Меню

Опыт с рамками с током

ВРАЩЕНИЕ РАМКИ С ТОКОМ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ

date image2015-05-12
views image30849

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Принцип работы электродвигателя.

Если по проволочной рамке в магнитное поле пропустить эл ток, то рамка (контур с током) вращается. Это явление лежит в основе работы электродвигателя.

Рисунок 1.

Вращение рамки происходит вследствие действия силы Ампера на проводник с током.

1. Магнитный момент контура с током.

Магнитный момент

— сила тока в контуре, — площадь поверхности, охватываемой контуром.

– вектор, направленный перпендикулярно поверхности контура (по «нормали» к его поверхности) и связанный с направлением тока в нем правилом правого винта.

Рис.3, а).

Рис.3, б) Рис.3, в)

2. Вращающий (крутящий) момент , действующий на рамку с током.

Сила Ампера, действующая на правую сторону рамки:

Такая же сила действует на левую сторону рамки.

Две силы, равные по величине и противоположно направленные, создают вращающий момент:

который стремится развернуть плоскость рамки перпендикулярно полю.

— площадь контура (рамки).

— магнитный момент контура с током.

— угол между нормалью к плоскости рамки и вектором магнитной индукции (то есть угол между магнитным моментом и вектором ).

Через векторное произведение:

Если рамка расположена вдоль поля, то вращающий момент максимален. = .

Если рамка перпендикулярна полю, то .

Пара сил стремится установить рамку перпендикулярно силовым линиям поля.

Источник

Действие магнитного поля на рамку с током

Проведем опыт. Подключим к источнику тока проволочную рамку прямоугольной формы (рис. 69). Поместив слева и справа от нее магниты, замкнем цепь. Мы увидим, что рамка повернется. Это означает, что магнитное поле оказывает на рамку с током вращающее действие.

Вращение рамки с током в магнитном поле объясняется действием на нее сил Ампера. Эти силы действуют как на левую, так и на правую сторону рамки, но в противоположных направлениях. Под действием этих сил и происходит вращение. Вращающее действие магнитного поля учитывается в электродвигателях — машинах, преобразующих электрическую энергию в механическую работу.
Действие магнитного поля на рамку с током

Основными частями электродвигателя являются электромагнит и проволочная обмотка из большого числа витков, уложенных в пазы (прорези), сделанные на поверхности железного цилиндра (якоря). Электромагнит питается током от того же источника тока, что и обмотка якоря. Когда через обмотку начинает идти ток, магнитное поле поворачивает якорь и двигатель начинает работать.

Первые практически пригодные электродвигатели постоянного тока были сконструированы в 30-х гг. XIX в. российским ученым Б. С. Якоби.

В отличие от тепловых двигателей электрические двигатели не выделяют в процессе работы вредных газов, дыма и пара и, следовательно, не загрязняют окружающую среду. КПД мощных электродвигателей может достигать 98%.

Электрические двигатели находят широкое применение в технике, особенно на таких видах транспорта, как электровозы, троллейбусы и трамваи. С помощью специального электродвигателя постоянного тока (стартера) производится запуск двигателя внутреннего сгорания в автомобилях.

Вращение рамки с током в магнитном поле используется и в таких электроизмерительных приборах, как амперметр и вольтметр. Устройство одного из них показано на рисунке 70. Между полюсами постоянного магнита (или электромагнита) 1 располагается легкая рамка 2, на которую намотана катушка из нескольких витков провода. Внутри рамки находится неподвижный железный сердечник 3. Ток в катушку поступает по металлическим пружинкам 4. При отсутствии тока пружинки удерживают рамку в таком положении, что соединенная с ней стрелка 5 указывает на нулевое деление шкалы. При включении прибора в цепь по катушке начинает идти ток, и под действием магнитного поля рамка со стрелкой поворачивается.
Устройство электроизмерительных приборов

Их вращение продолжается до тех пор, пока момент сил упругости со стороны пружинок не уравновесит момент сил Ампера, действующих со стороны магнитного поля. Чем больше сила тока в цепи, тем больше будет момент сил Ампера и потому на больший угол повернется стрелка, перемещаясь по шкале прибора.

