Действие магнитного поля на рамку с током

на прошлом уроке мы с вами познакомились с силой которая действует на проводник с током находящийся в магнитном поле эту силу мы называем вслед за всеми остальными физиками силой ампера и для того чтобы определить направление силы ампера есть правило левой руки сегодня мы по пользуемся этим правилом для решения более важной с практической точки зрения задачи а именно мы будем рассматривать поведение не просто проводника а проводника согнутого в рамку тема сегодняшнего урока рамка с током в магнитном поле . электродвигатели рамка с током в магнитном поле электродвигатели домашнее задание конспект и расскажу вам больше чем в учебнике а в учебнике дочитайте до конца параграф 62 перышкин параграф шийся 2 до конца кроме того по лукашик у выполните задачи 1471 и 1481 а по кирику для 8 класса сделайте задание начиная с 3 по 6 высокого уровня прошлый раз было достаточного на странице 90 91 естественно с рисунками записали ну а теперь давайте представим себе следующую ситуацию пусть у нас есть рамка прямоугольной формы которую мы поместили в магнитное поле будем ее рисовать вот эта рамка подключим эту рамку к источнику тока так например чтобы top tec вот в этом направлении в этом проводники в этом проводники в этом направлении здесь он будет течь сюда здесь он будет течь сюда стало быть нам для того чтобы обеспечить такое направление тока положительный полюс источника тока надо подключить с правой стороны отрицательный с левой пусть эта рамка имеет возможность поворачиваться вокруг вот этой оси и теперь поместим ее в магнитное поле пусть магнитное поле будет направлена слева направо вот линии магнитного поля я не буду рисовать полюса магнита для того чтобы не загромождать рисунок магнитное поле здесь у нас будет северный полюс магнита который может создавать такое магнитное поле а здесь южный вы помните что линии магнитного поля выходят из северного и входят в южный конец давайте посмотрим как будет влиять магнитное поле на каждую из четырех сторон этой рамки возьмем например вот эту сторону воспользуемся правилом левой руки 4 вытянутых пальца надо направить по направлению тока а перед этим нужно сделать так чтобы линии магнитного поля входили в ладонь и так линии входят в ладонь 4 вытянутых пальца к нам отогнуты на 90 градусов большой палец левая рука не забываем показывает вверх значит на эту сторону будет действовать сила направленная вверх я ее обозначу f1 на эту сторону линии магнитного поля входят в ладони 4 вытянутых пальца направляем потоку отогнуты на 90 градусов большой палец направлен вниз значит на эту сторону рамки будет действовать сила направленная вниз обозначим ее f2 что будет с этой стороной как вы думаете удастся нам сделать так чтобы линии магнитного поля входили в ладонь и одновременно четыре вытянутых пальцы были направлены по току не удастся потому что ток направлен направление тока и направление поля лежат на одной прямой в таких случаях силы ампера не действует поэтому я здесь просто нарисую точку это будет означать что сила не действует то же самое не будет действовать сила и на вот этот участок рамки как же поведет себя это рамка если ее предоставить сама себе эта сторона будет подниматься эта сторона будет опускаться и рамка придет во вращение в нашем случае по часовой стрелке этак рамка с током поворачивается в магнитном поле давайте посмотрим до каких пор это будет происходить давайте нарисуем рисунок где рамка повернулась на 90 градусов в ту сторону в которую она хочет повернуться вот рисунок этой рамки теперь эта сторона рамки которая раньше была направлена сюда будет вертикально вот так так так так так источник тока подключаем тоже ток теперь течёт вот так и здесь он течет сюда подключаем источник тока в прежней полярности плюс с правой стороны минус с левой стороны магнитное поле по-прежнему направлена слева направо здесь северный полюс здесь южный воспользуемся правилом левой руки линии магнитного поля упираются в ладони 4 вытянутых пальца показывают направление тока вот в этой стороне палец по-прежнему большой направлен вверх значит сила ампера действующей на эту сторону мы и обозначили f1 будет направлена вверх f1 на противоположную сторону будет действовать сила f 2 по-прежнему направленная вниз а что будет с силами которые действуют на вот эту сторону и на вот эту давайте посмотрим теперь уже ток течет не в ту же самую сторону куда направлен на поле а под прямым углом линии магнитного поля упирается в ладонь 4 вытянутых пальца показывают направление тока большой палец показывает