Индуктор. Якорь. Электрическая обмотка. Коллектор. Электрические щетки

Постоянное магнитное поле проводников с током. Магнитная стрелка. Вектор индукции магнитного поля В. Силовые магнитные линии. Закон Ампера. Закон Био-Савара-Лапласа. Сила Лоренца. Поведение рамки с током в постоянном магнитном поле. Мотор на постоянном токе.

1.Постоянное магнитное поле проводников с током.

Магнитное поле – особый вид материи, порождаемый движущимися электрическими зарядами, токами и намагниченными телами. Обнаруживается по действию на электрические заряды, токи и намагниченные тела.

2. Магнитная стрелка. Направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением оси магнитной стрелки в поле (от южного полюса к северному). Рис. 67

3.Вектор индукции магнитного поля В.

Силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции В.

4. Силовые магнитные линии

Если продеть через картон толстый проводник и пропустить по нему электрический ток, то стальные опилки, насыпанные на картон, расположатся вокруг проводника по концентрическим окружностям, представляющим собой в данном случае так называемые магнитные лини. Мы можем передвигать картон вверх или вниз по проводнику, но расположение стальных опилок не изменится. Следовательно, магнитное поле возникает вокруг проводника по всей его длине.

Если на картон поставить маленькие магнитные стрелки, то, меняя направление тока в проводнике, можно увидеть, что магнитные стрелки будут поворачиваться (рис. 69). Это показывает, что направление магнитных линий меняется с изменением направления тока в проводнике. Рис. 68

5. Закон Ампера.

Зако́н Ампе́ра — закон взаимодействия электрических токов.Из закона Ампера следует, что параллельные проводники с электрическими токами, текущими в одном направлении, притягиваются, а в противоположных — отталкиваются.

Сила Ампера – сила, действующая со стороны магнитного поля на проводник с током.

где I – сила тока в проводнике, В – индукция магнитного поля, l – длина проводника, α – угол между направлением тока в проводнике и вектором В.

Направление силы ампера определяют оп правилу левой руки – если расположить левую руку так, чтобы линии индукции В входили в ладонь, а вытянутые пальцы были направлены вдоль тока, то отведенный большой палец укажет направление силы, действующей на проводник.

Параллельные проводники притягиваются, когда токи в них протекают в одном направлении, и отталкиваются, когда токи в них имеют противоположные направления. Но независимо от направления токов модуль силы взаимодействия проводников имеет одно и от же значение

6. Сила Лоренца – сила, действующая со стороны магнитного поля на движущийся в нем заряд.

Где q –модуль заряда, B – индукция магнитного поля, v – скорость заряда, α – угол между векторами v и В.

Направление силы Лоренца, действующей на положительный заряд, определяют по правилу левой руки – если расположить левую руку так, чтобы линии индукции В входили в ладонь, а вытянутые пальцы указывали направление движение заряда, то отведенный большой палец укажет направление силы, действующей на заряд.

Если заряд отрицательный (например, электрон), то направление силы, определенное по правилу левой руки, надо изменить на противоположное.

3 случая движения заряженных частиц в магнитном поле:

1) Если частица движется в магнитном поле вдоль линий магнитной индукции (угол α – угол между векторами v и В равен нулю), то сила Лоренца тоже равна нулю

2) Если частица движется в магнитном поле перпендикулярно линиям магнитной индукции (угол α – угол между векторами v и В равен 90^о), то сила Лоренца будет равна

а траектория движения будет представлять окружность радиуса R:

в этом случае период вращения частицы:

Частота вращения частицы:

угловая скорость:

3) Вектор скорости частицы направлен под некоторым углом α к вектору магнитной индукции

В этом случае удобно разложить скорость на две составляющие, одна из которых параллельна полю (равномерное прямолинейное движение), а другая перпендикулярна к полю (равномерное движение по окружности)

7.Закон Био Савара Лапласа определяет величину модуля вектора магнитной индукции в точке выбранной произвольно находящейся в магнитном поле. Поле при этом создано постоянным током на некотором участке.