. 1. Используя правило левой руки, определите направление сил Ампера, действующих на левую и правую стороны рамки, изображенной на рисунке 69. 2. Что называют электродвигателем? На чем основан принцип действия такого двигателя? 3. Где применяются электрические двигатели? Какими преимуществами они обладают по сравнению с тепловыми двигателями? 4. Расскажите об устройстве и действии электроизмерительных приборов.

Источник

Действие магнитного поля на ток

В § 10-а мы рассмотрели опыт, где магнитное поле проводника с током действовало на магнит – стрелку компаса. Возникает вопрос: а будет ли существовать обратное явление – будет ли магнит воздействовать на проводник с током? Проделаем опыт.

Посмотрите на рисунок. В начале опыта провод свисает свободно (рис. «а»). Если же концы провода присоединить к источнику тока, соблюдая расположение «+» и «–», то провод втягивается внутрь магнита (рис. «б»). Поменяв местами подключение «+» и «–», мы обнаружим, что провод выталкивается из промежутка между полюсами магнита (см. рис. ниже).

Вместо дугообразного магнита в этом опыте можно взять два полосовых магнита или два электромагнита. Важно лишь, чтобы проводник с током находился в промежутке между их полюсами, где магнитное поле является наиболее сильным. Иначе говоря, магнитное поле всегда действует силой на проводник с током. Для определения направления силы есть правило.

Читайте также:  Какая должна быть сила тока для светодиодной ленты

Если левую руку расположить в магнитном поле так, чтобы силовые линии входили в ладонь, а четыре пальца были направлены по току, то отогнутый большой палец укажет направление силы, действующей на проводник – гласит правило левой руки. Поясним использование этого правила и проиллюстрируем его рисунком.

Силовые линии магнитного поля между полюсами магнита будут направлены от северного полюса к южному (см. § 10-а). Именно такое направление укажет магнитная стрелка, помещённая в пространство между полюсами. Значит, чтобы линии входили в ладонь, необходимо отвернуть её от себя, причём четырьмя пальцами вверх – по направлению тока. Тогда отогнутый большой палец укажет, что проводник будет смещаться вправо, что мы и наблюдаем в этом опыте.

Немного усложним опыт. Вместо проводника в виде гибкого провода возьмём проволоку, согнутую в виде жёсткой рамки. Концы проволоки упрём в металлические «чашечки», подключенные к источнику тока так же, как и в случае с гибким проводом: «+» сверху (см. рис. «б»). Расположение магнита оставим прежним: северный полюс на дальнем плане справа.

Если сначала рамка расположена так, как на рисунке «в», то после включения тока (рис. «г») рамка начнёт поворачиваться, пока не займёт положение, показанное на рисунке «д».

Но если в момент подхода рамки к положению «д» ток выключить, то, продолжая двигаться, рамка самостоятельно довернётся в положение «в». Теперь, если снова включить ток, рамка опять, пройдя через положение «г», повернётся в положение «д». И если поступление тока регулировать так, чтобы он включался в момент «в» и выключался в момент «д», рамка будет вращаться непрерывно. Мы получим модель электрического двигателя.

Выясним теперь, почему рамка вообще поворачивается. На рисунке «г» показано, что в левой части рамки ток идёт вниз (и эта часть перемещается «в глубь» магнита), а в правой части рамки ток идёт вверх (и эта часть перемещается наружу). В опыте с гибким проводом было так же: если ток шёл вниз, то провод втягивалтся внутрь магнита, как и двойная сторона рамки. Если же полярность подключения провода меняли, и ток шёл вверх, то провод выталкивалтся наружу, как и одинарная сторона рамки.

Правило левой руки тоже показывает, что на противоположные стороны рамки с током, находящейся в магнитном поле, действуют противоположно направленные силы, вращающие рамку.

Источник



Опыт Эрстеда. Магнитное поле тока. Взаимодействие магнитов. Действие магнитного поля на проводник с током

1. Опыт Эрстеда заключается в следующем. На столе располагают магнитную стрелку, которая ориентируется с севера на юг в магнитном поле Земли, и параллельно ей сверху проводник, соединённый с источником тока (см. рис. 81). При замыкании цепи стрелка повернётся на 90° и встанет перпендикулярно проводнику.

