Робота переміщення струму у магнітному полі. Робота, що здійснюється під час переміщення провідника зі струмом у магнітному полі
На провідник зі струмом у магнітному полі діють сили, які визначаються законом Ампера (див. §111). Якщо провідник не закріплений (наприклад, одна зі сторін контуру виготовлена у вигляді рухомої перемички, рис. 177), то під дією сили Ампера він у магнітному полі переміщатиметься. Отже, магнітне поле здійснює роботу з переміщення провідника зі струмом.
Для визначення цієї роботи розглянемо провідник завдовжки lзі струмом I(Він може вільно переміщатися), поміщений в однорідне зовнішнє магнітне поле, перпендикулярне площині контуру. При вказаних на рис. 177 напрямках струму і поля сила, напрямок якої визначається за правилом лівої руки, а значення - за законом Ампера (див. (111.2)), дорівнює
Під дією цієї сили провідник переміститься паралельно самому собі на відрізок Ахзі становища 1 у становище 2. Робота, що здійснюється магнітним полем, дорівнює
dA = Fdx = IBldx = IB dS= I dФ,
так як l dx=dS- площа, що перетинається провідником при його переміщенні в магнітному полі, У dS=dФ - потік вектора магнітної індукції, що пронизує цю площу. Таким чином,
d A=I dФ, (121.1)
т. е. робота з переміщення провідника зі струмом в магнітному полі дорівнює добутку сили струму на магнітний потік, перетнутий провідником, що рухається.Отримана формула справедлива і для довільного спрямування вектора.
Обчислимо роботу з переміщення замкнутого контуру з постійним струмом Iу магнітному полі. Припустимо, що контур Мпереміщається в площині креслення і в результаті нескінченно малого переміщення займе положення М",зображене на рис. 178 штриховою лінією. Напрямок струму в контурі (за годинниковою стрілкою) та магнітного поля(перпендикулярно площині креслення - за креслення) вказано малюнку. Контур Мподумки
розіб'ємо на два з'єднані своїми кінцями провідника: ABCі CDA.
Робота dA, що здійснюється силами Ампера при переміщенні контуру в магнітному полі, що розглядається, дорівнює алгебраїчній сумі робіт з переміщення провідників ЛОМ (dA 1 ) та СDA (dА 2 ), тобто.
dA=dA 1 +dA 2 . (121.2)
Сили, що додаються до ділянки CDAконтуру, утворюють з напрямом переміщення гострі кути, тому робота dA 2 >0, що здійснюється ними. Згідно (121.1), ця робота дорівнює добутку сили струму Iу контурі на пересічений провідником CDAмагнітний потік. Провідник CDAперетинає при своєму русі потік dФ 0 крізь поверхню, виконану в кольорі, і потік dФ 2 пронизує контур в його кінцевому положенні. Отже,
d A 2 = I(dФ 0 + dФ 2). (121.3)
Сили, що діють на ділянку ЛОМ контуру, утворюють з напрямком переміщення тупі кутитому виконувана ними робота dA 1 <0. Провідник ЛВС перетинає при своєму русі потік dФ 0 крізь поверхню, виконану в кольорі, і потік dФ 1 пронизує контур в початковому положенні. Отже,
d A 1 =I(dФ 0 + dФ 1). (121.4)
Підставляючи (121.3) і (121.4) (121.2), отримаємо вираз для елементарної роботи:
d A=I(dФ 2 -dФ 1),
де dФ 2 -dФ 1 = dФ"- змінамагнітного потоку через площу, обмежену контуром зі струмом. Таким чином,
d A=I dФ". (121.5)
Проінтегрувавши вираз (121.5), визначимо роботу, що виконується силами Ампера, при кінцевому довільному переміщенні контуру в магнітному полі:
A=I DФ, (121.6)
т. е. робота з переміщенню замкнутого контуру зі струмом у магнітному полі дорівнює добутку сили струму в контурі на зміна магнітного потоку, зчепленого
із контуром.Формула (121.6) залишається справедливою для контуру будь-якої форми у довільному магнітному полі.
Кінець роботи -
Ця тема належить розділу:
Закон збереження електричного заряду
Розглянемо зв'язок між векторами Е і D на межі розділу двох однорідних ізотропних діелектриків діелектричні проникності яких e і e... звідки...
