§61. Действие магнитного поля на проводник с током. Электрический двигатель
Вопросы
1. Как показать, что магнитное поле действует на проводник с током, находящийся в этом поле?
1. Если подвесить проводник на тонких гибких проводах в магнитном поле постоянного магнита, то при включении электрического тока в сети с проводником, он отклонится, демонстрируя взаимодействие магнитных полей проводника и магнита.
2. Пользуясь рисунком 117, объясните, от чего зависит направление движения проводника с током в магнитном поле.
2. Направление движения проводника с током в магнитном поле зависит от направления тока и от расположения полюсов магнита.
3. При помощи какого прибора можно осуществить вращение проводника с током в магнитном поле? При помощи какого устройства в рамке меняют направление тока через каждые пол-оборота?
3. Осуществить вращение проводника с током в магнитном поле можно с помощью устройства, изображенного на рис. 115, в котором рамка с изолированной обмоткой подключается в сеть через проводящие полукольца и щетки, позволяющее менять направление тока в обмотке через полоборота. В результате рамка вращается все время в одном направлении.
4. Опишите устройство технического электродвигателя.
4. Технический электродвигатель имеет в своем составе якорь — это железный цилиндр, имеющий вдоль боковой поверхности прорези, в которые укладываются витки обмотки. Сам якорь вращается в магнитном поле, создаваемом сильным электромагнитом. Вал двигателя, проходящий по центральной оси железного цилиндра, соединяют с прибором, который приводится двигателем во вращение.
5. Где применяются электрические двигатели? Каковы их преимущества по сравнению с тепловыми?
5. Двигатели постоянного тока нашли особенно широкое применение на транспорте (трамваи, троллейбусы, электровозы), в промышленности (для выкачивания нефти из скважины) в быту (в электробритвах). Электродвигатели имеют меньшие размеры по сравнению с тепловыми, а также гораздо более высокий КПД, кроме того они не выделяют газов, дыма и пара, т. е. более экологически чистые.
6. Кто и когда изобрёл первый электродвигатель, пригодный для практического применения?
6. Первый электрический двигатель, пригодный для практического применения изобрел русский ученый — Борис Семенович Якоби в 1834 году. Задание 11
1. На рис. 117 показа схема электрического измерительного прибора. В нем рамка с обмоткой в отключенном состоянии удерживается пружинками в горизонтальном положении, при этом стрелка, жестко соединенная с рамкой, указывает на нулевое значение шкалы. Вся рамка с сердечником помещена между полюсами постоянного магнита. Когда прибор подключается в сеть, ток в рамке взаимодействует с полем магнита, рамка с обмоткой поворачивается и стрелка поворачивается по шкале, причем в разные стороны, в зависимости от направления тока, а угол зависит от величины силы тока.
2. На рис. 118 показан автомат для включения звонка, если температура превысит допустимую. В состав его входит две сети. Первая содержит специальный ртутный термометр, служащий для замыкания этой цепи, когда ртуть в термометре поднимается выше заданного значения, источник питания, электромагнит, якорь которого замыкает вторую цепь, содержащую кроме якоря звонок и источник питания. Можно применять такой автомат в теплицах, инкубаторах, где очень важно следить за поддержанием нужной температуры.
Измеритель солнечного излучения (люксметр)
В помощь техническим и научным сотрудникам разработано немало измерительных приборов, призванных обеспечить точность, удобство и эффективность работы. Вместе с тем, для большинства людей названия этих приборов, а тем более принцип их работы, зачастую незнакомы. В этой статье мы в краткой форме раскроем предназначение самых распространенных измерительных приборов. Информацией и изображениями приборов с нами поделился сайт одного из поставщиков измерительных приборов .
Анализатор спектра - это измерительный прибор, который служит для наблюдения и измерения относительного распределения энергии электрических (электромагнитных) колебаний в полосе частот.
Анемометр – прибор, предназначенный для измерения скорости, объема воздушного потока в помещении. Анемометр применяют для санитарно-гигиенического анализа территорий.
Балометр – измерительный прибор для прямого измерения объёмного расхода воздуха на крупных приточных и вытяжных вентиляционных решетках.
Вольтметр - это прибор, которым измеряют напряжение.
