✅Рамка зі струмом у магнітному полі

У листах з термодинаміки ми говорили про важливість циклічно працюючих машин: вони постачають нам енергію. Розуміння законів термодинаміки дозволило сконструювати теплові двигуни, які справно служать нам і донині.

Розуміння ж законів електромагнетизму дало можливість створити циклічну машину іншого типу – електродвигун.

Ми розглянемо один з елементів електродвигуна – рамку зі струмом в магнітному полі. Розібравшись в її поведінці, ми зможемо вловити основну ідею функціонування електродвигуна.

Нехай прямокутна рамка тисяча двісті тридцять-чотири може обертатися навколо горизонтальної осі. Рамка перебуває у вертикальному однорідному магнітному полі B. Струм тече по рамці в напрямку 1 ^ 2 ^ 3 ^ 4 ^ 1; цей напрямок показано відповідними стрілками. Вектор n називається вектором нормалі; він перпендикулярний площині рамки і направлений туди, дивлячись звідки струм здається циркулюючим проти годинникової стрілки.

Іншими словами, вектор n співнаправлений з вектором індукції магнітного поля, яке створюється струмом в рамці.

Поворот рамки вимірюється кутом p між векторами n і B.

Тепер визначимо напрямки сил Ампера, які діють на рамку з боку магнітного поля. Ці сили розставлені на малюнку; ось вам ще одна вправа на правило годинникової стрілки (лівої руки) – обов’язково перевірте правильність зазначених напрямків!

Сили F12 і F34, прикладені до сторін 12 і 34, діють уздовж осі обертання. Вони лише розтягують рамку і не викликають її обертання.

Куди більш цікаві сили F23 і F14, додаток відповідно до сторін 23 і 14. Вони лежать в горизонтальній площині і перпендикулярні осі обертання. Ці сили обертають рамку в напрямку за годинниковою стрілкою, якщо дивитися справа (рис, права частина). Обчислимо момент цієї пари сил щодо осі O обертання рамки.

Корисне зіставлення: рамка займає таке положення, що її позитивна нормаль орієнтується в тому ж напрямку, що і північний кінець стрілки компаса, поміщеної в це магнітне поле.

Таким чином, поведінка рамки в магнітному полі стає ясним: якщо відхилити рамку від положення стійкої рівноваги і відпустити, то рамка буде здійснювати коливання. З точки зору здійснення механічної роботи це не дуже добре: якщо намотати нитку на вісь обертання і підвісити до нитки вантаж, то вантаж буде то підніматися, то опускатися.

Але от якщо примудритися і змусити струм міняти напрям в потрібні моменти, то замість коливань рамки почнеться її безперервне обертання і, відповідно, безперервний підйом підвішеного вантажу. Тоді-то і вийде повноцінний електродвигун; ідея із зміною напряму струму реалізується за допомогою колектора і щіток.

Посилання на основну публікацію