Якщо Вам потрібний додатковий матеріал на цю тему, або Ви не знайшли те, що шукали, рекомендуємо скористатися пошуком по нашій базі робіт:
Що робитимемо з отриманим матеріалом:
Якщо цей матеріал виявився корисним для Вас, Ви можете зберегти його на свою сторінку в соціальних мережах:
| Твітнути |
Всі теми цього розділу:
Закон збереження електричного заряду
Ще в давнину було відомо, що бурштин, потертий об шерсть, притягує легкі предмети. Англійський лікар Джильберт (кінець XVI ст.) назвав тіла, здатні після натирання притягувати легко
Закон Кулону
Закон взаємодії нерухомих точкових електричних зарядів встановлено в 1785 р. Ш. Кулоном за допомогою крутильних ваг, подібних до тих, які (див. §22) використовувалися Г.Кавендішем для
Електростатичні поля. Напруженість електростатичного поля
Якщо простір, що оточує електричний заряд, внести інший заряд, то нього діятиме кулонівська сила; значить, у просторі, що оточує електричні заряди, існує
Принцип суперпозиції електростатичних полів
Розглянемо метод визначення значення та напрямки вектора напруженості Е у кожній точці електростатичного поля, створюваного системою нерухомих зарядів q1
Потік вектор напруженості. Теорема Гауса для електростатичного поля у вакуумі
Обчислення напруженості поля системи електричних зарядів за допомогою принципу суперпозиції електростатичних полів можна спростити, використовуючи виведену німецьким ученим К. Гауссом (
Застосування теореми Гауса до розрахунку деяких електростатичних полів у вакуумі
1. Поле рівномірно зарядженої нескінченної площини.Нескінченна площина (рис. 126) заряджена з постійною поверхневою щільністю+ s (s=dQ/dS-заряд, що приходиться
Робота електричного поля. Циркуляція вектора напруги електростатичного поля
Якщо в електростатичному полі точкового заряду Q з точки 1 в точку 2 вздовж довільної траєкторії (рис. 132) переміщається інший точковий заряд Q0, то сила при
Потенціал електростатичного поля. Різниця потенціалів.
Тіло, що знаходиться в потенційному полі сил (а електростатичне поле є потенційним), має потенційну енергію, за рахунок якої силами поля здійснюється робота (див. §12). Як відомий
Напруженість як градієнт потенціалу. Еквіпотенційні поверхні
Знайдемо взаємозв'язок між напруженістю електростатичного поля, що є його силовою характеристикою, та потенціалом – енергетичною характеристикою поля. Робота з п
Обчислення різниці потенціалів за напруженістю поля
Встановлений вище зв'язок між напруженістю поля та потенціалом дозволяє за відомою напруженістю поля знайти різницю потенціалів між двома довільними точками цього поля.
Типи діелектриків. Види поляризації
Діелектрик (як і всяка речовина) складається з атомів та молекул. Оскільки позитивний заряд всіх ядер молекули дорівнює сумарному заряду електронів, то молекула загалом електрично нейтральна. Е
Поляризованість. Напруженість поля у діелектриці. Вільні та пов'язані заряди. Діелектрична проникність середовища
При приміщенні діелектрика в зовнішнє електростатичне поле він поляризується, тобто набуває відмінного від нуля дипольного моменту.
Електричне усунення. Теорема Гауса для електростатичного поля в діелектриці
Напруженість електростатичного поля, згідно (88.5), залежить від властивостей середовища: в однорідному ізотропному середовищі напруженість поля Е обернено пропорційна e. Вектор напруженості
Провідники в електростатичному полі
Якщо помістити провідник у зовнішнє електростатичне поле або зарядити його, то на заряди провідника діятиме електростатичне поле, внаслідок чого вони почнуть переміщатися. Переміщення
Електрична ємність відокремленого провідника
Розглянемо відокремлений провідник,т. е. провідник, який віддалений від інших провідників, тіл та зарядів. Його потенціал, згідно (84.5), прямо пропорційний заряду провідника. З о
Конденсатори
Як видно з § 93, для того, щоб провідник володів великою ємністю, він повинен мати дуже великі розміри. На практиці, однак, необхідні пристрої, що володіють здатністю при малих розмірах
Енергія системи зарядів, відокремленого провідника та конденсатора. Енергія електростатичного поля
1. Енергія системи нерухомих точкових зарядів. Електростатичні сили взаємодії консервативні (див. § 83); отже, система зарядів має потенційну ен
Енергія електростатичного поля.
Перетворимо формулу (95.4), що виражає енергію плоского конденсатора за допомогою зарядів та потенціалів, скориставшись виразом для ємності плоского конденсатора (C = e0e/d) та раз
Електричний струм, сила та щільність струму
У електродинаміці-розділі вчення про електрику, в якому розглядаються явища
Сторонні сили. Електрорушійна сила та напруга
Якщо в ланцюзі на носії струму діють тільки сили електростатичного поля, то відбувається переміщення носіїв (вони передбачаються позитивними) від точок з більшим потенціалом до менших точок.
