Металлическая рамка в магнитном поле
Обновлено: 17.05.2024
Тема: Сила Ампера. Рамка в магнитном поле. Электродвигатель и электрогенератор постоянного тока.
Цели: ознакомить учащихся с действием магнитного поля на проводник с током, с правилом определения направления силы Ампера (правило левой руки); выяснить принцип действия и устройство электродвигателя и электрогенератора постоянного тока, показать их широкое применение на практике.
Задачи урока:
образовательные:
· продолжить формирование научных представлений о магнитном поле, его связи с электрическим током;
· формировать умения и навыки применять полученные знания для объяснения принципа действия электродвигателя, решения практических задач в повседневной жизни, обеспечения безопасности своей жизни, рационального природопользования и охраны окружающей среды,
· формировать умение проводить эксперимент для определения КПД электродвигателя, способствовать формированию умений собирать электрические цепи, проводить необходимые измерения.
развивающие:
· развивать навыки самостоятельного приобретения знаний, умения анализировать и перерабатывать полученную информацию в соответствии с поставленными задачами,
· выделять основное содержание прочитанного текста,
· развивать умения логически излагать свои мысли, навыки оценки результатов своей деятельности, умения предвидеть возможные результаты своих действий,
· развивать познавательный интерес учащихся и коммуникативные способности.
воспитательные:
· формировать убежденность в возможности познания природы, в необходимости разумного использования достижений науки и технологий для дальнейшего развития человеческого общества, уважение к творцам науки и техники,
· формировать интеллектуальные и творческие способности учащихся.
Вид урока: урок изучения нового материала
I . Организационный момент
II . Проверка знаний
Первые 10 минут урока целесообразно посвятить проверке качества усвоения материала по теме « Магнитное взаимодействие. Опыты Эрстеда, Ампера. Силовые линии магнитного поля. Вектор магнитной индукции. Магнитное поле прямого и кругового тока ».
III . Изучение нового материала
План изложения нового материала:
1. Действие магнитного поля на проводник с током.
2. Сила Ампера. Правило левой руки.
3. Рамка с током в магнитном поле.
4. Устройство электродвигателя постоянного тока.
5. Применение электродвигателей.
1. Важнейшее проявление магнитного поля - это действие его на движущиеся заряды. Для демонстрации этого явления собираем установку из дугообразного постоянного магнита и длинного гибкого провода, присоединенного последовательно с реостатом к аккумулятору. Горизонтальный участок провода располагают в магнитном поле магнита.
При замыкании цепи наблюдается отклонение провода, при размыкании -возвращение его к положению равновесия. Делается вывод; магнитное поле действует с некоторой силой на провод с током.
При изменении направления электрического тока в проводнике изменяется и направление движения проводника, а значит и действующей на него силы.
Рассмотрим силу, действующую со стороны магнитного поля на проводник с током. Эту силу называют силой Ампера.
Из определения магнитной индукции следует, что максимальная сила Ампера равна: FAmax = BIl .
Сила Ампера зависит от ориентации проводника относительно вектора магнитной индукции: магнитное поле не влияет на проводник с током, ось которого параллельна к линиям магнитной индукции, сила Ампера максимальна в случае, когда ось проводника перпендикулярна к линиям магнитной индукции.
Модуль силы Ампера зависит только от проекции вектора магнитной индукции на ось, перпендикулярную к оси проводника: B = B sin , где - угол между вектором магнитной индукции и направлением тока в проводнике.
Таким образом, закон Ампера можно записать в виде:
Направление силы Ампера определяют по правилу левой руки:
если раскрытую ладонь левой руки расположить так, чтобы вектор магнитной индукции входил в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывали направление тока в проводнике, то отогнутый в плоскости ладони большой палец покажет направление силы, действующей на проводник со стороны магнитного поля.
Сила Ампера тем больше, чем сильнее магнитное поле магнита, чем больше сила тока в проводнике, а также зависит от длины проводника и его расположения в магнитном поле.
3. Рамка с током в магнитном поле
Рассмотрим действие однородного магнитного поля с магнитной индукцией B на твердую прямоугольную рамку с силой тока в ней I. Будем считать линии магнитного поля горизонтальными.
Рассмотрим, какие силы действуют на противоположные стороны рамки с током в магнитном поле. По ним текут токи, направленные в противоположные стороны. Поэтому силы, действующие со стороны магнитного поля на противоположные стороны рамки, будут противоположно направлены. Эти силы будут поворачивать рамку. Таким образом, магнитное поле оказывает на рамку с током ориентирующее действие: рамка будет поворачиваться до тех пор, пока обе силы Ампера не будут направлены вдоль одной прямой, то есть пока плоскость рамки не станет перпендикулярной магнитных линий.
