Работа перемещения тока в магнитном поле. Работа, совершаемая при перемещении проводника с током в магнитном поле

На проводник с током в магнитном поле действуют силы, определяемые законом Ампера (см. §111). Если проводник не закреплен (например, одна из сторон кон­тура изготовлена в виде подвижной пере­мычки, рис. 177), то под действием силы Ампера он будет в магнитном поле переме­щаться. Следовательно, магнитное поле совершает работу по перемещению про­водника с током.

Для определения этой работы рассмотрим проводник длиной l с током I (он может свободно перемещаться), помещен­ный в однородное внешнее магнитное по­ле, перпендикулярное плоскости контура. При указанных на рис. 177 направлениях тока и поля сила, направление которой определяется по правилу левой руки, а значение - по закону Ампера (см. (111.2)), равна

Под действием этой силы проводник пере­местится параллельно самому себе на от­резок Ах из положения 1 в положение 2. Работа, совершаемая магнитным полем, равна

dA=Fdx=IBldx =IB dS= I dФ,

так как l dx=dS- площадь, пересекае­мая проводником при его перемещении в магнитном поле, В dS=dФ - поток век­тора магнитной индукции, пронизываю­щий эту площадь. Таким образом,

dA =I dФ, (121.1)

т. е. работа по перемещению проводника с током в магнитном поле равна произве­дению силы тока на магнитный поток, пересеченный движущимся проводником. Полученная формула справедлива и для произвольного направления вектора В.

Вычислим работу по перемещению за­мкнутого контура с постоянным током I в магнитном поле. Предположим, что кон­тур М перемещается в плоскости чертежа и в результате бесконечно малого переме­щения займет положение М", изображен­ное на рис. 178 штриховой линией. На­правление тока в контуре (по часовой стрелке) и магнитного поля (перпендику­лярно плоскости чертежа - за чертеж) указано на рисунке. Контур М мысленно

разобьем на два соединенных своими кон­цами проводника: ABC и CDA.

Работа dA, совершаемая силами Ам­пера при рассматриваемом перемещении контура в магнитном поле, равна алгебра­ической сумме работ по перемещению проводников ЛВС (dA 1 ) и СDA (dА 2 ), т. е.

dA=dA 1 +dA 2 . (121.2)

Силы, приложенные к участку CDA контура, образуют с направлением пере­мещения острые углы, поэтому совершае­мая ими работа dA 2 >0. Согласно (121.1), эта работа равна произведению силы то­ка I в контуре на пересеченный проводни­ком CDA магнитный поток. Провод­ник CDA пересекает при своем движении поток dФ 0 сквозь поверхность, выполнен­ную в цвете, и поток dФ 2 , пронизывающий контур в его конечном положении. Сле­довательно,

dA 2 = I (dФ 0 +dФ 2). (121.3)

Силы, действующие на участок ЛВС контура, образуют с направлением пе­ремещения тупые углы, поэтому совер­шаемая ими работа dA 1 <0. Провод­ник ЛВС пересекает при своем движении поток dФ 0 сквозь поверхность, выполнен­ную в цвете, и поток dФ 1 , пронизывающий контур в начальном положении. Следова­тельно,

dA 1 =I (dФ 0 +dФ 1). (121.4)

Подставляя (121.3) и (121.4) в (121.2), получим выражение для эле­ментарной работы:

dA =I (dФ 2 -dФ 1),

где dФ 2 -dФ 1 =dФ"- изменение магнит­ного потока через площадь, ограниченную контуром с током. Таким образом,

dA =I dФ". (121.5)

Проинтегрировав выражение (121.5), оп­ределим работу, совершаемую силами Ам­пера, при конечном произвольном переме­щении контура в магнитном поле:

A =I DФ, (121.6)

т. е. работа по перемещению замкнутого контура с током в магнитном поле равна произведению силы тока в контуре на из­менение магнитного потока, сцепленного

с контуром. Формула (121.6) остается справедливой для контура любой формы в произвольном магнитном поле.

Конец работы -

Эта тема принадлежит разделу:

Закон сохранения электрического заряда

Рассмотрим связь между векторами Е и D на границе раздела двух однород ных изотропных диэлектриков диэлектри ческие проницаемости которых e и e... откуда...

