3. У чому полягають принцип дії та будова електродвигуна постійного струму?

Принцип дії електродвигуна постійного струму полягає в перетворенні електричної енергії на механічну енергію обертання завдяки дії магнітного поля на обмотку зі струмом.

Електродвигун складається з таких основних частин:

• Статор — нерухома частина двигуна, яка створює магнітне поле (постійний магніт або електромагніт).
• Ротор (якір) — обертова частина, що складається зі сталевого циліндра та намотаної на нього обмотки з ізольованого дроту.
• Вал — металевий стрижень, на якому закріплений ротор і який передає рух на механізми.
• Колектор — розрізане на півкільця мідне кільце, закріплене на валу.
• Щітки — нерухомі ковзні контакти, які притискаються до колектора та подають струм від джерела живлення.

4. Для чого в конструкції електродвигуна передбачено колектор?

Колектор автоматично перемикає напрямок електричного струму в обмотці ротора кожні пів оберта. Завдяки цьому обертальний момент постійно діє в одному напрямку, і ротор здійснює безперервне кругове обертання замість коливань чи зупинки в положенні рівноваги.

ДІЙ. ВИКОНАЙ ДОСЛІДЖЕННЯ

1. Під’єднайте модель електродвигуна до джерела електричного струму і ключа, з’єднавши їх послідовно. Замкніть ключ і спостерігайте за роботою електродвигуна. Переключивши дроти, змініть напрям струму в колі. Спостерігайте за роботою електродвигуна. Зробіть висновок.

При замиканні ключа ротор електродвигуна починає швидко обертатися в одному напрямку. Після розмикання ключа та зміни підключення проводів на клемах джерела живлення напрямок струму в колі змінюється на протилежний. Під час повторного замикання ключа ротор двигуна починає обертатися у зворотний бік.

Висновок: напрямок обертання ротора електродвигуна постійного струму залежить від напрямку електричного струму в його обмотці. Зміна полярності живлення змінює напрямок сили Ампера та зумовлює обертання вала у зворотний бік.

2. Виготовте власноруч електричний двигун. Відеоінструкцію знайдіть у мережі «Інтернет».

Для складання найпростішого електродвигуна знадобляться: пальчикова батарейка (тип AA або D), неодимовий магніт у формі диска, 1 метр мідного лакованого дроту діаметром близько $0{,}5\text{ мм}$ та дві металеві канцелярські скріпки.

Порядок дій:

1. Намотуємо дріт навколо круглої батарейки, зробивши 12–15 витків, щоб утворити акуратне дротяне кільце. Кінці дроту виводимо з протилежних боків кільця вздовж однієї осі та закріплюємо ними витки.
2. Готуємо саморобний колектор: з одного кінця осі повністю зчищаємо лакову ізоляцію за допомогою наждачного паперу або ножа. З другого кінця осі лак зчищаємо тільки з одного боку (з верхньої половини дроту уздовж осі). Завдяки цьому струм надходитиме в обмотку імпульсами лише протягом половини оберту, а другу половину оберту котушка долатиме за інерцією.
3. Розгинаємо дві канцелярські скріпки так, щоб угорі утворилися петлі для встановлення осі, і фіксуємо їх скотчем або резинкою до полюсів батарейки («+» і «–»).
4. На батарейку зверху (між скріпками прямо під котушкою) кладемо постійний магніт.
5. Вкладаємо кінці осі котушки в петлі скріпок і злегка підштовхуємо її пальцем. Двигун починає самостійно й швидко обертатися.