При размыкании цепи стрелка вернётся в первоначальное положение. Если изменить направление тока на противоположное, то стрелка повернётся в обратную сторону. Опыт Эрстеда доказывает, что вокруг проводника, по которому течёт электрический ток, существует магнитное поле, которое действует на магнитную стрелку.

Опыт Эрстеда показал существование взаимосвязи между электрическими и магнитными явлениями.

Об этой взаимосвязи свидетельствует и опыт, известный как опыт Ампера. Если по двум длинным параллельно расположенным проводникам пропустить электрический ток в одном направлении, то они притянутся друг к другу; если направление тока будет противоположным, то проводники оттолкнутся друг от друга. Это происходит потому, что вокруг одного проводника возникает магнитное поле, которое действует на другой проводник с током. Если ток будет протекать только по одному проводнику, то проводники не будут взаимодействовать.

Таким образом, вокруг движущихся электрических зарядов или вокруг проводника с током существует магнитное поле. Магнитное поле действует на движущиеся заряды. На неподвижные заряды магнитное поле не действует.

Силовой характеристикой магнитного поля является величина, называемая магнитной индукцией. Обозначается магнитная индукция буквой ​ \( B \) ​. Магнитная индукция является векторной величиной, т.е. имеет определённое направление. Это наглядно проявляется в опыте со взаимодействием параллельных проводников с током. Направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением северного полюса магнитной стрелки в данной точке поля.

2. Обнаружить магнитное поле вокруг проводника с током можно с помощью либо магнитных стрелок, либо железных опилок, которые в магнитном поле намагничиваются и становятся магнитными стрелками. На рисунке 87 изображён проводник, пропущенный через лист картона, на который насыпаны железные опилки. При прохождении по проводнику электрического тока опилки располагаются вокруг него по концентрическим окружностям.

Линии, вдоль которых располагаются в магнитном поле магнитные стрелки или железные опилки, называют линиями магнитной индукции. Направление, которое указывает северный полюс магнитной стрелки, принято за направление линий магнитной индукции. Вектор магнитной индукции направлен по касательной к линии магнитной индукции в каждой точке поля.

Читайте также:  Соленоид содержит 1000 витков сила тока в его обмотке равна 1 а магнитный поток через

Как следует из результатов опыта Эрстеда и опыта по взаимодействию параллельных проводников с током, направление линий вектора магнитной индукции (и линий магнитной индукции) зависит от направления тока в проводнике. Направление линий магнитной индукции можно определить с помощью правила буравчика. Для линейного проводника оно следующее: если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением линий магнитной индукции.

3. Если пропустить электрический ток по катушке, то опилки расположатся, как показано на рисунке 88.

Картина линий магнитной индукции свидетельствует о том, что катушка с током становится магнитом. Если катушку с током подвесить, то она повернётся южным полюсом на юг, а северным — на север (рис. 89).

Следовательно, катушка с током имеет два полюса: северный и южный. Определить полюса, которые появляются на её концах можно, если известно направление электрического тока в катушке. Для этого пользуются правилом буравчика: если направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением тока в катушке, то направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением линий магнитной индукции внутри катушки (рис. 90).

4. Тела, длительное время сохраняющие магнитные свойства, или намагниченность, называют постоянными магнитами. Поднося магнит к железным опилкам, можно заметить, что они притягиваются к концам магнита и практически не притягиваются к его середине. Те места магнита, которые производят наиболее сильное магнитное действие, называются полюсами магнита. Магнит имеет два полюса: северный — N и южный — S. Принято северный полюс магнита окрашивать синим цветом, а южный — красным. Если полосовой магнит разделить на две части, то каждая из них окажется магнитом с двумя полюсами.

Положив на постоянный магнит лист бумаги или картона и насыпав на него железные опилки, можно получить картину его магнитного поля (рис. 91). Линии магнитной индукции постоянных магнитов замкнуты, все они выходят из северного полюса и входят в южный, замыкаясь внутри магнита.

