Магнитное поле и его свойства. Магнитная индукция. Сила Ампера. Работа при перемещении проводника в магнитном поле. Намагничивание веществ, страница 13

В основе работы «сердца» современных локомотивов – тяговых электродвигателей лежит тот же закон Ампера. Представим себе, что в однородном магнитном поле находится прямоугольная рамка из проволоки, по которой течет электрический ток (рис. 18).

		Рисунок 18 – рамка в магнитном поле

 

Согласно закону Ампера на каждую из сторон рамки будут действовать силы, направление которых определяется по правилу левой руки. Если ток течет так, как это показано на рисунке, то силы, приложенные к верхней и нижней сторонам рамки, будут стремиться растянуть ее, а силы, приложенные к боковым сторонам, не

только растянуть, но одновременно и повернуть так, чтобы плоскость рамки оказалась перпендикулярной направлению линий индукции магнитного поля.

Общий момент сил, действующих на рамку с током, является суммой моментов сил, действующих на каждую из ее сторон. Согласно определению момента силы, он численно равен произведению силына ее плечо(рис. 19):

Как нетрудно убедиться, в нашем случае общий вращающий момент обусловлен воздействием магнитного поля лишь на боковые стороны рамки:

(выражение проставляет собой величину магнитного момента рамки с током, где  - площадь рамки). Возникновение вращающего момента сил, действующего на рамку с током  в магнитном поле индукцией, используется в электродвигателях – устройствах, преобразующих энергию электрического тока в механическую энергию (рис. 20).

 

Вращающаяся часть электродвигателя постоянного тока – якорь (рисунок 21) – состоит из большого числа рамок – витков обмотки, аккуратно уложенных в пазы сердечника якоря, который собирается из пластин листовой стали. Начала и концы витков припаивают к изолированным друг от друга медным пластинам коллектора – широкого кольца, укрепленного на валу якоря. Электрический ток на пластины коллектора подается при помощи графитовых стержней – щеток, соединенных с внешней цепью.

 

Неподвижный остов (статор) двигателя постоянного тока служит для крепления индукторов – электромагнитов, создающих постоянное магнитное поле, в котором вращается якорь. Обмотки якоря соединяются в определенной последовательности с тем, чтобы возникающие при работе двигателя силы стремились вращать якорь в одну сторону. Для этой же цели во время прохождения каждым из витков обмотки якоря нейтрального положения, когда момент сил, создаваемый магнитным полем индукторов оказывается равным нулю, на коллекторе происходит переключение направления тока через виток.

Современные тяговые двигатели электровозов постоянного тока рассчитаны на работу в жестких условиях. В процессе эксплуатации они подвергаются значительным перегрузкам, тряске, ударам, возникающим при прохождении колесными парами неровностей пути, работают при температурах от +40 до -50°С в условиях больших колебаний напряжения в контактной сети. Длительная безотказная работа таких машин – заслуга инженеров и конструкторов, машинистов локомотивов и рабочих ремонтных бригад. Но так же, как в любой другой области техники, и здесь все начинается с физики, с изучения, осмысления и применения новых физических явлений.

ЧО₂ Работа при перемещении проводника в магнитном поле

1 Магнитный момент контура с током.

Можно доказать, что вращающий момент  действующий на контур с током  в однородном поле, прямо пропорционален площади  обтекаемой током  и индукции магнитного поля  Кроме того, вращающий момент  зависит от положения контура относительно поля. Максимальный вращающий момент  макс получается, когда плоскость контура параллельна линиям магнитной индукции (рис. 17) и выражается формулой  

 

(Докажите это, используя формулу (6а и рис. 17).

Если обозначить , то получим