Эксперимент в классе, страница 217 - гдз по физике 8 класс учебник Закирова, Аширов

Эксперимент в классе

Рассмотрите модель электродвигателя, укажите основные детали двигателя. Подключив к источнику постоянного тока 4 В, пронаблюдайте за вращением ротора. Поменяйте полюса источника в собранной цепи. Пронаблюдайте за изменением направления вращения ротора двигателя.

Рассмотрите модель электродвигателя, укажите основные детали двигателя

Модель электродвигателя постоянного тока состоит из нескольких ключевых частей, которые обеспечивают преобразование электрической энергии в механическую энергию вращения.

• Статор (индуктор): это неподвижная часть, которая создает постоянное магнитное поле. В учебных моделях в качестве статора обычно используется постоянный подковообразный магнит или два отдельных магнита, обращенных друг к другу разноименными полюсами (северным и южным).
• Ротор (якорь): это вращающаяся часть двигателя. Она представляет собой катушку (рамку) из изолированного провода, намотанную на железный сердечник для усиления магнитного поля.
• Коллектор (коммутатор): это устройство, которое обеспечивает изменение направления тока в обмотке ротора. Он состоит из двух медных полуколец, изолированных друг от друга, к которым припаяны концы обмотки ротора. Коллектор вращается вместе с ротором.
• Щетки: это неподвижные контакты (обычно из графита), которые скользят по поверхности коллектора. Через щетки электрический ток от источника питания подается на вращающуюся обмотку ротора.

Ответ: Основные детали двигателя: статор (магнит), ротор (катушка с сердечником), коллектор (два полукольца) и щетки.

Подключив к источнику постоянного тока 4 В, пронаблюдайте за вращением ротора

Дано:

Напряжение источника постоянного тока $U = 4$ В.

Найти:

Объяснить причину вращения ротора.

Решение:

При подключении двигателя к источнику постоянного тока напряжением 4 В, ток начинает течь через щетки и коллектор в обмотку ротора. Так как ротор находится в магнитном поле статора, на стороны рамки с током начинает действовать сила Ампера. Направление этой силы определяется по правилу левой руки: если левую руку расположить так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, а четыре пальца были направлены по току, то отставленный на 90° большой палец покажет направление силы.

На противоположные стороны рамки, где ток течет в разных направлениях, действуют силы, также направленные в противоположные стороны. Эта пара сил создает вращающий момент, который приводит ротор в движение. Когда ротор поворачивается на 180 градусов, каждая щетка начинает контактировать с другим полукольцом коллектора. Это приводит к тому, что направление тока в рамке меняется на противоположное. Благодаря этому изменению, направление вращающего момента сохраняется, и ротор продолжает вращаться в том же направлении, совершая непрерывное вращение.

Ответ: При подключении к источнику тока ротор начинает непрерывно вращаться из-за действия силы Ампера на обмотку ротора, которая создает вращающий момент.

Поменяйте полюса источника в собранной цепи. Пронаблюдайте за изменением направления вращения ротора двигателя

Решение:

Смена полюсов источника тока означает, что мы меняем местами провода, идущие от положительной и отрицательной клемм источника. В результате направление электрического тока во всей цепи, включая обмотку ротора, меняется на противоположное.

Направление магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом (статором), при этом не изменяется. Согласно правилу левой руки, если изменить направление тока в проводнике на обратное, то и направление силы Ампера, действующей на этот проводник, также изменится на обратное.

Поскольку силы, действующие на стороны рамки ротора, изменили свое направление на противоположное, вращающий момент также меняет свое направление. Это приводит к тому, что ротор начинает вращаться в направлении, противоположном первоначальному.

Это можно описать формулой силы Ампера: $ \vec{F}_A = I (\vec{L} \times \vec{B}) $. При замене тока $I$ на $-I$, направление вектора силы $ \vec{F}_A $ меняется на противоположное, так как $ \vec{F'}_A = (-I) (\vec{L} \times \vec{B}) = -[I (\vec{L} \times \vec{B})] = - \vec{F}_A $.

Ответ: При смене полюсов источника тока направление вращения ротора двигателя изменится на противоположное.