Действие магнитного поля на проводник с током. Электродвигатели, электроизмерительные приборы

Ключевые слова: опыты Ампера, сила Ампера, правило левой руки, вектор магнитной индукции, электродвигатель, электроизмерительные приборы, электромагнитное реле.

На этом уроке вы научитесь:

• описывать действие магнитного поля на проводник с током, объяснять устройство и работу электродвигателя, электроизмерительных и электромагнитных приборов.

В повседневной жизни мы постоянно сталкиваемся с действием электрического тока: движение троллейбусов, работа на электрокарах, использование бытовой техники. Как же они работают? Что приводит их в движение?

Ампер, проводя опыты с проводниками, расположенными параллельно и подведенным к ним током (рис. 34.1), доказал, что их взаимодействие осуществляется посредством магнитного поля. Он высказал гипотезу: магнитное поле постоянного магнита должно действовать на проводник с током. Для того чтобы ее проверить, Ампер провел ряд опытов, помещая прямолинейный проводник с током в пространство между полюсами дугообразного магнита (рис. 34.1).

Пропуская ток по проводнику, Ампер установил, что магнитное поле всегда действует с определенной силой на проводник с током. Меняя силу тока, Ампер выяснил, что сила действия магнита на проводник с током увеличивается с увеличением силы тока. С увеличением длины проводника с током, находящегося в пространстве между полюсами дугообразного магнита, возрастает сила магнитного взаимодействия. В ходе опытов Ампер установил, что максимальной сила действия магнита на ток становится тогда, когда проводник располагается перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, и равна нулю, когда проводник с током устанавливается параллельно силовым линиям поля. Кроме этого, сила действия магнита на проводник с током зависит от самого магнитного поля, создаваемого магнитом. Обобщая результаты опытов, Ампер установил, что сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током, зависит прямо пропорционально от силы тока в проводнике, от длины его активной части (т. е. от длины той части, которая находится в магнитном поле), от величины магнитного поля и зависит от угла расположения проводника в магнитном поле.

$$F_A = BIl\sin\alpha.$$

Здесь $I$ — сила тока в проводнике, $l$ — длина части проводника, находящейся в магнитном поле, $B$ — вектор магнитной индукции (величина, характеризующая магнитное поле), $\alpha$ — угол между силовыми линиями магнитного поля и силой тока в проводнике.

Силу, с которой магнитное поле действует на проводник с током, называют силой Ампера.

Рис. 34.1

Под вектором магнитной индукции понимают векторную величину, которая является силовой характеристикой магнитного поля. Он обозначается символом $\vec{B}$.

Ампер установил, что при изменении направления тока и при изменении расположения полюсов магнита меняется направление силы Ампера. Так, в случае, изображенном на рисунке 34.2, сила Ампера направлена влево, но при изменении направления тока в проводнике (при изменении полярности источника) сила Ампера действует вправо и проводник будет выталкиваться из магнита. Аналогично направление силы Ампера меняется при повороте магнита на 90°.

Направление силы Ампера находят по правилу левой руки: если левую руку расположить так, чтобы силовые линии магнитного поля входили в ладонь, а четыре пальца руки направить по току, то отставленный под углом 90° большой палец покажет направление силы Ампера (рис. 34.2). Поясним использование этого правила и проиллюстрируем его другим рисунком (рис. 34.3).

Силовые линии магнитного поля между полюсами магнита будут направлены от северного полюса к южному. Именно такое направление укажет магнитная стрелка, помещенная в пространство между полюсами. Значит, чтобы линии входили в ладонь, необходимо отвернуть ее от себя, причем четырьмя пальцами вверх — по направлению тока. Тогда отогнутый большой палец укажет, что проводник будет смещаться вправо, что мы и наблюдаем в этом опыте.

Теперь становится понятно, почему, когда проводник с током перпендикулярен линиям индукции магнитного поля, сила максимальна и равна:

$$F_{max} = BI\Delta l.$$

Используя данную формулу, легко установить физический смысл вектора магнитной индукции.

Рис. 34.2

Рис. 34.3

Под вектором магнитной индукции следует понимать физическую величину, определяемую максимальной силой, с которой магнитное поле действует на проводник длиной 1 м, по которому течет ток 1 А.

$$B = \frac{F_{max}}{I\Delta l}.$$

В международной системе единиц индукция магнитного поля измеряется в теслах (Тл):

$$[B] = [\text{Тл}] = \left[\frac{\text{Н}}{\text{А} \cdot \text{м}}\right].$$

Эта единица названа в честь сербского физика Николы Тесла.

Никола Тесла (1856—1943).

Тесла — единица измерения индукции магнитного поля в Международной системе единиц, равная индукции такого однородного магнитного поля, в котором на 1 м длины прямого проводника, расположенного перпендикулярно вектору магнитной индукции, с током силой 1 А действует сила 1 Н.

Поместим между полюсами дугообразного магнита проводник с током в виде рамки (рис. 34.4).

Применив в правой и левой части рамки правило левой руки, найдем направление сил Ампера, действующих на них (рис. 34.4, а). Возникнет момент сил, поворачивающий рамку против часовой стрелки, и рамка установится перпендикулярно силовым линиям магнитного поля (рис. 34.4, б). Этот опыт показывает, что магнитное поле оказывает ориентирующее действие на рамку с током.

Рис. 34.4

Что произойдет, если в положении, изображенном на рисунке 34.4, б, ток выключить?