Газоанализатор - измерительный прибор для определения качественного и количественного состава смесей газов. Газоанализаторы бывают ручного действия или автоматические. Примеры газоанализаторов: течеискатель фреонов, течеискатель углеводородного топлива, анализатор сажевого числа, анализатор дымовых газов, кислородомер, водородомер.
Гигрометр – это измерительный прибор, который служит для измерения и контроля влажности воздуха.
Дальномер – прибор, измеряющий расстояние. Дальномер позволяет также вычислять площадь и объем объекта.
Дозиметр – прибор, предназначенный для обнаружения и измерения радиоактивных излучений.
Измеритель RLC – радиоизмерительный прибор, используемый для определения полной проводимости электрической цепи и параметров полного сопротивления. RLC в названии является абревиатурой схемных названий элементов, параметры которых могут измеряться этим прибором: R - Сопротивление, С - Ёмкость, L - Индуктивность.
Измеритель мощности – прибор, который используется для измерения мощности электромагнитных колебаний генераторов, усилителей, радиопередатчиков и других устройств, работающих в высокочастотном, СВЧ и оптическом диапазонах. Виды измерителей: измерители поглощаемой мощности и измерители проходящей мощности.
Измеритель нелинейных искажений – прибор, предназначенный для измерения коэффициента нелинейных искажений (коэффициента гармоник) сигналов в радиотехнических устройствах.
Калибратор – специальная эталонная мера, которую используют для поверки, калибровки или градуировки измерительных приборов.
Омметр, или измеритель сопротивления – это прибор, используемый для измерения сопротивления электрическому току в омах. Разновидности омметров в зависимости от чувствительности: мегаомметры, гигаомметры, тераомметры, миллиомметры, микроомметры.
Токовые клещи – инструмент, который предназначен для измерения величины протекающего тока в проводнике. Токовые клещи позволяют проводить измерения без разрыва электрической цепи и без нарушения ее работы.
Толщиномер - это прибор, при помощи которого можно с высокой точностью и без нарушения целостности покрытия, измерить его толщину на металлической поверхности (например, слоя краски или лака, слоя ржавчины, грунтовки, или любого другого неметаллического покрытия, нанесенного на металлическую поверхность).
Люксметр – это прибор для измерения степени освещенности в видимой области спектра. Измерители освещения представляют собой цифровые, высокочувствительные приборы, такие как люксметр, яркомер, пульсметр, УФ-радиометр.
Манометр – прибор, измеряющий давление жидкостей и газов. Виды манометров: общетехнические, коррозионностойкие, напоромеры, электроконтактные.
Мультиметр – это портативный вольтметр, который выполняет одновременно несколько функций. Мультиметр предназначен для измерения постоянного и переменного напряжения, силы тока, сопротивления, частоты, температуры, а также позволяет осуществлять прозвонку цепи и тестирование диодов.
Осциллограф – это измерительный прибор, позволяющий осуществлять наблюдение и запись, измерения амплитудных и временны́х параметров электрического сигнала. Виды осциллографов: аналоговые и цифровые, портативные и настольные
Пирометр - это прибор для бесконтактного измерения температуры объекта. Принцип действия пирометра основан на измерении мощности теплового излучения объекта измерения в диапазоне инфракрасного излучения и видимого света. От оптического разрешения зависит точность измерения температуры на расстоянии.
Тахометр – это прибор, позволяющий измерять скорость вращения и количество оборотов вращающихся механизмов. Виды тахометров: контактные и бесконтактные.
Тепловизор – это устройство, предназначенное для наблюдения нагретых объектов по их собственному тепловому излучению. Тепловизор позволяет преобразовывать инфракрасное излучение в электрические сигналы, которые затем в свою очередь после усиления и автоматической обработки преобразуются в видимое изображение объектов.
Термогигрометр – это измерительный прибор, выполняющий одновременно функции измерения температуры и влажности.
Трассодефектоискатель – это универсальный измерительный прибор, который позволяет на местности определять местоположение и направление кабельных линий и металлических трубопроводов, а также определять место и характер их повреждения.
pH-метр – это измерительный прибор, предназначенный для измерения водородного показателя (показателя pH).
Частотомер – измерительный прибор для определения частоты периодического процесса или частот гармонических составляющих спектра сигнала.