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Твитнуть

Все темы данного раздела:

Закон сохранения электрического заряда
Еще в глубокой древности было известно, что янтарь, потертый о шерсть, притягива­ет легкие предметы. Английский врач Джильберт (конец XVI в.) назвал тела, способные после натирания притягивать легк

Закон Кулона
Закон взаимодействия неподвижных то­чечных электрических зарядов установлен в 1785 г. Ш. Кулоном с помощью крутиль­ных весов, подобных тем, которые (см. §22) использовались Г.Кавендишем для

Электростатическое поле. Напряженность электростатического поля
Если в пространство, окружающее элек­трический заряд, внести другой заряд, то на него будет действовать кулоновская сила; значит, в пространстве, окружаю­щем электрические заряды, существует

Принцип суперпозиции электростатических полей
Рассмотрим метод определения значения и направления вектора напряженности Е в каждой точке электростатического поля, создаваемого системой неподвиж­ных зарядов q1

Поток вектора напряженности. Теорема Гаусса для электростатического поля в вакууме
Вычисление напряженности поля системы электрических зарядов с помощью при­нципа суперпозиции электростатических полей можно значительно упростить, ис­пользуя выведенную немецким ученым К. Гауссом (

Применение теоремы Гаусса к расчету некоторых электростатических полей в вакууме
1. Поле равномерно заряженной бесконечной плоскости.Бесконечная плоскость (рис. 126) заряжена с постоянной поверхностной плотно­стью+ s (s=dQ/dS-заряд, приходящийс

Работа электрического поля. Циркуляция вектора напряженности электростатического поля
Если в электростатическом поле точечного заряда Q из точки 1 в точку 2 вдоль про­извольной траектории (рис. 132) переме­щается другой точечный заряд Q0, то сила, при

Потенциал электростатического поля. Разность потенциалов.
Тело, находящееся в потенциальном поле сил (а электростатическое поле является потенциальным), обладает потенциальной энергией, за счет которой силами поля совершается работа (см. §12). Как из­вест

Напряженность как градиент потенциала. Эквипотенциальные поверхности
Найдем взаимосвязь между напряженно­стью электростатического поля, являю­щейся его силовой характеристикой, и по­тенциалом - энергетической характери­стикой поля. Работа по п

Вычисление разности потенциалов по напряженности поля
Установленная выше связь между напря­женностью поля и потенциалом позволяет по известной напряженности поля найти разность потенциалов между двумя про­извольными точками этого поля.

Типы диэлектриков. Виды поляризации
Диэлектрик (как и всякое вещество) со­стоит из атомов и молекул. Так как поло­жительный заряд всех ядер молекулы ра­вен суммарному заряду электронов, то молекула в целом электрически нейтраль­на. Е

Поляризованность. Напряженность поля в диэлектрике. Свободные и связанные заряды. Диэлектрическая проницаемость среды
При помещении диэлектрика во внешнее электростатическое поле он поляризуется, т. е. приобретает отличный от нуля дипольный момент

Электрическое смещение. Теорема Гаусса для электростатического поля в диэлектрике
Напряженность электростатического поля, согласно (88.5), зависит от свойств среды: в однородной изотропной среде напряжен­ность поля Е обратно пропорциональна e. Вектор напряженности

Проводники в электростатическом поле
Если поместить проводник во внешнее электростатическое поле или его зарядить, то на заряды проводника будет действо­вать электростатическое поле, в результа­те чего они начнут перемещаться. Переме­

Электрическая емкость уединенного проводника
Рассмотрим уединенный проводник,т. е. проводник, который удален от других проводников, тел и зарядов. Его потенци­ал, согласно (84.5), прямо пропорциона­лен заряду проводника. Из о

Конденсаторы
Как видно из § 93, для того чтобы про­водник обладал большой емкостью, он дол­жен иметь очень большие размеры. На практике, однако, необходимы устройства, обладающие способностью при малых раз­мера

Энергия системы зарядов, уединенного проводника и конденсатора. Энергия электростатического поля
1. Энергия системы неподвижных точеч­ных зарядов.Электростатические силы взаимодействия консервативны (см. § 83); следовательно, система зарядов обладает потенциальной эне

Энергия электростатического поля.
Преобразуем формулу (95.4), выражаю­щую энергию плоского конденсатора по­средством зарядов и потенциалов, вос­пользовавшись выражением для емкости плоского конденсатора (C = e0e/d) и раз

Электрический ток, сила и плотность тока
В электродинамике- разделе учения об электричестве, в котором рассматривают­ся явлени

Сторонние силы. Электродвижущая сила и напряжение
Если в цепи на носители тока действуют только силы электростатического поля, то происходит перемещение носителей (они предполагаются положительными) от то­чек с большим потенциалом к точкам с меньш

Закон Ома. Сопротивление проводников
Немецкий физик Г. Ом (1787-1854) эк­спериментально установил, что сила то­ка I, текущего по однородному металличе­скому проводнику (т. е. проводнику, в ко­тором не действуют сторонние силы),