Рамка с током, поворачиваясь в магнитном поле в положении, изображенном на рисунке 34.4, б, будет двигаться с определенной скоростью, и если в этот момент времени ток в ней отключить, то она, продолжив по инерции свое движение, вернется в начальное положение (рис. 34.4, а). Теперь, если снова включить ток, рамка опять, пройдя те же промежуточные положения, повернется в положение (рис. 34.4, б), т. е. перпендикулярно силовым линиям магнитного поля. И если поступление тока регулировать так, чтобы он включался в момент (рис. 34.4, а) и выключался в момент (рис. 34.4, б), то рамка будет вращаться непрерывно. Мы получим модель электрического двигателя.

Запомните! Рамка поворачивается в магнитном поле из-за того, что на правый и левый провод рамки действуют силы Ампера, направленные в противоположные стороны, и относительно вертикальной оси, проходящей через центр рамки, они создают вращающий момент. Именно поэтому рамка и поворачивается.

Электрический двигатель — неоценимое изобретение человека. Благодаря этому устройству наша цивилизация за последние сотни лет ушла далеко вперед. Принцип работы электродвигателя изучают еще со школьной скамьи.

Каков же принцип действия электродвигателя, как он работает и каково его устройство?

На рисунке 34.5, б показано устройство электродвигателя, а на рисунке 34.5, а представлен принцип действия электродвигателя. Основные части электродвигателя: 1 — якорь (рамка, по которой пропускают ток), 2 — полюса магнита, 3 — корпус двигателя, 4 — щетки, 5 — коллектор, 6 — вентилятор.

Рассмотрим принцип создания механического движения с помощью электричества более подробно. На рисунке 34.5, а показан простейший электромотор. В однородном магнитном поле вертикально располагаем проволочную рамку и пропускаем по ней ток. Что происходит? Рамка поворачивается и по инерции двигается какое-то время до достижения горизонтального положения. Это нейтральное положение — мертвая точка — место, где воздействие поля на проводник с током равно нулю.

Рис. 34.5, а

Рис. 34.5, б

Чтобы движение продолжилось, нужно обеспечить переключение направления тока в рамке в нужный момент. Именно эта роль принадлежит коллектору — каждые пол-оборота переключать направление тока в рамке на противоположное.

Мы рассмотрели модель электродвигателя, которую можно изготовить своими руками.

Это интересно! Первый электродвигатель изобрел и изготовил Б. С. Якоби. Кроме этого, этот гениальный изобретатель создал первый буквопечатающий телеграфный аппарат и является основателем гальванопластики.

Борис Семенович Якоби (1801—1874).

На основе вращения рамки в магнитном поле работают электроизмерительные приборы. Они делятся на приборы магнитоэлектрической и электромагнитной системы.

Измерительные приборы магнитоэлектрической системы основаны на взаимодействии рамки с током с магнитным полем постоянного магнита (рис. 34.6, а). Рамка соединена с легкой стрелкой. По мере увеличения силы измеряемого тока, протекающего по рамке, сама рамка поворачивается в магнитном поле на больший угол, поворачивая при этом и стрелку. На схемах приборы магнитоэлектрической системы обозначаются так, как показано на рисунке 34.6, б. Приборы этой системы обладают высокой точностью и чувствительностью.

Рис. 34.6. а) устройство прибора: магнит, вращательная ось рамки, магнитный полюс, изолированный провод алюминиевой рамы, железный цилиндр, пружина; б) обозначение на схемах

Существует еще одно применение электромагнитных приборов — электромагнитное реле, которое предназначено для управления током большой мощности с помощью тока малой мощности.

Принцип работы электромагнитных реле основан на применении электромагнитных сил, которые возникают в металлическом сердечнике во время прохождения электрического тока по виткам его катушки. Над сердечником электромагнита устанавливается пластина (подвижный якорь), к которой крепятся от одного до нескольких контактов (рис. 34.7). Напротив закрепленных контактов устанавливают парные им неподвижные контакты.

Поддерживать якорь в исходном положении помогает закрепленная пружина. Во время подачи напряжения на электромагнит якорь начинает притягиваться, преодолевая сопротивление пружины, при этом, в зависимости от конструкции имеющегося реле, происходит размыкание или замыкание контактов. Если отключить напряжение, то благодаря пружине якорь вернется в исходное положение. Поэтому лампочка будет либо загораться, либо гаснуть.

Рис. 34.7. Электромагнитное реле: цепь 9 В управляет лампой на 220 В

Вопросы

1. Какая сила называется силой Ампера?
2. Как находят направление силы Ампера?
3. Каков физический смысл вектора магнитной индукции?
4. Как ведет себя рамка, по которой течет ток, попав в магнитное поле?
5. Где применяют свойство рамки с током поворачиваться в магнитном поле?
6. На рисунке 34.8 изображены четыре проводника с током, находящиеся в магнитном поле. Как движется каждый из этих проводников? Куда направлена сила, действующая на каждый из этих проводников?
7. Прямолинейный провод с током ($I$) расположен над полюсами подковообразного магнита (рис. 34.9). Будет ли перемещаться провод под действием поля магнита, если он может свободно двигаться во всех направлениях?
8. К подвешенному на тонких нитях кольцевому проводнику, по которому идет ток, подняли магнит северным полюсом (рис. 34.10). Проводник притянулся. Каково направление тока в проводнике?

Рис. 34.8, рис. 34.9 и рис. 34.10