Закон Ома. Опір провідників
Німецький фізик Г. Ом (1787-1854) експериментально встановив, що сила струму I, що тече по однорідному металевому провіднику (тобто провіднику, в якому не діють сторонні сили),
Закон Ома для неоднорідної ділянки ланцюга
Розглянемо неоднорідну ділянку ланцюга, де діюча е.р.с. на ділянці 1-2 позначимо через ξ12, а прикладену на кінцях ділянки різницю піт
Робота та потужність струму. Закон Джоуля – Ленца
Розглянемо однорідний провідник, до кінців якого прикладено напругу U. За час At через переріз провідника переноситься заряд dq = Idt. Оскільки струм є пе
Правила Кірхгофа для розгалужених ланцюгів
Узагальнений закон Ома (див. (100.3)) дозволяє розрахувати практично будь-який складний ланцюг. Однак безпосередній розрахунок розгалужених ланцюгів, що містять кілька замкнутих контурів (контури можуть і
Робота виходу електронів із металу
Як показує досвід, вільні електрони при звичайних температурах практично не залишають метал. Отже, у поверхневому шарі металу має бути затримуюче електричне поле, що перешкоджає
Емісійні явища та їх застосування
Якщо повідомити електронів у металах енергію, необхідну для подолання роботи виходу, то частина електронів може залишити метал, внаслідок чого спостерігається явище випромінювання електронів, або
Іонізація газів. Несамостійний газовий розряд
Гази при не дуже високих температурах і тисках, близьких до атмосферного, є хорошими ізоляторами. Якщо помістити в сухе атмосферне повітря заряджений електрометр з гарною ізоляцією.
Самостійний газовий розряд та його типи
Розряд у газі, що зберігається після припинення дії зовнішнього іонізатора, називається самостійним. Розглянемо умови виникнення самостійного розряду. Як уже
Плазма та її властивості
Плазмою називається сильно іонізований газ, в якому концентрації позитивних та негативних зарядів практично однакові. Розрізняють високотемпературну плазму,
Магнітне поле та його характеристики
Досвід показує, що, подібно до того, як у просторі, що оточує електричні заряди, виникає електростатичне поле, так у просторі, що оточує струми та постійні магніти, виникає з
Закон Біо - Савара - Лапласа та його застосування до розрахунку магнітного поля
Магнітне поле постійних струмів різної форми вивчалося французькими вченими Ж. Біо (1774-1862) та Ф. Саваром (1791 -1841). Результати цих дослідів були узагальнені видатним французьким математиком.
Закон Ампера. Взаємодія паралельних струмів
Магнітне поле (див. § 109) має на рамку зі струмом орієнтуючу дію. Отже, крутний момент, що випробовується рамкою, є результатом дії сил на окремі її елементи. Узагальнення
Магнітна стала. Одиниці магнітної індукції та напруженості магнітного поля
Якщо два паралельні провідники зі струмом знаходяться у вакуумі (m=1), то сила взаємодії на одиницю довжини провідника, згідно (111.5), дорівнює
Магнітне поле заряду, що рухається
Кожен провідник зі струмом створює у навколишньому просторі магнітне поле. Електричний струм передс
Дія магнітного поля на заряд, що рухається
Досвід показує, що магнітне поле діє не тільки на провідники зі струмом (див. §111), але і на окремі заряди, що рухаються в магнітному полі. Сила, що діє на електричний заряд Q,
Рух заряджених частинок у магнітному полі
Вираз для сили Лоренца (114.1) дозволяє знайти ряд закономірностей руху заряджених частинок магнітному полі. Напрямок сили Лоренца і напрямок відхилення зарядженої ч
Прискорювачі заряджених частинок
Прискорювачами заряджених частинок називаються пристрої, в яких під дією електричних і магнітних полів створюються та управляються пучки високоенергетичних заряджених частинок (е
Ефект Холла
Ефект Холла (1879) - це виникнення в металі (або напівпровіднику) зі струмом щільністю j, поміщеному в магнітне поле, електричного поля в напрямку,
Циркуляція вектора для магнітного поля у вакуумі
Аналогічно циркуляції вектора напруженості електростатичного поля (див. § 83) введемо циркуляцію вектора магнітної індукції. Циркуляцією вектора За заданим замкнутим контуром
Магнітне поле соленоїда та тороїда
Розрахуємо, застосовуючи теорему про циркуляцію, індукцію магнітного поля всередині соленоїда. Розглянемо соленоїд завдовжки l,
Потік вектор магнітної індукції. Теорема Гауса для поля В
Потоком вектора магнітної індукції (магнітним потоком)через майданчик dS називається скалярна фізична величина, що дорівнює dФB=B
Магнітні моменти електронів та атомів
Розглядаючи дію магнітного поля на провідники зі струмом і на заряди, що рухаються, ми не цікавилися процесами, що відбуваються в речовині. Властивості середовища враховувалися формально за допомогою магніт
Діа-і парамагнетизм
Будь-яка речовина є магнетиком,т. е. воно здатне під дією магнітного поля набувати магнітний момент (намагнічуватись). Для розуміння механізму цього явища необхідний
Намагніченість. Магнітне поле у речовині
Подібно до того, як для кількісного опису поляризації діелектриків вводилася поляризованість (див. §88), для кількісного опису намагнічення магнетиків вводять векторну величину -
Феромагнетики та їх властивості
Крім розглянутих двох класів речовин – діа- та парамагнетиків, званих слабомагнітними речовинами, існують ще сильномагнітні речовини – феромагнетики.