Закон Ома для неоднородного участка цепи
Рассмот­рим неоднородный участок цепи,где дей­ствующую э.д.с. на участке 1-2 обозна­чим через ξ12, а приложенную на концах участка разность пот

Работа и мощность тока. Закон Джоуля - Ленца
Рассмотрим однородный проводник, к кон­цам которого приложено напряжение U. За время At через сечение проводника перено­сится заряд dq = Idt. Так как ток пред­ставляет собой пе

Правила Кирхгофа для разветвленных цепей
Обобщенный закон Ома (см. (100.3)) по­зволяет рассчитать практически любую сложную цепь. Однако непосредственный расчет разветвленных цепей, содержащих несколько замкнутых контуров (контуры могут и

Работа выхода электронов из металла
Как показывает опыт, свободные электро­ны при обычных температурах практиче­ски не, покидают металл. Следовательно, в поверхностном слое металла должно быть задерживающее электрическое поле, препят

Эмиссионные явления и их применение
Если сообщить электронам в металлах энергию, необходимую для преодоления работы выхода, то часть электронов может покинуть металл, в результате чего на­блюдается явление испускания электро­нов, или

Ионизация газов. Несамостоятельный газовый разряд
Газы при не слишком высоких температу­рах и при давлениях, близких к атмосфер­ному, являются хорошими изоляторами. Если поместить в сухой атмосферный воз­дух заряженный электрометр с хорошей изоляц

Самостоятельный газовый разряд и его типы
Разрядв газе, сохраняющийся после прекращения действия внешнего иониза­тора, называется самостоятельным. Рассмотрим условия возникновения са­мостоятельного разряда. Как уж

Плазма и ее свойства
Плазмойназывается сильно ионизован­ный газ, в котором концентрации положи­тельных и отрицательных зарядов практи­чески одинаковы. Различают высокотемпе­ратурную плазму,

Магнитное поле и его характеристики
Опыт показывает, что, подобно тому, как в пространстве, окружающем электриче­ские заряды, возникает электростатиче­ское поле, так в пространстве, окружаю­щем токи и постоянные магниты, возника­ет с

Закон Био - Савара - Лапласа и его применение к расчету магнитного поля
Магнитное поле постоянных токов различ­ной формы изучалось французскими уче­ными Ж. Био (1774-1862) и Ф. Саваром (1791 -1841). Результаты этих опытов бы­ли обобщены выдающимся французским математик

Закон Ампера. Взаимодействие параллельных токов
Магнитное поле (см. § 109) оказывает на рамку с током ориентирующее действие. Следовательно, вращающий момент, ис­пытываемый рамкой, есть результат дейст­вия сил на отдельные ее элементы. Обоб­щая

Магнитная постоянная. Единицы магнитной индукции и напряженности магнитного поля
Если два параллельных проводника с то­ком находятся в вакууме (m=1), то сила взаимодействия на единицу длины про­водника, согласно (111.5), равна

Магнитное поле движущегося заряда
Каждый проводник с током создает в ок­ружающем пространстве магнитное поле. Электрический же ток предс

Действие магнитного поля на движущийся заряд
Опыт показывает, что магнитное поле дей­ствует не только на проводники с током (см. §111), но и на отдельные заряды, движущиеся в магнитном поле. Сила, дей­ствующая на электрический заряд Q,

Движение заряженных частиц в магнитном поле
Выражение для силы Лоренца (114.1) по­зволяет найти ряд закономерностей дви­жения заряженных частиц в магнитном поле. Направление силы Лоренца и на­правление вызываемого ею отклонения за­ряженной ч

Ускорители заряженных частиц
Ускорителямизаряженных частиц назы­ваются устройства, в которых под дей­ствием электрических и магнитных полей создаются и управляются пучки высокоэнергетичных заряженных частиц (э

Эффект Холла
Эффект Холла (1879) - это возникнове­ние в металле (или полупроводнике) с то­ком плотностью j, помещенном в магнит­ное поле В, электрического поля в направ­лении,

Циркуляция вектора В для магнитного поля в вакууме
Аналогично циркуляции вектора напря­женности электростатического поля (см. § 83) введем циркуляцию вектора магнитной индукции. Циркуляцией векто­ра Впо заданному замкнутому контуру

Магнитное поле соленоида и тороида
Рассчитаем, применяя теорему о циркуля­ции, индукцию магнитного поля внутри соленоида.Рассмотрим соленоид длиной l,