направление силы значит вот так будет направлена сила f3 обозначим ее на эту сторону будет действовать сила направлена в противоположную сторону потому что ток здесь течет в противоположную сторону значит f4 f4 как поведет себя рамка если оно находится в этом положении как она себя поведет ее силы растягивают просто силы и просто растягивают следовательно рамка вращаться уже не будет она замрет в таком положении и так что получается в магнитном поле рамка стремится повернуться так чтобы плоскость рамки стала перпендикулярно направлению магнитного поля чтобы убедиться в том что так оно и есть давайте проверим все на опыте вот здесь есть рамочка сейчас вы крупное и увидите я ее правда сделал кругленькой она на резинках закреплена от рамки здесь несколько витков даже может быть пару десятков про отведены провода и эти провода ведут к источнику тока сюда значит мне нужен помощник который будет этот источник тока включать и выключать его пожалуйста правилам левой руки ты воспользоваться не можешь но ты можешь воспользоваться правой рукой значит вот выключатель так давай щелкни я выставлю то примерно 1 на 1 3 чай теперь смотрите у меня есть магниты два магнита я их сейчас расположу вот таким образом смотрите подожди лего не торопись сейчас направление магнитного поля совпадает с направлением плоскости рамки то есть вот такая картина вот один магнит вот другой и теперь я вот так вот расположу магниты дадим крупный план и лего включить ток проходящий через рамку включаем магниты так внимание лево ток вы видите рамка стремится повернуться перпендикулярна магнитному полю ей мешает конечно упругость резинок но если бы не резинки она бы размах разместилась перпендикулярна магнитному полю хорошо а если я поменяю направление магнитного поля рамка повернётся в противоположную сторону вот так теперь если мы поменяем направление тока давайте сделаем выключим включи сейчас еще раз смотрите рамка повернулась против часовой стрелки в кадре до выключим поменяем направление тока просто переставить местами полярности лёва включай рамка повернулась по часовой стрелке выключил контакт соскочила такая буйная рамка давай еще раз по часовой стрелке до 5 contacts искать но мы видели до слез садись большое спасибо итак рамка поворачивается действительно в магнитном поле но вот только беда в том что рамка способна повернуться на четверть оборота ну в крайнем случае на пол-оборота вот например и если бы на исходно рамку повернули вот так что в эта сторона была почти внизу то магнитное поле развернула бы ее вот так на пол оборота и этот провод станет верху и как дальше заставить рамку вращаться вот представьте себе что рамка из этого положения перешла вот в это положение она при этом разогналась и по инерции проскочила вот это положение если сейчас мы поменяем направление тока в рамки так что мы снова это делали что произойдет эта сила которая сейчас действует вверх будет направлена вниз эта сила которая действует вниз будет направлена вверх и произойдёт вот что рамка которая дошла до этого положения дошла до этого положения проскочила его теперь эта сила будет толкать эту сторону рамки вниз эту вверх и рамка про вернется снова через пол оборота было бы неплохо чтобы силы опять поменялись местами менять направление магнитного поля сложно а вот изменить направление тока в рамки довольно просто и сейчас мы с вами сконструируем устройство которое позволит автоматически изменять направление тока в рамки когда она будет поворачиваться на определенный угол снова рисуем рамку вот так вот ось вращения рамки здесь магнитное поле будет у нас слева направо тут как северный полюс магнита тут южный полюс магнита теперь смотрите что мы изменим в этой конструкции давайте продлим ось рамки вот так и теперь сделаем вот что это довольно сложный рисунок поэтому делайте за мной нарисуем цилиндрик легонько-легонько карандашиком чтобы едва было видно цилиндрик вот такой формы нарисуйте его легонько вот цилиндрик теперь берем и этот цилиндр разрезаем на 2 половинки вот здесь его сверху разрезаем вот так и снизу разрезаем вот так и теперь можно навести вот одна половинка одно полукольцо вот второе полукольцо вот так получилось два вот таких полукольца теперь смотрите что сделаем этот провод рамки соединим с левым полукольцом вот так сюда прикрепим а этот провод рамки соединим с правым полукольцом изнутри чтоб снаружи было гладко и разместим вот здесь скользящий контакт который прикасался бы к этому левому полукольцу и справа такой же скользящий контакт который будут прикасаться к правому полукольцу раньше у нас