Вправа № 15
1. Назвіть 5 пристроїв, до складу яких входить електродвигун.
Електродвигуни містяться в таких приладах: пральна машина, пилосос, дриль, електричний самокат, кухонний блендер.
2. Установіть відповідність між складником електричного двигуна (1–4) та його призначенням (А–Д).
| Складник електричного двигуна | Призначення |
|---|---|
| 1. Статор | В. Створює магнітне поле, у якому обертається осердя з обмоткою |
| 2. Колектор | Д. Забезпечує зміну напрямку струму в обмотці |
| 3. Ротор | А. Обертається, перетворюючи електричну енергію на механічну |
| 4. Щітки | Б. Підводять напругу до колектора |
Правильна відповідність: 1 — В, 2 — Д, 3 — А, 4 — Б.
3. На рисунку зображено рамку зі струмом, яка повертається в магнітному полі постійного магніту. Визначте напрямок струму в рамці.
Напрямок струму — за ходом годинникової стрілки.
Обґрунтування: Лінії магнітного поля спрямовані від північного полюса до південного ($N \to S$, тобто справа наліво). Стрілка вказує, що ліва частина рамки зміщується від нас углиб площини. За правилом лівої руки: якщо повернути долоню праворуч (назустріч лініям індукції), а відігнутий великий палець спрямувати від нас, чотири витягнуті пальці покажуть напрямок струму вгору в лівій ділянці рамки. Відповідно, у правій частині струм тече вниз, що відповідає руху за ходом годинникової стрілки.
4. Чи зміниться напрямок руху рамки, зображеної на рис. 15.1, у разі зміни полюсів магніту? Якщо зміниться, то як? Відповідь обґрунтуйте.
Так, напрямок руху зміниться на протилежний. Зміна розташування полюсів змінює напрямок вектора магнітної індукції на протилежний, що, згідно з правилом лівої руки, веде до зміни напрямку сил Ампера та реверсу обертання рамки.
5. На затискачах вимірювальних приладів магнітоелектричної системи зазначено полярність («+» і «–»). Що буде, якщо, вмикаючи прилад, не дотриматися полярності?
Якщо змінити полярність, струм у рамці потече у зворотному напрямку. Сили Ампера створять момент протилежного знака, унаслідок чого стрілка відхилиться ліворуч за нульову позначку, що може призвести до її механічного пошкодження або виходу приладу з ладу.
6. Електричний самокат живиться від акумуляторної батареї 36 В. Визначте силу струму, який протікає в обмотці його двигуна, якщо час розгону до швидкості 18 км/год становить 5 с. Маса людини разом із самокатом дорівнює 60 кг. Втратами енергії знехтуйте.
Дано:
$U = 36\text{ В}$
$v = 18\text{ км/год} = 5\text{ м/с}$
$t = 5\text{ с}$
$m = 60\text{ кг}$
Знайти:
$I – ?$
Розв’язання:
Згідно із законом збереження енергії, робота електричного струму $W$ дорівнює набутій кінетичній енергії $E_{\text{к}}$:
$$W = E_{\text{к}}$$
Робота електричного струму визначається формулою:
$$W = U \cdot I \cdot t$$
Кінетична енергія системи:
$$E_{\text{к}} = \dfrac{m \cdot v^2}{2}$$
Прирівнюємо вирази:
$$U \cdot I \cdot t = \dfrac{m \cdot v^2}{2}$$
Звідси виражаємо силу струму $I$:
$$I = \dfrac{m \cdot v^2}{2 \cdot U \cdot t}$$
Обчислимо значення:
$$I = \dfrac{60 \cdot 5^2}{2 \cdot 36 \cdot 5} = \dfrac{60 \cdot 25}{360} = \dfrac{1500}{360} \approx 4{,}17\text{ А} \approx 4{,}2\text{ А}$$
Відповідь: $I \approx 4{,}2\text{ А}$.
7. У саморобному електродвигуні, який пропонувалося виготовити на початку параграфа, колектор відсутній. Чому рамка не зупиняється кожні чверть оберту, а продовжує обертання в одному напрямку?
Рамка безперервно обертається завдяки інерції та однобічному зачищенню ізоляції на контактах осі. Струм подається лише протягом пів оберту, створюючи обертальний момент, а іншу половину оберту рамка проходить за інерцією без виникнення гальмівних сил Ампера.
8. Електричні двигуни мають низку переваг перед тепловими. Чому тоді людство не відмовляється від застосування теплових двигунів?
Теплові двигуни залишаються актуальними завдяки високій автономності, великій густині енергії викопного палива (що забезпечує значний запас ходу важкої техніки, авіації та суден) і незалежності від наявності електромереж та тривалого заряджання акумуляторів.
Експериментальне завдання
Як можна змінити напрямок обертання ротора на протилежний?
Змінити напрямок обертання ротора можна двома шляхами:
- Змінити напрямок електричного струму в обмотці (поміняти місцями контакти джерела живлення);
- Змінити орієнтацію ліній магнітної індукції (поміняти місцями магнітні полюси статора).
Top skills: робота з інформацією
1. За рисунком і текстом визначте, яка частина гучномовця коливається, створюючи звук.
В Дифузор.
2. Поясніть, як зміна сили струму в котушці впливає на рух дифузора. У відповіді використайте поняття «сили Ампера», «коливання».
Зміна сили й напрямку електричного струму в звуковій котушці викликає відповідну зміну значення та напрямку сили Ампера. Ця сила примушує котушку та з’єднаний із нею дифузор здійснювати механічні коливання звукової частоти, що генерують звукові хвилі в повітрі.
3. Обґрунтуйте, чому коливання дифузора відбуваються саме в напрямку вперед-назад, а не вбік.
Лінії магнітної індукції радіального поля постійного магніту перпендикулярні до витків котушки. За правилом лівої руки вектор сили Ампера завжди спрямований строго вздовж осі керна, що спричиняє рух рухомої системи виключно вперед-назад.
4. Які зміни в роботі гучномовця спостерігатимуться, якщо: а) прибрати постійний магніт; б) шматочок заліза випадково потрапить між котушкою та магнітом?
- а) Без постійного магніту зникне зовнішнє магнітне поле, сила Ампера дорівнюватиме нулю, тому коливання дифузора припиняться і прилад не працюватиме.
- б) Якщо залізний уламок потрапить у зазор між котушкою та магнітом, він притягнеться до магніту та заклинить котушку, що завадить її вільному коливанню та призведе до спотворення або повного зникнення звуку.