Поток вектора магнитной индукции. Теорема Гаусса для поля В
Потоком вектора магнитной индукции (магнитным потоком)через площадку dS называется скалярная физическая величи­на, равная dФB=B

Магнитные моменты электронов и атомов
Рассматривая действие магнитного поля на проводники с током и на движущиеся заряды, мы не интересовались процесса­ми, происходящими в веществе. Свойства среды учитывались формально с помощью магнит

Диа- и парамагнетизм
Всякое вещество является магнетиком,т. е. оно способно под действием магнитно­го поля приобретать магнитный момент (намагничиваться). Для понимания меха­низма этого явления необход

Намагниченность. Магнитное поле в веществе
Подобно тому, как для количественного описания поляризации диэлектриков вво­дилась поляризованность (см. §88), для количественного описания намагничения магнетиков вводят векторную величину -

Ферромагнетики и их свойства
Помимо рассмотренных двух классов ве­ществ - диа- и парамагнетиков, называе­мых слабомагнитными веществами,су­ществуют еще сильномагнитные вещест­ва - ферромагнетики

Природа ферромагнетизма
Рассматривая магнитные свойства ферро­магнетиков, мы не вскрывали физическую природу этого явления. Описательная тео­рия ферромагнетизма была разработана французским физиком П. Вейссом (1865-1940).

Закон Фарадея и его вывод из закона сохранения энергии
Обобщая результаты своих многочислен­ных опытов, Фарадей пришел к количе­ственному закону электромагнитной ин­дукции. Он показал, что всякий раз, когда происходит изменение сцепленного с кон­туром

Вращение рамки в магнитном поле
Явление электромагнитной индукции при­меняется для преобразования механиче­ской энергии в энергию электрического тока. Для этой цели используются генера­торы,принцип действия котор

Индуктивность контура. Самоиндукция
Электрический ток, текущий в замкнутом контуре, создает вокруг себя магнитное по­ле, индукция которого, по закону Био - Савара-Лапласа (см. (110.2)), пропор­циональна току. Сцепленный с контуром ма

Токи при размыкании и замыкании цепи
При всяком изменении силы тока в про­водящем контуре возникает э.д.с. само­индукции, в результате чего в контуре появляются дополнительные токи, называ­емые экстратоками самоиндукции.

Взаимная индукция
Рассмотрим два неподвижных контура (1 к 2), расположенных достаточно близко друг от друга (рис. 184). Если в конту­ре 1 течет ток I1, то магнитный поток, со­з

Трансформаторы
Принцип действия трансформаторов, при­меняемых для повышения или понижения напряжения переменного тока, основан на явлении взаимной индукции. Впервые трансформаторы были сконструированы и введены в

Энергия магнитного поля
Проводник, по которому протекает элек­трический ток, всегда окружен магнитным полем, причем магнитное поле появляется и исчезает вместе с появлением и исчезно­вением тока. Магнитное поле, подобно э

Вихревое электрическое поле
Из закона Фарадея ξ=dФ/dt следует, что любое изменение сцепленного с контуром потока магнитной индукции приводит к возникновению элек­тродвижущей силы индукции и вследст

Ток смещения
Согласно Максвеллу, если всякое пере­менное магнитное поле возбуждает в окру­жающем пространстве вихревое электри­ческое поле, то должно существовать и об­ратное явление: всякое изменение элек­трич

Уравнения Максвелла для электромагнитного поля
Введение Максвеллом понятия тока сме­щения привело его к завершению создан­ной им единой макроскопической теории электромагнитного поля, позволившей с единой точки зрения не только объяснить электр

Экспериментальное получение электромагнитных волн
Существование электромагнитных волн - переменного электромагнитного поля, рас­пространяющегося в пространстве с ко­нечной скоростью,- вытекает из уравне­ний Максвелла (см.

Дифференциальное уравнение электромагнитной волны
Как уже указывалось (см. §161), одним из важнейших следствий уравнений Мак­свелла (см. § 139) является существова­ние электромагнитных волн. Можно по­казать, что для однородной и изотропн

Энергия электромагнитных волн. Импульс электромагнитного поля
Возможность обнаружения электромаг­нитных волн указывает на то, что они переносят энергию. Объемная плотность w энергии электромагнитной волны скла­дывается из объемных плотностей wэл

Излучение диполя. Применение электромагнитных волн
Простейшим излучателем электромагнит­ных волн является электрический диполь, электрический момент которого изменяет­ся во времени по гармоническому закону р = р

Вследствие сил, действующих на проводник с током в магнитном поле, проводник с током, перемещаясь по направлению этих сил, может производить работу. Так происходит преобразование энергии тока в механическую энергию, что и используется в электромоторах и в разнообразных электродинамических аппаратах.