Природа феромагнетизму
Розглядаючи магнітні властивості феромагнетиків, ми не розкривали фізичної природи цього явища. Описова теорія феромагнетизму була розроблена французьким фізиком П. Вейсс (1865-1940).
Закон Фарадея та його виведення із закону збереження енергії
Узагальнюючи результати своїх численних дослідів, Фарадей дійшов кількісного закону електромагнітної індукції. Він показав, що кожного разу, коли відбувається зміна зчепленого з контуром
Обертання рамки в магнітному полі
Явище електромагнітної індукції застосовується перетворення механічної енергії на енергію електричного струму. Для цієї мети використовуються генератори, принцип дії котор
Індуктивність контуру. Самоіндукція
Електричний струм, що тече у замкнутому контурі, створює навколо себе магнітне поле, індукція якого, за законом Біо - Савара-Лапласа (див. (110.2)), пропорційна струму. Зчеплений з контуром ма
Струми при розмиканні та замиканні ланцюга
При будь-якій зміні сили струму в контурі, що проводить, виникає е.д.с. самоіндукції, у результаті контурі з'являються додаткові струми, звані екстратоками самоіндукції.
Взаємна індукція
Розглянемо два нерухомі контури (1 до 2), розташованих досить близько один від одного (рис. 184). Якщо контурі 1 тече струм I1, то магнітний потік, соз
Трансформатори
Принцип дії трансформаторів, застосовуваних підвищення чи зниження напруги змінного струму, заснований на явище взаємної індукції. Вперше трансформатори були сконструйовані та введені в
Енергія магнітного поля
Провідник, яким протікає електричний струм, завжди оточений магнітним полем, причому магнітне поле з'являється і зникає разом із появою і зникненням струму. Магнітне поле, подібно до
Вихрове електричне поле
З закону Фарадея ξ=dФ/dt випливає, що будь-яка зміна зчепленого з контуром потоку магнітної індукції призводить до виникнення електрорушійної сили індукції і внаслідок
Струм зміщення
Згідно з Максвеллом, якщо всяке змінне магнітне поле збуджує в навколишньому просторі вихрове електричне поле, то має існувати і зворотне явище: будь-яка зміна електрич
Максвелла для електромагнітного поля
Введення Максвеллом поняття струму усунення призвело його до завершення створеної ним єдиної макроскопічної теорії електромагнітного поля, що дозволила з єдиної точки зору не тільки пояснити електро
Експериментальне отримання електромагнітних хвиль
Існування електромагнітних хвиль - змінного електромагнітного поля, що розповсюджується в просторі з кінцевою швидкістю, - випливає з рівнянь Максвелла (див.
Диференціальне рівняння електромагнітної хвилі
Як зазначалося (див. §161), однією з найважливіших наслідків рівнянь Максвелла (див. § 139) є існування електромагнітних хвиль. Можна показати, що для однорідної та ізотропної
Енергія електромагнітних хвиль. Імпульс електромагнітного поля
Можливість виявлення електромагнітних хвиль свідчить про те, що вони переносять енергію. Об'ємна щільність енергії електромагнітної хвилі складається з об'ємних щільностей wел
Випромінення диполя. Застосування електромагнітних хвиль
Найпростішим випромінювачем електромагнітних хвиль є електричний диполь, електричний момент якого змінюється в часі за гармонічним законом р = р
Внаслідок сил, що діють на провідник зі струмом у магнітному полі, провідник зі струмом, переміщуючись у напрямку цих сил, може виконувати роботу. Так відбувається перетворення енергії струму в механічну енергію, що і використовується в електромоторах та різноманітних електродинамічних апаратах.
Закон перетворення електроенергії на механічну енергію можна вивести з формули Ампера. Для цього підрахуємо роботу, яку здійснює струмопровідний контур або частина контуру при переміщенні під дією сил, що викликаються зовнішнім магнітним полем. Підрахунок є найпростішим у разі однорідного поля.
Розглянемо схему досвіду, зображену на рис. 272. Струм проходить рейками і циліндром Циліндр може вільно котитися рейками. Якщо перпендикулярно до площини, в якій розташовані рейки, створено однорідне магнітне поле, то на циліндр перпендикулярно до його довжини діятиме сила у напрямку, вказаному витягнутим великим пальцем лівої руки. Розмір цієї сили, якщо величина струму виражена в одиницях CGSM, визначається формулою (3):
Тут магнітна проникність середовища (у разі для повітря вважатимуться рівної одиниці), напруженість поля і довжина циліндра в сантиметрах.
Мал. 272. До обчислення роботи струму.
Нехай під дією цієї сили циліндр із положення пересунувся в положення на відстань Зроблена при цьому робота, очевидно, виражатиметься формулою або, отже,
Але є індукція магнітного поля В. Твір є площею прямокутника, описаного провідником під час його руху. Отже, твір є потік магнітної індукції, що проходить через площу, описану провідником. Тому наведену вище формулу, що визначає роботу при переміщенні струмопровідного контуру в магнітному полі, можна написати так:
Якщо величина струму виміряна над одиницях CGSM, а амперах, то
Ці рівняння показують, що робота струму в магнітному полі дорівнює величині струму, помноженої на збільшення потоку індукції крізь площу обтічну струмом.
Провідник під час свого руху перетнув ліній індукції. Тому можна сказати, робота струму в магнітному полі дорівнює величині струму, помноженої на число ліній індукції, які провідник перетинає при своєму русі.
Все це є справедливим не тільки для випадку однорідного поля, але взагалі для загального випадку провідника довільної форми, що рухається в будь-якому магнітному полі.
Якщо провідник зі струмом «навантажений» механічним опором, який він долає під дією електродинамічних сил, і рухається в магнітному полі без прискорення, то в цьому випадку вся робота, яка визначається формулою (5), йде на подолання
механічного опору Коли навантаження менше, ніж рушійні електродинамічні сили, провідник зі струмом набуває в магнітному полі прискорення, і частина енергії, що визначається формулою (5), перетворюється на кінетичну енергію руху провідника. Обидва ці випадки реалізуються в електромоторах: перший за нормального навантаження мотора, другий - коли електромотор недовантажений. Можливий і третій випадок, коли електродинамічні сили долаються прикладеними до провідника потужнішими механічними силами, так що рух провідника в магнітному полі відбувається під дією механічних сил і в бік, прямо протилежний напрямку, що визначається правилом лівої долоні. І в цьому випадку, як пояснено в наступному розділі, формула (5) залишається справедливою як формула, що визначає перетворення механічної енергії на електричну енергію (електромотор звертається в електрогенератор).
Мал. 273. Схема, що пояснює принцип дії двигуна постійного струму з паралельним збудженням електромагнітів (шунтовий двигун).
Перший у світі практично придатний електромотор з безперервним обертанням ротора (якоря) був винайдений і побудований в 1834 р. російським ученим Борисом Семеновичем Якобі. До Якобі всі іноземні винахідники йшли хибним шляхом, намагаючись сконструювати електромотор на основі зворотно-поступального руху.
Принцип дії електромотора пояснено на рис. 273. Між циліндрично увігнутими полюсами сильного електромагніту знаходиться прямокутний провідник, який може вільно обертатися навколо осі (вісь і підшипники не зображені на малюнку). Струм підводиться до провідника за допомогою двох так званих щіток, які стосуються двох з'єднаних з провідником напівкілець, званих колектором. Застосовуючи правило лівої долоні, неважко збагнути, що у зображеному малюнку положенні верхня частина А прямокутного провідника перебуває під впливом сили, спрямованої вліво, а нижня частина В-під дією сили, спрямованої вправо. Ця пара сил обертатиме провідник доти, доки його площина не виявиться розташованою горизонтально. З моменту горизонтального положення провідника його обертання, яке триває за інерцією, стало б гальмуватися зворотним напрямком сил. Але саме в цей момент автоматично змінюється напрям струму в провіднику, так як тепер верхня щітка контактуватиметься з тим півкільцем, яке приєднано до частини В провідника, тоді як провідник А тепер живитиметься струмом від нижньої щітки. Завдяки цій зміні напряму струму збережеться колишній напрямок обертової провідника пари сил. Так виходить безперервне обертання провідника зі струмом у магнітному полі.
Позначимо буквою потік індукції через площу, що огинається провідником при тому положенні провідника, коли площина перпендикулярна до напрямку сил поля. При кожному напівобороті провідника частина так само як і інша частина його, перетинає ліній індукції, і, отже, кожна з цих частин провідника при кожному напівобороті
виконує роботу ергів (величина струму I тут виражена в одиницях CGSM). Отже, кожен виток обмотки якоря двигуна при повному обороті якоря виконує роботу ергів.
Якщо обмотка якоря складається з витків і якщо якір робить у хвилину 1 оборотів, то робота, яка виконується якорем в 1 сек., дорівнює ергів. Умовимося величину струму виражати в амперах, тоді отриманий вираз ми повинні поділити на 10.
Щоб уявити потужність мотора в кінських силах, висловимо роботу спочатку в джоулях, для чого розділимо отриманий вираз на потім, щоб висловити роботу в кілограмометрах, розділимо отриманий вираз ще на 9,81 і/нарешті, враховуючи, що потужність дорівнює розділимо отриманий вираз ще на 75. Таким чином, знаходимо, що при струмі I ампер потужність двигуна дорівнює
На рис. 274 на додаток до попереднього малюнку показано, як результуюче поле електромагнітів та якоря створює пару сил, що обертає якір мотора.
Мал. 274. Деформація однорідного магнітного поля, що викликається струмом в обмотці якоря двигуна.
Тут зображено два витки якоря і відповідно чотири сектори колектора. На малюнку а ми бачимо, що поле, яке було б однорідним за відсутності струму в якорі, робиться неоднорідним при поєднанні його з полем струму в витку. повертає якір за годинниковою стрілкою. При невеликому повороті якоря, як показано на малюнку струм подається вже не в провідник, а в провідник це тримає колишню за своїм виглядом деформацію поля, але вже біля провідника 2. Якір знову виявляється під дією сил, що повертають його за годинниковою стрілкою.
Спочатку в електромоторах застосовували двотаврові, здвоєні двотаврові та інші якорі, які не забезпечували постійного, тобто не залежить від кута повороту, моменту обертових сил. Електромотор працював поштовхами, які доводилося згладжувати, використовуючи махові колеса. Іншим великим
Недоліком якір, що застосовувалися спочатку, було погане замикання через них потоку магнітної індукції, що сильно знижувало економічність електромоторів.
В даний час у всіх більш менш великих електромоторах застосовують так звані барабанні якорі, винайдені П. Н. Яблочковим (публікацію Яблочкова використовував Гефнер Альтенек, який отримав патент). На рис. 275 представлена схема барабанного якоря.
Обмотка барабанного ротора виконана так, що по всіх дротах, що знаходяться на лівій стороні циліндра, струм йде в одному напрямку, а по всіх дротах, що знаходяться в правій частині циліндра, він йде у зворотному напрямку. Так як магнітні силові лінії спрямовані для показаного на малюнку випадку зліва направо, всі провідники, розташовані в лівій його частині, будуть рухатися вгору. Таким чином виникає пара сил, яка приводить якір у обертання погодинної стрілки. При обертанні якоря ніщо не змінюється у взаємному розташуванні обмотки та поля.
Мал. 275. Схема барабанного якоря.
У ті моменти, коли магнітне поле не впливає на одну частину витків, воно з найбільшою рушійною силою діє на інші витки. Внаслідок цього загальна сила, що обертає барабанний якір, постійно залишається постійною.
Обмотка барабанного якоря складна. Спрощена модель кількох витків обмотки барабанного якоря показано на рис. 276.
Мал. 276. Модель кількох витків обмотки барабанного якоря.
Обмотку укладають у пази сердечника, який набирають із листів заліза або спеціальної (м'якої магнітної) сталі, ізольованих лаком чи прокладками паперу.
При русі провідників зі струмом під впливом магнітного поля величина струму виявляється залежить від швидкості руху провідників. Для електромоторів ця обставина - головний фактор, що визначає їхній режим роботи.
Коли струм постійної величини протікає в ланцюзі нерухомих провідників «першого роду», тобто таких провідників, які не зазнають хімічних змін під дією струму (метали та взагалі речовини з електронною провідністю), то вся енергія струму виділяється повністю у формі тепла. що теплота виражена в джоулях, величина струму в амперах, а напруга у вольтах, ми можемо написати, що
Інша справа у випадку провідника, що рухається під дією магнітного поля. Кожна ділянка такого провідника, що рухається в магнітному полі, виконує роботу, рівну добутку сили, з якою на нього діє поле, на переміщення, яке випробовується ним у напрямку цієї сили. Провідник загалом виконує роботу, що визначається формулою (5). Ця робота може йти на подолання деяких опорів або вона може перетворюватися на кінетичну енергію руху провідника. Очевидно, що сумарна робота, що виробляється всіма ділянками струму, що рухається під дією поля, повинна бути віднесена, так само як і теплота, що виділяється струмом за рахунок енергії струму. Отже, у цьому загальному випадку
Виділена струмом теплота пропорційна опору провідника: Зрозуміло, що опір провідника, коли провідник починає рухатися під впливом поля, залишається незмінним. Але енергія струму частиною витрачається на вироблену струмом роботу, і тому в провіднику, що рухається під дією поля, виділяється за час при заданій напрузі струму, що підводиться до провідника, менша кількість тепла, ніж у «непрацюючому» нерухомому провіднику. Зменшення тепла за очевидної незмінності за той самий час вказує на зменшення величини струму
Сказане означає, що коли під дією поля провідник, що несе струм, починає рухатися, в ньому виникає зворотна електрорушійна сила, що зменшує величину струму.
Підставляючи у формулу (6) вираз А за формулою (5) і розділивши отримане рівняння на неважко визначити величину зворотної електрорушійної сили; це призводить до закону Фарадея для електромагнітної індукції, який докладно пояснений у наступному розділі.
Отже, при русі провідника зі струмом у магнітному полі у всіх випадках, коли цей рух викликаний дією магнітного поля на струм, у провіднику індукується зворотна електрорушійна сила, тобто електрорушійна сила, спрямована протилежно доданого до провідника напруги. Електрична енергія, що витрачається на подолання цієї електрорушійної сили, тобто на те, щоб при русі провідника щодо магнітного поля "підтримувати величину струму" у провіднику постійної, віддається в результаті у формі роботи. Інша частина підводиться до провідника електроенергії, що витрачається на подолання омічного опір провідника, віддається у формі тепла, деяка частина електроенергії з моменту виникнення струму залишається постійно пов'язаною з магнітним полем струму.
Виникнення зворотної електрорушійної сили в обмотці якоря, що обертається, електромотора і подолання цієї електрорушійної сили прикладеним ззовні електричним напругою є найбільш істотною, основною ланкою перетворення електроенергії в механічну енергію обертання якоря.
Для зменшення непродуктивного виділення тепла струмом обмотка роторів електромоторів виконується з товстих мідних проводів, так що опір цієї обмотки зазвичай становить десяті частки ома. Тому при пуску двигуна паралельного збудження (шунтового двигуна) підведення струму до якоря виробляють обов'язково через пусковий реостат. У міру збільшення числа оборотів якоря, коли величина струму в ньому зменшується внаслідок збільшення зворотної електрорушійної сили реостат поступово вимикають.
Шунтові мотори малочутливі до змін механічного навантаження: при найбільших коливаннях навантаження (від неодруженого ходу до нормального навантаження) швидкість обертання ротора залишається майже постійною. Водночас швидкість обертання в цих моторах легко піддається регулюванню; для цього, крім пускового реостату, включеного в ланцюг якоря, застосовують другий регулювальний реостат, за допомогою якого змінюють величину струму, відгалуженого на збудження електромагнітів. Зазначені властивості: безпека холостого ходу, збереження майже постійного числа обертів при різких коливаннях навантаження та легкий спосіб регулювання числа обертів зміною величини струму, що живить електромагніти, забезпечили шунтовим моторам широке застосування для різноманітних верстатів та інструментів.
Але шунтові двигуни непридатні в тих випадках, коли потрібно, щоб при пуску двигун відразу розвивав великий механічний момент обертання. У таких випадках (а вони також дуже численні) застосовують мотори послідовного збудження (серіес-мотори), у яких обмотка електромагнітів підключена не паралельно до обмотки якоря, як це показано на рис. 273 а послідовно з нею. У шунтових моторах для збудження електромагнітів відгалужується струм, що становить кілька відсотків від струму в якорі (обмотка електромагнітів робиться з великої кількості витків тонкого дроту), а в серіес-моторах через обмотки якоря і електромагнітів проходить струм однакової величини (тому в цьому випадку обмотку електромагнітів роблять з порівняно невеликої кількості витків товстого дроту). Серіес-мотори при пуску відразу розвивають великий механічний момент обертання, і тому вони незамінні як тягові двигуни для трамваїв, електровозів залізниць, для підйомних пристроїв, прокатних станів, коли необхідно долати найбільший опір при торканні з місця. Але для приводу верстатів вони незручні, тому що при зменшенні навантаження кількість оборотів у них різко зростає і при холостому ході перевершує допустиму межу-мотор, як кажуть, «розходиться».