как было этот провод был подключен ток у нас тек в эту сторону так так ток тек в эту сторону значит здесь был положительный полюс его тут и оставим с этой стороны отрицательный полюс вот так нарисовали а теперь посмотрим что будет происходить сейчас рамка подключена точно так же как было подключено до того как я сделал вот эту конструкцию то есть на левую половинку действовала сила ампера направлена вверх f1 на правую сила ампера направленные вниз f2 рамка поворачивалась и смотрите что теперь будет происходить когда рамка повернётся на 90 градусов вот этот разрез окажется вот здесь нижней разрез окажется вот здесь и рамка разогнавшись проскочит по инерции это положение проскочит и теперь вот эта сторона станет на этом месте а эта сторона через пол оборота станет на этом месте как будет работать эта система по-прежнему на правую сторону будет действовать сила ампера направленная вниз а на левую силы ампера направлена вверх значит рамка через пол оборота снова будет стремиться вращаться по часовой стрелке и так будет происходить непрерывно таким образом нам удалось устройство создать устройство которое вращает рамку всегда в одну и ту же сторону вот этот система из двух полуколец называется коллектор а вот эти два контакта вот этот и этот вот эти два скользящих контакта получили название щетки что значит коллектор в переводе на русский язык собиратель коллектор собирает ток от источника тока щетки почему их так называют дело в том что для того чтобы обеспечить хороший контакт место одного вот такого кольца можно взять что ты вроде щетки одежные где много тонких проводов хорошо прилегают к поверхности коллектора тогда контакт будет понадежней и эта система будет лучше работать так делали самые первые щетки современной щетки вы увидите я вам покажу и делают из графита значит вот это самый первый двигатель работающий на постоянном токе коллекторный двигатель теперь давайте подумаем как можно улучшить характеристики этого двигателя во-первых мы с вами знаем что магнитное поле усиливается если мы намотаем катушку на железный сердечник следовательно лучше взять не просто проволоку а проволоку намотанная на железную какую-то на какую-то железную по праву на какой-то железный сердечник это раз во вторых если вы возьмете рамку не из одного витка а например из 100 витков на каждый виток этой рамки будет действовать вот такая сила f1 с одной стороны f2 с другой стороны эти силы складываются значит если вы сделаете рамку из 100 витков то при том же токи в рамки эти силы складывают приведут к тому что момент силы вращающие эту рамку вспомним 7 класс увеличится в 100 раз значит во первых нужно взять их железный сердечник наматывать рамку на железный сердечник во вторых лучше взять много витков и вот только здесь есть одна беда смотрите когда рамка попадает вот в это положение происходит 2 неприятности во первых в этом положении на рамку не действуют вращающий момент действуют силы которые только растягивают но это еще полбеды что здесь происходит вот этот разрез приходится на щетку и этот разрез тоже приходится на эту щетку в результате полукольцо замыкает между собой щетки происходит короткое замыкание и здесь возникают неприятности как можно избежать что ариадна предлагает на изолятор какой-то да абсолютно правильно значит возьмем цилиндрик из какого-то диэлектрика и эти кольца сделаем потоньше чтобы вот эти щели были пошире тогда щетка не будет замыкать одновременно это кольцо и стой стороны это кольцо то есть у нас замыкание короткого не будет однако прекратится ток через рамку так знаете что можно сделать а что если мой вот вместо такого коллектора это вид отсюда вдоль оси у которого мы расширили щели по предложению ариадны возьмем и эти щели расширим еще сильнее сделаем вот так раз 2 а здесь коллектор а за счет к 1 2 и сюда подключим ещё одну рамку вот пластины коллектора ведущие к одной рамке а вот пластины коллектора идущие другой рамки то есть возьмем две рамки одна такая одна такая тогда получится что когда одна рамка станет вот в такое положение мертвая . так называемая вторая как раз будет находиться в таком положении и вращающий момент при этом будет максимален потому что мало того что сила еще и плечо помните что момент сила это произведение силы на плечо плечо силы будет максимальным тут оно равно нулю потому что сила проходит через ось такой и такое устройство это уже будет многополосная система количество рамок можно наращивать и вот мы приходим с вами потихонечку к устройству настоящего электродвигателя и так в настоящем электродвигатели рамок должно