Закон преобразования электроэнергии в механическую энергию можно вывести из формулы Ампера. Для этого подсчитаем работу, которую совершает токопроводящий контур или часть контура при перемещении под действием сил, вызываемых внешним магнитным полем. Подсчет является наиболее простым в случае однородного поля.

Рассмотрим схему опыта, изображенную на рис. 272. Ток проходит по рельсам и по цилиндру Цилиндр может свободно катиться по рельсам. Если перпендикулярно к плоскости, в которой расположены рельсы, создано однородное магнитное поле, то на цилиндр перпендикулярно к его длине будет действовать сила в направлении, указанном вытянутым большим пальцем левой руки. Величина этой силы, если величина тока выражена в единицах CGSM, определяется формулой (3):

Здесь магнитная проницаемость среды (в данном случае для воздуха можно считать равной единице), напряженность поля и длина цилиндра в сантиметрах.

Рис. 272. К вычислению работы тока.

Пусть под действием этой силы цилиндр из положения передвинулся в положение на расстояние Произведенная при этом работа будет, очевидно, выражаться формулой или, следовательно,

Но есть индукция магнитного поля В. Произведение есть площадь прямоугольника, описанного проводником во время его движения. Следовательно, произведение представляет собой поток магнитной индукции проходящий через площадь, описанную проводником. Поэтому приведенную выше формулу, определяющую работу при перемещении токопроводящего контура в магнитном поле, можно написать так:

Если величина тока измерена не в единицах CGSM, а в амперах, то

Эти уравнения показывают, что работа тока в магнитном поле равна величине тока, умноженной на увеличение потока индукции сквозь площадь у обтекаемую током.

Проводник при своем движении пересек линий индукции. Поэтому можно сказать, что работа тока в магнитном поле равна величине тока, умноженной на число линий индукции, которые проводник пересекает при своем движении.

Все это является справедливым не только для случая однородного поля, но вообще для самого общего случая проводника произвольной формы, движущегося в каком угодно магнитном поле.

Если проводник с током «нагружен» механическим сопротивлением, которое он преодолевает под действием электродинамических сил, и движется в магнитном поле без ускорения, то в этом случае вся работа, определяемая формулой (5), идет на преодоление

механического сопротивления. Когда нагрузка меньше, чем движущие электродинамические силы, проводник с током приобретает в магнитном поле ускорение, и часть энергии, определяемой формулой (5), преобразуется в кинетическую энергию движения проводника. Оба эти случая реализуются в электромоторах: первый при нормальной нагрузке мотора, второй - когда электромотор недогружен. Возможен и третий случай, когда электродинамические силы преодолеваются приложенными к проводнику более мощными механическими силами, так что движение проводника в магнитном поле происходит под действием механических сил и в сторону, прямо противоположную направлению, определяемому правилом левой ладони. И в этом случае, как пояснено в следующей главе, формула (5) остается справедливой как формула, определяющая превращение механической энергии в электрическую энергию (электромотор обращается в электрогенератор).

Рис. 273. Схема, поясняющая принцип действия мотора постоянного тока с параллельным возбуждением электромагнитов (шунтовый мотор).

Первый в мире практически пригодный электромотор с непрерывным вращением ротора («якоря») был изобретен и построен в 1834 г. русским ученым Борисом Семеновичем Якоби. До Якоби все иностранные изобретатели шли по ложному пути, пытаясь сконструировать электромотор на основе возвратно-поступательного движения.

Принцип действия электромотора пояснен на рис. 273. Между цилиндрически вогнутыми полюсами сильного электромагнита находится прямоугольный проводник который может свободно вращаться вокруг оси (ось и подшипники не изображены на рисунке). Ток подводится к проводнику посредством двух так называемых щеток, которые касаются двух соединенных с проводником полуколец, называемых коллектором. Применяя правило левой ладони, нетрудно сообразить, что в изображенном на рисунке положении верхняя часть А прямоугольного проводника находится под действием силы, направленной влево, а нижняя часть В-под действием силы, направленной вправо. Эта пара сил будет вращать проводник до тех пор, пока его плоскость не окажется расположенной горизонтально. С момента горизонтального положения проводника его вращение, продолжающееся по инерции, стало бы тормозиться обратным направлением сил. Но именно в этот момент автоматически изменяется направление тока в проводнике так как теперь верхняя щетка будет контактироваться с тем полукольцом, которое присоединено к части В проводника, тогда как проводник А теперь будет питаться током от нижней щетки. Благодаря этой перемене направления тока сохранится прежнее направление вращающей проводник пары сил. Так получается непрерывное вращение проводника с током в магнитном поле.