Шумомер – прибор для измерения звуковых колебаний.
Таблица: Единицы измерения и обозначения некоторых физических величин.
Заметили ошибку? Выделите ее и нажмите Ctrl+Enter
Приборы основным предназначением которых является измерение мощности дозы радиации (альфа-, бета- и гамма- с учетом рентгеновского) и проверка тем самым на радиоактивность подозрительных предметов.
Дозиметрические приборы используются для определения уровней радиации на местности, степени заражения одежды, кожных покровов человека, продуктов питания, воды, фуража, транспорта и других различных предметов и объектов, а также для измерения доз радиоактивного облучения людей при их нахождении на объектах и участках, зараженных радиоактивными веществами.
Служат для химического анализа воздуха, что дает информацию о качественном и количественном составе загрязнителей и позволяет прогнозировать степень загрязнения. К основным внутренним загрязнителям относят предметы интерьера, мебель, напольные и потолочные покрытия, строительные и отделочные материалы. Химический анализ воздуха выявляет такие показатели, как пыль, диоксид серы, диоксид азота, оксид углерода, фенол, аммиак, хлорид водорода, формальдегид, бензол, толуол и т.д.
Приборы для измерения водородного показателя (показателя pH). Исследуют активность ионов водорода в растворах, воде, пищевой продукции и сырье, объектах окружающей среды и производственных системах, в том числе в агрессивных средах.
Служат для оценки качества питьевой воды. Показывают количество взвешенных в воде неорганических примесей, в основном солей различных металлов. В быту применяются для определения качества воды из-под крана, бутилированной воды, а также для контроля эффективности водоочистных фильтров.
Портативные приборы, предназначенные для измерения точного уровня звука. Шум называют загрязнителем окружающей среды. Он также вреден как табачный дым, как выхлопные газы, как радиационная активность. У шума может быть всего четыре типа источника. Поэтому его принято делить на: механический, гидромеханический, аэродинамический и электромагнитный. Современные приборы способны определить уровень шума любых механизмов: наземных, водных и даже линий электрических передач. Прибор позволит вам объективно измерить уровень громкости звука.
Портативные приборы, предназначенные для измерения точного уровня освещенности, создаваемого различными источниками света. Область применения люксметров широка, что объясняется, прежде всего, их высокой спектральной чувствительностью, которая приближается к чувствительности человеческого глаза. Следует помнить, что некоторые источники осветительных приборов, галогенные, люминесцентные и даже светодиодные лампы, по прошествии некоторого времени эксплуатации теряют существенную величину светового потока, общая освещенность в помещении может ухудшиться. Это не только снизит остроту зрения человека, но и будет влиять на его утомляемость. Контролировать освещенность следует постоянно.
Приборы, предназначенные для экспресс-определения количества нитратов в овощах, фруктах, мясе и других продуктах питания. Еще не так давно для проведения подобных исследований, требовалась целая лаборатория, теперь это возможно осуществить при помощи одного компактного устройства.
Портативные нитратомеры приобрели широкую популярность благодаря своей компактности, невысокой стоимости и простоте в эксплуатации. Нитраты присутствуют во многих удобрениях, которые активно используют в сельском хозяйстве для повышения урожайности культур. По этой причине нитраты в овощах и фруктах часто содержатся в значительной концентрации. Попадая с пищей в организм человека, нитраты в больших количествах, способны вызывать отравления нитратами, различные расстройства и хронические заболевания.
Индикатор нитратов поможет вовремя распознать опасные продукты и защититься от отравления нитратами.
Распечатать
Мы знаем, что проводники с токами взаимодействуют друг с другом с некоторой силой (§ 37). Это объясняется тем, что на каждый проводник с током действует магнитное поле тока другого проводника.
Вообще магнитное поле действует с некоторой силой на любой проводник с током, находящийся в этом поле .
На рисунке 117, а изображён проводник АВ, подвешенный на гибких проводах, которые присоединены к источнику тока. Проводник АВ помещён между полюсами дугообразного магнита, т. е. находится в магнитном поле. При замыкании электрической цепи проводник приходит в движение (рис. 117, б).
