Номер 5, страница 56 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

Вопросы. § 16. Рамка с током в однородном магнитном поле. Глава 2. Магнитное поле - номер 5, страница 56.

5. Объясните принцип работы электродвигателя постоянного тока.

Принцип работы электродвигателя постоянного тока основан на преобразовании электрической энергии в механическую энергию вращения. В основе этого процесса лежит явление электромагнитной индукции, а именно возникновение силы, действующей на проводник с током в магнитном поле.

Основные компоненты и их роль:

• Статор (индуктор) — неподвижная часть двигателя, которая создает постоянное магнитное поле. Статор может состоять из постоянных магнитов или электромагнитов.
• Ротор (якорь) — вращающаяся часть двигателя, представляющая собой одну или несколько катушек (обмоток), по которым протекает электрический ток.
• Коллектор — специальное устройство, состоящее из изолированных друг от друга медных пластин. Он вращается вместе с ротором и служит для подвода тока к обмоткам ротора. Его главная задача — изменять направление тока в обмотке ротора в нужный момент времени.
• Щетки — неподвижные контакты (обычно графитовые), которые прижимаются к коллектору и обеспечивают электрическую связь между источником постоянного тока и вращающимся ротором.

Процесс работы:

1. На щетки подается напряжение от источника постоянного тока. Через щетки и пластины коллектора ток поступает в обмотку ротора (якоря).

2. Ротор с током находится в магнитном поле, созданном статором. Согласно силе Ампера (разновидность силы Лоренца), на стороны рамки ротора, по которым течет ток, начинают действовать силы. Величина этой силы определяется формулой:

$F = I \cdot B \cdot l \cdot \sin(\alpha)$

где $I$ — сила тока в проводнике, $B$ — индукция магнитного поля, $l$ — длина активной части проводника, $\alpha$ — угол между направлением тока и вектором магнитной индукции.

3. Направление этих сил определяется по правилу левой руки. Так как ток в противоположных сторонах рамки ротора направлен в разные стороны, то и силы, действующие на них, будут направлены в противоположные стороны (одна вверх, другая вниз). Эта пара сил создает вращающий момент, который заставляет ротор поворачиваться.

4. Ротор вращается до тех пор, пока рамка не займет вертикальное положение (перпендикулярно линиям магнитной индукции). В этот момент вращающий момент становится равным нулю, но по инерции ротор проходит это положение.

5. Сразу после прохождения этого "мертвого" положения, каждая щетка переходит на следующую пластину коллектора. Это приводит к изменению направления тока в обмотке ротора на противоположное.

6. Смена направления тока приводит к тому, что направление сил Ампера, действующих на стороны рамки, также меняется. Теперь та сторона рамки, которая двигалась вверх, начинает двигаться вниз, и наоборот. В результате вращающий момент снова начинает действовать в том же направлении, что и до этого, и ротор продолжает свое вращение.

7. Этот процесс циклического переключения тока коллектором повторяется каждые пол-оборота, обеспечивая непрерывное и однонаправленное вращение ротора, пока на двигатель подается электрический ток.

Ответ: Принцип работы электродвигателя постоянного тока основан на силовом взаимодействии магнитного поля статора и тока в обмотке ротора (якоря). На проводник с током в магнитном поле действует сила Ампера, которая создает вращающий момент. Для обеспечения непрерывного вращения в одном направлении используется коллекторно-щеточный узел, который каждый полоборота изменяет направление тока в обмотке ротора, тем самым поддерживая постоянное направление вращающего момента.