Обозначим буквой поток индукции через площадь, огибаемую проводником при том положении проводника, когда плоскость его перпендикулярна к направлению сил поля. При каждом полуобороте проводника часть точно так же как и другая часть его В, пересекает линий индукции, и, следовательно, каждая из этих частей проводника при каждом полуобороте

производит работу эргов (величина тока I здесь выражена в единицах CGSM). Значит, каждый виток обмотки якоря мотора при полном обороте якоря производит работу эргов.

Если обмотка якоря состоит из витков и если якорь делает в минуту 1 оборотов, то работа, производимая якорем в 1 сек., равна эргов. Условимся величину тока выражать в амперах, тогда полученное выражение мы должны разделить на 10.

Чтобы представить мощность мотора в лошадиных силах, выразим работу сначала в джоулях, для чего разделим полученное выражение на затем, чтобы выразить работу в килограммометрах, разделим полученное выражение еще на 9,81 и/наконец, учитывая, что мощность в равна разделим полученное выражение еще на 75. Таким образом, находим, что при токе I ампер мощность мотора равна

На рис. 274 в дополнение к предыдущему рисунку показано, как результирующее поле электромагнитов и якоря создает пару сил, вращающую якорь мотора.

Рис. 274. Деформация однородного магнитного поля, вызываемая током в обмотке якоря мотора.

Здесь изображены два витка якоря и соответственно четыре сектора коллектора. На рисунке а мы видим, что поле, которое было бы однородным при отсутствии тока в якоре, делается неоднородным при сочетании его с полем тока в витке Боковое давление и натяжение силовых линий этого, теперь уже неоднородного, поля создает пару сил, которая в изображенном случае поворачивает якорь по часовой стрелке. При небольшом повороте якоря, как показано на рисунке ток подается уже не в проводник а в проводник это держивает прежнюю по своему виду деформацию поля, но уже около проводника 2. Якорь снова оказывается под действием сил, поворачивающих его по часовой стрелке.

Вначале в электромоторах применяли двутавровые, сдвоенные двутавровые и другие якори, которые не обеспечивали постоянного, т. е. не зависящего от угла поворота, момента вращающих сил. Электромотор работал толчками, которые приходилось сглаживать, применяя маховые колеса. Другим большим

недостатком применявшихся вначале якорей было плохое замыкание через них потока магнитной индукции, что сильно снижало экономичность электромоторов.

В настоящее время во всех более или менее крупных электромоторах применяют так называемые барабанные якори, изобретенные П. Н. Яблочковым (публикацию Яблочкова использовал Гефнер Альтенек, получивший патент). На рис. 275 представлена схема барабанного якоря.

Обмотка барабанного ротора выполнена так, что по всем проводам, находящимся на левой стороне цилиндра, ток идет в одном направлении, а по всем проводам, находящимся в правой части цилиндра, он идет в обратном направлении. Так как магнитные силовые линии направлены для показанного на рисунке случая слева направо, то все проводники, расположенные в левой его части, будут двигаться вверх. Таким образом возникает пара сил, которая приводит якорь во вращение почасовой стрелке. При вращении якоря ничто не изменяется во взаимном расположении обмотки и поля.

Рис. 275. Схема барабанного якоря.

В те моменты, когда магнитное поле не оказывает действия на одну часть витков, оно с наибольшей движущей силой действует на другие витки. Вследствие этого общая сила, вращающая барабанный якорь, все время остается постоянной.

Обмотка барабанного якоря сложна. Упрощенная модель нескольких витков обмотки барабанного якоря показана на рис. 276.

Рис. 276. Модель нескольких витков обмотки барабанного якоря.

Обмотку укладывают в пазы сердечника, который набирают из листов железа или специальной (мягкой магнитной) стали, изолированных лаком или прокладками бумаги.

При движении проводников с током под действием магнитного поля величина тока оказывается зависящей от скорости движения проводников. Для электромоторов это обстоятельство - главный фактор, определяющий их режим работы.