быть много чтобы обеспечить плавность вращения во вторых эти рамки должны содержать по много витков и в-третьих эти рамки нужно наматывать на железный сердечник смотрите на экран вот это железный сердечник настоящего электродвигателя он много- подразумевать что здесь будет много рамок в каждую из этих щели вкладывается катушка здесь одна здесь другая теперь следующее на этот каркас наматываются рамки видите их много причем каждая содержит много витков выводы эти храмы соединяются с контактами многополярного коллектора коллектора здесь больше чем 10 полюсов состоит и вот это будет вращающаяся часть электродвигателя вращающаяся часть электродвигателя носит название ротор ротор или его еще называют иногда якорь ротор или якорь дали нам же нужно каким-то образом подводить ток кро тару для этого служат щетки но только они устроены не так как я рисовал а в настоящих двигателях щетки вот такие это угольные стерженьки графитовые которая вот этими торцами прикасаются с одной и с другой стороны к коллектору уголь проводник поэтому щетки проводят электрический ток чтобы щетки прижимались хорошо коллектору служат вот эти пружинки они находятся в сжатом состоянии когда двигатель смонтирован а чтобы сопротивление между щеткой и источником тока было поменьше вот тут внутри медный провод гибкий и когда эти щётки размещают внутри электродвигатели вот одна щетка касается коллектора с одной стороны другая щетка касается коллектора с другой стороны теперь обратите внимание вот на что вот эта часть электродвигателя что это такое неподвижная часть электродвигателя так которая создает магнитное поле называется статор статор статор должен создавать магнитное поле как его можно создать есть два способа первое с помощью постоянных магнитов второй способ с помощью электромагнитов вот тот статор который вы видите создает магнитное поле с помощью электромагнитов вернемся еще раз к этой картинке вот это магнита провод электромагнита если мы отдельно за хотим увидеть статор он выглядит вот так вот магнита провод вот две катушки статора это один полюс электромагнита и с противоположной стороны второй полюс электромагнита и если вложить ротор и статор и ротор ставить в подшипнике получаются вот такой готовый электродвигатель смотрим из каких же он составных частей состоит ротор который насажен на вал вот вал дальше с другой стороны мы видим коллектор к которому прикасаются угольные щетки на щетке уже относится к 100 тару статор представляет собой вот такой электромагнит к статор укрепятся подшипники внутри которых вращается ротор вот устройство современного электродвигателя с коллектором ну а теперь давайте посмотрим как выглядит такой электродвигателя у меня есть такой электродвигатель час моего крупно вам покажем мы даже его включим с одной стороны с другой это двигатель рассчитан на напряжение кажется 27 вольт тут где-то на нем написано на 26 вот вот и смотрим составные части этого двигателя статор вот катушка самого статора дальше внутри в глубине коллектор вот я сейчас ротор буду вращать и видно как перемещаются пластины коллектора там внутри щетки вот одна щетка с одной стороны и вот угольная щетка с другой стороны вот эта пружинка которая прижимает щетку к коллектору и если мы сейчас включим напряжение двигатель начинает вращаться двигатель начинает вращаться сейчас он вращается так что вот этот тред двигателя вращается по часовой стрелке вот так ребята теперь вопрос на засыпку в какую сторону начнет вращаться этот двигатель если я изменю полярность включения магнита полярность включения источника тока в какую сторону он начнет вращаться сейчас он вращается вот этой частью по часовой стрелке что будет с направлением вращения если поменять местами полюс и вот я меняю полюсы и жду ваших предсказаний как вы думаете что произойдет с направлением тока в роторе изменится на противоположный значит должна измениться на противоположное и направление силы ампера но поскольку двигатель я вам показывал с электромагнитом то через электромагнит тоже поменяется ток значит одновременно изменится и направление тока в рамки и направление поля за счет изменения тока сила должна вроде изменить свое направление но если поле стало противоположным то сила по-прежнему будет направлена в ту же сторону я поменял направление включаем двигатель раньше крутилась по часовой стрелке а теперь тоже по часовой стрелке это здорово потому что такой двигатель с магнитным полем создаваемым переменным создаваемым электромагнитом можно использовать не только там где ток течет все время в одну сторону но и в цепях