Формулировка закона Био Савара Лапласа имеет вид: При прохождении постоянного тока по замкнутому контуру, находящемуся в вакууме, для точки, отстоящей на расстоянии r0, от контура магнитная индукция будет иметь вид.

Формула 1 — Закон Био Савара Лапласа

где I ток в контуре

гамма контур, по которому идет интегрирование

r0 произвольная точка

Возьмём элементарный участок проводника с током dl, он будет создавать в некоторой точке индукцию магнитного поля dB. dl это элементарный вектор направление, которого совпадает с направлением тока в контуре. r радиус вектор, направленный от dl к точке наблюдения. А вектор dB направлен перпендикулярно элементарному участку проводника dl и одновременно перпендикулярно радиус вектору r.

То есть, проще говоря, элементарный вектор индукции dB направлен перпендикулярно плоскости образованной вектором dl и r. А его направление совпадает с направлением касательной к магнитной индукции. Определить это направление можно с помощью правела правого винта. Применяется оно таким образом.

 

Рисунок 1 — иллюстрация к закону Био Савара Лапласа

В случае если поступательное движение винта направлено в сторону движения тока, то направление вращения головки винта указывает направление dB.

 

Формула 2 — определяет модуль вектора dB

 

где альфа это угол между векторами элементарного участка цепи dl и радиус-вектором r.

8. Поведение рамки с током в постоянном магнитном поле.

Однородное магнитное поле ориентирует рамку (т.е. создается вращающий момент и рамка поворачивается в положение, когда вектор магнитной индукции перпендикулярен плоскости рамки).

Неоднородное магнитное поле ориентирует + притягивает или отталкивает рамку с током.

Так, в магнитном поле прямого проводника с током (оно неоднородно) рамка с током ориентируется вдоль радиуса магнитной линии и притягивается или отталкивается от прямого проводника с током в зависимости от направления токов.

Мотор на постоянном токе.

Для преобразования электрической энергии постоянного тока в механическую энергию используются электрические двигатели постоянного тока. Устройство двигателя постоянного тока поясняется моделью на рисунке

Действие электродвигателя постоянного тока основано на использовании явления действия магнитного поля на проводник с током.

Индуктор. Якорь. Электрическая обмотка. Коллектор. Электрические щетки

В электродвигателе между двумя полюсами электромагнита, называемого индуктором, располагается стальной цилиндр – якорь, способный свободно вращаться вокруг своей оси. В стальном цилиндре имеются прорези, в которые уложены провода электрических обмоток

Каждая электрическая обмотка изолирована от цилиндра, а её концы соединены с двумя расположенными друг против друга медными пластинами на одном торце якоря. Концы каждой обмотки подводятся к своей паре медных пластин, все медные пластины изолированы друг т друга и образуют цилиндрический коллектор. С двух противоположных сторон к коллектору прижимаются графитные электрические щетки.

Для приведения электродвигателя в действие пропускается постоянный электрический ток через обмотку электромагнита и подводится постоянное напряжение к щеткам. Щетки соединяются с выводами той обмотки, плоскость которой совпадает с вектором индукции магнитного поля электромагнита.

При прохождении тока через эту обмотку на провода обмотки, расположенные перпендикулярно вектору В индукции магнитного поля действует сила Ампера . Ток в противоположных сторонах обмотки имеет противоположное направление,поэтому и силы Ампера, приложенные к двум сторонам обмотки, направлены противоположно. Совместное действие этих двух сил вызывает поворот якоря. При небольшом повороте якоря контакт щеток коллектора с первой обмоткой разрывается, и щетки соединяются c концами следующей обмотки, плоскость которой в настоящий момент совпадает с вектором В индукции. Силы Ампера вновь поворачивают якорь и т.д. в каждый момент к щеткам подключается новая обмотка, и вращение якоря продолжается. Электродвигатели постоянного тока приводят в движение колеса электропоездов, рамваев, троллейбусов.