Когда ток постоянной величины протекает в цепи неподвижных проводников «первого рода», т. е. таких проводников, которые не испытывают химических изменений под действием тока (металлы и вообще вещества с электронной проводимостью), то вся энергия тока выделяется полностью в форме тепла Предполагая, что теплота выражена в джоулях, величина тока в амперах, а напряжение в вольтах, мы можем написать, что

Иначе обстоит дело в случае проводника, движущегося под действием магнитного поля. Каждый участок такого движущегося в магнитном поле проводника производит работу, равную произведению силы, с которой на него действует поле, на испытываемое им в направлении этой силы перемещение. Проводник в целом производит работу, определяемую формулой (5). Эта работа может идти на преодоление некоторых сопротивлений или же она может превращаться в кинетическую энергию движения проводника. Очевидно, что суммарная работа производимая всеми участками тока, движущегося под действием поля, должна быть отнесена, так же как и выделяемая током теплота за счет энергии тока. Следовательно, в этом более общем случае

Выделяемая током теплота пропорциональна сопротивлению проводника: Понятно, что сопротивление проводника, когда проводник приходит в движение под действием поля, остается неизменным. Но энергия тока частью расходуется на производимую током работу, и поэтому в движущемся под действием поля проводнике выделяется за время при заданном напряжении подводимого к проводнику тока меньшее количество тепла, чем в «неработающем» неподвижном проводнике. Уменьшение тепла при очевидной неизменности за то же время указывает на уменьшение величины тока

Сказанное означает, что когда под действием поля проводник, несущий ток, приходит в движение, в нем возникает обратная электродвижущая сила, уменьшающая величину тока.

Подставляя в формулу (6) выражение для А по формуле (5) и разделив полученное уравнение на нетрудно определить величину обратной электродвижущей силы; это приводит к закону Фарадея для электромагнитной индукции, который подробно пояснен в следующей главе.

Итак, при движении проводника с током в магнитном поле во всех случаях, когда это движение вызвано действием магнитного поля на ток, в проводнике индуцируется обратная электродвижущая сила, т. е. электродвижущая сила, направленная противоположно приложенному к проводнику напряжению. Электрическая энергия, затрачиваемая на преодоление этой электродвижущей силы, т. е. на то, чтобы при движении проводника относительно магнитного поля поддерживать величину тока" в проводнике постоянной, отдается в итоге в форме работы. Другая часть подводимой к проводнику электроэнергии, затрачиваемая на преодоление омического сопротивления проводника, отдается в форме тепла. Некоторая часть электроэнергии с момента возникновения тока остается постоянно связанной с магнитным полем тока.

Возникновение обратной электродвижущей силы в обмотке вращающегося якоря электромотора и преодоление этой электродвижущей силы приложенным извне электрическим напряжением являются самым существенным, основным звеном превращения электроэнергии в механическую энергию вращения якоря.

Для уменьшения непроизводительного выделения тепла током обмотка роторов электромоторов выполняется из толстых медных проводов, так что сопротивление всей этой обмотки обычно составляет десятые доли ома. Поэтому при пуске мотора параллельного возбуждения (шунтового мотора) подвод тока к якорю производят обязательно через пусковой реостат. По мере увеличения числа оборотов якоря, когда величина тока в нем уменьшается вследствие увеличения обратной электродвижущей силы, реостат постепенно выключают.

Шунтовые моторы малочувствительны к изменениям механической нагрузки: при самых больших колебаниях нагрузки (от холостого хода до нормальной нагрузки) скорость вращения ротора остается почти постоянной. Вместе с тем скорость вращения в этих моторах легко поддается регулировке; для этого, кроме пускового реостата, включенного в цепь якоря, применяют второй регулировочный реостат, посредством которого меняют величину тока, ответвленного на возбуждение электромагнитов. Указанные свойства: безопасность холостого хода, сохранение почти постоянного числа оборотов при резких колебаниях нагрузки и легкий способ регулирования числа оборотов изменением величины тока, питающего электромагниты, обеспечили шунтовым моторам широкое применение для привода разнообразных станков и инструментов.

Но шунтовые моторы непригодны в тех случаях, когда требуется, чтобы при пуске двигатель сразу развивал большой механический момент вращения. В таких случаях (а они также весьма многочисленны) применяют моторы последовательного возбуждения (сериес-моторы), у которых обмотка электромагнитов подключена не параллельно обмотке якоря, как это показано на рис. 273, а последовательно с ней. В шунтовых моторах для возбуждения электромагнитов ответвляется ток, составляющий несколько процентов от тока в якоре (обмотка электромагнитов делается из большого числа витков тонкого провода), а в сериес-моторах через обмотки якоря и электромагнитов проходит ток одинаковой величины (поэтому в этом случае обмотку электромагнитов делают из сравнительно небольшого числа витков толстого провода). Сериес-моторы при пуске сразу развивают большой механический момент вращения, и поэтому они незаменимы в качестве тяговых двигателей для трамваев, электровозов железных дорог, для подъемных устройств, прокатных станов, когда необходимо преодолевать наибольшее сопротивление при трогании с места. Но для привода станков они неудобны, так как при уменьшении нагрузки число оборотов у них резко возрастает и при холостом ходе превосходит допустимый предел-мотор, как говорят, «идет вразнос».