Определим момент сил, действующих на рамку. Обозначим a и b - длины соответственно горизонтальной и вертикальной сторон рамки, β - угол между плоскостью рамки и линиями магнитного поля. На рисунке показан вид рамки сверху и силы, действующие на вертикальные стороны рамки.
Модуль каждой из этих сил Fa = BIb , момент пары сил равен M = FAl = Blab · cosβ = BIS · cosβ , где S - площадь рамки.
Положение рамки принято определять по углу а между линиями магнитного поля и перпендикуляром (вектором нормали n ) к площади рамки.
Направление нормали выбирают так, чтобы он был связан с направлением тока в рамке правилом буравчика. Очевидно, что cosβ = sin . Итак, на рамку действует момент сил M = BIS · sin .
Момент сил равен нулю, если = 0 (в положении устойчивого равновесия) или = 180° (в положении неустойчивого равновесия). В положении устойчивого равновесия силы Ампера пытаются растянуть рамку, а в положении неустойчивого равновесия - сжать.
В практике часто используют действие магнитного поля на рамку с током. Поворот рамки учитель объясняет, применяя правило левой руки к каждому вертикальному участку рамки. При изменении направления тока в рамке она будет поворачиваться в обратном направлении. То же самое мы наблюдаем, поменяв местами полюсы магнита.
Пользуясь правилом левой руки, мы уже выяснили, что магнитное поле, действуя на вертикальные стороны рамки, вынуждает ее поворачиваться так, что ее плоскость располагается перпендикулярно силовым линиям поля. При этом по инерции рамка каждый раз проходит несколько дальше положения равновесия. Если в момент прохождения рамкой положения равновесия каждый раз изменять направление тока в ней, то она будет непрерывно вращаться.
Наблюдая опыт, учащиеся должны отчетливо представлять, что вращение рамки происходит в результате действия магнитного поля на проводники с током, и что в этом процессе происходит превращение электрической энергии в механическую. На рассмотренном явлении основано устройство электродвигателей.
4. Как работает двигатель постоянного тока
Вращение рамки с током в магнитном поле используют в электрических двигателях - устройствах, в которых электрическая энергия превращается в механическую.
Чтобы ротор (подвижная часть электродвигателя) вращался, необходимо решить две главные проблемы.
1). Проводник нельзя припаять одним концом к контакту на роторе, а вторым - к контакту на статоре (неподвижной части электродвигателя): такой проводник быстро оборвется. Чтобы поддерживать ток в обмотке ротора, изобрели скользящие контакты, а в большинстве электродвигателей переменного тока научились вообще обходиться без контактов, используя явление электромагнитной индукции.
2). Если направление магнитной индукции и тока в рамке не меняется, то ротор просто остановится в положении устойчивого равновесия. Чтобы обеспечить непрерывное вращение ротора, в двигателях постоянного тока применяют коллектор. Благодаря использованию коллектора направление тока в рамке через каждые полоборота меняется на противоположный. В результате силы, действующие на рамку, вращают ее все время в том же направлении (см. рисунок).
Неподвижную часть электродвигателя называют статором (в переводе с латыни - «неподвижный»). В статоре небольшого электродвигателя расположен постоянный магнит с полюсами специальной формы. В статоре мощного электродвигателя расположен электромагнит.
Итак, чтобы сконструировать электрический двигатель, необходимо иметь: 1) постоянный магнит; 2) ведущий контур; 3) источник тока; 4) коллектор.
Двигатели постоянного тока нашли особенно широкое применение в транспорте (электровозы, трамваи, троллейбусы).
IV . Закрепление изученного
С целью закрепления материала в конце урока можно обсудить решения следующих качественных задач:
1. В троллейбусах установлены электродвигатели постоянного тока. Притягиваются или отталкиваются провода троллейбусной линии?
2. Два параллельных проводника, по которым текут токи в одном направлении, притягиваются. Почему же два параллельных электронных пучка отталкиваются? Можно ли поставить опыт так, чтобы параллельные проводники, по которым текут токи в одном направлении, тоже отталкивались?
3. Через проводник длиной 60 см течет ток силой 1,2 А. Определите наибольшее и наименьшее значение силы Ампера, действующей на проводник, при различных его положений в однородном магнитном поле, индукция которого 1,5 Тл.
4. Определите: направление силы Ампера (рис. 1); полюса магнита (рис. 2); направление тока в проводнике (рис. 3).
