Номер 3.15, страница 54 - гдз по физике 11 класс сборник задач Заболотский, Комиссаров

Основы электродинамики. Глава 3. Электромагнетизм. Магнитное поле тока. Магнитная индукция - номер 3.15, страница 54.

Условие.

3.15. На рисунке 3.9 показана схема устройства двигателя постоянного тока.

а) Объясните назначение основных элементов и принцип действия двигателя.

б) В каком направлении будет поворачиваться рамка?

Рис. 3.9

Решение.

а) Назначение основных элементов двигателя и принцип его действия следующие:
Основные элементы:
1. Магнит (на рисунке — постоянный) создаёт постоянное магнитное поле. Он является неподвижной частью двигателя — статором.
2. Рамка (якорь или ротор) — вращающаяся часть двигателя, представляющая собой катушку с проводом, по которому пропускается электрический ток.
3. Коллектор (два медных полукольца) — устройство, вращающееся вместе с рамкой и предназначенное для изменения направления тока в рамке через каждые пол-оборота.
4. Щётки — неподвижные контакты, которые прижимаются к коллектору и обеспечивают электрический контакт между источником тока и вращающейся рамкой.
Принцип действия:
Принцип работы двигателя основан на действии магнитного поля на проводник с током (сила Ампера). Когда через рамку, находящуюся в магнитном поле, пропускают ток, на её стороны, перпендикулярные линиям магнитного поля, начинают действовать силы Ампера. Эти силы направлены в противоположные стороны и создают вращающий момент, заставляющий рамку вращаться. Чтобы вращение было непрерывным и происходило в одном направлении, после каждого полуоборота рамки направление тока в ней изменяется на противоположное с помощью коллектора и щёток. В результате вращающий момент продолжает действовать в ту же сторону, и рамка продолжает вращаться. Таким образом, электрическая энергия преобразуется в механическую энергию вращения.
Ответ: Основные элементы (магнит, рамка, коллектор, щётки) обеспечивают преобразование электрической энергии в механическую за счёт создания вращающего момента силой Ампера, действующей на рамку с током в магнитном поле, а коллекторно-щёточный узел обеспечивает непрерывность этого вращения, изменяя направление тока в рамке.

б) Для определения направления вращения рамки применим правило левой руки.
1. Направление линий магнитного поля: от северного полюса (N) к южному (S), то есть на рисунке слева направо.
2. Направление тока в рамке: ток течёт от положительного полюса источника (длинная черта) к отрицательному (короткая черта). Он поступает на правую щётку, далее на нижнее полукольцо коллектора и в ту сторону рамки, что находится ближе к нам (у южного полюса S). В этой стороне ток направлен от нас, за плоскость рисунка. В дальней от нас стороне рамки (у северного полюса N) ток течёт, соответственно, к нам.
3. Применение правила левой руки:
- Для ближней к нам стороны рамки: располагаем левую руку так, чтобы четыре пальца были направлены по полю (вправо), а большой палец, отогнутый на 90°, указывал направление тока (от нас). Тогда ладонь будет обращена вверх, следовательно, сила Ампера направлена вверх.
- Для дальней от нас стороны рамки: четыре пальца направлены по полю (вправо), а большой палец — по току (к нам). Ладонь будет обращена вниз, следовательно, сила Ампера направлена вниз.
Создавшаяся пара сил (вверх на ближней стороне и вниз на дальней) заставит рамку вращаться против часовой стрелки, если смотреть на неё со стороны коллектора.
Ответ: Рамка будет поворачиваться против часовой стрелки.