Рис. 117. Действие магнитного поля на проводник с током
Направление движения проводника зависит от направления тока в нём и от расположения полюсов магнита. В данном случае ток направлен от А к Б, и проводник отклонился влево. При изменении направления тока на противоположное проводник переместится вправо. Точно так же проводник изменит направление движения при изменении расположения полюсов магнита.
Практически важное значение имеет вращение проводника с током в магнитном поле.
На рисунке 118 изображён прибор, с помощью которого можно продемонстрировать такое движение. В этом приборе лёгкая прямоугольная рамка ABCD насажена на вертикальную ось. На рамке уложена обмотка, состоящая из нескольких десятков витков проволоки, покрытой изоляцией. Концы обмотки присоединены к металлическим полукольцам 2: один конец обмотки присоединён к одному полукольцу, другой - к другому.
Рис. 118. Вращение рамки с током в магнитном поле
Каждое полукольцо прижимается к металлической пластинке - щётке 1. Щётки служат для подвода тока от источника к рамке. Одна щётка всегда соединена с положительным полюсом источника, а другая - с отрицательным.
Мы знаем, что ток в цепи направлен от положительного полюса источника к отрицательному, следовательно, в частях рамки АВ и DC он имеет противоположное направление, поэтому эти части проводника будут перемещаться в противоположные стороны и рамка повернётся. При повороте рамки присоединённые к её концам полукольца повернутся вместе с ней и каждое прижмётся к другой щётке, поэтому ток в рамке изменит направление на противоположное. Это нужно для того, чтобы рамка продолжала вращаться в том же направлении.
Вращение катушки с током в магнитном поле используется в устройстве электрического двигателя .
В технических электродвигателях обмотка состоит из большого числа витков проволоки. Эти витки укладывают в пазы (прорези), сделанные вдоль боковой поверхности железного цилиндра. Этот цилиндр нужен для усиления магнитного поля. На рисунке 119 изображена схема такого устройства, оно называется якорем двигателя . На схеме (она дана в перпендикулярном сечении) витки проволоки показаны кружочками.
Рис. 119. Схема якоря двигателя
Магнитное поле, в котором вращается якорь такого двигателя, создаётся сильным электромагнитом. Электромагнит питается током от того же источника тока, что и обмотка якоря. Вал двигателя, проходящий по центральной оси железного цилиндра, соединяют с прибором, который приводится двигателем во вращение.
Двигатели постоянного тока нашли особенно широкое применение на транспорте (электровозы, трамваи, троллейбусы).
Есть специальные безыскровые электродвигатели, которые применяют в насосах для выкачивания нефти из скважин.
В промышленности применяют двигатели, работающие на переменном токе (их вы будете изучать в старших классах).
Электрические двигатели обладают рядом преимуществ. При одинаковой мощности они имеют меньшие размеры, чем тепловые двигатели. При работе они не выделяют газов, дыма и пара, а значит, не загрязняют воздух. Им не нужен запас топлива и воды. Электродвигатели можно установить в удобном месте: на станке, под полом трамвая, на тележке электровоза. Можно изготовить электрический двигатель любой мощности: от нескольких ватт (в электробритвах) до сотен и тысяч киловатт (на экскаваторах, прокатных станах, кораблях).
Коэффициент полезного действия мощных электрических двигателей достигает 98%. Такого высокого КПД не имеет никакой другой двигатель.
Якоби Борис Семёнович (1801-1874)
Русский физик. Прославился открытием гальванопластики Построил первый электродвигатель, телеграфный аппарат, печатающий буквы.
Один из первых в мире электрических двигателей, пригодных для практического применения, был изобретён русским учёным Борисом Семёновичем Якоби в 1834 г.
Вопросы
- Как показать, что магнитное поле действует на проводник с током, находящийся в этом поле?
- Пользуясь рисунком 117, объясните, от чего зависит направление движения проводника с током в магнитном поле.
- При помощи какого прибора можно осуществить вращение проводника с током в магнитном поле? При помощи какого устройства в рамке меняют направление тока через каждые пол-оборота?
- Опишите устройство технического электродвигателя.
- Где применяются электрические двигатели? Каковы их преимущества по сравнению с тепловыми?
- Кто и когда изобрёл первый электродвигатель, пригодный для практического применения?
Задание