Вращение рамки в магнитном поле
Явление электромагнитной индукции применяется для преобразования механической энергии в энергию электрического тока. Для этой цели используются генераторы, принцип действия которых можно рассмотреть на примере плоской рамки, вращающейся в однородном магнитном поле
Предположим, что рамка вращается в однородном магнитном поле (В = const) равномерно с угловой скоростью ω = const. Магнитный поток, сцепленный с рамкой площадью S, в любой момент времени t, согласно (11.3), равен Ф =BnS = BS cosα =BS cosωt , где α =ωt – угол поворота рамки вмомент времени t (начало отсчета выбрано так, чтобы при t = 0 α = 0). При вращении рамки в ней будет возникать переменная э.д.с. индукции
Рис.18. Ei = – dФ/dt=BSω sinωt, (16.1)
изменяющаяся со временем по гармоническому закону. При sinωt=1, Ei максимальна, т.е. Emax=BSω определяет максимальные значения, достигаемые колеблющейся эдс.
Таким образом, если в однородном магнитном поле равномерно вращается рамка, то в ней возникает переменная э.д.с., изменяющаяся по гармоническому закону
Ei = Emax sinωt. (16.2)
Если вращать не один виток, а N витков, соединенных последовательно, то тем самым увеличивается S (S=NS1), т.е. в N раз увеличивается снимаемое напряжение.
Процесс превращения механической энергии в электрическую обратим. Если через рамку, помещенную в магнитное поле, пропускать электрический ток, то в соответствии с (1.2) на нее будет действовать вращающий момент и рамка начнет вращаться. На этом принципе основана работа электродвигателей, предназначенных для превращения электрической энергии в механическую.
Индукционный ток возникает не только в линейных проводниках, но и в массивных сплошных проводниках, помещенных впеременное магнитное поле. Эти токи оказываются замкнутыми в толще проводника и поэтому называются вихревыми. Их также называют токами Фуко – по имени первого их исследователя. Токи Фуко, как и индукционные токи в линейных проводниках, подчиняются правилу Ленца: их магнитное поле направлено так, чтобы противодействовать изменению магнитного потока, индуцирующего вихревые токи. Например, если между полюсами невключенного электромагнита массивный медный маятник совершает практически незатухающие колебания, то при включении тока он испытывает сильное торможение и очень быстро останавливается. Это объясняется тем, что возникшие токи Фуко имеют такое направление, что действующие на них со стороны магнитного поля силы тормозят движение маятника. Этот факт используется для успокоения (демпфирования) подвижных частей различных приборов. Если в описанном маятнике сделать радиальные вырезы, то вихревые токи ослабляются и торможение почти отсутствует.
Вихревые токи помимо торможения (как правило, нежелательного эффекта) вызывают нагревание проводников. Поэтому для уменьшения потерь на нагревание якоря генераторов и сердечники трансформаторов делают не сплошными, а изготовляют из тонких пластин, отделенных одна от другой слоями изолятора, и устанавливают их так, чтобы вихревые токи были направлены поперек пластин. Джоулева теплота, выделяемая токами Фуко, используется в индукционных металлургических печах. Индукционная печь представляет собой тигель, помещаемый внутрь катушки, в которой пропускается ток высокой частоты. В металле возникают интенсивные вихревые токи, способные разогреть его до плавления. Такой способ позволяет плавить металлы даже в вакууме, в результате чего получаются сверхчистые материалы.
Вихревые токи возникают и в проводах, по которым течет переменный ток. Направление этих токов можно определить по правилу Ленца - направление вихревых токов таково, что они противодействуют изменению первичного тока внутри проводника и способствуют его изменению вблизи поверхности. Таким образом, вследствие возникновения вихревых токов быстропеременный ток оказывается распределенным по сечению провода неравномерно – он как бы вытесняется на поверхность проводника. Это явление получило название скин-эффекта. Так как токи высокой частоты практически текут в тонком поверхностном слое, то провода для них делаются полыми.
Если сплошные проводники нагревать токами высокой частоты, то в результате скин-эффекта происходит нагревание только их поверхностного слоя. На этом основан метод поверхностной закалки металлов. Меняя частоту поля, он позволяет производить закалку на любой требуемой глубине.