Магнитные стрелки и магниты взаимодействуют между собой. Разноимённые магнитные полюсы притягиваются друг к другу, а одноимённые — отталкиваются. Взаимодействие магнитов объясняется тем, что магнитное поле одного магнита действует на другой магнит и, наоборот, магнитное поле 2-го магнита действует на 1-й.

Причиной наличия у веществ магнитных свойств является движение электронов, существующих в каждом атоме. При своём движении вокруг атома электроны создают магнитные поля. Если эти поля имеют одинаковую ориентацию, то вещество, например железо или сталь, намагничены достаточно сильно.

5. Магнитное поле действует на проводник с током. Доказать это можно с помощью эксперимента (рис. 92).

Если в поле подковообразного магнита поместить проводник длиной ​ \( l \) ​, подвешенный на тонких проводах, соединить его с источником тока, то при разомкнутой цепи проводник останется неподвижным. Если замкнуть цепь, то по проводнику пойдёт электрический ток, и проводник отклонится в магнитном поле от своего первоначального положения. При изменении направления тока проводник отклонится в противоположную сторону. Таким образом, на проводник с током, помещённый в магнитное поле, действует сила, которую называют силой Ампера.

Экспериментальное исследование показывает, что сила Ампера прямо пропорциональна длине проводника ​ \( l \) ​ и силе тока ​ \( I \) ​ в проводнике: ​ \( F\sim Il \) ​. Коэффициентом пропорциональности в этом равенстве является модуль вектора магнитной индукции ​ \( B \) ​. Соответственно, ​ \( F=BIl \) ​.

Сила, действующая на проводник с током, помещённый в магнитное поле, равна произведению модуля вектора магнитной индукции, силы тока и длины той части проводника, которая находится в магнитном поле.

В таком виде зависимость силы, действующей на проводник с током в магнитном поле, записыватся в том случае, если линии магнитной индукции перпендикулярны проводнику с током.

Формула силы Ампера, позволяет раскрыть смысл понятия вектора магнитной индукции. Из выражения для силы Ампера следует: ​ \( B=\frac \) ​, т.е. магнитной индукцией называется физическая величина, равная отношению силы, действующей на проводник с током в магнитном поле, к силе тока и длине проводника, находящейся в магнитном поле.

Из приведённой формулы понятно, что магнитная индукция является силовой характеристикой магнитного поля.

Единица магнитной индукции ​ \( [В] = [F]/[I][l] \) ​. ​ \( [B] \) ​ = 1 Н/(1 А · 1 м) — 1 Н/(А · м) = 1 Тл. За единицу магнитной индукции принимают магнитную индукцию такого поля, в котором на проводник длиной 1 м действует сила 1 Н при силе тока в проводнике 1 А.

Направление силы Ампера определяют, пользуясь правилом левой руки: если левую руку расположить так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, а четыре пальца направлены по направлению тока в проводнике, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы, действующей на проводник (рис. 93).

6. Движение проводника с током в магнитном поле лежит в основе работы электрического двигателя. Если поместить прямоугольную рамку в магнитное поле и пропустить по ней электрический ток, то рамка повернётся (рис. 94), потому, что на стороны рамки действует сила Ампера. При этом сила, действующая на сторону рамки ​ \( ab \) ​, противоположна силе, действующей на сторону ​ \( cd \) ​.

Читайте также:  Ток разряда литий ионного аккумулятора

Для того чтобы рамка не остановилась в тот момент, когда её плоскость перпендикулярна линиям магнитной индукции, и продолжала вращаться, изменяют направление тока в проводнике. Для этого к концам рамки припаяны полукольца, по которым скользят контакты, соединённые с источником тока. При повороте рамки на 180° меняются контактные пластины, которых касаются полукольца и, соответственно, направление тока в рамке.

В электрическом двигателе энергия электрического и магнитного полей превращается в механическую энергию.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ

Часть 1

1. На рисунке показано, как установилась магнитная стрелка между полюсами двух одинаковых магнитов. Укажите полюса магнитов, обращённые к стрелке.