переменного тока в нашей осветительной сети ток 50 раз в секунду меняет направление но тем не менее такие двигатели можно использовать если только магнитное поле создается электромагнитом существуют и двигатели создания магнитного поля от постоянных магнитов такого профессионального у меня нет обычно эта моторчики маломощные потому что ну представьте себе какой-нибудь мощный двигатель с постоянными магнитами там очень сильные магниты должны быть ты проходишь мимо этого мотора и ключи которые у тебя в кармане притягивает притягивается к этому магниту да и смонтировать собрать такой двигатель очень тяжело вставить железный ротор внутрь статора с постоянными магнитами поэтому постоянные магниты используется обычно в двигателях мощных а мало мощные двигатели используют магниты как двигатели с катушками в качестве с электромагнитными в качестве источника поля используется в мощных двигателях а вот это двигатель с постоянными магнитами создающими магнитное поле правда это двигатель не профессиональный а модель но все равно он работает вот моторчик сейчас мы рассмотрим его составные части здесь не так много полюсов вот коллектор этого двигателя он немножко имеет необычную конструкцию щетки тут в виде двух пластин a chick вот таких вот ротор он всего из трех полюсов состоит а красные синие то постоянные магниты давайте включим этот двигатель включаем смотрите в какую сторону он крутится вот его медленно заставлю крутится заметили а теперь я поменяю направление тока поменяю местами плюс и минус источники тока поменял двигатель начал вращаться в противоположную сторону значит двигатель с постоянными магнитами имеет направление вращения которое зависит от направления тока а с электромагнитными всегда крутится в одну и ту же сторону вот кстати такая же модель двигателя только с электромагнитами здесь вместо постоянных магнитов вот одна катушка вот вторая тоже можно попробовать его испытать подключаем к одному полюсу подключаем другому запускаем вот он вращается вот у него коллектор он больше похож на тот который я рисовал вот коллектор и две щетки 1 с этой стороны 2 с этой стороны щетки прилегают коллектору и напоследок и напоследок я покажу вам маленький профессиональный моторчик вот этот моторчик кажется из видеомагнитофона кажется этот моторчик используется для того чтобы извлекать кассету из видеомагнитофона мы его сейчас приведём во вращение что было видно в какую сторону крутится здесь свете резиночку надел мы его приведем во вращение вот батарейки карманного фонарика вот заметили в какую сторону он крутится а теперь скажите пожалуйста как определить постоянные магниты или электромагниты установлены в статоре поменять направление тока точно вот запомнили куда крутится а теперь поменяем местами полюса батареи направление вращения изменилось следовательно внутри этого моторчика установлены постоянные магниты статор содержит постоянные магниты и последнее как обозначаются электродвигатели разного типа мы уже рисовали вот этот символ вот эти два краюшки символизируют щетки серединка символизирует ротор и коллектор это выводы если я хочу показать что магнитное поле создается постоянным магнитом я могу добавить вот что и написать здесь н.с. это электродвигатель в котором как говорят возбуждения происходит от постоянного магнита электродвигатель с возбуждением от постоянного магнита то есть магнитное поле создается постоянным магнитом а вот электродвигатель с возбуждением от электромагнита это ротор и щетки а статор рисуем вот так возбуждение от постоянного магнита возбуждения вот электромагнита а как подключать такой двигатель оказывается существует два способа можно к источнику тока подключать ротор и статор параллельно а можно последовательно и получится две разные системы смотрите вот сейчас мы создадим двигатель где статор и ротор соединены последовательно вот ротор вот статор вот катушка возбуждения соединяем ее последовательно с ротором последовательность роторов а вот второй способ катушка возбуждение и ротор соединяются параллельно ротор щетки выводы ротора статор обмотка возбуждения соединено параллельно с ротором и сюда подключается источник тока двигателя с последовательным возбуждением носят название серии ясный двигатель серии ясная двигатель сервис последовательны connection in service помните физику на английском а двигатель с параллельным включением обмотки возбуждения называется шум такой двигатель шунт овый двигателя вот такого типа бывают двигатели с коллектором существует и бесколлекторные двигатели но это отдельный разговор все на сегодня отдыхать