Почему рамка с током, помещенная между полюсами постоянного магнита вращается?
Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах.
Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте.
Как быстро и эффективно исправить почерк? Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.
Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью.
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.
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.
Рамка с током в магнитном поле
На практике часто встречается такое использование силы Ампера: между полюсами магнита помещают прямоугольную рамку из провода, по которому течет ток (рис. 4.36, а). Используя правило левой руки, находим, что на левый провод действует сила, направленная от нас, а на правый — к нам.
На рисунке 4.36, а это показано как хвост улетающей от нас стрелы и как кончик стрелы, летящей на нас.
Рис. 4.36, 6
В результате рамка будет поворачиваться. Это используется в электродвигателях. Правда, когда рамка повернется на 90° и по инерции пройдет это положение, то левый провод окажется на месте правого. Если при этом ток по нему будет продолжать идти вверх, то рамка начнет поворачиваться в обратную сторону. Чтобы этого не случалось, в электродвигателях производится переключение с помощью коллектора (два полукольца и две щетки, рис. 4.36, б). В настоящем двигателе таких рамок много, коллектор состоит не из двух полуколец, а из большого числа контактов, распо- Рис. 4.37 ложенных по кругу. Кроме того, используются не постоянные магниты, а электромагниты, питаемые током от того же источника, что и рамка. Различные типы соединений рамок и электромагнита рассматриваются в электротехнике. Отметим только, что во всех электродвигателях, в любом электротранспорте используется сила Ампера.
Вращение рамки с током
В ряде технических устройств широко используется вращение проводника с током в форме рамки, помещённой в магнитное поле.
Вместо проволоки подключим к источнику тока лёгкую проволочную рамку прямоугольной формы. Поместив слева и справа от неё магниты, замкнём цепь и увидим, что рамка повернётся. Если изменить направление тока, то рамка повернётся другой стороной.
Вращение рамки с током можно объяснить тем, что на правую и на левую сторону рамки действуют силы Ампера, направленные в противоположные стороны. Под действием этих сил и происходит вращение рамки. Таким образом, магнитное поле оказывает вращающее действие на рамку с током.
Свойство рамки с током вращаться в магнитном поле используется в электроизмерительных приборах, таких, как вольтметр и амперметр. Рассмотрим принцип действия таких приборов.
Между полюсами дугообразного магнита находится рамка, удерживаемая в положении равновесия пружиной. К рамке прикреплена стрелка, движущаяся по шкале. При протекании через этот прибор электрического тока рамка под действием силы Ампера поворачивается и вызывает отклонение стрелки. При выключении тока пружина возвращает стрелку к нулевой отметке шкалы.