1) 1 — S, 2 — N
2) 1 — А, 2 — N
3) 1 — S, 2 — S
4) 1 — N, 2 — S

2. Па рисунке представлена картина линий магнитного поля от двух полосовых магнитов, полученная с помощью магнитной стрелки и железных опилок. Каким полюсам полосовых магнитов соответствуют области 1 и 2?

1) 1 — северному полюсу; 2 — южному
2) 1 — южному; 2 — северному полюсу
3) и 1, и 2 — северному полюсу
4) и 1, и 2 — южному полюсу

3. При прохождении электрического тока по проводнику магнитная стрелка, находящаяся рядом, расположена перпендикулярно проводнику. При изменении направления тока на противоположное. Стрелка

1) повернётся на 90°
2) повернётся на 180°
3) повернётся на 90° или на 180° в зависимости от значения силы тока
4) не изменит свое положение

4. Проводник, по которому протекает электрический ток, расположен перпендикулярно плоскости чертежа (см. рисунок). Расположение какой из магнитных стрелок, взаимодействующих с магнитным полем проводника с током, показано правильно?

5. Из проводника сделали кольцо и по нему пустили электрический ток. Ток направлен против часовой стрелки (см. рисунок). Как направлен вектор магнитной индукции в центре кольца?

1) вправо
2) влево
3) на нас из-за плоскости чертежа
4) от нас за плоскость чертежа

6. По катушке идёт электрический ток, направление которого показано на рисунке. При этом на концах железного сердечника катушки

1) образуются магнитные полюса — на конце 1 — северный полюс, на конце 2 — южный
2) образуются магнитные полюса — на конце 1 — южный полюс, на конце 2 — северный
3) скапливаются электрические заряды: на конце 1 — отрицательный заряд, на конце 2 — положительный
4) скапливаются электрические заряды: на конце 1 — положительный заряд, на конце 2 — отрицательный

7. Два параллельно расположенных проводника подключили параллельно к источнику тока.

Направление электрического тока и взаимодействие проводников верно изображены на рисунке

8. В однородном магнитном поле на проводник с током, расположенный перпендикулярно плоскости чертежа (см. рисунок), действует сила, направленная

1) вправо →
2) влево ←
3) вверх ↑
4) вниз ↓

9. Сила, действующая на проводник с током, который находится в магнитном поле между полюсами магнита направлена

1) вверх ↑
2) вниз ↓
3) направо →
4) налево ←

10. На рисунке изображён проводник с током, помещённый в магнитное поле. Стрелка указывает направление тока в проводнике. Вектор магнитной индукции направлен перпендикулярно плоскости рисунка к нам. Как направлена сила, действующая на проводник с током?

1) вверх ↑
2) вправо →
3) вниз ↓
4) влево ←

11. Из приведённых ниже утверждений выберите два правильных и запишите их номера в таблицу.

1) Вокруг неподвижных зарядов существует магнитное поле.
2) Вокруг неподвижных зарядов существует электростатическое поле.
3) Если разрезать магнит на две части, то у одной части будет только северный полюс, а у другой — только южный.
4) Магнитное поле существует вокруг движущихся зарядов.
5) Магнитная стрелка, находящаяся около проводника с током, всегда поворачивается вокруг своей оси.

12. Электрическая схема содержит источник тока, проводник АВ, ключ и реостат. Проводник АВ помещён между полюсами постоянного магнита (см. рисунок).

Используя рисунок, выберите из предложенного перечня два верных утверждения. Укажите их номера.

1) При перемещении ползунка реостата влево сила Ампера, действующая на проводник АВ, увеличится.
2) При замкнутом ключе проводник будет выталкиваться из области магнита вправо.
3) При замкнутом ключе электрический ток в проводнике имеет направление от точки В к точке А.
4) Магнитные линии поля постоянного магнита в области расположения проводника АВ направлены вертикально вниз.
5) Электрический ток, протекающий в проводнике АВ, создаёт однородное магнитное поле.

Часть 2

13. Участок проводника длиной 0,1 м находится в магнитном поле индукцией 50 мТл. Сила тока, протекающего по проводнику, 10 А. Какую работу совершает сила ампера при перемещении проводника на 8 см в направлении своего действия? Проводник расположен перпендикулярно линиям магнитной индукции.

Источник