На практике в качестве тяговых моторов часто применяют электромоторы с комбинированной обмоткой электромагнитов: одну обмотку включают параллельно обмотке якоря, другую-последовательно с ней (компаундные электромоторы).

Мотор постоянного тока последовательного возбуждения может работать и при литании переменным током. Благодаря тому, что в этом случае при перемене направления тока в якоре одновременно меняется полярность электромагнитов, направление вращения не изменяется. Такого рода двигатели, но конструктивно приспособленные для работы от переменного тока, называют коллекторными моторами.

Сериес-моторы, применяемые на электрических железных дорогах, обычно имеют мощность от 100 до 1000-3000 л. с. и питаются постоянным током 500- 5000 в. Управление моторами на электрических железных дорогах и на многих заводах производится включением и регулировкойвспомогательного

сравнительно слабого тока, который приводит в действие особые выключатели (так называемые контакторы) у моторов и реостатов. Для приведения в движение больших прокатных станов, а также в судовых установках (где генерирование постоянного тока проще всего решает задачу о совместной работе 10-20 дизелей) применяют моторы постоянного тока мощностью в десятки тысяч лошадиных сил.

Широкое применение имеют и крохотные электромоторчики (иногда размером всего в несколько кубических сантиметров); их используют в разнообразных механизмах управления.

На проводник с током в магнитном поле действуют силы (силы Ампера). Если проводник не закреплен, то под действием этих сил он будет перемещаться в магнитном поле. Найдем выражение для работы, совершаемой при этом перемещении.

Рис. 3.25 Перемешение проводника с током в магнитном поле

Рассмотрим контур с подвижным участком длиной , по которому протекает ток I . Контур расположен в плоскости чертежа и находится в однородном магнитном поле с индукцией , направленной перпендикулярно плоскости чертежа от нас. Сила Ампера, действующая на подвижный участок, направлена вправо. Подвижный участок под действием этой силы перемещается из положения 1 в положение 2 на расстояние .

При этом будет совершена элементарная работа

где ‑ поток, пересекаемый проводником при его движении.

Таким образом, работа, совершаемая при перемещении проводника с током в магнитном поле, равна произведению силы тока на величину пересеченного при движении потока магнитной индукции.

Мы рассмотрели частный случай прямолинейного проводника, находящегося в однородном магнитном поле, перпендикулярном проводнику, Но можно показать, что полученная формула (3.55) справедлива и для случая неоднородного поля, произвольного направления , и проводника произвольной формы.

Рассмотрим теперь перемещение замкнутого контура с током в магнитном поле. Пусть контур расположен перпендикулярно чертежу, а линии индукции неоднородного магнитного поля лежат в плоскости чертежа.

Рис. 3.26 Перемещение замкнутого контура в неоднородном поле

Замкнутый контур перемещается из положения 1 в положение 2. Можно показать, что и в этом случае элементарная работа по перемещении контура будет выражаться формулой (3.55). Только смысл величины dФ будет иной. Здесь dФ представляет собой изменение магнитного потока через контур при его бесконечно малом перемещении на величину dx .

Если ток в контуре не меняется, то, интегрируя выражение (3.55), найдем работу , совершаемую при конечном перемещении контура в магнитном поле из положения 1 в положение 2.

; (3.56)

Работа, совершаемая при перемещении в магнитном поле замкнутого контура, по которому проходит постоянный ток, равна произведению силы тока на изменение магнитного потока сквозь поверхность, ограниченную контуром.

Формула для работы была получена при рассматрении поступательного перемещения контура с током. Однако можно показать, что формула (3.57) справедлива всегда, независимо от причин вызывающих изменение потока через контур.

. (3.58)

Из формулы для потока (3.58) видно, что поток через контур может изменяться: при изменении (например, движение в неоднородном магнитном поле); при изменении (формы контура); за счет угла между и (при повороте контура). Во всех этих случаях работа также будет выражаться формулой (3.57).

Работа сил Ампера при перемещении и вращении контура, содержащего несколько витков с током, в магнитном поле из положения 1 в положение 2

где – сила тока, текущего в контуре; и – потокосцепления контура в начальном и конечном положениях. Ток в контуре должен быть постоянным в течение всего процесса перемещения.