Металлическая рамка в магнитном поле
Большое практическое значение имеет возбуждение э. д. с. индукции в проводниках, имеющих форму одного или многих витков, обычно намотанных на жесткую рамку. Рассмотрим плоский виток прямоугольной формы и допустим, что он движется вдоль своей плоскости (как это показано на рис. III.66, а). Силы направлены вдоль длины проводников только для участков 1—2 и 3—4; для участков 2—3 и 1—4 эти силы перпендикулярны оси проводников и поэтому упорядоченного движения зарядов в витке вызвать не могут. На участке индукции равна где индукция магнитного поля в том месте, где находится проводник 1—2. На участке 3—4 имеем Так как при движении зарядов в витке силы действуют в противоположных
направлениях, то суммарная э. д. с. в витке равна разности:
Следовательно, чтобы при таком движении витка вызвать в нем индукционный ток, магнитное поле должно быть неоднородным (в однородном поле Заметим, что где площадь, описанная проводниками 1—2 и 3—4 за время Далее,
где магнитный поток, входящий в пределы площади витка, магнитный поток, выходящий из витка за время
Тогда приращение магнитного потока через площадь витка равно и формула (3.40) примет уже знакомый нам вид
где Обозначает магнитный поток через площадь витка (т. е. «связанный» с данным витком).
Таким образом, э. д. с. индукции в витке равна скорости изменения магнитного потока через площадь этого витка. Если виток имеет сложную форму, то его можно разбить на элементарные участки и тогда, повторив приведенные выше рассуждения, мы снова придем к тому же утверждению. Заметим, что индукционные токи в замкнутых проводниках можно вызвать и путем деформации контура, когда, изменяется площадь, охватываемая контуром. Большое применение имеет возбуждение э. д. с. индукции при вращении витка; в этом случае силы на участках 1—2 и 3—4 (рис. II 1.66, б) действуют в одном и том же направлении, поэтому индукционный ток может быть получен и в однородном магнитном поле.
В катущке, содержащей одинаковых витков (т. е. одинаковых последовательно соединенных контуров), э. д. с. индукции,
возбуждаемые в витках, суммируются и тогда
можно сказать, что с этой катушкой «связан» магнитный поток, в раз больший, чем с одним витком.
Для одного витка, вращающегося в однородном магнитном поле, где площадь витка; а — угол между вектором площадки (нормали к площади витка) и вектором В. Обозначим максимальное значение магнитного потока через площадь витка допустим, что виток вращается с постоянной угловой скоростью и будем отсчитывать время с момента, когда направления совпадают. Тогда угол и
при этих условиях э. д. с. индукции и индукционный ток синусоидальные. Если вращаются, одинаковых последовательно соединенных витков, то
В некоторых случаях э. д. с. индукции и индукционные токи возбуждаются в течение очень малых промежутков времени и изменяются со временем по очень сложным законам. Для таких кратко временных индукционных токов можно определить количество электричества, прошедшее через сечение контура за время существования токов. Если кроме э. д. с. индукции других источников электродвижущей силы нет, то сила тока в контуре, по закону Ома,
где полное сопротивление контура (о применимости закона Ома к переменным токам будет сказано в следующем параграфе). Тогда за время через сечение контура пройдет количество электричества
За время прохождения индукционного тока, когда магнитный поток через площадь контура изменяется на через сечение коцтура пройдет заряд
(если сопротивление контура сохраняется постоянным). Этой формулой пользуются для измерения магнитного потока вектора магнитной индукции В или магнитной проницаемости вещества Количество электричества измеряется при помощи так называемого «баллистического гальванометра» (при условии, что время прохождения тока через рамку этого гальванометра достаточно мало по
сравнению с периодом ее колебаний). Если к такому гальванометру присоединить контур, находящийся в измеряемом магнитном поле, То при быстром повороте этого контура охватываемый им магнитный поток будет изменяться; для удобства можно осуществить поворот от положения, при котором до положения тогда Измеряя можно рассчитать и В (а также вычислить если опыт произвести один раз в вакууме, а затем в данной среде).
Формула (3.46) используется для выбора единицы измерения магнитного потока. По принятым в настоящее время стандартам физических величин, вебер равен магнитному потоку, при убывании которого до нуля в сцепленной с ним электрической цепи (т. е. в контуре, охватывающем этот поток), имеющей сопротивление 1 Ом, через поперечное сечение проводника проходит количество электричества, равное
При расчете силы тока в контуре по формуле (3.45) предполагалось, что в контуре действует только одна электродвижущая сила, а именно Однако возможкы сложные цепи, в которых токи возбуждаются не только электромагнитной индукцией, но одновременно и другими источниками тока, включенными в эту цепь (например, аккумуляторными батареями). Обозначим э. д. с. других источников через §, полное сопротивление контура (включая сопротивление самих источников тока) — через Тогда
Сила Ампера. Рамка в магнитном поле. Электродвигатель и электрогенератор постоянного тока.
Читайте также: