ИНФОФИЗ — мой мир.

Весь мир в твоих руках — все будет так, как ты захочешь

Весь мир в твоих руках — все будет так, как ты захочешь

Как сказал.

Вопросы к экзамену

Для всех групп технического профиля

Список лекций по физике за 1,2 семестр

Урок 36 (дополнительный материал). Принцип действия электродвигателя. Электроизмерительные приборы

Принцип действия электродвигателя.

Электродвигатель – это просто устройство для эффективного преобразования электрической энергии в механическую.

В основе этого преобразования лежит магнетизм. В электродвигателях используются постоянные магниты и электромагниты, кроме того, используются магнитные свойства различных материалов, чтобы создавать эти удивительные устройства.

Существует несколько типов электродвигателей. Отметим два главных класса: AC и DC.

Электродвигатели класса AC (Alternating Current) требуют для работы источник переменного тока или напряжения (такой источник Вы можете найти в любой электрической розетке в доме).

Электродвигатели класса DC (Direct Current) требуют для работы источник постоянного тока или напряжения (такой источник Вы можете найти в любой батарейке).

Универсальные двигатели могут работать от источника любого типа.

Не только конструкция двигателей различна, различны способы контроля скорости и вращающего момента, хотя принцип преобразования энергии одинаков для всех типов.

Устройство и принцип работы простейшего электродвигателя.

В основе конструкции электрического двигателя лежит эффект, обнаруженный Майклом Фарадеем в 1821 году: что взаимодействие электрического тока и магнита может вызывать непрерывное вращение. Один из первых двигателей, нашедших практическое применение, был двигатель Бориса Семеновича Якоби (1801 –1874), приводивший в движение катер с 12 пассажирами на борту. Однако для широкого использования электродвигателя необходим был источник дешевой электроэнергии — электромагнитный генератор.

Принцип работы электродвигателя очень прост: вращение вызывается силами магнитного притяжения и отталкивания, действующими между полюсами подвижного электромагнита (ротора) и соответствующими полюсами внешнего магнитного поля, создаваемого неподвижным электромагнитом (или постоянным магнитом) — статором.

Вращающаяся часть электрической машины называется ротором (или якорем), а неподвижная — статором. В простом электродвигателе постоянного тока блок катушки служит ротором, а постоянный магнит — статором.

Сложность заключается в том, чтобы добиться непрерывного вращения двигателя. А для этого надо сделать так, чтобы полюс подвижного электромагнита, притянувшись к противоположному полюсу статора, автоматически менялся на противоположный — тогда ротор не замрет на месте, а повернется дальше — по инерции и под действием возникшего в этот момент отталкивания.

Для автоматического переключения полюсов ротора служит коллектор. Он представляет собой пару закрепленных на валу ротора пластин, к которым подключены обмотки ротора. Ток на эти пластины подается через токоснимающие контакты (щетки). При повороте ротора на 180° пластины меняются местами — это автоматически меняет направление тока и, следовательно, полюсы подвижного электромагнита. Так как одноименные полюсы взаимно отталкиваются, катушка продолжает вращаться, а ее полюсы притягиваются к соответствующим полюсам на другой стороне магнита.

Простейший электродвигатель работает только на постоянном токе (от батарейки). Ток проходит по рамке, расположенной между полюсами постоянного магнита. Взаимодействие магнитных полей рамки с током и магнита заставляет рамку поворачиваться. После каждого полуоборота коллектор переключает контакты рамки, подходящие к батарейке, и поэтому рамка вращается.

В некоторых двигателях для создания магнитного поля вместо постоянного магнита служит электромагнит. Витки проволоки такого электромагнита называются обмоткой возбуждения.

Электродвигатели используются повсюду. Даже дома вы можете обнаружить огромное количество электродвигателей. Электродвигатели используются в часах, в вентиляторе микроволновой печи, в стиральной машине, в компьютерных вентиляторах, в кондиционере, в соковыжималке и т. д. и т. п. Ну а электродвигатели, применяемые в промышленности, можно перечислять бесконечно. Диапазон физических размеров – от размера со спичечную головку до размера локомотивного двигателя.

Показанный ниже промышленный электродвигатель работает и на постоянном, и на переменном токе. Его статор – это электромагнит, создающий магнитное поле. Обмотки двигателя поочередно подключаются через щетки к источнику питания. Одна за другой они поворачивают ротор на небольшой угол, и ротор непрерывно вращается.

Электроизмерительные приборы — класс устройств, применяемых для измерения различных электрических величин.

Группа электромагнитных приборов является наиболее распространенной. Принцип их действия, использованный впервые еще Ф. Кольраушем в 1884 году, основан на перемещении подвижной железной части под влиянием магнитного потока, создаваемого катушкой, по которой пропускается ток. Практическое осуществление этого принципа отличается разнообразием.

Ориентирующее действие магнитного поля на контур с током используют в электроизмерительных приборах магнитоэлектрической системы – амперметрах, вольтметрах и др.

Устройство прибора магнитоэлектрической системы

Измерительный прибор магнитоэлектрической системы устроен следующим образом.

Берут лёгкую алюминиевую рамку 2 прямоугольной формы, наматывают на неё катушку из тонкого провода. Рамку крепят на двух полуосях О и О’, к которым прикреплена также стрелка прибора 4. Ось удерживается двумя тонкими спиральными пружинами 3. Силы упругости пружин, возвращающие рамку к положению равновесия в отсутствие тока, подобраны такими, чтобы были пропорциональными углу отклонения стрелки от положения равновесия. Катушку помещают между полюсами постоянного магнита М с наконечниками формы полого цилиндра. Внутри катушки располагают цилиндр 1 из мягкого железа. Такая конструкция обеспечивает радиальное направление линий магнитной индукции в области нахождения витков катушки (см рисунок).

В результате при любом положении катушки силы, действующие на нее со стороны магнитного поля, максимальны и при неизменной силе тока постоянны. Векторы F и –F изображают силы, действующие на катушку со стороны магнитного поля и поворачивающие ее. Катушка с током поворачивается до тех пор, пока силы упругости со стороны пружины не уравновесят силы, действующие на рамку со стороны магнитного поля. Увеличивая силу тока в рамке в 2 раза, рамка повернётся на угол, вдвое больший. Это происходит потому, что F_m

Силы, действующие на рамку с током прямо пропорциональны силе тока, то есть можно, проградуировав прибор, измерять силу тока в рамке.

Точно так же можно прибор настроить на измерение напряжения в цепи, если проградуировать шкалу в вольтах, причём сопротивление рамки с током должно быть выбрано очень большим по сравнению с сопротивлением участка цепи, на котором измеряем напряжение.

Дополнительные материалы.

2. Презентация «Электроизмерительные приборы» скачать с Яндекса

Работа ученицы 8 класса .Физика. тема: «Электродвигатель»

Проект,в результате исследований была собрана простейшая установка электродвигателя

Скачать:

Вложение	Размер
frolova_anna.elektrodvigatel.docx	174.3 КБ

Предварительный просмотр:

филиал Муниципального бюджетного общеобразовательного учреждения Сосновская средняя школа №2 «Крутецкая основная школа»

Конкурс «Физика вокруг нас»

Номинация: «История механизмов»

Автор работы: Фролова Анна,

ученица 8 класса

филиала МБОУ Сосновская СШ №2

Рыпова Надежда Александровна,

Актуальность: На сегодняшний день практически нет отрасли техники и быта, где не использовались бы электродвигатели, поэтому мне стало интересно, как они устроены и получится ли у меня самостоятельно собрать простейшую модель электродвигателя.

Объект исследования : электромагнитный двигатель.

Цель: познакомиться с историей и устройством электромагнитного двигателя, самостоятельно изготовить модель простейшего электромагнитного двигателя, являющиеся стартовой точкой создания современных электродвигателей.

Задачи:
— познакомиться с историей развития электродвигателя;

— выяснить принципы работы электродвигателя;
— изучить область применения электродвигателей;
— изготовить модель электродвигателя;

Магнитное поле – это форма материи, окружающая движущиеся электрические заряды. Впервые термин «магнитное поле» был введен в 1845 году английским физиком Фарадеем.

Сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током, называется силой Ампера.

Направление вектора силы Ампера определяется правилом левой руки.

Перед тем, как начать опыт я познакомилась с историей создания электродвигателей; рассмотрела конструкцию и принцип работы двигателя Бориса Семёновича Якоби, а также собрала информацию о применении электродвигателей.

Суть моего опыта:
За счет источника электричества (зарядного устройства) заряженные частицы в проводнике (проволоке) упорядоченно движутся. При воздействии на него магнитным полем траектория частиц отклоняется согласно правилу «левой руки». Когда направление силы тока перпендикулярно направлению силовых линий магнитного поля, частицы двигаются по окружности.

ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

История создания электродвигателей уходит в глубокую древность. Сложными путями шел человек к открытию и познанию законов физики, созданию различных механизмов, машин. Важнейшим этапом в развитии электроэнергетики явилось изобретение и применение электродвигателей. Принцип действия электродвигателей основан на физическом явлении: виток проводника, по которому протекает электрический ток, будучи помещенным между магнитами, движется поперек силовых линий магнитного поля. Электродвигатель, как правило, компактнее других двигателей, всегда готов к работе, может управляться на расстоянии.

История электродвигателя — сложная и длинная цепь открытий, находок, изобретений.

Начальный период развития электродвигателя (1821-1834 гг.). Он тесно связан с созданием физических приборов для демонстрации непрерывного преобразования электрической энергии в механическую. В 1821 г. М. Фарадей, исследуя взаимодействие проводников с током и магнитом, показал, что электрический ток вызывает вращение проводника вокруг магнита, или вращение магнита вокруг проводника. Опыт Фарадея показал принципиальную возможность построения электрического двигателя. Многие исследователи предлагали различные конструкции электродвигателей.

Первые электродвигатели напоминали по устройству паровые машины: двигатель Дж. Генри (1832 г.) и двигатель У. Пейджема (1864 г.) имели коромысла, кривошип, шатун, а также золотники (переключатели тока в соленоидах, заменявших собой цилиндр).

П. Барлоу предложил «колесо Барлоу». Оно состояло из постоянного магнита и зубчатых колес, скользящий контакт осуществлялся с помощью ртути, а питалось колесо от гальванического элемента.

Дж. Генри предложил в 1832 г. модель двигателя с возвратнопоступательным движением: подвижный электромагнит поочередно притягивался к постоянным магнитам и отталкивался от них, замыкая и размыкая батареи гальванических элементов. Он совершал 75 качаний в минуту. Было еще много попыток создания двигателей с качательным движением якоря. Однако более прогрессивными оказались попытки построить двигатель с вращательным движением якоря.

Второй этап развития электродвигателей (1834-1860 гг.) характеризуется конструкциями с вращательным движением явнополюсного якоря. Однако вращательный момент на валу у таких двигателей обычно был резко пульсирующим.

В 1834 г. Б.С. Якоби создал первый в мире электрический двигатель постоянного тока, в котором реализовал принцип непосредственного вращения подвижной части двигателя. В 1838 г. этот двигатель (0,5 кВт) был испытан на Неве для приведения в движение лодки

с пассажирами, т. е. получил первое практическое применение.

Испытания различных конструкций электродвигателей привели Б.С. Якоби и других исследователей к следующим выводам:

– применение электродвигателей находится в прямой зависимости от удешевления электрической энергии, т.е. от создания генератора, более экономичного, чем гальванические элементы;

– электродвигатели должны иметь по возможности малые габариты и по возможности большую мощность и больший коэффициент полезного действия.

Третий этап в развитии электродвигателей (1860-1887 гг.) связан с разработкой конструкций с кольцевым неявнополюсным якорем и практически постоянным вращающим моментом.

На этом этапе нужно отметить электродвигатель итальянца А. Пачинотти (1860 г.). Его двигатель состоял из якоря кольцеобразной формы, вращающегося в магнитном поле электромагнитов. Подвод тока осуществлялся роликами. Обмотка электромагнитов включалась последовательно с обмоткой якоря (т.е. электромашина имела последовательное возбуждение). Габариты двигателя были невелики, он имел практически постоянный вращающий момент. В двигателе Пачинотти явнополюсный якорь был заменен неявнополюсным.

Барабанный якорь, в котором рабочим является проводник, составляющий виток, был изобретен лишь в 1872 г. В. Сименсом. Еще через 10 лет в железе якоря появились пазы для обмотки (1882 г.). Барабанный якорь машины постоянного тока стал таким, каким мы его можем видеть в настоящее время. Третий этап развития электродвигателей характеризуется открытием и промышленным использованием принципа самовозбуждения, в связи, с чем был окончательно осознан и сформулирован принцип обратимости электрической машины. Питание электродвигателей стало производиться от более дешевого источника электрической энергии – электромагнитного генератора постоянного тока. В 1886 г. электродвигатель постоянного тока приобрел основные черты современной конструкции. В дальнейшем он все более и более совершенствовался. По роду тока электродвигатели стали делиться на машины переменного и постоянного тока; по принципу действия машины переменного тока делятся на синхронные и асинхронные.

Асинхронные двигатели отличаются простотой конструкции, малой стоимостью, надежностью в работе. Они являются самым распространенным видом двигателей.

ДВИГАТЕЛЬ БОРИСА СЕМЁНОВИЧА ЯКОБИ

Борис Семенович Якоби (Мориц Герман, как он именовался до приезда в Россию) родился 21 сентября 1801 г. в Потсдаме. Высшее образование получил по специальности архитектор-строитель. Наряду с работой в строительном департаменте Пруссии Якоби с увлечением занимался исследованиями в области электромагнетизма. В 1834 г. он создал модель электродвигателя.

Внешний вид первого двигателя Якоби показан на рисунке. Этот электродвигатель работал по принципу взаимодействия двух комплектов электромагнитов, один из которых располагался на подвижной раме, другой – на неподвижной.

В качестве источника питания электродвигателя, применялась Якоби батарея гальванических элементов. Для изменения полярности подвижных электромагнитов использовался коммутатор.

Коммутатор представлял собой оригинальную и глубоко продуманную часть устройства электродвигателя Якоби. Конструктивно он состоял из четырех. металлических колец, установленных на валу и изолированных от него ; каждое кольцо имело четыре выреза по одной восьмой части окружности. Вырезы заполнялись изолирующими вкладками; каждое кольцу было смещено на 45 по отношению к предыдущему.
По окружности кольца скользил рычаг 5, представляющий собой своеобразную щетку; второй конец рычага был погружен в соответствующий сосуд с ртутью, к которому подводились проводники от батареи. Таким образом, при каждом обороте кольца А раза разрывалась электрическая цепь. К электромагнитам вращающегося диска отходили от колец проводники, укрепленные на валу машины. Обмотки всех электромагнитов неподвижной рамы были соединены последовательно, и ток в них имел одно и то же направление.
Обмотки электромагнитов вращающегося диска были также соединены последовательно, но направление тока в них с помощью коммутатора изменялось 8 раз за один оборот вала. Следовательно, полярность этих электромагнитов также изменялась 8 раз за один оборот вала и электромагниты поочередно притягивались 11 отталкивались электромагнитами неподвижной рамы.
На рис стрелками указаны направления токов для данного положения вала.

Электродвигатели применяются как главная составляющая электро-привода различных станков, так и в составе с отдельными установками, где необходимо преобразование электрической энергии в механическую (движение) например: вентиляторы с клиноременной передачей, косилки различных модификаций и т.д. Низковольтные асинхронные электродвигатели общего назначения мощностью 0,25. 400 кВт, именуемые во всем мире стандартные асинхронные двигатели, составляют основу силового электропривода, применяемого во всех областях человеческой деятельности. Их совершенствованию в промышленно развитых странах придают большое значение. В настоящее время рынок, призванный отражать интересы потребителей, не формулирует сколько-нибудь определенных требований к стандартным асинхронным двигателям, кроме ценовых. В связи с этим для выявления тенденций их совершенствования необходимо исходить из требований внешнего рынка и из достижений основных производителей стандартных асинхронных двигателей.

Асинхронные двигатели — наиболее распространенный вид электрических машин, потребляющих в настоящее время около 40% всей вырабатываемой электроэнергии. Их установленная мощность постоянно возрастает.

Асинхронный двигатели широко применяются в приводах металлообрабатывающих, деревообрабатывающих и других видов станков, кузнечно-прессовых, ткацких, швейных, грузоподъемных, землеройных машин, вентиляторов, насосов, компрессоров, центрифуг, в лифтах, в ручном электроинструменте, в бытовых приборах и т.д. Практически нет отрасли техники и быта, где не использовались бы асинхронные двигатели.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ СВОИМИ РУКАМИ

Для того чтобы сделать электродвигатель из батарейки, нам понадобятся:

-соединительные провода с зажимами;

Суть моего опыта:

За счет источника электричества (батарейки) заряженные частицы в проводнике (проволоке) упорядоченно движутся. При воздействии на него магнитным полем траектория частиц отклоняется согласно правилу «левой руки». Когда направление силы тока перпендикулярно направлению силовых линий магнитного поля, частицы двигаются по окружности.

Для катушки необходим неизолированный медный провод диаметром от 0.6 до 1 мм. Для намотки катушки потребуется цилиндрический каркас (батарейка), на который наматывается 10-15 витков, оставляя свободными по 40 мм провода с каждого конца. Свободные концы провода необходимо обернуть вокруг витков катушки таким образом, чтобы скрепляющие витки были симметрично расположены друг относительно друга. Помимо создания дополнительного магнитного поля эти витки помогут сохранить форму катушки.

Катушка (подвижная часть электродвигателя) размещается на двух держателях. Держатели изготавливают из неизолированного провода диаметром от 1 мм. Помимо функции поддержания катушки, держатели позволяют проходить электрическому току через катушку.

Свободным концом держатели присоединяются к полюсам аккумулятора так, чтобы образовывался замкнутый контур. Основанием электродвигателя служит деревянный брусок. Магнит необходимо устанавливать в непосредственной близости от катушки. Общий вид электродвигателя приведен на рисунке в приложении к работе.

Катушке необходимо придать начальный вращающий момент аккуратно крутнув ее.

Задачи, поставленные мною в начале работы, были решены, цель достигнута.

-Я познакомилась и историей развития электродвигателей, узнала, что история создания электродвигателей уходит в глубокую древность, узнала, как выглядели первые двигатели, как они работали и какие ученые работали над созданием электромагнитных двигателей.

— изучила область применения электродвигателей, и узнала, что почти во всех отраслях технологий и труда используются электромагнитные двигатели;
— изготовила простейшую модель электродвигателя, наглядно показала, как работает установка.

Проведя большую работу по изучению литературы о создании первых электродвигателей, о физических принципах их работы, о внедрении их сегодня во все отрасли жизни, я могу с уверенностью сказать, что электродвигатель действительно является современным альтернативным изобретением.

Процесс сбора и изучения информации, а так же изготовление модели мне были очень интересны, результатом проделанной работы я осталась довольна.