На практиці як тягові мотори часто застосовують електромотори з комбінованою обмоткою електромагнітів: одну обмотку включають паралельно обмотці якоря, іншу-послідовно з нею (компаундні електромотори).
Мотор постійного струму послідовного збудження може працювати при літанні змінним струмом. Завдяки тому, що при зміні напрямку струму в якорі одночасно змінюється полярність електромагнітів, напрям обертання не змінюється. Такі двигуни, але конструктивно пристосовані для роботи від змінного струму, називають колекторними моторами.
Серіес-мотори, які застосовуються на електричних залізницях, зазвичай мають потужність від 100 до 1000-3000 л. с. і живляться постійним струмом 500-5000 ст. Управління моторами на електричних залізницях та на багатьох заводах здійснюється включенням та регулюванням допоміжного.
порівняно слабкого струму, що приводить у дію спеціальні вимикачі (так звані контактори) у моторів та реостатів. Для приведення в рух великих прокатних станів, а також у суднових установках (де генерування постійного струму найпростіше вирішує задачу про спільну роботу 10-20 дизелів) застосовують двигуни постійного струму потужністю десятки тисяч кінських сил.
Широке застосування мають і крихітні електромоторчики (іноді розміром всього кілька кубічних сантиметрів); їх використовують у різноманітних механізмах управління.
На провідник зі струмом у магнітному полі діють сили (сили Ампера). Якщо провідник не закріплений, то під дією цих сил він переміщатиметься в магнітному полі. Знайдемо вираз до роботи, здійснюваної у своїй переміщенні.
Мал. 3.25 Переміщення провідника зі струмом у магнітному полі
Розглянемо контур з рухомим ділянкою довжиною, яким протікає струм I. Контур розташований у площині креслення і знаходиться в однорідному магнітному полі з індукцією, спрямованою перпендикулярно до площини креслення від нас. Сила Ампера, що діє на рухому ділянку, спрямована праворуч. Рухомий ділянку під впливом цієї сили переміщається з положення 1 положення 2 на відстань .
При цьому буде здійснено елементарну роботу
де - Потік, що перетинається провідником при його русі.
Таким чином, робота, що здійснюється при переміщенні провідника зі струмом у магнітному полі, дорівнює добутку сили струму на величину перетнутого при русі потоку магнітної індукції.
Ми розглянули окремий випадок прямолінійного провідника, що знаходиться в однорідному магнітному полі, перпендикулярному провіднику, Але можна показати, що отримана формула (3.55) справедлива і для випадку неоднорідного поля, довільного спрямування і провідника довільної форми.
Розглянемо тепер переміщення замкнутого контуру зі струмом у магнітному полі. Нехай контур розташований перпендикулярно до креслення, а лінії індукції неоднорідного магнітного поля лежать у площині креслення.
Мал. 3.26 Переміщення замкнутого контуру у неоднорідному полі
Замкнутий контур переміщується з положення 1 до положення 2. Можна показати, що і в цьому випадку елементарна робота з переміщення контуру виражатиметься формулою (3.55). Тільки сенс величини dФ буде інший. Тут dФ є зміною магнітного потоку через контур при його нескінченно малому переміщенні на величину d x.
Якщо струм у контурі не змінюється, то, інтегруючи вираз (3.55), знайдемо роботу , що здійснюється при кінцевому переміщенні контуру магнітному полі з положення 1 в положення 2.
; (3.56)
Робота, що здійснюється при переміщенні в магнітному полі замкнутого контуру, яким проходить постійний струм, дорівнює добутку сили струму на зміну магнітного потоку крізь поверхню, обмежену контуром.
Формула для роботи була отримана при розгляді поступального переміщення контуру зі струмом. Однак можна показати, що формула (3.57) справедлива завжди, незалежно від причин, що викликають зміну потоку через контур.
. (3.58)
З формули потоку (3.58) видно, що потік через контур може змінюватися: при зміні (наприклад, рух у неоднорідному магнітному полі); за зміни (форми контуру); за рахунок кута між та (при повороті контуру). У всіх цих випадках робота також висловлюватиметься формулою (3.57).
Робота сил Ампера при переміщенні та обертанні контуру, що містить кілька витків зі струмом, в магнітному полі з положення 1 в положення 2
де - сила струму, що тече в контурі; і – потокозчеплення контуру в початковому та кінцевому положеннях. Струм у контурі повинен бути постійним протягом усього процесу переміщення.